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PLAQUE D' ECHANC~EUR D8 CHALEUR, ET CET ECHAN(~EUR
DESCRIPTION
Le sujet de l'invention est une plaque
d'ëchangeur de chaleur, ainsi qu'un échangeur de
chaleur comprenant au moins une de ces plaques.
Les échangeurs de chaleur sont couramment
utilisés dans plusieurs domaines techniques, comme les
transports, fa climatisation, la thermique ou les piles
à combustible. De nombreuses familles existent aussi si
on considère leur structure, ou la façon dont les
canaux de transport des fluides sont construits et
disposés. Les échangeurs de chaleur dont fait partie
l'invention comprennent des plaques dans lesquelles les
canaux de transport de fluide sont creusës. Une telle
structure offre les avantages d'être compacte tout en
ayant une bonne résistance mêcanique, notamment à
l'égard de fluides à haute pression. Un exemple récent
est décrit dans le document US 6 467 535 B1, off. les
plaques comprennent une enveloppe extérieure
circonscrivant un volume que des cloisons, d'une pièce
. avec l'enveloppe, divisent en canaux d'écoulement des
deux fluides. De telles plaques peuvent être fabriquées
d'un seul tenant par un procédê d'extrusion qui,
conjointement à une épaisseur suffisante de l'enveloppe
et des cloisons, assure la résistance souhaitée.
I1 subsiste cependant un problème de
raccordement des canaux des plaques. Comme les canaux
sont paralléles et adjacents, les conduits qui
apportent les deux fluides à l'é-changeur et les en
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emportent doivent l'être aussi, en alternant sur la
largeur de la plaque, ce qui est très contraignant
puisque le montage est dëlicat et que les conduits
doivent aussi résister aux pressions de fluides, or il
est improbable qu'on puisse les construire avec la même
résistance que les canaux. Les raccordements deviennent
ainsi les endroits faibles de l'êchangeur de chaleur,
sans qu'il soit possible de les renforcer.
C'est pourquoi l'invention a êtê conçue
elle concerne d'abord une plaque d'échangeur de chaleur
de forme particulière et se prêtant facilement à des
raccordements par des moyens simples.
Sous sa forme générale, la plaque
d'échangeur de chaleur comprend, une enveloppe
extêrieure et des cloisons divisant un volume
circonscrit par l'enveloppe en canaux, caractérisêe en
ce que l'enveloppe possède des reliefs, les reliefs et
les canaux s'étendant dans une même dïrection
longitudinale, une première catêgorie des canaux
s'étend jusque dans les reliefs, et les reliefs et
l'enveloppe sont entaillés sur une partie dans la
direction longitudinale en ouvrant les canaux de la
première catégorie.
Les reliefs peuvent être établis de deux
côtés opposés de l'enveloppe.
L'êchangeur de chaleur comprend au moins
une de ces plaques dans un empilement, ains i qu'un
cadre entourant l'empilement et des conduits.d'entrêe
et de sortie de fluide traversant le cadre et
communiquant aux canaux, et il est remarquable en ce
que les conduits comprennent d'une part des conduits
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communiquant aux canaux de la première catégorie et
s'étendant d'un premier côté du cadre, et d'autre part
des conduits communiquant à une deuxième catégorie de
canaux (séparês des premiers par les cloisons et
transportant l'autre fluide) et s'étendant d'un
deuxième côté du cadre qui eat différent du premier.
Typiquement, le cadre comprend quatre côtés en
rectangle, dont le premier côté et Ie deuxième côté
cités, qui sont perpendiculaires entre eux ; les deux
derniers côtés, ou I'un d'entre eux, peuvent comprendre
d'autres conduits d'entrée et de sortie du fluide ou
des conduits de raccordement entre deux plaques. Le
cadre peut également êt~r~ simplement constitué de deux
pièces indépendantes au niveau des extrémités des
conduits.
Dans ce cas l'étanchéité latérale des
plaques est réalisée par assemblage des reliefs
d'extrémités latéraux de celle-ci.
L'avantage fondamental de l'invention est
que les conduits d'entrée et de sortie de deux fluides
ne sont pas entremêlês ni adjacents, mais séparés, les
conduits menant aux canaux s' étendant dans les reliefs
étant placês sur un côté latéral de la plaque, et les
conduits menant aux autres canaux étant placés sur un
côté d'extrémité longitudinal de la plaque.
Les canaux des deux catégories peuvent
prendre des formes différentes, mais il est avantageux
qu'au moins ceux de la première catégorie aient une
section oblongue, ceux de la deuxième catégorie ayant
une section de forme plus régulière.
