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Procédé de fabrication d'un faisceau de plaques pour un échangeur
thermique
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un faisceau de
plaques compact pour un échangeur thermique fonctionnant à haute pression
et/ou à haute température.
L'invention concerne également un échangeur thermique à plaques
comportant au moins un faisceau de plaques fabriqué par un tel procédé.
Les faisceaux de plaques pour ce type d'échangeur thermique comportent
généralement un empilement de plaques parallèles les unes aux autres et qui
délimitent entre elles des circuits de circulation d'au moins deux fluides
indépendants.
La circulation des fluides entre les plaques peut être du type concourante, à
courants croisés ou à contre-courant et chaque circuit est relié à des
collecteurs
d'admission et de retour des fluides.
Les plaques du faisceau de plaques sont équipées de différents moyens
permettant d'augmenter le coefficient d'échange thermique entre les fluides,
Pour cela, on connaît des faisceaux de plaques planes entre lesquelles
sont interposées des ailettes réalisées par pliage de fines feuilles
métalliques et
assemblées par brasage sur les plaques.
Pour les applications à haute température, par exemple supérieure à
6000, l'utilisation d'un métal d'apport et d'ailettes fines peut poser des
problèmes.
En effet, le métal d'apport ayant un point de fusion plus bas que le métal de
base, la température d'utilisation du faisceau de plaques est limitée et
l'emploi
d'un métal d'apport dont les propriétés thermomécaniques sont différentes de
celles du matériau de base crée un point faible au niveau de la jonction. De
plus,
les ailettes étant très fines par exemple une épaisseur inférieure à 0,5 mm,
le
grossissement des grains lors du brasage peut se révéler rédhibitoire d'un
point
de vue mécanique.
On connaît également un faisceau de plaques composé d'un empilement
de plaques dans lesquelles sont gravés des canaux.
La gravure est réalisée par une attaque chimique des plaques après
positionnement d'un masque de protection sur les parties à ne pas graver. Une
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fois gravées, les plaques sont assemblées par soudure et notamment par soudure
par diffusion.
La réalisation d'un faisceau de plaques par cette technique est complexe à
mettre en oeuvre et pose des problèmes.
L'attaque chimique des plaques avec des alliages à base de nickel est très
difficile et les constructeurs utilisent des techniques d'usinage mécanique
qui sont
longues et coûteuses et laissent peu de latitude géométrique pour former des
canaux sur les plaques.
Par ailleurs, pour souder par diffusion les alliages à base de nickel, il est
nécessaire de chauffer fortement le matériau. En effet, qu'il s'agisse d'un
mode de
réalisation par compression isostatique à chaud ou par compression unie
axiale,
les plaques à assembler sont portées à une température supérieure à 10000 si
bien que ce traitement thermique conduit à un grossissement des grains,
incompatible avec les faibles épaisseurs des tôles.
Le faisceau de plaques obtenu par cette technique présente une rigidité
importante du fait que les plaques sont soudées entre elles dans toute la zone
d'échange et est, pour cette raison, peu tolérant aux transitoires thermiques.
Un autre inconvénient de ces deux types de faisceaux de plaques, réside
dans le fait que les jonctions soudées ou brasées sont ménagées dans toute la
zone d'échange entre les canaux qui sont de petite taille ce qui rend
impossible
l'inspection de ces joints, que ce soit en cours de fabrication ou en cours
d'utilisation du faisceau de plaques.
On connaît également par exemple dans le FR-A-2 738 906, un faisceau de
plaques comprenant un empilement de plaques d'échange thermique métalliques
et parallèles les unes aux autres comportant des bords à surface lisse et une
partie centrale munie d'ondulations pour former avec les plaques associées, un
double circuit de deux fluides indépendants et à contre-courant.
L'assemblage des plaques de ce type de faisceau de plaques est réalisé
soit par soudage grâce à un ensemble d'entretoises disposées sur les bords des
plaques afin d'obtenir l'espace entre les plaques nécessaire, soit par soudure
d'une pièce rapportée faisant office d'entretoise, elle-même soudée sur le
bord
longitudinal de chaque plaque, puis souder entre elles.
