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ÉCHANGEUR THERMIQUE
PROCÉDÉS ET MOYENS DE FABRICATION DE CET ÉCHANGEUR
L'invention se rapporte à un échangeur thermique, d'un type entiêrement
nouveau, ainsi
qu'à ses procédés et à ses moyens de fabrication.
Les échangeurs de chaleur entre deux fluides sont utilisés partout où l'on a
besoin de
récupérer ou d'évacuer de la chaleur, sans pour autant mélanger le fluïde qui
la transporte
avec le fluide qui l'évacue. Dans les échangeurs thermiques, au moins l'un des
deux fluides
1o est confiné, c'est-à-dire forcé dans sa totalité de circuler dans un espace
limité, cependant que
l'autre peut ne l'être que partiellement ou pas du tout. C'est le cas, par
exemple, des radiateurs
de chauffage central à eau chaude, suivant qu'ils sont ou non partiellement
coffrés. C'est
également le cas de l'échangeur thermique d'une pompe à chaleur, parcouru par
un gaz froid
et immergé dans un cours d'eau. Lorsque les deux fluides concernés doivent
être confinés,
notamment pour pouvoir être récupérés et recyclés, l'échangeur thermique à
utiliser doit alors
comprendre une ou plusieurs pièces actives internes, entourées par une pièce
externe ou
enveloppe, toutes pourvues de tubulures de connexion, la pièce externe étant
généralement
calorifugée.
Il existe plusieurs modes de fonctionnement des échangeurs thermiques : à
contre-
2o courant, co-courant et à courants croisés. L'avantage d'un échangeur,
opérant à contre-
courant, est qu'il permet de transférer, du fluide chaud vers le fluide froid,
pratiquement toute
la différence de température qui existe entre eux. L'échangeur co-courant ne
permet que
d'atteindre une température intermédiaire entre celles des deux fluides. Quant
à l'échangeur à
courants croisés, sa structure étant différente de celle des précédents, il
est moins efficace que
celui à contre-courant mais cependant bien adapté à des usages particuliers
(radiateurs usuels
d'automobile, par exemple).
Les échangeurs thermiques doivent tous, pour avoir une efficacité maximale,
présenter
les caractéristiques suivantes . avoir (1) des surfaces actives, c'est-à-dire
participant
directement à l'échange thermique, aussi grandes que possible, (2) des
épaisseurs de passage
3o pour les deux fluides, à la fois faibles et sensiblement constantes tout le
long des surfaces
actives, afm que pratiquement toute la masse du ou des fluides confinés
participe à l'échange,
et (3) une section totale de passage importante pour le ou les fluides
confinés, proportionnelle
à la puissance thermique à échanger, afin de minimiser les pertes de charge.
Dans de nombreuses applications industrielles, les parois actives des
échangeurs
thermiques à contre-courant utilisés, sont réalisées en un métal bon
conducteur de chaleur,
adapté aux fluides concernés. De l'acier ïnoxydable d'un type particulier,
donc onéreux, est,
par exemple, nécessaire dans le cas où l'un des deux fluides est relativement
corrosif (eau de
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mer, par exemple). Plusieurs modèles métalliques d'échangeurs thermiques entre
deux fluides
confinés circulant à contre-courant, existent sur le marché. Ils sont, pour la
plupart, constitués
par un empilement de plaques rectangulaires de grandes dimensions, séparées
les unes des
autres par des joints étanches, et par des chambres de raccordement permettant
à chacune des
faces de ces plaques d'être en contact avec un fluide différent. Pour être en
accord avec les
caractéristiques de tous les échangeurs thermiques visées ci-dessus, ce type
d'appareil est
nécessairement lourd et encombrant dans les trois dimensions. Afin de réduire
les pertes, sa
forme optimale se rapproche du cube. Ces deux inconvénients s'ajoutent à celui
de leur coût
de fabrication élevé, qui résulte du nombre d'opérations à effectuer,
proportionnel au nombre
l0 de plaques à assembler. Dans le cas d'un échangeur thermique pour fluide
corrosif, iI faut en
outre tenir compte du prix relativement élevé du métal utilisé.
On utilise également des échangeurs thermiques à contre-courant en matière
plastique,
pour les qualités d'inaltérabilité de ce matériau, qui leur permettent de
supporter sans
dommage la plupart des fluides corrosifs. A ce premier avantage, s'ajoutent
leur poids et leur
coût de matière première plus faibles. Ensemble, ces avantages compensent
largement le
déficit de conductivité thermique des matériaux plastiques et Ie fait que la
température
maximale des fluides concernés doit généralement être inférieure à I00 ou
120°C. Jusqu'à
présent, il est courant de réaliser en plastique des échangeurs thermiques
entre deux fluides
confinés circulant à contre-courant, au moyen d'un faisceau de tuyaux de petit
diamètre,
relativement longs, installés en quinconce dans un tuyau de grand diamètre.
Les fluides
interne et externe aux petits tuyaux circulent en sens inverse. L'avantage des
tuyaux de petit
diamètre est, bien entendu, d'augmenter au mieux les surfaces actives
d'échange pour une
section donnée du gros tuyau et de diminuer les épaisseurs maximales de fluide
entourant ces
petits tuyaux, ce qui améliore les échanges enire l'intérieur et l'extérieur
de ces tuyaux. Mais
ce type d'échangeurs thermiques présente un inconvénient majeur qui vient de
ce qu'il faut
réaliser un branchement étanche aux deux extrémités de chaque tuyau et, en
outre, s'assurer
que le faisceau constitué est, sur toute sa longueur, régulièrement disposé à
l'intérieur du gros
tuyau. Cela, pour que toutes les parois des tuyaux intérieurs soient entourées
de la même
épaisseur réduite de fluide, afin que l'échange thermique puisse s'effectuer
dans les
3o meilleures conditions. Cette opération de montage est, elle aussi,
relativement coûteuse, du
fait du grand nombre d'opérations minutieuses d'assemblage et de soudure
qu'elle comporte.
Dans le cas de certains dispositifs d'échange thermique entre un fluide
confiné et Pair
extérieur, incorporés aux réfrigérateurs et/ou congélateurs, tels que ceux
décrits dans la
demande de brevet européen publié sous le N° EP 1 122SOS A1, le Og août
2001, les
échangeurs thermiques élémentaires qui les constituent sont métalliques et
formés par deux
plaques rectangulaires ondulées et/ou pourvues de bossages. Ces plaques
comportent deux
bagues de connexion installées en deux coins opposés et elles sont
symétriquement montées
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l'une sur l'autre, de manière à pouvoir constituer des éléments creux et
plats, pourvus d'une
entrée et d'une sortie diamétralement opposées. Les bords périphériques de
chaque paire de
plaques et de bagues sont soudés les uns aux autres, d'une manière continue,
et les zones de
contact des bossages ou les lignes de contact des sommets des ondulations,
soudées par des
points relativement espacés. Pour diminuer le coût de l'assemblage de
plusieurs échangeurs
thermiques élémentaires creux et plats de ce genre, des procédés automatiques
ont été
développés, notamment celui décrit dans le brevet US N° 4,860,421 du 29
août 1989.
Le premier objet de l'invention est un procédé pour fabriquer un échangeur
thermique
l0 élémentaire, d'un type entièrement nouveau, dont les spécifications sont
les suivantes : être
monobloc, c'est-à-dire sans assemblage ni soudure, et avoir grande efficacité,
encombrement
limité, poids réduit, faible coût de production et, généralement,
inaltérabilité intrinsèque, à
l'égard des fluides corrosifs.
