CADRES

Domaine technique

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur à au moins deux circuits de fluide comportant chacun des canaux.

L'invention a trait plus particulièrement à un nouveau procédé de fabrication de tels échangeurs par soudage par diffusion obtenu soit par la technique de compression isostatique à chaud (CIC), soit par la technique de compression uni-axiale à chaud.

Les échangeurs de chaleur connus comprennent soit un soit au moins deux circuits à canaux de circulation interne de fluide. Dans les échangeurs à un seul circuit, les échanges thermiques se réalisent entre le circuit et un fluide environnant dans lequel il baigne. Dans les échangeurs à au moins deux circuits de fluide, les échanges thermiques se réalisent entre les deux circuits de fluide.

Il est connu des réacteurs chimiques qui mettent en œuvre un procédé en continu selon lequel on injecte simultanément une quantité faible de co-réactants, à l'entrée d'un premier circuit de fluide, de préférence équipé d'un mélangeur, et on récupère le produit chimique obtenu en sortie dudit premier circuit. Parmi ces réacteurs chimiques connus, certains comprennent un deuxième circuit de fluide, appelé usuellement utilité, et dont la fonction est de contrôler thermiquement la réaction chimique, soit en apportant la chaleur nécessaire à la réaction, soit au contraire en évacuant la chaleur dégagée par celle- ci. De tels réacteurs chimiques à deux circuits de fluide avec utilité sont usuellement appelés échangeurs-réacteurs.

La présente invention concerne aussi bien la réalisation d' échangeurs de chaleur à fonction uniquement d'échanges thermiques que la réalisation d' échangeurs- réacteurs. Aussi, par « échangeur de chaleur à au moins deux circuits de fluide », il faut comprendre dans le cadre de l'invention, aussi bien un échangeur de chaleur à fonction uniquement d'échanges thermiques qu'un échangeur-réacteur.

Etat de la technique

Les échangeurs de chaleur, dits à plaques, existants présentent des avantages importants par rapports aux échangeurs de chaleur, dits à tubes, existants, en particulier leurs performances thermiques et leur compacité grâce à un rapport de la surface sur le volume d'échanges thermiques favorablement élevé.

Les échangeurs à tubes connus sont par exemple des échangeurs à tubes et calandre, dans lesquels un faisceau de tubes droits ou cintrés en forme de U ou en forme d'hélice est fixé sur des plaques percées et disposé à l'intérieur d'une enceinte dénommée calandre. Dans ces échangeurs à tubes et calandre, l'un des fluides circule à l'intérieur des tubes tandis que l'autre fluide circule à l'intérieur de la calandre. Ces échangeurs à tubes et calandre présentent un volume important et sont donc de faible compacité.

Les échangeurs à plaques connus sont plus compacts et sont obtenus par empilement de plaques comportant des canaux et assemblées entre elles.

Les canaux sont réalisés par emboutissage de plaques, le cas échéant par ajout de feuillards pliés sous forme d'ailettes ou par usinage de rainures. L'usinage est réalisé par des moyens mécaniques, par exemple par fraisage ou par voie chimique. L'usinage chimique est usuellement appelé gravage chimique ou électrochimique.

L'assemblage des plaques entre elles a pour objectif d'assurer l'étanchéité et/ou la tenue mécanique des échangeurs, notamment la tenue à la pression des fluides circulant à l'intérieur. L'assemblage concerne généralement un empilement réalisé en superposant, selon une séquence régulièrement répétée, des plaques de plusieurs types, chaque type correspondant à un des circuits de fluides, l'empilement pouvant contenir des plaques de séparation non rainurées.

Plusieurs techniques d'assemblage sont connues et sont mises en œuvre en fonction du type d'échangeur à plaques souhaité. L'assemblage peut ainsi être obtenu par des moyens mécaniques, tels que des tirants maintenant l'empilement serré entre deux plaques épaisses et rigides disposées aux extrémités. L'étanchéité des canaux est alors obtenue par écrasement de joints rapportés. L'assemblage peut être également obtenu par soudage, généralement limité à la périphérie des plaques, ce qui nécessite parfois d'insérer, ultérieurement au soudage, l'échangeur dans une calandre pour permettre sa tenue à la pression des fluides. L'assemblage peut encore être obtenu par brasage, en particulier pour des échangeurs pour lesquels des ailettes sont ajoutées. L'assemblage peut enfin être obtenu par soudage par diffusion (soudage-diffusion).

Les deux dernières techniques citées permettent de réaliser des échangeurs particulièrement performants en termes de tenue mécanique. En effet, grâce à ces deux techniques, l'assemblage est obtenu non seulement à la périphérie des plaques mais aussi à l'intérieur de l'échangeur.

Les échangeurs de chaleur à plaques assemblés par soudage par diffusion présentent des joints encore plus performants mécaniquement que les joints des échangeurs obtenus par brasage du fait de l'absence du métal d'apport requis pour le brasage.

