EP3228970A1 - Method for producing at least one plate heat exchanger by superimposing plates with alignment patterns - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the general field of plate heat exchangers, in particular plate heat exchangers with at least two fluid circuits each comprising one or more internal fluid circulation channels.
- the invention also relates to the manufacture of such plate heat exchangers by diffusion welding, obtained by the technique of Hot Isostatic Compression (CIC), the technique of Uniaxial Hot Heat (CUC), and / or brazing.
- CIC Hot Isostatic Compression
- CRC Uniaxial Hot Heat
- brazing a technique of Uniaxial Hot Heat
- Known heat exchangers typically include one or at least two internal fluid circulation channel circuits. In heat exchangers with a single fluid circuit, heat exchange takes place between the circuit and the environment in which it is immersed. In the exchangers with at least two fluid circuits, the heat exchanges are carried out between the different fluid circuits.
- the present invention relates both to the production of heat exchangers with a function solely of heat exchange, and to the production of reactor-exchangers. Also, by the expression "plate heat exchanger with at least two fluid circuits", it should be understood, in the context of the invention, as well a heat exchanger with only heat exchange function that a reactor-exchanger.
- the invention thus proposes a method for manufacturing at least one plate heat exchanger with at least two fluid circuits by superposition of a plurality of plates each comprising alignment units, as well as a plate heat exchanger. at least two fluid circuits obtained by such a method.
- the so-called existing plate heat exchangers have significant advantages over the so-called existing tube heat exchangers, in particular their thermal performance and their compactness due to a favorable ratio of the surface area to the heat exchange volume.
- the known tube exchangers are, for example, tube and shell exchangers, in which a bundle of upright or bent U-shaped or helical tubes is fixed on pierced plates and disposed inside a chamber called calender.
- a chamber called calender In these tube and shell exchangers, one of the fluids circulates inside the tubes while the other fluid circulates inside the shell.
- These tube and shell exchangers have a large volume and are therefore of low compactness.
- the known plate heat exchangers are more compact and are obtained by stacking plates comprising channels and assembled together.
- the channels are made by stamping plates, where appropriate by adding strips folded in the form of fins, or by machining grooves.
- the machining is carried out by mechanical means, for example by milling or by chemical means. Chemical machining is usually called chemical or electrochemical etching.
- the assembly of the plates together is intended to ensure the sealing and / or the mechanical strength of the exchangers, in particular the resistance to pressure of the fluids circulating inside.
- the assembly can thus be obtained by mechanical means, such as tie rods holding the stack tight between two thick plates and rigid disposed at the ends. The sealing of the channels is then obtained by crushing reported joints.
- the assembly can also be obtained by welding, generally limited to the periphery of the plates, which sometimes requires to insert, after welding, the heat exchanger in a calender to allow it to withstand the pressure of the fluids.
- the assembly can still be obtained by brazing, in particular for exchangers for which fins are added.
- the assembly can finally be obtained by diffusion welding (welding-diffusion).
- Plate heat exchangers assembled by diffusion welding have joints that are even more mechanically efficient than the joints of the brazed exchangers due to the absence of the solder required for brazing.
- Welding-diffusion consists of obtaining a solid state assembly by applying a hot force to the parts to be assembled during a given time.
- the applied force has a double function: it allows the docking, that is to say the contacting of the surfaces to be welded, and it facilitates the creep-diffusion elimination of the residual porosity in the joints (interfaces) .
- the force can be applied by uniaxial compression, for example using a press equipped with an oven or simply using masses arranged at the top of the stack of parts to be assembled. This process is commonly known as uniaxial diffusion welding and is applied industrially for the manufacture of plate heat exchangers.
- CIC Hot Isostatic Compression
- the currently known compact exchangers also have major disadvantages, mainly in the case of plate heat exchangers.
- a first major drawback is the manufacturing cost of the plates, in particular in the case of engraved groove plates.
- the material is removed over a certain width and a certain depth in a particular direction in order to produce grooves which form the channels once the stack is made.
- the etching of the grooves can be performed one by one, batch or integrally according to the technique used and this etching can be performed on one or both sides of the plates of the exchanger.
- the engraving of the grooves made by conventional mechanical machining makes it possible to obtain good dimensional tolerances, but this requires a very high cost, depending on the quality required.
- the chemical engraving certainly allows a certain reduction of cost compared to the previous case but which is quite relative. Indeed, relative to a given length, the cost of a channel of a plate heat exchanger made by chemical etching is greater than that of a tube exchanger.
- the latter are often adjusted relative to each other by using the admission and / or fluid extraction pipes, as described for example in the international applications WO 2005/073658 A1 and WO 01/07857 A1 .
- the inventions give some indications of pattern systems around the rectangular plates to align the fluid circuits with each other, as for example in international applications.
- WO 98/55812 A1 and WO 2013/43263 A1 or in the US patent US 6,511,759 B1 .
- the object of the invention is therefore to at least partially remedy the aforementioned needs and drawbacks relating to the embodiments of the prior art, and in particular to those inherent in processes for manufacturing heat exchangers with at least two fluid circuits mentioned previously.
- soldering-diffusion is meant the usual definition for the person skilled in the art, as explained in the article “Assemblage by diffusion (welding or soldering)", Yves BIENVENU, Techniques of the Engineer, Reference BM 7747, October 10, 2010 .
- the pattern may have a hollow shape, passing through or not, or even partially through, for example an opening or a stamped form.
- the hollow pattern can thus be obtained by various techniques, in particular such as by a process of deformation of the material without removal of material, such as stamping, and / or by a method of producing the pattern by removal of material, such as machining, laser cutting, photochemical etching, etc.
- the invention makes it possible both to significantly reduce the manufacturing costs of the heat exchangers and to make more versatile plate geometry constituting these exchangers or a set of plates with different designs.
- the principle of "alignment patterns" makes it possible to realize different configurations of heat exchangers, that is to say of lengths and complete drawings of the different fluid circuits, by using the same sets of plates, realized thanks to the invention.
- the cost is thus reduced because the "generic" plates can be made in large quantities and a simple modification of the method of mounting the plates on top of one another can change the morphology of the fluid channels significantly.
- the manufacturing method according to the invention may further comprise one or more of the following characteristics taken separately or in any possible technical combinations.
- the reference pattern may or may not be traversing.
- the alignment pattern (s), including the reference pattern may or may not be traversing.
- the axes of revolution of the plates advantageously take advantage each as a center of rotation a virtual point located on the surface of the plate considered, called "center of rotation", and as axis of rotation normal to said plate passing through the center of rotation.
- the axis of revolution of a plate can in particular correspond to its central axis of symmetry.
- the distance between the center of each alignment pattern, including the reference pattern, and the center of rotation of the plate bearing these alignment patterns is the same for all plates of the heat exchanger.
- the alignment patterns allow indexing of the plates relative to each other.
- the grooves intended for the circulation of the fluids, may or may not be through. In particular, they can be made by non-through etching and / or through-hole cutting.
- the grooves may or may not be made by circular repetition of a repetition angle different or not the repetition angle of the alignment patterns around the axes of revolution of the plates.
- the realization of the grooves can be carried out simultaneously with or independently of the embodiment of the alignment patterns, comprising the reference pattern, on each plate.
- constituent plates of the heat exchanger may comprise identical or different groove designs for all the plates.
- the plates may or may not have the same transverse dimensions and / or the same thickness.
- the alignment patterns may for example have a cross section of circular or polygonal shape, for example triangular, square, rectangular, pentagonal, hexagonal, among others.
- the reference pattern of the second plate may be superimposed with an alignment pattern of the first plate which may be either the reference pattern of the first plate or another motif of the first plate. different alignment of the reference pattern.
- the superposition is performed so as to allow the circulation of said at least two fluids from the channels of the first plate to the channels of the second plate.
- step iv) After positioning the alignment tool at the coinciding patterns, it is advantageous to obtain axes of revolution of the first plate and the second plate which are collinear. Also, in order to facilitate the mounting of the plates together and to obtain this collinearity of the axes of revolution, it is preferable to implement step iv) using at least two alignment tools.
- step ii) or step v) especially in the case of the use of plates of identical geometry, it may be possible to make the top face of the N th plate coincide with the underside. of the (N + 1) th plate or to make the top face of the N th plate coincide with the top face of the (N + 1) th plate, by turning the (N + 1) th plate. This may depend on the channel geometry of the plates of the heat exchanger and / or the desired final geometry of the channels.
- the alignment tool or tools may have a transverse dimension, in particular a diameter, substantially equal to the transverse dimension, in particular the diameter, of alignment patterns of the plates.
- the alignment tool or tools may in particular have a cross section similar in shape to that of the alignment patterns, for example circular or polygonal.
- the length of an alignment tool is advantageously greater than or equal to the total length of the plates assembled together, namely at the end of step d).
- the alignment tool or tools have a suitable shape to allow at least two plates to be aligned with each other.
- the alignment tool or tools may in particular have a cylindrical shape.
- Step e) of carrying out an assembly treatment may comprise diffusion-bonding and / or soldering-diffusion, in particular by the hot isostatic pressing (CIC) technique and / or by the uniaxial compression technique. hot (CUC).
- CIC hot isostatic pressing
- CRC uniaxial compression technique. hot
- the step e) of carrying out an assembly treatment may comprise brazing.
- angle of the circular repetition called “angle of rotation”
- angle of rotation of the reference pattern of each plate around the considered axis of revolution of the plate
- the angle of the circular repetition, called the "angle of rotation" of the reference pattern of each plate around the considered axis of revolution of the plate may be different for at least two of the plates, in particular all of the plates. plates.
- the value of each rotation angle of the reference pattern to form one or more alignment patterns is advantageously an integer multiple of the smallest rotation angle value among all the rotational angles forming the alignment patterns.
- the elementary modules intended to be combined with each other to form a larger heat exchanger may be identical or different from each other. others, for example by alternating different plates.
- the elementary modules can also be combined in series or in parallel by connecting the channels of one module to the channels of another module.
- the tightness to finalize the assembly of the plate heat exchanger thus formed can be achieved by soldering-diffusion, brazing and / or soldering-diffusion, or even by more conventional welding techniques such as welding laser or TIG welding or by adding crushed joints by mechanical clamping.
- the realization of elementary modules has the advantage of being able to manufacture and store elementary modules, and then to be able to make custom heat exchangers according to the requirements demanded on these heat exchangers.
- the plates can all have an identical shape.
- the plates may have different shapes.
- the shapes of the plates can be of different types, for example circular or polygonal, for example triangular, square, rectangular, pentagonal, hexagonal, among others.
- the plates can be made of metal, especially stainless steel.
- each plate may comprise a registration element to make it possible to know the position of said at least one reference pattern of the plate.
- the registration element may be in the form of a notch made at the periphery of the plate.
- the invention further relates, in another of its aspects, a plate heat exchanger to at least two fluid circuits, characterized in that it can be obtained by means of the method as defined above.
