Brevet FR3162266A1 — publié le 20251121

Procédé pour la fabrication d’un dispositif monolithique canalisé comprenant au moins un collecteur dans lequel s’ouvre au moins une canalisation, le procédé étant basé sur la technique du diffusion bonding (soudage par diffusion), comprenant les étapes suivantes en succession : (Étape 1) gravure d’une pluralité de plaques métalliques pour réaliser des canalisations internes ; (Étape 2) soudage par diffusion bonding (soudage par diffusion) obtenant un dispositif monolithique canalisé intérieurement ; (Étape 3, 3DS) réalisation du collecteur au moyen de l’électroérosion. Figure 4 PROCEDE POUR LA FABRICATION D’UN DISPOSITIF MONOLITHIQUE CANALISE DEFINISSANT UN ÉCHANGEUR DE CHALEUR Domaine d’application de l’invention La présente invention concerne le domaine de la fabrication des dispositifs monolithiques canalisés au moyen du procédé de « soudage par diffusion ». En particulier, les dispositifs monolithiques canalisés comprennent les échangeurs de chaleur à circuit imprimé PCHE de l’acronyme anglosaxon « Printed Circuit Heat Exchanger » (Échangeur de chaleur à circuit imprimé) et les réacteurs PCR de l’acronyme anglosaxon « Printed Circuit Reactor » (Réacteur à circuit imprimé). En outre, la présente invention concerne également un four pour la mise en œuvre du procédé. État de l’art La technologie du « diffusion bonding » (soudage par diffusion) est également désignée par soudage par diffusion et consiste à souder de manière réciproque deux surfaces métalliques en les comprimant entre elles à haute température et à très haut vide. Le soudage entre de telles surfaces de métal similaires ou différentes a lieu à cause de l’interdiffusion des atomes des deux surfaces en contact réciproque avec l’assemblage consécutif pour déformation plastique locale. Généralement, la température à laquelle a lieu un tel processus est de l’ordre de 80% à 90% de la température de fusion du matériau faisant l’objet du soudage. Les dispositifs monolithiques canalisés, ci-après « dispositifs canalisés » par souci de simplicité, sont réalisés en superposant des plaques métalliques préalablement gravées et empilées pour former un semi-produit. Ils sont désignés par le terme PCHE de l’acronyme anglosaxon « Printed Circuit Heat Exchanger » (échangeur de chaleur à circuit imprimé) ou bien PCR de l’acronyme anglosaxon « Printed Circuit Reactor » (Réacteur à circuit imprimé). Ensuite, l’empilement est soumis au processus de compression et de chauffage simultané provoquant le soudage réciproque des plaques. Cette technique est généralement réalisée à très haut vide, étant donné que les matériaux, avec lesquels est formé le semi-produit, doivent être dégazés. L’empilement de deux plaques consécutives ou plus préalablement gravées définit des trajets et des canalisations pour fluides. Au sein du même dispositif, on peut trouver différents trajets, même parallèles entre eux, dans la direction de l’empilement. L’introduction des fluides dans les trajets est réalisée au moyen de collecteurs d’entrée et de sortie des fluides. Un collecteur est interne quand il est défini par un trou dans le sens de l’empilement dans lequel s’ouvre au moins l’un des trajets et des canalisations définis par l’empilement. Généralement les plaques métalliques sont pré-percées pour réaliser le collecteur mentionné précédemment. Toutefois, malgré la précision maximum possible dans la réalisation des ouvertures, l’empilement présente un collecteur interne caractérisé par des aspérités de différents types. On rencontre des problèmes similaires lorsque le dispositif canalisé doit être couplé à un collecteur externe. Ceci est essentiellement dû à l’impossibilité d’obtenir une gravure et un alignement parfait des plaques en correspondance du collecteur. Sur les figures 1 à 3, on représente une section d’un dispositif canalisé en correspondance avec un collecteur, réalisé selon trois techniques différentes. En particulier, sur la FIG. 1 , les plaques sont coupées par technologie laser. On comprend d’après les agrandissements des figures 1A et 1B que malgré le fait que les coupes soient assez perpendiculaires à la surface des plaques, les différentes ouvertures présentent un défaut d’alignement pour la chaîne de tolérance de positionnement des plaques elles-mêmes. La surface du collecteur est donc décalée. Ceci dépend du fait que les différentes technologies de production des plaques, parmi lesquelles la technologie laser, prévoient des