Brevet FR3079606A1 — publié le 20191004

PROCEDE D'ASSEMBLAGE D'UN ECHANGEUR THERMIQUE DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne un procédé d'assemblage d'un échangeur à plaques. ETAT DE L'ART On connait un type d'échangeur de chaleur appelé échangeur à plaques. Il est composé d'un grand nombre de plaques disposées parallèlement les unes aux autres et séparées les unes des autres d'un petit espace où circulent les fluides. Afin d'éviter les fuites, les plaques sont assemblées entre elles par soudage, par brasure ou à l'aide de joints. L'avantage de ce type d'échangeur est sa simplicité qui en fait un échangeur peu coûteux et convenant particulièrement aux échanges sur fluides difficiles, chargés de matières en suspension ou visqueux. Selon une structure particulière, les espaces entre deux plaques successives définissent alternativement des premiers canaux longitudinaux 20 (pour un premier fluide tel que de l'eau chaude) et des deuxièmes canaux transversaux (pour un deuxième fluide tel que le fluide visqueux à chauffer). On connait de la demande EP0690763 un procédé d'assemblage d'une telle structure qui utilise des plaques embouties de sorte à présenter des alvéoles protubérantes, des bords (transversaux) tombés et des 25 passages dans les bords tombés. Deux plaques d'une paire sont jointes par soudure par points dans les fonds des alvéoles (de sorte à créer l'espace pour les premiers canaux), soudure à la molette parallèlement aux bords longitudinaux des plaques, et sous les bords tombés autour des passages. Des cordons de soudure au 30 niveau des bords latéraux et des bords tombés (appelés dans ce dernier cas « cordons de rechargement ») viennent doubler ces soudures à la 2 molette pour renforcer l'étanchéité et donc la séparation des premiers et deuxièmes canaux. En pratique, malgré sa complexité (double niveau de soudure), cette structure et ces multiples soudures n'apportent pas satisfaction. On 5 constate en effet à la longue que des fissures apparaissent principalement autour des passages, conduisant à des pertes d'étanchéité. Il serait souhaitable de disposer d'un procédé d'assemblage de plaques pour un échangeur de chaleur qui soit réellement étanche et de façon durable, tout en état plus simple, plus rapide et moins couteux que les 10 procédés existants. PRESENTATION DE L'INVENTION Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé 15 d'assemblage d'un échangeur, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de : (a) Pour au moins une paire de plaques sensiblement planes disposées l'une sur l'autre, soudure laser des deux plaques de la paire, de sorte à définir : o au moins un canal s'étendant entre deux bords opposés desdites plaques, et o des languettes le long desdits bords opposés ; (b) Expansion dudit canal ; (c) Pliage desdites languettes de sorte à ce qu'elles présentent un angle prédéterminé par rapport aux plaques de la paire ; (d) Soudure de plaques de deux paires via leurs languettes. Le procédé selon l'invention est avantageusement complété par les 30 caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - ledit canal serpente entre les plaques de la paire ; 3 - l'étape (a) comprend une soudure formant des flancs dudit canal et une soudure formant un bord intérieur desdites languettes ; - ladite soudure formant un bord intérieur desdites languettes est interrompue de sorte à former des ouvertures du canal ; 5 - la soudure formant des flancs dudit canal et la soudure formant un bord intérieur desdites languettes coïncident au niveau desdites ouvertures ; - ledit angle prédéterminé est compris entre 30° et 60°, en particulier entre 40° et 50° ; - l'étape (a) comprend préalablement la disposition d'un élément 10 gonflable entre les deux plaques de la paire le long du canal, et l'étape (b) comprend le gonflement dudit élément gonflable ; - les étapes (a) à (c) sont mises en oeuvre pour une première paire de plaques et une deuxième paire de plaques, l'étape (d) comprenant la soudure des languettes d'une plaque de la première paire avec les 15 languettes d'une plaque de la deuxième paire ; - les languettes de deux plaques sont soudées le long de leur bord extérieur. Selon un deuxième aspect est proposé un échangeur de chaleur à 20 plaques obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon le premier aspect. