Brevet FR2656076A1 — publié le 19910621

MATéRIAU POUR LA REALISATION D'ECHANGEURS THERMIQUES ET NOUVEAUX TYPES D'ECHANGEURS COMPORTANT UN TEL MATERlU. La présente invention à un nouveau type de matériau permettant la réalisation d'échangeurs thermiques. Elle concerne également un nouveau type d'échangeurs comportant un tel matériau. Dans la suite de la description, l'invention sera décrite en prenant comme application les opérations d'échange thermique qui consistent à refroidir rapidement, voire même à congeler, des produits divers, mais il est évident que cela n'est pas limitatif et que le matériau conforme à l'invention, ainsi que les échangeurs réalisés à partir de ce matériau, peuvent être également utilisés dans le cas où l'on souhaite réaliser un réchauffement. Dans le domaine du refroidissement rapide de produits divers, il est bien connu que l'on obtient des meilleurs résultats en plongeant directement le produit à refroidir à l'intérieur du milieu, par exemple directement à l'intérieur d'une saumure très froide ou de glace fondante. Si une telle technique donne de bons résultats, il est évident que le contact entre le produit et le milieu refroidissant présente des inconvénients, notamment dans le cas de produits alimentaires. Par suite, il a été proposé depuis fort longtemps d'envelopper le produit à refroidir avec une pellicule mince de protection. I1 n'en demeure pas moins, même avec une telle protection, notamment lorsque le fluide refroidissant est un liquide, qu'une telle solution ne donne pas entière satisfaction. Dans le domaine de la conservation, il a également été proposé depuis fort longtemps d'utiliser des blocs constitués d'une enveloppe fermée (matière plastique en général) à l'intérieur de laquelle est disposé un liquide approprié, lesdits blocs étant congelés puis mis à l'intérieur d'une enceinte de protection (glacière) en parallèle avec les produits à réfrigérer. Une telle solution ne permet cependant pas de refroidir rapidement et de manière efficace les produits, mais a simplement pour résultat de maintenir l'atmosphère de l'enceinte de protection à une température relativement basse, les blocs ne se décongelant que très lentement. Pour obtenir un refroidissement rapide, il a été proposé depuis fort longtemps, notamment dans le brevet US-2 061 427, d'utiliser des ensembles réfrigérants comportant des poches (ou similaires) qui plongent à l'intérieur du fluide réfrigérant et qui sont destinées à contenir les bouteilles. De tels ensembles présentent comme avantage de permettre d'avoir un refroidissement rapide des bouteilles et d'éviter que la surface desdites bouteilles ne soit mouillée par le fluide. Pour obtenir une bonne efficacité, il est cependant nécessaire d'avoir un bon contact entre la surface des bouteilles et l'en- veloppe, et implique donc soit d'utiliser toujours les mêmes bouteilles pour une enveloppe de forme donnée, soit avoir des enveloppes de forme différente fonction de celle des bouteilles.Par ailleurs, avec de tels ensembles, il n'est pas envisageable de pouvoir réaliser un refroidissement rapide, voire même une congélation de produit se présentant sous une forme autre qu'une bouteille, tels que par exemple des produits liquides ou solides (produits alimentaires, produits pharmaceutiques, sang, plasma..) conditionnés à l'intérieur de sachets. Or on a trouvé, et c'est ce qui fait l'objet de la présente invention, un nouveau type de matériau particulier ainsi qu'une nouvelle conception d'échangeurs thermiques réalisés à partir de ce matériau qui permet de résoudre l'ensemble de ces problèmes. D'une maniere générale, le nouveau matériau pour la réalisation d'échangeurs thermiques conformes à l'invention, se présente sous la forme d'un bloc destiné à être mis en contact avec le produit à refroidir (ou à réchauffer), et il se caractérise en ce que ledit bloc est constitué à partir d'une matière de type "résine" chargée de limaille de cuivre (ou équivalent) et choisie parmi celles présentant, d'une part la caractéristique de pouvoir être moulée et d'autre part, la caractéristique de conserver des propriétés de compressibilité (élasticité) pour une amplitude de variation de température élevée, des tubes pour la circulation d'un fluide (refroidissant ou chauffant) étant noyés à l'intérieur du bloc lors de son opération de moulage et faisant corps avec lui après durcissement de la résine. Avantageusement, selon l'invention, on utilise comme matière de base permettant de réaliser le bloc une résine de silicone sous forme pâteuse (par exemple du type de celle commercialisée par la société "Général Electrique" sous la référence IS 808), des particules de cuivre étant incorporées à l'intérieur de cette résine à raison de 65 