DE COMPRESSION ISOSTATIQUE A CHAUD DE PLAQUES

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 par la technique de compression isostatique à chaud (CIC).

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.

II 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.

Il est à noter deux différences importantes quant à la problématique de déformation des canaux en soudage diffusion-uniaxial et en soudage-diffusion par CIC.

Tout d'abord, la déformation des canaux dans le premier cas est obtenue en partie grâce à un écoulement de matière dans le plan perpendiculaire à la direction d'application de la force, tandis que cet écoulement est empêché par la pression dans le second cas. Il en résulte que la réduction de section des canaux et leur déformation est de nature différente : il s'agit essentiellement d'un aplatissement en soudage-diffusion uni- axial et d'une réduction plus uniforme, suivant toutes les directions, en soudage- diffusion par CIC. En CIC, la présence d'une contrainte s'opposant à l'aplatissement permet d'utiliser une pression de soudage supérieure à celle utilisée en soudage diffusion uni- axial, ce qui est favorable à l'obtention d'interfaces plus résistantes.

La seconde différence importante entre les deux procédés est que l'utilisation d'une pression de gaz en CIC permet d'avoir en tout point de la surface de l'enveloppe la même contrainte appliquée. Cette contrainte est par définition perpendiculaire à cette surface, même si cette surface n'est pas plane ou n'est plus plane suite à une déformation localement plus forte. Une telle déformation est susceptible d'arriver quand, en regard du point de la surface de l'enveloppe considéré, se trouve une zone de l'empilement moins résistante.

A contrario, en soudage diffusion uni-axial, la pression est généralement transmise à l'empilement par un plateau rigide et par conséquent les faces inférieures et supérieures de l'empilement restent sensiblement planes et parallèles, même en cas de présence locale de zones peu résistantes. Cette seconde différence peut être vue comme un avantage ou un inconvénient du soudage diffusion par CIC : d'une part le risque de déformation locale peut limiter la pression de CIC applicable, d'autre part la mise en contact des plaques est moins tributaire de leur planéité.

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 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 en 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 suffisamment 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 former 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 formées 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'étanchéification 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.

Dans le cas général de l'assemblage par soudage diffusion d'échangeurs compacts à plaques, notamment des plaques rainurées, on voit donc que l'obtention d'interfaces très bien soudées, sans déformation excessive des canaux est difficile et que les solutions trouvées jusqu'à présent ont toutes des inconvénients. Il existe donc un besoin d'améliorer encore les procédés de réalisation d'échangeurs de chaleur par soudage-diffusion, plus particulièrement ceux qui mettent en œuvre la technique de CIC qui présente plusieurs avantages par rapport au soudage uni- axial que l'on peut résumer ainsi :

- présence d'une contrainte sur les côtés, susceptible de limiter l'aplatissement des canaux et par-là même d'autoriser une pression de soudage supérieure favorable à l'obtention d'interfaces plus résistantes,

- meilleure tolérance aux défauts de planéité des plaques grâce au mode d'application de l'effort vis une pression de gaz,

- possibilité de réaliser plus facilement des échangeurs de grande taille, grâce à une plus grande disponibilité de grandes installations industrielles de CIC dans le monde comparativement aux installations de soudage uni-axial, lesquelles sont peu répandues et plus difficiles à piloter, en particulier en ce qui concerne le chauffage qui est grandement facilité en CIC par la présence du gaz sous pression.

Il existe un besoin particulier d'améliorer encore les procédés de réalisation d'échangeurs de chaleur par soudage-diffusion par CIC, notamment 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, 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 une plaque métallique comportant des premières rainures formant au moins une partie des canaux du premier circuit;

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 une plaque métallique comportant des deuxièmes rainures formant au moins une partie des canaux du deuxième circuit, le motif et/ou la largeur des canaux du premier circuit étant différent(s) respectivement du motif et/ou la largeur des canaux du deuxième circuit;

c/ empilement des plaques métalliques des éléments des premier et deuxième circuits de sorte à former leurs canaux;

d/ assemblage par soudage-diffusion entre le ou les éléments du premier circuit et le ou les éléments du deuxième circuit, empilés les uns sur les autres.

