Brevet FR2085173A1 — publié le 19711224

La présente invention concerne un échangeur thermique et en particulier un empilement d'éléments en feuilles alternativement plans et ondulés, ces derniers étant croisés entre eux. Un tel empilement constitue un ensemble monobloc qui est traversé dans un sens par le fluide primaire et dans le sens transversal par le fluide secoindaire à-température différente , l'-échange thermique sieffectuant au niveau des éléments plans. Dans les écnangeurs connus de ce genre, on obtient la liaison des divers éléments plans et ondulés par des procédés de soudage hétérogènes tels que le brasage par exemple, ce qui exclut la possibilité de faire circuler à l'intérieur des canaux des fluides à température très élevée proche du point de fusion des métaux de liaison. De même de tels échangeurs connus ne comportent pas de liaison des éléments ondulés entre eux ce qui crée de mauvaises conditions de résistance mécanique lorsqu'on se propose d'utiliser des fluides à pression relativement élevée. L'échangeur-perfectionné selon l'invention permet d'éviter de tels inconvénients. I1 permet d'établir des liaisons par soudure autogène et ceci pour tous les éléments ondulés entre eux. Par aIlleurs un mode particulier de fixation des-flasques latéraux assure une étanchéité totale des canaux, tandis qu'un procédé de débouchage des canaux permet d'établir des ouvertures dans les flasques après leur fixation, ce qui évite des déformations notables de l'ensemble de l'échangeur. Selon un premier mode de réalisation, le moyen pour obtenir les liaisons par soudure autogène est le soudage élec- trique par résistance avec mandrins conducteurs et le mode do fixation particulier des flasques est le soudage par bon:- bardement électronique. Le procédé de débouchage des flasques peut être réalisé par usinage par électro-erosion. Solon un deuxième mode de réalisation de l'invention pour obtenir les liaisons par soudage autogène, le moyen cst le bombardement électronique ou le soudage avec électrode réfractaire sous atmosphère inerte. I1 est alors possible dans un tel cas dc ns passer des T,andrins conducteurs, mais un montage particulier est nécessaire. Enfin selon un dernier mode de réalisation de l'inven tin, le moyen de liaison par soudage autogène consiste à ef -fectuer le soudage par point sur bossage sur une machine à souder adaptés. Dans ce/cas il est nécessaire de prévoir une série de bos sages sur les arêtes des ondulations de chaque élément ondu lé. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre faite en regard des dessins an nexés et donnant à titre indicatif mais nullement limitatif une forme de réalisation de l'invention. Sur ces dessins La figure 1 est une vue schématique en perspective montrant le mode de réalisation d'un échangeur classique. La figure 2- est une vue schématique partielle en pers pectine montrant les défauts caractéristiques de l'assembla ge selon la figure 1 soumis à une pression de fluide à tem pérature élevée. La figure 3 est une vue schématique partielle du mode d'assemblage par soudage autogène des eléments plans et on dulés, selon la présente invention. la figure 4 est une vue schématique d'ensemble de l'u tilisation de l'échangeur conforme à l'invention dans le chauffage d'une cabine d'avion. Da figure 5 est une vue en perspective de l'ensemble de l'échangeur selon l'invention. la figure 6 est une vue en coupe à grande échelle du mode de liaison des flasques et des éléments de l'échangeur. Les figures 7 et 8 sont des vues en coupe montrant l'opération de soudage électrique par résistance des éléments plans- et ondulés entre eux, et La figure 9 est une vue en coupe du mode de liaison d'une gaine de raccordement sur l'échangeur. Le type d'échangeur thermique connu représenté partiel lement sur la figure 1 comprend essentiellement un empilement croisé d'éléments alternativement plans 1 et ondulés 2, qui constituent des canaux 3-de passage pour un fluide. Dans un tel type d-' échangeur vu à plus grande échelle sur l fi gure 2, les liaisons entre les éléments plans 1 et ondulés 2 sent assurées habituellement par un assemblage par brasure 4. Lorsqu'on se propose de faire circuler dans un tel échangeur des fluides à pression et/ou température élevées. des défauts caractéristiques tels que des ondulations 22 ou des disjonctions 23 entre éléments plans et ondulés apparaissent comme indiqué sur la figure 2, ce qui a pour consequen- ces de réduire condidérablement les caractéristiques de ré s stance mécanique de l'ensemble de l'échangeur et conduit eme parfois à sa destruction pure et simple. Le mode d'assemblage conforme à l'invention représenté sur la figure 3 ne possède aucun des défauts précités. On voit,sur cette figure 3, que l'élément plan 7 et les éléments ondulés adjacents 6 sont solidement liés entre eux par des points de soudure autogène 8, ce qui confère à l'en- semble ainsi constitué des qualités de grande résistance mécanique associée à la grande rigidité que fournit le sommet de chaque onde de chaque élément ondulé pris entre deux points de soudure 8 consécutifs et une excellente tenue aux températares élevées par le fait que la soudure de chaque point 8 est ae êe nature que le métal de base des éléments 6 et 7. l'échangeur thermique conforme à l'invention, utilisé pour le chauffage d'une cabine d'avion selon un circuit tel que représenté sur la figure 4 et qui est désigné dans son ensemble par le repère 16 ,permet un un abaissement d'environ 300 C entre l'aIr à la température &alpha;1 de 6000C et à la pression Pl de 20 à 30 bars prélevé au niveau du compresseur du réacteur 18 et l'air à l'entrée de l'échangeur détendeur rotatif 19 qui doit amener cet air à une température 12 de 20 C et à une