- W093/20389 21~ ~ 7 ~ S PCT/FR93/00304 , .
Dispositif de régulation thermique d'un fluide en circulation La présente invention a pour objet un dispositif de régulation thermique d'un fluide en circulation utilisé notamment pour régulariser la température d'outiilage ou de réacteurs.
DOMAINE TECHNIQUE :
De tels dispositifs destinés à réguler la température d'un outillage de moulage de matières plastiques au moyen d'un fluide caloporteur circulant sous l'action d'une pompe existent déj~. 3ans ces dispositifs, la température du fluide peut etre augmentée au moyen de résistances électriques chauffantes ou diminuée au moyen d'un second fluide froid passant dans un échangeur, l'ensemble pouvant être command~ au moyen d'un régulateur électronique relié à un ou plusieurs thermocouples judicieusement disposes sur le parcours du fluide caloporteur et par divers dispositifs de sécurité.
TECHNIQUES ANTERIEuREs :
En général, ces dispositifs comportent un réchauffeur reroidisseur du fluide caloporteur formé par un réservoir à l'intérieur duquel est disposée une résistance électrique de chauffage et un circuit de fluide de refroidissement constitué d'un serpentin, les résistances électriques étant bien entendu disposees à
l'intérieur d'un tube blindé, comme décrit dans le document BF - A. 2658332 (VULCANIC SA).
Pour obtenir le refroidissement du fluide caloporteur, d'autres dispositifs de régulation comportent un échangeur à plaques. Dans ces échangeurs bien connus, constitué6 d'un , , W093/20389 2 PCT/FR93/0030~
7 ~ j) empilement de plaques le fluide à refroidir et le fluide froid circulent dans deux circuits différents sans contact l'un avec l'autre, de part et d'autre de chaque plaque. Les dispositifs de régulation comportant de tels échangeurs à
plaques sont encombrants car les résistances de chauffage doivent se trouver bien évidemment en dehors et assez écartées des dits échangeurs d'où
un volume important de l'ensemble et la nécessité
d'avoir une grande quantité de fluide caloporteur en circulation.
Il existe cependant des échangeurs à plaques comportant une résistance électrique de chauffage insérée entre les plaques comme décrit dans le le document DE-A2226800 (NICHOLSSON). Ces réalisations ne permettent pas de réaliser un dispositif de thermo-régulation permettant le passage de plusieurs fluides devant circuler verticalement et alternativement entre les plaques pour déboucher en haut et en bas du dispositif tout en ayant une étanchéité parfaite.
De plus, avec les dispositifs existants, on ne peut obtenir une température précise avec un temps de réponse très court.
~5 EXPOSE DE ~' INVENTION
La présente invention a pour objet de remédier ~ ces inconvénients par la réalisation d'un dispositif de régulation de température d'un fluide au moyen d'un échangeur thermique 30 constitué d'un empilement de plaques ondulées ou nervurées définissant au moyen de joints disposés entre lesdites plaques, des circuits altern~s de fluides r~frigérants et de fluide caloporteur.
W093/20389 2 1 ~ ~ 7 ~ ~
Le dispositif selon l'invention est notamment caractérisé en ce que l'empilement précité est formé d'une pluralité d'ensembles élémentaires comprenant chacun dans l'ordre :
- Un circuit de fluide réfrigérant - Deux circuits de fluide caloporteur - Un autre circuit de fluide réfrigérant et en ce que l'on interpose, entre les deux circuits de fluide caloporteur, une résistance lo électrique de chauffage.
Une autre caractéristique de l'invention réside en ce que la résistance électrique est noyée dans une matière appropriée, par exemple de la céramique, isoiante électriquement, mais conductrice de la chaleur, qui est conformée de manière identique aux plaques nervurées de façon à s'intercaler sans difficulté entre lesdites plaques.
Une autre caractéristique de l'invention réside en ce que la résistance électrique isolée électriquement peut être noyée dans un matériau conducteur tel que l'aluminium dont les parois épousent la forme ondulée des plaques usuelles ce qui permet de les supprimer.
