Brevet FR2752927A1 — publié le 19980306

L'invention concerne un échangeur de chaleur ayant une structure composée de plusieurs plaques (ou feuilles) pourvues d'ajours et empilées les unes sur les autres et plus particulièrement un échangeur de chaleur comprenant des unités de plaques à canaux d'écoulement présentant un ou plusieurs ajours à canaux d'écoulement situés l'un à côté de l'autre et s'étendant entre deux zones latérales de la plaque, ainsi que des ajours à canaux de liaison disposés séparément des ajours à canaux d'écoulement, de même que des unités de plaques de recouvrement de liaisons qui présentent des ajours à canaux de liaison disposés en au moins deux zones latérales de la plaque, les unités de plaques à canaux d'écoulement et les unités de plaques de recouvrement de liaisons étant empilées alternativement de manière que: - il n'existe pas de liaison de communication de fluide entre les ajours à canaux d'écoulement d'unités de plaques à canaux d'écoulement voisines; et - les extrémités d'un même côté des ajours à canaux d'écoulement d'une unité de plaque à canaux d'écoulement donnee soient en communication de fluide entre elles à travers un ajour à canal de liaison, qui les recouvre, d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons adjacente, et soient en communication de fluide avec les extrémités du même côté des ajours à canaux d'écoulement d'unes unité de plaque à canaux d'écoulement suivante à travers des ajours à canaux de liaison, qui les recouvrent, d'unités de plaques qui s'y raccordent. L'invention concerne également un procédé pour fabriquer un tel échangeur. Un échangeur de chaleur comme défini ci-dessus est connu par le brevet FR 96 09504 auquel on peut se référer. Ces échangeurs de chaleur à structure en pile de plaques peuvent être fabriqués à un coût relativement bas et conviennent pour être traversés d'au moins deux fluides caloporteurs avec la garantie de pertes de charge suffisamment faibles, de conditions d'écoulement laminaires ainsi que d'un pouvoir de transmission de chaleur satisfaisant. Comme un mode de réalisation possible, le brevet précité prévoit la formation individuelle à la fois des unités de plaques à canaux d'écoulement et des unités de plaques de recouvrement de liaisons comme autant de plaques de tôle, par découpage à la presse, découpage au faisceau laser, découpage au jet d'eau ou érosion . Le problème technique à la base de l'invention est la mise à disposition d'un échangeur de chaleur, ayant une structure en pile de plaques et correspondant à la définition donnée au début, qui puisse en plus être fabriqué de manière relativement simple, avec une très grande résistance à la corrosion et un poids relativement faible, ainsi que d'un procédé pour sa fabrication. Pour ce qui concerne l'échangeur de chaleur, l'invention résout ce problème par la mise à disposition d'un échangeur de chaleur, du type défini au début, qui est caractérisé en ce que les unités de plaques à canaux d'écoulement sont faites d'une matière plastique et sont empilées alternativement avec les unités de plaques de recouvrement de liaisons par la préfabrication d'unités individuelles de plaques combinées, doubles ou triples, par l'adjonction de chaque fois une unité de plaque à canaux d'écoulement à l'une des faces ou à chacune des deux faces d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons coordonnée, ainsi que par la superposition des unités de plaques combinées doubles préfabriquées ou la superposition alternative de chaque fois une unité de plaques combinées triple préfabriquée et d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons. Le procédé selon l'invention pour fabriquer un tel échangeur de chaleur est caractérisé en ce outil comprend les étapes suivantes: - la mise à disposition d'unités de plaques de recouvrement de liaisons qui présentent des ajours à canaux de liaison disposés au moins dans deux zones latérales de la plaque; - la production d'unités de plaques combinées, doubles ou triples, par l'adjonction à une unité de plaque de recouvrement de liaisons coordonnée, sur une face ou sur les deux faces de celle-ci, de chaque fois une unité de plaque à canaux d'écoulement en matière plastique, présentant un ou plusieurs ajours à canaux d'écoulement situés l'un à côté de l'autre et s'étendant entre deux zones latérales de la plaque, ainsi que des ajours à canaux de liaison disposés séparément des ajours à canaux d'écoulement; et - ltempilage des différentes unités de plaques combinées doubles, ou l'empilage alterné de chaque fois une unité de plaques combinées triple et d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons, de manière que: - il n'existe pas de liaison de communication de fluide entre les ajours à canaux d'écoulement d'unités de plaques à canaux d'écoulement voisines; et - les extrémités d'un même