Brevet FR2967488A1 — publié le 20120518

PLAQUES CREUSES D'ECHANGE THERMIQUE La présente invention est un élargissement d'une invention antérieure, objet de la demande de brevet français N°10 02075, faite le 18 mai 2010 par le présent déposant, pour « Echangeurs thermiques à plaquettes creuses en polymère ». Les plaques creuses décrites dans cette demande antérieure de brevet sont essentielle- ment destinées la construction d'échangeurs thermiques entre deux fluides. Mais, selon la pré-10 sente invention, il est également possible, en généralisant le procédé de fabrication mis en oeuvre, de réaliser d'autres plaques creuses, destinées à échanger de la chaleur entre un fluide et une source chaude de différents autres types. Selon la présente invention, une plaque creuse, destinée à constituer un échangeur thermi-15 que élémentaire entre un fluide et une source chaude, est caractérisée en ce que : - elle comporte une partie centrale, occupée par un canal unique ou par plusieurs canaux, des têtes de raccordement externe et des zones de transition entre ces têtes et cette partie centrale ; - elle a été fabriquée par extrusion-soufflage d'une paraison, en verre ou en polymère, entre les 20 deux mâchoires d'un moule approprié. Selon l'invention, dans une telle plaque creuse, - les parois de chaque canal ont une épaisseur, une largeur et une forme particulières, toutes trois coordonnées pour assurer à ces parois une rigidité suffisante leur permettant de conserver un écartement interne sensiblement uniforme et constant, dans deux plages inversées de pressions 25 différentielles et de températures, dépendant du matériau utilisé. Selon l'invention, dans une telle plaque creuse, - les têtes de raccordement sont adaptées à être incorporées ou rattachées à deux collecteurs externes, associés à la plaque creuse pour y faire entrer puis en faire sortir un fluide ; - les zones de transition comportent des cloisons adaptées à assurer à ce fluide des débits locaux 30 sensiblement uniformes dans le ou les canaux de la partie centrale. Grâce à ces dispositions, en généralisant le concept de base, décrit dans la demande anté- rieure, à savoir le transfert technologique du procédé industriel de fabrication des bouteilles et des bidons dans un domaine totalement différent, on peut réaliser plusieurs types de plaques creuses d'échange thermique, adaptés à des applications industrielles encore plus nombreuses que celles 35 des plaques creuses particulières en polymère, décrites dans cette demande antérieure. En ajou- tant le verre aux polymères prévus dans cette demande antérieure, les plages inversées des pres- sions différentielles et des températures, d'utilisation possibles des plaques creuses, sont notable- ment étendues. Pour ce qui est du sens de l'expression « plages inversées », elle signifie que la valeur maximale de la pression différentielle, autorisée pour une plaque creuse donnée, diminue 40 lorsque s'élève celle de la température maximale autorisée pour cette même plaque. En pratique, pour toute plaque creuse, le choix de la pression différentielle et de la température d'utilisation est un compromis fait dans le cadre de ces plages inversées. Un premier type de plaques creuses d'échange thermique, perfectionnées selon la formulation élargie de la présente invention, est constitué par les plaques creuses extrudées-soufflées en polymère de la demande antérieure. Ces plaques creuses ont des parois à épaisseur, largeur et forme coordonnées très particulières. En effet, elles sont principalement destinées à être empilées pour constituer un échangeur thermique à haute efficacité entre deux fluides à températures diffé- rentes, l'un de ces fluides constituant ladite source chaude. Pour ce faire, les parois minces (typiquement 1 mm) de la partie centrale de ces plaques creuses sont gaufrées, à la fois pour assurer une rigidité appropriée à leurs canaux relativement larges (typiquement un décimètre) et pour presque doubler le couplage thermique entre les deux fluides concernés. Par ailleurs, leurs deux têtes de raccordement sont des tronçons de collecteurs, destinés à être empilés et soudés les uns aux autres, pour former les deux collecteurs externes d'un échangeur thermique composé de plu-sieurs plaques creuses montées en parallèle et empilées à pas constant (typiquement 10 mm). Les formes de réalisation spécifiques et les applications particulières des plaques creuses extrudées-soufflées en polymère, dotées de parois minces gaufrées et de canaux larges, ont été décrites dans la demande française antérieure et ne seront donc pas davantage reprises ici. Un second type de plaques creuses extrudées-soufflées, en verre ou en polymère, selon la présente invention, est caractérisé en ce que : - les parois de la partie centrale de ces plaques sont planes ; - les canaux sont séparés par des doubles cloisons