Brevet FR2132666A1 — publié le 19721124

La présente invention concerne un échangeur thermique basé sur le principe du contrc-courant, notamment pour l'échange thermique entre liquides à bas point d'ébullition. Les échangeurs thermiques de ce genre sont généralement 5 constitués par des tuyauteries entre lesquelles doit avoir lieu l'échange thermique. Cependant, leur utilisation dans la technique des basses températures est limitée parce que les surfaces qui déterminent l'échange thermique sont relativement petites par comparaison aux dimensions de l'installation. 10 Afin de pallier cet inconvénient il a dé'jà été proposé de constituer l'échangeur thermique par deux chambres disposées dans un carter et qui, pour créer une surface aussi grande que possible, sont remplies d'une matière frittée. Un inconvénient inhérent à cet échangeur thermique est la résistance relativement 15 grande qu'oppose la matière frittée à l'écoulement des liquides. Cette résistance provoque un échauffement des liquides, qui, bien que très faible, n'est pas souhaitable surtout lorsqu'il s'agit d'engendrer de basses températures. L'invention a donc pour but de créer un échangeur ther-20 mique suivant le principe du contre-courant et approprié notamment à être employé dans la technique des basses températures, c'est-à-dire un échangeur thermique dans lequel les pertes par frottement visqueux sont évitées dans une; large mesure, et dans lequel le contact thermique entre liquides est Considérablement amélioré par 25 rapport à celui obtenu avec les échangeurs thermiques connus. Pour parvenir à ce but l'invention prévoit essentiellement que 1'échangeur thermique est composé de plusieurs éléments en forme de plaques superposés pour constituer un bloc et qui forment des évidements d'écoulement reliés à de-s évidements d'arrivée 30 disposés de façon telle que les fluides destinés à l'échange thermique pénètrent alternativement dans des évidements d'écoulement superposés. Un échangeur thermique ainsi conçu présente, par comparaison aux échangeurs thermiques connus, une résistance très fai-35 ble à l'écoulement. De plus, on a eu la surprise de constater que bien que la surface effective d'échange thermique soit, par unité de volume, plus petite que dans le cas de l'échangeur thermique à chambres remplies de matière frittée, l'échange thermique s'ef- 72 10946 2 2132666 fectuait considérablement plus rapidement. Enfin, l'échangeur thermique selon l'invention a encore pour avantage que les quantités de liquide qui se trouvent dans l'échangeur en cours de fonctionnement sont petites. Si par exemple l'échangeur thermique est utilisé 5 dans la production de basses températures par mélangeage réversible 3 4 et séparation de He et He, les quantités de liquide présentes dans le cryostat mélangeur peuvent être plus petites que jusqu'à présent, ce qui constitue un avantage étant donné les coûts élevés, 3 notamment de He. 10 Dans les évidements d'écoulement il est préférable de prévoir des éléments formant entretoises, sous forme de mamelons, qui font que ces évidements conservent la forme désirée même lorsque les éléments formant plaques sont appliqués les uns sur les autres pour former un bloc. 15 ' Une forme d'exécution préférée de l'échangeur thermique selon l'invention consiste en ce que les éléments formant plaques comportent, pour former les évidements d'écoulement, des creusures unilatérales en forme d'auges, en ce que dans chacune de ces creusures débouchent un évidement éloigné de conduite d'amenée et un 20 évidement éloigné de conduite d'évacuation, et en ce que deux évidements de transmission traversent la partie située hors de la creu-sure en forme d'auge. Dans cette forme d'exécution, les éléments en forme de plaques peuvent avoir une forme anguleuse ou ronde, annulaire, ou toute autre forme. Toutes ces dispositions assurent 25 une structure simple et compacte de l'échangeur thermique. De préférence, les plaques ont une épaisseur inférieure à 1mm et sont en un matériau métallique de faible conductibilité thermique, ou encore en feuilles de matière synthétique, par exemple en téréphtalate de polyéthylène. Etant donné que l'on fait 30 usage d'un matériau à faible conductibilité thermique, il ne se produit pas de courant thermique dans les parties marginales des plaques. Les évidements d'écoulement en forme d'auges et éventuellement les entretoises peuvent, selon une autre caractéristique de 35 l'invention, être réalisés par un procédé de gravure chimique, ce qui est particulièrement avantageux dans le cas de plaques relativement minces. - D'autres particularités et avantages de l'invention ressortir ont de la description d'un exemple d'exécution d'un échangeur 40 thermique selon l'invention, faite ci-après avec référence au dessin 72 10946 3 2132666 sur lequel - les figures 1 et 2 représentent chacune un élément en forme de plaquo avec des évidements d'amenée, d'évacuation et de transmission disposés symétriquement les uns par rapport aux autres, 5 - la figure 3 ost une vue en coupe à travers un élément en forme de plaque et, - la figure 4 est une vue de profil, fortement simplifiée, d'un échangeur thermique selon l'invention. Dans les éléments 1 en forme