côté des ajours à canaux d'écoulement d'une unité de plaque à canaux d'écoulement donnée soient en communication de fluide entre elles à travers un ajour à canal de liaison, qui les recouvre, d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons adjacente, et soient en communication de fluide avec les extrémités du même côté des ajours à canaux d'écoulement d'une unité de plaque à canaux d'écoulement suivante à travers des ajours à canaux de liaison, qui les recouvrent, d'unités de plaques qui sty raccordent. Dans le cas de ltéchangeur de chaleur selon la présente invention, il est prévu spécialement de fabriquer les unités de plaques à canaux d'écoulement d'une matière plastique et d'adjoindre, pour commencer, chaque unité de plaque à canaux d'écoulement à une face coordonnée d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons. Ainsi sont créées des unités de plaques combinées qui se composent chacune d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons à laquelle a été adjointe, sur une face ou sur chacune des deux faces, une unité de plaques à canaux d'écoulement. Comme dans ltéchangeur selon le brevet précité, les unités de plaques de recouvrement de liaisons sont réalisables en une pièce ou sous la forme d'une plaque double constituée d'une plaque de distribution et d'une plaque intermédiaire. Au cas où une unité de plaque à canaux d'écoulement est adjointe à une seule face de chaque unité de plaque de recouvrement de liaisons, les unités de plaques combinées doubles, ainsi formées, sont superposées de manière appropriée pour que la structure en pile de plaques corresponde à celle selon le brevet précité. De façon analogue, au cas où une unité de plaque à canaux d'écoulement est adjointe à chacune des deux faces d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons, les unités de plaques combinées triples, ainsi formées, sont empilées les unes sur les autres avec intercalation chaque fois d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons à laquelle n'a pas été adjointe une unité de plaque à canaux d'écoulement. Dans chaque cas, on obtient, pour ltéchangeur de chaleur fini en pile de plaques, les mêmes propriétés et avantages, pour ce qui concerne la possibilité de faire passer à travers lui au moins deux fluides caloporteurs, que ceux indiqués dans le brevet précité en référence à l'échangeur de chaleur qui y est décrit. De plus, le choix d'une matière plastique pour les unités de plaques à canaux d'écoulement permet de fabriquer l'échangeur de chaleur avec une très grande tenue à la corrosion et à un poids relativement faible. En comparaison avec une exécution entièrement en métal, le poids peut ainsi être réduit à peu près de moitié. Ceci est particulièrement avantageux si l'échangeur de chaleur est utilisé par exemple pour des liquides corrosifs dans des applications mobiles. Comme ltéchange thermique entre les fluides caloporteurs, au nombre de deux au moins, s'effectue en premier lieu au travers des unités de plaques de recouvrement de liaisons, le choix d'une matière plastique pour les unités de plaques à canaux d'écoulement nta pas d'effets nuisibles notables sur la capacité de transmission de chaleur de l'échangeur. Pour garantir une haute capacité de transmission de chaleur, il suffit plutôt d'employer un matériau à haute conductivité thermique pour les unités de plaques de recouvrement de liaisons, comme par exemple l'acier fin, un alliage nickel-fer-molybdène, A1, Cu, Ag ou analogue. I1 est cependant possible aussi d'employer des unités de plaques de recouvrement de liaisons en matière plastique, fabriquées par exemple comme des pièces moulées par injection en matière plastique, au cas où la capacité de transmission de chaleur ainsi obtenue est suffisante pour l'application envisagée. Un perfectionnement de l'échangeur de chaleur selon l'invention prévoit que l'unité de plaque à canaux d'écoulement soit chaque fois moulée directement par injection sur la face concernée d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons coordonnée, ou est fixée à cette face par collage ou vulcanisation sous la forme d'une unité de plaque préfabriquée séparément. Un développement analogue du procédé selon l'invention prévoit que l'adjonction de l'unité de plaque à canaux d'écoulement à la face concernée d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons coordonnée s'effectue chaque fois par son moulage direct par injection sur cette face ou par la fixation par collage ou vulcanisation sur cette face d'une unité de plaque à canaux d'écoulement préfabriquée en matière plastique. Selon ces développements, l'adjonction des unités de plaques à canaux d'écoulement s'effectue, sur une face de toutes les unités de plaques de recouvrement de liaisons ou sur les deux faces d'une moitié des unités de plaques de recouvrement de liaisons, directement