- the manufacturing method and the plate heat exchanger according to the invention may comprise any of the features set forth in the description, taken alone or in any technically possible combination with other characteristics.
- a first embodiment of a plate heat exchanger 50 comprising two fluid circuits C1 and C2, consisting respectively of 130 channels and 150 channels, will be described below.
- the method of manufacturing the heat exchanger 50 uses an assembly of a plurality of plates 10, such as that shown in FIG. figure 1 by diffusion bonding obtained by the Hot Isostatic Compression (CIC) technique.
- CIC Hot Isostatic Compression
- the heat exchanger 50 has a plurality of plates 10 all identical and similar to that shown in FIG. figure 1 .
- the plate 10, shown on the figure 1 has a disc shape of diameter d1 and thickness e1. It comprises, on its periphery, a plurality of alignment patterns 11, in this case 130 alignment patterns 11 including the reference pattern 11a, and a plurality of grooves 12 between these alignment patterns 11 and 1. central axis of revolution X.
- the Figure 1A is a detail view according to A of the plate 10 of the figure 1 , making it possible to better visualize the alignment patterns 11 of the plate 10.
- each alignment pattern 11 has a disc shape passing through the plate 10 and having a diameter d2.
- a notch 13, forming a registration element 13, has been made at the periphery of the plate 10 at the reference pattern 11a.
- Figures 1B and 1 C are detailed views according to B 'of the plate 10 of the figure 1 top view.
- the grooves 121 of the fluid C1 and the grooves 122 of the fluid C2 appear.
- the first ring of grooves 121 of the fluid C1 begins at a distance r'1 from the center O and ends at a distance r'2 from the center O, so that the thickness of this first ring is equal to r'2 - r'1.
- the first ring of grooves 122 of the fluid C2 begins at a distance r'3 from the center O and ends at a distance r'4 from the center O, so that the thickness of this first ring is equal to r ' 4- r'3.
- the separation between the first ring of grooves 121 of the fluid C1 and the first ring of grooves 122 of the fluid C2 is equal to r'1 - r'4. So the grooves following 121 and 122 fluids C1 and C2 are arranged in successive concentric rings.
- the grooves 12, including the grooves 121 and 122 are ring pieces having two opposite edges in an arc whose center is the center O of the plate 10, the two other opposite edges being straight and aligned along a radius of the plate 10.
- the alignment patterns 11 are located on a circle of center O and radius R3, as shown in FIG. Figure 1B .
- figure 1C represents the angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 2 'and ⁇ 3 of the circular repetitions of the alignment patterns 11 and the grooves 12.
- the grooves 121 of the fluid C1 are repeated with an angle ⁇ 1 and the grooves 122 of the fluid C2 are repeated with an angle ⁇ 2 + ⁇ 2 '.
- the alignment patterns 11 they are repeated with an angle ⁇ 3.
- the figure 2 For its part, it shows schematically in perspective an exemplary alignment tooling 20 of the plate heat exchanger 50 according to the first embodiment of the invention.
- a plurality of alignment tools 20 are used, each being in the form of a cylindrical rod 20 of nominal diameter d2 equal to that of the alignment patterns 11 and of length L1, as visible on the figure 2 .
- each plate 10 may be made of metal, in particular stainless steel, for example of the X2CrNiMo17-12-02 1.4404 type according to the European standard EN 10027, with a thickness e1 of the order of 0.5. mm for a diameter d1 of the order of 100 mm.
- the alignment patterns 11 and / or the grooves 12 may be made by laser cutting and, unless otherwise indicated, the tolerances on the final dimensions may be of the order of ⁇ 0.05 mm.
- the alignment patterns 11, here 130 in number may have a diameter d2 of the order of 2 mm, being distributed over a circle of diameter equal to about 96 mm, the angle ⁇ 3 being equal to 360/130) °.
- the distances r'3 and r'4 may respectively be equal to about 5 mm and 8 mm, ie a thickness of about 3 mm.
- the five rings of grooves 122 of the fluid C2 advantageously all have a thickness of about 3 mm.
- the distances r'1 and r'2 may respectively be equal to about 9 mm and 13 mm, a thickness of about 4 mm.
- the four rings of grooves 121 of the fluid C1 advantageously all have a thickness of about 4 mm.
- the figure 3 represents a negative view of the alignment patterns 11, forming channels 11 ', of the figure 1 with a row of grooves 121 of the fluid C1, forming channels 121 ', and a row of grooves 122 of the fluid C2, forming channels 122', having the geometric characteristics described above.
- each heat exchanger 50 obtained is formed by the assembly of 21 identical plates superimposed on each other, with the geometric characteristics described above.
- the total length L of these heat exchangers 50 after manufacture is about 10.5 mm.
- the channels 11a 'formed by the reference patterns 11a are all aligned, as shown in FIG. Figure 5A , and therefore, the channels 121 'of the fluid C1 and the channels 122' of the fluid C2 respectively formed by stacking the grooves 121 and 122 are all vertically oriented, as illustrated by FIG. figure 5 .
- the channels 121 'and 122' formed by the grooves 121 of the fluid C1 and 122 of the fluid C2 form stair steps in the same direction of rotation, as shown in FIG. figure 7 .
- the channel 11a 'formed by the reference pattern 11a of a plate 10 is found superimposed with the channels 11' of the alignment patterns 11 of all the plates 10 of the assembly but shifted by an angle step ⁇ 3 relative to the upper and / or lower plate.
- the plates 10 are stacked with an offset of the reference patterns 11a according to a repeated sequence of the type ⁇ 3, ⁇ 3, - ⁇ 3, - ⁇ 3, etc.
- This alternation of offsets clockwise and counterclockwise makes it possible to obtain a stack of 21 plates 10 as represented on the figures 8 and 8A , with views respectively similar to those of Figures 7 and 7A .
- the three subexamples described above are presented for illustrative and non-limiting purposes of the invention.
- the stacking combinations of the plates 10 to obtain heat exchangers 50, and the number of these plates 10, make it possible to achieve a very large number of different assemblies.
- the characteristics of the channels that can be obtained with only one type of plate 10 are very varied.
- the channel lengths are different as are the passage sections.
- the channels can be given a geometric complexity capable of improving the efficiency of heat exchange by providing turbulence. This geometric complexity may also be of interest for the mixture in the case of reactor-exchangers previously described.
- FIG. 9 a second embodiment of a plate heat exchanger 50 comprising two fluid circuits C1 and C2, each consisting of a single channel, will be described below.
- the method of manufacturing the heat exchanger 50 uses an assembly of a plurality of plates 10a, 10a ', 10b, 10c, 10d by diffusion welding obtained by the Hot Uniaxial Compression technique (CUC).
- CRC Hot Uniaxial Compression technique
- the heat exchanger 50 comprises plates 10a, 10a ', 10b, 10c and 10d having different patterns. More specifically, the heat exchanger 50 comprises four types of plates.
- the figure 9 represents the first plate model 10a of the heat exchanger 50.
- the plate 10a shown on the figure 9 , has a hexagonal shape, a thickness e2 and a width L2, corresponding to the distance between two opposite sides.
- the plate 10a has six alignment patterns 11 near each corner, including the reference pattern 11a.
- the reference pattern 11a is marked by means of a polarizer 13, forming a registration element 13.
- a plurality of grooves 12 is formed on the plate 10a around the central axis of revolution X. These grooves 12 include grooves 121 for the fluid C1 and grooves 122 for the fluid C2.
- the Figure 9A has a view from above of half of the plate 10a of the figure 9 .
- the polarizer 13 is in the form of a diamond-shaped notch 13 in the corner bearing the reference pattern 11a.
- the reference pattern 11a like the other alignment patterns 11, are in the form of cylindrical patterns passing through diameter d3, and are located at a distance d4 from the edge of the plate 10a.
- grooves 121 and 122 have an identical shape, namely a straight through light shape with circular ends of a diameter equal to the width of the channel.
- the grooves 122 are drilled parallel to the BC side from the line OB to the height OH, H being the middle of the segment BC, and the grooves 121 are drilled parallel to the BC side from the OC line up to the height OH.
- the first groove 121 is distant by a length d1 'from the center O of the plate 10a
- the first groove 122 is distant by a length d2' of the first groove 121 and the second groove 121 are spaced apart by a length d3 'of the first groove 122.
- the distance between a groove 121 and the following groove 122 then remains fixed at d2', and between a groove 122 and the groove 121 next to d3 '.
- grooves 121 and 122 are then reproduced by central symmetry six times at an angle of 60 ° with respect to the central axis X of the plate 10a.
- the ends of the grooves 121 and 122 do not terminate along the line OH ', as shown in FIG. Figure 9A , but at a distance d5 on both sides of the line OH '.
- the grooves 121 have a width d6 and the grooves 122 have a width d7.
- the hexagonal central pattern M has equal sides and a width L3.
- the second plate model 10b is of the same size as the first plate model 10a, namely with a hexagonal shape with equal sides of width L2. Similarly, the plate 10b has six alignment patterns 11 at the corners of the hexagon, the reference pattern 11a being marked by a polarizer 13 similar to that of the plate 10a, the plate 10b having a thickness e3 here.
- the figure 10A top view of the plate half 10b of the figure 10 shows that this plate model 10b has grooves 12 in circular and oblong form.
- the plate 10b has grooves 121 of circular shape for the fluid C1 and circular grooves 122 for the fluid C2.
- the grooves 121 have a diameter d6 and the grooves 122 have a diameter d7.
- These grooves 121 and 122 are made along the diagonals of the hexagon and according to the OH heights presented above with reference to the figure 10A .
- the spacing between the grooves 121 and 122 is identical to that of the grooves 121 and 122 of the first hexagonal plate model 10a, namely the distances d1 ', d2' and d3 '.
- the circular grooves are replaced by grooves in the form of oblong holes 123 for the fluid C1 and 124 for the fluid C2, respectively of width d6 and d7, centered according to the right OH '.
- the distance along the line OH 'between two consecutive oblong holes 123 or consecutive 124 is d2' + d3 ', and the width of these holes 123 and 124 following the normal to the right OH' is 2 x d5.
- These two plates 10c and 10d have the same dimensions as the previous plates 10a and 10b, namely a hexagon shape with equal sides of width L2.
- the alignment patterns 11, including the reference pattern 11a, and the polarizer 13 are identical to those previously described for the plates 10a and 10b.
- the respective thicknesses of the plates 10c and 10d are e4 and e5.
- the plates 10c and 10d also comprise a hexagonal central unit M of width L3.
- the plate 10c has a groove 12, in the form of a circular groove 12a, with a diameter d7, which will be superimposed on the last groove 122 of the plate 10a.
- the plate 10d has in turn a groove 12, in the form of a circular groove 12b, of diameter d6, which will be superimposed on the first groove 122 of the plate 10a.