Le deuxième obj et de l' invention est un tel échangeur thermique élémentaire,
is comportant une pièce active unique compacte.
Le troisième objet de l'invention concerne un tel échangeur thermique
élémentaire,
facile à fabriquer à l'aide des machines-outils et des équipements usuels de
production
automatique de l'industrie.
Le quatrième objet de l'invention est une ébauche de cet échangeur thermique
2o élémentaire, qu'une opération simple peut transformer en pièce active de
cet échangeur.
Le cinquième objet de l'invention est un moule particulier, adapté à Ia
fabrication d'une
telle ébauche de la pièce active de cet échangeur thermique élémentaire.
Selon l'invention, un procédé pour fabriquer un échangeur thermique
élémentaire
25 monobloc, à grande efficacité, encombrement limité, poids réduit, faible
coût de production
et, généralement, inaltérabilité intrinsèque, est caractérisé en ce qu'il
comprend les étapes
suivantes
- réaliser dans un moule, par thermosoufflage ou hydroformage, une ébauche en
un
matériau adéquat, constituée par un empilement de soufflets globalement
biconvexes,
3o relativement profonds en regard de la dimension transversale de l'ébauche
et comparables à
ceux d'un accordéon, lesdits soufflets comportant des parties centrales
allongées, pourvues de
raccords d'extrémités, de flancs, de crêtes et de fonds ayant respectivement
des formes
adaptées à ce que ces flancs aient une raideur beaucoup plus grande que celles
des fonds et
des crêtes, ledit empilement étant de son côté pourvu de deux tubulures de
connexion,
35 centrées sur les axes d'empilement desdits raccords d'extrémités ;
- les éléments constitutifs de cette ébauche étant à températures, souplesses
et élasticités
appropriées, leur appliquer une dépression interne etlou des forces de
compression externes,
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parallèle à l'axe d'empilement des soufflets, puis relâcher et/ou arrêter ces
dépression et/ou
forces de compression, lorsque la pièce comprimée ainsi réalisée devient un
empilement de
paires de plaques creuses, communicantes et globalement symétriques, à
épaisseur interne et
écartement faibles, sensiblement constants;
- si nécessaire, après le refroidissement de la pièce ainsi réalisée, entourer
celle-ci d'un
organe en assurant le serrage, afin de maintenir à leurs valeurs initiales les
écarts entre les
parois des paires de plaques.
Selon une caractéristique particulière de ce procédé, le moule à utiliser pour
sa mise en
oeuvre comporte des rainures évasées, à crêtes et fonds rectilignes, étroits
et parallèles, les
l0 flancs de ces rainures sont gaufrés, les bosses d'un flanc faisant face aux
creux de l'autre.
Selon deux caractéristiques complémentaires de la précédente, les plans moyens
des
flancs gaufrés du moule forment des angles de 20 à 30° avec leur plan
de symétrie et leurs
raccords d'extrémités ont des profils de surfaces retournables.
Selon l'invention, un échangeur thermique élémentaire monobloc à grande
efficacité,
encombrement limité, poids réduit, faible coût de production et, généralement,
inaltérabilité
intrinsëque, est caractérisé en ce que
- il est constitué par une pièce active unique, sans assemblage ni soudure,
formée par un
empilement de paires de plaques allongées, creuses, communicantes et
globalement
symétriques ;
- les faces internes des parois de chaque plaque creuse, de même que les faces
externes
des parois de deux plaques creuses contiguës, sont en tous points séparées les
unes des autres
par des espaces ëtroits, sensiblement constants ;
- ces paires de plaques creuses constituent les conduits élémentaires de la
pièce active
qui comportent des parties centrales dont les deux extrémités sont reliées les
unes aux autres,
par deux raccords creux ;
- chaque conduit élémentaire de la pièce active possède deux collecteurs
d'alimentation
dont les axes sont confondus avec les axes d'empilement des raccords
d'extrémités ;
- l'une des extrémités de chaque collecteur se termine par une tubulure de
connexion de
la pièce active.
3o Selon une caractéristique particulière de cet échangeur thermique, les
parois des paires
de plaques creuses sont gaufrées et globalement symétriques, cependant que
leurs plans
longitudinaux moyens sont perpendiculaires à leur plan de symétrie.
Selon une autre caractéristique particulière de cet échangeur thermique
élémentaire, les
parois des paires de plaques creuses sont gaufrées et globalement symétriques,
cependant que
leurs plans longitudinaux moyens forment ensemble des dièdres de 120 à
160° et que leurs
raccords creux d'extrémités ont été réalisés à partir de surfaces
retournables.
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Grâce à ces dispositions, on peut réaliser, au moyen de techniques connues,
plusieurs
types d'échangeurs thermiques élémentaires, satisfaisant les spécifications
énoncées plus haut.
Pour ce faire, on utilisera les techniques de thermosoufflage ou
d'hydroformage. Le
thermosoufflage est la mise en forme à chaud, sous forte pression pneumatique,
de polyméres
5 ou de verre. Cette technique est utilisée pour la fabrication de récipients,
flacons et bouteilles
de toutes sortes, aux formes relativement complexes. L'hydroformage est
l'emboutissage à
froid, sous très forte pression hydraulique, de tubes ou de plaques
métalliques. Cette
technique est utilisée dans de nombreuses industries, pour réaliser des pièces
creuses ou des
composants aux formes complexes.
lo Les spécialistes du thermosoufflage savent par expérience que les
récipients, réalisés par
cette technique, ne peuvent avoir des parois à épaisseur constante, dès lors
que ces récipients
comportent des parties creuses relativement étroites et profondes. Dans le cas
de la présente
invention, au cours d'une opération de thermosoufflage, les éléments de la
tranche de paraison
(la masse pâteuse creuse de verre ou de polymère à mettre en forme, en langage
de verrier),
comprise entre les bords extérieurs de deux crêtes contiguës parallèles des
rainures évasées du
moule utilisé pour la fabrication d'une ébauche à soufflets, connaissent des
sorts différents en
fonction de leur position par rapport à ces crêtes. Le long des crêtes du
moule, se forment les
fonds des soufflets de l'ébauche et l'épaisseur de ces fonds est sensiblement
celle de la
paraison. Le long des flancs du moule, la tranche de paraison initialement
plane, comprise
2o entre les bords intérieurs des crêtes du moule, se gonfle et, en diminuant
progressivement
d'épaisseur, s'applique sur les flancs des rainures du moule. A la fin, si
tout a été prévu pour
que tout se passe bien, elle devient relativement mince ou très mince et elle
s' applique sur le
fond de la rainure, pour former la crête de l'ébauche, sinon cette crête est
trouée et l'ébauche
réalisée, inutilisable. En cas de bonnes conditions de fabrication,
l'épaisseur des fonds des
soufflets d'une telle ébauche est supérieure à l'épaisseur moyenne de leurs
flancs et très
supérieure à l'épaisseur de leurs crêtes. Le rapport entre les épaisseurs des
fonds et des crêtes
des soufflets dépend du rapport entre la largeur de la tranche de paraison
comprise entre deux
crêtes des rainures du moule et le double de leur profondeur ou encore du
sinus du demi-angle
du dièdre formé par les plans moyens des flancs des rainures. En deçà d'une
valeur minimale
3o de ce demi-angle, les crêtes des soufflets ne peuvent pas être complètement
formées. La
valeur optimale de ce demi-angle est comprise entre 20 et 30°, le
minimum étant imposé par
l'angle minimal de formation correcte des crêtes de la pièce thermosoufflée et
le maximum
par l'angle maximal de retournement des surfaces des raccords d'extrémité des
soufflets. Les
considérations précédentes s'appliquent sans grand changement aux opérations
d'hydroformage de paraisons métalliques.
