EP3447432A1 - Plaque d'échange thermique à microcanaux comportant un élément d'assemblage en bordure de plaque - Google Patents

Plaque d'échange thermique à microcanaux comportant un élément d'assemblage en bordure de plaque Download PDF

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EP3447432A1
EP3447432A1 EP18189631.7A EP18189631A EP3447432A1 EP 3447432 A1 EP3447432 A1 EP 3447432A1 EP 18189631 A EP18189631 A EP 18189631A EP 3447432 A1 EP3447432 A1 EP 3447432A1
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EP
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heat exchange
exchange plate
strip
strips
edge
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Jean-Antoine Gruss
Franck Pra
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to the general field of heat exchangers or heat exchangers, in particular heat exchangers with polymer plates.
  • the invention finds applications in various fields of industry, and in particular for technologies developing a large heat exchange area per unit volume while maintaining reasonable hydraulic head losses.
  • the invention can be applied to produce a radiator-type gas / liquid exchanger, a liquid / liquid exchanger, in particular with corrosive fluids, an evaporator or a condenser, an exchanger arranged on the wall of a building, an exchanger radiator type natural convection, an onboard liquid / gas exchanger for aeronautics and aerospace, among others.
  • the invention proposes a microchannel heat exchange plate having at its edge an assembly element to another plate, a heat exchange device comprising at least one such plate, and an associated manufacturing method of such a heat exchange plate.
  • the heat exchangers or heat exchangers with microchannels comprise an envelope provided with a plurality of microchannels in which a fluid circulates.
  • the fluid may be in liquid and gaseous form changing phase, or the fluid is in liquid form or in gaseous form.
  • the outer surface of the envelope exchanges heat with the external environment by convection. For example, an air flow can evacuate or provide heat.
  • the outer surface of the envelope may be provided with fins to increase the exchange surface with the external environment.
  • This type of heat exchanger is for example used in evaporators or condensers of thermal machines with mechanical compression of refrigerant.
  • the US patent application US 2011/0139420 A1 discloses an example of a microchannel heat exchanger for use in an air conditioning device.
  • the heat exchanger comprises flat tubes arranged parallel to each other, each tube having a plurality of microchannels.
  • the microchannels are connected in parallel to a common power supply and to a common evacuation.
  • the tubes are for example made of aluminum by extrusion.
  • the tubes are twisted. Air circulates between the tubes. Fines are provided between the tubes to promote heat exchange with the air flowing between the tubes. Air circulates between the tubes and the fins.
  • the presence of the fins causes clogging of the passages between the tubes and the fins, and the appearance of a pressure drop within the device and therefore a drop in efficiency of the heat exchange device.
  • this device has many parts to manage and assemble.
  • the thermal connections between the tubes and the fins are difficult to achieve in order to obtain a good thermal connection between the tubes and the fins. The manufacturing cost of this device is therefore high.
  • Each plate comprises strips between two edges of the plate in a first direction and arranged side by side in a second direction.
  • Each strip comprises at least one fluid circulation channel extending from one edge to the other of the plate, and has a corrugation comprising peaks and valleys, making it possible to delimit traffic paths of another fluid.
  • This embodiment can however be complex to achieve and may not be optimal in terms of thermo-hydraulic performance.
  • the object of the invention is to at least partially remedy the needs mentioned above and the drawbacks relating to the embodiments of the prior art.
  • the invention thus has, according to one of its aspects, a heat exchange plate for a heat exchange device between a first fluid and a second fluid, the heat exchange plate extending in a plane, the heat exchange plate comprising at least two strips extending between a first edge of the heat exchange plate and a second edge of the heat exchange plate, opposite the first edge, in a first direction, the strips being arranged next to each other in a second direction, perpendicular to the first direction, each of the strips having at least one channel, in particular a plurality of channels, extending from the first edge to the second edge and opening into the first edge and the second edge, said at least one channel being intended for the circulation of a first fluid, said strips each having a corrugation comprising peaks and troughs, two directly adjacent bands or ad being arranged relative to one another so that a vertex of a strip and an apex of the directly adjacent strip are shifted in the first direction and so that, in the second direction, the vertex of a strip and the hollow of the directly adjacent
  • the heat exchange plate does not require the use of fins, the manufacture can be substantially simplified.
  • the problems of fouling are reduced, which allows to maintain a certain level of efficiency.
  • the corrugations of the strips create a tortuosity favorable to thermal exchanges between the first fluid circulating in the microchannels and the plate.
  • they generate a large heat exchange surface between the plate and the second fluid.
  • the heat exchange plate comprises microchannels for a first fluid, the plate being shaped so as to define virtual channels for circulation of a second fluid in a direction normal to that of the channels.
  • the presence of flow or flow paths extending in the second direction normal to the first direction in which the microchannels extend provides a large flow of air with a low pressure drop while ensuring the existence of obstacles between the virtual channels, these obstacles making it possible to break the boundary layers on the structure, causing the appearance of turbulence beneficial to the development of convective heat exchange coefficient on the surface of the plate.
  • the thermal plate according to the invention may further comprise one or more of the following characteristics taken separately or in any possible technical combinations.
  • each strip has a honeycomb structure, having two substantially parallel walls forming the upper and lower faces of the strip, extending in the first direction, and a plurality of internal partitions, substantially parallel to each other and perpendicular to the two walls, connecting the walls together, so as to define a plurality of microchannels, each channel forming a cell corresponding to the space between two successive partitions and the two walls.
  • each strip may comprise a first flat portion forming at least partly the first edge of the heat exchange plate and a second flat portion forming at least partly the second edge of the heat exchange plate, each of the first and second edges of the heat exchange plate comprising at least one connecting element, in particular a single connecting element extending over the entire edge, respectively secured to the first and second planar portions of each strip.
  • the axial dimension in the first direction of said at least one connecting element is substantially equal to the axial dimension along said first direction of the flat portion to which it is secured.
  • Said at least one connecting element may advantageously form an intermediate joining element intended to be positioned between two heat exchange plates of the heat exchange device, said at least one connecting element having an upper face extending according to the plan, intended to be secured to a first heat exchange plate, in particular by welding, and a lower face extending in the plane, intended to be secured to a second heat exchange plate, in particular by welding, intended to be in contact with the first heat exchange plate.
  • said at least one connecting element may comprise, on at least one of its two lateral faces extending perpendicular to the plane, at least one rib extending perpendicularly to the lateral face and over the entire length of the the lateral face in the second direction, in particular at least one rib formed at the intersection between the lateral face and the upper face, extending in the plane, and / or between the lateral face and the lower face, extending according to the plane of said at least one connecting element, respectively in the extension along the second direction of the upper face and / or the lower face of said at least one connecting element.
  • each strip may comprise, at each of its ends located respectively at the level of the first edge and the second edge of the heat exchange plate, an assembly element in the form of a box. hollow end inside which open the channel or channels for the circulation of the first fluid, said hollow end box being formed in particular by overmoulding at the corresponding end of the strip.
  • Each hollow end box may have open side faces, extending perpendicularly to the plane, and closed top and bottom faces, extending in the plane, to allow flow of the first fluid in the second direction.
  • each hollow end box may have closed side faces, extending perpendicular to the plane, and open top and bottom faces, extending in the plane, to allow flow of the first fluid in a third vertical direction. , the first, second and third directions forming a direct trihedron.
  • each hollow end box may comprise, on a first face, a male connecting rib and, on a second face opposite to the first face, a female assembly groove, the assembly of a male connector rib of a first hollow end box with a female connector groove of a second hollow end box for assembling the first and second end boxes, and thus the assembly a plurality of strips therebetween to form one or more heat exchange plates.
  • each strip is preferably made of a polymer material and manufactured by extrusion and shaping.
  • extrusion strip is advantageously done by means of an extruder whose die is equipped with a calibration die, this calibration die particularly making it possible to impart to the extruded material a honeycomb structure.
  • All the strips may have the same corrugation, the corrugations of two adjacent strips being out of phase, the phase shift being such that a hollow of one strip is aligned with a vertex of the adjacent strip in the second direction.
  • the general profile of the undulation of the bands may be a sinusoidal curve.