pression P2 de 1 bar à l'intérieur de la cabine 20. Le fluide de refroidissement est dans ce cas de l'air atmosphéique prélevé à basse pression et à la température &alpha;3 d'environ 100 C. On voit un mode de réalisation préféré d'un tel échan -gour thermique 16, constitué de feuilles d'acier inoxydable @usténitique ondulées 6 d'épaisseur 0,15 mm et planes 7 @@épaissour 0,2 mm suivant la technique du NORSIAL (marque @éposée par la Société NORD-AVIATION), les figures 7 et 8 représentant des coupes axiales réciproques du montage de so@@@ge par résistance. S@@vant ce mode de réalisation, chaque ligne de points @@ so@@@@@ @@@o@ène 8 est exécutée par une molette de soudage électrique par résistance 12, au moyen de mandrins d'appui longitudinaux conducteurs 9 et 10 placés préalablement dans les ondes perpendiculairement les uns aux autre. Dans un tel cas, les mandrins 10 sont munis de bandes isolantes 11 afin d'éviter de refermer le circuit électrique par ses flancs d'ondes De môme l'impulsion électrique n'est envoyée sur la molette que lorsque cette molette se trouve à la perpendicu- laire de l'intersection de deux ondes, ce qui représente u pas approximatif de 3,5 mm entre deux points de soudure consécutifs. Bien entendu, un montage classique avec des connexions électriques sur les mandrins (non représenté sur les dessins) est nécessaire. L'ensemble monobloc des éléments plans 7 et ondules 6 est complété après soudage par la fixation ae quatre flasques 15 et de deux plaques 13 de 0,6 mm d'épaisseur, exécutée de la manière ci-après (figure 9). Des lignes de soudure 14,réalisées par bombardement électronique, assurent la liaison des éléments 6-7 et 15 entre eux (figure 6)o les plaques 17 sont ensuite assemblées aux flasques 15 par d'autres lignes de soudure par bombardement électronique 14, tandis que des gaines de conduite de fluide 17 sont réunies à l'ensemble par ces mêmes lignes de soudure comme on le voit sur la figure 9. Préalablement à cette dernière opération, les flasques 15 sont débouchés en 24 par un mandrin de forme agissant par électro-érosion, d'où une très faible déformation de l'en- semble. Un échangeur thermique de ce type peut comporter un empilement de 35 éléments ondulés et constituer un cube de 140 mm de côté. il est oin entendu que tous les modes d'assemblage des éléments plans 7 et ondulés o entre eux, mettant en oeuvre Ü procéaé de soudage autogène connu tel que par exemple soudage par faisceau d'électrons par bombardement électroni qie, le soudage à l'arc avec électrode réfractaire sous atmosphère inerte, le sondage par points avec électrode fine, le soudage par bossages sur machinc à souder par bossage, le soudage par diffusion, le soudage par laser, le soudage par ultra-sons rentrent dans le cadre de l'invention. De même tous les procédés de soudage convenables assu rant la fixation des flasques 15 et des plaques 13 sur le bloc et tous les systèmes assurant le débouchage en 24 des flasques 15 sans déformation de l'ensemble, sont également couverts par l'invention. Enfin, toute utilisation, qui serait faite d'un échangeur thermique conçu en tous matériaux selon toute disposi- tlon par le processus décrit ci-dessus et mettant en oeuvre tous fluides à toutes températures et toutes pressions, est du domaine de l'invention. I1 va de soi que la présente description a été faite ci-dessus à titre d'exemple préférentiel purement indicatif mais nullement limitatif et que l'on pourra introduire toutes équivalences dans ses éléments constitutifs sans sortir de son cadre défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique comprenant un empilement d'éléments en feuilles alternativement planes et ondulées à ondulations croisées, caractérisé en ce que l'assemblage de tous ces éléments entre eux est réalisé par des zones de soudure simple ou triple exclusivement autogène assemblant au moins un creux ou un sommet d'ondes des éléments ondulés et par endroits un creux et un sommet avec un élément plan intermédiaire, le moyen de soudage autogène des éléments entre eux étant le soudage électrique par résistance avec mandrin conducteur, ledit mandrin étant glissé de l'intérieur de l'ondulation et isolé des régions de l'ondulation qui provoqueraient un court-circuit. 2. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de soudage autogène des éléments entre eux est le suivant : soudage par point, soudage électrique par résistance avec électrode fine, soudage par faisceau d'électrons, soudage avec électrode réfractaire sous atmosphère inerte, soudage par diffusion, soudage par laser ou soudage par ultra-sons. 3. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les éléments plans et ondulés soudés sont en alliage au nickel. 4. Echangeur thermique selon 1"une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que des flasques et des plaques sont fixés par soudage autogène sur le bloc constitué des éléments plans et ondulés soudés. 5. Echangeur thermique-selon la revendication 4, caractérisé en ce que des ouvertures pratiquëeR dans les flasques permettent la réalisation de canaux de-passagé--aux fluides. 6. Echangeur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites ouvertures sont réalisées par électro-érosion. 7. Echangeur thermique selon l'une des-revendications 1 à 6, caractérisé en ce que des gaines-d'arrivée et de départ de fluides sont fixées par soudage autogène sur les flasques et les plaques. 8. Echangeur thermique pour~la climatisation d'une cabine d'avion, caractérisé en ceuevle fluide le traversant dans un sens est de l'air prélevé au-turbo-réacteur entrant à 6000C et 20 à 30 bars de pression sortant à environ 3000C et le fluide le traversant dans l'autre sens est de l'air atmosphérique à une température voisine de 1000C.