FR3070480A1 - Plaque d'echange thermique a microcanaux comportant un element d'assemblage en bordure de plaque - Google Patents

Plaque d'echange thermique a microcanaux comportant un element d'assemblage en bordure de plaque Download PDF

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Abstract

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

Description

PLAQUE D'ÉCHANGE THERMIQUE À MICROCANAUX COMPORTANT UN ÉLÉMENT D'ASSEMBLAGE EN BORDURE DE PLAQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine général des échangeurs de chaleur ou échangeurs thermiques, notamment des échangeurs thermiques à plaques en polymère.
L'invention trouve des applications dans différents domaines de l'industrie, et notamment pour des technologies développant une grande surface d'échange thermique par unité de volume tout en conservant des pertes de charge hydrauliques raisonnables. Par exemple, l'invention peut être appliquée pour réaliser un échangeur gaz/liquide de type radiateur, un échangeur liquide/liquide, notamment avec fluides corrosifs, un évaporateur ou un condenseur, un échangeur disposé sur le mur d'un bâtiment, un échangeur de type radiateur en convection naturelle, un échangeur liquide/gaz embarqué pour aéronautique et aérospatial, entre autres.
Ainsi, l'invention propose une plaque d'échange thermique à microcanaux comportant en bordure un élément d'assemblage à une autre plaque, un dispositif d'échange thermique comportant au moins une telle plaque, ainsi qu'un procédé de fabrication associé d'une telle plaque d'échange thermique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les échangeurs de chaleur ou échangeurs thermiques à microcanaux comportent une enveloppe munie d'une pluralité de microcanaux dans lesquels circule un fluide. Le fluide peut être sous forme liquide et gazeuse changeant de phase, ou le fluide est sous forme liquide ou sous forme gazeuse. La surface extérieure de l'enveloppe échange de la chaleur avec l'environnement extérieur par convection. Par exemple, une circulation d'air permet d'évacuer ou de fournir de la chaleur. La surface extérieure de l'enveloppe peut être munie d'ailettes pour augmenter la surface d'échange avec l'environnement extérieur.
Ce type d'échangeur thermique est par exemple utilisé dans des évaporateurs ou des condenseurs des machines thermiques à compression mécanique de fluide frigorigène.
La demande de brevet américain US 2011/0139420 Al décrit un exemple d'échangeur de chaleur à microcanaux destiné à être mis en œuvre dans un dispositif de climatisation. L'échangeur de chaleur comporte des tubes plats disposés parallèlement les uns par rapports aux autres, chaque tube comportant une pluralité de microcanaux. Les microcanaux sont connectés en parallèle à une alimentation commune et à une évacuation commune. Les tubes sont par exemple réalisés en aluminium par extrusion. Les tubes sont torsadés. De l'air circule entre les tubes. Des ailettes sont prévues entre les tubes pour favoriser les échanges thermiques avec l'air circulant entre les tubes. L'air circule entre les tubes et les ailettes. La présence des ailettes provoque un encrassement des passages entre les tubes et les ailettes, et l'apparition d'une perte de charge au sein du dispositif et donc une baisse d'efficacité du dispositif d'échange thermique. De plus, ce dispositif comporte de nombreuses pièces à gérer et à assembler. En outre les connexions thermiques entre les tubes et les ailettes sont délicates à réaliser afin d'obtenir une bonne connexion thermique entre les tubes et les ailettes. Le coût de fabrication de ce dispositif est donc élevé.
La demande internationale WO 2016/097032 Al décrit un autre exemple d'échangeur thermique multicanaux à plaques ondulées. Chaque plaque comprend des bandes entre deux bords de la plaque selon une première direction et disposées côte à côte selon une deuxième direction. Chaque bande comporte au moins un canal de circulation d'un fluide s'étendant d'un bord à l'autre de la plaque, et présente une ondulation comprenant des sommets et des creux, permettant de délimiter des chemins de circulation d'un autre fluide. Cette réalisation peut toutefois s'avérer complexe à réaliser et peut ne pas être optimale en termes de performances thermo-hydrauliques.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, une plaque d'échange thermique pour dispositif d'échange thermique entre un premier fluide et un deuxième fluide, la plaque d'échange thermique s'étendant dans un plan, la plaque d'échange thermique comprenant au moins deux bandes s'étendant entre un premier bord de la plaque d'échange thermique et un deuxième bord de la plaque d'échange thermique, opposé au premier bord, selon une première direction, les bandes étant disposées l'une à côté de l'autre selon une deuxième direction, perpendiculaire à la première direction, chacune des bandes comportant au moins un canal, notamment une pluralité de canaux, s'étendant du premier bord au deuxième bord et débouchant dans le premier bord et le deuxième bord, ledit au moins un canal étant destiné à la circulation d'un premier fluide, lesdites bandes présentant chacune une ondulation comprenant des sommets et des creux, deux bandes directement voisines ou adjacentes étant disposées relativement l'une par rapport à l'autre de telle sorte qu'un sommet d'une bande et un sommet de la bande directement voisine soient décalés suivant la première direction et de telle sorte que, suivant la deuxième direction, le sommet d'un bande et le creux de la bande directement voisine délimitent des chemins de circulation d'un deuxième fluide, caractérisée en ce que la plaque d'échange thermique comporte au moins un élément d'assemblage sur chacun de ses premier et deuxième bords, solidarisé auxdites au moins deux bandes permettant l'assemblage de la plaque d'échange thermique avec une ou plusieurs autres plaques d'échange thermique au sein du dispositif d'échange thermique.