Une autre caractéristique de l'invention réside en ce que les circuits alternés de fluide réfrigérant et de fluide caloporteur sont définis au moyen de joints ayant une épaisseur suffisante pour être comprimés entre deux plaques nervurées.
Les circuits de fluide réfrigérant et caloporteur circulent dans l'empilement des plaques nervurées au moyen d'orifices d'entrée et de sortie pratiqués dans lesdites plaques afin W O 93/20389 PC~r/FR93/00304 213873gi que les fluides les traversent perpendiculairement à leur plan.
Le dispositif de r~gulation selon l'invention est compact tout en ayant une grande surface d'échange thermique et ne nécessite qu'un petit volume de fluide caloporteur généralement de l'eau ou de l'huile. Il permet en outre d'avoir un temps de réponse très court, le fluide étant porté rapidement à la température désirée.
Le fluide ainsi régulé peut être notamment un circuit de liquide caloporteur mis en circulation par une pompe et servant à réguler la température d'outillages ou de réacteurs, par exemple de 5 à
250O C.
Selon la régulation et le débit envisagés, on réalise un échangeur comportant un empilement de plaques plus ou moins grand entre lesquelles sont intercalées un nombre plus ou moins grand de plaques chauffantes.
DESCRIPTION DE ~'INVENTION
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'une de ses réalisations préférëes et à l'examen des dessins annexés sur lesquels :
- La figure l est une vue schématique du dispositif de régulation selon l'invention.
- La figure 2 est une vue schématique partielle montrant l'intégration d'une plaque chauffante entre les plaques d'un échangeur selon l'invention.
- La figure 3 est une vue en plan d'une plaque d'échangeur avec plaque chauffante selon la ligne III-III de la figure 2.
W O 93/20389 5 PC~r/FR93/00304 ~ 21~7~
Les figures 4 & 5 sont des vues, en coupe partielle, d'un empilement de plaques avec un orifice de circulation de fluide.
La figure 6 est une vue en coupe partielle S d'une résistance de chauffage ayant la même configuration que ies plaques nervurées.
- La figure 7 est un schéma d'un dispositif de régulation de la température selon l'invention.
M~NIERE DE REALISER L'INVEN~ION
En se reportant à la figure 1 qui est un schéma de principe d'un élément de base destiné à
constituer le dispositif de régulation de température selon l'invention, on voit qu'il est form~ d'un empilement 1 de plaques ondulées ou nervurées 2 de type connu pour cette application par exemple en acier inoxydable. Ces plaques définissent au moyen de joints non représentés, mais classiques des circuits 11-13 alternés de fluides caloporteurs (FC) et réfrigérants (FR).
Cet élément de base comprend des plaques nervurées 2a entre lesquelles passent, dans l'ordre :
- Un circuit de fluide réfrigérant (FR1) - Deux circuits de fluide caloporteur (FCl et FC2) - Un second circuit de fluide réfrigérant (FR2).
Entre les deux circuits de fluide caloporteur (FC1 et FC2) est interposé, entre les plaques 2b, un moyen de chauffage 7 constitué d'une rési~tance électrique 3 disposée entre des plaques 4 en materiau réfractaire (céramique).
~0 93/20389 P ~ /FR93/0030~
'2 ' ~7~
Dans une variante simplifiée la résistance électrique (3) isolée électriquement peut être noyée dans un matériau conducteur de remplissage tel que de l aluminium dont les parois épousent la forme ondulée des plaques usuelles ce qui permet avantageusement de les supprimer d'où une économie substantielle.
Dans un empilement de plaques 2, on peut, par exemple, disposer trois résistances électriques connectées à une source triphasée ou les` monter en parallèle. En agissant soit sur le débit du fluide de refroidissement, soit sur la résistance chauffante, on obtient la température désirée du ~luide caloporteur (FC).
Sur la figure 2, on a représenté
schématiquement une partie de l!empilement de plaque 2 formant l'échangeur du dispositif selon l'invention.