Le soudage-diffusion consiste à obtenir un assemblage à l'état solide en appliquant une force à chaud sur les pièces à assembler pendant un temps donné.

L'assemblage par soudage-diffusion des plaques peut être mis en œuvre par compression uni-axiale à chaud, procédé qui consiste à appliquer simultanément une température élevée et un chargement essentiellement perpendiculaire aux plaques à assembler pendant un temps suffisant pour assurer le soudage des plaques entre-elles. Cette opération est généralement faite sous vide pour ne pas piéger du gaz dans les interfaces.

Le soudage-diffusion peut aussi être mis en œuvre par Compaction Isostatique à Chaud (CIC). Cette technique consiste à disposer des pièces dans une enveloppe étanche, appelée conteneur, mise sous vide puis à soumettre cette enveloppe à une forte pression de gaz neutre, généralement de 500bar à 1500bar, à haute température, typiquement de 500 à 1200°C selon les matériaux. L'enveloppe transmettant la pression aux pièces tout en restant étanche, on obtient le soudage diffusion de celles-ci. Dans le cas des échangeurs à plaques, la pression doit être réduite pour maintenir la déformation à un niveau acceptable, typiquement de 30 à 300bar.

En soudage-diffusion uni-axial ou par CIC, un problème rencontré lors du soudage d' échangeurs compacts à plaques est de réussir à bien souder les interfaces sans déformer excessivement les canaux.

En effet, le faible niveau de pression requis pour éviter la déformation des canaux ne permet généralement pas d'obtenir des interfaces résistantes car il ne permet pas l'élimination complète des pores.

En outre, la transmission de l'effort de soudage dans un empilement de plaques rainurées se fait de façon inégale, qu'il s'agisse du procédé de soudage-diffusion uni-axial ou du procédé de soudage-diffusion par CIC.

Dans les zones non rainurées, généralement le pourtour des plaques, l'effort de soudage est bien transmis. Dans la ou les zones rainurées, généralement au centre des plaques, l'effort de soudage est transmis d'une plaque à l'autre par les nervures, aussi appelées isthmes, qui séparent les canaux adjacents.

Selon son décalage latéral par rapport aux isthmes des autres étages de l'empilement, un isthme donné peut subir une contrainte très importante, d'où une forte déformation des canaux dans son voisinage, ou à l'inverse une contrainte très faible, d'où un mauvais soudage.

La qualité des interfaces et la déformation des canaux peuvent donc varier d'un endroit à l'autre de l'empilement, selon l'écrantage de l'effort de soudage par les canaux.

L'assemblage par soudage-diffusion uni-axial des plaques est décrit dans de nombreux documents. Cependant, la tenue mécanique et l'étanchéité de l'assemblage obtenu sont difficiles à garantir parce que, pour prévenir une déformation excessive des canaux, il est nécessaire de choisir une force de soudage suffisamment faible.

Pour obtenir des joints de qualité suffisante, c'est-à-dire avec l'absence de pores, malgré cette faible force, on peut augmenter la température de soudage, mais il en résulte un accroissement indésirable de la taille de grain du matériau, ce qui l'affaiblit.

Une alternative consiste à revêtir les surfaces à souder avec un métal ductile tel que le nickel, mais là aussi les interfaces sont affaiblies par rapport à un soudage diffusion homogène tel qu'on l'obtiendrait avec une force de soudage élevée (sans métal d'apport et sans porosité résiduelle), ou par rapport au matériau de base choisi pour l'application.

Enfin, une solution proposée telle que décrite dans le brevet US7900811B1 est d'appliquer à un empilement préalablement assemblé par soudage diffusion uni-axial un cycle de CIC haute pression, canaux ouverts pour ne pas les déformer, afin de parfaire l'assemblage, étant entendu que, celui-ci ayant été réalisé dans des conditions permettant d'éviter la déformation des canaux, les interfaces obtenues sont imparfaitement soudées. Or, s'il est évident pour l'homme de l'art que l'application d'un traitement par CIC permet l'élimination des pores isolés présents aux interfaces, la porosité qui débouche dans les canaux n'est pas nécessairement éliminée. Cette solution n'est donc pas universelle, elle n'est efficace que si une certaine qualité de soudage a été obtenue lors du soudage diffusion uni-axial. En soudage-diffusion par CIC, comme pour le soudage diffusion uni-axial, un problème rencontré lors du soudage d'échangeurs compacts à plaques est que la faible pression utilisée ne permet généralement pas d'obtenir des interfaces résistantes.

La mise en œuvre en soudage diffusion par CIC des solutions relatives au soudage diffusion uni-axial évoquées précédemment présente les mêmes inconvénients.

En outre, les enceintes industrielles permettant la mise en œuvre de CIC sont généralement mal adaptées à un fonctionnement sous basse pression. Ainsi, en pratique il existe une pression minimale de fonctionnement de ces enceintes industrielles qui, à la connaissance des inventeurs, est de quelques dizaines de bar.