à 75 % en poids, ces particules étant composées de limailles de cuivre constituées de grains ayant une très faible section, par exemple des grains de cuivre dont les dimensions sont telles qu'ils puissent passer entre les mailles d'une grille de 0,8 mm de section. Après l'incorporation de la limaille de cuivre à l'intérieur de la résine de silicone, la composition est moulée de manière à obtenir un bloc de forme déterminée (forme parallélépipédique, bloc à section courbe..) en fonction des échangeurs que l'on souhaite réaliser. Des tubes d'un évaporateur (ou réchauffeur) sont noyés à l'intérieur dudit bloc lors de cette opération de moulage ; après polymérisation, on obtient des blocs qui présentent la caractéristique d'être souples et comprimables et ce, même à des températures très faibles pouvant aller, dans le cas de compositions précitées, jusqu'à 1200C. Par ailleurs, un tel bloc présente une surface très lisse, résistante et les tubes disposés à linté- rieur dudit bloc lors de l'opération de moulage sont parfaitement maintenus et immobiles. Selon une variante conforme à l'invention, le bloc comporte un noyau interne à base d'un autre type de résine de silicone, également chargé de particules de cuivre et présentant des caractéristiques de compressibilité différentes de la couche périphérique qui l'entoure, notamment en vue d'augmenter la compressibilité de l'en- semble. Grâce à de tels blocs ou modules, il est possible de réaliser un nouveau type d'installations permettant d'effectuer des échanges thermiques de manière très rapide et très efficace, notamment des opérations de refroidissement voire même congélation de manière pratiquement instantanée de produits pouvant être emballés, soit à l'intérieur de containers souples (sachets) ou de containers rigides (bouteilles, boites). Pour ce faire, le nouveau type d'installations conforme à l'invention se présente sous la forme d'une enceinte isolante à l'intérieur de laquelle sont disposés au moins deux blocs conformes à l'invention et entre lesquels peut être disposé le produit à refroidir (ou à réchauffer), lesdites installations étant caractérisées en ce que l'enceinte est constituée d'éléments mobiles ayant une structure telle que lorsqu'ils sont écartés l'un de l'autre, le produit à refroidir puisse être introduit entre les blocs et que, lorsqu'ils sont rapprochés l'un de l'autre, les blocs réfrigérants viennent s'appuyer sur au moins une partie majoritaire de la périphérie du produit à traiter.Grâce à la structure particulière des blocs conformes à l'invention qui présentent la caractéristique d'être souples, lesdits blocs sont comprimés contre la surface du produit et l'épou- sent de manière parfaite et ce, quelle que soit sa forme. Par ailleurs, les additifs (particules de cuivre) incorporés à l'intérieur des blocs, permettent d'avoir une très bonne conductibilité thermique favorisant un très bon échange de calories entre le produit (bouteille) à refroidir et l'évaporateur frigorifique. L'invention et les avantages qu'elle apporte seront cependant mieux compris grâce aux exemples de réalisation donnés ci-après à titre indicatif mais non limitatif, et qui sont illustrés par les schémas annexés, dans lesquels - la figure 1 illustre, vue en coupe, la structure d'un ensemble réfrigérant pour bouteille réalisé à partir d'un matériau sous forme de bloc conforme à l'invention ; - les figures 2, 3 et 4 illustrent, vue en coupe transversale, la structure d'une variante d'un ensemble réfrigérant conforme à l'invention dans laquelle chaque bloc élémentaire comprend un noyau interne et les différentes possibilités d'action d'un tel ensemble sur divers types de bouteilles ; dans ces figures, un seul bloc est représenté en détail, les autres n'étant que simplement esquissés - les figures 5 et 6 sont des vues en coupe d'un autre type d'appareil de réfrigération pour produits emballés sous forme de sachets, d'une part avant mise en oeuvre du processus de refroidissement (figure 2) et d'autre part, en cours de ce processus de refroidissement (figure 3). Dans la suite de la description, pour une meilleure compréhension et par mesure de simplification, les mêmes éléments seront désignés par les mêmes références, éventuellement affectées d'un indice. Pour la réalisation des échangeurs de chaleur conformes à l'invention, on utilise un nouveau type de matériau se présentant sous la forme de blocs et qui sont constitués d'un mélange de résine de silicone et de limaille de cuivre. Comme type de résine de silicone, on peut utiliser par exemple une résine du type commercialisé sous la référence "IS 808" par la société GENERAL ELECTRIQUE, qui se présente sous forme pâteuse et peut être polymérisée à température