Dans un premier cas de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, en
utilisant un
polymère ou un métal relativement souple et élastique à froid, (du
polyéthylène ou du laiton,
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par exemple) il est simple, grâce aux techniques connues de thermosoufflage et
d'hydroformage, de fabriquer une ébauche, selon l'invention, qui comporte des
soufflets à
flancs gaufrés dont les plans longitudinaux moyens forment des dièdres
présentant un demi-
angle trop important, 45° par exemple, qui empêche tout retournement de
leurs raccords
d'extrémité. Ensuite, comme les crêtes et les fonds des soufflets sont
beaucoup moins raides
que les flancs, il est aisé (1) d'écraser à froid cette ébauche, pour lui
donner la forme d'un
empilement de paires de plaques creuses, globalement symétriques et
communicantes, ayant
des épaisseurs internes et des espacements faibles et sensiblement constants
et des plans
longitudinaux moyens perpendiculaires à leur plan de symétrie et (2) de lui
conserver cette
lo forme initiale au moyen d'un organe approprié en assurant le maintien par
serrage.
Dans un deuxième cas de mise oeuvre du procédé selon l'invention, en moulant
une
ébauche, de forme identique à celle de la précédente, en verre ou en un
polymère souple à
chaud et relativement raide à froid (du polypropylène, par exemple), puis en
procédant à
chaud à un écrasement approprié de cette ébauche pour lui donner la forme
recherchée et
i5 ensuite en laissant refroidir la pièce ainsi réalisée, dans un gabarit
adéquat, la forme donnée à
cette pièce est stable et définitive. Tout organe pouvant en assurer le
maintien par serrage
devient alors totalement inutile.
Dans ces premier et deuxième cas, grâce à la caractéristique particulière du
procédé
défini plus haut, les flancs des soufflets de l'ébauche réalisée sont gaufrés.
Du fait de ce
2o gaufrage, (une succession alternée de creux et de bosses, en forme de toits
à quatre pentes, par
exemple) le moment d'inertie des parois par rapport à leur plan moyen augmente
énormément
et, en conséquence, la raideur des flancs des soufflets devient très grande
(>100) par rapport à
celles de leurs fonds, bien que l'épaisseur de ceux-ci soient, en cas de
thermosoufflage,
beaucoup plus grande que l'épaisseur moyenne des flancs des soufflets. En
conséquence, dans
25 ces deux cas, les crêtes et les fonds des soufflets se comportent en
charnières relativement
souples dans le premier cas et très souples dans le deuxième. En effet, le
rapport entre la
raideur des flancs gaufrés et celle des fonds relativement épais des soufflets
de l'ébauche
augmente rapidement peu aprës sa sortie du moule puisque les flancs
relativement minces se
refroidissent beaucoup plus vite que les fonds relativement épais. Dans les
deux cas, la raideur
3o importante des parois gaufrées des plaques creuses interdit toute
déformation ultérieure de
leur empilement.
Dans un troisième cas de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les
plans moyens
des flancs gaufrés relativement profonds des soufflets forment des dièdres
d'environ 50° et
leurs raccords d'extrémités sont des surfaces retournables. Dans ces
conditions, en conservant
35 le matériau de l'ébauche du deuxième cas visé plus haut, sous l'action de
la dépression interne
et/ou des forces de compression externes appliquées à cette ébauche, les
surfaces convexes de
ses demi-soufflets soumises à cette force basculent et deviennent concaves et
ils le demeurent,
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grâce au retournement stable des flancs des raccords d'extrémités de ces demi-
soufflets. En
dépit de la force de cambrage engendrée par le retournement de ces raccords
d'extrémités, est
interdite toute courbure ultérieure des plans longitudinaux moyens de ces
plaques gaufrées
particulièrement raides.
On notera, dans ce troisième cas de mise en oeuvre du procédé selon
l'invention, que le
retournement des soufflets de l'ébauche ne concerne réellement que les
raccords d'extrémité
de ces soufflets, puisque leurs parties centrales ne subissent qu'un simple
repli, mais le
retournement de ces raccords d'extrémités assure le maintien et la stabilité
de ces replis. Un
tel retournement est stable par le fait que les raccords d'extrémités des
parties centrales des
io soufflets, sont des surfaces retournables, des demi-troncs de cône, par
exemple. Ces surfaces
possèdent une telle propriété parce que la profondeur des soufflets et de
leurs raccords
d'extrémités est suffisamment importante en regard de la dimension
transversale de
l'ébauche. Une telle disposition est nécessaire puisque deuxième
caractéristique obligatoire
d'une surface retournable, la première étant, dans le cas d'un tronc de cône,
un demi-angle au
sommet inférieur à environ 60°. On sait en effet que le retournement
d'une surface
retournable comporte une courte phase de flambage entre les deux états stables
de cette
surface. Un tel flambage de transition ne peut exister que dans le cas où les
flancs des
soufflets sont à la fois, pas trop écartés les uns des autres et, relativement
profonds en regard
de la dimension transversale de l'ébauche, compte tenu de l'épaisseur de leur
paroi et du
Zo module d'Young du matériau utilisé. A titre indicatif, la profondeur des
soufflets pourra, par
exemple, compte-tenu de ces deux paramètres, varier de 95 à 50% du rayon de
raccords
d'extrémité tronconiques. On notera pour finir que, dans le cas d'un
accordéon, cette
dimension relative des soufflets est, en général, de 10 à 15% seulement, ce
qui a pour effet de
permettre de plier et de déployer sans effort leurs raccords d'extrémités, en
l'absence de tout
phénomène bistable.
Selon l'invention, un échangeur thermique entre deux fluides confinés, qui
comprend
dans une enveloppe un ou plusieurs de ces échangeurs élémentaires, est
caractérisé en ce que ;
- l'enveloppe est formée par deux demi-coquilles qui entourent complètement
d'une
manière étanche ce ou ces échangeurs élémentaires, en en épousant la ou les
formes
extérieures globales, tout en ménageant des espaces étroits à leur égard et en
gardant contact
avec les lignes centrales externes de leurs deux plaques creuses d'extrémités
;
- chaque demi-coquille enveloppe une moitié longitudinale d'un échangeur
élémentaire
ou de l'ensemble formé par plusieurs échangeurs et comporte, à chacune de ses
extrémités,
une ou plusieurs demi-tubulures de connexion, et dans son fond, une ou
plusieurs ouvertures
de fixation ;
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- les bords de ces demi-coquilles et de ces demi-tubulures sont fixés les uns
aux autres
d'une manière étanche, et le ou les bords de cette ou de ces ouvertures, fixés
de même à l'une
des deux tubulures de connexion de cet échangeur ou de chacun de ces
échangeurs.