Cette pression minimale est souvent trop élevée et conduit à une déformation inacceptable des canaux, notamment dans le cas d'échangeurs ayant une forte densité de canaux. Une solution serait de réduire la densité de canaux mais cela revient à réduire la compacité de l'échangeur. Une autre solution serait de diminuer la température de soudage pour améliorer la résistance du matériau, mais cela a pour conséquence une diminution de la qualité du soudage.

Pourtant, plusieurs autres solutions énumérées ci-après, existent pour souder par diffusion par CIC des composants comportant des canaux de refroidissement en évitant de trop les déformer.

Une première solution, décrite dans le brevet FR2989158B1, consiste à se servir de tubes pour conformer les canaux et souder de façon étanche au moins une extrémité de chaque tube à l'enveloppe. De cette façon, le gaz de pression pour la CIC pénètre les canaux mais pas les interfaces à souder. L'application de fortes pressions de soudage sans déformation notable des canaux est possible. Cette solution peut cependant être lourde à mettre en œuvre quand les canaux sont très nombreux. En outre, elle n'est pas envisageable quand les canaux sont de géométrie complexe, car ces formes ne peuvent être conformées par des tubes, même cintrés.

Une deuxième solution, décrite dans le brevet FR2879489B1, consiste à reconstruire des canaux ouverts à leur(s) extrémité(s) uniquement, en soudant par TIG ou par laser des lames au sommet de rainures réalisées dans des plaques de façon, comme précédemment à ce que le gaz de CIC pénètre les canaux mais pas les interfaces à souder. L'application de fortes pressions de soudage sans déformation notable des canaux est là encore possible. Cette solution est également lourde à mettre en œuvre et onéreuse quand les canaux sont très nombreux. En outre, elle n'est pas envisageable quand les canaux sont très petits.

Une troisième solution, décrite dans le brevet FR2949699B1 consiste à disposer, autour de rainures réalisées dans des plaques, un insert de faible surface d'appui et appliquer un cycle de CIC à faible pression sur un empilement de telles plaques. La pression étant faible, la déformation des rainures est faible et le soudage diffusion très imparfait. Par contre, une forte plastification de Γ insert est obtenue à cause de sa faible surface d'appui, ce qui permet l'étanchéifïcation des rainures. Dans un second temps, on réalise alors une opération d'usinage pour ouvrir les rainures (canaux) puis on applique un cycle de CIC à haute pression pour terminer de souder par diffusion l'empilement, en particulier les surfaces sises entre les rainures. Là aussi, cette solution est lourde à mettre en œuvre et onéreuse quand les canaux sont très nombreux, et elle n'est pas adaptée aux très petits canaux.

Aucune de ces trois solutions n'est bien adaptée au cas d'un grand nombre de plaques et d'un grand nombre de canaux.

Une autre solution, décrite dans le brevet FR3005499 Bl consiste à assembler par soudage diffusion dans un premier temps des éléments comportant les canaux du premier type de fluide puis, dans une second temps, à assembler ces derniers avec des éléments comportant les canaux du second type de fluide. Cette solution possède des avantages de plusieurs ordres, y compris la possibilité d'obtenir simultanément une bonne qualité d'interface et une faible déformation, mais elle reste assez lourde à mettre en œuvre et onéreuse car l'assemblage est réalisé en plusieurs fois.

En résumé, toutes ces solutions sont lourdes à mettre en œuvre, onéreuses et pas toujours bien adaptées au cas d'un grand nombre de plaques et d'un grand nombre de canaux.

Il existe donc un besoin d'améliorer encore les procédés de réalisation d'échangeurs de chaleur par soudage-diffusion pour obtenir des échangeurs compacts, avec des canaux de géométrie complexe et/ou de petites dimensions et/ou avec un grand nombre de plaques et/ou avec un grand nombre de canaux, pour améliorer la tenue mécanique de leurs joints sans engendrer de trop forte déformation des canaux, ni de grossissement de grain du matériau de structure inacceptable, pour pouvoir contrôler en tout point des échangeurs la qualité des joints, par exemple par contrôle non destructif, et pour avoir des coûts de fabrication et une facilité de mise en œuvre acceptables.

Le but de l'invention est de répondre au moins partiellement à ce(s) besoin(s).

Exposé de l'invention

Pour ce faire, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'un module d'échangeur de chaleur à au moins deux circuits de fluide comportant chacun des canaux, comportant les étapes suivantes :

a/ réalisation d'un ou plusieurs éléments d'un des deux circuits de fluide, dit premier circuit, chaque élément du premier circuit comportant au moins un cadre métallique refermé sur lui-même en étant percé d'une lumière centrale et intégrant ou supportant des lames faisant saillie sur au moins une des faces principales du cadre et qui s'étendent sur au moins la longueur ou la largeur de la lumière centrale;

b/ réalisation d'un ou plusieurs éléments d'au moins un autre circuit de fluide, dit deuxième circuit, chaque élément du deuxième circuit comportant au moins un cadre métallique refermé sur lui-même en étant percé d'une lumière centrale et intégrant ou supportant des lames faisant saillie sur au moins une des faces principales du cadre et qui s'étendent sur au moins la longueur ou la largeur de la lumière centrale;

cl empilement, avec alternance des cadres métalliques intégrant ou supportant les lames et de plaques pleines de séparation, de sorte à former les canaux ou des éléments du premier et du deuxième circuit, l'espace entre deux canaux adjacents étant définie par la largeur d'une lame;

d/ assemblage par soudage-diffusion soit par compaction uni-axiale soit par compression isostatique à chaud (CIC) entre le ou les éléments du premier circuit et le ou les éléments du deuxième circuit, empilés les uns sur les autres.