  • the general profile of the undulation of the bands may be in an arc of a circle, comprising a juxtaposition of elementary curves in the form of "S", each formed by the union of two semi-circles reversed with respect to each other. to the other.
  • the strips may have a thickness of between 0.5 and 3 mm.
  • a wall, formed by the upper face, the lower face or a partition of a strip, may have a thickness between 0.2 and 1 mm, preferably equal to about 0.3 mm.
  • the height of the channel or channels may be between 0.5 and 3 mm, being preferably equal to about 1 mm.
  • the width of the channel or channels may be between 0.5 and 3 mm, being preferably equal to about 1 mm.
  • Each band may comprise between 4 and 50 channels, and preferably about 10 channels.
  • the pitch of the undulation of the bands may be between 10 and 30 mm, preferably being about 20 mm.
  • each band may have between 4 to 50 corrugations, and in particular about 6 corrugations.
  • the corrugation angle defined as the angle formed by the tangent to the curvature of a vertex of the strip relative to the plane of extension of the strip, may be between 10 and 80 °, being for example equal to at about 30 °.
  • the peaks of the strips are located on one side of the plane of the heat exchange plate and the recesses are located on the other side of the plane of the heat exchange plate.
  • the subject of the invention is also a heat exchange device or heat exchanger, characterized in that it comprises at least one heat exchange plate as defined above.
  • the heat exchange device according to the invention comprising at least one heat exchange plate has a very high heat exchange compactness in terms of square meter of primary exchange surface reduced to the volume of the structure.
  • the heat exchange device comprises a plurality of plates stacked one on the other in the third vertical direction defined above. New virtual channels are then defined between the bands of the plates that intersect.
  • the section of the circulation or flow paths can be varied easily, changing the pressure drop across the stack and the size of the stack.
  • the heat exchange plates of the heat exchange device may be identical. They can be oriented relative to each other so that each vertex of a heat exchange plate bears against a hollow of another heat exchange plate.
  • the heat exchange plates may, if necessary, be secured to each other by welding or glue points at a hollow and an apex, two vertices or two recesses.
  • Said at least one connecting element may for example form an intermediate assembly element positioned between two heat exchange plates of the heat exchange device, the heat exchange plates and said at least one intermediate assembly element being joined together by welding.
  • said one connecting member may form a hollow end box into which the opening or channels for the circulation of the first fluid, formed by overmolding at the ends of each strip, open.
  • the heat exchange plate, the heat exchange device and the manufacturing method 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.
  • each strip is obtained from a polymeric material and manufactured by extrusion and heat-formed to form the corrugation.
  • each heat exchange plate 2 allows the heat exchange between a first fluid and a second fluid, for example air.
  • the heat exchange plate 2 extends in a plane P and comprises at least two strips B1 and B2 extending between a first edge 4 and a second edge 6 of the heat exchange plate 2, opposite the first edge 4 in a first direction X.
  • the strips B1, B2 are arranged next to each other in a second direction Y, perpendicular to the first direction X, each of the strips B1, B2 having channels 5 extending from the first edge 4 to the second edge 6 and opening into the first edge 4 and the second edge 6, for the circulation of the first fluid.
  • the strips B1, B2 each have a corrugation comprising vertices 9 and recesses 7, two directly adjacent strips B1, B2 being relatively relative to one another so that a vertex 9 of a band B1 and a vertex 9 of the directly adjacent band B2 are offset in the first direction X and so that, in the second direction Y, the vertex 9 of a band B1 and the hollow 7 of the band B2 directly adjacent define circulation paths C1, C2 of the second fluid, as visible on the figures 4 and 8 .
  • each heat exchange plate 2 comprises at least one assembly element 11 or 12 on each of its first 4 and second 6 edges, secured to the strips B1, B2 allowing the assembly of the heat exchange plate 2 with one or more other heat exchange plates 2 within the heat exchange device 10.
  • assembly element 11, 12 Two possible embodiments of an assembly element 11, 12 are thus described below.
  • the production of a strip B by extrusion is done by means of an extruder whose die is equipped with a calibration die for imparting to the extruded material a honeycomb structure, as shown in FIGS. Figures 1 and 2 .
  • the band B has two substantially parallel walls forming the upper faces Bs and lower Bi of the band B, extending in the first direction X, and a plurality of internal partitions 23, substantially parallel to each other and perpendicular to the two walls Bs and Bi, connecting the walls together, so as to define a plurality of microchannels 5, each of them forming a cell corresponding to the space between two successive partitions 23 and the two walls Bs and Bi.
  • each band B thus has a plurality of parallel microchannels 5 distributed along the second direction Y, perpendicular to the first direction X.
  • each microchannel 5 may have a hydraulic diameter of between 0.5 mm and 10 mm.
  • each band B may comprise from 4 to 50 microchannels, and preferably of the order of 10 microchannels.
  • Each strip B may have a wall thickness of between 0.2 and 1 mm, for example equal to approximately 0.3 mm.
  • each strip B is shaped (embossed) by hot deformation in order to form a corrugation between the longitudinal ends of each strip B.
  • this wave is periodic.
  • the corrugation is advantageously the same for all the strips B.
  • the corrugations of two adjacent strips are out of phase at the heat exchange plate 2, so that a recess 7 of a strip is aligned with a vertex 9 of the adjacent band in the second direction Y.
  • circulation paths C1, C2 of maximum section are delimited.
  • the ripple can correspond to a sinusoidal curve.
  • the undulation is in an arc of circle, comprising a juxtaposition of elementary curves in the form of "S", each formed by the meeting of two semi-circles inverted with respect to each other.
  • the pitch p o of the corrugation corresponding to the distance between two successive vertices 9, may for example be between 10 and 30 mm, preferably being of the order of 20 mm.
  • each band B may comprise between 4 and 50, preferably 6, undulations.
  • the angle of the corrugation a which represents the inclination of an undulation with respect to the horizontal formed by the first direction X, is for example between 10 and 80 °, being preferably of the order of 30.
  • each strip B can be achieved by a die exit operation, while the profile is still plastic on an extruded strip of appropriate width.
  • this corrugation operation can be performed on a strip cut from an extruded plate of large width. This band is then heated by hot air, infrared, etc ...., or any other means known to those skilled in the art, to achieve a plastic state, then be deformed by calendering on a form tool.
  • each strip B obtained comprises a first flat portion 13 forming at least partly the first edge 4 of the heat exchange plate 2 to be formed and a second flat portion 14 forming at least partly the second edge 6 of the plate heat exchange 2 to form.
  • connecting elements 11 form intermediate assembly elements 11 which, as visible on the figure 4 representing the heat exchange device 10 obtained according to this first example of implementation of the invention, are positioned between two heat exchange plates 2 vertically adjacent, extending over the entire edge of the plates.
  • Each intermediate assembly element 11 has an upper face 11s extending along the plane P as defined subsequently in connection with the figure 8 , intended to be secured by welding to a first heat exchange plate 2, and a lower face 11i extending in the plane P, intended to be secured by welding to a second heat exchange plate 2, the first and second plates being in contact with each other.
  • several strips B may be welded together along weld lines Ls to increase the number of microchannels 5 in the second direction Y, while preferentially the intermediate elements 11 are in only one part along the second direction Y, the same intermediate element 11 being thus disposed on at least two bands B welded together.
  • the weld makes it possible to seal between the corrugated strips B and the intermediate elements 11. It is carried out while the intermediate elements 11 and the strips B are located in a positioning tool.
  • the welding may notably consist of the fusion of the adjacent walls, whether the outer walls of the strips or the ribs 15 of the intermediate elements 11. This welding is carried out by hot air, by radiant panels in the infrared, by laser or by any another technique known to those skilled in the art to perform this type of welding.
  • the assembly can be welded in a single operation, or by moving a welding source at a predetermined speed in front of the parts to be welded. It is also possible to have a fixed welding device and to move the assembly comprising the parts to be welded.
  • each intermediate element 11 comprises, on its two lateral faces 11l, two ribs 15 extending perpendicularly to the corresponding lateral face 11l and along the entire length of the lateral face 11l along the second direction Y. Also, each intermediate element 11 comprises four ribs 15 formed at the intersections between the lateral faces 11l and the upper faces 11s and lower 11i in the extension along the second direction Y of the upper faces 11s and lower 11i.