De façon avantageuse, la plaque d'échange thermique ne nécessite pas la mise en œuvre d'ailettes, la fabrication peut donc être sensiblement simplifiée. De plus, les problèmes d'encrassement sont réduits, ce qui permet de maintenir un certain niveau d'efficacité. Par ailleurs, les ondulations des bandes créent une tortuosité favorable aux échanges thermiques entre le premier fluide circulant dans les microcanaux et la plaque.
En outre, elles génèrent une importante surface d'échange thermique entre la plaque et le deuxième fluide.
En d'autres termes, la plaque d'échange thermique comporte des microcanaux pour un premier fluide, la plaque étant mise en forme de sorte à définir des canaux virtuels de circulation d'un deuxième fluide dans une direction normale à celle des canaux. La présence de chemins de circulation ou d'écoulement s'étendant selon la deuxième direction normale à la première direction selon laquelle s'étendent les microcanaux assure un écoulement important d'air avec une faible perte de charge tout en assurant l'existence d'obstacles entre les canaux virtuels, ces obstacles permettant de casser les couches limites sur la structure, provoquant l'apparition de turbulences bénéfiques au développement de coefficient d'échange thermique par convection sur la surface de la plaque.
La plaque thermique selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
De façon préférentielle, chaque bande présente une structure alvéolaire, présentant deux parois sensiblement parallèles formant les faces supérieure et inférieure de la bande, s'étendant selon la première direction, et une pluralité de cloisons internes, sensiblement parallèles les unes aux autres et perpendiculaires aux deux parois, reliant les parois entre elles, de sorte à définir une pluralité de microcanaux, chaque canal formant une alvéole correspondant à l'espace entre deux cloisons successives et les deux parois.
De plus, chaque bande peut comporter une première portion plane formant au moins en partie le premier bord de la plaque d'échange thermique et une deuxième portion plane formant au moins en partie le deuxième bord de la plaque d'échange thermique, chacun des premier et deuxième bords de la plaque d'échange thermique comprenant au moins un élément d'assemblage, notamment un unique élément d'assemblage s'étendant sur tout le bord, respectivement solidarisé aux première et deuxième portions planes de chaque bande.
De façon avantageuse, la dimension axiale selon la première direction dudit au moins un élément d'assemblage est sensiblement égale à la dimension axiale selon cette première direction de la portion plane à laquelle il est solidarisé.
Ledit au moins un élément d'assemblage peut avantageusement former un élément d'assemblage intercalaire destiné à être positionné entre deux plaques d'échange thermique du dispositif d'échange thermique, ledit au moins un élément d'assemblage comportant une face supérieure s'étendant selon le plan, destinée à être solidarisée à une première plaque d'échange thermique, notamment par soudure, et une face inférieure s'étendant selon le plan, destinée à être solidarisée à une deuxième plaque d'échange thermique, notamment par soudure, destinée à être au contact de la première plaque d'échange thermique.
Par ailleurs, ledit au moins un élément d'assemblage peut comporter, sur au moins l'une de ses deux faces latérales s'étendant perpendiculairement au plan, au moins une nervure s'étendant perpendiculairement à la face latérale et sur toute la longueur de la face latérale selon la deuxième direction, notamment au moins une nervure formée à l'intersection entre la face latérale et la face supérieure, s'étendant selon le plan, et/ou entre la face latérale et la face inférieure, s'étendant selon le plan, dudit au moins un élément d'assemblage, respectivement dans le prolongement selon la deuxième direction de la face supérieure et/ou de la face inférieure dudit au moins un élément d'assemblage.
Selon une autre variante de l'invention, chaque bande peut comporter, à chacune de ses extrémités situées respectivement au niveau du premier bord et du deuxième bord de la plaque d'échange thermique, un élément d'assemblage sous la forme d'une boîte d'extrémité creuse à l'intérieur de laquelle débouchent le ou les canaux destinés à la circulation du premier fluide, ladite boîte d'extrémité creuse étant notamment formée par surmoulage au niveau de l'extrémité correspondante de la bande.
Chaque boîte d'extrémité creuse peut comporter des faces latérales ouvertes, s'étendant perpendiculairement au plan, et des faces supérieure et inférieure fermées, s'étendant selon le plan, pour permettre un écoulement du premier fluide selon la deuxième direction.
En variante, chaque boîte d'extrémité creuse peut comporter des faces latérales fermées, s'étendant perpendiculairement au plan, et des faces supérieure et inférieure ouvertes, s'étendant selon le plan, pour permettre un écoulement du premier fluide selon une troisième direction verticale, les première, deuxième et troisième directions formant un trièdre direct.
De plus, de façon avantageuse, chaque boîte d'extrémité creuse peut comporter, sur une première face, une nervure d'assemblage mâle et, sur une deuxième face opposée à la première face, une rainure d'assemblage femelle, l'assemblage d'une nervure d'assemblage mâle d'une première boîte d'extrémité creuse avec une rainure d'assemblage femelle d'une deuxième boîte d'extrémité creuse permettant l'assemblage des première et deuxième boîtes d'extrémité, et ainsi l'assemblage d'une pluralité de bandes entre elles pour former une ou plusieurs plaques d'échange thermique.