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Dans le premier cas, l'utilisation d'entretoises impose la multiplication du
nombre de soudures qui sont difficiles à contrôler après l'assemblage et
également la dépose d'un mur de soudure sur les parois latérales du faisceau
de
plaques.
Dans le deuxième cas, l'utilisation de pièces rapportées impose également
la multiplication du nombre de soudures et les soudures situées à l'intérieur
du
faisceau de plaques ne sont contrôlables qu'en cours de fabrication. De plus,
la
largeur des soudures peut constituer une limite inférieure à la distance entre
les
plaques et donc limiter la compacité du faisceau de plaques.
L'invention a pour but de proposer un faisceau de plaques compact pour un
échangeur de chaleur à haute température qui évite les inconvénients
précédemment mentionnés et qui permet de réduire de manière significative le
nombre de soudures nécessaires pour assembler les différentes plaques entre
elles.
L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'un faisceau de
plaques compact pour un échangeur thermique formé par un empilement de
plaques délimitant entre elles au moins deux circuits de circulation de deux
fluides
indépendants et comportant une partie centrale d'échange thermique munie
d'ondulations, caractérisé en ce que :
- on diminue par usinage l'épaisseur initiale de chaque plaque en
ménageant à la périphérie de la plaque, et/ou de tubulures traversantes au
moins
un sabot de liaison de hauteur supérieure à l'épaisseur de la plaque après
usinage,
- on forme dans la partie centrale de chaque plaque, les ondulations,
- on superpose par couple les plaques en disposant les sabots des plaques
les uns sur les autres,
- on relie les sabots en contact des plaques de chaque couple par un
cordon de soudure étanche,
- on superpose les couples de plaques en disposant les sabots des couples
de plaques les uns sur les autres, et
- on relie les sabots en contact des couples de plaques par un cordon de
soudure étanche en ménageant une superposition alternée d'extrémités ouvertes
ou fermées d'entrée ou de sortie desdits fluides.
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Selon d'autres caractéristiques de l'invention
- on diminue l'épaisseur initiale de chaque plaque par usinage d'au moins
une face de la plaque,
- on diminue l'épaisseur initiale de chaque plaque en usinant les deux faces
de la plaque,
- on forme les ondulations dans la partie centrale de chaque plaque par
emboutissage ou par formage, - après usinage, l'épaisseur des plaques est
comprise entre 0,2 et 3 mm,
- après usinage, la hauteur des sabots est déterminée par l'amplitude des
ondulations et de préférence comprise entre 0,5 et 5 mm, et
- après usinage, l'épaisseur des sabots est comprise entre 1 et 6 mm.
L'invention a aussi pour objet un échangeur thermique à plaques
comportant une enceinte résistant à la pression interne dans laquelle est
placé au
moins un faisceau de plaques fabriqué par le procédé tel que précédemment
défini.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va
suivre, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés,
sur
lesquels :
- la Fig. 1 composée des Fig. 1A et 1 B est une vue en coupe axiale d'un
exemple d'un échangeur thermique comportant des faisceaux de plaques réalisés
par le procédé, conforme à l'invention,
- la Fig. 2 est une vue schématique en perspective d'un faisceau de
plaques de l'échangeur thermique de la Fig. 1,
- la Fig. 3 est une vue schématique d'un couple de plaques du faisceau de
plaques,
- la Fig. 4 composée des Fig. 4A à 4D est une vue schématique en coupe
transversale d'une plaque du faisceau de plaques et montrant les différentes
étapes d'un premier mode de réalisation du procédé de fabrication, conforme à
l'invention,
- la Fig. 5 composée des Fig. 5A à 5D est une schématique en coupe
transversale d'une plaque du faisceau de plaques et montrant les différentes
coupes d'un second mode de réalisation du procédé de fabrication, conforme à
l'invention, et
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- les Fig. 6 à 9 sont des vues schématiques en coupe transversale montrant
les différentes étapes du procédé de fabrication d'une variante du faisceau de
plaques.