Selon l'invention, le moule pour fabriquer une ébauche de la pièce active de
l'échangeur
thermique élémentaire, définie plus haut, comprend deux mâchoires métalliques,
en forme de
blocs parallélépipédiques, symétriques par rapport à leur plan de joint ;
- dans chacun de ces blocs, sont creusées des rainures évasées, relativement
longues, à
crêtes et fonds rectilignes étroits et parallèles, dont les deux flancs sont
gaufrés, creux et
bosses de l'un faisant face aux bosses et creux de l'autre,
lo - les crêtes des bossages de séparation des rainures sont parallèles au
plan de joïnt et
elles présentent, à l'égard de ce plan, un écart supérieur à leur propre
largeur ;
- les angles formés avec leur plan de symétrie par les plans longitudinaux
moyens des
flancs gaufrés de chacune des rainures du moule sont supérieurs à un angle
minimal imposé
pour les conditions de moulage correct de l'ébauche et, de préférence,
inférieur l'angle
maximal de retournement des raccords d'extrémités de l'ébauche à réaliser, cet
angle maximal
étant imposé par la limite de rupture du matériau utilisé ;
- les extrémités des flancs et des fonds des rainures se rejoignent pour
former deux
surfaces symétriques, le cas échéant, à profil retournable, tels des demi-
troncs de cône, qui
aboutissent au plan de joint du moule, les deux axes d'empilement de ces deux
surfaces étant
2o situés dans ce plan de joint ;
- ces deux axes d'empilement étant ceux des futurs collecteurs d'alimentation
des
conduits élémentaires de ladite pièce active, des portions coaxiales de
cylindre sont taillées
dans chacun des bossages séparant deux rainures contiguës, afin de délimiter
ces collecteurs ;
- à l'une des extrémités de chacun de ces axes est aménagée une cavité semi-
cylindrique, destinée à mouler la moitié de l'une des deux tubulures de
connexion d'un
échangeur élémentaire ;
- l'une de ces cavités semi-cylindriques débouche sur l'extérieur.
Un procédé pour fabriquer par thermosoufflage une ébauche en verre ou en
polymère de
la pièce active de l'échangeur thermique élémentaire selon l'invention, défini
ci-dessus,
3o comprend les étapes suivantes
- au moyen d'une extrudeuse, réaliser, avec le matériau choisi, une paraison
creuse
relativement plate ;
- introduire cette paraison entre les deux mâchoires du moule défini ci-dessus
;
- fermer les mâchoires du moule et, à cette occasion, sceller par soudure les
extrémités
haute et basse de la paraison en place ;
- insérer une buse dans la cavité ouverte des mâchoires du moule et lui faire
perforer la
paraison ;
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- appliquer un court instant, à l'intérieur de la paraison, une pression
pneumatique
élevée, de manière à réaliser à chaud par thermosoufflage une ébauche de la
pièce active, qui
reproduit les rainures du moule et ressemble aux soufflets biconvexes d'un
accordéon ;
- retirer la buse, ouvrir les mâchoires du moule et enlever l'ébauche.
Un procédé pour fabriquer par hydroformage, une ébauche en métal de la pièce
active
de l'échangeur thermique élémentaire selon l'invention, défini ci-dessus,
comprend les étapes
suivantes
- introduire un tube métallique aplati de longueur appropriée, entre les deux
mâchoires
d'un moule à haute résistance mécanique, du type défini ci-dessus, puis fermer
ces mâchoires
lo et, à cette occasion, sceller les extrémités du tube en place ;
- insérer une buse dans la cavité ouverte du moule, de façon qu'elle soit
engagée d'une
manière étanche dans ce tube ;
- appliquer un très court instant, à l'intérieur du tube, une pression
hydraulique élevée,
adaptée à plaquer le métal sur les parois du moule, afin de réaliser à froid
une ébauche à
parois minces de la pièce active, qui reproduit les rainures du moule et
ressemble aux
soufflets biconvexes d'un accordéon ;
- retirer la buse, ouvrir les mâchoires du moule et enlever l'ébauche.
Grâce à l'ensemble de ces dispositions, on réalise totalement les objets de
l'invention, à
2o savoir des échangeurs thermiques, adaptés à opérer à contre-courant,
conformes aux trois
caractéristiques et aux spécifications visées plus haut. On notera plus
particulièrement que les
échangeurs thermiques monoblocs selon l'invention ont un coût de production
limité,
principalement dû à l'absence totale d'opérations d'assemblage et de soudure
de la pièce
active. Cette absence de soudures est de plus une caractéristique
particulièrement appréciable
dans tous les domaines de l'industrie qui connaissent des vibrations.
L'efficacité des échangeurs thermiques selon l'invention dépend de la
conductibilité
thermique et donc de l'épaisseur des parois de leur pièce active. Cette
épaisseur est une
fonction, d'une part, de l'épaisseur de la paraison ou du tube métallique
visés plus haut et,
d'autre part, du rapport de leur circonférence et du périmètre de la section
droite de l'ébauche.
3o Un même moule permet de réaliser des ébauches dont l'épaisseur des parois
peut, en général,
varier du simple au double.
La grande surface d'échange nécessaire à tout échangeur thermique est aisément
obtenue dans le cadre de l'invention puisque les plaques creuses de la pièce
active peuvent
être nombreuses (jusqu'à 30, par exemple) et relativement longues (de 50 à 150
cm, par
exemple). Cela compense la largeur individuelle relativement limitée de ces
plaques, lorsque
l'épaisseur moyenne de leurs parois est faible. En effet, toute pression
différentielle notable,
affectant des plaques creuses à parois minces, entraîne leur déformation, plus
ou moins
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importante en fonction de leur largeur, et donc soit un écrasement de leurs
espaces de
séparation et une augmentation de leur épaisseur interne, soit le contraire.
L'une ou l'autre de
ces déformations entraînerait une diminution de l'échange thermique réalisé.
Ces
déformations sont toutefois très réduites avec des plaques creuses à parois
gaufrées. La grande
5 raideur de parois minces gaufrées autorise des largeurs de plaques allant
jusqu'à 125 mm.
Lorsque l'on utilise du verre pour fabriquer la pièce active de l'échangeur,
les effets
négatifs d'une telle pression différentielle peuvent cependant être assez
facilement
compensés, si l'on donne aux plaques creuses une largeur relativement plus
importante que
celle indiquée plus haut, tout en augmentant l'épaisseur des parois gaufrées
de ces plaques.
i0 Comme le verre a une conductivité thermique double de celle de l'eau, cette
double
augmentation devient aisément possible pour de nombreuses applications. On
notera que la
tenue en surpression relative de la pièce active d'un échangeur thermique
pourvu d'une
enveloppe est importante (deux à trois bars, pour des parois de pièce active
de 0,5 mm). En
revanche, toute pression à l'intérieur de l'enveloppe qui serait trop
supérieure (au-delà de 100
millibars, par exemple) à celle à l'intérieur de la pièce active entraînerait
un écrasement de
cette pièce. Ce cas particulier d'utilisation d'un échangeur thermique selon
l'invention est
donc à proscrire.
Les faibles épaisseurs respectives de passage des fluides dans l'échangeur
sont
déterminées par l'épaisseur interne des plaques creuses et par celle de leurs
espaces de
séparation, ces deux épaisseurs étant sensiblement égales lorsque les deux
fluides concernés
sont de même nature. En revanche, lorsque l'un est un gaz et l'autre un
liquide, leurs débits
massiques et leurs capacités calorifiques respectifs seront pris en
considération pour
déterminer au mieux les épaisseurs des passages à réaliser.
La section totale de passage du fluide confiné dans l'échangeur est le produit
de la
section de chaque conduit élémentaire, formé par chaque paire de plaques
creuses de la pièce
active, par le nombre de ces plaques. La surface de la section d'un conduit
élémentaire est
limitée pour les raisons exposées plus haut mais le nombre de plaques creuses
peut être
relativement grand. En outre, lorsque la puissance thermique à échanger est
importante, il est
aisé de monter en parallèle plusieurs échangeurs thermiques, pourvus ou non
d'enveloppes ou
3o encore, d'installer plusieurs échangeurs thermiques élémentaires en
parallèle dans une
enveloppe unique.