  • intermediate elements 11 may advantageously be made of a polymeric material.
  • the ribs 15, or else designated as being “teeth”, can be formed on one or both sides, as here, of the intermediate element 11. They can be made either directly by extrusion, or alternatively by machining .
  • these ribs 15 facilitate the welding of the intermediate elements 11 with the bands B.
  • the height h z of a rib 15, or its dimension in the third direction Z may be of the order of 0.30 mm.
  • the width l x of a rib 15, or its dimension in the first direction X may be of the order of 0.5 mm.
  • the height h i of the intermediate element 11 between two ribs 15 located on the same side face 11l respectively in the extension of the upper face 11s and the lower face 11i, corresponding to the dimension along the third direction Z between these two ribs 15, may be of the order of 3.20 mm.
  • the width l i of an intermediate element 11 comprising two opposite ribs 15 on the lateral faces 11 1, corresponding to the dimension along the first direction X of the intermediate element 11 comprising two ribs 15, may be of the order of 11 mm.
  • a plurality of strips B is made by extrusion of a polymeric material, and these strips B are then corrugated by heat deformation.
  • each strip B has, at each of its ends located respectively at the first edge 4 and the second edge 6 of the heat exchange plate 2, an assembly element 12 in the form of a hollow end box 12, formed by overmolding and inside which open the channels 5 for the circulation of the first fluid.
  • the end boxes 12 allow the assembly of the heat exchange plates 2 for the heat exchange device 10 in the manner of a set of Lego®, by embedding the end boxes 12 on each other, and in a sealed manner.
  • each hollow end box 12 may have open side faces 18, extending perpendicularly to the plane P, and upper and lower faces 19 closed, extending along the plane P, to allow a flow of the first fluid according to the second direction Y.
  • each hollow end box 12 may have closed side faces 18, extending perpendicularly to the plane P, and upper and lower faces 19 open, extending along the plane P, to allow a flow of the first fluid according to a third vertical direction Z, the first X, second Y and third Z directions forming a direct trihedron.
  • liquid inlet / outlet boxes of the complete heat exchanger can be positioned and secured in a sealed manner.
  • the first liquid flows in the flow axis of the second liquid.
  • the first liquid flows perpendicularly to the flow axis of the second liquid.
  • each hollow end box 12 comprises, on a first face, a male connecting rib 20 and, on a second face opposite to the first face, a female assembly groove 21, the assembly a male connector rib 20 of a first hollow end box 12 with a female connector groove 21 of a second hollow end box 12 for assembling the first and second end boxes 12 , and thus the assembly of a plurality of strips B between them to form heat exchange plates 2.
  • the figure 8 represents the heat exchange device 10 obtained with hollow end boxes 12 according to the principle of the figure 6 or with boxes or collectors 12 overmolded in the flow axis of the second liquid. Of the same In this way, the assembly could be assembled in a configuration with collectors 12 perpendicular to the flow axis of the second liquid.
  • the sealed assembly can be made by gluing with a glue adapted to the polymer used for the end boxes 12.
  • the fluid flowing in the plates 2 is for example a liquid, a gas or a liquid / gas mixture.
  • the fluid flowing in the second direction Y is for example a gas or a mixture of gases, such as air or a liquid.
  • a first fluid is circulated in the microchannels 5 via supply and discharge manifolds, the supply manifold being connected to a source of first fluid and the exhaust manifold being connected for example to a storage area. of this first fluid.
  • a pump is for example implemented to ensure the circulation of the first fluid.
  • the exhaust manifold can be connected to the supply manifold to circulate the first fluid in closed circuit in the plates 2.
  • the second fluid for example air
  • the first fluid exchanges by convection with the material of the strips B and the bands B exchange by convection with the air.
  • the heat exchanges are favored between the first fluid and the material of the B-strips. Due to the very large surface of heat exchange, and the interruption of the boundary layers on the edges of the attack of each band, the exchanges between the air and the bands B are favored compared to flat multichannel plates. In addition, the pressure drops are low for the second fluid ensuring a significant air flow.
  • the device 10 allows very efficient heat exchange in a small footprint.
  • the strips B can be made of any polymeric materials that can be extruded, such as PVDF (Polyvinylidene Fluoride), PPO (Polyphenylene Oxide), PP (Polypropylene), CPVC (Polychlorinated vinylchloride), PA (Polyamide), PPS (Polysulfide of phenylene), PEI (Polyetherimide), PSU (Polysulfone), PBI (Polybenzidimazole), PFA 15 (Perfluoroalkoxy), PEEK (Polyetheretherketone), PMMA (Polymethacrylate Methyl). Fillers such as, for example, carbon, boron nitride, glass or carbon fibers, carbon nanotubes may be incorporated into the polymer to improve its thermal conductivity and / or mechanical strength properties.
  • PVDF Polyvinylidene Fluoride
  • PPO Polyphenylene Oxide
  • PP Polypropylene
  • CPVC Polychlorinated vinylchloride
  • the connecting elements 11, 12 may preferably be made of the same materials as the heat exchange plates 2 extruded.
  • the heat exchange plates 2 have a shape such that the free passage sections for the second fluid, typically air, are identical or similar, so as to avoid preferential passages of air.
  • the heat exchange plate and the heat exchange device according to the invention are of relatively simple construction, using few parts. This results in a reduced manufacturing cost compared to the plates and devices of the prior art. They are robust and offer good reliability, due to the limited number of assembled parts. In addition, they have a good modularity in that the size of the heat exchange device is easily adjustable.

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Abstract

L'objet principal de l'invention est une plaque d'échange thermique (2) pour dispositif d'échange thermique (10) entre des premier et deuxième fluides, comprenant au moins deux bandes (B1, B2) s'étendant entre des premier (4) et deuxième (6) bords selon une première direction (X) et disposées côte à côte selon une deuxième direction (Y), chaque bande (B1, B2) présentant une ondulation comprenant des sommets (9) et des creux (7), deux bandes (B1, B2) directement voisines étant disposées de telle sorte que les sommets (9) soient décalés suivant la première direction (X) et que, suivant la deuxième direction (Y), le sommet (9) d'un bande (B1) et le creux (7) de la bande (B2) directement voisine délimitent des chemins de circulation (C1, C2) du deuxième fluide, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément d'assemblage (11, 12) en bordure permettant l'assemblage de la plaque avec une ou plusieurs autres plaques au sein du dispositif d'échange thermique (10).

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention se rapporte au domaine général des échangeurs de chaleur ou échangeurs thermiques, notamment des échangeurs thermiques à plaques en polymère.
  • L'invention trouve des applications dans différents domaines de l'industrie, et notamment pour des technologies développant une grande surface d'échange thermique par unité de volume tout en conservant des pertes de charge hydrauliques raisonnables. Par exemple, l'invention peut être appliquée pour réaliser un échangeur gaz/liquide de type radiateur, un échangeur liquide/liquide, notamment avec fluides corrosifs, un évaporateur ou un condenseur, un échangeur disposé sur le mur d'un bâtiment, un échangeur de type radiateur en convection naturelle, un échangeur liquide/gaz embarqué pour aéronautique et aérospatial, entre autres.
  • Ainsi, l'invention propose une plaque d'échange thermique à microcanaux comportant en bordure un élément d'assemblage à une autre plaque, un dispositif d'échange thermique comportant au moins une telle plaque, ainsi qu'un procédé de fabrication associé d'une telle plaque d'échange thermique.
    • ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
  • Les échangeurs de chaleur ou échangeurs thermiques à microcanaux comportent une enveloppe munie d'une pluralité de microcanaux dans lesquels circule un fluide. Le fluide peut être sous forme liquide et gazeuse changeant de phase, ou le fluide est sous forme liquide ou sous forme gazeuse. La surface extérieure de l'enveloppe échange de la chaleur avec l'environnement extérieur par convection. Par exemple, une circulation d'air permet d'évacuer ou de fournir de la chaleur. La surface extérieure de l'enveloppe peut être munie d'ailettes pour augmenter la surface d'échange avec l'environnement extérieur.