L'échangeur thermique 1 représenté à la Fig. 1 est donné à titre d'exemple
5 pour montrer un mode de réalisation, non limitatif, d'implantation de
faisceaux de
plaques fabriqués par le procédé de fabrication, conforme à l'invention.
L'échangeur thermique 1 est destiné à être utilisé dans un réacteur
nucléaire à haute température, généralement supérieure à 600'C, pour réaliser
un
échange de chaleur entre un premier fluide et un second fluide.
Le premier fluide est le fluide primaire du réacteur nucléaire, et circule en
boucle fermée dans celui-ci. Il traverse le coeur du réacteur nucléaire, non
représenté, puis traverse l'échangeur thermique 1 et revient enfin à l'entrée
du
coeur. Le fluide primaire s'échauffe dans le coeur du réacteur et sort de
celui-ci par
exemple à une température d'environ 8500. Il cède une partie de sa chaleur au
fluide secondaire dans l'échangeur thermique 1 et sort de celui-ci par exemple
à
une température de 4000 environ.
Le second fluide est le fluide secondaire du réacteur nucléaire, et circule en
boucle fermée dans celui-ci. Il traverse l'échangeur thermique 1, puis passe
dans
une turbine à gaz, non représentée, d'entraînement d'un générateur électrique
et
revient à l'entrée de l'échangeur thermique 1. Le fluide secondaire entre dans
cet
échangeur thermique 1 par exemple à une température de 3500 environ et en
sort par exemple à une température de 800'C.
L'échangeur thermique 1 comprend :
- une enceinte extérieure 2 présentant un axe central X sensiblement
vertical, pourvue d'une entrée 3 et d'une sortie 4 de fluide primaire, de
quatre
entrées 5 et de quatre sorties 6 de fluide secondaire,
- huit faisceaux de plaques 40 d'échange de chaleur disposés dans
l'enceinte 2, dans lesquels sont réalisés des échanges de chaleur entre les
fluides
primaire et secondaire,
- un collecteur annulaire 7 d'alimentation des faisceaux de plaques 40 en
fluide primaire,
- des collecteurs 8 d'alimentation des faisceaux de plaques 40 en fluide
secondaire,
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- un collecteur annulaire 9 de collecte et d'évacuation du fluide primaire
sortant des faisceaux de plaques 40,
- un collecteur central 10 de collecte et d'évacuation du fluide secondaire
sortant des faisceaux de plaques 40,
- une chambre d'entrée 11 distribuant le fluide secondaire dans les
collecteurs 8, et une chambre de sortie 12 distribuant le fluide secondaire
sortant
du collecteur d'évacuation secondaire 10 aux sorties 6,
- des équipements internes inférieurs 11 canalisant le fluide primaire entre
les collecteurs 7 et 9, d'une part, et l'entrée 3 et la sortie 4 du fluide
primaire,
d'autre part, et
- un ventilateur 14 de circulation du fluide primaire fixé dans l'enceinte 2.
L'enceinte 2 comprend une cuve 20 à l'intérieur de laquelle sont disposés
les faisceaux de plaques 40 et les collecteurs 7, 8, 9 et 10, présentant vers
le haut
une ouverture 21 et un couvercle 22 amovible de fermeture étanche de
l'ouverture
21 de la cuve 20. Les entrées 5 du fluide secondaire sont ménagées en haut de
la
cuve 20 et sont régulièrement réparties sur une même circonférence de celle-
ci.
Les sorties du fluide secondaire 6 sont ménagées en haut de la cuve 20,
légèrement en dessous des entrées 5 et sont régulièrement réparties sur une
même circonférence de cette cuve.
La cuve 20 comprend en partie basse un unique piquage par lequel sont
réalisées l'entrée 3 et la sortie 4 du fluide primaire. L'entrée 3 et la
sortie 4 sont
coaxiales et la sortie 4 entoure l'entrée 3.
La cuve 20 est fermée vers le bas par un fond bombé qui présente une
ouverture centrale, ronde, centrée sur l'axe X, dans laquelle est fixé le
ventilateur
14.