- FIG. 13 represents, schematically in perspective, an example of alignment tooling 20 of the plate heat exchanger 50 10a, 10b, 10c, 10d, in the form of an alignment stud 13 which will serve as a guide during the mounting.
- This alignment stud 13 has the shape of a chamfered cylinder of length L3 and diameter d3.
- the alignment patterns 11 and / or the grooves 12 may be made by laser cutting and, unless otherwise indicated, the tolerances on the final dimensions may be of the order of ⁇ 0.05 mm.
- the alignment patterns 11, here the number of 6, may have a diameter d2 of the order of 2 mm, being located at a distance d3 of the order of 2 mm from the edge of the plates.
- the grooves 121 and 122 may be of respective width d6 of the order of 1 mm and d7 of the order of 1.6 mm.
- the figure 14 represents the final stack, in an exploded view, of the heat exchanger 50 obtained through a plate 10a, a plate 10b, a plate 10c, a plate 10d and a plate referenced 10a 'because it corresponds to a plate 10a returned.
- the stack represented on the figure 14 is constituted from the bottom up by a plate 10c, a plate 10a, a plate 10b, a second plate 10a returned, denoted 10a ', and a plate 10d.
- all the plates are arranged with a top view identical to the figures 9 , 10 , 11 and 12 , except for the second plate 10a '.
- the latter must be returned, the top face shown on the figure 9 lying below in the stack.
- the reference patterns 11a are therefore superimposed for all the plates, except the second plate 10a 'for which the polarizer 13 is then located on another vertex of the hexagonal stack.
- the assembly is performed so that straight lines OH 'described above are all parallel to each other.
- Two alignment tools 20 are needed in order to maintain the alignment of the plates together during the further manufacturing.
- the sealing of the plates relative to each other of the heat exchanger 50 is performed by diffusion welding assisted by Uniaxial Hot Compression (CUC).
- CEC Uniaxial Hot Compression
- a notch 30 is made in the center of the side face of the heat exchanger 50 located between the 13 of the plate 10a 'and plates 10a, 10b, 10c and 10d.
- the plates 10a, 10a 'and 10b are presented in negative to better understand the stack, the channels 11' formed by the alignment patterns 11, and the channels 121 'and 122' formed by the grooves 121 and 122 being in relief, the rest of the plates being transparent.
- the figure 16 thus presents the plate 10a seen in negative.
- the plate 10a' being inverted with respect to the other plate 10a, as according to the figure 17 the lines OH 'being parallel, the formation of the channels 121' and 122 'from the grooves 121 and 122 is visible all around the assembly except at the line OH'.
- the addition of a plate 10b, as according to the Figure 17A can overcome this problem and achieve the continuity of the grooves.
- the present invention thus makes it possible to use a single plate model, namely the first plate model 10a, in two different configurations for producing a plate heat exchanger 50.
- the invention can be applied for the realization of an evolutionary channel geometry plate heat exchanger.
- it is possible to change the geometry of the fluid circulation channels throughout of the heat exchanger.
- it is possible to modify the repetition angle ⁇ 3, or no offset, alignment patterns 11 over the entire length of the heat exchanger 50, as the grooves 12 of a plate are slightly in look at those of adjacent plates to form a channel. This has the advantage in some cases to intensify trade in some critical areas while others do not require it.
- the compactness and the integrity of the heat exchanger after manufacture can also be optimized by integrating the fluid collectors C1 and C2 flowing in the channels formed from the grooves 121 and 122 respectively directly during the mounting phases of FIG. the heat exchanger.
- the hollow patterns represented in the examples described above correspond to through-holes formed in particular by removal of material.
- the hollow patterns may also correspond, in whole or in part, to shaped depressions without removal of material, for example by stamping.
- At least one continuous channel can then be formed by superposition of at least two plates comprising such stamped hollow patterns, one of the plates being returned relative to the other and optionally offset by a predetermined angle with respect to the other to put the stamped hollowed patterns at least partially.
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Abstract
L'objet principal de l'invention est un procédé de fabrication d'au moins un échangeur de chaleur (50) à plaques (10) à au moins deux circuits de fluide, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a) formation d'une pluralité de plaques (10) comportant chacune un motif de référence ; b) formation d'un ou plusieurs motifs d'alignement (11) sur chaque plaque (10) par répétition circulaire du motif de référence autour d'un axe de révolution (X) ; c) formation d'une pluralité de rainures (12) sur chaque plaque (10). Le procédé comporte en outre les étapes successives suivantes : d) assemblage des plaques (10) par superposition les unes par rapport aux autres, chaque motif de référence d'une plaque étant superposé à un motif d'alignement (11) d'une plaque adjacente ; e) réalisation d'un traitement d'assemblage sur l'assemblage obtenu à l'issue de l'étape d) précédente par soudage-diffusion, par brasage et/ou par brasagediffusion.The main object of the invention is a method for manufacturing at least one heat exchanger (50) with plates (10) for at least two fluid circuits, characterized in that it comprises the following steps: forming a plurality of plates (10) each having a reference pattern; b) forming one or more alignment patterns (11) on each plate (10) by circularly repeating the reference pattern about an axis of revolution (X); c) forming a plurality of grooves (12) on each plate (10). The method further comprises the following successive steps: d) assembling the plates (10) by superimposition relative to each other, each reference pattern of a plate being superimposed on an alignment pattern (11) of a plate adjacent; e) performing an assembly treatment on the assembly obtained at the end of the preceding step d) by soldering-diffusion, brazing and / or by diffusion-diffusion.
Description
La présente invention se rapporte au domaine général des échangeurs de chaleur à plaques, notamment des échangeurs de chaleur à plaques à au moins deux circuits de fluide comprenant chacun un ou des canaux de circulation interne de fluide.The present invention relates to the general field of plate heat exchangers, in particular plate heat exchangers with at least two fluid circuits each comprising one or more internal fluid circulation channels.
L'invention concerne également la fabrication de tels échangeurs de chaleur à plaques par soudage par diffusion, obtenu par la technique de Compression Isostatique à Chaud (CIC), la technique de Compression Uniaxiale à Chaud (CUC), et/ou par brasage.The invention also relates to the manufacture of such plate heat exchangers by diffusion welding, obtained by the technique of Hot Isostatic Compression (CIC), the technique of Uniaxial Hot Heat (CUC), and / or brazing.
Les échangeurs de chaleur connus comportent typiquement un ou au moins deux circuits à canaux de circulation interne de fluide. Dans les échangeurs de chaleur à un seul circuit de fluide, les échanges thermiques se réalisent entre le circuit et l'environnement dans lequel il baigne. Dans les échangeurs à au moins deux circuits de fluide, les échanges thermiques se réalisent entre les différents circuits de fluide.Known heat exchangers typically include one or at least two internal fluid circulation channel circuits. In heat exchangers with a single fluid circuit, heat exchange takes place between the circuit and the environment in which it is immersed. In the exchangers with at least two fluid circuits, the heat exchanges are carried out between the different fluid circuits.
Par ailleurs, il est connu des réacteurs chimiques qui mettent en oeuvre un procédé en continu selon lequel est injectée une quantité faible de co-réactants simultanément, à l'entrée d'un premier circuit de fluide, de préférence équipé d'un mélangeur, le produit chimique obtenu étant récupéré en sortie dudit premier circuit. Parmi ces réacteurs chimiques connus, certains comprennent un deuxième circuit de fluide, appelé usuellement utilité, et dont la fonction est de contrôler thermiquement la réaction chimique, soit en apportant la chaleur nécessaire à la réaction, soit au contraire en évacuant la chaleur dégagée par celle-ci. De tels échangeurs chimiques à deux circuits de fluide avec utilité sont usuellement appelés « réacteurs-échangeurs ».Furthermore, it is known chemical reactors which implement a continuous process in which a small amount of co-reactants is injected simultaneously, at the inlet of a first fluid circuit, preferably equipped with a mixer, the chemical product obtained being recovered at the outlet of said first circuit. Among these known chemical reactors, some include a second fluid circuit, usually called utility, whose function is to thermally control the chemical reaction, either by providing the heat necessary for the reaction, or on the contrary by removing the heat released by that -this. Such chemical exchangers with two fluid circuits with utility are usually called "reactor-exchangers".
Il est ainsi à noter que la présente invention concerne aussi bien la réalisation d'échangeurs de chaleur à fonction uniquement d'échanges thermiques que la réalisation de réacteurs-échangeurs. Aussi, par l'expression « échangeur de chaleur à plaques à au moins deux circuits de fluide », il faut comprendre, dans le cadre de l'invention, aussi bien un échangeur de chaleur à fonction uniquement d'échanges thermiques qu'un réacteur-échangeur.It should thus be noted that the present invention relates both to the production of heat exchangers with a function solely of heat exchange, and to the production of reactor-exchangers. Also, by the expression "plate heat exchanger with at least two fluid circuits", it should be understood, in the context of the invention, as well a heat exchanger with only heat exchange function that a reactor-exchanger.
L'invention propose ainsi un procédé de fabrication d'au moins un échangeur de chaleur à plaques à au moins deux circuits de fluide par superposition de plusieurs plaques comprenant chacune des motifs d'alignement, ainsi qu'un échangeur de chaleur à plaques à au moins deux circuits de fluide obtenu par un tel procédé.The invention thus proposes a method for manufacturing at least one plate heat exchanger with at least two fluid circuits by superposition of a plurality of plates each comprising alignment units, as well as a plate heat exchanger. at least two fluid circuits obtained by such a method.
Les échangeurs de chaleur dits à plaques existants présentent des avantages importants par rapport aux échangeurs de chaleur dits à tubes existants, en particulier leurs performances thermiques et leur compacité grâce à un rapport de la surface sur le volume d'échanges thermiques favorablement élevé.The so-called existing plate heat exchangers have significant advantages over the so-called existing tube heat exchangers, in particular their thermal performance and their compactness due to a favorable ratio of the surface area to the heat exchange volume.
Les échangeurs à tubes connus sont par exemple des échangeurs à tubes et calandre, dans lesquels un faisceau de tubes droits ou cintrés en forme de U ou en forme d'hélice est fixé sur des plaques percées et disposé à l'intérieur d'une enceinte dénommée calandre. Dans ces échangeurs à tubes et calandre, l'un des fluides circule à l'intérieur des tubes tandis que l'autre fluide circule à l'intérieur de la calandre. Ces échangeurs à tubes et calandre présentent un volume important et sont donc de faible compacité.The known tube exchangers are, for example, tube and shell exchangers, in which a bundle of upright or bent U-shaped or helical tubes is fixed on pierced plates and disposed inside a chamber called calender. In these tube and shell exchangers, one of the fluids circulates inside the tubes while the other fluid circulates inside the shell. These tube and shell exchangers have a large volume and are therefore of low compactness.