  • Ce type d'échangeur thermique est par exemple utilisé dans des évaporateurs ou des condenseurs des machines thermiques à compression mécanique de fluide frigorigène.
  • La demande de brevet américain US 2011/0139420 A1 décrit un exemple d'échangeur de chaleur à microcanaux destiné à être mis en oeuvre dans un dispositif de climatisation. L'échangeur de chaleur comporte des tubes plats disposés parallèlement les uns par rapports aux autres, chaque tube comportant une pluralité de microcanaux. Les microcanaux sont connectés en parallèle à une alimentation commune et à une évacuation commune. Les tubes sont par exemple réalisés en aluminium par extrusion. Les tubes sont torsadés. De l'air circule entre les tubes. Des ailettes sont prévues entre les tubes pour favoriser les échanges thermiques avec l'air circulant entre les tubes. L'air circule entre les tubes et les ailettes. La présence des ailettes provoque un encrassement des passages entre les tubes et les ailettes, et l'apparition d'une perte de charge au sein du dispositif et donc une baisse d'efficacité du dispositif d'échange thermique. De plus, ce dispositif comporte de nombreuses pièces à gérer et à assembler. En outre les connexions thermiques entre les tubes et les ailettes sont délicates à réaliser afin d'obtenir une bonne connexion thermique entre les tubes et les ailettes. Le coût de fabrication de ce dispositif est donc élevé.
  • La demande internationale WO 2016/097032 A1 décrit un autre exemple d'échangeur thermique multicanaux à plaques ondulées. Chaque plaque comprend des bandes entre deux bords de la plaque selon une première direction et disposées côte à côte selon une deuxième direction. Chaque bande comporte au moins un canal de circulation d'un fluide s'étendant d'un bord à l'autre de la plaque, et présente une ondulation comprenant des sommets et des creux, permettant de délimiter des chemins de circulation d'un autre fluide. Cette réalisation peut toutefois s'avérer complexe à réaliser et peut ne pas être optimale en termes de performances thermo-hydrauliques.
    • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
  • L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, une plaque d'échange thermique pour dispositif d'échange thermique entre un premier fluide et un deuxième fluide, la plaque d'échange thermique s'étendant dans un plan, la plaque d'échange thermique comprenant au moins deux bandes s'étendant entre un premier bord de la plaque d'échange thermique et un deuxième bord de la plaque d'échange thermique, opposé au premier bord, selon une première direction, les bandes étant disposées l'une à côté de l'autre selon une deuxième direction, perpendiculaire à la première direction, chacune des bandes comportant au moins un canal, notamment une pluralité de canaux, s'étendant du premier bord au deuxième bord et débouchant dans le premier bord et le deuxième bord, ledit au moins un canal étant destiné à la circulation d'un premier fluide, lesdites bandes présentant chacune une ondulation comprenant des sommets et des creux, deux bandes directement voisines ou adjacentes étant disposées relativement l'une par rapport à l'autre de telle sorte qu'un sommet d'une bande et un sommet de la bande directement voisine soient décalés suivant la première direction et de telle sorte que, suivant la deuxième direction, le sommet d'un bande et le creux de la bande directement voisine délimitent des chemins de circulation d'un deuxième fluide, caractérisée en ce que la plaque d'échange thermique comporte au moins un élément d'assemblage sur chacun de ses premier et deuxième bords, solidarisé auxdites au moins deux bandes permettant l'assemblage de la plaque d'échange thermique avec une ou plusieurs autres plaques d'échange thermique au sein du dispositif d'échange thermique.
  • De façon avantageuse, la plaque d'échange thermique ne nécessite pas la mise en oeuvre d'ailettes, la fabrication peut donc être sensiblement simplifiée. De plus, les problèmes d'encrassement sont réduits, ce qui permet de maintenir un certain niveau d'efficacité. Par ailleurs, les ondulations des bandes créent une tortuosité favorable aux échanges thermiques entre le premier fluide circulant dans les microcanaux et la plaque. En outre, elles génèrent une importante surface d'échange thermique entre la plaque et le deuxième fluide.
  • En d'autres termes, la plaque d'échange thermique comporte des microcanaux pour un premier fluide, la plaque étant mise en forme de sorte à définir des canaux virtuels de circulation d'un deuxième fluide dans une direction normale à celle des canaux. La présence de chemins de circulation ou d'écoulement s'étendant selon la deuxième direction normale à la première direction selon laquelle s'étendent les microcanaux assure un écoulement important d'air avec une faible perte de charge tout en assurant l'existence d'obstacles entre les canaux virtuels, ces obstacles permettant de casser les couches limites sur la structure, provoquant l'apparition de turbulences bénéfiques au développement de coefficient d'échange thermique par convection sur la surface de la plaque.
  • La plaque thermique selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
  • De façon préférentielle, chaque bande présente une structure alvéolaire, présentant deux parois sensiblement parallèles formant les faces supérieure et inférieure de la bande, s'étendant selon la première direction, et une pluralité de cloisons internes, sensiblement parallèles les unes aux autres et perpendiculaires aux deux parois, reliant les parois entre elles, de sorte à définir une pluralité de microcanaux, chaque canal formant une alvéole correspondant à l'espace entre deux cloisons successives et les deux parois.
  • De plus, chaque bande peut comporter une première portion plane formant au moins en partie le premier bord de la plaque d'échange thermique et une deuxième portion plane formant au moins en partie le deuxième bord de la plaque d'échange thermique, chacun des premier et deuxième bords de la plaque d'échange thermique comprenant au moins un élément d'assemblage, notamment un unique élément d'assemblage s'étendant sur tout le bord, respectivement solidarisé aux première et deuxième portions planes de chaque bande.
  • De façon avantageuse, la dimension axiale selon la première direction dudit au moins un élément d'assemblage est sensiblement égale à la dimension axiale selon cette première direction de la portion plane à laquelle il est solidarisé.
  • Ledit au moins un élément d'assemblage peut avantageusement former un élément d'assemblage intercalaire destiné à être positionné entre deux plaques d'échange thermique du dispositif d'échange thermique, ledit au moins un élément d'assemblage comportant une face supérieure s'étendant selon le plan, destinée à être solidarisée à une première plaque d'échange thermique, notamment par soudure, et une face inférieure s'étendant selon le plan, destinée à être solidarisée à une deuxième plaque d'échange thermique, notamment par soudure, destinée à être au contact de la première plaque d'échange thermique.
  • Par ailleurs, ledit au moins un élément d'assemblage peut comporter, sur au moins l'une de ses deux faces latérales s'étendant perpendiculairement au plan, au moins une nervure s'étendant perpendiculairement à la face latérale et sur toute la longueur de la face latérale selon la deuxième direction, notamment au moins une nervure formée à l'intersection entre la face latérale et la face supérieure, s'étendant selon le plan, et/ou entre la face latérale et la face inférieure, s'étendant selon le plan, dudit au moins un élément d'assemblage, respectivement dans le prolongement selon la deuxième direction de la face supérieure et/ou de la face inférieure dudit au moins un élément d'assemblage.
  • Selon une autre variante de l'invention, chaque bande peut comporter, à chacune de ses extrémités situées respectivement au niveau du premier bord et du deuxième bord de la plaque d'échange thermique, un élément d'assemblage sous la forme d'une boîte d'extrémité creuse à l'intérieur de laquelle débouchent le ou les canaux destinés à la circulation du premier fluide, ladite boîte d'extrémité creuse étant notamment formée par surmoulage au niveau de l'extrémité correspondante de la bande.
  • Chaque boîte d'extrémité creuse peut comporter des faces latérales ouvertes, s'étendant perpendiculairement au plan, et des faces supérieure et inférieure fermées, s'étendant selon le plan, pour permettre un écoulement du premier fluide selon la deuxième direction.
  • En variante, chaque boîte d'extrémité creuse peut comporter des faces latérales fermées, s'étendant perpendiculairement au plan, et des faces supérieure et inférieure ouvertes, s'étendant selon le plan, pour permettre un écoulement du premier fluide selon une troisième direction verticale, les première, deuxième et troisième directions formant un trièdre direct.