Comme on le voit sur les Figs. 2 et 3, les faisceaux de plaques 40 sont
constitués par un empilement de plaques 41 délimitant entre elles deux
circuits de
circulation de deux fluides, le premier fluide A indiqué par les flèches
pleines sur la
Fig. 2 et le second fluide B indiqué par les flèches évidées sur cette figure.
Les
premier et second fluides circulent alternativement dans une plaque sur deux
de
l'empilement.
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Chaque plaque 41 comporte une partie centrale d'échange thermique
munie d'ondulations 42 qui déterminent entre elles des canaux 43 favorisant
l'échange thermique entre les fluides.
D'une manière générales, les ondulations 42 sont constituées par des
motifs obtenus par déformation de la plaque, comme par exemple des plots, des
nervures, des inserts ou autres.
Pour déterminer les extrémités ouvertes 46 ou fermées 47 des canaux 43
dans lesquels circulent les premier et second fluides, alternativement dans
une
plaque 41 sur deux de l'empilement formant le faisceau de plaques 40, chaque
plaque 41 comporte en saillie sur ses bords, respectivement longitudinaux 4l a
et/ou transversaux 41 b un sabot 45 continu ou plusieurs sabots 45
discontinus. La
disposition des sabots 45 sur les bords longitudinaux 41 a et/ou transversaux
41 b
dépend du sens de circulation des fluides entre les plaques 41 du faisceau de
plaques 40 et également de la disposition des collecteurs, non représentés
d'entrée et de sortie de ces fluides.
La disposition des sabots 45 sur les bords longitudinaux 4l a et/ou
transversaux 41b représentée à la Fig. 3 est un exemple de réalisation,
d'autres
dispositions sont bien évidemment envisageables.
En se reportant maintenant aux Fig. 4 et 5, on va décrire deux modes de
réalisation du procédé de fabrication du faisceau de plaques 40.
Ainsi que montré à la Fig. 4A, à l'origine la plaque 41 est plane et présente
une épaisseur constante.
La première étape du procédé consiste à diminuer par usinage de
préférence mécanique, l'épaisseur initiale d'une plaque 30 pour obtenir la
plaque
41 en ménageant à la périphérie de cette plaque ou les sabots 45 sur les bords
longitudinaux 4l a et/ou transversaux 41 b de ladite plaque 41. L'usinage
mécanique par exemple par fraisage est réalisé sur au moins une face de la
plaque 41.
Selon un premier mode de réalisation représenté sur les Fig. 4, la
diminution de l'épaisseur de la plaque 30 est réalisée en usinant
mécaniquement
les deux faces de la plaque 30 de façon à conserver une zone centrale 46 après
avoir enlevé les deux zones extérieures 46a et 46b, comme montré sur la Fig.
4B.
Les zones non hachurées représentent la matière enlevée.
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Ensuite, la deuxième étape du procédé consiste à former dans la partie
centrale de chaque plaque 41, les ondulations 42.
Une fois les plaques 41 ainsi réalisées, les plaques 41 sont superposées
par couple en disposant les sabots 45 les uns au-dessus des autres et les
sabots
45 en contact des plaques 41 de chaque couple sont reliés par un cordon de
soudure 50 étanche, ainsi que montré sur la Fig. 4D.
Ensuite, les couples de plaques 41 sont superposés en disposant les
sabots 45 des couples de plaques 41 les uns sur les autres et les sabots 45 en
contact sont reliés entre eux par un cordon de soudure 50 étanche.
Selon un seconde mode de réalisation représenté sur les Figs. 5, pour
obtenir la plaque 41 l'épaisseur initiale d'une plaque 30 est diminuée en
usinant
mécaniquement une seule face de cette plaque, comme montré à la Fig. 5A. La
zone non hachurée représente la matière enlevée.
Dans ce cas, une seule zone 46a est éliminée et la zone restante 46 est
située sur un bord du sabot 45 alors que le dans le mode de réalisation
précédent,
le sabot 45 s'étend de part et d'autre de la zone restante 46. Dans ce second
mode de réalisation, les étapes suivantes du procédé sont identiques aux
étapes
du précédent mode de réalisation et consistent à former des ondulations 42 sur
la
partie centrale de la plaque 41, puis à superposer par couple les plaques 41
et à
relier les sabots 45 en contact des plaques de chaque couple par un cordon de
soudure 50 étanche.