Dans ce procédé selon l'invention, on détermine une largeur et un agencement relatifs entre les premières et deuxièmes rainures dans le sens de largeur de l'empilement tels qu'une fois l'empilement réalisé selon l'étape c/, on obtienne dans la direction de l'empilement, des colonnes de matière qui soient délimitées latéralement à la fois sur la largeur des nervures, appelées isthmes, entre première rainures adjacentes et des isthmes entre deuxième nervures adjacentes, et qui soient régulièrement espacées sur la largeur de l'empilement.

Par « motif différent », on comprend qu'en vue de face de l'empilement du module d'échangeur, le contour des canaux du premier circuit présente un profil géométrique différent des canaux du deuxième circuit, dans au moins une zone d'échange.

Le nombre de canaux du premier circuit est différent du nombre du deuxième circuit entre deux colonnes de matière successives.

De préférence, on détermine une largeur d'isthmes entre premières rainures adjacentes qui est comprise entre 0,5 et 2,5 fois la largeur des isthmes entre deuxièmes rainures adjacentes. La largeur d'isthmes entre premières rainures adjacentes peut par exemple être égale à la largeur des isthmes entre deuxièmes rainures adjacentes.

L'invention consiste ainsi à réaliser un arrangement particulier des rainures dans un empilement de plaques rainurées destiné à être soudé par diffusion par CIC, de sorte à obtenir une répartition régulière de colonnes de matière résistantes dans l'empilement.

Ces colonnes résistantes sont des zones allongées dans la direction de l'empilement qui présentent une continuité de matière lorque l'étape d/ de soudage est achevée, et qui traversent l'empilement de part en part.

Avec ces colonnes de matière résistantes selon l'invention, on évite la présence de larges zones, qui sont susceptibles de présenter de fortes déformations et donc on évite de devoir limiter la pression de soudage en CIC à cause de ces zones. Le fait que la répartition des colonnes résistantes soit régulière permet de choisir comme valeur de pression de soudage la valeur maximale admissible par l'empilement en CIC, celle-ci étant fonction d'un grand nombre de facteurs comme le matériau, la géométrie, la température et le temps de soudage et la déformation maximale admissible des canaux.

En outre, on prévoit que l'arrangement des rainures selon l'invention laisse, à travers l'empilement, des zones de matière sans canaux, usuellement appelées rives et enclumes, qui permettent également de renforcer substantiellement l'empilement vis-à-vis de la déformation sans altérer la qualité du soudage. Les rives sont les zones qui sont situées latéralement de part et d'autre des rainures et sont généralement constituées par les parties non rainurées des plaques. Les enclumes sont quant à elles des parties de l'empilement disposées à ses extrémités de dessus et de dessous et constituées par exemple de plaques non rainurées ou de plaques monolithiques plus épaisses que les plaques rainurées, et sont éventuellement faites d'un matériau différent. La largeur des rives et l'épaisseur des enclumes qu'il est nécessaire de choisir pour contenir suffisamment la déformation dépendent d'un grand nombre de facteurs : nombre et dimensions des canaux et des isthmes, nature du matériau, température, pression et temps de soudage diffusion. Par conséquent, ces dimensions sont choisies comme usuellement d'après l'expérience d'un homme de l'art de la technique CIC. Typiquement, l'épaisseur des enclumes additionnées en dessous et au dessus des plaques rainurées peut être de 50% de la hauteur totale de l'empilement. La largeur des rives additionnées de chaque côté latéral des plaques rainurées peut être de 50% de la largeur totale des plaques rainurées.

Les rives et les enclumes peuvent servir ultérieurement à l'usinage d'attentes de soudage ou de portées de joints et de perçages filetés pour rapporter des capots de collecteurs.

Il s'avère que lorsque l'arrangement des rainures selon l'invention au sein des plaques est réalisé, il est possible d'obtenir un bon soudage diffusion des plaques entre elles, en particulier au niveau des colonnes résistantes, tout en préservant la géométrie des canaux. Ceci est dû au fait que l'arrangement rend possible l'application d'une pression de soudage suffisante. La réalisation de cet arrangement est assez simple et facile à mettre en œuvre contrairement aux solutions existantes. En outre, l'arrangement permet d'optimiser la tenue mécanique du module d'échangeur obtenu non seulement grâce à la qualité du soudage mais aussi grâce à la répartition régulière des colonnes résistantes.

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.

Tout en respectant l'arrangement particulier des rainures selon l'invention, 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, isthmes 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, les épaisseurs d'une plaque métallique d'un élément du premier circuit mises en œuvres 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.