tolérances de positionnement et de coupe qui s’ajoutent aux tolérances d’empilement. Sur les figures 2, on représente un collecteur avec les agrandissements des figures 2A et 2B, sur lesquels on voit que les coupes ne sont pas perpendiculaires aux faces des plaques, en ce qu’elles sont réalisées au moyen d’un jet d’eau. Également dans ce cas, les tolérances de coupe s’ajoutent aux tolérances d’empilement. Sur les figures 3, on représente un collecteur avec les agrandissements des figures 3A et 3B, sur lesquels on voit que chaque plaque présente une petite crête le long du bord. Ceci est dû au fait que les plaques sont gravées au moyen de photogravure des deux côtés, et également dans ce cas, les tolérances de coupe s’ajoutent aux tolérances d’empilement. La surface du collecteur selon l’art connu est « rugueuse », c'est-à-dire le contraire de « lisse ». En plus des défauts d’usinage décrits ci-dessus, il est nécessaire de tenir compte du fait que les hautes pressions auxquelles l’empilement est soumis, peuvent déterminer des glissements réciproques des plaques, l’une par rapport à l’autre. Si l’on essaie de réaliser un usinage de finition du collecteur, on risque de retirer beaucoup de matériau qui, en formant des copeaux, a tendance à boucher les canaux avec le résultat d’obtenir un produit inutilisable. Un autre problème qui peut concerner ces composants est le dénommé « effet de bord », c'est-à-dire le fait que sur quelques millimètres du bord de l’empilement, le soudage est de qualité inférieure, déterminant une résistance mécanique mineure, surtout à proximité du collecteur. Un autre problème provenant du fait que lorsque le dispositif canalisé est utilisé comme PCHE destiné à l’hydrogène gazeux à haute pression, cet élément chimique a tendance à fragiliser le dispositif canalisé en s’infiltrant surtout dans les points de discontinuité qui se trouvent sur le bord du collecteur en correspondance de la ligne du soudage. Dans lesdits points de discontinuité, on trouve également une concentration d’effort mécanique, comme on peut le vérifier avec une analyse par éléments finis, et ceci a lieu dans la zone la moins résistante. C’est pourquoi, en correspondance des surfaces des collecteurs, la probabilité qui se forment des fissures par concentrations des efforts est plus importante, éventuellement aggravées par la diffusion d’hydrogène dans le réseau cristallin du matériau. Si cela n’est pas spécifiquement exclus dans la description détaillée qui suit, ce qui est décrit dans le présent chapitre doit être considéré comme faisant partie intégrante de la description détaillée. Le but de la présente invention est d’indiquer un procédé de fabrication d’un dispositif canalisé définissant un échangeur de chaleur selon la technique de diffusion bonding (soudage par diffusion) de manière plus efficace et économique. L’idée de base de la présente invention est de réaliser un collecteur interne à partir de plaques non pré-percées ou bien dotées d’un pré-perçage de dimensions réduites par rapport aux dimensions finales du collecteur et ensuite de réaliser un usinage mécanique sur la base de la procédure de l’électroérosion pour atteindre ces dimensions finales. De manière similaire, dans le cas d’un collecteur externe, l’idée est de retirer les parties de bord du collecteur au moyen d’une procédure d’électroérosion, éventuellement précédée par l’élimination de matériau en excès au moyen d’une coupe classique, par exemple à l’aide d’une scie ou d’une fraise. De manière avantageuse, il est possible de réduire ou de supprimer l’effet de bord. Un autre avantage est le fait que l’on évite la formation de bavures ou de copeaux qui peuvent boucher les microcanaux qui débouchent dans le collecteur. De manière avantageuse, il est possible d’obtenir un collecteur de prisme droit, pas nécessairement cylindrique. L’invention concerne un procédé pour la fabrication d’un dispositif monolithique canalisé, définissant un échangeur de chaleur, comprenant au moins un collecteur interne ou externe dans lequel s’ouvre au moins une canalisation, le procédé étant basé sur la technique du diffusion bonding (soudage par diffusion), comprenant les étapes suivantes en succession : (étape 1) gravure d’une pluralité de plaques métalliques pour réaliser les canalisations internes ; (étape 2) soudage d’un empilement comprenant la pluralité de plaques par diffusion bonding (soudage par diffusion) obtenant un dispositif monolithique canalisé intérieurement ; (étape 3, 3DS) réalisation du collecteur par le biais de l’électroérosion. Optionnellement, ladite électroérosion est réalisée par le biais d’électroérosion par enfonçage. Optionnellement, ladite électroérosion est réalisée par le biais de l’électroérosion à fil. Optionnellement, lorsque le collecteur est interne, le procédé comprend de plus une étape préliminaire de pré-perçage du collecteur (1bis, 3P) et l’étape de réalisation du collecteur (étape 4) comprend un nouvel usinage du pré-perçage par le biais de l’électroérosion. Optionnellement, ledit pré-perçage est réalisé par le biais de : (Étape 1bis) gravure des plaques métalliques avant l’étape de soudage, ou bien (Étape 3P) perçage ou fraisage du dispositif monolithique canalisé intérieurement précédemment obtenu. Optionnellement, lorsque le collecteur est externe, le procédé comprend une étape préliminaire de pré-coupe d’une partie du dispositif canalisé destinée à être associée à un collecteur externe (1bis, 3P) et l’étape de réalisation du collecteur (Étape 4) comprend un nouvel usinage de pré-coupe au moyen de l’électroérosion. Optionnellement, moins ladite opération de gravure est réalisée selon au moins l’une des techniques suivantes : découpe au laser ; découpe à l’eau ; photogravure. Optionnellement, le procédé comprend en outre (Étape 4) une procédure de polissage ou de rodage du collecteur obtenu. Optionnellement, le procédé comprend en outre (Étape 5) une étape de fermeture d’une extrémité du collecteur interne lorsque ladite étape d’électroérosion est réalisée au moyen de l’électroérosion à fil. L’invention concerne également un dispositif canalisé comprenant au moins un collecteur interne ou externe dans lequel s’ouvre au moins une canalisation, caractérisé en ce que le collecteur présente une surface lisse et de préférence polie ou rodée. On connaît deux techniques d’électroérosion, la première est la dénommée « technique par enfonçage » également connue avec l’expression anglosaxonne « die sinking EDM » (électroérosion par enfonçage). Celle-ci permet d’éroder un volume à travers un nombre prédéterminé de couches définissant le dispositif canalisé. Cette technique peut réaliser tout le trou avec des parois lisses ou peut rectifier un trou préalablement réalisé avec d’autres procédés, obtenant des parois lisses sans risque de boucher les canaux. La seconde technique d’électroérosion est « à fil » connue également avec l’expression anglosaxonne « wire EDM » (électroérosion à fil). Celle-ci permet de couper un métal au moyen d’un fil maintenu par un support à fourchette. La coupe est réalisée le long d’une trajectoire prédéterminée pour obtenir une forme souhaitée du collecteur, par exemple cylindrique ou parallélépipèdique. Évidemment, pour introduire le fil et réaliser la coupe, il est nécessaire de pré-percer le dispositif canalisé afin d’introduire le fil et ensuite de retirer le volume de matériau coupé pour tout le nombre de couches définissant le dispositif canalisé. Ceci implique que suite à l’opération d’électroérosion à fil, il est nécessaire de boucher l’une des deux bases de l’ouverture. Dans le cas d’un collecteur externe ou partiellement externe, lorsque le collecteur est destiné à refermer une face interne du dispositif canalisé, la technique la plus rapide s’avère être celle de l’électroérosion à fil. Toutefois, par rapport à la forme du collecteur et des parties du dispositif canalisé à retirer, les deux techniques, à fil et par enfonçage, sont valides. L’une quelconque des techniques d’électroérosion utilisées permet d’obtenir des collecteurs avec des parois lisses, sans zone de discontinuité, supprimant les zones affectées par une résistance mineure (effet de bord du DB) ; enfin les collecteurs ainsi obtenus peuvent ensuite être polis sans endommager les ouvertures des microcanaux, obtenant également un biseautage des arêtes vives. Les revendications dépendantes décrivent des variantes préférées de l’invention, faisant partie intégrante de la présente description. D’autres buts et avantages de la présente invention ressortiront plus clairement d’après la description détaillée suivante d’un exemple de réalisation de cette dernière (et de ses variantes) et d’après les dessins joints proposés à titre purement explicatif et non limitatif, dans lesquels : FIG. 1 FIG. 1 FIG. 1 FIG. 2 FIG. 2 FIG. 2 FIG. 3 FIG. 3 FIG. 3 Les figures 1 à 3 avec les agrandissements A et B relatifs présentent des collecteurs réalisés dans des dispositifs