Les échangeurs à plaques connus sont plus compacts et sont obtenus par empilement de plaques comportant des canaux et assemblées entre elles.The known plate heat exchangers are more compact and are obtained by stacking plates comprising channels and assembled together.
Les canaux sont réalisés par emboutissage de plaques, le cas échéant par ajout de feuillards pliés sous forme d'ailettes, ou par usinage de rainures. L'usinage est réalisé par des moyens mécaniques, par exemple par fraisage ou par voie chimique. L'usinage chimique est usuellement appelé gravage chimique ou électrochimique.The channels are made by stamping plates, where appropriate by adding strips folded in the form of fins, or by machining grooves. The machining is carried out by mechanical means, for example by milling or by chemical means. Chemical machining is usually called chemical or electrochemical etching.
L'assemblage des plaques entre elles a pour objectif d'assurer l'étanchéité et/ou la tenue mécanique des échangeurs, notamment la tenue à la pression des fluides circulant à l'intérieur.The assembly of the plates together is intended to ensure the sealing and / or the mechanical strength of the exchangers, in particular the resistance to pressure of the fluids circulating inside.
Plusieurs techniques d'assemblage sont connues et sont mises en oeuvre en fonction du type d'échangeur à plaques souhaité. L'assemblage peut ainsi être obtenu par des moyens mécaniques, tels que des tirants maintenant l'empilement serré entre deux plaques épaisses et rigides disposées aux extrémités. L'étanchéité des canaux est alors obtenue par écrasement de joints rapportés. L'assemblage peut être également obtenu par soudage, généralement limité à la périphérie des plaques, ce qui nécessite parfois d'insérer, ultérieurement au soudage, l'échangeur dans une calandre pour permettre sa tenue à la pression des fluides. L'assemblage peut encore être obtenu par brasage, en particulier pour des échangeurs pour lesquels des ailettes sont ajoutées. L'assemblage peut enfin être obtenu par soudage par diffusion (soudage-diffusion).Several assembly techniques are known and are implemented depending on the type of plate heat exchanger desired. The assembly can thus be obtained by mechanical means, such as tie rods holding the stack tight between two thick plates and rigid disposed at the ends. The sealing of the channels is then obtained by crushing reported joints. The assembly can also be obtained by welding, generally limited to the periphery of the plates, which sometimes requires to insert, after welding, the heat exchanger in a calender to allow it to withstand the pressure of the fluids. The assembly can still be obtained by brazing, in particular for exchangers for which fins are added. The assembly can finally be obtained by diffusion welding (welding-diffusion).
Les deux dernières techniques citées permettent de réaliser des échangeurs particulièrement performants en termes de tenue mécanique. En effet, grâce à ces deux techniques, l'assemblage est obtenu non seulement à la périphérie des plaques mais aussi à l'intérieur de l'échangeur.The last two techniques mentioned make it possible to produce exchangers that are particularly efficient in terms of mechanical strength. Indeed, thanks to these two techniques, the assembly is obtained not only at the periphery of the plates but also inside the exchanger.
Les échangeurs de chaleur à plaques assemblés par soudage par diffusion présentent des joints encore plus performants mécaniquement que les joints des échangeurs obtenus par brasage du fait de l'absence du métal d'apport requis pour le brasage.Plate heat exchangers assembled by diffusion welding have joints that are even more mechanically efficient than the joints of the brazed exchangers due to the absence of the solder required for brazing.
Le soudage-diffusion consiste à obtenir un assemblage à l'état solide en appliquant une force à chaud sur les pièces à assembler pendant un temps donné. La force appliquée a une fonction double : elle permet l'accostage, c'est-à-dire la mise en contact des surfaces à souder, et elle facilite l'élimination par fluage-diffusion de la porosité résiduelle dans les joints (interfaces).Welding-diffusion consists of obtaining a solid state assembly by applying a hot force to the parts to be assembled during a given time. The applied force has a double function: it allows the docking, that is to say the contacting of the surfaces to be welded, and it facilitates the creep-diffusion elimination of the residual porosity in the joints (interfaces) .
La force peut être appliquée par compression uniaxiale, par exemple à l'aide d'une presse équipée d'un four ou simplement à l'aide de masses disposées au sommet de l'empilement des pièces à assembler. Ce procédé est communément appelé soudage-diffusion uniaxial et il est appliqué industriellement pour la fabrication d'échangeurs de chaleur à plaques.The force can be applied by uniaxial compression, for example using a press equipped with an oven or simply using masses arranged at the top of the stack of parts to be assembled. This process is commonly known as uniaxial diffusion welding and is applied industrially for the manufacture of plate heat exchangers.
Une limitation importante du procédé soudage-diffusion uniaxial tient au fait qu'il ne permet pas de souder des joints d'orientation quelconque par rapport à la direction d'application de la force de compression uniaxiale.An important limitation of the uniaxial welding-diffusion process is that it does not allow any orientation joints to be welded with respect to the direction of application of the uniaxial compression force.
Un autre procédé alternatif pallie cet inconvénient. Dans cet autre procédé, la force est appliquée via un gaz sous pression dans une enceinte étanche. Ce procédé est communément appelé Compression Isostatique à Chaud (CIC). Un autre avantage du procédé de soudage-diffusion par CIC comparativement au procédé de soudage-diffusion uniaxial est qu'il est plus largement répandu à l'échelle industrielle. En effet, la CIC est aussi utilisée pour le traitement par lots de pièces de fonderie ainsi que pour la compaction de poudres.Another alternative method overcomes this disadvantage. In this other method, the force is applied via a gas under pressure in a sealed enclosure. This process is commonly referred to as Hot Isostatic Compression (CIC). Another advantage of the CIC welding-diffusion process compared to the uniaxial diffusion-diffusion process is that it is more widely used on an industrial scale. Indeed, the CIC is also used for the batch processing of castings as well as for the compaction of powders.
Les échangeurs compacts actuellement connus présentent aussi des inconvénients majeurs, principalement dans le cas des échangeurs à plaques.The currently known compact exchangers also have major disadvantages, mainly in the case of plate heat exchangers.
Un premier inconvénient majeur est le coût de fabrication des plaques, en particulier dans le cas de plaques à rainures gravées. Dans ce cas, de la matière est enlevée sur une certaine largeur et une certaine profondeur suivant une direction particulière afin de réaliser des rainures qui forment les canaux une fois l'empilement réalisé. Le gravage des rainures peut être réalisé une par une, par lot ou intégralement suivant la technique employée et ce gravage peut être effectué sur une ou sur les deux faces des plaques de l'échangeur.A first major drawback is the manufacturing cost of the plates, in particular in the case of engraved groove plates. In this case, the material is removed over a certain width and a certain depth in a particular direction in order to produce grooves which form the channels once the stack is made. The etching of the grooves can be performed one by one, batch or integrally according to the technique used and this etching can be performed on one or both sides of the plates of the exchanger.
Le gravage des rainures réalisé par usinage mécanique classique permet d'obtenir de bonnes tolérances dimensionnelles mais ceci nécessite un coût très important, dépendant de la qualité demandée. Le gravage chimique permet certes une certaine réduction de coût par rapport au cas précédent mais qui est toute relative. En effet, rapporté à une longueur donnée, le coût d'un canal d'un échangeur à plaques réalisé par gravage chimique est supérieur à celui d'un échangeur à tubes.The engraving of the grooves made by conventional mechanical machining makes it possible to obtain good dimensional tolerances, but this requires a very high cost, depending on the quality required. The chemical engraving certainly allows a certain reduction of cost compared to the previous case but which is quite relative. Indeed, relative to a given length, the cost of a channel of a plate heat exchanger made by chemical etching is greater than that of a tube exchanger.
Plusieurs solutions techniques permettent de fabriquer des échangeurs de chaleur compacts constitués de plaques en utilisant différentes techniques telles que le brasage, comme décrit par exemple dans la demande internationale
Un autre inconvénient majeur des échangeurs compacts à plaques soudées par diffusion est le manque de versatilité des éléments les constituant. En effet, la gravure des rainures sur une ou sur les deux faces des plaques impose la géométrie des canaux avec très peu de possibilités de modification lors de l'assemblage. Ainsi, un dessin de rainure donné conditionne fortement la géométrie des circuits de fluide de l'échangeur. La seule possibilité de modifier cette géométrie (longueur de canaux, dimensions latérales, etc.) est de fabriquer d'autres plaques, ce qui représente généralement un coût supplémentaire en conception (CAO), essais de validation, contrôle.Another major disadvantage of compact heat exchangers diffusion welded plates is the lack of versatility of the elements constituting them. Indeed, the engraving of the grooves on one or both sides of the plates imposes the geometry of the channels with very little possibility of modification during assembly. Thus, a given groove design strongly conditions the geometry of the fluid circuits of the exchanger. The only possibility to modify this geometry (channel length, lateral dimensions, etc.) is to manufacture other plates, which generally represents an additional cost in design (CAD), validation tests, control.
La plupart des inventions répertoriées à ce jour concernant les échangeurs compacts fabriqués à partir de plaques n'exposent pas clairement les moyens utilisés pour aligner les plaques entre elles.Most of the inventions listed to date for compact heat exchangers made from plates do not clearly expose the means used to align the plates with each other.
Pour les échangeurs utilisant des plaques parallélépipédiques, ces dernières sont souvent ajustées les unes par rapport aux autres en utilisant les tubulures d'admission et/ou d'extraction des fluides, comme décrit par exemple dans les demandes internationales
Pour les échangeurs ayant une forme finale cylindrique, dans lesquels les plaques sont des disques, ces dernières sont alignées soit par un trou central, comme décrit par exemple dans la demande de brevet allemand
L'invention a ainsi pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur, et notamment à ceux inhérents aux procédés de fabrication d'échangeurs de chaleur à au moins deux circuits de fluide cités précédemment.The object of the invention is therefore to at least partially remedy the aforementioned needs and drawbacks relating to the embodiments of the prior art, and in particular to those inherent in processes for manufacturing heat exchangers with at least two fluid circuits mentioned previously.
L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un procédé de fabrication d'au moins un échangeur de chaleur à plaques à au moins deux circuits de fluide, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- a) formation d'une pluralité de plaques constitutives de l'échangeur de chaleur, chaque plaque comportant un motif creusé appelé « motif de référence »,
- b) formation d'un ou plusieurs motifs creusés, comprenant le motif de référence, appelés « motifs d'alignement » sur chaque plaque par répétition circulaire du motif de référence autour d'un axe de révolution de la plaque, les axes de révolution des plaques étant confondus,
- c) formation d'une pluralité de rainures, destinées à former les canaux de circulation des fluides de l'échangeur à plaques, sur chaque plaque, les rainures comprenant au moins une première pluralité de rainures pour le premier circuit de fluide et une deuxième pluralité de rainures pour le deuxième circuit de fluide,
- d) assemblage des plaques par superposition les unes par rapport aux autres, chaque motif de référence d'une première plaque étant superposé à un motif d'alignement d'une deuxième plaque adjacente à la première plaque,
- e) réalisation d'un traitement d'assemblage sur l'assemblage obtenu à l'issue de l'étape d) précédente par soudage-diffusion, par brasage et/ou par brasage-diffusion.