Par « lumière » on entend ici et dans le cadre de l'invention, un trou ou ouverture débouchant de part et d'autre du cadre métallique.

Par « percé d'une lumière », on entend donc un cadre comprenant une ouverture débouchante de part et d'autre.

L'invention consiste donc essentiellement à remplacer les plaques rainurées mis en œuvre usuellement pour constituer les éléments de circuits de fluide par des éléments constitués chacun d'un cadre, de lames supportées et intégrées au cadre, et d'une plaque non rainurée dont le rôle est de séparer physiquement deux cadres adjacents dans l'empilement. Ainsi, l'espacement entre les lames selon l'invention définit tout ou partie des canaux de circuits de fluide qui sont réalisés par les rainures dans une plaque selon l'état de l'art. Une plaque de séparation pleine selon l'invention remplace quant à elle la partie non rainurée d'une plaque selon l'état de l'art qui est située sous les rainures .

Un cadre possède les mêmes dimensions extérieures, le cas échéant à l'épaisseur près, qu'une plaque de séparation et une ou plusieurs zones évidées en son centre, séparées par des lames de même épaisseur que son pourtour ou de préférence en légère surépaisseur. Le pourtour du cadre selon l'invention remplace donc le pourtour non rainuré d'une plaque selon l'état de l'art et les lames séparent différents canaux.

Par rapport à l'état de l'art, la fabrication des pièces élémentaires (cadre, lames, plaques pleines de séparation) constitutives de l'empilement d'un module selon l'invention est simple et bon marché, puisqu'elle peut être réalisée uniquement par découpe et non plus nécessairement par usinage comme pour les plaques rainurées selon l'état de l'art. La mise en œuvre du soudage-diffusion est simplifiée et le soudage est amélioré.

Ainsi, selon une première variante de réalisation, un cadre selon l'invention peut être obtenu par exemple par découpe laser d'une tôle. L'étape a/ et/ou b/ est alors réalisée par mise en place des extrémités libres de baguettes formant les lames, dans des encoches pratiquées à la périphérie de la lumière centrale de chaque cadre.

Ainsi, selon cette première variante, les baguettes sont disposées à l'intérieur du cadre et remplacent les isthmes séparant les rainures dans les plaques rainurées selon l'état de l'art. Les espaces entre baguettes constituent alors tout ou partie des canaux de circulation des fluides.

Avantangeusement, les baguettes peuvent être de type baguettes de soudage, ce qui constitue des moyens simples à mettre en œuvre et bon marché.

Selon une deuxième variante de réalisation, les lames peuvent être solidaires du cadre et former une seule pièce obtenue par exemple par découpe laser et le cas échéant usinage léger du pourtour sur une face ou les deux, de façon à laisser les baguettes en relief par rapport à celles-ci. Ainsi, selon cette deuxième variante, l'étape a/ et/ou b/ est réalisée par usinage d'une pièce métallique monobloc réalisant le cadre et les lames en saillie par rapport à au moins une des faces principales du cadre.

De préférence, les lames ont une épaisseur supérieure à celle des cadres d'une valeur au plus égale à 10%. typiquement jusqu'à 0,5mm. Avantageusement, la section des lames est telle que, dans l'empilement selon l'étape cl, leur contact avec les plaques pleines de séparation est sensiblement linéaire ou selon un appui plan-plan limité à leur faces principales. Typiquement, les lames ou baguettes ont une forme cylindrique. Mais de manière générale, leur section peut être quelconque, en particulier rectangulaire. Les lames ou baguettes peuvent être sous la forme de fils, d'éléments découpés dans des tôles ou autres.

Préférentiellement, la section des baguettes est telle que, dans l'empilement avant soudage, leur contact avec les plaques séparatrices est de nature sensiblement linéaire, ce qui peut être obtenu par exemple avec des baguettes de section ronde. Ainsi, la surface de contact initiale est très faible, et la contrainte de soudage d'autant plus élevée.

Autrement dit, un empilement de plaques rainurées selon l'état de l'art est donc remplacé selon l'invention par un empilement répété en alternance d'un cadre supportant ou intégrant des lames définissant le premier circuit de fluide/ une plaque de séparation pleine / un cadre supportant ou intégrant des lames définissant le deuxième circuit de fluide / une plaque de séparation pleine etc .. Comme dans le cas des empilements de plaques rainurées selon l'état de l'art, on peut disposer des plaques monolithiques épaisses ou des séries de plusieurs plaques minces non rainurées à l'une et/ou l'autre extrémité de dessus ou de dessous de l'empilement et/ou au sein de l'empilement. Ces plaques aux extrémités constituent des enclumes et sont éventuellement faites d'un matériau différent de celui des cadres/lames et plaques de séparation.