canalisés obtenus au moyen de la technique de diffusion bonding (soudage par diffusion), dans laquelle les collecteurs sont respectivement réalisés, selon la technique connue, au moyen d’une coupe laser, coupe à l’eau et par photogravure ; FIG. 4 FIG. 5 FIG. 6 Les figures 4 à 6 représentent des schémas de flux illustrant le procédé de fabrication objet de la présente invention. Les mêmes numéros et les mêmes lettres de référence sur les figures identifient les mêmes éléments ou composants ou les mêmes fonctions. Il faut également noter que les termes « premier », « deuxième », « troisième », « supérieur », « inférieur » et similaires peuvent être utilisés ici pour distinguer différents éléments. Ces termes n’impliquent pas un ordre spatial, séquentiel ou hiérarchique pour les éléments modifiés à moins que cela soit spécifiquement indiqué ou puisse être déduit du texte. Les éléments et les caractéristiques illustrées dans les différents modes de réalisation préférés, y compris les dessins, peuvent être combinés entre eux sans pour autant sortir du cadre de protection de la présente demande telle que décrite ci-après. Description détaillée d’exemples de réalisation La technique de réalisation des blocs monolithiques micro-canalisés prévoit la gravure d’une pluralité de plaques en acier inoxydable pour obtenir les microcanaux. Ces dernières sont ensuite empilées et soudées par soudage par diffusion en les soumettant à haute température et haute pression. Selon une première variante de la présente invention, le collecteur est réalisé de manière solidaire après le processus de soudage au moyen d’électroérosion par enfonçage. La FIG. 4 représente un premier schéma de flux illustrant les usinages à réaliser successivement : Étape 1 : gravure des plaques pour réaliser les canalisations internes ; Étape 2 : soudage par soudage par diffusion, obtenant un dispositif monolithique canalisé intérieurement ; Étape 3 : réalisation d’un collecteur du dispositif obtenu à l’étape précédente au moyen d’électroérosion par enfonçage. L’électroérosion par enfonçage permet d’arrêter la perforation à un point prédéterminé de l’épaisseur du dispositif monolithique. Au contraire, l’électroérosion à fil nécessite une ouverture débouchante pour pouvoir raccorder le fil dans le support relatif. Selon une seconde variante préférée de l’invention représentée sur la FIG. 5 , le collecteur est partiellement réalisé au moyen d’une technique quelconque de pré-perçage et ensuite est complété par électroérosion. De manière détaillée, le procédé comprend les étapes suivantes en succession : Étape 1 : gravure des plaques pour réaliser des canalisations internes ; Étape 2 : le soudage par soudage par diffusion obtenant un dispositif monolithique canalisé intérieurement ; Étape 3P : pré-perçage du dispositif obtenu à l’étape précédente au moyen d’usinage mécanique, par exemple perçage ou fraisage ; Étape 3DS : réalisation d’un collecteur au moyen d’un nouvel usinage du pré-perçage de l’étape précédente au moyen d’électroérosion par enfonçage ou à fil. Dans le cas dans lequel l’opération d’électroérosion est du type à fil, alors le pré-perçage est débouchant et il faut compléter l’opération avec : Étape 5 : fermeture d’une extrémité du collecteur. De manière avantageuse, cette solution s’avère être très rapide, en ce que la technique de l’électroérosion est d’autant plus rapide que la quantité de matériau à éroder est faible, ainsi le pré-perçage, qui est en soi une opération relativement rapide, permet d’accélérer l’opération d’électroérosion. Toutefois, le pré-perçage peut être réalisé également au niveau de la gravure des plaques individuelles. La FIG. 6 représente une variante du procédé comprenant les étapes suivantes en succession : Étape 1 : gravure des plaques pour réaliser des canalisations internes ; Étape 1bis : gravure des pré-perçages par rapport à un collecteur à réaliser dans au moins certaines des plaques de l’étape précédente ; Étape 2 : soudage par diffusion bonding (soudage par diffusion) obtenant un dispositif monolithique canalisé intérieurement ; Étape 3DS : réalisation du collecteur au moyen d’un nouvel usinage du pré-perçage de l’étape 1bis au moyen d’électroérosion par enfonçage ou à fil, et dans le cas dans lequel l’opération d’électroérosion est du type à fil, alors toutes les plaques sont soumises à la gravure des pré-perçages et il faut donc compléter l’opération avec : Étape 5 : fermeture d’une extrémité du collecteur. Toutes