ambiante. Eventuellement, des additifs tels qu'une huile de silicone, du type commercialisé sous la référence 96/100 également par la société GENERAL ELECTRIQUE, peuvent être incoporés dans la résine de base. Une composition comprenant 30 % de résine IS 808 et 70 % en poids de limaille de cuivre convient pour la réalisation de blocs conformes à l'invention. Dans la forme de réalisation où le bloc comporte le noyau interne, ledit noyau est réalisé à partir d'une composition comprenant 28 % de résine IS 808 et 6 % d'huile de silicone commercialisée sous la référence 96/100 par la société GENERAL ELECTRIQUE et 66 % de limaille de cuivre. La limaille de cuivre utilisée dans les deux cas est formée de grains dont les dimensions sont telles qu'ils puissent passer au travers d'une grille de 0,8 mm de section. Cette matière de base étant préparée, on réalise une opération de moulage pour former des blocs ou modules renfermant des conduits véhiculant un fluide réfrigérant. La forme et les dimensions de ces blocs seront fonction du type d'échangeur que l'on souhaite réaliser La figure 1 illustre un mode de réalisation d'un échangeur comportant des blocs conformes à l'invention permettant de refroidir une bouteille (1), blocs constitués par une pâte comprenant 30 % de résine IS 808 et 70 % de limaille de cuivre, tel que défini précédemment. Dans un tel mode de réalisation, l'échangeur est constitué essentiellement de trois éléments (modules) réfrigérants identiques, désignés par les références générales (2a,2b,2c) qui définissent entre eux un volume correspondant sensiblement au volume de la bouteille à traiter. Ces éléments (2a,2b,2c) sont montés sur un support de telle sorte qu'ils puissent être déplacés vers le centre (O) de l'enceinte après introduction de la bouteille (1) et bloqués dans cette position au moyen d'éléments de fermeture appropriés (non représentés). Chacun de ces éléments réfrigérants (2a,2b,2c) est de même structure et est constitué d'une couche isolante (3a,3b,3c) rigide (mousse de polyuréthanne expansée). Contre la paroi intérieure de cette couche isolante formant un arc de cercle, sont appliqués les blocs (4a,4b,4c) à base du matériau conforme à l'invention constitué d'un mélange de silicone et d'une limaille de cuivre. La polymérisation du matériau peut être réalisée soit préalablement en donnant à chacun des blocs (2a,2b,2c) la forme souhaitée en les rapportant contre la surface interne des couches isolantes externes, soit en disposant cette matière sous la forme d'une pâte à l'intérieur de la masse de laquelle sont disposées une ou plusieurs nappes de tubes (5) permettant de véhiculer le fluide réfrigérant (fréon par exemple), reliés entre eux et formant ainsi un circuit étanche faisant office d'évaporateur frigorifique. Après vulcanisation de la pâte constituée de silicone et limaille de cuivre, les couches périphériques (3a,3b,3c) et les couches internes (4a,4b,4c) sont parfaitement solidarisées les unes aux autres, les couches internes présentant une surface parfaitement lisse et ayant la caractéristique d'être souple et compressible.De cette manière, lorsque les trois éléments (2a,2b,2c) seront approchés vers le centre (O) de l'appareil après introduction de la bouteille (1), les blocs (4a,4b,4c) épousent parfaitement à la surface périphérique de cette bouteille. On obtient un très bon échange thermique compte tenu du fait que les particules de cuivre assurent une liaison thermique entre ltévapora- teur (tubes 5) et la paroi de la bouteille (1). La paroi de chaque élément s'appuyant avec pression contre la paroi de la bouteille, il y a donc un contact intime entre cette dernière et les particules de cuivre incorporées à l'intérieur du silicone constituant les blocs. L'évaporation de fluide frigorigène (fréon) à l'intérieur de l'échangeur absorbe les calories de la matière constituant les blocs qui, elle-même, absorbe les calories du contenu de la bouteille (1) par échange thermique. Lorsque le refroidissement souhaité est atteint, pour retirer la bouteille, il suffit d'écarter les éléments mobiles (2a,2b,2c) pour extraire facilement ladite bouteille. Les figures 2, 3 et 4 illustrent une autre forme de réalisation conforme à l'invention dans lesquelles les blocs élémentaires ont une structure légèrement différente de l'exemple précédent et comprennent un noyau additionnel (14) constitué d'une pâte de silicone et de limaille de cuivre d'une consistance très molle, et dont la composition par rapport au noyau principal (4) est modifiée en incorporant dans la pâte de silicone de base formée de résine IS 808 une huile du type 96/100. Dans cette forme de-réalisation, la constitution du noyau (14) est de 28 % de résine IS 808, 6 % d'huile de silicone 96/100 et 66 % de limaille de cuivre. Le noyau principal (4) a, quant à lui, la même composition que dans l'exemple illustré à la figure 1. Le noyau (14) est plaqué contre un ensemble de tubes de cuivre (5) espacés les uns des autres, et véhiculant le fluide permettant soit de réfrigérer le produit et faisant alors office d'évaporateur frigorifique, soit au contraire de le réchauffer. Cet ensemble évaporateur (5) et noyau (14) est noyé à l'intérieur de la pâte composée de silicone et limaille de cuivre formant le bloc (4) et qui présente la caractéristique d'avoir une bonne résistance mécanique ainsi que de conserver une très bonne élasticité, même lors d'amplitude de variation de température importante. La résine (4) forme donc une enveloppe qui entoure complètement l'évaporateur frigorique constitué des tubes (5), par le garnissage dans les intervalles qui les séparent. Les différentes opérations de fabrication d'un tel bloc sont, comme dit précédemment, effectuées par moulage. La couche isolante (3) périphérique est appliquée après la polymérisation totale de l'ensemble. Ainsi que cela ressort des figures 2,3 et 4, on peut réaliser à partir de tels blocs des échangeurs contenant trois blocs mobiles et qui peuvent permettre de traiter des bouteilles de section différente. A titre indicatif on peut, avec des blocs dont la partie en contact avec la bouteille (1) forme un arc de cercle (15) ayant une longueur développée de 7,5 cm, traiter des bouteilles dont le diamètre peut varier allant par exemple d'une bouteille à vin blanc d'Alsace qui est la bouteille de plus petit format rencontrée fréquemment, et dont le diamètre est en général de l'or- dre de 7,2 cm (figure 3), soit une bouteille de diamètre supérieur tel que par exemple une bouteille de Côtes-du Rhône, dont le diamètre est de 7,8 cm (figure 2), voire même une bouteille de champagne dont le diamètre est en général égal à 8,9 cm (figure 4). Dans le cas de la bouteille de vin d'Alsace (figure 3), lorsque les trois blocs sont plaqués contre la périphérie, la paroi (12) écrase le noyau (14) par déformation de la partie (15) et le bord (17) se plaque contre la bouteille par l'ouverture de l'angle a. Avec trois éléments réfrigérants, la bouteille de vin d'Alsace dont le diamètre est de 7,5 cm, est complètement épurée par les éléments réfrigérants. Dans le cas d'une bouteille plus grosse (figure 2), telle qu'une bouteille de Côtes-du-Rhône dont le diamètre est de 7,8 cm, après la compression des trois éléments réfrigérants, il restera un espace d'environ 6,7 mm entre chaque élément et la paroi (12) ne subit pratiquement aucune déformation. La figure 4 illustre le cas du traitement d'une bouteille de champagne dont le diamètre est de 8,9 cm. Lors de la compression d'éléments réfrigérants contre la bouteille, celle-ci comprime en premier lieu le bord (17) de la paroi (12) en fermant l'angle a. L'arc de cercle formé par la partie (15) s'aplatit et épouse la forme de la bouteille grâce à la déformation du noyau (14). Après la compression des trois éléments disposés autour de la bouteille, l'espace entre chaque élément est d'environ 1,8 cm. Les figures 5 et 6 illustrent de manière schématique un autre type d'échangeur réalisé à partir d'un matériau conforme à l'invention pouvant être utilisé pour le refroidissement rapide, voire même la congélation de produits stockés à l'intérieur d'emballages souples, tels que par exemple du plasma sanguin. Dans cette forme de réalisation, l'échangeur est également constitué d'une enceinte extérieure constituée de deux parties (22a,22b) pouvant être écartées l'une de l'autre. A l'intérieur de ces deux enceintes (20,21), par exemple en mousse de polystyrène rigide, seront disposés deux blocs (22a,22b) constitués d'un matériau conforme à l'invention réalisé comme précédemment à partir de résine de silicone chargée de limaille de cuivre. Dans le cas présent, on utilise comme composition une résine de silicone chargée de limaille de cuivre, une pâte comprenant 30 % de résine IS 808 de la société GENERAL ELEC TRIQUE et 70 % de limaille de cuivre, et ce comme dans l'exemple illustré par la figure 1. A l'intérieur de ces blocs (22a,22b), sont également disposés les tubes (23), en cuivre, jouant le rôle d'évaporateurs frigorifiques. Les produits (P) sont disposés à l'intérieur du volume compris entre les deux blocs mobiles (20,21) (figure 2), puis l'enceinte est refermée, les deux blocs (20,21) sont rapprochés l'un de l'autre, par exemple par déplacement du bloc supérieur (20), de telle sorte que les couches (22a,22b) viennent s'appuyer contre la surface des sachets contenant le produit. On obtient ainsi un contact thermique parfait avec la surface des sachets qui se trouvent pris en sandwich entre les