Les couples de plaques sont ensuite superposés en disposant les sabots
45 des couples de plaques 41 les uns sur les autres et les sabots 45 en
contact
des couples de plaques 41 sont reliés par un cordon de soudure 50 étanche.
L'usinage de chaque plaque 41 est par exemple un usinage par fraisage et
les ondulations 42 dans la partie centrale de chaque plaque 41 sont réalisées
par
exemple par emboutissage ou par formage.
A titre d'exemple, après usinage, l'épaisseur el de la plaque 41 est
comprise entre 0,2 et 3 mm, la hauteur h1 des sabots est comprise entre 0,5 et
5mm, l'épaisseur e2 des sabots 45 est comprise entre 2 et 4 mm. La hauteur h2
des talons 45a des sabots 45, situés de chaque côté de la plaque 41 (Fig. 4C)
ou
d'un seul côté de la plaque 41 (Fig. 5C) est comprise entre 0,2 et 3 mm.
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D'une façon générale, la hauteur des sabots est déterminée par l'amplitude
des ondulations.
Les hauteurs des différents sabots 45 ne sont pas nécessairement égales
selon si ils sont du côté froid ou du côté chaud du faisceau de plaques ou si
ils
sont situés du côté froid des collecteurs ou du côté chaud des collecteurs
d'entrée
et de sortie des deux fluides.
De préférence, les plaques 41 sont assemblées et soudées deux par deux,
puis les couples de plaques ainsi constitués ayant des dimensions identiques
sont
assemblés et soudés afin de constituer l'empilement final. Cette méthode
permet
d'éviter d'avoir à prendre en compte le problème du retrait qui se produit
lors du
soudage. En effet, si l'empilement est réalisé par adjonction de plaques une à
une
à l'empilement préalablement soudé, la nouvelle plaque à souder n'a pas les
mêmes dimensions que les plaques déjà soudées du fait du retrait dû à la
soudure.
Les collecteurs, non représentés, d'entrée et de sortie des fluides associés
au faisceau de plaques 40 peuvent être intégrés directement dans le faisceau
de
plaques 40 ou ils peuvent être de tout type de forme rapportée et soudés sur
le
faisceau de plaques 40 correspondant.
Sur les Fig. 6 à 9, on a représenté un autre exemple d'un faisceau de
plaques 40 dont chaque plaque 41 est fabriquée par le procédé selon
l'invention.
Dans cet exemple de réalisation, le faisceau des plaques est du type à
tubulures traversantes pour former des collecteurs.
Dans ce cas, les plaques du faisceau de plaques 40 sont associées deux
par deux, une plaque supérieure 61 et une plaque inférieure 62.
Dans ce cas également les deux faces de chaque plaque 61 et 62 sont
usinées mécaniquement pour enlever une partie de la matière et conserver une
partie d'épaisseur déterminée correspondant à l'épaisseur de chaque plaque 61
ou 62 à obtenir. Un ou plusieurs sabots 63 sont ménagés sur les bords
longitudinaux et/ou transversaux de la plaque 61 et un ou plusieurs sabots 64
sont également ménagés sur les bords longitudinaux et/ou transversaux de la
plaque 62. Les zones non hachurées correspondent à la matière enlevée. Dans
cet exemple de réalisation, les sabots 63 et 64 s'étendent que d'un côté de la
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plaque correspondante, respectivement 61 et 62, au-dessous de la plaque 61
pour les sabots 63 et au-dessus de la plaque 62 pour les sabots 64.
Un orifice 65 d'entrée du second fluide B est percé dans chacune des
plaques 61 et 62 et un orifice 66 de sortie de ce deuxième fluide B est
également
5 percé dans les plaques 61 et 62, comme représenté à la Fig. 6. Ces orifices
65 et
66 sont bordés par un sabot, respectivement 67 et 68.
Les orifices 65 d'entrée et les orifices 66 de sortie lorsqu'ils sont
superposés forment les tubulaires traversantes.