En outre, chaque bande est préférentiellement réalisée en un matériau polymère et fabriquée par extrusion et mise en forme.
La réalisation d'une bande par extrusion se fait avantageusement au moyen d'une extrudeuse dont la filière est équipée d'une filière de calibrage, cette filière de calibrage permettant particulièrement de conférer à la matière extrudée une structure alvéolaire.
Toutes les bandes peuvent présenter la même ondulation, les ondulations de deux bandes adjacentes étant déphasées, le déphasage étant tel qu'un creux d'une bande est aligné avec un sommet de la bande adjacente dans la deuxième direction.
Le profil général de l'ondulation des bandes peut être une courbe sinusoïdale. En variante, préférentiellement, le profil général de l'ondulation des bandes peut être en arc de cercle, comprenant une juxtaposition de courbes élémentaires en forme de « S », chacune formée par la réunion de deux demi-cercles inversés l'un par rapport à l'autre.
De préférence, les bandes peuvent avoir une épaisseur comprise entre 0,5 et 3 mm. Une paroi, formée par la face supérieure, la face inférieure ou une cloison d'une bande, peut avoir une épaisseur comprise entre 0,2 et 1 mm, préférentiellement égale à environ 0,3 mm.
La hauteur du ou des canaux peut être comprise entre 0,5 et 3 mm, étant préférentiellement égale à environ 1 mm. De même, la largeur du ou des canaux peut être comprise entre 0,5 et 3 mm, étant préférentiellement égale à environ 1 mm.
Chaque bande peut comporter entre 4 et 50 canaux, et préférentiellement environ 10 canaux.
Le pas de l'ondulation des bandes, correspondant à la distance entre deux sommets successifs de la bande, peut être compris entre 10 et 30 mm, étant préférentiellement égal à environ 20 mm.
De plus, chaque bande peut comporter entre 4 à 50 ondulations, et notamment environ 6 ondulations.
L'angle d'ondulation, défini comme l'angle formé par la tangente à la courbure d'un sommet de la bande par rapport au plan d'étendu de la bande, peut être compris entre 10 et 80°, étant par exemple égal à environ 30°.
De préférence, les sommets des bandes sont situés d'un côté du plan de la plaque d'échange thermique et les creux sont situés d'un autre côté du plan de la plaque d'échange thermique.
Par ailleurs, l'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un dispositif d'échange thermique ou échangeur thermique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une plaque d'échange thermique telle que définie précédemment.
Le dispositif d'échange thermique selon l'invention comportant au moins une plaque d'échange thermique présente une très grande compacité d'échange thermique en termes de mètre carré de surface d'échange primaire ramenée au volume de la structure.
De manière avantageuse, le dispositif d'échange thermique comporte plusieurs plaques empilées les unes sur les autres selon la troisième direction verticale définie précédemment. De nouveaux canaux virtuels sont alors définis entre les bandes des plaques qui s'entrecroisent. En fonction de l'orientation des plaques les unes par rapport aux autres et de la distance entre les plaques, il est possible d'adapter très facilement l'échangeur thermique aux conditions de fonctionnement des échangeurs et à la compacité requise. En effet, la section des chemins de circulation ou d'écoulement peut être variée aisément, modifiant les pertes de charge au travers de l'empilement et la taille de l'empilement.
Les plaques d'échange thermique du dispositif d'échange thermique peuvent être identiques. Elles peuvent être orientées l'une par rapport à l'autre de sorte que chaque sommet d'une plaque d'échange thermique soit en appui contre un creux d'une autre plaque d'échange thermique.
Les plaques d'échange thermique peuvent, le cas échéant, être solidarisées entre elles par des points de soudure ou de colle au niveau d'un creux et d'un sommet, de deux sommets ou de deux creux.
En outre, l'invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de fabrication d'une plaque d'échange thermique telle que définie précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
a) fabrication par extrusion de bandes, notamment en polymère, munies d'au moins un canal,
b) mise en forme de chaque bande par déformation à chaud de sorte à réaliser une ondulation de la bande permettant l'obtention d'une bande gaufrée,
c) fixation d'au moins un élément d'assemblage à chaque extrémité de chaque bande pour permettre l'assemblage de plaques d'échange thermique les unes aux autres.
Ledit au moins un élément d'assemblage peut par exemple former un élément d'assemblage intercalaire positionné entre deux plaques d'échange thermique du dispositif d'échange thermique, les plaques d'échange thermique et ledit au moins un élément d'assemblage intercalaire étant solidarisés ensemble par soudure.
En variante, ledit un élément d'assemblage peut former une boîte d'extrémité creuse à l'intérieur de laquelle débouchent le ou les canaux destinés à la circulation du premier fluide, formée par surmoulage au niveau des extrémités de chaque bande.
La plaque d'échange thermique, le dispositif d'échange thermique et le procédé de fabrication selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques énoncées dans la description, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'une bande pour une première variante d'une plaque d'échange thermique conforme à l'invention,
- la figure 2 est une vue agrandie et partielle de la figure 1,
- la figure 3 est une vue partielle en perspective d'un exemple d'élément d'assemblage sous forme d'intercalaire pour la première variante de plaque d'échange thermique conforme à l'invention,
- la figure 4 représente, en perspective, un exemple de dispositif d'échange thermique obtenu par la superposition de plaques d'échange thermique selon la première variante,
- la figure 5 est une vue agrandie et partielle de la figure 4,
- les figures 6 et 7 sont des vues en perspective d'exemples distincts de réalisation de bande pour une deuxième variante d'une plaque d'échange thermique conforme à l'invention,
- la figure 8 représente, en perspective, un exemple de dispositif d'échange thermique obtenu par la superposition de plaques d'échange thermique selon la deuxième variante, et
- la figure 9 est vue partielle et agrandie, de face, de la figure 8.