Grâce à une surépaisseur des lames dans l'empilement les faces inférieures des plaques pleines de séparation sont essentiellement en contact avec le sommet des lames et leurs faces supérieures sont en contact avec la base des lames. Le cadre est en contact avec au maximum une des deux faces des plaques de séparation. Par conséquent, la continuité de la matière au travers de l'empilement dans la direction d'empilement est assurée par les lames. Lors de l'étape dl de soudage-diffusion de cet empilement, la pression va générer un effort de soudage préférentiel au niveau des interfaces lames/plaques de séparation plutôt qu'au niveau des interfaces uniquement entre les cadres. Néanmoins, au cours du soudage, la déformation progressive des lames et la légère ondulation éventuelle des plaques de séparation va permettre la mise en contact des cadres et des plaques de séparation pour aboutir aussi à leur soudage. Le matériau métallique constitutif de chaque élément du premier et du deuxième circuit de fluides, ainsi que des collecteurs de fluide rapportés par soudage, est choisi en fonction des conditions de l'utilisation requise pour le module échangeur, à savoir la pression des fluides, les températures et nature des fluides circulant à travers le module. Il peut s'agir par exemple d'aluminium, de cuivre, de nickel, de titane ou d'alliages de ces éléments ainsi que d'un acier, notamment un acier allié ou un acier inoxydable ou encore d'un métal réfractaire choisi parmi les alliages de niobium, de molybdène, de tantale ou de tungstène.

Par exemple, les cadres et plaques de séparation sont avantageusement en tôle d'acier inoxydable de type 1.4404, laminée à froid et les baguettes sont des baguettes de soudage en acier inoxydable de type ER316L.

Les canaux de circulation des fluides ont une largeur et une hauteur qui dépendent notamment de la nature et des caractéristiques des fluides véhiculés et de l'échange de chaleur désiré. Les largeurs et hauteurs peuvent notamment varier le long du cheminement des canaux. De façon générale, les modules d'échangeurs compacts selon l'invention comportent des canaux dont les dimensions varient de 0,1mm à 10mm, de préférence de 1 à 5mm. Pour ce faire, l'épaisseur d'un cadre avec ses lames d'un élément du premier circuit mises en œuvre dans les étapes a/ à d/ selon l'invention peut varier de 0,1 à 15mm, de préférence de 1 à 10mm. Enfin, le cheminement des canaux dans leur longueur peut être droit ou non, et peut former des coudes ou des motifs par exemple en chevrons.

Pour l'étape cl d'empilement des cadres et des plaques pleines de séparation, on peut utiliser des pions de centrage ou caler les cadres et plaques sur leurs chants et les solidariser par exemple par soudage.

De préférence, préalablement à l'empilement, c'est-à-dire avant l'étape cl, on réalise une étape al/ et bl/ de nettoyage des cadres et plaques pleines de séparation de chaque élément respectivement du premier circuit et deuxième circuit. Le nettoyage peut être réalisé par exemple à l'aide de détergents ou de solvants.

Selon un mode de réalisation avantageux, on réalise l'étape d/ par application d'un cycle de compression isostatique à chaud (CIC) à relativement basse pression à l'empilement étanche et dégazé. On désigne ici ce cycle CIC à relativement basse pression, car les pressions sont plus basses que celles d'un cycle CIC désigné à haute pression, i.e entre 500 et 2000 bar, avantageusement entre 800 et 1200 bar.

Selon ce mode, on réalise au préalable de l'étape d/ de CIC, une insertion de l'empilement dans une enveloppe métallique, dite conteneur, puis une étape de mise sous vide de l'intérieur du conteneur par un tube, dit queusot, soudé sur une face du conteneur, et enfin une étape de soudage du tube sur lui-même. Le dégazage des canaux et des interfaces est ainsi réalisé par mise sous vide, au travers du tube débouchant du conteneur puis celui-ci est obturé. Pour réaliser le dégazage, ce queusot est raccordé à une pompe à vide, le pompage est effectué à une température donnée, comprise entre la température ambiante et 400°C environ, puis le queusot est obturé par soudage, sans remise à l'air.

Le cycle de CIC type comporte un chauffage et une pressurisation le plus souvent simultanés, un palier de température et de pression puis un refroidissement et une dépressurisation. Ce cycle est choisi notamment en fonction du (des) matériau(x) des cadres, lames et plaques pleines de séparation constitutives des éléments du premier et du deuxième circuit. En particulier, on peut choisir la température de palier et les vitesses de chauffage et de pressurisation (respectivement de refroidissement et dépressurisation) notamment en tenant compte des capacités de l'enceinte de CIC utilisée.