Cet échangeur est formé par l empilement d un certain nombre de plaques 2 présentant de manibre connue des volutes, ou ondulations lD pour forcer le fluide en circulation à créer des turbulences;
ces plaques 2 sont munies d'orifices 5 à chaque extrémité pour permettre l'entrée et la sortie dans leur cavité respective du fluide caloporteur (FC) et du fluide de refroidissement (FR). Entre ces plaques 2 et sur leur pourtour sont disposés des joints 6, de type connu, qui ont pour but d'assurer l'étanchéité entre chaque plaque 2 et 3(~ également autour des orifices s d arrivée et de sortie des fluides des dites plaques empilées.
Afin que les fluides puissent circuler entre deux plaques 2, le joint 6 est sectionné autour de w093/20389 PCT/FR93/0030~
: 210$'7~$
l'orifice 5 une fois sur deux, comme on le voit sur la figure 2.
Selon une autre caractéristique de l'invention entre les plaques 2 est disposé un moyen de chauffage 7 qui peut être constitué par une ou plusieurs resistances électriques 3, disposées dans une matière ré'ractaire sous la for~e d'une plaque 4, l'ensemble des résistances étant relié à une source électrique, non représentée.
Afin d'assurer une étanchéité parfaite, un joint 8 de section circulaire est disposé autour de l'orifice 5 où circule le fluide. Ce joint 8 peut avoi. une section quelconque, mais son épaisseur doit être plus grande que l'épaisseur de la plaque chauffante 4 additionnée de la distance séparant deux plaques 2, afin qu'au montage il soit écrasé et assure ainsi une étanchéité parfaite. Il doit aussi lêtre en matière résistant à la température maximum envisagée.
Les alvéoles lO formées au-dessus et en-dessous de l'élément de chauffage 7 peuvent être remplies avec un ciment réfractaire ou d'un matériau analogue bon conducteur de la chaleur.
Au-dess~us et en dessous de l'empilement des plaques de l'échangeur sont disposées deux plaques isolantes, maintenues de manière classique par des tirants.
Sur la figure 3 on a représenté une vue en plan des plaques 2 selon la ligne III-III de la figure 2, montrant les orifices 5a de passage du fluide caloporteur (FC) et ceux 5b du fluide de refroitissement (FR) ainsi que l'emplacement des w093/20389 8 _ 210~'7~
joints d'étanchéité ~ et 6, la zone centrale hachurée représente l'emplacement de la résistance chauffante 3. Comme on peut le voir, la partie active des éléments de chauffage se S trouve en dessous du joint 6.
Sur les figures 4 et 5, on a représenté deux variantes de réalisation, montrant l'empilement de plaques 2 formant l'échangeur du dispositif selon l'invention, dans lesquelles le joint 8 de lo la réalisation de la figure 2 a été supprimé et remplacé par un manchon métallique 20 soudé aux plaques 2b afin d'assurer une étanchéité parfaite (fig. 41 Dans la seconde variante montrée à la figure 5, les plaques 2b ont été conformées de manière à
ce qu'elles puissent être soudées en 61 autour de l'ouverture S du passage du fluide 3 et à leur périphérie 60.
Sur la figure 6, on a représenté une autre variante dans laquelle la résistance électrique 3 est noyée dans une matière céramique 4, par exemple, isolante mais bonne conductrice de la chaleur, qui est conformée de manière identique aux plaques nervurées 2b de facon à s'intercaler sans difficulté entre lesdites plaques. Un orifice 5 est prévu pour le passage du fluide.
Cette réalisation permet de supprimer le joint 8.
La figure 7 est un schéma du dispositif de régulation de température selon l'invention.
Comme on peut le voir sur cette figure, le dispositif selon l'invention est très simple. Il comporte un échangeur a plaques l avec sa ou ses ré~istances électriques de chauffage 3, traversé
d'une part, par un circuit ll de fluide W O 93/203X9 P ~ /FR93/00304 9 ~1~87~
caloporteur (FC) en circulation forcée au moyen d'une pompe 12 jusqu'au moule d'une presse à
injecter ou jusqu au réacteur d un équipement, non représenté, et d'autre part, par un circuit 5 d'eau froide 13. Le fluide caloporteur circule de l échangeur a plaques 1 à l outillage en circuit fermé et sans réservoir de stockage intermédiaire.