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Il est précisé que, dans la description qui va suivre de deux exemples de réalisation particuliers de l'invention, chaque bande est obtenue à partir d'un matériau polymère et fabriquée par extrusion et mise en forme à chaud pour former l'ondulation.
De plus, de façon commune aux deux modes de réalisation décrits ci-après, chaque plaque d'échange thermique 2 permet l'échange thermique entre un premier fluide et un deuxième fluide, par exemple de l'air. La plaque d'échange thermique 2 s'étend dans un plan P et comprend au moins deux bandes B1 et B2 s'étendant entre un premier bord 4 et un deuxième bord 6 de la plaque d'échange thermique 2, opposé au premier bord 4, selon une première direction X.
Les bandes Bl, B2 sont disposées l'une à côté de l'autre selon une deuxième direction Y, perpendiculaire à la première direction X, chacune des bandes Bl, B2 comportant des canaux 5 s'étendant du premier bord 4 au deuxième bord 6 et débouchant dans le premier bord 4 et le deuxième bord 6, pour la circulation du premier fluide. En outre, les bandes Bl, B2 présentent chacune une ondulation comprenant des sommets 9 et des creux 7, deux bandes Bl, B2 directement voisines étant disposées relativement l'une par rapport à l'autre de telle sorte qu'un sommet 9 d'une bande Bl et un sommet 9 de la bande B2 directement voisine soient décalés suivant la première direction X et de telle sorte que, suivant la deuxième direction Y, le sommet 9 d'un bande Bl et le creux 7 de la bande B2 directement voisine délimitent des chemins de circulation Cl, C2 du deuxième fluide, comme visible sur les figures 4 et 8.
Avantageusement, chaque plaque d'échange thermique 2 comporte au moins un élément d'assemblage 11 ou 12 sur chacun de ses premier 4 et deuxième 6 bords, solidarisé aux bandes Bl, B2 permettant l'assemblage de la plaque d'échange thermique 2 avec une ou plusieurs autres plaques d'échange thermique 2 au sein du dispositif d'échange thermique 10. Deux réalisations possibles d'un élément d'assemblage 11, 12 sont ainsi décrites par la suite.
Plus précisément, en référence aux figures 1 à 5, on a illustré une première variante de réalisation de l'invention.
Selon cette première variante, plusieurs bandes B sont réalisées individuellement à partir d'un matériau polymère par extrusion.
La réalisation d'une bande B par extrusion se fait au moyen d'une extrudeuse dont la filière est équipée d'une filière de calibrage permettant de conférer à la matière extrudée une structure alvéolaire, comme représenté sur les figures 1 et 2.
Plus particulièrement, la bande B présente deux parois sensiblement parallèles formant les faces supérieure Bs et inférieure Bi de la bande B, s'étendant selon la première direction X, et une pluralité de cloisons internes 23, sensiblement parallèles les unes aux autres et perpendiculaires aux deux parois Bs et Bi, reliant les parois entre elles, de sorte à définir une pluralité de microcanaux 5, chacun d'entre eux formant une alvéole correspondant à l'espace entre deux cloisons 23 successives et les deux parois Bs et Bi. De préférence, chaque bande B présente ainsi plusieurs microcanaux 5 parallèles répartis le long de la deuxième direction Y, perpendiculaire à la première direction X.
Par exemple, comme représentées sur la figure 2, la hauteur hc des microcanaux 5 est comprise entre 0,5 et 3 mm, étant par exemple de l'ordre de 1 mm. La largeur lc des microcanaux est de même comprise entre 0,5 et 3 mm, étant par exemple de l'ordre de 1 mm. De façon plus générale, chaque microcanal 5 peut présenter un diamètre hydraulique compris entre 0,5 mm et 10 mm.
De plus, chaque bande B peut comporter de 4 à 50 microcanaux, et préférentiellement de l'ordre de 10 microcanaux. Chaque bande B peut présenter une épaisseur de paroi comprise entre 0,2 et 1 mm, par exemple égale à environ 0, 3 mm.
Par ailleurs, après extrusion, chaque bande B est mise en forme (gaufrage) par déformation à chaud afin de réaliser une ondulation entre les extrémités longitudinales de chaque bande B. De préférence, cette ondulation est périodique.
L'ondulation est avantageusement la même pour toutes les bandes B. Toutefois, les ondulations de deux bandes adjacentes sont déphasées au niveau de la plaque d'échange thermique 2, de sorte qu'un creux 7 d'une bande soit aligné avec un sommet 9 de la bande adjacente dans la deuxième direction Y. Ainsi, comme visible sur la figure 4 par exemple, des chemins de circulation Cl, C2 de section maximale sont délimités.
L'ondulation peut correspondre à une courbe sinusoïdale. De préférence, l'ondulation est en arc de cercle, comprenant une juxtaposition de courbes élémentaires en forme de « S », chacune formée par la réunion de deux demi-cercles inversés l'un par rapport à l'autre.