  • De plus, de façon avantageuse, chaque boîte d'extrémité creuse peut comporter, sur une première face, une nervure d'assemblage mâle et, sur une deuxième face opposée à la première face, une rainure d'assemblage femelle, l'assemblage d'une nervure d'assemblage mâle d'une première boîte d'extrémité creuse avec une rainure d'assemblage femelle d'une deuxième boîte d'extrémité creuse permettant l'assemblage des première et deuxième boîtes d'extrémité, et ainsi l'assemblage d'une pluralité de bandes entre elles pour former une ou plusieurs plaques d'échange thermique.
  • En outre, chaque bande est préférentiellement réalisée en un matériau polymère et fabriquée par extrusion et mise en forme.
  • La réalisation d'une bande par extrusion se fait avantageusement au moyen d'une extrudeuse dont la filière est équipée d'une filière de calibrage, cette filière de calibrage permettant particulièrement de conférer à la matière extrudée une structure alvéolaire.
  • Toutes les bandes peuvent présenter la même ondulation, les ondulations de deux bandes adjacentes étant déphasées, le déphasage étant tel qu'un creux d'une bande est aligné avec un sommet de la bande adjacente dans la deuxième direction.
  • Le profil général de l'ondulation des bandes peut être une courbe sinusoïdale. En variante, préférentiellement, le profil général de l'ondulation des bandes peut être en arc de cercle, comprenant une juxtaposition de courbes élémentaires en forme de « S », chacune formée par la réunion de deux demi-cercles inversés l'un par rapport à l'autre.
  • De préférence, les bandes peuvent avoir une épaisseur comprise entre 0,5 et 3 mm. Une paroi, formée par la face supérieure, la face inférieure ou une cloison d'une bande, peut avoir une épaisseur comprise entre 0,2 et 1 mm, préférentiellement égale à environ 0,3 mm.
  • La hauteur du ou des canaux peut être comprise entre 0,5 et 3 mm, étant préférentiellement égale à environ 1 mm. De même, la largeur du ou des canaux peut être comprise entre 0,5 et 3 mm, étant préférentiellement égale à environ 1 mm.
  • Chaque bande peut comporter entre 4 et 50 canaux, et préférentiellement environ 10 canaux.
  • Le pas de l'ondulation des bandes, correspondant à la distance entre deux sommets successifs de la bande, peut être compris entre 10 et 30 mm, étant préférentiellement égal à environ 20 mm.
  • De plus, chaque bande peut comporter entre 4 à 50 ondulations, et notamment environ 6 ondulations.
  • L'angle d'ondulation, défini comme l'angle formé par la tangente à la courbure d'un sommet de la bande par rapport au plan d'étendu de la bande, peut être compris entre 10 et 80°, étant par exemple égal à environ 30°.
  • De préférence, les sommets des bandes sont situés d'un côté du plan de la plaque d'échange thermique et les creux sont situés d'un autre côté du plan de la plaque d'échange thermique.
  • Par ailleurs, l'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un dispositif d'échange thermique ou échangeur thermique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une plaque d'échange thermique telle que définie précédemment.
  • Le dispositif d'échange thermique selon l'invention comportant au moins une plaque d'échange thermique présente une très grande compacité d'échange thermique en termes de mètre carré de surface d'échange primaire ramenée au volume de la structure.
  • De manière avantageuse, le dispositif d'échange thermique comporte plusieurs plaques empilées les unes sur les autres selon la troisième direction verticale définie précédemment. De nouveaux canaux virtuels sont alors définis entre les bandes des plaques qui s'entrecroisent. En fonction de l'orientation des plaques les unes par rapport aux autres et de la distance entre les plaques, il est possible d'adapter très facilement l'échangeur thermique aux conditions de fonctionnement des échangeurs et à la compacité requise. En effet, la section des chemins de circulation ou d'écoulement peut être variée aisément, modifiant les pertes de charge au travers de l'empilement et la taille de l'empilement.
  • Les plaques d'échange thermique du dispositif d'échange thermique peuvent être identiques. Elles peuvent être orientées l'une par rapport à l'autre de sorte que chaque sommet d'une plaque d'échange thermique soit en appui contre un creux d'une autre plaque d'échange thermique.
  • Les plaques d'échange thermique peuvent, le cas échéant, être solidarisées entre elles par des points de soudure ou de colle au niveau d'un creux et d'un sommet, de deux sommets ou de deux creux.
  • En outre, l'invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de fabrication d'une plaque d'échange thermique telle que définie précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
    1. a) fabrication par extrusion de bandes, notamment en polymère, munies d'au moins un canal,
    2. b) mise en forme de chaque bande par déformation à chaud de sorte à réaliser une ondulation de la bande permettant l'obtention d'une bande gaufrée,
    3. c) fixation d'au moins un élément d'assemblage à chaque extrémité de chaque bande pour permettre l'assemblage de plaques d'échange thermique les unes aux autres.
  • Ledit au moins un élément d'assemblage peut par exemple former un élément d'assemblage intercalaire positionné entre deux plaques d'échange thermique du dispositif d'échange thermique, les plaques d'échange thermique et ledit au moins un élément d'assemblage intercalaire étant solidarisés ensemble par soudure.
  • En variante, ledit un élément d'assemblage peut former une boîte d'extrémité creuse à l'intérieur de laquelle débouchent le ou les canaux destinés à la circulation du premier fluide, formée par surmoulage au niveau des extrémités de chaque bande.
  • La plaque d'échange thermique, le dispositif d'échange thermique et le procédé de fabrication 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.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • 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 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'une bande pour une première variante d'une plaque d'échange thermique conforme à l'invention,
    • la figure 2 est une vue agrandie et partielle de la figure 1,
    • la figure 3 est une vue partielle en perspective d'un exemple d'élément d'assemblage sous forme d'intercalaire pour la première variante de plaque d'échange thermique conforme à l'invention,
    • la figure 4 représente, en perspective, un exemple de dispositif d'échange thermique obtenu par la superposition de plaques d'échange thermique selon la première variante,
    • la figure 5 est une vue agrandie et partielle de la figure 4,
    • les figures 6 et 7 sont des vues en perspective d'exemples distincts de réalisation de bande pour une deuxième variante d'une plaque d'échange thermique conforme à l'invention,
    • la figure 8 représente, en perspective, un exemple de dispositif d'échange thermique obtenu par la superposition de plaques d'échange thermique selon la deuxième variante, et
    • la figure 9 est vue partielle et agrandie, de face, de la figure 8.
  • Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
  • De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
    • EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
  • Il est précisé que, dans la description qui va suivre de deux exemples de réalisation particuliers de l'invention, chaque bande est obtenue à partir d'un matériau polymère et fabriquée par extrusion et mise en forme à chaud pour former l'ondulation.
  • De plus, de façon commune aux deux modes de réalisation décrits ci-après, chaque plaque d'échange thermique 2 permet l'échange thermique entre un premier fluide et un deuxième fluide, par exemple de l'air. La plaque d'échange thermique 2 s'étend dans un plan P et comprend au moins deux bandes B1 et B2 s'étendant entre un premier bord 4 et un deuxième bord 6 de la plaque d'échange thermique 2, opposé au premier bord 4, selon une première direction X.
  • Les bandes B1, B2 sont disposées l'une à côté de l'autre selon une deuxième direction Y, perpendiculaire à la première direction X, chacune des bandes B1, B2 comportant des canaux 5 s'étendant du premier bord 4 au deuxième bord 6 et débouchant dans le premier bord 4 et le deuxième bord 6, pour la circulation du premier fluide. En outre, les bandes B1, B2 présentent chacune une ondulation comprenant des sommets 9 et des creux 7, deux bandes B1, B2 directement voisines étant disposées relativement l'une par rapport à l'autre de telle sorte qu'un sommet 9 d'une bande B1 et un sommet 9 de la bande B2 directement voisine soient décalés suivant la première direction X et de telle sorte que, suivant la deuxième direction Y, le sommet 9 d'un bande B1 et le creux 7 de la bande B2 directement voisine délimitent des chemins de circulation C1, C2 du deuxième fluide, comme visible sur les figures 4 et 8.