Pour ce qui est de l'encombrement réduit d'un échangeur thermique selon
l'invention, il
découle du fait que, malgré une grande longueur possible, les deux dimensions
de la section
droite de son enveloppe sont relativement faibles et proches l'une de l'autre
dès lors qu'il ne
comporte qu'une seule pièce active.
Pour ce qui est de son faible poids, il découle du fait que le polymère
utilïsé (du
polypropylène, par exemple) a une densité relativement faible et que les
parois de la pièce
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active et de son enveloppe, qui ensemble constituent l'appareil, ont des
épaisseurs a priori
limitées. Dans le cas de piéces actives en métal (acier inox ou titane, par
exemple), l'épaisseur
des parois peut demeurer faible du fait de la résistance mécanique élevée du
métal, ce qui en
compense la densité plus grande et permet à l' ensemble de conserver un poids
réduit. Une
telle propriété sera moins caractérisée dans le cas du verre.
On notera ici que la bonne tenue aux fluides corrosifs est une propriété
intrinsèque de la
plupart des polymères susceptibles d'étre utilisés pour la fabrication des
pièces composant
l'échangeur thermique selon l'invention. Il en est évidemment de même du verre
et des
métaux spéciaux, prévus à cet effet.
lo Quant au prix de fabrication réduit l'appareil, il découle (1) du fait que,
dans le cas d'un
échangeur thermique pour deux fluides confinés, qui ne comporte qu'une seule
pièce active
monobloc, il comprend au plus trois piéces faciles à fabriquer et à assembler,
(2) du petit
nombre d'opérations automatiques à réaliser à cet effet et (3) de
(amortissement, sur un très
grand nombre d'unités, du prix généralement élevé des moules. Quant aux
équipements
automatiques de mise en oeuvre des procédés de fabrication, on notera qu'ils
sont courants
dans les ateliers de fabrication de récipients de toutes formes, en plastique,
en verre ou en
métal, et que les aménagements et les compléments à leur apporter selon
l'invention, sont à la
portée de tout professionnel du métier concerné.
On notera que l'emploi d'un polymère adéquat, et notamment du polypropylène,
de
l'ABS ou du pol~carbonate, pour la fabrication des échangeurs thermiques
élémentaires selon
l'invention, sera le cas le plus général. Il en sera ainsi pour les radiateurs
de chauffage et, plus
généralement, de climatisation de l'intérieur des automobiles, qui
comporteront un échangeur
thermique élémentaire et son enveloppe. Dans ces radiateurs, l'eau de
refroidissement du
moteur ou le fluide réfrigérant circulera dans la pièce active et, à contre-
courant tout autour de
cette pièce, un flux d'air forcé. Un autre exemple, comparable au précédent,
est celui des
échangeurs thermiques de condensation, utilisés dans les lave-vaisselle et les
sèche-linge. Un
autre exemple particulier est celui des radiateurs de chauffage central à eau
chaude qui, en
général, utiliseront plusieurs échangeurs thermiques élémentaires nus (sans
enveloppe),
installés en parallèle. Il en sera de même pour les échangeurs thermiques des
pompes à
3o chaleur, installés dans un courant d'eau. Les échangeurs élémentaires en
verre permettront de
satisfaire les besoins de nombreux laboratoires de chimie. Quant à ceux
réalisés en un métal
approprié, ils satisferont les souhaits des certaines industries de haute
technologie qui traitent
des fluides corrosifs à température élevée. On notera que des échangeurs
thermiques aux
dimensions réduites permettent de satisfaire les constructeurs de matériels
électroniques qui
souhaitent disposer de moyens plus efficaces pour refroidir certains
composants de leurs
appareils et notamment les microprocesseurs et les transistors de puissance.
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Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'une manière
plus précise
des descriptions qui vont suivre, de formes de réalisation, données à titre
d'exemples non
limitatifs, illustrées par les dessins ci-après dans lesquels
- la figure 1 représente à droite en Al, une section longitudinale selon le
plan 17 des
figures 2 et 3, ci-après, (section simplifiée) d'un échangeur thermique
élémentaire selon
l'invention, au centre, une section longitudinale simplifiée B1 de l'ébauche
de cet échangeur
et, à gauche, une vue de face réelle C1 de cette ébauche ou de cet échangeur,
(les illustrations
simplifiées A1 et B1 comportent un effacement des gaufrages) ;
- la figure 2 représente des sections transversales réelles A2, B2 et C2 de
deux
l0 échangeurs thermiques élémentaires selon l'invention, réalisées suivant
l'axe de coupe CC'
qui passe le long de la ligne médiane entre un creux et une bosse du gaufrage
des parois de
l' échangeur représenté en C 1 ;
- la figure 3 représente des demi-sections transversales réelles décalées A3,
B3 et C3 de
deux échangeurs thermiques élémentaires selon l'invention, réalisées suivant
les axes de
coupe décalés AA' et BB', qui traversent respectivement un creux et une bosse
du gaufrage
des parois de l'échangeur représenté en Cl ;
- la figure 4 représente une vue en perspective simplifiée du bloc constituant
le demi-
moule de fabrication de l'ébauche de la pièce active de l'échangeur thermique
élémentaire
selon l'invention ;
- la figure 5 représente en perspective simplifiée la moitié de chacune des
deux demi-
coquilles de l'enveloppe d'un échangeur thermique élémentaire selon
l'invention.
- la figure 6 représente la vue de face de la paroi gaufrée d'une plaque
creuse d'un
échangeur thermique monobloc ou de l'un des flancs gaufrés du moule concerné ;
- la figure 7 représente la vue en coupe de deux plaques creuses contiguës à
parois
gaufrées d'un tel échangeur.
Les figures l, 2 et 3 concernent deux formes de réalisation d'un échangeur
thermique
élémentaire selon l'invention. Pour l'un, les plans longitudinaux moyens des
paires de plaques
creuses allongées de ces échangeurs forment ensemble des dièdres de
150° (sections A2 et
A3) et, pour l'autre, ils sont perpendiculaires à leur plan de symétrie
(sections B2 et B3). Dans
le premier cas, l'échangeur a été réalisé par compression et retournement des
soufflets et des
raccords d'extrémités d'une ébauche en forme d'accordéon et, dans le second,
par
compression symétrique de ces soufflets et de ces raccords.
La vue C1 fait apparaître le gaufrage des parois d'extrémité d'un échangeur
thermique
élémentaire ou d'une ébauche de cet échangeur. Ce gaufrage est formé par une
succession
alternée de creux 120 et de bosses 122, en forme de toits à quatre pentes
(décrits en détail à la
figure 6). Trois plans de coupe transversaux décalés sont pratiqués pour
pouvoir décrire les
conséquences géométriques de ce gaufrage : les demi-plans AA' et BB' à travers
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respectivement une bosse 122 et un creux 120 de la paroi d'une plaque et le
plan CC', le long
de la ligne de séparation des creux et des bosses d'une paire de plaques.
Selon la figure 2, la section transversale A2 fait apparaître la section
droite 10, suivant
le plan de coupe CC', de la pièce active d'un échangeur de petites dimensions
et celles 11 a-b
des deux demi-coquilles de son enveloppe. La section 10 de la pièce active a
la forme d'une
colonne vertébrale de poisson, pourvue de sept paires d' arêtes creuses 12 a-
b, obliques et
parallèles entre elles. La cavité intérieure 14 de chaque arête 12 a-b est
étroite (2 mm, par
exemple) et les deux arêtes globalement symétriques d'une paire communiquent
entre elles
par un canal commun 16, ayant sensiblement la même largeur que l'épaisseur
interne de la
lo cavité 14. Les parois de ces arêtes 12 a-b sont réalisées en polymère, doué
d'une bonne
stabilité mécanique jusqu'à au moins 100°C (du polypropylène, par
exemple) et elles ont 0,5
mm d'épaisseur moyenne et une largeur de 25 mm. L'écart 18 entre deux arêtes
contiguës est
à peu près égal à l'épaisseur interne de la cavité 14. La distance entre les
parois extérieures
13-15, des deux arêtes extrêmes de la section droite 10, est de 35 mm.