Trois électrovannes 14, 15 et 16 sont prévues 10 pour isoler le fluide caloporteur (FC) et limiter les fuites dans le circuit fermé 11 qui va vers le moule ou le réacteur.
Bien entendu, sur le dispositif selon l'invention est prévu également une prise de 15 température permanente dans l'échangeur liée à un système de régulation de type connu qui permet une lecture continue de la température du fluide caloporteur à l'intérieur de l'échangeur et sa limitation à une temperature maximale. Ce 20 dispositif peut assurer, le cas échéant, la régulation de la température si le moule ou le réacteur ne comporte pas de sonde de température.
Bien entendu, le dispositif selon la présente invention peut être utilisé non seulement pour la 25 régulation de la température des moules de presses à injecter mais également des cylindres et vis d'extrusion, des réacteurs utilisés dans l'industrie chimique et en complément pour les pompes a chaleur, de chauffage solaire ou 30 géothermique.
Le dispositif de régulation thermique selon l'invention est d'un prix de revient avantageux.
Par ailleurs, il est facilement démontable puisque les divers éléments qui le constituent W093/20389 PCT/FR93/0030~
10 ~t 21~7~
peuvent être rapidement remplacés ou modifiés, il permet une facilite d'entretien car on a accès aux surfaces donc permettant leur nettoyage; par ailleurs, il est compact et possède un temps de 5 réponse réduit. - W093 / 20389 21 ~ ~ 7 ~ S PCT / FR93 / 00304 ,.
Device for thermal regulation of a fluid outstanding The subject of the present invention is a device for thermal regulation of a fluid in circulation used in particular to regularize the tool or reactor temperature.
TECHNICAL AREA :
Such devices intended to regulate the temperature of a tool for molding materials plastics using a heat transfer fluid circulating under the action of a pump exist already ~. 3 In these devices, the temperature of the fluid can be increased by electric heating resistances or reduced by means of a second cold fluid passing through a exchanger, the assembly can be ordered ~ at by means of an electronic regulator connected to one or several thermocouples judiciously arranged on the path of the heat transfer fluid and by various safety devices.
PRIOR TECHNIQUES:
In general, these devices include a coolant heater formed by a tank inside which is arranged an electric heating resistor and a coolant circuit consisting of a coil, the resistors electric being of course arranged to inside a shielded tube, as described in document BF - A. 2658332 (VULCANIC SA).
To obtain the cooling of the fluid coolant, other regulating devices have a plate heat exchanger. In these well-known exchangers, consisting of a , , W093 / 20389 2 PCT / FR93 / 0030 ~
7 ~ j) stack of plates the fluid to be cooled and the cold fluid flow in two circuits different without contact with each other, from on either side of each plate. The devices regulator comprising such heat exchangers plates are bulky because the resistances of heating must obviously be in outside and quite far from the said exchangers where a large volume of the whole and the need to have a large amount of heat transfer fluid in circulation.
There are however plate heat exchangers having an electrical heating resistor inserted between the plates as described in the document DE-A2226800 (NICHOLSSON). These achievements do not allow for a thermo-regulation device allowing the passage of several fluids to circulate vertically and alternately between the plates to lead to the top and bottom of the device while having a perfect seal.
In addition, with existing devices, we cannot get an accurate temperature with a very short response time.
~ 5 PRESENTATION OF THE INVENTION
The object of the present invention is to remedy these drawbacks by making of a temperature regulation device of a fluid by means of a heat exchanger 30 consisting of a stack of corrugated plates or ribbed defining by means of joints arranged between said plates, alternating circuits of r ~ refrigerants and heat transfer fluids.