de plaques sont prévus des 10 évidements d'écoulement en forme d'auges 2. Dans ces auges sont disposés des éléments formant entretoises 3 constitués par des ma-jnelons^ .Dans .le cas de l'élément en forme de plaque 1 selon la fig.l, l'évidement d'écoulement 2 est raccordé à 11évidement de transmission supérieur gauche 4 et à l'évidement de transmission 15 inférieur droit 5. Les évidements de transmission supérieur droit 6 et inférieur gauche 7 ne sont pas inclus dans l'évidement d'écoulement 2. • Dans le cas de l'élément en forme de plaque 1 selon la^ fig.2 il existe une liaison inverse entre l'évidement d'écoulement 20 2 et les évidements de transmission 4 à 7. Lorsque des éléments-plaques de ce type sont superposés, il se forme entre eux des canaux d'écoulement pour deux liquides s'écoulant à contre—courant l'un de l'autre, chaque liquide passant par un évidement d'écoulement sur deux. 25 On a représenté à la fig.4 un échangeur thermique 8 du type selon l'invention, très schématisé. Huit éléments-plaques 1 sont superposés et forment les évidements d'écoulement 2 pour les deux liquides entre lesquels l'échange thermique doit avoir lieu. Le parcours du fluide introduit en haut à gauche est indiqué par la 30 ligne en tirets 9, celui du fluide introduit en bas à droite par la ligne en trait mixte 10. On voit que les liquides traversent chacun un évidement d'écoulement sur deux. La fabrication de l'échangeur thermique selon l'invention '-peut être exécutée de façon rationnelle en superposant les éléments-35 plaques 1 pour former un bloc soumis à la pression d'une presse de _ -draçon à assurer l'étanchéité oe l'évidement d'écoulement 2. Pour favoriser cette étanchéité, les éléments-plaques 1 peuvent être associés à une garniture d'étanchéité métallique. BAD ORIGINAL 72 10946 4 2132666 Les échangeurs thermiques du type décrit ci-dessus sont notamment propres à être utilisés pour des cryostats mélangeurs dans lesquels sont engendrées de basses températures par mélange 3 4 réversible et séparation de He et de - He. Les températures pou-5 vant ainsi être atteintes sont fonction de la qualité de l'échangeur thermique utilisé. Il est plus facile d'atteindre de basses températures avue l'échangeur thermique selon l'invention qu'avec les échangeurs connus jusqu'à présent. Enfin, l'échangeur thermique selon l'in-10 vention se prête également à l'échange thermique entre deux gaz ou entre -un gaz et un liquide. BAD ORfGiNAl. 72 10946 5 2132666 REVENDICATIONS 1.- Echangeur thermique basé sur le principe du contre-courant, notamment pour l'échange thermique entre liquides à bas point d'ébullition, remarquable en ce qu'il est composé de plu-5 sieurs éléments en forme de plaques superposés pour constituer un bloc et qui forment des évidements d'écoulement reliés à des évidements d'arrivée disposés de façon telle que les fluides destinés à l'échange thermique pénètrent alternativement dans des évidements d'écoulement superposés. 10 2.- Echangeur thermique selon la revendication 1, remar quasse en ce que des éléments en forme de mamelons sont prévus dans les évidements d'écoulement des fluides pour servir d'entre-toises. 3.- Echangeur thermique selon la revendication 1 ou 2, 15 remarquable en ce que les éléments formant plaques comportent, pour former les évidements d'écoulement, des creusures unilatérales en forme d'auges, en ce que dans chacune de ces creusures débouchent un évidement éloigné de conduite d'amenée et un évidement éloigné de conduite d'évacuation, et en ce que deux évidements de trans-20 mission traversent la partie située hors de la creusure en forme d•auge. 4.- Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que les éléments formant plaques ont une forme quelconque et en ce que les évidements 25 d'arrivée, d'évacuation et de transmission sont disposés dans le champ des zones marginales. 5.- Echangeur thermique selon la revendication 1 ou 3, remarquable en ce que les éléments formant plaques ont une forme anguleuse et en ce que les évidements d'arrivée, d'évacuation et 30 de transmission sont disposés dans le champ des angles. 6.- Echangeur thermique selon la revendication 1, remarquable en ce que les éléments formant plaques ont une épaisseur inférieure à 1mm. 7.- Echangeur thermique selon la revendication 6, remarqua-35 ble en ce que les éléments formant plaques sont en un matériau métallique de faible conductibilité thermique, en feuille de matière synthétique, par exemple en téréphtalate de polyéthylène. 8.- Procédé de fabrication d'un élément formant plaque selon la revendication 6 ou 7,remarquable en ce que l'évidement 72 10946 6 2132666 d'écoulement en forme d'auge et les éventuels éléments entretoises sont produits par attaque chimique. 9.- Procédé de fabrication d'un échangeur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable 5 en ce que les éléments formant plaques comportant les évidements requis sont réunis pour former un bloc soumis à la pression d'une presse afin de réaliser 1'étanchéité de ces évidements. 10.- Procédé de fabrication d'un échangeur thermique selon la revendication 9, remarquable en ce que les éléments for- 10 mant plaques sont associés à une garniture métallique d1étanchéité.