La fabrication des plaques métalliques constitutives de chaque élément du premier circuit peut mettre en œuvre des procédés qui dépendent de la géométrie que l'on souhaite donner aux canaux du premier circuit. Par exemple, si on désire des canaux de section rectangulaire constante avec des angles arrondis, il est préférable d'usiner des rainures sur deux plaques constituant un seul élément. Les canaux sont alors formés par l'empilement des deux plaques l'une sur l'autre avec positionnement en vis-à-vis des rainures de chaque plaque. Si au contraire on désire des canaux à angles vifs, il est préférable de mettre en sandwich entre deux plaques non rainurées, une plaque intermédiaire présentant des motifs évidés par une technique de découpe laser ou par gravure chimique traversante. Pour l'étape cl d'empilement des plaques, on peut utiliser des pions de centrage ou caler les plaques sur leurs chants et les solidariser par exemple par soudage, afin d'obtenir la parfaite définition géométrique des colonnes de matière résistantes.

De préférence, préalablement à l'empilement, c'est-à-dire avant l'étape cl, on réalise une étape al/ et bl / de nettoyage des plaques 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 dl 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 de la ou les interfaces est ainsi réalisé par mise sous vide, au travers du tube débouchant du conteneur puis celui-ci est obturé. Le tube ou queusot soudé sur le conteneur peut l'être également sur l'une des plaques en regard de l'orifice débouchant dans les interfaces. 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 plaques 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 dl 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.

Selon un autre mode de réalisation avantageux, on réalise des plots ou bandes à l'intérieur de la zone rainurée de(s) l'élément(s) du premier et du deuxième circuit de fluide, séparant les canaux de fluide, afin de constituer des colonnes de matière supplémentaires au sein de l'empilement une fois l'étape d/ d'assemblage réalisé. Ce mode peut être avantageux notamment dans le cas d'échangeurs à grand nombre de canaux, pour lesquels la largeur nécessaire des rives et/ou l'épaisseur nécessaire des enclumes serait très importante. Ainsi, dans cette configuration, inclure dans la zone d'échange et/ou dans la zone de transition des bandes ou plots non rainurés destinés à séparer ces zones en sous- zones, permet de réduire la proportion de ces rives et enclumes qui pourrait être trop importante lors du soudage en CIC.

Après l'étape d/, on réalise 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 obture.

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.

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. La transmission de l'effort de soudage aux éléments du deuxième circuit empilés sur ceux du premier est effectuée par la pression de gaz non seulement sur ses faces extérieures mais aussi par l'intérieur des canaux.

Ainsi, l'effort de soudage est particulièrement bien réparti et le soudage des éléments des circuits est grandement facilité.

Avantageusement, on peut prévoir une étape g/ de soudage de collecteurs de fluide sur le module assemblé selon l'étape d/ 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.

Un tel module peut comprendre des canaux du premier circuit à motifs sous forme de chevrons et, dans une première zone de transition ZTl, des canaux du deuxième circuit droits et parallèles à la longueur des plaques et dans une deuxième zone de transition ZT2, des canaux du deuxième circuit, parallèles à la largeur des plaques.

La largeur des canaux du premier circuit peut être inférieure à celle du deuxième circuit.

Dans un mode de réalisation avantageux, les canaux du deuxième circuit peuvent être droits et parallèles à longueur de plaque tandis que les canaux du premier circuit sont à motifs sous forme de chevrons dans la zone d'échange puis droits et parallèles à la longueur de plaque dans une première zone de transition ZTl , puis dans la continuité de cette zone ZTl, des canaux qui tournent à 90° et deviennent ainsi parallèles à la largeur de la plaque en définissant une deuxième zone de transition ZT2.

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'une plaque métallique d'un élément d'un premier circuit de fluides Cl à partir duquel un premier 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 1 A est une vue en coupe selon A- A de la plaque selon la figure 1; - la figure 1B est une vue de détail selon B de la plaque selon la figure 1;

- la figure 2 est une vue de face d'une plaque métallique 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;

- la figure 3A est une vue en coupe transversale de l'empilement selon la figure 3 montrant à la fois les canaux du premier circuit de fluides Cl et ceux du deuxième circuit de fluides C2, et les colonnes de matière résistantes obtenues selon l'invention;

- la figure 4 est une vue en perspective d'un module d'échangeur final obtenu selon l'invention ;