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention 25 ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre les étapes du procédé d'assemblage selon l'invention ; - les figures 2a-2d sont diverses vues d'un échangeur assemblé grâce à un mode de réalisation d'un procédé d'assemblage selon l'invention ; - les figures 3a-3b représentent deux états successifs d'un échangeur au cours d'un mode de réalisation du procédé d'assemblage selon l'invention. 4 DESCRIPTION DETAILLEE Architecture générale 5 En référence à la figure 1, l'invention concerne un procédé d'assemblage d'un échangeur 1 tel que représenté par les figure 2a-2d. Dans les figures 2a-2d, la figure 2a représente une vue générale de l'échangeur 1, et les figures 2b-2d divers détails qui seront décrits plus en détail plus loin. 10 Par assemblage, on entend la formation d'une échangeur fonctionnel (i.e. qui pourra être raccordé à des circuits de deux fluides pour échange thermique entre ces deux fluides) à partir d'une pluralité de plaques 10a, 11 a, 11a, 11 b. Dans l'exemple des figures 2a-2d, l'échangeur 1 comprend quatre plaques 10a, 11 a, 10b, 11 b, i.e. est à deux paires de plaques, mais 15 l'homme du métier saura transposer l'invention à n'importe quel nombre supérieur de paires de plaques. De façon générale, dans la suite de la description on référencera 10 et 11 les deux plaques d'une paire quelconque (avec arbitrairement 10 la première plaque et 11 la deuxième plaque de la paire), a, b, c, etc. les 20 paires. En effet, toutes les paires de plaques seront avantageusement identiques. Par commodité, on peut définir un repère présentant une direction longitudinale x, une direction transversale y et une direction azimutale z, avantageusement orthogonales deux à deux, telles que représentées sur la 25 figure 2a. En particulier : - la dimension azimutale z correspond à la direction d'empilement des plaques 10a, 11 a, 10b, 11 b ; - les plaques 10a, 11a, 10b, 11 b sont préférentiellement 30 sensiblement rectangulaires, et s'étendent ainsi selon les directions longitudinale et transversale, i.e. parallèlement au plan x0y ; 5 - la direction longitudinale x correspond à la direction d'écoulement d'un premier fluide entre les deux plaques 10, 11 de chaque paire, le premier fluide est en particulier un fluide apportant de la chaleur et préférentiellement peu visqueux, par 5 exemple de l'eau chaude ; - la direction transversale y correspond à la direction d'écoulement d'un deuxième fluide entre les paires de plaques 10, 11, le deuxième fluide est en particulier un fluide à chauffer et préférentiellement visqueux, par exemple de la canne à sucre. 10 Procédé En référence à la figure 1, le présent procédé comprend d'une part des étapes (a) et (b) qui permettent l'assemblage de chacune paires de 15 plaques 10, 11 (i.e. les étapes (a) à (c) seront répétées autant de fois qu'il y a de paires de plaques nécessaires, par exemple deux fois dans l'exemple représenté), puis une étape (d) d'assemblage de deux paires entre elle, étape qui sera répétée autant de fois qu'il y a de paires de plaques 10, 11 à assembler (i.e. n-1 fois s'il y a n paires de plaques 10, 11, par exemple deux 20 fois dans l'exemple représenté à deux paires). On comprendra qu'on peut faire des groupes d'étapes selon divers ordres possibles, par exemple assembler toutes les paires de plaques 10, 11 puis les assembler entre elles, ou bien réaliser les paires de plaques au fur et à mesure, etc. 25 Le présent procédé se distingue en particulier en ce que toutes les plaques 10a, 11 a, 10b, 11 b sont sensiblement planes. Il s'agit typiquement