- a) forming a plurality of plates constituting the heat exchanger, each plate having a hollow pattern called "reference pattern",
- b) forming one or more hollow patterns, comprising the reference pattern, called "alignment patterns" on each plate by circular repetition of the reference pattern about an axis of revolution of the plate, the axes of revolution of the plates being merged,
- c) forming a plurality of grooves for forming fluid circulation channels of the plate heat exchanger on each plate, the grooves including at least a first plurality of grooves for the first fluid circuit and a second plurality grooves for the second fluid circuit,
- d) superimposing the plates relative to each other, each reference pattern of a first plate being superimposed on an alignment pattern of a second plate adjacent to the first plate,
- e) performing an assembly treatment on the assembly obtained at the end of the preceding step d) by soldering-diffusion, brazing and / or soldering-diffusion.
Par « brasage-diffusion », on entend la définition usuelle pour l'Homme du métier, telle qu'explicitée dans l'article
Par ailleurs, par l'expression « motif creusé », il faut comprendre que le motif peut présenter une forme en creux, traversante ou non, voire partiellement traversante, par exemple une ouverture ou une forme emboutie. Le motif creusé peut ainsi être obtenu par différentes techniques, notamment telles que par un procédé de déformation de la matière sans enlèvement de matière, comme l'emboutissage, et/ou par un procédé de réalisation du motif par enlèvement de matière, comme l'usinage, la découpe laser, la gravure photochimique, etc.Moreover, by the expression "dug pattern", it should be understood that the pattern may have a hollow shape, passing through or not, or even partially through, for example an opening or a stamped form. The hollow pattern can thus be obtained by various techniques, in particular such as by a process of deformation of the material without removal of material, such as stamping, and / or by a method of producing the pattern by removal of material, such as machining, laser cutting, photochemical etching, etc.
Grâce à l'invention, il est possible d'obtenir plusieurs avantages significatifs par rapport aux traditionnels échangeurs de chaleur à plaques à au moins deux circuits de fluide. L'invention permet en effet à la fois de réduire de manière conséquente les coûts de fabrication des échangeurs de chaleur et de rendre plus versatile une géométrie de plaque constitutive de ces échangeurs ou un jeu de plaques avec des dessins différents. En effet, le principe des « motifs d'alignement » permet de réaliser différentes configurations d'échangeurs de chaleur, c'est-à-dire de longueurs et de dessins complets des circuits de fluide différents, en utilisant les mêmes jeux de plaques, réalisés grâce à l'invention. Le coût est ainsi réduit car les plaques « génériques » peuvent être réalisées en grande quantité et une simple modification de la méthodologie de montage des plaques les unes sur les autres peut changer la morphologie des canaux de fluide de manière importante.Thanks to the invention, it is possible to obtain several significant advantages over traditional plate heat exchangers with at least two fluid circuits. The invention makes it possible both to significantly reduce the manufacturing costs of the heat exchangers and to make more versatile plate geometry constituting these exchangers or a set of plates with different designs. Indeed, the principle of "alignment patterns" makes it possible to realize different configurations of heat exchangers, that is to say of lengths and complete drawings of the different fluid circuits, by using the same sets of plates, realized thanks to the invention. The cost is thus reduced because the "generic" plates can be made in large quantities and a simple modification of the method of mounting the plates on top of one another can change the morphology of the fluid channels significantly.
Le procédé de fabrication selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.The manufacturing method according to the invention may further comprise one or more of the following characteristics taken separately or in any possible technical combinations.
Le motif de référence peut être ou non traversant. De même, le ou les motifs d'alignement, comprenant le motif de référence, peuvent être ou non traversants.The reference pattern may or may not be traversing. Similarly, the alignment pattern (s), including the reference pattern, may or may not be traversing.
Les axes de révolution des plaques prennent avantageusement chacun comme centre de rotation un point virtuel situé sur la surface de la plaque considérée, appelé « centre de rotation », et comme axe de rotation la normale à ladite plaque passant par le centre de rotation. L'axe de révolution d'une plaque peut notamment correspondre à son axe de symétrie centrale.The axes of revolution of the plates advantageously take advantage each as a center of rotation a virtual point located on the surface of the plate considered, called "center of rotation", and as axis of rotation normal to said plate passing through the center of rotation. The axis of revolution of a plate can in particular correspond to its central axis of symmetry.
De façon avantageuse encore, la distance entre le centre de chaque motif d'alignement, y compris le motif de référence, et le centre de rotation de la plaque portant ces motifs d'alignement est identique pour toutes les plaques de l'échangeur de chaleur.Advantageously still, the distance between the center of each alignment pattern, including the reference pattern, and the center of rotation of the plate bearing these alignment patterns is the same for all plates of the heat exchanger.
De façon avantageuse également, les motifs d'alignement permettent une indexation des plaques les unes par rapport aux autres.Advantageously also, the alignment patterns allow indexing of the plates relative to each other.
Les rainures, destinées à la circulation des fluides, peuvent être ou non traversantes. En particulier, elles peuvent être réalisées par gravure non traversante et/ou par découpe traversante. Les rainures peuvent être ou non réalisées par répétition circulaire d'un angle de répétition différent ou non de l'angle de répétition des motifs d'alignement autour des axes de révolution des plaques.The grooves, intended for the circulation of the fluids, may or may not be through. In particular, they can be made by non-through etching and / or through-hole cutting. The grooves may or may not be made by circular repetition of a repetition angle different or not the repetition angle of the alignment patterns around the axes of revolution of the plates.
En outre, la réalisation des rainures peut être effectuée simultanément à ou indépendamment de la réalisation des motifs d'alignement, comprenant le motif de référence, sur chaque plaque.In addition, the realization of the grooves can be carried out simultaneously with or independently of the embodiment of the alignment patterns, comprising the reference pattern, on each plate.
Par ailleurs, les plaques constitutives de l'échangeur de chaleur peuvent comporter des dessins de rainures identiques ou différents pour toutes les plaques.Moreover, the constituent plates of the heat exchanger may comprise identical or different groove designs for all the plates.
Les plaques peuvent ou non présenter les mêmes dimensions transversales et/ou la même épaisseur.The plates may or may not have the same transverse dimensions and / or the same thickness.
Les motifs d'alignement, comprenant le motif de référence, peuvent par exemple présenter une section transversale de forme circulaire ou polygonale, par exemple triangulaire, carrée, rectangulaire, pentagonale, hexagonale, entre autres.The alignment patterns, including the reference pattern, may for example have a cross section of circular or polygonal shape, for example triangular, square, rectangular, pentagonal, hexagonal, among others.
Par ailleurs, l'étape d) d'assemblage des plaques peut comporter les sous-étapes successives suivantes :
- i) disposer une première plaque sur un support,
- ii) superposer une deuxième plaque à la première plaque en faisant coïncider le motif de référence de la deuxième plaque avec un motif d'alignement de la première plaque,
- iii) placer un outillage d'alignement au niveau des motifs coïncidant formés par le motif de référence de la deuxième plaque et le motif d'alignement de la première plaque, l'outillage d'alignement permettant de maintenir la coïncidence desdits motifs,
- iv) éventuellement, placer un autre outillage d'alignement au niveau de deux autres motifs coïncidant formés par un motif d'alignement de la première plaque et un motif d'alignement de la deuxième plaque, superposés entre eux et différents des motifs utilisés à l'étape ii),
- v) superposer N plaques, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, à la deuxième plaque, chaque Nième plaque étant superposée par coïncidence de son motif référence à un motif d'alignement de la plaque avec laquelle elle est superposée selon le principe de l'étape ii), et par utilisation d'au moins un outillage d'alignement selon le principe de l'étape iii).
- i) arranging a first plate on a support,
- ii) superimposing a second plate on the first plate by aligning the reference pattern of the second plate with an alignment pattern of the first plate,
- iii) placing an alignment tool at the coincident patterns formed by the reference pattern of the second plate and the alignment pattern of the first plate, the alignment tooling for maintaining the coincidence of said patterns,
- iv) optionally, placing another alignment tool at two other coincident patterns formed by an alignment pattern of the first plate and a pattern of alignment of the second plate, superimposed between them and different from the patterns used in step ii),
- v) superimposing N plates, N being an integer greater than or equal to 1, to the second plate, each Nth plate being superimposed by coincidence of its pattern refers to an alignment pattern of the plate with which it is superimposed according to the principle of step ii), and using at least one alignment tool according to the principle of step iii).
Lors de l'étape ii) ci-dessus, le motif de référence de la deuxième plaque peut être superposé avec un motif d'alignement de la première plaque qui peut être soit le motif de référence de la première plaque, soit un autre motif d'alignement différent du motif de référence. De façon avantageuse, la superposition est effectuée de sorte à permettre la circulation desdits au moins deux fluides depuis les canaux de la première plaque vers les canaux de la deuxième plaque.In step ii) above, the reference pattern of the second plate may be superimposed with an alignment pattern of the first plate which may be either the reference pattern of the first plate or another motif of the first plate. different alignment of the reference pattern. Advantageously, the superposition is performed so as to allow the circulation of said at least two fluids from the channels of the first plate to the channels of the second plate.
Après positionnement de l'outillage d'alignement au niveau des motifs coïncidant, il est avantageux d'obtenir des axes de révolution de la première plaque et de la deuxième plaque qui soient colinéaires. Aussi, afin de faciliter le montage des plaques entre elles et d'obtenir cette colinéarité des axes de révolution, il est préférable de mettre en oeuvre l'étape iv) utilisant au moins deux outillages d'alignement.After positioning the alignment tool at the coinciding patterns, it is advantageous to obtain axes of revolution of the first plate and the second plate which are collinear. Also, in order to facilitate the mounting of the plates together and to obtain this collinearity of the axes of revolution, it is preferable to implement step iv) using at least two alignment tools.
Lors de l'étape ii) ou de l'étape v), notamment dans le cas de l'utilisation de plaques de géométrie identique, il peut être possible de faire coïncider la face du dessus de la Nième plaque avec la face du dessous de la (N+1)ième plaque ou de faire coïncider la face du dessus de la Nième plaque avec la face du dessus de la (N+1)ième plaque, par retournement de la (N+1)ième plaque. Ceci peut dépendre de la géométrie des canaux des plaques de l'échangeur de chaleur et/ou de la géométrie finale désirée des canaux.During step ii) or step v), especially in the case of the use of plates of identical geometry, it may be possible to make the top face of the N th plate coincide with the underside. of the (N + 1) th plate or to make the top face of the N th plate coincide with the top face of the (N + 1) th plate, by turning the (N + 1) th plate. This may depend on the channel geometry of the plates of the heat exchanger and / or the desired final geometry of the channels.