Ensuite, des ondulations 69 sont formées sur la partie centrale de chaque
10 plaque 61 et 62 et ces plaques sont superposées par couple. Les sabots 63
et 64
qui sont en contact les uns avec les autres sont reliés par un cordon de
soudure
70 étanche.
Les couples de plaques 61 et 62 ainsi constitués sont superposés et les
sabots 63 et 64 en contact des couples de plaques 61 et 62 superposés sont
reliés également par un cordon de soudure 70 étanche.
Les sabots 67 et 68 en contact autour de chaque orifice 65 et 66 sont
également soudés par un cordon de soudure 70 étanche, ainsi que représenté à
la Fig. 9. L'empilement de plaques 61 et 62 ainsi constitué est monté entre
deux
plaques épaisses et opposées, respectivement 71 et 72, s'étendant
parallèlement
aux couples de plaques 61 et 62.
Dans l'exemple de réalisation représenté à la Fig. 9, l'empilement des
plaques 61 et 62 ménage, au niveau d'une face latérale du faisceau de plaques
40, une zone d'entrée Al pour le premier fluide A et, sur la face opposée, une
zone de sortie A2 pour ce premier fluide A après son passage dans le circuit
correspondant du faisceau de plaques 40. Le fluide A circule dans les canaux
ménagés entre deux plaques 61 et 62 adjacents d'un couple de plaques sur deux.
La zone d'entrée Al est raccordée à un collecteur, non représenté, d'arrivée
du
premier fluide A et la zone de sortie A2 est raccordée à un collecteur, non
représenté, de sortie de ce second fluide A.
Les orifices 65 ménagés dans les plaques 61 et 62 déterminent deux zones
opposées B1 d'arrivée du second fluide B et les orifices 66 ménagés dans les
plaques 61 et 62 déterminent deux zones de sortie B2 de ce second fluide B
après son passage dans le circuit correspondant du faisceau de plaques 40. Ce
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second fluide B entre par les orifices 65 et circule dans les canaux ménagés
entre
les plaques 61 et 62, dans un couple de plaques sur deux à contre-courant du
premier fluide A. Chaque zone B1 est raccordée à un collecteur, non
représenté,
d'entrée du second fluide B et chaque zone de sortie B2 est raccordée à un
collecteur, non représenté, de sortie de ce second fluide B après son passage
dans le faisceau de plaques 40.
Les fluides A et B circulent alternativement entre deux plaques sur deux du
faisceau de plaques 40.
D'autres dispositions peuvent bien évidemment être envisagées.
A titre d'exemple les matériaux constituant les plaques sont des aciers à
base de nickel ou des aciers inoxydables. Les soudures sont réalisées par le
procédé TIG ou par laser ou par faisceau d'électrons.
Le procédé de fabrication selon l'invention permet, grâce à l'usinage des
plaques, d'obtenir une précision dimensionnelle supérieure aux faisceaux de
plaques comportant des pièces rapportées ou avec des entretoises.
L'assemblage par soudage permet de supprimer tout risque d'affectation de
la microstructure du matériau en dehors de la zone soudée et de la zone
affectée
thermiquement.
Par ailleurs, les soudures sont placées uniquement en périphérie du
faisceau de plaques ou dans les tubulures de circulation du fluide secondaire
B
dans l'exemple de réalisation de la Fig. 9, d'où une souplesse accrue vis-à-
vis des
transitoires thermiques et une facilité d'une inspection éventuelle de
l'ensemble
des soudures d'un tel faisceau de plaques du fait d'un acces par l'extérieur
pour
les soudures situées en périphérie et d'un acces par les tubulures du fluide
secondaire dans l'exemple de la Fig. 9.
Le procédé selon l'invention permet de supprimer la pose d'un mur de
soudure ainsi que l'utilisation de pièces rapportées. Cette disposition réduit
donc
le nombre de soudures augmentant de ce fait la fiabilité de l'appareil et
permettant
de réaliser une soudure de bonne qualité.
Enfin, le procédé selon l'invention permet de fabriquer des faisceaux de
plaques avec une faible distance séparant chaque plaque, inférieure à 3 mm.