Comme visible sur la figure 1, le pas p0 de l'ondulation, correspondant à la distance entre deux sommets 9 successifs, peut par exemple être compris entre 10 et 30 mm, étant préférentiellement de l'ordre de 20 mm. De plus, chaque bande B peut comporter entre 4 et 50, préférentiellement 6, ondulations. Enfin, l'angle de l'ondulation a, qui représente l'inclinaison d'une ondulation par rapport à l'horizontal formé par la première direction X, est par exemple compris entre 10 et 80°, étant préférentiellement de l'ordre de 30°.
L'ondulation de chaque bande B peut être réalisée par une opération en sortie de filière, alors que le profil est encore plastique sur une bande extrudée de largeur appropriée.
En variante, on peut réaliser cette opération d'ondulation sur une bande découpée dans une plaque extrudée de grande largeur. Cette bande est alors réchauffée par air chaud, infrarouge, etc...., ou tout autre moyen connu de l'Homme du métier, pour atteindre un état plastique, puis être déformée par calandrage sur un outillage de forme.
Par ailleurs, chaque bande B obtenue comporte une première portion plane 13 formant au moins en partie le premier bord 4 de la plaque d'échange thermique 2 à former et une deuxième portion plane 14 formant au moins en partie le deuxième bord 6 de la plaque d'échange thermique 2 à former.
Une fois les bandes B obtenues, telles que représentées sur les figures 1 et 2, des éléments d'assemblage 11 tels que représentés sur la figure 3 sont utilisés, ceux-ci étant solidarisés aux première 13 et deuxième 14 portions planes de chaque bande B.
Ces éléments d'assemblage 11 forment des éléments d'assemblage intercalaires 11 qui, comme visible sur la figure 4 représentant le dispositif d'échange thermique 10 obtenu selon ce premier exemple de mise en œuvre de l'invention, sont positionnés entre deux plaques d'échange thermique 2 adjacentes verticalement, s'étendant sur tout le bord des plaques.
Chaque élément d'assemblage intercalaire 11 comporte une face supérieure Ils s'étendant selon le plan P tel que défini par la suite en lien avec la figure 8, destinée à être solidarisée par soudure à une première plaque d'échange thermique 2, et une face inférieure lli s'étendant selon le plan P, destinée à être solidarisée par soudure à une deuxième plaque d'échange thermique 2, les première et deuxièmes plaques étant au contact l'une de l'autre. Comme visible sur la figure 5, au sein d'une même plaque d'échange thermique 2, plusieurs bandes B peuvent être soudées ensemble le long de lignes de soudure Ls pour augmenter le nombre de microcanaux 5 selon la deuxième direction Y, tandis que préférentiellement les éléments intercalaires 11 sont en une seule partie le long de la deuxième direction Y, un même élément intercalaire 11 étant ainsi disposé sur au moins deux bandes B soudées entre elles.
La soudure permet d'assurer l'étanchéité entre les bandes ondulées B et les éléments intercalaires 11. Elle est réalisée alors que les éléments intercalaires 11 et les bandes B sont situés dans un outillage de positionnement. La soudure peut notamment consister en la fusion des parois adjacentes, que ce soient les parois extérieures des bandes ou les nervures 15 des éléments intercalaires 11. Cette soudure est réalisée par air chaud, par panneaux radiants dans l'infrarouge, par laser ou par toute autre technique connue de l'Homme du métier pour réaliser ce type de soudure.
Suivant le dispositif de soudure utilisé, l'ensemble peut être soudé en une seule opération, ou en faisant déplacer une source de soudure à une vitesse prédéterminée devant les pièces à souder. Il est également possible de disposer d'un dispositif de soudure fixe et de faire déplacer l'assemblage comprenant les pièces à souder.
Par ailleurs, comme visible sur la figure 3, chaque élément intercalaire 11 comporte, sur ses deux faces latérales 111, deux nervures 15 s'étendant perpendiculairement à la face latérale 111 correspondante et sur toute la longueur de la face latérale 111 selon la deuxième direction Y. Aussi, chaque élément intercalaire 11 comporte quatre nervures 15 formées aux intersections entre les faces latérales 111 et les faces supérieure Ils et inférieure lli dans le prolongement selon la deuxième direction Y des faces supérieure Ils et inférieure lli.
Ces éléments intercalaires 11 peuvent avantageusement être réalisés en un matériau polymère. Les nervures 15, ou encore désignées comme étant des « dents », peuvent être formées d'un côté ou des deux côtés, comme ici, de l'élément intercalaire
11. Elles peuvent être réalisées soit directement par extrusion, soit en variante par usinage. De façon avantageuse, ces nervures 15 permettent de faciliter la soudure des éléments intercalaires 11 avec les bandes B.
A titre d'exemples, comme visible sur la figure 3, la hauteur hz d'une nervure 15, soit sa dimension selon la troisième direction Z, peut être de l'ordre de 0,30 mm. De même, la largeur lx d'une nervure 15, soit sa dimension selon la première direction X, peut être de l'ordre de 0,5 mm. De plus, la hauteur h, de l'élément intercalaire 11 entre deux nervures 15 situées sur une même face latérale 111 respectivement dans le prolongement de la face supérieure Ils et de la face inférieure lli, correspondant à la dimension selon la troisième direction Z entre ces deux nervures 15, peut être de l'ordre de 3,20 mm. Enfin, la largeur I, d'un élément intercalaire 11 comprenant deux nervures 15 opposées sur les faces latérales 111, correspondant à la dimension selon la première direction X de l'élément intercalaire 11 comprenant deux nervures 15, peut être de l'ordre de 11 mm.