Le ou les outillages d'alignement peuvent présenter une dimension transversale, notamment un diamètre, sensiblement égale à la dimension transversale, notamment le diamètre, des motifs d'alignement des plaques.The alignment tool or tools may have a transverse dimension, in particular a diameter, substantially equal to the transverse dimension, in particular the diameter, of alignment patterns of the plates.
Le ou les outillages d'alignement peuvent notamment présenter une section transversale de forme semblable à celle des motifs d'alignement, par exemple circulaire ou polygonale.The alignment tool or tools may in particular have a cross section similar in shape to that of the alignment patterns, for example circular or polygonal.
La longueur d'un outillage d'alignement est avantageusement supérieure ou égale à la longueur totale des plaques assemblées ensemble, à savoir à l'issue de l'étape d).The length of an alignment tool is advantageously greater than or equal to the total length of the plates assembled together, namely at the end of step d).
De façon avantageuse, le ou les outillages d'alignement présentent une forme adéquate pour permettre d'aligner au moins deux plaques entre elles. Le ou les outillages d'alignement peuvent notamment présenter une forme cylindrique.Advantageously, the alignment tool or tools have a suitable shape to allow at least two plates to be aligned with each other. The alignment tool or tools may in particular have a cylindrical shape.
L'étape e) de réalisation d'un traitement d'assemblage peut comporter le soudage-diffusion et/ou le brasage-diffusion, notamment par la technique de compression isostatique à chaud (CIC) et/ou par la technique de compression uniaxiale à chaud (CUC).Step e) of carrying out an assembly treatment may comprise diffusion-bonding and / or soldering-diffusion, in particular by the hot isostatic pressing (CIC) technique and / or by the uniaxial compression technique. hot (CUC).
En variante, l'étape e) de réalisation d'un traitement d'assemblage peut comporter le brasage.As a variant, the step e) of carrying out an assembly treatment may comprise brazing.
En outre, l'angle de la répétition circulaire, appelé « angle de rotation », du motif de référence de chaque plaque autour de l'axe de révolution considéré de la plaque peut être identique pour toutes les plaques.In addition, the angle of the circular repetition, called "angle of rotation", of the reference pattern of each plate around the considered axis of revolution of the plate can be identical for all the plates.
En variante, l'angle de la répétition circulaire, appelé « angle de rotation », du motif de référence de chaque plaque autour de l'axe de révolution considéré de la plaque peut être différent pour au moins deux des plaques, notamment la totalité des plaques. Dans ce cas, la valeur de chaque angle de rotation du motif de référence pour former un ou plusieurs motifs d'alignement est avantageusement un multiple entier de la valeur de l'angle de rotation le plus petit parmi l'ensemble des angles de rotation formant les motifs d'alignement.As a variant, the angle of the circular repetition, called the "angle of rotation", of the reference pattern of each plate around the considered axis of revolution of the plate may be different for at least two of the plates, in particular all of the plates. plates. In this case, the value of each rotation angle of the reference pattern to form one or more alignment patterns is advantageously an integer multiple of the smallest rotation angle value among all the rotational angles forming the alignment patterns.
Par ailleurs, le procédé peut être mis en oeuvre pour la fabrication d'une pluralité de modules élémentaires d'échangeur de chaleur à plaques, chaque module élémentaire d'échangeur de chaleur à plaques étant obtenu par le biais des étapes a) à e), et le procédé peut alors comporter l'étape suivante :
- f) fabrication d'un échangeur de chaleur à plaques par combinaison des modules élémentaires d'échangeur de chaleur à plaques entre eux.
- f) manufacturing a plate heat exchanger by combining the elementary heat exchanger modules with plates.
Les modules élémentaires destinés à être combinés entre eux pour former un échangeur de chaleur de plus grande taille peuvent être identiques ou différents les uns des autres, par exemple par alternance de plaques différentes. Les modules élémentaires peuvent par ailleurs être combinés en série ou en parallèle en connectant les canaux d'un module aux canaux d'un autre module. L'étanchéité pour finaliser l'assemblage de l'échangeur de chaleur à plaques ainsi formé peut être réalisée par soudage-diffusion, par brasage et/ou par brasage-diffusion, ou bien encore par des techniques de soudure plus conventionnelles telles que par soudage laser ou soudage TIG ou encore par ajout de joints écrasés par un bridage mécanique.The elementary modules intended to be combined with each other to form a larger heat exchanger may be identical or different from each other. others, for example by alternating different plates. The elementary modules can also be combined in series or in parallel by connecting the channels of one module to the channels of another module. The tightness to finalize the assembly of the plate heat exchanger thus formed can be achieved by soldering-diffusion, brazing and / or soldering-diffusion, or even by more conventional welding techniques such as welding laser or TIG welding or by adding crushed joints by mechanical clamping.
La réalisation de modules élémentaires présente l'avantage de pouvoir fabriquer et stocker des modules élémentaires, puis de pouvoir réaliser des échangeurs de chaleur sur mesure suivant les exigences demandées sur ces échangeurs de chaleur.The realization of elementary modules has the advantage of being able to manufacture and store elementary modules, and then to be able to make custom heat exchangers according to the requirements demanded on these heat exchangers.
De plus, les plaques peuvent toutes présenter une forme identique. En variante, les plaques peuvent présenter des formes différentes.In addition, the plates can all have an identical shape. Alternatively, the plates may have different shapes.
Les formes des plaques peuvent être de différents types, par exemple circulaire ou polygonale, par exemple triangulaire, carrée, rectangulaire, pentagonale, hexagonale, entre autres.The shapes of the plates can be of different types, for example circular or polygonal, for example triangular, square, rectangular, pentagonal, hexagonal, among others.
Les plaques peuvent être réalisées en métal, notamment en acier inoxydable.The plates can be made of metal, especially stainless steel.
De plus, chaque plaque peut comporter un élément de repérage pour permettre de connaître la position dudit au moins un motif de référence de la plaque.In addition, each plate may comprise a registration element to make it possible to know the position of said at least one reference pattern of the plate.
L'élément de repérage peut se présenter sous la forme d'une encoche réalisée à la périphérie de la plaque.The registration element may be in the form of a notch made at the periphery of the plate.
Par ailleurs, l'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un échangeur de chaleur à plaques à au moins deux circuits de fluide, caractérisé en ce qu'il peut être obtenu au moyen du procédé tel que défini précédemment.Furthermore, the invention further relates, in another of its aspects, a plate heat exchanger to at least two fluid circuits, characterized in that it can be obtained by means of the method as defined above.
Le procédé de fabrication et l'échangeur de chaleur à plaques selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques énoncées dans la description, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques.The manufacturing method and the plate heat exchanger according to the invention may comprise any of the features set forth in the description, taken alone or in any technically possible combination with other characteristics.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :
- la
figure 1 représente une vue isométrique d'un exemple de plaque métallique circulaire d'un échangeur de chaleur à plaques à deux circuits de fluide conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, - la
figure 1A est une vue de détails selon A de la plaque de lafigure 1 , - les
figures 1B et1C sont des vues de détails selon B' de la plaque de lafigure 1 vue de dessus, différemment référencées, - la
figure 2 représente, schématiquement en perspective, un exemple d'outillage d'alignement de l'échangeur de chaleur à plaques conforme au premier mode de réalisation de l'invention, constitué d'une pluralité de plaques selon lafigure 1 , - la
figure 3 représente une vue en négatif des motifs d'alignement de la plaque de lafigure 1 , ainsi que d'une rangée de rainures du premier fluide et d'une rangée de rainures du deuxième fluide, - les
figures 4A et 4B représentent, partiellement en perspective, un cas d'échangeur de chaleur conforme au premier mode de réalisation de l'invention dans lequel le motif de référence d'une plaque supérieure est aligné avec celui de la plaque inférieure, l'axe de rotation de la plaque supérieure étant également aligné avec l'axe de rotation de la plaque inférieure, lafigure 4B permettant de visualiser en transparence partielle la plaque inférieure, - la
figure 5 représente une vue en négatif, semblable à celle de lafigure 3 , illustrant la configuration desfigures 4A et 4B , - la
figure 5A est une vue de l'assemblage de lafigure 5 suivant le plan C', - les
figures 6A et 6B représentent, partiellement en perspective, un cas d'échangeur de chaleur conforme au premier mode de réalisation de l'invention dans lequel le motif de référence d'une plaque supérieure est décalé à droite (rotation horaire d'un pas) du motif de référence de la plaque inférieure, l'axe de rotation de la plaque supérieure étant aligné avec l'axe de rotation de la plaque inférieure, lafigure 5B permettant de visualiser en transparence partielle la plaque inférieure, - la
figure 7 représente une vue en négatif, semblable à celle de lafigure 3 , illustrant la configuration desfigures 5A et 5B , - la
figure 7A est une vue de l'assemblage de lafigure 7 suivant le plan D, - la
figure 8 représente une vue en négatif, semblable à celle de lafigure 3 , dans le cas d'un échangeur de chaleur conforme au premier mode de réalisation de l'invention dans lequel on effectue un décalage des motifs de référence lors de l'empilement des plaques en effectuant trois rotations horaires d'un pas, puis trois rotations antihoraires d'un pas, le tout sur 21 plaques, les axes de rotation de l'ensemble des plaques étant tous colinéaires, - la
figure 8A est une vue de l'assemblage de lafigure 8 suivant le plan E, - la
figure 9 représente une vue isométrique d'un exemple de première plaque métallique hexagonale d'un échangeur de chaleur à plaques à deux circuits de fluide conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la
figure 9A est une vue partielle de dessus de lafigure 9 , - la
figure 9B est une vue rapprochée du centre de lafigure 9 , - la
figure 10 représente une vue isométrique d'une deuxième plaque intermédiaire de l'échangeur de chaleur à plaques conforme au deuxième mode de réalisation de l'invention, permettant de faire la liaison entre deux plaques du type de celle présentée sur lafigure 9 , - la
figure 10A est une vue partielle de dessus de lafigure 10 , - la
figure 11 représente une vue isométrique d'une troisième plaque de l'échangeur de chaleur à plaques conforme au deuxième mode de réalisation de l'invention, permettant de former une première plaque de fermeture, - la
figure 12 représente une vue isométrique d'une quatrième plaque de l'échangeur de chaleur à plaques conforme au deuxième mode de réalisation de l'invention, permettant de former une deuxième plaque de fermeture, - la
figure 13 représente, schématiquement en perspective, un exemple d'outillage d'alignement de l'échangeur de chaleur à plaques conforme au deuxième mode de réalisation de l'invention, constitué des plaques desfigures 9 ,10 ,11 ,et 12 - la
figure 14 représente une vue éclatée d'un échangeur de chaleur conforme au deuxième mode de réalisation de l'invention, ou un module élémentaire d'un échangeur de chaleur conforme au deuxième mode de réalisation de l'invention, constitué des plaques desfigures 9 ,10 ,11 ,et 12 - la
figure 14A représente l'empilement de lafigure 14 selon une vue assemblée, montrant l'orientation des plaques les unes par rapport aux autres, - la
figure 15 représente l'échangeur de chaleur conforme au deuxième mode de réalisation de l'invention, ou le module élémentaire d'un échangeur de chaleur conforme au deuxième mode de réalisation de l'invention, de lafigure 14 , après les étapes de fabrication et d'usinage finales, - la
figure 16 représente une vue en négatif des motifs d'alignement et rainures de lafigure 9 , - la
figure 17 représente la superposition de deux plaques de lafigure 9 , l'une étant inversée par rapport à l'autre, vues en négatif, et - la
figure 17A représente une vue en négatif de l'empilement de lafigure 17 avec la plaque de lafigure 10 .