La section longitudinale simplifiée A1 (gaufrage effacé) d'une pièce active
20, selon le
plan de coupe décalé 17 de la section A2 fait apparaître sept conduits
élémentaires, constitués
par sept paires d'arêtes creuses allongées globalement symétriques 22,
disposées comme
celles 12 a-b de la section transversale A2. Ces arêtes allongées globalement
symétriques 22
se partagent le canal central commun 16, lequel occupe tout le plan de
symétrie de
l'échangeur. Les arêtes allongées 22 comprennent des parties centrales
rectilignes 23, dont les
extrémités sont reliées entre elles par des demi-troncs de cônes 24 et 26 à
parois creuses. Les
centres de ces deux séries de demi-troncs de cône sont alignés sur deux axes
25 et 27, à la fois
parallèles entre eux, perpendiculaires aux bords extérieurs des plaques
creuses 22, et situés
dans leur plan de symétrie longitudinale. Ces axes 25-27 sont ceux des deux
collecteurs
d'alimentation de chacun des conduits élémentaires, constitués par chaque
paire de plaques
creuses 22. Ces collecteurs débouchent sur les deux tubulures de raccordement
28-30 de la
pièce active 20, lesquelles sont représentées, disposées en sens inverses et
pourvues
d'épaulements de fixation 29-31 (voir sections A1 et C1). L'entraxe des
tubulures 28-30 peut
être important (jusqu'à 150 cm) mais, en pratique, il dépend des possibilités
des machines
3o disponibles pour la fabrication des ébauches des pièces actives des
échangeurs élémentaires.
La coupe transversale B2 est réalisée selon le plan de coupe CC' d'une pièce
active
d'échangeur thermique dont les plans longitudinaux moyens des arêtes creuses
gaufrées sont
perpendiculaires à leur plan de symétrie globale. Les mêmes références sont
utilisées pour les
figures A2 et B2. La seule différence entre les arêtes creuses 12 a-b des deux
figures concerne
les orientations de leurs plans moyens par rapport à leur plan de symétrie
globale.
La section longitudinale B1 de l'ébauche simplifiée 32 (gaufrages effacés) de
la pièce
active 20 et sa section transversale C2 le long du plan de coupe CC', font
apparaître que cette
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ébauche 32 a la forme d'un empilement de soufflets globalement biconvexes 34,
dont les
flancs 33 a-b et 35 a-b sont comparables à ceux d'un accordéon. Sur les
sections Bl et C2, les
soufflets représentés sont, par commodité, au nombre de quatre seulement.
Selon la section
C2, les crêtes opposées 36a et 36b de chaque soufflet sont à la fois arasées,
fines (0,3 mm par
exemple) et larges (2 mm, par exemple) la distance qui sépare ces crêtes étant
de 50 mm
environ, dans le cas de l'exemple retenu. Les fonds 38a-b de ces soufflets
sont plats et ont la
même largeur (2 mm) mais une épaisseur notablement plus importante (1,2 mm,
par
exemple). Dans le cas de l'échangeur de petites dimensions retenu à titre
d'exemple, la base
de chaque soufflet 34 mesure environ 17 mm avec une profondeur de 25 mm. Ces
dimensions
l0 ont permis une .bonne pénétration de la tranche de paraison concernée
jusqu'au fond des
rainures du moule utilisé pour la fabrication de cette ébauche. Dans ces
conditions, l'angle au
sommet formé par les plans moyens de ses flancs 33a-b et 35a-b est d'environ
50°, soit 25°
pour le demi-angle formé par ces plans moyens et leur plan de symétrie
transversale et de 10
ou 40°, pour ceux des facettes planes des creux et des bosses du
gaufrage. Ces derniers demi-
angles sont supérieurs à l'angle minimal de dépouille de toute pièce moulée.
Selon la vue de face réelle C1 et la section longitudinale simplifiée B1, les
extrémités
40 et 42 de chaque soufflet 34 de l'ébauche 32 ont la forme de portions de
demi-troncs de
cône. Les centres de ces portions tronconiques sont alignés sur les axes 25-27
des ébauches
des futurs collecteurs d'alimentation 44-46, lesquels ont, par exemple, 16 mm
de diamètre et
2o aboutissent aux tubulures de raccordement 28 et 30, représentées en A1 et
C1. La dimension
longitudinale des soufflets 34 est, bien évidemment, celle indiquée pour les
arêtes 22 de la
section Al. Les jonctions convexes des flancs 37a-b et 39a-b des deux demi-
soufflets
extérieurs de l'ébauche 32, comportent des bossages longitudinaux 41-43,
destinés à servir
d'appui aux centres des parois convexe et concave de l'enveloppe de la pièce
active 20 (voir
en A2, la section droite l la-b de cette enveloppe). La distance entre les
bossages d'appui 41-
43 est par exemple de 130 mm, pour l'ébauche 32 à sept soufflets visée plus
haut.
La figure 3 représente les coupes transversales A3 et B3 des deux échangeurs
thermiques élémentaires précédents, réalisées selon les demi-plans de coupe
décalés AA' et
BB' de la vue de face C1, qui respectivement traversent un creux et une bosse
du gaufrage des
3o parois des plaques de ces échangeurs. De même, les deux demi-coupes
transversales,
représentées en C3, sont celles d'une ébauche à parois gaufrées, réalisées
selon ces mêmes
demi-plans de coupe. Les références portées sur les coupes des figures 2 et 3
sont identiques.
Les parois des plaques d'un échangeur et celles des soufflets d'une ébauche
représentées sur
les coupes A3, B3 et C3 (demi-plans de coupe AA' et BB') se distinguent de
celles
représentées en A2, B2 et C2 par le fait que, au lieu d'apparaître rectilignes
comme ces
dernières (plan de coupe CC'), les parois des arêtes 12a et celles 33a et 39a
des soufflets 34 de
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la figure 3 présentent une pliure en creux et les parois des arêtes 12b et
celles 33b et 39b de
ces soufflets, une pliure en bosse.