  • Avantageusement, chaque plaque d'échange thermique 2 comporte au moins un élément d'assemblage 11 ou 12 sur chacun de ses premier 4 et deuxième 6 bords, solidarisé aux bandes B1, B2 permettant l'assemblage de la plaque d'échange thermique 2 avec une ou plusieurs autres plaques d'échange thermique 2 au sein du dispositif d'échange thermique 10. Deux réalisations possibles d'un élément d'assemblage 11, 12 sont ainsi décrites par la suite.
  • Plus précisément, en référence aux figures 1 à 5, on a illustré une première variante de réalisation de l'invention.
  • Selon cette première variante, plusieurs bandes B sont réalisées individuellement à partir d'un matériau polymère par extrusion.
  • La réalisation d'une bande B par extrusion se fait au moyen d'une extrudeuse dont la filière est équipée d'une filière de calibrage permettant de conférer à la matière extrudée une structure alvéolaire, comme représenté sur les figures 1 et 2.
  • Plus particulièrement, la bande B présente deux parois sensiblement parallèles formant les faces supérieure Bs et inférieure Bi de la bande B, s'étendant selon la première direction X, et une pluralité de cloisons internes 23, sensiblement parallèles les unes aux autres et perpendiculaires aux deux parois Bs et Bi, reliant les parois entre elles, de sorte à définir une pluralité de microcanaux 5, chacun d'entre eux formant une alvéole correspondant à l'espace entre deux cloisons 23 successives et les deux parois Bs et Bi. De préférence, chaque bande B présente ainsi plusieurs microcanaux 5 parallèles répartis le long de la deuxième direction Y, perpendiculaire à la première direction X.
  • Par exemple, comme représentées sur la figure 2, la hauteur hc des microcanaux 5 est comprise entre 0,5 et 3 mm, étant par exemple de l'ordre de 1 mm. La largeur lc des microcanaux est de même comprise entre 0,5 et 3 mm, étant par exemple de l'ordre de 1 mm. De façon plus générale, chaque microcanal 5 peut présenter un diamètre hydraulique compris entre 0,5 mm et 10 mm.
  • De plus, chaque bande B peut comporter de 4 à 50 microcanaux, et préférentiellement de l'ordre de 10 microcanaux. Chaque bande B peut présenter une épaisseur de paroi comprise entre 0,2 et 1 mm, par exemple égale à environ 0, 3 mm.
  • Par ailleurs, après extrusion, chaque bande B est mise en forme (gaufrage) par déformation à chaud afin de réaliser une ondulation entre les extrémités longitudinales de chaque bande B. De préférence, cette ondulation est périodique.
  • L'ondulation est avantageusement la même pour toutes les bandes B. Toutefois, les ondulations de deux bandes adjacentes sont déphasées au niveau de la plaque d'échange thermique 2, de sorte qu'un creux 7 d'une bande soit aligné avec un sommet 9 de la bande adjacente dans la deuxième direction Y. Ainsi, comme visible sur la figure 4 par exemple, des chemins de circulation C1, C2 de section maximale sont délimités.
  • L'ondulation peut correspondre à une courbe sinusoïdale. De préférence, l'ondulation est en arc de cercle, comprenant une juxtaposition de courbes élémentaires en forme de « S », chacune formée par la réunion de deux demi-cercles inversés l'un par rapport à l'autre.
  • Comme visible sur la figure 1, le pas po de l'ondulation, correspondant à la distance entre deux sommets 9 successifs, peut par exemple être compris entre 10 et 30 mm, étant préférentiellement de l'ordre de 20 mm. De plus, chaque bande B peut comporter entre 4 et 50, préférentiellement 6, ondulations. Enfin, l'angle de l'ondulation a, qui représente l'inclinaison d'une ondulation par rapport à l'horizontal formé par la première direction X, est par exemple compris entre 10 et 80°, étant préférentiellement de l'ordre de 30°.
  • L'ondulation de chaque bande B peut être réalisée par une opération en sortie de filière, alors que le profil est encore plastique sur une bande extrudée de largeur appropriée.
  • En variante, on peut réaliser cette opération d'ondulation sur une bande découpée dans une plaque extrudée de grande largeur. Cette bande est alors réchauffée par air chaud, infrarouge, etc...., ou tout autre moyen connu de l'Homme du métier, pour atteindre un état plastique, puis être déformée par calandrage sur un outillage de forme.
  • Par ailleurs, chaque bande B obtenue comporte une première portion plane 13 formant au moins en partie le premier bord 4 de la plaque d'échange thermique 2 à former et une deuxième portion plane 14 formant au moins en partie le deuxième bord 6 de la plaque d'échange thermique 2 à former.
  • Une fois les bandes B obtenues, telles que représentées sur les figures 1 et 2, des éléments d'assemblage 11 tels que représentés sur la figure 3 sont utilisés, ceux-ci étant solidarisés aux première 13 et deuxième 14 portions planes de chaque bande B.
  • Ces éléments d'assemblage 11 forment des éléments d'assemblage intercalaires 11 qui, comme visible sur la figure 4 représentant le dispositif d'échange thermique 10 obtenu selon ce premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, sont positionnés entre deux plaques d'échange thermique 2 adjacentes verticalement, s'étendant sur tout le bord des plaques.
  • Chaque élément d'assemblage intercalaire 11 comporte une face supérieure 11s s'étendant selon le plan P tel que défini par la suite en lien avec la figure 8, destinée à être solidarisée par soudure à une première plaque d'échange thermique 2, et une face inférieure 11i s'étendant selon le plan P, destinée à être solidarisée par soudure à une deuxième plaque d'échange thermique 2, les première et deuxièmes plaques étant au contact l'une de l'autre. Comme visible sur la figure 5, au sein d'une même plaque d'échange thermique 2, plusieurs bandes B peuvent être soudées ensemble le long de lignes de soudure Ls pour augmenter le nombre de microcanaux 5 selon la deuxième direction Y, tandis que préférentiellement les éléments intercalaires 11 sont en une seule partie le long de la deuxième direction Y, un même élément intercalaire 11 étant ainsi disposé sur au moins deux bandes B soudées entre elles.
  • La soudure permet d'assurer l'étanchéité entre les bandes ondulées B et les éléments intercalaires 11. Elle est réalisée alors que les éléments intercalaires 11 et les bandes B sont situés dans un outillage de positionnement. La soudure peut notamment consister en la fusion des parois adjacentes, que ce soient les parois extérieures des bandes ou les nervures 15 des éléments intercalaires 11. Cette soudure est réalisée par air chaud, par panneaux radiants dans l'infrarouge, par laser ou par toute autre technique connue de l'Homme du métier pour réaliser ce type de soudure.
  • Suivant le dispositif de soudure utilisé, l'ensemble peut être soudé en une seule opération, ou en faisant déplacer une source de soudure à une vitesse prédéterminée devant les pièces à souder. Il est également possible de disposer d'un dispositif de soudure fixe et de faire déplacer l'assemblage comprenant les pièces à souder.
  • Par ailleurs, comme visible sur la figure 3, chaque élément intercalaire 11 comporte, sur ses deux faces latérales 11l, deux nervures 15 s'étendant perpendiculairement à la face latérale 11l correspondante et sur toute la longueur de la face latérale 11l selon la deuxième direction Y. Aussi, chaque élément intercalaire 11 comporte quatre nervures 15 formées aux intersections entre les faces latérales 11l et les faces supérieure 11s et inférieure 11i dans le prolongement selon la deuxième direction Y des faces supérieure 11s et inférieure 11i.
  • Ces éléments intercalaires 11 peuvent avantageusement être réalisés en un matériau polymère. Les nervures 15, ou encore désignées comme étant des « dents », peuvent être formées d'un côté ou des deux côtés, comme ici, de l'élément intercalaire 11. Elles peuvent être réalisées soit directement par extrusion, soit en variante par usinage. De façon avantageuse, ces nervures 15 permettent de faciliter la soudure des éléments intercalaires 11 avec les bandes B.