En référence maintenant aux figures 6 à 9, on a illustré une deuxième variante de réalisation de l'invention.
Comme précédemment, une pluralité de bandes B est réalisée par extrusion d'un matériau polymère, et ces bandes B sont ensuite ondulées par déformation à chaud.
Toutefois, dans cet exemple, comme il ressort des figures 6, 7 et 8, chaque bande B comporte, à chacune de ses extrémités situées respectivement au niveau du premier bord 4 et du deuxième bord 6 de la plaque d'échange thermique 2, un élément d'assemblage 12 sous la forme d'une boîte d'extrémité creuse 12, formée par surmoulage et à l'intérieur de laquelle débouchent les canaux 5 destinés à la circulation du premier fluide.
Les boîtes d'extrémité 12 permettent l'assemblage des plaques d'échange thermique 2 pour le dispositif d'échange thermique 10 à la manière d'un jeu de Lego®, par encastrement des boîtes d'extrémité 12 les unes sur les autres, et ce de manière étanche.
Pour ce faire, comme représenté sur la figure 6, chaque boîte d'extrémité creuse 12 peut comporter des faces latérales 18 ouvertes, s'étendant perpendiculairement au plan P, et des faces supérieure et inférieure 19 fermées, s'étendant selon le plan P, pour permettre un écoulement du premier fluide selon la deuxième direction Y.
En variante, comme représenté sur la figure 7, chaque boîte d'extrémité creuse 12 peut comporter des faces latérales 18 fermées, s'étendant perpendiculairement au plan P, et des faces supérieure et inférieure 19 ouvertes, s'étendant selon le plan P, pour permettre un écoulement du premier fluide selon une troisième direction verticale Z, les première X, deuxième Y et troisième Z directions formant un trièdre direct.
Après assemblage des plaques d'échange thermique 2 entre elles grâce aux encastrements des boîtes d'extrémité creuses 12, des boîtes d'entrée/sortie de liquide de l'échangeur thermique complet peuvent être positionnées et solidarisées de manière étanche.
Dans l'exemple de la figure 6, le premier liquide circule dans l'axe d'écoulement du deuxième liquide. Dans l'exemple de la figure 7, le premier liquide circule perpendiculairement à l'axe d'écoulement du deuxième liquide.
Pour permettre l'assemblage, chaque boîte d'extrémité creuse 12 comporte, sur une première face, une nervure d'assemblage mâle 20 et, sur une deuxième face opposée à la première face, une rainure d'assemblage femelle 21, l'assemblage d'une nervure d'assemblage mâle 20 d'une première boîte d'extrémité creuse 12 avec une rainure d'assemblage femelle 21 d'une deuxième boîte d'extrémité creuse 12 permettant l'assemblage des première et deuxième boîtes d'extrémité 12, et ainsi l'assemblage d'une pluralité de bandes B entre elles pour former des plaques d'échange thermique 2.
La figure 8 représente le dispositif d'échange thermique 10 obtenu avec des boîtes d'extrémité creuses 12 selon le principe de la figure 6, soit avec des boîtes ou collecteurs 12 surmoulés dans l'axe d'écoulement du deuxième liquide. De la même manière, on pourrait assembler l'ensemble dans une configuration avec des collecteurs 12 perpendiculaires à l'axe d'écoulement du deuxième liquide.
L'assemblage étanche peut être réalisé par collage à l'aide d'une colle adaptée au polymère utilisé pour les boîtes d'extrémité 12.
Il est à noter que le fluide circulant dans les plaques 2 est par exemple un liquide, un gaz ou un mélange liquide/gaz. Le fluide circulant selon la deuxième direction Y est par exemple un gaz ou un mélange de gaz, comme l'air ou un liquide.
Le fonctionnement du dispositif d'échange thermique 10 va maintenant être décrit. Un premier fluide est mis en circulation dans les microcanaux 5 via des collecteurs d'alimentation et d'évacuation, le collecteur d'alimentation étant connecté à une source de premier fluide et le collecteur d'évacuation étant connecté par exemple à une zone de stockage de ce premier fluide. Une pompe est par exemple mise en œuvre pour assurer la circulation du premier fluide. Le collecteur d'évacuation peut être relié au collecteur d'alimentation pour faire circuler le premier fluide en circuit fermé dans les plaques 2.
Simultanément, le deuxième fluide, par exemple de l'air, circule entre les bandes B des plaques 2, par exemple par convection forcée au moyen d'un ventilateur. Le premier fluide échange par convection avec le matériau des bandes B et les bandes B échangent par convection avec l'air.
Du fait de la tortuosité des microcanaux 5, les échanges thermiques sont favorisés entre le premier fluide et le matériau des bandes B. Du fait de la très grande surface d'échange thermique, et de l'interruption des couches limites sur les bords d'attaque de chaque bande, les échanges entre l'air et les bandes B sont favorisés par rapport à des plaques multicanaux planes. De plus les pertes de charge sont faibles pour le deuxième fluide assurant une circulation d'air importante. Le dispositif 10 permet des échanges thermiques très efficaces dans un encombrement réduit.