les variantes peuvent comprendre une étape facultative, indiquée avec le numéro 4, qui prévoit le rodage/polissage du collecteur, rendant le trajet du fluide le plus lisse possible. Dans le cas de la présente invention, on comprend que le collecteur obtenu est lisse, c'est-à-dire dépourvu de rayures et/ou de bavures. De manière avantageuse, l’opération de rodage réalisée après l’ouverture ou finition du collecteur ne produit pas de limailles telles qu’elles bouchent les trajets et les canaux qui s’ouvrent dans le collecteur. En outre, le rodage produit un arrondissement même minime des arêtes vives des bords des canaux gravés. Etant donné que ces canaux sont définis en partie dans une plaque et en partie dans la suivante, cet arrondissement aide, en synergie avec le reste du procédé, à limiter l’effet de bord, ayant en plus un effet positif sur les pertes de charge du fluide qui traverse les conduits eux-mêmes. D’après ce qui est décrit jusqu’à présent, il ressort clairement que grâce à la présente invention, il est possible d’obtenir un dispositif canalisé comprenant un collecteur dans lequel s’ouvre au moins une canalisation interne au dispositif, dans lequel le collecteur présente une surface interne particulièrement lisse. Les effets de ces surfaces résident dans une réduction significative des turbulences à l’intérieur du collecteur en plus d’une réduction de l’effet de bord. Il existe des variantes de réalisation possibles par rapport à l’exemple non limitatif décrit, sans pour autant sortir du cadre de protection de la présente invention, comprenant toutes les réalisations équivalentes pour l’homme du métier, au contenu des revendications. Dans la description reportée ci-dessus, l’homme du métier est en mesure de réaliser l’objet de l’invention sans introduire d’autres détails de construction. Procédé pour la fabrication d’un dispositif monolithique canalisé, définissant un échangeur de chaleur, comprenant au moins un collecteur interne ou externe dans lequel s’ouvre au moins une canalisation, le procédé étant basé sur la technique du diffusion bonding (soudage par diffusion), comprenant les étapes suivantes en succession : (étape 1) gravure d’une pluralité de plaques métalliques pour réaliser les canalisations internes ; (étape 2) soudage d’un empilement comprenant la pluralité de plaques par diffusion bonding (soudage par diffusion) obtenant un dispositif monolithique canalisé intérieurement ; (étape 3, 3DS) réalisation du collecteur par le biais de l’électroérosion. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite électroérosion est réalisée par le biais d’électroérosion par enfonçage. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite électroérosion est réalisée par le biais de l’électroérosion à fil. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lorsque le collecteur est interne, le procédé comprend de plus une étape préliminaire de pré-perçage du collecteur (1bis, 3P) et dans lequel l’étape de réalisation du collecteur (étape 4) comprend un nouvel usinage du pré-perçage par le biais de l’électroérosion. Procédé selon les revendications 3 et 4, dans lequel ledit pré-perçage est réalisé par le biais de : (Étape 1bis) gravure des plaques métalliques avant l’étape de soudage, ou bien (Étape 3P) perçage ou fraisage du dispositif monolithique canalisé intérieurement précédemment obtenu. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, lorsque le collecteur est externe, le procédé comprend une étape préliminaire de pré-coupe d’une partie du dispositif canalisé destinée à être associée à un collecteur externe (1bis, 3P) et dans lequel l’étape de réalisation du collecteur (Étape 4) comprend un nouvel usinage de pré-coupe au moyen de l’électroérosion. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins ladite opération de gravure est réalisée selon au moins l’une des techniques suivantes : découpe au laser ; découpe à l’eau ; photogravure. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre (Étape 4) une procédure de polissage ou de rodage du collecteur obtenu. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre (Étape 5) une étape de fermeture d’une extrémité du collecteur interne lorsque ladite étape d’électroérosion est réalisée au moyen de l’électroérosion à fil. Dispositif canalisé comprenant au moins un collecteur interne ou externe dans lequel s’ouvre au moins une canalisation, caractérisé en ce que le collecteur présente une surface lisse et de préférence polie ou rodée.