La figure 4 représente une vue perspective simplifiée (gaufrages effacés)
d'une des
mâchoires 52, en forme de bloc parallélépipédique épais 54, du moule 50 de
fabrication de
5 l'ébauche 32. Dans le cas d'une ébauche en polymère ou en verre, le bloc 54
pourra être en
aluminium et, dans le cas oû cette ébauche doit être en métal, ce bloc pourra
être en acier à
haute résistance mécanique. La face supérieure 56 du bloc 54, qui constitue le
plan de joint du
moule, comporte un nombre relativement important de rainures évasées,
allongées, contiguës
62. Ces rainures 62 comprennent une partie centrale globalement rectiligne 64,
possédant une
lo section droite moyenne en forme de trapèze isocèle. Le fond rectiligne 66
de chaque rainure
62 est étroit et correspond~à la petite base du trapèze. Les flancs 68a-b de
ces rainures 62 sont
identiques aux flancs 33a-35a de l'ébauche 32. Les crêtes rectilignes 70 des
bossages de
séparation de ces rainures 62, ont des laxgeurs identiques à celles des fonds
38a-b des
soufflets 34 de la figure 2 (vue C2). Quant aux fonds 66 des rainures 62, leur
largeur est celle
15 de l'épaisseur interne des arêtes plus deux fois l'épaisseur de leurs
parois, soit 3 mm, dans le
cas de l'exemple présenté. Des portions symétriques de troncs de cône 67a-b et
69a-b
(portions supérieures à un quart) constituent des prolongements des flancs
obliques 68a-b des
rainures évasées 62 qui se rejoignent et aboutissent au plan de joint 56 du
moule. Les
extrémités des fonds rectilignes étroits 66 des rainures 62 se prolongent par
des quarts de
2o cylindres 65a-b qui aboutissent au plan de joint 56. Des portions de
surfaces cylindriques 72
et 74, de 16 mm de diamètre, par exemple, taillées dans les bossages de
séparation des
rainures 62, au départ des portions de troncs de cône 67a-b et 69a-b,
constituent des parties de
moule, qui engendreront les bords des ébauches des collecteurs d'alimentation
44 et 46,
représentés sur la vue Bl de la figure 1. Les centres de ces portions de
surfaces cylindriques
72-74 sont alignés sur les axes 25-27 de deux demi-cavités 76 et 78, (12 mm de
diamètre, par
exemple), pourvues de demi-épaulements 77-79. Ces demi-cavités 76-78 sont
creusées dans la
face supérieure du bloc 54 et elles engendreront les tubulures de raccordement
28-30 de
l'ébauche 32 et leurs épaulements 29-31. Ces axes 25-27 sont parallèles entre
eux,
perpendiculaires aux crêtes 70 des bossages de séparation des rainures 62 et
situés dans le
3o plan de joint 56 du moule. La demi-cavité 76 est ouverte sur l'extérieur.
La figure 5 représente en perspective, en AS et B5, les vues partielles
simplifiées
(gaufrage effacé) de deux demi-coquilles 80 et 82 qui, assemblées et soudées,
constituent
l'enveloppe 81 de l'échangeur thermique élémentaire, selon l'invention. Ces
deux demi-
coquilles ont été fabriquées au moyen de techniques banales dans l'industrie
(thermoformage
d'une feuille de polymère ou emboutissage d'une feuille métallique). Chacune
de ces demi-
coquilles 80-82 est destinée à envelopper une moitié longitudinale de la pièce
active 20 de
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l'échangeur élémentaire et à former les moitiés des deux tubulures de
raccordement 94 et 110
de l'enveloppe 81.
La vue partielle AS de la demi-coquille 80 fait apparaître une paroi
extérieure convexe
84, comportant, tout autour, un méplat continu étroit 85 et, au milieu, un
bossage longitudinal
de même largeur 86. Ce méplat et ce bossage sont respectivement adaptés à
établir l'écart
réduit prévu plus haut (à titre d'exemple, 1 mm) par rapport aux limites hors
tout de la pièce
active 10, à l'exception toutefois des bossages d'appui 41-43 de cette pièce
active. A
l'extrémité de la demi-coquille 80, apparaît en relief, la forme 88 de la
portion de tronc de
cône 40 (voir vue C1 de la fig.l) qui assure le raccordement des deux éléments
rectilignes de
l0 la paire d' arêtes longitudinales convexes extérieures 13 (voir vue A2 de
la fig.2). Au centre de
la forme 88, apparaît une ouverture circulaire 90, dont l'entourage 92 est
destiné à être
appliqué et soudé à l'épaulement 29 de la tubulure de raccordement 28 de la
pièce active 20.
A l'extrémité de la demi-coquille 80, on aperçoit la partie extrême d'une demi-
tubulure de
raccordement 94 de l'enveloppe 81 de la pièce active 10. Les flancs 96a-b de
la demi-coquille
80 sont d'autant plus hauts que le nombre de paires d'arêtes longitudinales 22
est important.
Deux rebords 98a-b entourent les bords extérieurs de la demi-coquille 80
(flancs 96a-b et
demi-tubulure 94). Ces rebords apparaissent également en A2 sur la fig.2.
La vue partielle BS de la demi-coquille 82 fait apparaître une paroi
extérieure concave
100, comportant tout autour, un méplat continu étroit 102 et, au milieu, un
creux longitudinal
2o de même largeur 104. Ce méplat et ce creux sont respectivement adaptés à
établit un écart
réduit, semblable à celui visé plus haut. A l'extrémité de la demi-coquille
82, apparaît en
creux la forme 106 de la portion de tronc de cône 42 qui assure le
raccordement des deux
éléments rectilignes de la paire d'arêtes longitudinales concaves extérieures
15 (coupe A2).
Au centre de la forme 106, apparaît un disque 108, situé à l'opposé de
l'ouverture 90 de la
demi-coquille 80. A l'extrémité de la demi-coquille 82, est disposée 1a demi-
tubulure de
raccordement 110 de l'enveloppe 81. Les flancs 112 a-b de la demi-coquille 82
ont la même
hauteur que ceux 96a-b de la demi-coquille 80. Deux rebords 114 a-b entourent
les bords
extérieurs de la demi-coquille 82. Ces rebords 114a-b sont destinés à être
soudés aux rebords
98 a-b de la demi-coquille 80.
3o La figure 6 représente l'agrandissement de deux choses, (1) une vue de face
d'une
moitié longitudinale de la paroi gaufrée d'une plaque allongée creuse 22 d'un
échangeur
thermique élémentaire réel et (2) une vue de face semblable du flanc gaufré
des rainures 62
d'un demi-moule réel, utilisable pour la fabrication des ébauches de cet
échangeur. Dans les
deux cas, les parois gaufrées de l'ébauche ou des rainures du demi-moule
utilisé pour sa
fabrication comprennent une suite alternée de creux 120 et de bosses 122, en
forme de toits à
quatre pentes, deux en forme de trapèze 124-126 et deux en forme de triangles
isocèles 128-
130. La profondeur d'un creux 120 et la hauteur d'une bosse 122 sont chacune
de 2,5 mm par
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exemple. Les indices b et c, affectés aux références de ces quatre pentes, en
identifient
respectivement les bosses et les creux, représentés en grisé. Les demi-plans
de coupe AA' ou
BB' visés plus haut traversent en leur milieu les trapèzes en creux 124c et
126c ou les
trapèzes en bosses 124b et 126b. Les lignes de jonction des trapèzes 124 et
126 sont
référencées 121 et 123 suivant que ces trapèzes appartiennent à des creux ou
des bosses. On
notera que chacun de deux flancs gaufrés 33-35 d'une ébauche réelle ou de ceux
68 a-b d'une
rainure 62 d'un demi-moule réel, comporte une suite alternée de creux et de
bosses qui fait
face à une suite alternée de bosses et de creux. Les lignes en pointillés 129
représentées le
sont à titre symbolique pour distinguer les deux pentes coplanaires 128b et
130c ou 130b et
l0 128c qui appartiennent respectivement à une bosse ou à un creux, chaque
ligne de pointillés
étant la grande diagonale d'un losange. Le plan de coupe CC' visé plus haut
suit ces lignes
129. Les rectangles étroits 132 et 134, qui apparaissent aux deux extrémités
de la suite de
creux et de bosses 120-122 sont des zones planes de raccordement de la partie
centrale (1) des
plaques creuses 22 et de leurs raccords d'extrémités 24-26 dans le cas des
échangeurs ou (2)
des rainures 62 du demi-moule avec leurs extrémités en portions de troncs de
cône 67 a-b et
69 a-b. Les bords 136 et 138 représentés sur la figure 6 sont les lignes de
crête 36 ou de fond
38 des ébauches 32.