de tôles métalliques « en l'état », d'une épaisseur de l'ordre d'un à quelques millimètres, par exemple 1.5 mm. 30 En d'autres termes, le présent procédé n'a pas besoin de plaques embouties comme c'était le cas avant, et n'a de surcroit pas besoin de morceaux métalliques autre que les présentes plaques 10a, 11 a, 10b, 11b. 6 Ces plaques planes vont être déformées pendant le procédé, i.e. après une part conséquente des opérations de soudure (et en particulier toutes les opérations de soudure pour une paire de plaques) et non avant, ce qui va permettre de façon assez paradoxale une étanchéité parfaite. 5 Les figures 3a et 3b représentent respectivement l'état d'une paire de plaques 10, 11 à l'issue de l'étape (b) et à l'issue de l'étape (c). Dans une étape (a), les deux plaques 10, 11 d'une paire, disposées l'une sur l'autre (i.e. empilées), sont soudées l'une avec l'autre au moyen 10 d'une soudure laser. A noter qu'elles peuvent être préfixées l'une avec l'autre en particulier au niveau de leur pourtour, comme l'on verra dans ce cas ce pourtour sera découpé ultérieurement. La soudure laser définit spécifiquement deux éléments : 15 au moins un canal 20, 21 s'étendant entre deux bords opposés desdites plaques 10, 11. Par « canal » on entend tout élément capable de conduire le fluide d'un bord opposé à l'autre. Le ou les canaux peuvent être de n'importe quelle forme. Dans un premier mode de réalisation, chaque canal est un élément 20 continu de section plus ou moins constante imposant un trajet donné du fluide entre les plaques 10, 11. Un tel mode de réalisation est préféré pour un fluide liquide, car le contrôle de la section permet alors de contrôler la vitesse du fluide et donc la quantité d'échanges thermique. Dans l'exemple des figures 2a- 25 2d et surtout de la figure 3a qui représente l'état d'une paire de plaques 10, 11 à l'issue de l'étape (b), on a ainsi deux canaux 20, 21 côte à côte, lesquels peuvent éventuellement communiquer. On voit particulièrement ces canaux et les soudures correspondantes sur la figure 2b. Dans le repère défini 30 avant, lesdits bords opposés sont les bords longitudinaux (i.e. les bords aux extrémités longitudinales, lesquelles s'étendent selon la direction transversale). De façon préféré le ou les 7 canaux 20, 21 serpentent entre les plaques 10, 11, en particulier pour recouvrir une grande partie de leur surface et maximiser les échanges thermiques. On comprend que le ou les canaux 20, 21 traversent la paire de plaques 10, 11 selon la direction 5 longitudinale, i.e. s'étendent d'un bord longitudinal à l'autre bord longitudinal, mais du fait du serpentage il est tout à fait possible qu'ils présentent localement une direction d'écoulement transversale (comme c'est le cas dans les exemples représentés) voire longitudinale en sens inverse si une boucle 10 est formée. Dans un deuxième mode de réalisation, on a un vaste canal unique occupant tout l'espace entre les plaques 10, 11, i.e. une cavité. Un tel mode est préféré pour un fluide gazeux tel que de la vapeur chaude, le fluide n'a en effet pas de trajet prédéterminé et va se répartir aléatoirement dans tout l'espace 15 qui lui est offert. Un troisième mode de réalisation peut combiner les premier et deuxième mode de réalisation : au voisinage des bords on a des canaux du type de ceux du premier mode de réalisation, formant des chicanes, lesquels débouchent dans une cavité centrale du type de celui du deuxième mode de 20 réalisation. On comprendra que l'homme du métier pourra définir au moyen des soudures laser toute géométrie de canal de son choix, on verra des exemple plus loin. Ensuite des languettes 100, 101, 110, 111 le long desdits bords opposés. Par languettes, on entend des bandes extrémales 25 d'une largeur prédéterminée (en particulier quelques millimètres à quelques centimètres, avantageusement environ 2 cm) au-delà de la soudure qui restent « libres », c'est-à-dire apte à pivoter autour de ladite soudure