Par ailleurs, les bandes B, réalisées par extrusion, peuvent être réalisées en tous matériaux polymères aptes à être extrudés, tels que le PVDF (Polyfluorure de 10 Vinylidène), le PPO (Oxyde de Polyphénilène), le PP (Polypropylène), le PVCC (Polychlorure de Vinyle surchloré), le PA (Polyamide), le PPS (Polysulfure de phénylène), le PEI (Polyétherimide), le PSU (Polysulfone), le PBI (Polybenzidimazole), le PFA 15 (Perfluoroalkoxy), le PEEK (Polyetheretherketone), le PMMA (Polymethacrylate de Méthyle). Des charges telles que par exemple du carbone, du nitrure de bore, des fibres de verre ou de carbone, des nanotubes de carbone peuvent être incorporées dans le polymère pour améliorer ses propriétés de conductivité thermique et/ou de résistance mécanique.
Les éléments d'assemblage 11, 12 peuvent de préférence être réalisés avec les mêmes matériaux que les plaques d'échange thermique 2 extrudées.
Par ailleurs, comme visible sur la figure 9, les plaques d'échange thermique 2 présentent une forme telle que les sections de passage libres pour le deuxième fluide, typiquement de l'air, sont identiques ou proches, de manière à éviter les passages préférentiels de l'air.
De façon avantageuse, la plaque d'échange thermique et le dispositif d'échange thermique selon l'invention sont de réalisation relativement simple, mettant en œuvre peu de pièces. Il en résulte un coût de fabrication réduit par rapport aux plaques et aux dispositifs de l'art antérieur. Ils sont robustes et offrent une bonne fiabilité, du fait du nombre limité de pièces assemblées. De plus, ils présentent une bonne modularité dans la mesure où la taille du dispositif d'échange thermique est aisément ajustable.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS
    1. Plaque d'échange thermique (2) pour dispositif d'échange thermique (10) entre un premier fluide et un deuxième fluide, la plaque d'échange thermique (2) s'étendant dans un plan (P), la plaque d'échange thermique (2) comprenant au moins deux bandes (B, Bl, B2) s'étendant entre un premier bord (4) de la plaque d'échange thermique (2) et un deuxième bord (6) de la plaque d'échange thermique (2), opposé au premier bord (4), selon une première direction (X), les bandes (B, Bl, B2) étant disposées l'une à côté de l'autre selon une deuxième direction (Y), perpendiculaire à la première direction (X), chacune des bandes (B, Bl, B2) comportant au moins un canal (5), notamment une pluralité de canaux (5), s'étendant du premier bord (4) au deuxième bord (6) et débouchant dans le premier bord (4) et le deuxième bord (6), ledit au moins un canal (5) étant destiné à la circulation d'un premier fluide, lesdites bandes (B, Bl, B2) présentant chacune une ondulation comprenant des sommets (9) et des creux (7), deux bandes (B, Bl, B2) directement voisines étant disposées relativement l'une par rapport à l'autre de telle sorte qu'un sommet (9) d'une bande (Bl) et un sommet (9) de la bande (B2) directement voisine soient décalés suivant la première direction (X) et de telle sorte que, suivant la deuxième direction (Y), le sommet (9) d'un bande (Bl) et le creux (7) de la bande (B2) directement voisine délimitent des chemins de circulation (Cl, C2) d'un deuxième fluide, caractérisée en ce que la plaque d'échange thermique (2) comporte au moins un élément d'assemblage (11, 12) sur chacun de ses premier (4) et deuxième (6) bords, solidarisé auxdites au moins deux bandes (B, Bl, B2) permettant l'assemblage de la plaque d'échange thermique (2) avec une ou plusieurs autres plaques d'échange thermique (2) au sein du dispositif d'échange thermique (10).
  2. 2. Plaque d'échange thermique selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque bande (B, Bl, B2) présente une structure alvéolaire, présentant deux parois sensiblement parallèles formant les faces supérieure (Bs) et inférieure (Bi) de la bande (B, Bl, B2), s'étendant selon la première direction (X), et une pluralité de cloisons internes (23), sensiblement parallèles les unes aux autres et perpendiculaires aux deux parois (Bs, Bi), reliant les parois entre elles, de sorte à définir une pluralité de microcanaux (5), chaque canal (5) formant une alvéole correspondant à l'espace entre deux cloisons (23) successives et les deux parois (Bs, Bi).
  3. 3. Plaque d'échange thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque bande (B, Bl, B2) comporte une première portion plane (13) formant au moins en partie le premier bord (4) de la plaque d'échange thermique (2) et une deuxième portion plane (14) formant au moins en partie le deuxième bord (6) de la plaque d'échange thermique (2), chacun des premier (4) et deuxième (6) bords de la plaque d'échange thermique (2) comprenant au moins un élément d'assemblage (11), notamment un unique élément d'assemblage (11) s'étendant sur tout le bord (4, 6), respectivement solidarisé aux première (13) et deuxième (14) portions planes de chaque bande (B, Bl, B2).
  4. 4. Plaque d'échange thermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit au moins un élément d'assemblage (11) forme un élément d'assemblage intercalaire (11) destiné à être positionné entre deux plaques d'échange thermique (2) du dispositif d'échange thermique (10), ledit au moins un élément d'assemblage (11) comportant une face supérieure (Ils) s'étendant selon le plan (P), destinée à être solidarisée à une première plaque d'échange thermique (2), notamment par soudure, et une face inférieure (lli) s'étendant selon le plan (P), destinée à être solidarisée à une deuxième plaque d'échange thermique (2), notamment par soudure, destinée à être au contact de la première plaque d'échange thermique (2).