Ainsi, de préférence, le cycle de CIC selon l'étape d/ est réalisé selon les caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison:

- à une pression comprise entre 20 et 500 bar, de préférence compris entre 30 et

300 bar; le choix de la pression résulte d'un compromis entre qualité de soudage à obtenir et déformation acceptable des canaux ;

- à une température comprise entre 500 et 1200°C, de préférence entre 900 et 1100°C ; la température que l'on retient dépend du matériau constitutif des plaques utilisées et de la taille de grain maximale admissible ;

- pendant une durée comprise entre 15 min et quelques heures, de préférence entre 1 et 4h ; les temps de chauffage et pressurisation (respectivement de refroidissement et dépressurisation) dépendent des caractéristiques et possibilités de l'équipement (enceinte) utilisé, ils sont habituellement de plusieurs heures.

Après l'étape d/, on réalise avantageusement une étape e/ d'ouverture des canaux du premier circuit et du deuxième circuit vers l'extérieur. L'ouverture des canaux du premier circuit, comme celle ultérieure des canaux du deuxième circuit, peut être réalisée par perçage ou en coupant l'extrémité des plaques qui les obturent.

Selon un mode de réalisation avantageux, après cette étape e/, on réalise une étape f/ d'application d'un cycle de compression isostatique à chaud (CIC) à haute pression à l'empilement déjà assemblé, les canaux à la fois du premier circuit et du deuxième circuit étant ouverts vers l'extérieur. L'application de cycle CIC à haute pression avec les canaux ouverts permet d'avoir une bonne transmission de l'effort de soudage aux interfaces et de parfaire l'assemblage.

Le cycle de CIC selon l'étape f/ est de préférence réalisé à une pression comprise entre 500 et 2000 bar, de préférence entre 800 et 1200 bar. Le cycle de CIC selon l'étape f/ est avantageusement réalisé à une pression comprise entre 500 et 2000 bar, de préférence entre 800 et 1200 bar.

Lors d'une étape g/ ultérieure, le bloc obtenu peut être ensuite avantageusement usiné pour y rapporter différents éléments, en particulier des collecteurs de fluide, des joints, de la visserie ...

Avantageusement, lors de cette étape g/, on peut prévoir le soudage de collecteurs de fluide sur le module assemblé selon l'étape e/ ou f/, un collecteur de fluide étant apte à distribuer ou récupérer un fluide circulant dans le premier ou le deuxième circuit.

L'invention a également pour objet un module d'échangeur de chaleur à au moins deux circuits de fluide obtenu selon le procédé tel que décrit précédemment.

L'invention a enfin pour objet un système d'échangeur de chaleur comprenant une pluralité de modules comme ci-dessus, reliés entre eux.

L'invention concerne enfin l'utilisation d'un module d'échangeur comme ci- dessus ou du système ci-dessus :

- en tant que partie d'échangeur de chaleur d'un réacteur nucléaire, tel qu'un réacteur refroidi au métal liquide (SFR) ou

- en tant que partie d'échangeur-réacteur d'une réaction chimique, telle qu'une méthanation. Description détaillée

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d'exemples de mise en œuvre de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :

- la figure 1 est une vue de face d'un cadre métallique supportant des baguettes d'un élément d'un premier circuit de fluide Cl à partir duquel un exemple du procédé de réalisation d'un module d'échangeur de chaleur à deux circuits de fluide selon l'invention est mis en œuvre;

- la figure 2 est une vue de face d'un cadre métallique supportant des baguettes d'un élément d'un deuxième circuit de fluide C2 à partir duquel le premier exemple du procédé de réalisation selon l'invention est mis en œuvre;

- la figure 3 est une vue schématique du dessus en transparence d'une partie d'un empilement montrant la géométrie et l'agencement relatifs entre les rainures des premier et deuxième circuits selon de l'invention, réalisés par la superposition en alternance à 90° les uns des autres des différents cadres avec baguettes.

Les termes « longitudinal » et « latéral », sont à considérer en relation avec la forme géométrique des cadres métalliques qui déterminent la forme géométrique des empilements du module d'échangeur thermique selon l'invention. Ainsi, au final les quatre côtés longitudinaux de l'empilement du module d'échangeur selon l'invention sont ceux qui s'étendent parallèlement à l'axe X longitudinal des plaques, c'est-à-dire selon leur longueur L. Les deux côtés latéraux de l'empilement sont ceux qui s'étendent selon l'axe Y latéral des plaques, orthogonalement à l'axe X, c'est-à-dire selon leur largeur 1.

Les termes « au-dessus » et « au-dessous » sont à considérer par rapport à la direction de l'empilement du module d'échangeur. Ainsi, la plaque de dessus, qui forme tout ou partie d'une enclume, est la dernière plaque que l'on empile sur les autres.

Dans l'exemple illustré selon l'invention, on fabrique un échangeur de chaleur de type à courants croisés par soudage-diffusion en CIC.