- the
figure 1 is an isometric view of an exemplary circular metal plate of a two fluid circuit plate heat exchanger according to a first embodiment of the invention, - the
Figure 1A is a detail view according to A of the plate of thefigure 1 , - the
Figures 1B and1 C are detailed views according to B 'of the plate of thefigure 1 top view, differently referenced, - the
figure 2 represents, schematically in perspective, an example of alignment tooling of the plate heat exchanger according to the first embodiment of the invention, consisting of a plurality of plates according to thefigure 1 , - the
figure 3 represents a negative view of the alignment patterns of the plate of thefigure 1 , as well as a row of grooves of the first fluid and a row of grooves of the second fluid, - the
Figures 4A and 4B show, partially in perspective, a case of heat exchanger according to the first embodiment of the invention in which the reference pattern of an upper plate is aligned with that of the lower plate, the axis of rotation of the upper plate is also aligned with the axis of rotation of the lower plate, theFigure 4B allowing to visualize in partial transparency the lower plate, - the
figure 5 represents a negative view, similar to that of thefigure 3 , illustrating the configuration ofFigures 4A and 4B , - the
Figure 5A is a view of the assembly of thefigure 5 according to plan C ', - the
Figures 6A and 6B represent, partially in perspective, a case of heat exchanger according to the first embodiment of the invention in which the reference pattern of an upper plate is shifted to the right (clockwise rotation of a step) of the reference pattern the bottom plate, the axis of rotation of the plate being aligned with the axis of rotation of the lower plate, theFigure 5B allowing to visualize in partial transparency the lower plate, - the
figure 7 represents a negative view, similar to that of thefigure 3 , illustrating the configuration ofFigures 5A and 5B , - the
Figure 7A is a view of the assembly of thefigure 7 according to plan D, - the
figure 8 represents a negative view, similar to that of thefigure 3 , in the case of a heat exchanger according to the first embodiment of the invention in which the reference patterns are shifted during the stacking of the plates by making three hourly rotations of one step, then three rotations. anti-clockwise, all on 21 plates, the axes of rotation of all the plates being all collinear, - the
figure 8A is a view of the assembly of thefigure 8 according to plan E, - the
figure 9 is an isometric view of an example of a first hexagonal metal plate of a two fluid circuit plate heat exchanger according to a second embodiment of the invention, - the
Figure 9A is a partial view from above of thefigure 9 , - the
Figure 9B is a close-up view of the center of thefigure 9 , - the
figure 10 represents an isometric view of a second intermediate plate of the plate heat exchanger according to the second embodiment of the invention, making it possible to link two plates of the type shown on thefigure 9 , - the
figure 10A is a partial view from above of thefigure 10 , - the
figure 11 represents an isometric view of a third plate of the plate heat exchanger according to the second embodiment of the invention, for forming a first closure plate, - the
figure 12 is an isometric view of a fourth plate of the plate heat exchanger according to the second embodiment of the invention, for forming a second closure plate, - the
figure 13 represents, schematically in perspective, an exemplary alignment tooling of the plate heat exchanger according to the second embodiment of the invention, consisting of the plates offigures 9 ,10 ,11 and 12 , - the
figure 14 represents an exploded view of a heat exchanger according to the second embodiment of the invention, or an elementary module of a heat exchanger according to the second embodiment of the invention, consisting of the plates of thefigures 9 ,10 ,11 and 12 , - the
figure 14A represents the stacking of thefigure 14 according to an assembled view, showing the orientation of the plates relative to each other, - the
figure 15 represents the heat exchanger according to the second embodiment of the invention, or the elementary module of a heat exchanger according to the second embodiment of the invention, thefigure 14 , after the final manufacturing and machining steps, - the
figure 16 represents a negative view of the alignment patterns and grooves of thefigure 9 , - the
figure 17 represents the superposition of two plates of thefigure 9 , one being inverted with respect to the other, seen in negative, and - the
Figure 17A represents a negative view of the stack of thefigure 17 with the plate of thefigure 10 .
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.In all of these figures, identical references may designate identical or similar elements.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.In addition, the different parts shown in the figures are not necessarily in a uniform scale, to make the figures more readable.
En référence aux
Dans ce premier mode de réalisation de l'invention, le procédé de fabrication de l'échangeur de chaleur 50 met en oeuvre un assemblage d'une pluralité de plaques 10, telle que celle représentée sur la
Dans cet exemple, l'échangeur de chaleur 50 comporte une pluralité de plaques 10 toutes identiques et semblables à celle représentée sur la
Ainsi, la plaque 10, représentée sur la
La
Ainsi, chaque motif d'alignement 11 présente une forme de disque traversant la plaque 10 et présentant un diamètre d2.Thus, each
Afin de pouvoir repérer le motif de référence 11a par rapport aux autres motifs d'alignement 11 de la plaque 10, une encoche 13, formant un élément de repérage 13, a été réalisée à la périphérie de la plaque 10 au niveau du motif de référence 11a.In order to be able to locate the
Par ailleurs, les
La
Ainsi, la séparation entre le premier anneau de rainures 121 du fluide C1 et le premier anneau de rainures 122 du fluide C2 est égale à r'1 - r'4. Alors, les rainures suivantes 121 et 122 des fluides C1 et C2 sont disposées en anneaux concentriques successifs.Thus, the separation between the first ring of
Il est ainsi à noter que, dans ce premier exemple de réalisation de l'invention, les rainures 12, comprenant les rainures 121 et 122, sont des morceaux d'anneau présentant deux bords opposés en arc de cercle dont le centre est le centre O de la plaque 10, les deux autres bords opposés étant droits et alignés suivant un rayon de la plaque 10. Les motifs d'alignement 11 sont quant à eux situés sur un cercle de centre O et de rayon R3, comme représenté sur la
En outre, la
Ainsi, en partant du centre O de la plaque 10, les rainures 121 du fluide C1 se répètent avec un angle θ1 et les rainures 122 du fluide C2 se répètent avec un angle θ2 + θ2'. Pour ce qui est des motifs d'alignement 11, ils se répètent avec un angle θ3.Thus, starting from the center O of the
La
Ainsi, afin de permettre l'alignement des plaques 10 entre elles, une pluralité d'outillages d'alignement 20 est utilisée, chacun étant sous la forme d'une tige cylindrique 20 de diamètre nominal d2 égal à celui des motifs d'alignement 11 et de longueur L1, comme visible sur la
A titre d'exemples non limitatifs, chaque plaque 10 peut être en métal, notamment en acier inoxydable, par exemple du type X2CrNiMo17-12-02 1.4404 selon la norme européenne EN 10027, avec une épaisseur e1 de l'ordre de 0,5 mm pour un diamètre d1 de l'ordre de 100 mm.By way of nonlimiting examples, each
Les motifs d'alignement 11 et/ou les rainures 12 peuvent être réalisés par découpe Laser et, sauf indication contraire, les tolérances sur les dimensions finales peuvent être de l'ordre de ± 0,05 mm. De plus, les motifs d'alignement 11, ici au nombre de 130, peuvent présenter un diamètre d2 de l'ordre de 2 mm, étant répartis sur un cercle de diamètre égal à environ 96 mm, l'angle θ3 étant égal à (360/130)°.The
Par ailleurs, pour le premier anneau de rainures 122 du fluide C2, les distances r'3 et r'4 peuvent respectivement être égales à environ 5 mm et 8 mm, soit une épaisseur d'environ 3 mm. Les cinq anneaux de rainures 122 du fluide C2 ont avantageusement tous une épaisseur d'environ 3 mm.Furthermore, for the first ring of
En outre, pour le premier anneau de rainures 121 du fluide C1, les distances r'1 et r'2 peuvent respectivement être égales à environ 9 mm et 13 mm, soit une épaisseur d'environ 4 mm. Les quatre anneaux de rainures 121 du fluide C1 ont avantageusement tous une épaisseur d'environ 4 mm.In addition, for the first ring of
De plus, la séparation entre un anneau de rainures 121 du fluide C1 et un anneau de rainures 122 du fluide C2 est préférentiellement identique pour toute la plaque 10, soit r'1 - r'4 = 1 mm. Les valeurs des angles de répétition peuvent alors être telles que ½*θ1= θ2 = θ2' = 6°.In addition, the separation between a ring of
Afin de mieux visualiser les empilements, ces derniers seront par la suite représentés avec des schémas des plaques 10 vues en « négatif », c'est-à-dire que les rainures 12 et les motifs d'alignement 11 apparaissent en épaisseur alors que le reste est vide.In order to better visualize the stacks, the latter will then be represented with diagrams of the
Ainsi, à titre d'illustration, la
Il va alors être présenté ci-après, en référence aux
On considère que chaque échangeur de chaleur 50 obtenu est formé par l'assemblage de 21 plaques 10 identiques superposées entre elles, avec les caractéristiques géométriques décrites précédemment. Ainsi, la longueur totale L de ces échangeurs de chaleur 50 après fabrication est d'environ 10, 5 mm.It is considered that each
Dans le premier sous-exemple décrit en référence aux
Alors, une fois l'empilement terminé, les canaux 11a' formés par les motifs de référence 11a sont tous alignés, comme l'illustre la
Dans le deuxième sous-exemple décrit maintenant en référence aux
Alors, une fois l'empilement terminé, les canaux 121' et 122' formés par les rainures 121 du fluide C1 et 122 du fluide C2 forment des marches d'escalier dans un même sens de rotation, comme illustré sur la
Dans le troisième sous-exemple décrit à présent en référence aux
Il est à noter que les trois sous-exemples décrits précédemment ne sont présentés qu'à titre d'illustration et de manière non limitative pour l'invention. Les combinaisons d'empilement des plaques 10 pour obtenir des échangeurs de chaleur 50, ainsi que le nombre de ces plaques 10, permettent de réaliser un très grand nombre d'assemblages différents. En particulier, on constate que les caractéristiques des canaux que l'on peut obtenir avec un seul type de plaque 10 sont très variées. Dans les trois sous-exemples décrits, les longueurs de canal sont différentes de même que les sections de passage. On peut apporter aux canaux une complexité géométrique apte à améliorer l'efficacité des échanges thermiques en apportant de la turbulence. Cette complexité géométrique peut présenter aussi un intérêt pour le mélange dans le cas des réacteurs-échangeurs décrits auparavant.It should be noted that the three subexamples described above are presented for illustrative and non-limiting purposes of the invention. The stacking combinations of the