parallèles, formées par deux reliefs internes 25 produits par des pincements de la paraison ; - les canaux ont une section transversale en forme de rectangle allongé ; - les têtes de raccordement sont deux goulots adaptés à être reliés d'une manière étanche à des collecteurs externes. Selon des caractéristiques complémentaires, 30 - la face avant de la partie centrale de la plaque creuse forme un plan continu ; - les doubles cloisons sont segmentées pour constituer des ouvertures en quinconce entre canaux contigus ; - l'extrémité, commune aux deux reliefs internes formant chaque double cloison, est soudée à la paroi de cette face avant ; 35 - les segments creux, formés entre ces doubles cloisons, débouchent sur la face arrière de la partie centrale ; - les deux goulots sont à la fois filetés, solidaires de la paroi de la face arrière de la plaque creuse et perpendiculaires à cette face. Grâce à ces différentes dispositions, les plaques creuses d'échange thermique du second type selon l'invention, ont des faces avant parfaitement planes et des raideurs longitudinales et transversales importantes qui leur procurent une rigidité relative tout à fait satisfaisante. En effet, au cours des manutentions de ces plaques creuses, qui peuvent mesurer 1 à 2 m2, ces raideurs leur assurent une courbature minime, écartant tout danger de déformation irréversible ou de rupture. Ces deux sortes de raideurs proviennent de la disposition en quinconce des ouvertures entre canaux : la raideur longitudinale résulte de la juxtaposition latérale de portions de poutrelles, réalisée par les segments décalés des cloisons contiguës, et la raideur transversale est fournie par les parois de ces ouvertures. De telles plaques creuses extrudées-soufflées, à parois planes et raides, sont susceptibles de convenir à de très nombreuses applications dans des domaines industriels très différents les uns des autres. En fonction des puissances thermiques concernées (températures, pressions, débits massiques du fluide), on choisira des valeurs appropriées pour les surfaces des plaques creuses ainsi que pour le nombre, la largeur et la longueur de leurs canaux. Selon le cas particulier concerné, et notamment la pression différentielle à subir ou la tenue mécanique à assurer, les parois de la plaque creuse seront en un verre plus ou moins épais ou en un polymère plus ou moins mince. Dans ces divers domaines, les sources chaudes concernées ne sont plus des fluides mais des surfaces de dissipation thermique ou des rayonnements, solaires ou infrarouges. Elles seront utilisées seules ou juxtaposées coplanaires (et non plus empilées) pour constituer les capteurs thermiques de systèmes de chauffage d'un fluide par rayonnement ou de refroidissement d'une surface par conduction. Pour un chauffe-eau solaire, une ou plusieurs plaques creuses extrudées-soufflées, en polymère sombre, notamment noir, seront utilisées comme capteur thermique, ces plaques ayant des parois planes ou des parois gaufrées. Ces nouveaux chauffe-eau solaires sont moins lourds, moins onéreux et tout aussi efficaces que ceux actuellement disponibles sur le marché, du fait de la minceur des parois en polymère de la plaque creuse et de la faible épaisseur du courant d'eau qui circule dans cette plaque. Pour des panneaux de montage et de refroidissement eau/air de cellules photovoltaïques (PV) en silicium, une plaque creuse extrudée-soufflée en verre, à faces planes selon l'invention, sera utilisée. Le remplacement par une telle plaque creuse du panneau de montage en verre trem- pé de chaque module photovoltaïque (plaque en verre résistant aux grêlons, incorporant plusieurs fines cellules PV) d'une centrale électrique solaire, entraîne un coût supplémentaire réduit, auquel s'ajoute celui de l'échangeur thermique eau/air d'un refroidisseur communaux différents modules de la centrale. Cela permet à ces modules photovoltaïques ainsi conditionnés d'opérer à tempéra- ture proche de l'air ambiant (et non plus à environ 60'C, par refroidissement naturel) et donc de pouvoir constituer, à coût intéressant, une centrale électrique solaire à puissance disponible plus élevée (jusqu'à 20%) par unité de surface. Dans les procédés de fabrication industrielle des pan- neaux photovoltaïques, il apparaît aisé de remplacer le panneau de montage actuel, en verre trempé, sur lequel est collé le module photovoltaïque, par un nouveau de même surface, mais plus léger et à peine plus épais, constitué par une plaque creuse extrudée-soufflée en verre, ce verre étant, s'il le faut, trempé après moulage. Pour le capteur thermique du panneau de montage et de refroidissement de circuits élec- troniques, notamment de processeurs, une plaque creuse à parois planes en polymère sera utilisée. Et, comme pour les modules photovoltaïques, cette plaque creuse sera incorporée à un refroidisseur eau/air approprié. De la sorte, ces panneaux sont plus efficaces, à moindre coût. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront d'une manière plus précise à 10 la suite de la description ci-après, faite à titre d'exemple non limitatif, d'un panneau thermique à usages multiples, description dans laquelle: - la figure 1 représente la face arrière d'une plaque creuse selon l'invention; - la figure 2 représente le profil d'une plaque creuse selon l'invention. - la figure 3 représente des portions de trois coupes transversales de cette plaque creuse. 15 La figure 1 représente la vue de la face arrière d'un panneau thermique, constitué par une plaque creuse extrudée-soufflée 10, comprenant une partie centrale 12, deux zones de transition 141.2 et deux goulots 161.2, à section circulaire. La partie centrale 12 a 80 cm de long, 40 cm de large une épaisseur totale de 5 mm. Cette partie centrale 12 est occupée par seize canaux étroits 20 181_16i à parois épaisses de 1 mm. Ces seize canaux 18 ont 22 mm de large et 3 mm d'épaisseur interne. Ces canaux 18 sont séparés les uns des autres par quinze lignes 201.15 de doubles cloisons segmentées 22, longues de 16 mm, larges et hautes de 3 mm, l'épaisseur individuelle et l'écartement de ces doubles cloisons 22 étant de 1 mm. Les écarts entre deux segments consécutifs d'une ligne de cloisons constituent des ouvertures 24 entre deux canaux voisins, tels 182.3. 25 Ces ouvertures 24 sont disposées en quinconce et ont 6 cm de long. Les zones de transition amont et aval 141.2 relient les extrémités de la zone centrale 12 aux deux goulots de raccordement externe 161.2. La zone 141 est occupée par quinze cloisons divergentes 261.15 qui bordent seize conduits de répartition uniforme du débit entrant et aboutissent aux quinze lignes de segments de cloisons 22 séparant les seize canaux 181.16. La zone de transition 30 aval 142 est identique à la zone amont 141 et occupée par quinze cloisons convergentes 281.15. Selon la figure 2, la vue de profil d'une plaque creuse 10 montre une partie centrale 12 épaisse de 5 mm et deux goulots circulaires filetés 161.2, de 5 cm de diamètre et de haut, solidaires de la paroi de la face arrière de cette plaque, disposés perpendiculaires à cette face. Selon la figure 3, qui représente des portions agrandies de trois coupes transversales typi- 35 ques A, B, C de la plaque creuse 10, cette plaque possède une face avant 30, parfaitement plane, et une face arrière 32 sur laquelle débouchent les segments creux externes 34, larges de 1 mm, des doubles cloisons segmentées internes 22. Selon cette figure 3, chaque segment 22 séparant deux canaux contigus résulte d'un pincement de la paraison qui a formé deux reliefs internes 381.2i épais de 1 mm, écartés de 1 mm et hauts de 3 mm. L'extrémité commune 40 de ces deux reliefs 40 38 est soudée à la paroi de la face avant 30 de la plaque creuse 10. La figure 1 et les trois coupes de la figure 3 montrent que la disposition en quinconce, adoptée pour les ouvertures 24, a pour premier résultat d'intercaler un bout de paroi de la face arrière 32 entre deux segments creux 34 appartenant à deux lignes voisines de cloisons segmen- tées 221.15. Ce qui empêche les segments creux 34 de s'ouvrir et oblige la plaque creuse 10 à ne pouvoir prendre qu'une faible flèche transversale, au cours d'une manipulation. Le second résultat de cette disposition en quinconce est de constituer des suites continues (voir coupe B), de portions contiguës des segments décalés 22 des doubles cloisons 20. Ces suites évitent tout défaut de raideur longitudinale à la plaque creuse 10. Dans un chauffe-eau solaire perfectionné, le capteur thermique sera une plaque creuse, selon l'invention, à parois planes ou gaufrées, en polymère noir. Pour le panneau de montage et de refroidissement eau/air sur lequel est collé un module photovoltaïque, on utilisera une plaque creuse à parois planes en verre, le cas échéant, trempé après moulage. Pour un panneau sem- blable, adapté à des circuits électroniques, une plaque creuse à parois planes en polymère sera utilisée. Dans ces deux cas, le refroidisseur comportera de préférence un échangeur thermique eau/air, constitué par l'empilement soudé de plaques creuses extrudées-soufflées à parois gaufrées, décrit dans la demande de brevet antérieure. Les zones de transition 141.2 peuvent avoir des variantes et notamment être incorporées à la plaque creuse 10, sous forme de collecteurs internes, en forme de deux longs triangles rectangles symétriques inversés, dans lesquels débouchent les canaux d'une plaque creuse parfaite-ment rectangulaire, comportant une partie centrale en forme de parallélogramme et des goulots disposés aux deux extrémités d'une diagonale de la plaque. Des cloisons semblables aux cloisons 26-28, destinées à uniformément répartir les débits entre les canaux, seront aménagées à l'intérieur de ces collecteurs