W093 / 20389 2 1 ~ ~ 7 ~ ~
The device according to the invention is particularly characterized in that the stack aforementioned is formed of a plurality of sets elementary each comprising in order:
- A refrigerant circuit - Two heat transfer fluid circuits - Another refrigerant circuit and in what we interpose, between the two heat transfer fluid circuits, resistance electric heating lo.
Another feature of the invention is that the electrical resistance is drowned in a suitable material, for example from ceramic, electrically insulating, but conductive of heat, which is shaped identical to the ribbed plates so to be inserted without difficulty between said plates.
Another feature of the invention is that the isolated electrical resistance electrically can be embedded in a material conductor such as aluminum whose walls conform to the wavy shape of the usual plates which allows you to delete them.
Another feature of the invention is that the alternating fluid circuits refrigerant and heat transfer fluid are defined with joints of sufficient thickness to be compressed between two ribbed plates.
The refrigerant circuits and coolant circulate in the stack of ribbed plates by means of inlet openings and outlet in said plates so WO 93/20389 PC ~ r / FR93 / 00304 213873gi let the fluids pass through them perpendicular to their plane.
The regulation device according to the invention is compact while having a large surface heat exchange and requires only a small volume of heat transfer fluid generally water or oil. It also allows to have a very short response time, the fluid being quickly brought to the desired temperature.
The fluid thus regulated may in particular be a coolant circuit circulated by a pump and used to regulate the temperature of tools or reactors, for example from 5 to 250O C.
Depending on the regulation and the flow envisaged, realizes an exchanger comprising a stack of more or less large plates between which are interspersed with a greater or lesser number of hot plates.
DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention will be better understood on reading of the following description of one of its preferred designs and drawings annexed on which:
- Figure l is a schematic view of regulating device according to the invention.
- Figure 2 is a schematic view partial showing the integration of a hot plate between the plates of a exchanger according to the invention.
- Figure 3 is a plan view of a heat exchanger plate with heating plate along line III-III of Figure 2.
WO 93/20389 5 PC ~ r / FR93 / 00304 ~ 21 ~ 7 ~
Figures 4 & 5 are views, in section partial, of a stack of plates with a fluid circulation port.
Figure 6 is a partial sectional view S of a heating resistor having the same configuration as the ribbed plates.
- Figure 7 is a diagram of a device temperature regulation according to the invention.
M ~ NIERE TO CONDUCT THE INVEN ~ ION
Referring to Figure 1 which is a block diagram of a basic element intended for constitute the regulatory system for temperature according to the invention, we see that it is form ~ of a stack 1 of corrugated sheets or ribbed 2 of known type for this application for example stainless steel. These plates define by means of joints not shown, but classic 11-13 alternating circuits of heat transfer fluids (FC) and refrigerants (FR).
This basic element includes plates ribbed 2a between which pass, in the order:
- A refrigerant circuit (FR1) - Two heat transfer fluid circuits (FCl and FC2) - A second refrigerant circuit (FR2).
Between the two fluid circuits coolant (FC1 and FC2) is interposed, between the plates 2b, a heating means 7 consisting of an electrical resi ~ tance 3 disposed between plates 4 of material refractory (ceramic).
~ 0 93/20389 P ~ / FR93 / 0030 ~
'2' ~ 7 ~
In a simplified variant the resistance electric (3) electrically isolated can be embedded in a conductive filling material such as aluminum whose walls match the wavy shape of the usual plates which advantageously allows them to be deleted, hence a substantial savings.
In a stack of plates 2, it is possible, by example, have three electrical resistors connected to a three-phase source or mount them in parallel. By acting either on the flow of the coolant either on resistance heating, the desired temperature is obtained ~ heat transfer fluid (FC).
In Figure 2, there is shown schematically part of the stack of plate 2 forming the exchanger of the device according to the invention.
This exchanger is formed by stacking a number of plates 2 presenting free known from scrolls, or lD ripples to force the circulating fluid to create turbulence;
these plates 2 are provided with orifices 5 at each end to allow entry and exit in their respective cavities of the heat transfer fluid (FC) and coolant (FR). Between these plates 2 and on their periphery are arranged seals 6, of known type, which aim sealing between each plate 2 and 3 (~ also around the inlet sd and outflow of fluids from said stacked plates.