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La surface d'échange est accrue si les
canaux ont des surfaces délimitantes qui sont rainurées
dans la direction longitudinale.
Les plaques sont avantageusement
construites par extrusion.
L'invention sera maintenant décrite en
liaison aux figures, dont .
- les figures 1 et 2 illustrent un premier
mode de réalisation de l'invention,
- les figures 3, 4 et S représentent
certaines variantes possibles du premier mode,
- les figures 6 et 7 représèntent deux vues
d'un empilement de plaque, '
" - les figures 8 et 9 deux modes d'échangeur
de chaleur,
- la figure 10 un mode possible
d'assemblage de plaques,
- et les figures 11 et 12 illustrent deux
autres modes de réalisation d'échangeur.
Une plaque d'échangeur de chaleur conforme
â l'invention présente la section illustrée à la figure
1, avec une enveloppe 1 extérieure comprenant des
reliefs 2 périodiques en saillie sur deux faces
principales 3 et 4 et opposées de cette plaque 5 et qui
s'étendent dans une direction longitudinale ; la plaque
5 comprend encore des cloisons 6 s' étendant d' une face
3 à l'autre 4 sous les aplombs des reliefs 2, et
s'étendant aussi dans la direction longitudinale. Ces
cloisons 6 délimitent des canaux 7 et 8, dont ceux
d'une première catégorie 7 s'étendent sous les reliefs
2 et en eux, et ceux d'une deuxième catégorie 8
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s'étendent entre les reliefs 2 en alternant avec les
précédents. Les canaux de première catégorie 7 ont une
section sensiblement rectangulaire ou oblongue, et ceux
de deuxième catégorie 8 une section de dimension plus
5 régulière.
On grëvoit que les reliefs 2 soient coupés
ou entaillés au moins sur une partie de la longueur de
la plaque 5 de manière à ouvrir latéralement les canaux
de première catégorie 7. La figure 2 illustre par les
flèches A qu'un fluide introduit sur la plaque 5
s'êcoule, par l'entaille 10 ainsi formée, dans tous les
canaux de première catégorie 7, et aussi, sur les
canaux de deuxième catégorie 8, dans des canaux de
i
'' troisième catégorie 9 s'étendant entre les reliefs 2.
Un des fluides d'échange de chaleur suivra
effectivement ces chemins et l'autre coulera dans les
canaux de deuxième catégorie 8 d'après les flèches B.
L'entaille 10 n'atteignant pas les canaux de deuxième
catégorie 8, les fluides restent séparée.
On a représenté des canaux 7 et 8
sensiblement rectangulaires ; d'autres sections
seraient possibles, comme le représentent les figures 3
et 4 qui illustrent des canaux de première catëgorie 7
elliptiques et des canaux de deuxiême catégorie 8
respectivement circulaires et elliptiques ; un autre
genre d'aménagement est celui de la figure 5, qui
montre que les canaux 7 et 8 peuvent présenter des
parois les délimitant pourvues de micro-rainures 11
longitudinales leur donnant une section dentelée qui
accroît la surface d'échange de chaleur entre les
fluides. Cette disposition serâ donc adoptée avant tout
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sur les parois latérales, qui sont les faces des
cloisons 6.
Les figures 6 et 7 représentent un
empilement de plaques 5, les reliefs 2 de plaques 5
empilées êtant en appui mutuel et fermant les sections
des canaux de troisième catégorie 9. L'échangeur peut
être complété par un cadre 12 assemblé autour de
l'empilement des plaques 5 (qui comprend aussi deux
plaques d'extrêmité, pleines, pas représentées). Le
cadre 12 possède quatre côtës en rectangle, et s'ajuste
autour des plaques 5 en se raccordant aux canaux 7 et
e . I1 est composé de cadres élémentaires 15 de hauteur
au moins égale aux plaques 5, qu'ils entourent.
respectivement et qui sont empilés comme elles. Les
canaux 8 de deuxième catégorie sont dégagés par un
usinage au-delà de l'entaille 10 et s'ajustent dans des
crêneaux 40 usinés dans un premier côté 14 des cadres
élémentaires 15. Un deuxième côté 16 des cadres
élémentaires 15, adjacent au précédent, est percé
d'orifices 41 en regard de l'entaille 10. On remarquera
que l'échange de chaleur s'effectue par tous les côtés
des canaux 8 de deuxième catégorie, vers les canaux 7
et 9 de première et de troisième catégorie qui les
entourent presque complètement, et qu'il est donc très
bon.
L'étanchéité et la cohésion de l'échangeur
de chaleur sont assurées par des brasures ou des
collages 42 entre les cadres élémentaires 15.