internes. Une modélisation optimisera longueurs et emplacements des segments de ces cloisons. Par ailleurs, en fonction du nombre et de la largeur des canaux, les deux goulots pourront avoir une embase oblongue et une extrémité cylindrique filetée de diamètre réduit. La plaque creuse extrudée-soufflée 10, décrite ci-dessus à titre d'exemple, peut avoir des dimensions différentes de celles qui ont été indiquées. En pratique, l'épaisseur typique des parois des canaux 181.16 d'une plaque creuse 10 sera comprise entre 0,5 et 1,5 mm pour une plaque en polymère et entre 1 et 3 mm pour une plaque en verre. Pour ce qui est de l'épaisseur interne typique de ces canaux, elle sera comprise entre 1 et 3 mm pour une plaque en polymère et entre 3 et 9 mm pour une plaque en verre. Dans les deux cas, la largeur typique de ces canaux sera comprise entre deux et cinq centimètres, la longueur typique des segments de cloisons 22 sera de l'ordre du décimètre et celle des ouvertures 24 entre deux canaux, environ deux fois inférieure à la précédente. Pour ce qui est de la largeur et de la longueur d'une plaque creuse 10, elles pourront être augmentées en fonction des capacités des équipements d'extrusion-soufflage disponibles40 REVENDICATIONS1. Plaque creuse (10), destinée à constituer un échangeur thermique élémentaire entre un fluide et une source chaude ; caractérisée en ce que : - elle comporte une partie centrale (12), occupée par un canal unique ou par plusieurs canaux (181_16), des têtes (169.2) de raccordement externe et des zones (141.2) de transition entre ces têtes 10 et cette partie centrale ; - elle a été fabriquée par extrusion-soufflage d'une paraison, en verre ou en polymère, entre les deux mâchoires d'un moule approprié. 2. Plaque creuse extrudée-soufflée (10), selon la revendication 1, caractérisé en ce que les 15 parois de chaque canal (181.16) ont une épaisseur, une largeur et une forme particulières, toutes trois coordonnées pour assurer à ces parois une rigidité suffisante leur permettant de conserver un écartement interne sensiblement uniforme et constant, dans deux plages inversées de pressions différentielles et de températures, dépendant du matériau utilisé. 20 3. Plaque creuse extrudée-soufflée (10), selon la revendication 2, caractérisée en ce que : - les têtes de raccordement (161.2) sont adaptées à être incorporées ou rattachées à deux collecteurs externes, associés à cette plaque (10) pour y faire entrer puis en faire sortir un fluide ; - les zones de transition (141.2) comportent des cloisons (261.15 et 281.15) adaptées à assurer à ce fluide des débits locaux sensiblement uniformes dans le ou les canaux (181.16) de la partie centrale 25 (12). 4. Plaque creuse extrudée-soufflée (10) selon la revendication 3, caractérisée en ce que - les parois des deux faces (30-32) de la partie centrale (12) de cette plaque sont planes ; - les canaux (181.16) sont séparés les uns des autres par des doubles cloisons parallèles (22), 30 formées par deux reliefs internes (381.2) produits par des pincements de la paraison ; - les canaux (181.16) ont une section transversale en forme de rectangle allongé ; - les têtes de raccordement sont des goulots (161.2), adaptés à être reliés d'une manière étanche à des collecteurs externes. 35 5. Plaque creuse extrudé-soufflée (10), selon la revendication 4, caractérisée en ce que : - la face avant (30) de la partie centrale (12) de cette plaque creuse est un plan continu ; - les doubles cloisons (22) sont segmentées pour constituer des ouvertures en quinconce (24) entre canaux contigus (181.16) ; - l'extrémité (40), commune aux deux reliefs internes (381.2) formant chaque double cloison (22), 40 est soudée à la paroi de cette face avant (30) ;- les segments creux (34), formés entre les doubles cloisons (22), débouchent sur la face arrière (32) de la plaque creuse (10) ; - les deux goulots (161.2) sont à la fois filetés, solidaires de la face arrière (32) de la plaque creuse 5 (10) et perpendiculaires à cette face. 6. Chauffe-eau solaire perfectionné (40), caractérisé en ce que son capteur thermique est une plaque creuse extrudée-soufflée, à parois gaufrées ou à parois planes (10), en polymère sombre, notamment noir, selon la revendication 3 ou 5. 10 7. Panneau de montage et de refroidissement pour module photovoltaïque, caractérisé en ce que: - ce panneau comporte une plaque creuse extrudée-soufflée (10), à parois planes en verre, selon la revendication 5; 15 - cette plaque creuse (10) est adaptée à être incorporée à un refroidisseur du type eau/air. 8. Panneau de montage et de refroidissement pour circuits électroniques, caractérisé en ce que : - ce panneau comporte une plaque creuse extrudée-soufflée (10), à parois planes en polymère, 20 selon la revendication 5 ; - cette plaque creuse (10) est adaptée à être incorporée à un refroidisseur du type eau/air. 25 30 35 40