  5. 5. Plaque d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit au moins un élément d'assemblage (11) comporte, sur au moins l'une de ses deux faces latérales (111) s'étendant perpendiculairement au plan (P), au moins une nervure (15) s'étendant perpendiculairement à la face latérale (111) et sur toute la longueur de la face latérale (lll) selon la deuxième direction (Y), notamment au moins une nervure (15) formée à l'intersection entre la face latérale (lll) et la face supérieure (Ils), s'étendant selon le plan (P), et/ou entre la face latérale (lll) et la face inférieure (lli), s'étendant selon le plan (P), dudit au moins un élément d'assemblage (11), respectivement dans le prolongement selon la deuxième direction (Y) de la face supérieure (Ils) et/ou de la face inférieure (lli) dudit au moins un élément d'assemblage (11).
  6. 6. Plaque d'échange thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque bande (B, Bl, B2) comporte, à chacune de ses extrémités situées respectivement au niveau du premier bord (4) et du deuxième bord (6) de la plaque d'échange thermique (2), un élément d'assemblage (12) sous la forme d'une boîte d'extrémité creuse (12) à l'intérieur de laquelle débouchent le ou les canaux (5) destinés à la circulation du premier fluide, ladite boîte d'extrémité creuse (12) étant notamment formée par surmoulage au niveau de l'extrémité correspondante de la bande (B, Bl, B2).
  7. 7. Plaque d'échange thermique selon la revendication 6, caractérisée en ce que chaque boîte d'extrémité creuse (12) comporte des faces latérales (18) ouvertes, s'étendant perpendiculairement au plan (P), et des faces supérieure et inférieure (19) fermées, s'étendant selon le plan (P), pour permettre un écoulement du premier fluide selon la deuxième direction (Y).
  8. 8. Plaque d'échange thermique selon la revendication 6, caractérisée en ce que chaque boîte d'extrémité creuse (12) comporte des faces latérales (18) fermées, s'étendant perpendiculairement au plan (P), et des faces supérieure et inférieure (19) ouvertes, s'étendant selon le plan (P), pour permettre un écoulement du premier fluide selon une troisième direction verticale (Z), les première (X), deuxième (Y) et troisième (Z) directions formant un trièdre direct.
  9. 9. Plaque d'échange thermique selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que chaque boîte d'extrémité creuse (12) comporte, sur une première face, une nervure d'assemblage mâle (20) et, sur une deuxième face opposée à la première face, une rainure d'assemblage femelle (21), l'assemblage d'une nervure d'assemblage mâle (20) d'une première boîte d'extrémité creuse (12) avec une rainure d'assemblage femelle (21) d'une deuxième boîte d'extrémité creuse (12) permettant l'assemblage des première et deuxième boîtes d'extrémité (12), et ainsi l'assemblage d'une pluralité de bandes (B, Bl, B2) entre elles pour former une ou plusieurs plaques d'échange thermique (2).
  10. 10. Plaque d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque bande (B, Bl, B2) est réalisée en un matériau polymère et fabriquée par extrusion et mise en forme.
  11. 11. Plaque d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que toutes les bandes (B, Bl, B2) présentent la même ondulation, les ondulations de deux bandes adjacentes (Bl, B2) étant déphasées, le déphasage étant tel qu'un creux (7) d'une bande (Bl) est aligné avec un sommet (9) de la bande adjacente (B2) dans la deuxième direction (Y), le profil général de l'ondulation des bandes (B, Bl, B2) étant une courbe sinusoïdale.
  12. 12. Plaque d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que toutes les bandes (B, Bl, B2) présentent la même ondulation, les ondulations de deux bandes adjacentes (Bl, B2) étant déphasées, le déphasage étant tel qu'un creux (7) d'une bande (Bl) est aligné avec un sommet (9) de la bande adjacente (B2) dans la deuxième direction (Y), le profil général de l'ondulation des bandes (B, Bl, B2) étant en arc de cercle, comprenant une juxtaposition de courbes élémentaires en forme de « S », chacune formée par la réunion de deux demi-cercles inversés l'un par rapport à l'autre.
  13. 13. Dispositif d'échange thermique (10), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une plaque d'échange thermique (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  14. 14. Procédé de fabrication d'une plaque d'échange thermique (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
    a) fabrication par extrusion de bandes (B, Bl, B2) munies d'au moins un canal (5),
    b) mise en forme de chaque bande (B, Bl, B2) par déformation à chaud de sorte à réaliser une ondulation de la bande permettant l'obtention d'une bande gaufrée,
    c) fixation d'au moins un élément d'assemblage (11, 12) à chaque extrémité de chaque bande (B, Bl, B2) pour permettre l'assemblage de plaques d'échange thermique (2) les unes aux autres.
  15. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit au moins un élément d'assemblage (11) forme un élément d'assemblage intercalaire (11) positionné entre deux plaques d'échange thermique (2) du dispositif d'échange thermique (10), les plaques d'échange thermique (2) et ledit au moins un élément d'assemblage intercalaire (11) étant solidarisés ensemble par soudure.
  16. 16. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit un élément d'assemblage (12) forme une boîte d'extrémité creuse (12) à l'intérieur de laquelle débouchent le ou les canaux (5) destinés à la circulation du premier fluide, formée par surmoulage au niveau des extrémités de chaque bande (B, Bl, B2).
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