par moulage par injection, selon une technique de moulage par injection de matières plastiques, ou, en variante, par la fixation par collage ou vulcanisation à la face concernée d'unités de plaques à canaux d'écoulement préfabriquées. Dans le dernier cas, les unités de plaques à canaux d'écoulement peuvent être fabriquées comme des pièces moulées par injection en matière plastique et/ou comme des pièces en forme de feuilles qui sont fixées par collage ou vulcanisation à la face coordonnée d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons. Comme matières plastiques appropriées, permettant une mise en forme par moulage par injection, on peut employer par exemple des polyoléfines, du polytétrafluoroéthylène, des polysulfones, des polyamides et des élastomères pour réaliser les unités de plaques à canaux d'écoulement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre préféré, mais nullement limitatif, de l'invention, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue éclatée, en perspective, d'un échangeur de chaleur ayant une structure en pile de plaques formée d'unités de plaques combinées doubles; et - la figure 2 est une vue en perspective avec un arrachement de l'échangeur en pile de plaques selon la figure 1. Les figures 1 et 2 montrent un échangeur de chaleur possédant une structure en pile de plaques 5 qui correspond à celle des figures 1 à 3 du brevet cité au début pour ce qui concerne la structure de canaux des différentes unités de plaques, donc aussi en ce qui concerne la technique de circulation des fluides. Cependant, à la différence de ltexemple décrit dans ce brevet, les plaques à canaux d'écoulement 1, en une seule pièce, sont faites ici d'une matière plastique et préfabriquées de façon intégrée, chacune avec une plaque de recouvrement de liaisons 2 coordonnée, en une pièce, pour constituer avec elle une unité de plaques combinées double 3. Pour produire une unité de plaques combinées double 3, on met d'abord à disposition une plaque de recouvrement de liaisons 2 sous forme d'une plaque de tôle, laquelle est pourvue par découpage à la presse, au faisceau laser ou au jet d'eau, ou par érosion, d'ajours à canaux de liaisons 2a à 2d de forme oblongue, se terminant avant les zones d'extrémité de la plaque, qui s'étendent le long des quatre zones latérales de la plaque, ainsi que, dans les zones d'angles de celle-ci, de quatre perçages 4a à 4d pour le passage de boulons-tiges de serrage. La zone centrale de la plaque de recouvrement de liaisons n'est pas ajourée et forme donc une zone de recouvrement. Sur une face de chaque unité de plaque de recouvrement de liaisons 2, est moulée ensuite, par une technique de moulage par injection de matière plastique, une plaque à canaux d'écoulement 1 coordonnée en matière plastique. Des matières plastiques convenant à cet effet sont, par exemple, des polyoléfines, du polytétrafluoroéthylène, des polysulfones, des polyamides et des élastomères. Les plaques à canaux d'écoulement 1, ainsi moulées chacune par injection sur une unité de plaque de recouvrement de liaisons 2, présentent une pluralité d'ajours à canaux d'écoulement la disposés parallèlement côte à côte, s'étendant entre deux zones latérales opposées et débouchant chacun dans les ajours à canaux de liaison 2a, 2c se trouvant à ces endroits de la plaque de recouvrement de liaisons 2. A cette rangée d'ajours à canaux d'écoulement la, se raccorde, sur les deux côtés, un ajour à canal de liaison lb, de forme oblongue et s'étendant parallèlement aux ajours à canaux d'écoulement la, qui est aligné avec l'ajour à canal de liaison 2b ou 2d se trouvant sur le même côté de la plaque de recouvrement de liaisons 2. Dans chacune de ses zones d'angles, la plaque à canaux d'écoulement 1, moulée par injection, possède de nouveau un trou pour le passage d'un boulon-tige de serrage. On obtient ainsi de manière très simple une unité de plaques combinées double 3 dans laquelle la plaque à canaux d'écoulement 1, ayant la structure désirée, est moulée par injection sur une face de la plaque métallique de recouvrement de liaisons 2. Pour former la structure en pile de plaques 5 de l'échangeur de chaleur à courants croisés, comme celle montrée en haut sur la figure 1, on pose chaque fois, pour commencer, une unité de plaques combinées double, après l'avoir tournée de 90 , sur une unité de plaques combinées sousjacente pour produire une paire de plaques combinées 3a; on forme ensuite l'échangeur de chaleur à pile de plaques 5 en posant les unes sur les autres un nombre désiré de paires de plaques combinées 3a. Une unité de plaques combinées est appliquée chaque fois par sa plaque de canaux d'écoulement 1, moulée par injection sur sa plaque de recouvrement de liaisons 2, contre la plaque de recouvrement de liaisons 2 de l'autre unité de plaques combinées, si bien que, dans