deux blocs (22a,22b). En utilisant un fluide frigorigène ayant une température de l'ordre de -90 C, il est pratiquement possible de congeler de manière instantanée les sachets de plasma sanguin. Le nouveau matériau conforme à l'invention et les échangeurs qu'il permet de réaliser, présente de très nombreux avantages par rapport aux solutions antérieures, notamment une très grande efficacité. Bien entendu, comme dit dans le préambule, l'invention peut également être utilisée pour réchauffer le contenu d'une bouteille ou de tout autre produit. Il suffit pour cela d'inverser le cycle du système frigorifique par le jeu d'une électrovanne, l'échangeur frigorifique devenant alors condenseur et dégageant de la chaleur qui sera transférée à la bouteille (ou autre). Lors d'une telle utilisation de réchauffement, les blocs à base de silicone et de limaille de cuivre, servent toujours de moyens de liaison thermique entre la bouteille et l'échangeur. Une telle application peut notamment être envisagée lorsque l'on souhaite chambrer un vin provenant d'une cave trop froide. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits précédemment, mais elle en couvre toutes les variantes réalisées dans le même esprit. Ainsi, bien que dans toute la description, l'invention ait été décrite avec incorporation de limaille de cuivre, il est évident que d'autres particules métalliques, tel que de l'aluminium présentant des caractéristiques équivalentes, pourraient être utilisées. REVENDICATIONS 1/ Matériau pour la réalisation d'échangeurs thermiques se présentant sous la forme d'un bloc destiné à être mis en contact avec le produit (1) à refroidir (ou à réchauffer), caractérisé en ce que ledit bloc est constitué à partir d'une matière de type "résine" chargée de limaille de cuivre (ou équivalent) et choisie parmi celles présentant, d'une part la caractéristique de pouvoir être moulée, et d'autre part la caractéristique de conserver des propriétés de compressibilité (élasticité) pour une amplitude de variation de température élevée, des tubes (5) pour la circulation d'un fluide (refroidissant ou chauffant) étant noyés à l'intérieur du bloc lors de son opération de moulage et faisant corps avec lui après durcissement de la résine. 2/ Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résine est une résine de silicone dans laquelle on incorpore des particules de cuivre à raison de 65 à 75 % en poids par rapport au poids total avant mise en forme et polymérisation. 3/ Matériau selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le bloc comporte un noyau interne (14) également à base d'une résine, mais présentant des caractéristiques de compressibilité différentes de la couche périphérique qui l'entoure, notamment en vue d'augmenter la compressibilité de l'ensemble. 4/ Echangeur thermique se présentant sous la forme d'une enceinte isolante à l'intérieur de laquelle sont disposés au moins deux blocs selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que ladite enceinte est constituée d'éléments mobiles (2a,2b,2c - 20,21) ayant une structure telle que lorsqu'ils sont écartés l'un de l'autre, le produit à refroidir (1, P) puisse être introduit entre les blocs et que, lorsqu'ils sont rapprochés l'un de l'autre, les blocs viennent s'appuyer sur toute la périphérie du produit (1,P) à traiter. 5/ Echangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lorsque le produit à traiter est une bouteille (1), il se présente sous la forme d'une enceinte comportant au moins trois modules (2a,2b,2c) définissant entre eux un volupme correspondant sensiblement au volume de la bouteille (1) à traiter, ces modules étant montés sur un support de telle sorte qu'ils puissent être déplacés vers le centre de l'enceinte après introduction de la bouteille (1) et bloqués dans cette position au moyen d'éléments de fermeture, chacun des modules étant constitué d'une couche isolante (3a,3b,3c) rigide contre laquelle est appliqué un bloc à base d'un mélange de silicone et d'une limaille de cuivre, une ou plusieurs nappes de tubes (5) permettant de véhiculer le fluide réfrigérant étant disposées à l'intérieur desdits blocs et formant un circuit étanche. 6/ Echangeur selon la revendication 4, permettant le refroidissement rapide (ou réchauffement) de produits (P) stockés à l'intérieur d'emballages souples, caractérisé en ce qu'il est constitué dune enceinte comprenant deux parties (20,21) pouvant être écartées l'une de l'autre, et à l'intérieur desquelles sont disposés deux blocs (22a,22b) d'un matériau selon lune des revendications 1 et 2, lesdits blocs renfermant des tubes (23) jouant le rôle d'évaporateur et s'appuyant contre la totalité de la surface des emballages lors de l'opéra- tion d'échange thermique.