So that fluids can flow between two plates 2, the joint 6 is sectioned around w093 / 20389 PCT / FR93 / 0030 ~
: 210 $ '7 ~ $
orifice 5 every other time, as we can see in figure 2.
According to another characteristic of the invention between the plates 2 is arranged a heating means 7 which can be constituted by one or more electrical resistors 3, arranged in a refractory material under the for ~ e of a plate 4, all of the resistors being connected to an electrical source, not represented.
In order to ensure a perfect seal, a joint 8 of circular section is arranged around orifice 5 where the fluid circulates. This joint 8 may have. any section but its thickness must be greater than the thickness of the hot plate 4 to which the distance separating two plates 2, so that at mounting it is crushed and thus ensures a perfect seal. He must also be in material resistant to maximum temperature considered.
The alveoli 10 formed above and between below the heating element 7 can be filled with refractory cement or a analogous material good conductor of heat.
Above ~ us and below the stack of heat exchanger plates are arranged two insulating plates, held so classic with tie rods.
In Figure 3 there is shown a view in plan of the plates 2 along line III-III of the Figure 2, showing the orifices 5a for passage of the heat transfer fluid (FC) and those 5b of the cooling (FR) as well as the location of w093 / 20389 8 _ 210 ~ '7 ~
seals ~ and 6, the central area hatched represents the location of the heating resistance 3. As we can see, the active part of the heating elements is S is below seal 6.
In Figures 4 and 5, two are shown variant embodiments, showing the stacking of plates 2 forming the exchanger of the device according to the invention, in which the seal 8 of lo the realization of figure 2 was deleted and replaced by a metal sleeve 20 welded to plates 2b to ensure a perfect seal (fig. 41 In the second variant shown in the figure 5, the plates 2b have been shaped so as to that they can be welded in 61 around the opening S of the passage of the fluid 3 and to their periphery 60.
In Figure 6, there is shown another variant in which the electrical resistance 3 is embedded in a ceramic material 4, by example, insulating but good conductor of the heat, which is shaped identically to the ribbed plates 2b so as to be inserted without difficulty between said plates. A
orifice 5 is provided for the passage of the fluid.
This embodiment eliminates the seal 8.
FIG. 7 is a diagram of the device for temperature regulation according to the invention.
As can be seen in this figure, the device according to the invention is very simple. he has a plate heat exchanger l with its electrical heating re istances 3, crossed on the one hand, by a circuit ll of fluid WO 93 / 203X9 P ~ / FR93 / 00304 9 ~ 1 ~ 87 ~
heat transfer medium (FC) in forced circulation by means from a pump 12 to the mold of a press inject or to the reactor of an equipment, not represented, and on the other hand, by a circuit 5 cold water 13. The heat transfer fluid circulates the plate heat exchanger 1 to the tool in circuit closed and without storage tank intermediate.
Three solenoid valves 14, 15 and 16 are provided 10 to isolate the heat transfer fluid (FC) and limit leaks in the closed circuit 11 which goes towards the mold or the reactor.
Of course, on the device according to the invention is also provided for taking 15 permanent temperature in the exchanger linked to a known type of regulation system which allows continuous reading of the fluid temperature coolant inside the exchanger and its limitation to a maximum temperature. This 20 device can ensure, if necessary, the temperature regulation if the mold or the reactor does not have a temperature probe.
Of course, the device according to the present invention can be used not only for the 25 temperature regulation of the molds injection molding machines but also cylinders and extrusion screws, reactors used in the chemical industry and in addition for heat pumps, solar heating or 30 geothermal.
The thermal regulation device according to the invention is of an advantageous cost price.
Furthermore, it is easily removable since the various elements that constitute it W093 / 20389 PCT / FR93 / 0030 ~
10 ~ t 21 ~ 7 ~
can be quickly replaced or modified, it allows easy maintenance because we have access surfaces therefore allowing their cleaning; by elsewhere, it is compact and has a 5 reduced response.