Etape a/ : Afin de réaliser un élément d'un premier circuit Cl de fluides, on dispose de plaques de séparation, non représentées, et de pièces 1 constituées chacune d'un cadre 10 de forme rectangulaire supportant des baguettes 11. Les plaques de séparation et cadres 10 sont obtenus par découpe par faisceau laser à partir d'une tôle d'acier laminée à froid. Chaque cadre rectangulaire 10 comporte une partie évidée centrale 100 et dont les petits côtés comportent chacun une série de logements ou encoches 101 régulièrement espacées et destinées à loger chacune une extrémité libre d'une baguette 11.

Une fois en place dans le cadre 10, c'est-à-dire supportées par ce dernier, les baguettes 11 forment les nervures ou isthmes séparés par des canaux de circulation du premier fluide Cl .

A titre d'exemple, chaque plaque de séparation est en acier inoxydable 1.4404, les dimensions extérieures d'une plaque sont égales à 2x250x300mm.

Chaque cadre 10 est également en acier inoxydable 1.4404, les dimensions extérieures d'un cadre 10 sont égales à 3x200x250mm. La partie évidée ou lumière centrale 100 a des dimensions extérieures égales à 151x200mm.

Le nombre de logements ou encoches 101 régulièrement espacées sur chaque petit côté de la lumière centrale 100 est égal à 21. Chaque encoche 101 présente une largeur de 3,4mm et une profondeur 3mm. Deux encoches adjacentes sont séparées de 4mm.

Les baguettes 11 sont des baguettes de soudage en acier inoxydable ER316L. Le nombre de baguettes est égal à 21. Les baguettes 11 sont de section cylindrique droite, de diamètre 3,2mm et de longueur égale à 205mm.

Avec les données ci-dessus, les canaux de circulation du premier fluide Cl formés par les espaces entre baguettes 11, ont une largeur de 4mm, une hauteur de 3mm et une longueur de 200mm. Le nombre de canaux formés pour le premier circuit de fluide est égal à 22.

Etape b/ : Afin de réaliser un élément d'un deuxième circuit C2 de fluide, on dispose de plaques de séparation, non représentées, et de pièces 2 constituées chacune d'un cadre 20 de forme rectangulaire supportant des baguettes 21. Les plaques de séparation et cadres 20 sont obtenus selon le même procédé que pour ceux du circuit de fluide C2, i.e. par découpe par faisceau laser à partir d'une tôle d'acier laminée à froid.

Ainsi, chaque cadre rectangulaire 20 comporte une partie évidée centrale 200 et dont les grands côtés comportent chacun une série de logements ou encoches 201 régulièrement espacées et destinées à loger chacune une extrémité libre d'une baguette 21. Une fois en place dans le cadre 20, c'est-à-dire supportées par ce dernier, les baguettes 21 forment les nervures ou isthmes séparés par des canaux de circulation du premier fluide C2.

A titre d'exemple, chaque cadre 20 est également en acier inoxydable 1.4404, les dimensions extérieures d'un cadre 10 sont égales à 3x166x172mm. La partie évidée ou lumière centrale 200 a des dimensions extérieures égales à 151x200mm.

Le nombre de logements ou encoches 201 régulièrement espacées sur chaque grand côté de la lumière centrale 200 est égal à 24. Chaque encoche 201 présente une largeur de 3,4mm et une profondeur 3mm. Deux encoches adjacentes sont séparées de 4mm.

Les baguettes 21 sont des baguettes de soudage en acier inoxydable ER316L. Le nombre de baguettes est ici égal à 24. Les baguettes 21 sont de section cylindrique droite, de diamètre 3,2mm et de longueur égale à 171mm.

Avec les données ci-dessus, les canaux de circulation du premier fluide C2 formés par les espaces entre baguettes 21, ont une largeur de 4mm, une hauteur de 3mm et une longueur de 166mm. Le nombre de canaux formés pour le deuxième circuit de fluide est égal à 25.

Etapes al/ et bl/: on réalise un nettoyage à l'aide de solvants et/ou de détergents des plaques de séparation et des cadres 10, 20. Pour cela, toutes les pièces sont dégraissées, rincées, séchées.

Etape cl : Après les avoir nettoyées, on empile en alternance une plaque de séparation, un cadre 10 supportant ses baguettes 11 , une plaque de séparation, un cadre 20 supportant ses baguettes 21 qui disposées perpendiculairement aux baguettes 11 du cadre 10, une plaque de séparation...

De cette façon, on reconstitue à la fois les éléments à canaux du premier circuit

Cl , et les éléments à canaux du deuxième circuit C2 à courants croisés avec ceux du circuit Cl .

Dans l'exemple avec les données chiffrées ci-dessus, un jeu de 0,2mm est présent entre les plaques séparatrices et les cadres.

Lors de l'empilement, toutes les plaques de séparation et cadres 10, 20 sont alignés les uns par rapport aux autres grâce à des pions de centrage non représentés, insérés dans des trous borgnes. Dans l'exemple, l'empilement est au final constitué d'un nombre de dix étages de circuit de fluide Cl et de dix étages du circuit de fluide C2, complété par un nombre de quatre plaques pleines identiques aux plaques de séparation et qui sont mises en places au début et à la fin de l'empilement.