En référence maintenant aux
Dans ce deuxième mode de réalisation de l'invention, le procédé de fabrication de l'échangeur de chaleur 50 met en oeuvre un assemblage d'une pluralité de plaques 10a, 10a', 10b, 10c, 10d par soudage par diffusion obtenu par la technique de Compression Uniaxiale à Chaud (CUC).In this second embodiment of the invention, the method of manufacturing the
Dans ce deuxième exemple, contrairement au premier exemple décrit auparavant, l'échangeur de chaleur 50 comporte des plaques 10a, 10a', 10b, 10c et 10d possédant des motifs différents. Plus précisément, l'échangeur de chaleur 50 comporte quatre types de plaques.In this second example, unlike the first example described previously, the
La
Ainsi, la plaque 10a, représentée sur la
La
De plus, les rainures 121 et 122 présentent une forme identique, à savoir une forme de lumière droite traversante avec des extrémités circulaires d'un diamètre égal à la largeur du canal.In addition, the
En prenant comme référence le triangle de matière entre le centre O de la plaque 10a et deux sommets B et C consécutifs de la plaque 10a, à savoir le triangle équilatéral OBC représenté sur la
Ces rainures 121 et 122 sont ensuite reproduites par symétrie centrale six fois d'un angle de 60° par rapport à l'axe centrale X de la plaque 10a. Pour la dernière symétrie, les extrémités des rainures 121 et 122 ne se terminent pas suivant la droite OH', comme représenté sur la
Par ailleurs, comme on peut le voir sur la
En référence maintenant aux
Le second modèle de plaque 10b est de même dimension que le premier modèle de plaque 10a, à savoir avec une forme hexagonale à côtés égaux de largeur L2. De même, la plaque 10b comporte six motifs d'alignement 11 situés aux coins de l'hexagone, le motif de référence 11a étant repéré par un détrompeur 13 semblable à celui de la plaque 10a, la plaque 10b présentant ici une épaisseur e3.The
La
Par ailleurs, sur l'un des côtés de l'hexagone, les rainures circulaires sont remplacées par des rainures sous la forme de trous oblongs 123 pour le fluide C1 et 124 pour le fluide C2, respectivement de largeur d6 et d7, centrés suivant la droite OH'. La distance suivant la droite OH' entre deux trous oblongs 123 consécutifs ou 124 consécutifs est de d2' + d3', et la largeur de ces trous 123 et 124 suivant la normale à la droite OH' est de 2 x d5.Moreover, on one of the sides of the hexagon, the circular grooves are replaced by grooves in the form of
On va maintenant décrire en référence aux
Ces deux plaques 10c et 10d présentent les mêmes dimensions que les plaques 10a et 10b précédentes, à savoir une forme d'hexagone à côtés égaux de largeur L2. Les motifs d'alignement 11, incluant le motif de référence 11a, et le détrompeur 13 sont identiques à ceux décrits précédemment pour les plaques 10a et 10b.These two
Les épaisseurs respectives des plaques 10c et 10d sont e4 et e5. De plus, les plaques 10c et 10d comportent également un motif central M hexagonal de largeur L3.The respective thicknesses of the
La plaque 10c comporte une rainure 12, sous la forme d'une rainure circulaire 12a, avec un diamètre d7, qui va se superposer à la dernière rainure 122 de la plaque 10a.The
La plaque 10d comporte quant à elle une rainure 12, sous la forme d'une rainure circulaire 12b, de diamètre d6, qui va se superposer à la première rainure 122 de la plaque 10a.The
Par ailleurs, la
A titre d'exemples non limitatifs, chaque plaque 10a, 10b, 10c et 10d peut être en métal, notamment en acier inoxydable, par exemple du type X2CrNiMo17-12-02 1.4404 selon la norme européenne EN 10027, avec une épaisseur e2 = e3 = e4 = e5 de l'ordre de 0,5 mm pour une largeur L2 de l'ordre de 84 mm.By way of nonlimiting examples, each
Les motifs d'alignement 11 et/ou les rainures 12 peuvent être réalisés par découpe Laser et, sauf indication contraire, les tolérances sur les dimensions finales peuvent être de l'ordre de ± 0,05 mm. De plus, les motifs d'alignement 11, ici au nombre de 6, peuvent présenter un diamètre d2 de l'ordre de 2 mm, étant situés à une distance d3 de l'ordre de 2 mm du bord des plaques.The
Par ailleurs, les rainures 121 et 122 peuvent être de largeur respective d6 de l'ordre de 1 mm et d7 de l'ordre de 1,6 mm. Les dimensions restantes peuvent être les suivantes : d1' = 2,7 mm ; d2' = d3' = 2,3 mm ; d5 = 2,6 mm ; et L3 = 3,4 mm.Furthermore, the
La
Plus précisément, l'empilement représenté sur la
Les motifs de référence 11a sont donc superposés pour toutes les plaques, hormis la seconde plaque 10a' pour laquelle le détrompeur 13 est alors situé sur un autre sommet de l'empilement hexagonal.The
Le montage est réalisé de sorte que les droites OH' décrites précédemment soient toutes parallèles entre elles. Deux outils d'alignement 20 sont nécessaires afin de conserver l'alignement des plaques entre elles durant la suite de la fabrication.The assembly is performed so that straight lines OH 'described above are all parallel to each other. Two
On va maintenant décrire la suite de la fabrication de l'échangeur de chaleur 50 à partir de l'empilement de la
L'étanchéité des plaques les unes par rapport aux autres de l'échangeur de chaleur 50 est réalisée par soudage par diffusion assisté par Compression Uniaxiale à Chaud (CUC).The sealing of the plates relative to each other of the
Pour cela, il faut disposer d'une presse permettant de travailler à haute température sous vide ou sous gaz neutre.For this, it is necessary to have a press to work at high temperature under vacuum or under neutral gas.
Un exemple de procédure de soudage par diffusion assisté par CUC pour les exemples présentés ci-dessus en acier inoxydable 316L est décrit ci-dessous :
- une fois l'empilement des plaques réalisé et correctement alignées les unes par rapport aux autres, l'assemblage est placé entre les deux plateaux de la presse,
- un pompage permet de réaliser un taux de vide suffisant au niveau de l'empilement, soit environ une pression de 10-3 mbar minimum ; il est possible également de travailler sous gaz neutre (du type argon, azote) : pour cela, il faut alterner des phases de dégazage et de remplissage afin d'obtenir une atmosphère la plus propre possible,
- l'empilement subit ensuite le cycle de Compression Uniaxiale à Chaud (CUC) qui comprend un chauffage en 3 heures à une température de 1020°C avec une augmentation de charge jusqu'à 10 MPa, un palier de 3 heures à une température de 1020°C sous 10 MPa, puis un refroidissement en plusieurs heures, et enfin un déchargement.
- once the stack of plates is made and correctly aligned with each other, the assembly is placed between the two plates of the press,
- pumping makes it possible to achieve a sufficient vacuum level at the level of the stack, ie a pressure of at least 10 -3 mbar; it is also possible to work under neutral gas (argon, nitrogen type): for this, it is necessary to alternate degassing and filling phases in order to obtain the cleanest possible atmosphere,
- the stack then undergoes the Uniaxial Hot Compression (CUC) cycle which comprises heating in 3 hours at a temperature of 1020 ° C with a charge increase of up to 10 MPa, a plateau of 3 hours at a temperature of 1020 ° C under 10 MPa, then cooling in several hours, and finally unloading.
Bien entendu, cette procédure n'est donnée qu'à titre d'exemple dans des cas précis. Elle n'est aucunement limitative quant aux possibilités de réalisation utilisant cette technique d'assemblage.Of course, this procedure is given only as an example in specific cases. It is in no way limiting as to the possibilities of realization using this assembly technique.
Comme visible sur la
En référence aux
La
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.Of course, the invention is not limited to the embodiments which have just been described. Various modifications may be made by the skilled person.
En particulier, l'invention peut être appliquée pour la réalisation d'un échangeur de chaleur à plaques à géométrie de canaux évolutive. En particulier, il est possible de faire évoluer la géométrie des canaux de circulation des fluides tout au long de l'échangeur de chaleur. En effet, il est possible de modifier l'angle de répétition θ3, ou pas de décalage, des motifs d'alignement 11 sur toute la longueur de l'échangeur de chaleur 50, tant que les rainures 12 d'une plaque sont légèrement en regard de celles des plaques adjacentes pour former un canal. Ceci présente l'avantage dans certains cas d'intensifier les échanges dans certaines zones critiques alors que d'autres ne le nécessitent pas.In particular, the invention can be applied for the realization of an evolutionary channel geometry plate heat exchanger. In particular, it is possible to change the geometry of the fluid circulation channels throughout of the heat exchanger. Indeed, it is possible to modify the repetition angle θ3, or no offset,
Par ailleurs, la compacité et l'intégrité de l'échangeur de chaleur après fabrication peuvent également être optimisées en intégrant les collecteurs de fluide C1 et C2 circulant dans les canaux formés à partir des rainures 121 et 122 respectivement directement pendant les phases de montage de l'échangeur de chaleur.Moreover, the compactness and the integrity of the heat exchanger after manufacture can also be optimized by integrating the fluid collectors C1 and C2 flowing in the channels formed from the
Par ailleurs, les motifs creusés représentés dans les exemples décrits ci-dessus correspondent à des creux traversants formés notamment par enlèvement de matière. En variante, les motifs creusés peuvent aussi correspondre, en totalité ou partiellement, à des creux formés sans enlèvement de matière, par exemple par emboutissage. Au moins un canal continu peut alors être formé par superposition d'au moins deux plaques comportant de tels motifs creusés emboutis, l'une des plaques étant retournée par rapport à l'autre et le cas échéant décalée d'un angle prédéterminé par rapport à l'autre pour mettre les motifs creusés emboutis en superposition au moins partielle.Moreover, the hollow patterns represented in the examples described above correspond to through-holes formed in particular by removal of material. As a variant, the hollow patterns may also correspond, in whole or in part, to shaped depressions without removal of material, for example by stamping. At least one continuous channel can then be formed by superposition of at least two plates comprising such stamped hollow patterns, one of the plates being returned relative to the other and optionally offset by a predetermined angle with respect to the other to put the stamped hollowed patterns at least partially.
Claims (15)
et en ce qu'il comporte l'étape suivante :
and in that it comprises the following step:
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