comme on le verra (à noter que cela peut temporairement ne plus être vrai si les plaques 10, 11 30 sont préfixées, mais cela le redevient dès la coupure des bords, voir plus loin). Chaque plaque 10a, 10b, 11a, 11 b présente ainsi deux languettes référencées 100a, 101a, 110a, 111a, 100b, 8 101b, 110b, 111b sur ses bords (longitudinaux) opposés. Par convention, les languettes 100 et 101 sont celles de la première plaque 10, et les languettes 110 et 11 sont celles de la deuxième plaque 11. Par ailleurs, les languettes 100 et 110 sont 5 « proximale » c'est-à-dire au niveau d'un premier bord longitudinal, et les languettes 101 et 111 sont « distales » c'est-à-dire au niveau de l'autre bord longitudinal. La soudure laser « définit » le ou les canaux 20, 21 et les languettes 10 22, 23, c'est-à-dire qu'elle les délimite, et forme en particulier les flancs des canaux 20, 21 et le bord intérieur des languettes 100, 101, 110, 111. En effet, la soudure laser permet aisément et efficacement de fondre ensemble les plaques 10, 11 le long d'un trajet continu, i.e. s'il y a k canaux de constituer k+1 barrières étanches d'un bord (longitudinal) à l'autre. Dans le 15 cas d'un unique canal occupant tout l'espace (deuxième mode de réalisation évoqué ci-avant), la soudure peut comprendre un « piquage », c'est-à-dire des soudures ponctuelles (points de soudure) répartis sur toute la surface des plaques 10, 11 pour liées ces dernières sans pour autant former d'obstacle. Alternativement ou en complément, on peut avoir des 20 courtes lignes de soudures pour complexifier le trajet du fluide et éventuellement augmenter un caractère turbulent de l'écoulement (pour augmenter les transferts thermiques). On comprend que la soudure seule forme ces éléments, i.e. qu'il n'y a besoin d'aucune autre opération telle qu'un emboutissage ou un perçage 25 pour les former. Ladite soudure formant les languettes 100, 101, 110, 111 est préférentiellement interrompue de sorte à former des ouvertures des canaux 20, 21, i.e. leurs entrées/sorties, comme l'on voit notamment sur la figure 2c. Au niveau de ces ouvertures, les soudures définissant les canaux 30 20, 21 et celles définissant les languettes 100, 101, 110, 111 coïncident, c'est-à-dire se rejoignent et assurent une continuité dans l'étanchéité. A noter que comme dans l'exemple de la figure 3a, sur une certaine longueur 9 la même soudure peut définir une languette et former le flanc d'un canal, i.e. un canal et la languette sont localement colinéaires. Plus précisément, il y a existence d'une ouverture du seul fait d'absence de soudure locale : on répète que c'est la soudure qui génère 5 intégralement les canaux et leurs ouvertures. Cela se comprend par contraste avec l'art antérieur où l'on avait des ouvertures prédéterminées des canaux (obtenues du fait de la forme emboutie des plaques) à proximité desquelles on venait souder pour assurer une étanchéité tant bien que mal. Dans le cas de la présente invention, l'étanchéité au niveau des ouvertures 10 est forcément optimale puisque c'est la soudure qui détermine où sont les ouvertures, i.e. l'ouverture est là où il n'y a pas de soudure. De façon générale, s'il y a k canaux continus l'étape (a) comprend avantageusement k+1 opérations de soudure continues, i.e. on interrompt et déplace le laser de soudure k fois. Cela signifie que les soudures qui 15 coïncident au niveau des ouvertures sont préférentiellement faites lors d'une unique opération de soudure, ce qui garantit une étanchéité parfaite. Dans l'exemple des figures 3a et 3b on a trois opérations de soudure : - Une première opération correspond à la partie gauche des 20 figures, i.e. comprend la soudure formant le flanc gauche du premier canal 20, la soudure le long du bord transversal gauche des plaques 10, 11 et le début des soudures longitudinales formant le bord intérieur des languettes 100, 101, 110, 111 ; - Une deuxième opération correspond à la partie droite des 25 figures, i.e. comprend la soudure formant le flanc droit du deuxième canal 21, la soudure le long du bord transversal droit des plaques 10, 11 et la majeure partie des soudures longitudinales formant le bord intérieur des languettes 100, 101, 110, 111 ; 30 - Une première opération correspond uniquement à la soudure isolée formant le flanc séparant le premier canal 20 et le deuxième canal 21. 