Etape d/ : On rend étanche la périphérie de l'empilement (bloc) complet et on dégaze chaque interface par un orifice débouchant que l'on obstrue. Pour réaliser l'étanchéité à la périphérie de l'empilement, on peut réaliser l'empilement complet dans un conteneur.

Le conteneur, réalisé en tôle d'acier inoxydable pliée et soudée par procédé TIG, est lui-même nettoyé (par exemple dégraissé à l'acétone) ainsi que son couvercle en tôle d'acier inoxydable de type 1.4307. Le couvercle est soudé TIG sur le conteneur puis le conteneur est mis sous vide par pompage, par exemple pendant une durée de 12h à travers un tube soudé sur un de ses côtés, par exemple de diamètre 8mm. Le tube est ensuite pincé, coupé et lui-même soudé pour prévenir une introduction d'air dans le conteneur.

On soumet ensuite le conteneur à un cycle de compression isostatique à chaud

(CIC), à basse pression, comprenant un chauffage de 900 à 1 100°C pendant un temps de 1 à 4h sous une pression de 30 à 300bar, puis un refroidissement en plusieurs heures et une dépressurisation.

Le pincement du conteneur, mesuré à mi- largeur, est inférieur à 3mm, soit 3% de l'épaisseur de l'empilement complet.

Durant ce cycle de CIC, les canaux du premier circuit de fluide et les canaux du deuxième circuit sont remplis par le gaz pressurisé de l'enceinte mettant en œuvre le cycle CIC, ce qui permet une bonne transmission de l'effort de soudage aux interfaces entre plaques 1.

Dans l'empilement selon l'invention, les contacts linéaires entre baguettes 11,

21 et plaques de séparation forment un réseau à maille carrée et seuls les points de croisement sont le siège d'une transmission directe de l'effort de soudage.

Etape e/ : A l'issue du soudage diffusion, le conteneur est usiné et les canaux sont débouchés par fraisage de fenêtres situées en face des extrémités de canaux. Ces fenêtres 3 sont au nombre de quatre dans l'exemple, comme montré figure 3 en en pointillés. Etape f/ : on applique ensuite un cycle de compression isostatique à chaud (CIC) à haute pression à l'empilement déjà assemblé, les canaux à la fois du premier circuit et du deuxième circuit étant ouverts vers l'extérieur.

Etape g/ : On rapporte alors par soudage des collecteurs de distribution de fluide non représentés, en regard des fenêtres 3, de sorte à alimenter et/ou récupérer un fluide dans chacun des premier Cl et deuxième C2 circuits au niveau des extrémités des rainures formant les canaux.

La taille des canaux pour chacun des circuits de fluide peut être différente selon la nature et les propriétés des fluides à véhiculer, les pertes de charges admissibles et le débit souhaité. Pour faire varier la largeur des canaux, on modifie l'espacement entre baguettes adjacentes.

On peut empiler plusieurs éléments d'un même circuit Cl ou C2 avant d'alterner avec un élément de l'autre circuit, dans le but d'optimiser une fonctionnalité de l'échangeur, par exemple l'échange thermique ou le débit d'un des fluides.

Si l'exemple unique illustré concerne des échangeurs à exactement deux circuits de fluides, il est tout à fait possible de fabriquer un échangeur à trois circuits de fluides ou plus.

Les deux collecteurs de fluide peuvent être agencés de part et d'autre de l'empilement constituant le module, ou de manière alternative d'un même côté de l'empilement.

Les modules d'échangeurs de chaleur obtenus selon le procédé de l'invention peuvent être assemblés les uns aux autres, par exemple en utilisant des brides ou en soudant les tuyauteries d'amenée de fluides. On peut ainsi envisager de réaliser un système échangeur de chaleur à plusieurs modules reliés entre eux dans lequel les échanges se font en plusieurs étapes avec des températures moyennes différentes ou des écarts de température par module suffisamment réduits pour diminuer les contraintes thermiques dans les matériaux. Par exemple, dans le cas d'un échangeur de chaleur dans lequel on désire transférer la chaleur d'un premier fluide à un second, on peut concevoir un système d'échangeur modulaire dans lequel chaque module permet de diminuer la température du premier fluide d'une valeur donnée, limitant ainsi les contraintes par rapport au cas d'une conception à un seul module présentant un écart de température plus élevé. Pour cela, la température d'entrée du second fluide peut différer d'un module à l'autre. Dans un autre exemple, un système de réacteur-échangeur modulaire permet de mener une réaction chimique complexe par étages en contrôlant précisément la température de réaction à chaque étage, pour un contrôle optimal de la réaction chimique, une minimisation des risques et une maximisation des rendements.

Un système d'échangeurs de chaleur à plusieurs modules permet aussi de diminuer les coûts de maintenance, en permettant le remplacement individuel d'un module défaillant, voire les coûts de fabrication par standardisation des modules.