- la figure 5 est une vue en coupe transversale de l'empilement montrant à la fois les canaux du premier circuit de fluides Cl et ceux du deuxième circuit de fluides C2, et les colonnes de matière résistantes obtenues selon une variante de l'invention;

- la figure 6 est une vue d'extrémité d'un module d'échangeur à empilement selon une variante de l'invention;

- les figures 7 et 7A sont des vues schématiques respectivement du dessus en transparence et en coupe transversale partielle d'un exemple de réalisation d'un empilement d'un module d'échangeur selon l'état de l'art obtenu sans l'arrangement des colonnes de matière selon l'invention;

- les figures 8 et 8A sont des vues schématiques respectivement du dessus en transparence et en coupe transversale partielle d'un autre exemple de réalisation d'un empilement d'un module d'échangeur selon l'état de l'art obtenu sans l'arrangement des colonnes de matière selon l'invention.

Les termes « longitudinal » et « latéral », sont à considérer en relation avec la forme géométrique des plaques 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.

Exemple 1

Etape a/ : Afin de réaliser un élément 1.1 d'un premier circuit Cl de fluides, on usine dans une des faces principales 11 d'une plaque métallique 1 de formes rectangulaires L*l et d'épaisseur H, des rainures 10 de profondeur Hl, de largeur 11 et d'écartement donné e (figures 1, 1A, 1B). Les usinages des rainures de la face principale 11 de la plaque 1 sont réalisés selon un motif en chevrons avec des coudes à 90° et des inclinaisons de 45° par rapport à l'axe X longitudinal de la plaque 1 dans une zone qui constitue la zone d'échange ZE.

A chaque extrémité de la zone d'échange ZE, les rainures 10 sont parallèles à la longueur de la plaque 1 et définissent une première zone de transition ZT1, puis dans la continuité de cette zone ZT1, les rainures 10 tournent à 90° et deviennent ainsi parallèles à la largeur de la plaque 1 en définissant une deuxième zone de transition ZT2.

Comme illustré en figure 1 , le nombre de rainures 10 usiné est égal à 20.

A titre d'exemple, chaque plaque 1 est en acier inoxydable 1.4404, les dimensions L*1*H d'une plaque 1 sont égales à 1414* 190*4 mm, les dimensions Hl *ll des rainures 10 sont égales à l *2mm avec des tolérances respectivement égales à ± 0,02 mm et ±0,05mm, les rayons de courbure des rainures R0, RI, R2 sont respectivement égaux à 0,3mm, 0,1mm et 2,1mm.

La distance e entre deux rainures 10 adjacentes, soit la largeur d'un isthme 100, est égale à 1 mm dans la zone d'échange ZE et dans la deuxième zone de transition ZT2, tandis qu'elle est égale à 1,75 mm dans la première zone de transition ZT1 avec une tolérance égale à ±0,05mm. On précise ici que du fait de la coupe en biais sur la figure 1 A, les références e et 11 montrées ne correspondent pas rigoureusement à la valeur d'un isthme et à la largeur d'une rainure 10.

La distance dl entre l'extrémité des rainures 10 et un bord longitudinal d'une plaque 1 est égale à 51 mm.

Lorsqu'on superpose en miroir au motif rainuré par les rainures 10, un motif identique, on forme une série de canaux 4 adjacents du premier circuit de fluide Cl, comme mieux montré en figure 3A. Ainsi, dans l'exemple illustré, deux plaques 1 rainurées avec les rainures 10 selon le même motif et qui sont superposées l'une sur l'autre par leurs faces 11, définissent un nombre égal à 20 canaux adjacents du premier circuit de fluide Cl .

Etape b/ : Afin de réaliser un élément 1.2 d'un deuxième circuit C2 de fluides, on usine dans l'autre des faces principales 12 d'une plaque métallique 1, des rainures 20 droites et parallèles à la longueur de la plaque, de profondeur H2, de largeur 12 et d'écartement donné e2 (figures 2, 2A, 2B, 2C).

Comme illustré en figure 2, le nombre de rainures 20 usinées est égal à 12. A titre d'exemple, les dimensions H2*12 des rainures droites et parallèles 20 sont égales à 1,75*5,75 mm avec des tolérances respectivement égales à ± 0,02 mm et ±0,05mm.

La distance e2 entre deux rainures droites 20 adjacentes, soit la largeur d'un isthme 200, est égale à 1,75mm.