la pile 5, les plaques de recouvrement de liaisons 2 alternent chaque fois avec les plaques à canaux d'écoulement 1 moulées sur elles. Comme on peut le voir plus clairement encore sur la figure 2, la pile de plaques 5 ainsi formée constitue un échangeur de chaleur à courants croisés, dans lequel un premier fluide est amené à passer à travers les ajours à canaux d'écoulement la, parallèles entre eux, d'une première moitié de plaques à canaux d'écoulement moulées par injection, première moitié qui comprend une première plaque et chaque deuxième plaque suivante de ce type dans la pile, deux jeux opposés 6, 7 d'ajours à canaux de liaison, mutuellement alignés dans la direction d'empilage des plaques, faisant office respectivement de canal distributeur et de canal collecteur coordonnés. Un second fluide est amené à traverser, suivant un écoulement croisé avec le premier, les ajours à canaux d'écoulement la de l'autre moitié de plaques à canaux d'écoulement, comprenant également une première plaque puis chaque deuxième plaque suivante de ce type de la pile, avec prévision de deux autres jeux 8, 9 d'ajours à canaux de liaison opposés, mutuellement alignés dans la direction d'empilage des plaques, comme canaux distributeur et collecteur respectifs coordonnés. Des unités de raccordement associées, par exemple sous forme de plaques de raccordement, ont été omises sur la figure 2 pour plus de clarté; à ce sujet, on peut se reporter à la description du brevet précité. Il ressort de ce qui précède et des dessins que ltéchange thermique entre les deux fluides s'opère principalement au travers de la zone centrale non ajourée de recouvrement des plaques de recouvrement de liaisons, lesquelles sont réalisées, pour cette raison, en un matériau ayant une conductivité thermique suffisante. En variante avec la formation illustrée de la structure en pile de plaques 5 à partir d'unités de plaques combinées doubles, préfabriquées et identiques, mais empilées les unes sur les autres en étant alternativement tournées de 90 l'une par rapport à l'autre, on peut prévoir de produire d'abord, par une moitié des plaques de recouvrement de liaisons préfabriquées, des unités de plaques combinées triples, par le moulage par injection d'une plaque à canaux d'écoulement en matière plastique sur chacune des deux faces de cette moitié des plaques de recouvrement de liaisons. Pour la réalisation d'une structure à courants croisés, les ajours à canaux d'écoulement de ces deux plaques à canaux d'écoulement, moulées par injection sur chaque plaque de recouvrement de liaisons, s'étendent perpendiculairement les uns par rapport aux autres. On réalise ensuite une structure en pile de plaques analogue à celle montrée, du point de vue de la technique de circulation des fluides, en empilant alternativement une unité de plaques combinées triple et une plaque de recouvrement de liaisons sans plaque à canaux d'écoulement moulée sur elle. Comme modification ou variante supplémentaire, on peut prévoir, à la place du moulage direct par injection décrit d'une plaque à canaux d'écoulement sur l'une ou les deux faces d'une plaque de recouvrement de liaisons, de préfabriquer les plaques de canaux d'écoulement comme des composants séparés, par exemple selon une technique de moulage par injection de matière plastique, puis de les fixer par collage ou vulcanisation à une plaque de recouvrement de liaisons coordonnée pour produire l'unité de plaques combinées désirée. C'est ainsi que, par exemple, les plaques de canaux d'écoulement peuvent être préfabriquées sous la forme de minces feuilles de matière plastique qui sont ensuite collées sur l'une ou les deux faces d'une plaque de recouvrement de liaisons préfabriquée en métal. Toute la pile de plaques 5 de ltéchangeur de chaleur peut être maintenue ensemble mécaniquement au moyen de boulons-tiges de serrage enfilés à travers les trous correspondants des zones d'angles de la pile de plaques. On peut prévoir aussi, en variante, afin de fixer les différentes unités de plaques combinées 3 les unes aux autres, d'enrober toute la structure de pile de plaques 5 par injection d'une matière plastique appropriée, de préférence de celle formant les plaques de canaux d'écoulement 1 moulées par injection sur les plaques de recouvrement de liaisons. Comme variante supplémentaire, on peut envisager l'assemblage des différentes unités de plaques combinées 3 par collage ou vulcanisation. L'emploi d'une matière plastique pour les plaques de canaux d'écoulement permet de fournir des échangeurs de chaleur en pile de plaques qui ont une trés haute tenue à la corrosion et un poids relativement faible. I1 va de soi qutà cté de celui qui vient d'entre décrit, d'autres échangeurs de chaleurs ayant une structure en pile de plaques sont réalisables selon l'invention, en particulier aussi les échangeurs ayant une structure comme celle décrite dans la demande de brevet allemand 195 36 115.6, à travers lesquels on peut faire passer trois courants séparés de fluides. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur ayant une structure composée de plusieurs plaques pourvues d'ajours et empilées les unes sur les autres, comprenant des unités de plaques à canaux d'écoulement (1) présentant un ou plu sieurs ajours à canaux d'écoulement (la) situés l'un à côté de l'autre et a canaux s'étendant entre deux zones latérales de la plaque, ainsi que des ajours à canaux de liaison (1b) disposés séparément des ajours à canaux d'écoulement, de même que des unités de plaques de recouvrement de liaisons (2) qui présentent des ajours à canaux de liaison (2a - 2d) disposés en au moins deux zones latérales de la plaque, les unités de plaques à canaux d'écoulement et les unités de plaques de recouvrement de liaisons étant empilées alternativement de manière que: - il n'existe pas de liaison de communication de fluide entre les ajours à canaux d'écoulement d'unités de plaques à canaux d'écoulement voisines; et - les extrémités d'un meme cté des ajours à canaux d'écoulement d'une unité de plaque à canaux d'écoulement donnée soient en communication de fluide entre elles à travers un ajour à canal de liaison, qui les recouvre, d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons adjacente, et soient en communication de fluide avec les extrémités du meme cté des ajours à canaux d'écoulement d'une unité de plaque à canaux d'écoulement suivante à travers des ajours à canaux de liaison, qui les recouvrent, d'unités de plaques qui sty raccordent, caractérisé en ce que les unités de plaques à canaux d'écoulement (1) sont faites d'une matière plastique et sont empilées alternativement avec les unités de plaques de recouvrement de liaisons (2) par la préfabrication d'unités individuelles de plaques combinées, doubles ou triples, par l'adjonction de chaque fois une unité de plaque à canaux d'écoulement à l'une des faces ou à chacune des deux faces d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons coordonnée, ainsi que par la superposition des unités de plaques combinées doubles préfabriquées ou la superposition alternative de chaque fois une unité de plaques combinées triple préfabriquée et d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que l'unité de plaque à canaux d'écoulement (1) est chaque fois moulée directement par injection sur la face concernée d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons (2) coordonnée, ou est fixée à cette face par collage ou vulcanisation sous la forme d' une unité de plaque préfabriquée séparément. 3. Procédé pour fabriquer un échangeur de chaleur, notamment selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - la mise à disposition d'unités de plaques de recouvrement de liaisons (2) qui présentent des ajours à canaux de liaison (2a - 2d) disposés au moins dans deux zones latérales de la plaque; - la production d'unités de plaques combinées (3), doubles ou triples, par l'adjonction à une unité de plaque de recouvrement de liaisons (2) coordonnée, sur une face ou sur les deux faces de celle-ci, de chaque fois une unité de plaque à canaux d'écoulement (1) en matière plastique, présentant un ou plusieurs ajours à canaux d'écoulement (la) situés l'un à cté de l'autre et s'étendant entre deux zones latérales de la plaque, ainsi que des ajours à canaux de liaison (lob) disposés séparément des ajours à canaux d'écoulement; et - l'empilage des différentes unités de plaques combinées doubles (3), ou l'empilage alterné de chaque fois une unité de plaques combinées triple et d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons, de manière que: - il n'existe pas de liaison de communication de fluide entre les ajours à canaux d'écoulement d'unités de plaques à canaux d'écoulement voisines; et - les extrémités d'un même cté des ajours à canaux d'écoulement d'une unité de plaque à canaux d'écoulement donnée soient en communication de fluide entre elles à travers un ajour à canal de liaison, qui les recouvre, d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons adjacente, et soient en communication de fluide avec les extrémités du meme côté des ajours à canaux d'écoulement d'une unité de plaque à canaux d'écoulement suivante à travers des ajours à canaux de liaison, qui les recouvrent, d'unités de plaques qui sty raccordent. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en outre en ce que l'adjonction de l'unité de plaque à canaux d'écoulement (1) à la face concernée d'une unité de plaque de recouvrement de liaisons (2) coordonnée s'effectue chaque fois par son moulage direct par injection sur cette face ou par la fixation par collage ou vulcanisation sur cette face d'une unité de plaque à canaux d'écoulement préfabriquée en matière plastique.