10 En complément de ces k+1 opérations de soudure, on put comme expliqué avoir en outre des soudures ponctuelles ou courtes, lesquelles ne « créent » pas de canaux supplémentaires et contribuent seulement soit à l'intégrité structurelle soit à perturber l'écoulement. 5 Le procédé comprend ensuite une étape (b) d'expansion du ou des canaux 20, 21. En effet, à l'issue de l'étape (a) les plaques 10, 11 sont toujours planes et les canaux ont une section nulle. Cette étape vise à déformer les plaques 10, 11 d'une paire de sorte à augmenter la section des canaux 20, 21. 10 De façon préférée cette étape est réalisée par gonflement des canaux 10, 11 par exemple par injection d'eau sous pression. Dans un mode de réalisation préféré, l'étape (a) comprend préalablement (avant soudure) la disposition d'un élément gonflable entre les deux plaques de la paire, le long du ou des canaux 20, 21, typiquement 15 un « boudin », il peut y en avoir un par canal. On comprend que les canaux ne sont alors encore pas définis (les plaques sont vierges) mais leur future trajectoire est connue. Alors, l'étape (b) comprend le gonflement des éléments gonflables de sorte à augmenter le volume interne des canaux et ainsi leur section. Cela 20 « bombe » les plaques 10, 11 et les déforme, comme l'on voit sur les détails A/B des figures 3a, 3b. En référence à la figure 3a, on voit que cette expansion peut rester légère (les canaux 20, 21 n'ont à la fin qu'une faible épaisseur) mais suffisante pour que le premier fluide puisse circuler. 25 Dans le cas où les plaques d'une paire sont préfixées au niveau de leur pourtour, l'étape (b) peut comprendre alors la coupe de ce pourtour pour laisser libre en particulier les languettes 100, 101, 110, 111 et permettre l'extraction des boudins (dégonflés). 30 Dans une étape (c) particulièrement originale, le procédé comprend le pliage desdites languettes 100, 101, 110, 111 de sorte à ce qu'elles 11 présentent un angle prédéterminé par rapport aux plaques 10a, 11 a, 10b, llb de la paire. En effet comme expliqué les languettes 100, 101, 110, 111 restent liées au niveau de la soudure formant leur bord intérieur, mais cette 5 soudure peut être utilisé comme une charnière autour de laquelle les languettes 100, 101, 110, 111 peuvent pivoter de sorte à écarter leurs bords extérieurs, comme l'on voit sur le détail B de la figure 3b. Ainsi pliées, les languettes 100, 101, 110, 111 forment un « soufflet ». Pour réaliser ce pliage, on pourra à nouveau procéder par gonflage 10 d'un élément gonflable disposé entre les plaques 10, 11, ou par toute autre technique à la portée de l'homme du métier comme par exemple l'enfoncement latéral d'un coin entre les languettes 100 et 110 ou 101 et 111. Ledit angle prédéterminé est avantageusement compris entre 30° et 15 60°, encore plus avantageusement compris entre 40° et 50°, et encore plus avantageusement autour de 45°. Dans le cas d'un angle de 45°, une languette de 2 cm permet d'un écart de 1.1 cm, ce qui permet des canaux interpaires de 1.9 cm d'écart (pour des tôles de 1.5 mm d'épaisseur). Le fait de plier de façon modérée permet ainsi d'écarter sensiblement 20 les bords extérieurs des languettes 100, 101, 110, 111 (presque autant que les bords tombés de l'art antérieur) et ainsi de former des canaux interpaires transversaux comme l'on verra plus loin, sans pour autant fragiliser la soudure ni bloquer les ouvertures des canaux 20, 21. Ce pliage est donc très efficace. 