La distance d2 entre l'extrémité des rainures 20 et un bord longitudinal d'une plaque 1 est égale à 64, 9 mm.

Lorsqu'on superpose en miroir au motif rainuré par les rainures 20, un motif identique, on forme une série de canaux 5 adjacents du deuxième circuit de fluide C2, comme mieux montré en figure 3A. Ainsi, dans l'exemple illustré, deux plaques 1 rainurées avec les rainures 20 selon le même motif et qui sont superposées l'une sur l'autre par leurs faces 12, définissent un nombre égal à 12 canaux adjacents du deuxième circuit de fluide C2.

Etape al/ et bl/: on réalise un nettoyage à l'aide de solvants et détergents des plaques 1. Etape cl : Après les avoir nettoyées, on empile l'ensemble des plaques 1 de façon à reconstituer à la fois les éléments à canaux 4 du premier circuit Cl à zone d'échange ZE à motifs en chevrons, et les éléments à canaux 5 du deuxième circuit C2 à zone d'échange à motifs droits.

Lors de l'empilement, toutes les plaques 1 sont alignées les unes par rapport aux autres grâce à des pions de centrage non représentés, insérés dans des trous borgnes.

Selon l'invention, on détermine une largeur et un agencement relatifs entre les premières et deuxièmes rainures dans le sens de largeur de l'empilement tels qu'une fois l'empilement réalisé selon l'étape cl, on obtienne dans la direction de l'empilement, des colonnes de matière 6 qui soient délimitées latéralement à la fois sur toute la largeur des isthmes entre premières rainures et des isthmes entre deuxièmes nervures, et qui soient régulièrement espacées sur la largeur de l'empilement, et ce quelle que soit la zone des motifs droits ou en chevrons. Dans l'exemple illustré, dans la zone ZT1, la largeur des isthmes 100, entre premières rainures 10 adjacentes est égale à celle des isthmes 200 entre deuxièmes rainures 200 adjacentes.

La figure 3 montre la superposition des canaux 4, 5 des deux circuits de fluide Cl, C2, réalisé grâce à l'invention. La zone d'échange ZE comprend des colonnes de matière 6 régulièrement réparties, du fait du motif en chevrons du premier circuit de fluide. Dans l'exemple chiffré, la section de matière occupée par ces colonnes résistantes 6 est égale à 7,8% de la section apparente de la zone ZE Dans la zone de transition ZT1, les colonnes sont des plans allongés dans la direction d'empilement, et occupent 23% de la section apparente de la zone ZT1. Dans la zone de transition ZT2, les colonnes de matière 6 occupent de nouveau 7,8% de la section apparente de la zone ZT2.

Selon cet exemple 1, l'empilement de cette étape cl peut être réalisé avec un nombre de 25 plaques métalliques, toutes de dimensions extérieures 1414x190x4mm, dans l'ordre successif comme suit:

cl/ un nombre de 6 plaques non rainurées empilées les unes sur les autres en formant l'enclume du dessous ;

c2/ une plaque rainurée 1 selon le motif défini par les rainures 20 sur une face principale 12, disposée avec son autre face principale non rainurée sur l'enclume du dessous ; c3/ une plaque rainurée 1 selon le motif défini par les rainures 10 sur sa face principale 11 et le motif défini par les rainures 20 sur l'autre face principale 12, cette dernière étant disposée sur la plaque 1 précédente de façon à constituer en miroir un nombre de 12 canaux 5 de largeur 5,75mm et de hauteur 3,5mm séparés d'isthmes de largeur 1,75mm ;

c4/ une plaque rainurée 1 selon le motif défini par la rainures 20 sur sa face principale 12 et un motif miroir du motif défini par les rainures 10 sur l'autre face principale 11, cette dernière étant disposée sur la plaque précédente de façon à constituer un nombre de 20 canaux 4 continus de largeur 2mm et de hauteur 2mm comprenant :

· une zone d'échange ZE dans laquelle les canaux 4 sont séparés d'isthmes de largeur 1mm et sont disposés en chevrons à 45° ;

• une première zone de transition ZT1 dans laquelle les canaux 4 séparés d'isthmes de largeur 1,75mm et sont disposés parallèlement à la longueur de la plaque 1 ;

• une deuxième zone de transition ZT2 dans laquelle les canaux 4 sont séparés d'isthmes de largeur 1mm et sont disposés parallèlement à la largeur de la plaque i ;

c5/ répétition 4 fois des sous-étapes c3/ et c4/;

c6/ une plaque rainurée 1 selon le motif défini par les rainures 10 sur sa face principale 11 et le motif défini par les rainures 20 sur l'autre face principale 12 ;

c7/ une plaque rainurée 1 selon un motif miroir du motif défini par les rainures

10 sur sa face principale 11, disposée avec sa face rainurée 11 sur les plaques précédentes ;

c8/ un nombre de 6 plaques non rainurées empilées les unes sur les autres en formant l'enclume du dessus.