La figure 7 représente la vue agrandie en coupe longitudinale le long des
lignes
médianes 121-123 des parties centrales de deux plaques creuses contiguës 140
et 142 à parois
2o gaufrées, séparées par un espacement 144. Selon cette coupe longitudinale
centrée, le
gaufrage décrit à la figure 6 se traduit, après écrasement contrôlé de
l'ébauche, par la création
de plaques creuses 140-142, aux parois 146 a-b et 148 a-b, formées d'une suite
de bosses,
telles 150a ou 152b, et de creux tels 152a ou 150b, reliés ensemble par des
pentes à 30°
environ, telles que 154a-b. L'écart entre deux lignes extrêmes 150a et 150b
est de 5 mm
environ. L'épaisseur interne d'une plaque creuse 140-142 à parois gaufrées est
sensiblement
constante, de 2 mm par exemple. La largeur de l'espacement ondulé 144 qui les
sépare est lui
aussi sensiblement constant et du même ordre de grandeur que l'épaisseur
interne des plaques.
Dans ces conditions, un tel gaufrage a pour effet de donner au moment
d'inertie de la
paroi par rapport à son plan moyen, une valeur plusieurs centaines de fois
supérieure à celle
3o du même moment d'inertie d'une paroi plane d'un demi-millimètre
d'épaisseur. La raideur de
la partie centrale de la paroi est augmentée dans les mêmes proportions,
cependant que celle
des crêtes et des fonds des soufflets des ébauches demeure très faible, ce qui
permet à ces
crêtes et à ces fonds de jouer le rôle de charnières souples, prenant un rayon
de courbure très
petit au moment de l'écrasement contrôlé de l'ébauche, cependant que les
flancs demeurent
globalement plans.
Grâce à ces dispositions, l'échangeur thermique selon l'invention apparaît
avec les
avantages de toutes ses caractéristiques de fabrication et d'emploi. Pour ce
qui est de sa
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fabrication, on notera tout d'abord que les moules concernés font appel à des
procédés usuels
de fabrication et qu'ils seront utilisés dans le cadre de techniques banales
dans l'industrie. Il
en est de même des équipements à fonctionnement automatique tels que les
extrudeuses,
compresseurs et systèmes de déplacement, que l'on retrouve dans tous les
ateliers de
fabrication de récipients de toutes formes, en polymère ou en verre, destinés
à contenir les
liquides les plus divers. Il en va de même des équipements, opérant à très
haute pression
d'eau, utilisés pour l'hydroformage de pièces métalliques.
A partir d'une ébauche, ayant la forme d'un empilement de soufflets
globalement
biconvexes, comparables à ceux d'un accordéon, sortant des moules selon
l'invention, la
lo transformation de cette ébauche 32 en une pièce active 20 de l'échangeur
thermique
élémentaire selon l'invention, fait appel à une opération nouvelle en soi,
réalisée au moyen
d'une machine-outil particulière, adaptée à cet effet. Cette opération
constitue soit un
écrasement symétrique des soufflets de l'ébauche soit un retournement brusque
des demi-
soufflets convexes de cette ébauche, orientés dans une première direction,
vers leurs demi-
soufflets globalement symétriques, orientés dans une seconde direction (ils
étaient convexes
et ils deviennent et demeurent concaves). Dans les deux cas, l'opération est
réalisée en
appliquant aux soufflets une force de compression parallèle à leur axe
d'empilement. Cette
force sera engendrée par une dépression contrôlée appliquée à l'intérieur de
l'ébauche 32
et/ou par un piston à profil convexe, avançant à vitesse également contrôlée,
associé à un
2o appui fixe à profil concave. Ce piston et cet appui auront la même
dimension longitudinale
que les arêtes de la pièce active finalement réalisée. Dans le cas où la force
de compression
est engendrée par une dépression, on notera que les forces omnidirectionnelles
externes, qui
en résulteront, agiront dans la direction du mouvement le plus aisé, à savoir
l'axe
d'empilement des soufflets de l'ébauche. On remarquera que les bascules
bistables,
constituées par les demi-soufflets de l'ébauche qui, dans leur second état
stable, ont pris la
forme des parois concaves d'arêtes longitudinales obliques et creuses,
peuvent, à titre
démonstratif, reprendre leur premier état, par la simple application d'une
pression suffisante à
l'intérieur de la piéce active terminée, mais à condition toutefois que les
parois de celle-ci
aient conservé ou retrouvé une souplesse minimale. Il en est de même pour les
demi-soufflets
3o qui ont subi un écrasement symétrique.
Il est bien évidemment nécessaire, pour que toutes ces opérations soient
possibles et se
déroulent correctement, que l'ébauche introduite dans la machine particulière,
devant
effectuer un tel écrasement ou un tel retournement, comporte des crêtes et des
fonds
suffisamment souples et élastiques. Cela, afin que leur limite de rupture soit
relativement
élevée et que le retournement ou la compression symétrique des flancs
concernés des parties
centrales des soufflets et de leurs raccords d'extrémité puisse s'effectuer
sans risque de
fissures ou d'éclatement. Au cas où le passage, du moule à la machine de
compression de
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l'ébauche, comporterait un temps mort relativement important, cette ébauche se
refroidirait et,
notamment dans le cas du verre, pourrait voir sa souplesse abaissée en deçà de
la limite
minimale imposée par un bon retournement ou une bonne compression. Dans ce
cas, la
machine en question devrait, en amont, comporter des moyens pour réchauffer
l'ébauche, afin
de lui redonner la souplesse qui lui est nécessaire, pour que les demi-
soufflets concernés
puissent être retournés sans dommages.
On notera que les raccords creux des extrémités des parties centrales des
plaques
creuses globalement symétriques d'un échangeur thermique élémentaire selon
l'invention
ainsi que les raccords biconvexes de son ébauche, qui ont été décrits ci-
dessus, sont des
io portions de troncs de cône. Ce type de surface n'est bien entendu pas le
seul à pouvoir être
utilisé. En effet, toute surface retournable (une pyramide très évasée, à base
carrée et sommet
arasé, est retournable par rapport à un plan de retournement contenant sa
base, par exemple)
peut être utilisée pour constituer les raccords biconvexes des extrémités des
parties centrales
des soufflets de l'ébauche selon l'invention.
Pour ce qui concerne les gaufrages des flancs des soufflets, on notera que des
toits à
quatre pentes ne sont pas la seule manière de les réaliser, des bosses et des
creux en forme de
calottes et de cuvettes, à fonds plus ou moins arrondis, sont également
possibles.
Quant à la fabrication et à la mise en place de l'enveloppe de l'échangeur
thermique
élémentaire, on notera que ces opérations font également appel à des
techniques banales dans
l'industrie. Pour ce qui est de la fixation ëtanche des demi-coquilles l'une
sur l'autre et sur les
tubulures de raccordement de la pièce active, on pourra bien évidemment
prévoir des joints
d'étanchéité et des rebords adaptés à s'emboîter les uns dans les autres et à
le demeurer.
Quant aux orientations en sens opposés des tubulures de raccordement de la
pièce
active, il est évident que ces orientations différentes permettent une
meilleure circulation des
fluides à l'intérieur des pièces interne et externe, mais elles peuvent, sans
dommage majeur,
être identiques.
Comme cela a été dit plus haut, l'échangeur thermique élémentaire selon
l'invention,
entouré ou non d'une enveloppe étanche, décrit ci-dessus, présente toutes les
caractéristiques
nécessaires à ce type d'appareil et il satisfait toutes les spécifications
particulières le
concernant. Il n'est bien évidemment pas limité aux formes de réalisations
décrites.