25 Dans une étape (d) finale, deux paires de plaques 10a, 10b, 11 a, 11 b sont soudées via leurs languettes comme l'on voit en particulier sur la figure 2d. Plus précisément, les languettes 110a, 111a d'une deuxième plaque 30 11 a de la première paire a sont soudées avec les languettes 100b, 101b d'une première plaque 10b de la deuxième paire b. 12 Cette soudure est avantageusement à nouveau au laser (même si elle pourra être faite de toute autre technique conventionnelle), et préférentiellement au niveau des bords extérieurs des languettes de sorte à former un large canal 22 entre les première et deuxième paires, dont on 5 remarque qu'il s'étend transversalement. Comme expliqué, tout ou partie du présent procédé peut être répété de sorte à obtenir un échangeur 1 à 2n plaques soudées (i.e. n paires de plaques obtenues par les étapes (a) à (c), les paires étant soudées entres 10 elles selon l'étape (d)). Echangeur Selon un deuxième aspect est proposé l'échangeur 1 obtenu via le 15 procédé selon le premier aspect. Comme expliqué, cet échangeur n'est composé que de plaques soudées, initialement planes et identiques. Les canaux 20, 21, 22 peuvent être connectés en entrée ou en sortie, et le cas échéant en parallèle, à des circuits d'un premier et d'un REVENDICATIONS1. Procédé d'assemblage d'un échangeur (1), caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de : (a) Pour au moins une paire de plaques (10a, 11a, 10b, 11b) sensiblement planes disposées l'une sur l'autre, soudure laser des deux plaques (10a, 11a, 10b, 11 b) de la paire, de sorte à définir : o au moins un canal (20a, 21a, 20b, 21b) s'étendant entre deux bords opposés desdites plaques (10a, 11a, 10b, 11b), et o des languettes (100a, 101a, 110a, 111a, 100b, 101b, 110b, 111b) le long desdits bords opposés ; (b) Expansion dudit canal (20a, 21a, 20b, 21b) ; (c) Pliage desdites languettes (100a, 101a, 110a, 111a, 100b, 101b, 110b, 111b) de sorte à ce qu'elles présentent un angle prédéterminé par rapport aux plaques (10a, 11a, 10b, 11b) de la paire ; (d) Soudure de plaques (10a, 11a, 10b, 11 b) de deux paires via leurs languettes (100a, 101a, 110a, 111a, 100b, 101b, 110b, 111b). 2. Procédé selon la revendication 1, dans laquelle ledit canal (20a, 21a, 20b, 21b) serpente entre les plaques (10a, 11a, 10b, 11 b) de la paire. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape (a) comprend une soudure formant des flancs dudit canal (20a, 21a, 20b, 21b) et une soudure formant un bord intérieur desdites languettes (100a, 101a, 110a, 111a, 100b, 101b, 110b, 111b). 14 4. Procédé selon la revendication 3, dans ladite soudure formant un bord intérieur desdites languettes (100a, 101a, 110a, 111a, 100b, 101b, 110b, 111b) est interrompue de sorte à former des ouvertures 5 du canal (20a, 21a, 20b, 21b). 5. Procédé selon la revendication 4, dans laquelle la soudure formant des flancs dudit canal (20a, 21a, 20b, 21b) et la soudure formant un bord intérieur desdites languettes (100a, 101a, 110a, 111a, 100b, 101b, 10 110b, 111b) coïncident au niveau desdites ouvertures. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit angle prédéterminé est compris entre 30° et 60°, en particulier entre 40° et 50°. 15 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape (a) comprend préalablement la disposition d'un élément gonflable entre les deux plaques (10a, 11a, 10b, 11b) de la paire le long du canal (20a, 21a, 21a, 21b), et l'étape (b) comprend le gonflement dudit 20 élément gonflable. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les étapes (a) à (c) sont mises en oeuvre pour une première paire de plaques (10a, 11a) et une deuxième paire de plaques (10b, 11b), l'étape (d) 25 comprenant la soudure des languettes (110a, 111a) d'une plaque (11a) de la première paire avec les languettes (100b, 110b) d'une plaque (10b) de la deuxième paire. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel les languettes 30 de deux plaques (10a, 11a, 10b, 11b) sont soudées le long de leur bord extérieur. 15 10. Echangeur de chaleur (1) à plaques obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 9.