  • A titre d'exemples, comme visible sur la figure 3, la hauteur hz d'une nervure 15, soit sa dimension selon la troisième direction Z, peut être de l'ordre de 0,30 mm. De même, la largeur lx d'une nervure 15, soit sa dimension selon la première direction X, peut être de l'ordre de 0,5 mm. De plus, la hauteur hi de l'élément intercalaire 11 entre deux nervures 15 situées sur une même face latérale 11l respectivement dans le prolongement de la face supérieure 11s et de la face inférieure 11i, correspondant à la dimension selon la troisième direction Z entre ces deux nervures 15, peut être de l'ordre de 3,20 mm. Enfin, la largeur li d'un élément intercalaire 11 comprenant deux nervures 15 opposées sur les faces latérales 11l, correspondant à la dimension selon la première direction X de l'élément intercalaire 11 comprenant deux nervures 15, peut être de l'ordre de 11 mm.
  • En référence maintenant aux figures 6 à 9, on a illustré une deuxième variante de réalisation de l'invention.
  • Comme précédemment, une pluralité de bandes B est réalisée par extrusion d'un matériau polymère, et ces bandes B sont ensuite ondulées par déformation à chaud.
  • Toutefois, dans cet exemple, comme il ressort des figures 6, 7 et 8, chaque bande B comporte, à chacune de ses extrémités situées respectivement au niveau du premier bord 4 et du deuxième bord 6 de la plaque d'échange thermique 2, un élément d'assemblage 12 sous la forme d'une boîte d'extrémité creuse 12, formée par surmoulage et à l'intérieur de laquelle débouchent les canaux 5 destinés à la circulation du premier fluide.
  • Les boîtes d'extrémité 12 permettent l'assemblage des plaques d'échange thermique 2 pour le dispositif d'échange thermique 10 à la manière d'un jeu de Lego®, par encastrement des boîtes d'extrémité 12 les unes sur les autres, et ce de manière étanche.
  • Pour ce faire, comme représenté sur la figure 6, chaque boîte d'extrémité creuse 12 peut comporter des faces latérales 18 ouvertes, s'étendant perpendiculairement au plan P, et des faces supérieure et inférieure 19 fermées, s'étendant selon le plan P, pour permettre un écoulement du premier fluide selon la deuxième direction Y.
  • En variante, comme représenté sur la figure 7, chaque boîte d'extrémité creuse 12 peut comporter des faces latérales 18 fermées, s'étendant perpendiculairement au plan P, et des faces supérieure et inférieure 19 ouvertes, s'étendant selon le plan P, pour permettre un écoulement du premier fluide selon une troisième direction verticale Z, les première X, deuxième Y et troisième Z directions formant un trièdre direct.
  • Après assemblage des plaques d'échange thermique 2 entre elles grâce aux encastrements des boîtes d'extrémité creuses 12, des boîtes d'entrée/sortie de liquide de l'échangeur thermique complet peuvent être positionnées et solidarisées de manière étanche.
  • Dans l'exemple de la figure 6, le premier liquide circule dans l'axe d'écoulement du deuxième liquide. Dans l'exemple de la figure 7, le premier liquide circule perpendiculairement à l'axe d'écoulement du deuxième liquide.
  • Pour permettre l'assemblage, chaque boîte d'extrémité creuse 12 comporte, sur une première face, une nervure d'assemblage mâle 20 et, sur une deuxième face opposée à la première face, une rainure d'assemblage femelle 21, l'assemblage d'une nervure d'assemblage mâle 20 d'une première boîte d'extrémité creuse 12 avec une rainure d'assemblage femelle 21 d'une deuxième boîte d'extrémité creuse 12 permettant l'assemblage des première et deuxième boîtes d'extrémité 12, et ainsi l'assemblage d'une pluralité de bandes B entre elles pour former des plaques d'échange thermique 2.
  • La figure 8 représente le dispositif d'échange thermique 10 obtenu avec des boîtes d'extrémité creuses 12 selon le principe de la figure 6, soit avec des boîtes ou collecteurs 12 surmoulés dans l'axe d'écoulement du deuxième liquide. De la même manière, on pourrait assembler l'ensemble dans une configuration avec des collecteurs 12 perpendiculaires à l'axe d'écoulement du deuxième liquide.
  • L'assemblage étanche peut être réalisé par collage à l'aide d'une colle adaptée au polymère utilisé pour les boîtes d'extrémité 12.
  • Il est à noter que le fluide circulant dans les plaques 2 est par exemple un liquide, un gaz ou un mélange liquide/gaz. Le fluide circulant selon la deuxième direction Y est par exemple un gaz ou un mélange de gaz, comme l'air ou un liquide.
  • Le fonctionnement du dispositif d'échange thermique 10 va maintenant être décrit. Un premier fluide est mis en circulation dans les microcanaux 5 via des collecteurs d'alimentation et d'évacuation, le collecteur d'alimentation étant connecté à une source de premier fluide et le collecteur d'évacuation étant connecté par exemple à une zone de stockage de ce premier fluide. Une pompe est par exemple mise en oeuvre pour assurer la circulation du premier fluide. Le collecteur d'évacuation peut être relié au collecteur d'alimentation pour faire circuler le premier fluide en circuit fermé dans les plaques 2.
  • Simultanément, le deuxième fluide, par exemple de l'air, circule entre les bandes B des plaques 2, par exemple par convection forcée au moyen d'un ventilateur. Le premier fluide échange par convection avec le matériau des bandes B et les bandes B échangent par convection avec l'air.
  • Du fait de la tortuosité des microcanaux 5, les échanges thermiques sont favorisés entre le premier fluide et le matériau des bandes B. Du fait de la très grande surface d'échange thermique, et de l'interruption des couches limites sur les bords d'attaque de chaque bande, les échanges entre l'air et les bandes B sont favorisés par rapport à des plaques multicanaux planes. De plus les pertes de charge sont faibles pour le deuxième fluide assurant une circulation d'air importante. Le dispositif 10 permet des échanges thermiques très efficaces dans un encombrement réduit.
  • Par ailleurs, les bandes B, réalisées par extrusion, peuvent être réalisées en tous matériaux polymères aptes à être extrudés, tels que le PVDF (Polyfluorure de 10 Vinylidène), le PPO (Oxyde de Polyphénilène), le PP (Polypropylène), le PVCC (Polychlorure de Vinyle surchloré), le PA (Polyamide), le PPS (Polysulfure de phénylène), le PEI (Polyétherimide), le PSU (Polysulfone), le PBI (Polybenzidimazole), le PFA 15 (Perfluoroalkoxy), le PEEK (Polyetheretherketone), le PMMA (Polymethacrylate de Méthyle). Des charges telles que par exemple du carbone, du nitrure de bore, des fibres de verre ou de carbone, des nanotubes de carbone peuvent être incorporées dans le polymère pour améliorer ses propriétés de conductivité thermique et/ou de résistance mécanique.
  • Les éléments d'assemblage 11, 12 peuvent de préférence être réalisés avec les mêmes matériaux que les plaques d'échange thermique 2 extrudées.
  • Par ailleurs, comme visible sur la figure 9, les plaques d'échange thermique 2 présentent une forme telle que les sections de passage libres pour le deuxième fluide, typiquement de l'air, sont identiques ou proches, de manière à éviter les passages préférentiels de l'air.
  • De façon avantageuse, la plaque d'échange thermique et le dispositif d'échange thermique selon l'invention sont de réalisation relativement simple, mettant en oeuvre peu de pièces. Il en résulte un coût de fabrication réduit par rapport aux plaques et aux dispositifs de l'art antérieur. Ils sont robustes et offrent une bonne fiabilité, du fait du nombre limité de pièces assemblées. De plus, ils présentent une bonne modularité dans la mesure où la taille du dispositif d'échange thermique est aisément ajustable.
  • 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.