L'étanchéité peut être êgalement rêalisée par soudure
en périphérie. L'addition de garnitures d'étanchéité
n'est pas nécessaire ailleurs.
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L'ensemble est complété par des
distributeurs comme celui de la figure 8. Le premier
côtë 14 reçoit un distributeur 18 de sortie du second
fluide et fait communiquer les canaux de deuxième
catégorie 8 avec un conduit de sortie 19. Un troisième
côté 20 du cadre 12, opposé au premier et raccordé aux
canaux de deuxième catégorie 8 de la même façon, reçoit
un distributeur 21 semblable au précédent et comprenant
un conduit 22 d'entrée du second fluide. Le deuxième
côté 16 du cadre 12 reçoit un troisième distributeur
23, qui est un distributeur d'entrée du premier fluide
et fait communiquer un conduit d'entrée 24 aux orifices
41, aux entailles 10 et aux canaux de premiêre et
troisième 'catégorie 7 et 9. Enfin, un quatriême côtë 25
du cadre 12 reçoit un distributeur 26 de sortie du
premier fluide pourvu d'un conduit 27 ; ce distributeur
26 est à l'extrémité longitudinale opposée au
distributeur 23 précédent de l'empilement des plaques
5 ; les distributeurs 23 et 26, et leurs raccordements
et communications, sont semblables.
Ce dispositif autorïse un écoulement à
contre-courant dans l'échangeur de chaleur. Une
configuration d'écoulement à co-courant est également
possible. D'autres motifs sont évidemment possibles, et
l'un d'entre eux est représenté à la figure 9, où les
distributeurs 18 et 23 sont remplacés par des
distributeurs 28 et 29 présentant chacun un conduit
d'entrée 30 ou 31 et un conduit de sortie 32 ou 33 dont
chacun communique à une portion respective du
distributeur et à un groupe respectif des plaques 5 et
des canaux. Les autres distributeurs 21 et 26 sont
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remplacés par des boîtes 34 et 35 aveugles autorisant
le passage du fluide respectif d'un des groupes des
plaques 5 et des canaux â l'autre groupe. Ce dispositif
permet donc des configurations d'ëcoulement multipasses
sur chacun des deux fluides. Deux groupes de plaques 5
et de canaux doivent évidemment être séparés par une
plaque continue.
Les plaques 5 peuvent être construites par
un procédé d'extrusion en utilisant une matière
convenable, métallique ou en polymère, ce qui leur
donne une structure unitaire à section uniforme, puis
un usinage simple est accompli pour réaliser les
entailles 10. Il est possible de laisser subsister des
butées 36 afin délimiter l'enfoncement des plaques 5
dans les extrëmités longitudinales du cadre 12. On doit
aussi mentionner la possibilité, reprësentée à la
figure 10, de construire les extrémités des plaques 5
en direction transversale avec des formes
complémentaires 37 et 38, pour permettre un assemblage
par aboutement donnant une plaque résultante plus
large.
Une construction au cadre 12 entourant
complètement les plaques 5 n'est pas nécessaire pour
construire un échangeur de chaleur. Y1 est possible
d'utiliser des pièces d'extrêmité, placées seulement
aux extrémités longitudinales des plaques. Comme dans
la réalisation prëcédente, il serait possible d'empiler
et d'assembler des pièces ayant la même hauteur que les
plaques 5. Une de ces pièces, en forme de peigne, est
représentée à la figure 11 à la référence 50. Elle est
composée d'une portée infërieure 43 et de~dents 44 se
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dressant sur elle. Les canaux 8 de deuxième catégorie
s'ajustent encore dans les créneaux 45, analogues aux
crénaux 40, séparant les dents 44. La plaque 5 est
maintenue en place par la portée inférieure 43 d'une
autre pièce d'extrémité 50 qu'on pose sur la précédente
et qui recevra une autre plaque 5.
Une pièce d'extrêmité 51 en forme de plaque
trouée, à travers laquelle passent les extrêmités des
canaux 8 de deuxième catégorie de tout l'empilement des
plaques 5, est illustrée à la figure 12. Cette plaque
trouée 51 est de structure unitaire dès l'origine.
Des distributeurs analogues aux prêcédents
peuvent communiquer aux canaux 7 et 9 de première et de
troisième catégorie, mêmè si les côtés latéraux de
l'empilement des plaques 5 ne sont pas revêtus. Les
jonctions des plaques 5 sont brasées ou collées, aucune
matière d'étanchéité n'étant nécessaire.
L!invention peut être appliquêe à des
canaux dont le diamètre hydraulique est d'environ 0,5
mm, avec un colt de fabrication bas.