Claims (16)

  1. Plaque d'échange thermique (2) pour dispositif d'échange thermique (10) entre un premier fluide et un deuxième fluide, la plaque d'échange thermique (2) s'étendant dans un plan (P), la plaque d'échange thermique (2) comprenant au moins deux bandes (B, B1, B2) s'étendant entre un premier bord (4) de la plaque d'échange thermique (2) et un deuxième bord (6) de la plaque d'échange thermique (2), opposé au premier bord (4), selon une première direction (X), les bandes (B, B1, B2) étant disposées l'une à côté de l'autre selon une deuxième direction (Y), perpendiculaire à la première direction (X), chacune des bandes (B, B1, B2) comportant au moins un canal (5), notamment une pluralité de canaux (5), s'étendant du premier bord (4) au deuxième bord (6) et débouchant dans le premier bord (4) et le deuxième bord (6), ledit au moins un canal (5) étant destiné à la circulation d'un premier fluide, lesdites bandes (B, B1, B2) présentant chacune une ondulation comprenant des sommets (9) et des creux (7), deux bandes (B, B1, B2) directement voisines étant disposées relativement l'une par rapport à l'autre de telle sorte qu'un sommet (9) d'une bande (B1) et un sommet (9) de la bande (B2) directement voisine soient décalés suivant la première direction (X) et de telle sorte que, suivant la deuxième direction (Y), le sommet (9) d'un bande (B1) et le creux (7) de la bande (B2) directement voisine délimitent des chemins de circulation (Cl, C2) d'un deuxième fluide,
    caractérisée en ce que la plaque d'échange thermique (2) comporte au moins un élément d'assemblage (11, 12) sur chacun de ses premier (4) et deuxième (6) bords, solidarisé auxdites au moins deux bandes (B, B1, B2) permettant l'assemblage de la plaque d'échange thermique (2) avec une ou plusieurs autres plaques d'échange thermique (2) au sein du dispositif d'échange thermique (10).
  2. Plaque d'échange thermique selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque bande (B, B1, B2) présente une structure alvéolaire, présentant deux parois sensiblement parallèles formant les faces supérieure (Bs) et inférieure (Bi) de la bande (B, B1, B2), s'étendant selon la première direction (X), et une pluralité de cloisons internes (23), sensiblement parallèles les unes aux autres et perpendiculaires aux deux parois (Bs, Bi), reliant les parois entre elles, de sorte à définir une pluralité de microcanaux (5), chaque canal (5) formant une alvéole correspondant à l'espace entre deux cloisons (23) successives et les deux parois (Bs, Bi).
  3. Plaque d'échange thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque bande (B, B1, B2) comporte une première portion plane (13) formant au moins en partie le premier bord (4) de la plaque d'échange thermique (2) et une deuxième portion plane (14) formant au moins en partie le deuxième bord (6) de la plaque d'échange thermique (2), chacun des premier (4) et deuxième (6) bords de la plaque d'échange thermique (2) comprenant au moins un élément d'assemblage (11), notamment un unique élément d'assemblage (11) s'étendant sur tout le bord (4, 6), respectivement solidarisé aux première (13) et deuxième (14) portions planes de chaque bande (B, B1, B2).
  4. Plaque d'échange thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit au moins un élément d'assemblage (11) forme un élément d'assemblage intercalaire (11) destiné à être positionné entre deux plaques d'échange thermique (2) du dispositif d'échange thermique (10), ledit au moins un élément d'assemblage (11) comportant une face supérieure (11s) s'étendant selon le plan (P), destinée à être solidarisée à une première plaque d'échange thermique (2), notamment par soudure, et une face inférieure (11i) s'étendant selon le plan (P), destinée à être solidarisée à une deuxième plaque d'échange thermique (2), notamment par soudure, destinée à être au contact de la première plaque d'échange thermique (2).
  5. Plaque d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit au moins un élément d'assemblage (11) comporte, sur au moins l'une de ses deux faces latérales (11l) s'étendant perpendiculairement au plan (P), au moins une nervure (15) s'étendant perpendiculairement à la face latérale (11l) et sur toute la longueur de la face latérale (11l) selon la deuxième direction (Y), notamment au moins une nervure (15) formée à l'intersection entre la face latérale (11l) et la face supérieure (11s), s'étendant selon le plan (P), et/ou entre la face latérale (11l) et la face inférieure (11i), s'étendant selon le plan (P), dudit au moins un élément d'assemblage (11), respectivement dans le prolongement selon la deuxième direction (Y) de la face supérieure (11s) et/ou de la face inférieure (11i) dudit au moins un élément d'assemblage (11).
  6. Plaque d'échange thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque bande (B, B1, B2) comporte, à chacune de ses extrémités situées respectivement au niveau du premier bord (4) et du deuxième bord (6) de la plaque d'échange thermique (2), un élément d'assemblage (12) sous la forme d'une boîte d'extrémité creuse (12) à l'intérieur de laquelle débouchent le ou les canaux (5) destinés à la circulation du premier fluide, ladite boîte d'extrémité creuse (12) étant notamment formée par surmoulage au niveau de l'extrémité correspondante de la bande (B, B1, B2).
  7. Plaque d'échange thermique selon la revendication 6, caractérisée en ce que chaque boîte d'extrémité creuse (12) comporte des faces latérales (18) ouvertes, s'étendant perpendiculairement au plan (P), et des faces supérieure et inférieure (19) fermées, s'étendant selon le plan (P), pour permettre un écoulement du premier fluide selon la deuxième direction (Y).
  8. Plaque d'échange thermique selon la revendication 6, caractérisée en ce que chaque boîte d'extrémité creuse (12) comporte des faces latérales (18) fermées, s'étendant perpendiculairement au plan (P), et des faces supérieure et inférieure (19) ouvertes, s'étendant selon le plan (P), pour permettre un écoulement du premier fluide selon une troisième direction verticale (Z), les première (X), deuxième (Y) et troisième (Z) directions formant un trièdre direct.
  9. Plaque d'échange thermique selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que chaque boîte d'extrémité creuse (12) comporte, sur une première face, une nervure d'assemblage mâle (20) et, sur une deuxième face opposée à la première face, une rainure d'assemblage femelle (21), l'assemblage d'une nervure d'assemblage mâle (20) d'une première boîte d'extrémité creuse (12) avec une rainure d'assemblage femelle (21) d'une deuxième boîte d'extrémité creuse (12) permettant l'assemblage des première et deuxième boîtes d'extrémité (12), et ainsi l'assemblage d'une pluralité de bandes (B, B1, B2) entre elles pour former une ou plusieurs plaques d'échange thermique (2).
  10. Plaque d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque bande (B, B1, B2) est réalisée en un matériau polymère et fabriquée par extrusion et mise en forme.
  11. Plaque d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que toutes les bandes (B, B1, B2) présentent la même ondulation, les ondulations de deux bandes adjacentes (B1, B2) étant déphasées, le déphasage étant tel qu'un creux (7) d'une bande (B1) est aligné avec un sommet (9) de la bande adjacente (B2) dans la deuxième direction (Y), le profil général de l'ondulation des bandes (B, B1, B2) étant une courbe sinusoïdale.
  12. Plaque d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que toutes les bandes (B, B1, B2) présentent la même ondulation, les ondulations de deux bandes adjacentes (B1, B2) étant déphasées, le déphasage étant tel qu'un creux (7) d'une bande (B1) est aligné avec un sommet (9) de la bande adjacente (B2) dans la deuxième direction (Y), le profil général de l'ondulation des bandes (B, B1, B2) étant en arc de cercle, comprenant une juxtaposition de courbes élémentaires en forme de « S », chacune formée par la réunion de deux demi-cercles inversés l'un par rapport à l'autre.
  13. Dispositif d'échange thermique (10), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une plaque d'échange thermique (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  14. Procédé de fabrication d'une plaque d'échange thermique (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
    a) fabrication par extrusion de bandes (B, B1, B2) munies d'au moins un canal (5),
    b) mise en forme de chaque bande (B, B1, B2) par déformation à chaud de sorte à réaliser une ondulation de la bande permettant l'obtention d'une bande gaufrée,
    c) fixation d'au moins un élément d'assemblage (11, 12) à chaque extrémité de chaque bande (B, B1, B2) pour permettre l'assemblage de plaques d'échange thermique (2) les unes aux autres.
  15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit au moins un élément d'assemblage (11) forme un élément d'assemblage intercalaire (11) positionné entre deux plaques d'échange thermique (2) du dispositif d'échange thermique (10), les plaques d'échange thermique (2) et ledit au moins un élément d'assemblage intercalaire (11) étant solidarisés ensemble par soudure.
  16. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit un élément d'assemblage (12) forme une boîte d'extrémité creuse (12) à l'intérieur de laquelle débouchent le ou les canaux (5) destinés à la circulation du premier fluide, formée par surmoulage au niveau des extrémités de chaque bande (B, B1, B2).
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