Ainsi réalisé, l'empilement est un bloc de dimensions extérieures égales

1414x190x100mm qui possède une zone à canaux de dimensions approximatives

1284x88x46, 75mm qui est approximativement située au centre du bloc.

Cette zone comprend donc un nombre de 6 étages définissant un circuit de chaque fluide Cl ou C2. Les rives latérales, situées parallèlement à la longueur du bloc, ont une chacune une largeur de 51mm, soit environ en tout 54% de la largeur du bloc. Les enclumes ont quant à elles une épaisseur de 26mm environ, soit environ en tout 52% de l'épaisseur totale du bloc. 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 ainsi que son couvercle. Le couvercle est soudé TIG sur le conteneur puis le conteneur est mis sous vide par pompage à travers un tube soudé sur un de ses côtés. Le tube est ensuite pincé, coupé et lui-même soudé pour prévenir une introduction d'air dans le conteneur.

On soumet ensuite le conteneur, et donc l'empilement complet à un cycle de

CIC 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.

Etape e/ : Après l'application du cycle de CIC, on réalise alors l'ouverture des canaux 4 et 5. L'ouverture des canaux 4, 5 est réalisée par découpe des extrémités de l'empilement qui les obturent.

Etape f/: A l'issue de l'usinage, c'est-à-dire une fois les canaux 31 du deuxième circuit de fluide ouverts vers l'extérieur de l'empilement, on applique au module ainsi obtenu un cycle de CIC à haute pression, typiquement sous une pression comprise entre 500 et 2000 bar, de préférence entre 800 et 1200 bar, pour éliminer les défauts résiduels dans les joints soudés, c'est-à-dire pour parfaire l'assemblage.

Etape g/ : Enfin, on rapporte par soudage des collecteurs de distribution de fluide non représentés, 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 4,5.

Grâce au procédé selon les étapes a/ à f/, on obtient un module d'échangeur de chaleur assemblé par soudage-diffusion en CIC qui est compact, présente un grand nombre de canaux dont la forme géométrique a subi très peu de déformations par rapport à celle initiale conférée lors l'empilement. Un tel module d'échangeur de chaleur selon l'exemple 1/ peut être considéré comme étant à canaux de circulation de fluide de faibles dimensions et avec des géométries complexes (motifs à chevrons).

A titre d'exemple, un module d'échangeur 3 selon l'exemple 1/ peut être un parallélépipède rectangle à deux faces carrées avec des renflements R aux extrémités, comme montré en figure 4. Les dimensions totales L _T *1 _T *H _T d'un tel module peuvent être égales à 1354x104x137mm.

Une variante de cet exemple 1/ est montrée en figure 5, dans laquelle les plaques 1 ne sont gravées que sur une seule de leurs faces principales 11, la hauteur des canaux 4 ou 5 étant alors définie intégralement par la hauteur des rainures 10 ou 20 réalisées sur cette seule face 11.

Exemple 2

On réalise les mêmes étapes que pour l'exemple 1 à la différence près que la zone d'échange ZE est à contre-courant, avec des canaux de fluide 4 droits, c'est-à-dire que toute la zone d'échange ZE est du type de la première zone de transition ZT1 des figures 3 et 5. Avec cet arrangement, on peut augmenter de façon significative la pression de soudage sans craindre de déformation de la zone d'échange, même si la déformation dans la deuxième zone de transition ZT2 limite la valeur maximale que l'on peut mettre en œuvre dans le cycle de CIC.

La figure 6 montre en vue de bout d'un module d'échangeur 3, selon une variante où on réalise des plots ou bandes à l'intérieur des zones rainurées délimitées par les rainures 10, 20, qui séparent les canaux de fluide 4, 5. On constitue ainsi des colonnes de matière supplémentaires 7 au sein de l'empilement qui forment une rive centrale entre les deux rives d'extrémités 8, et qui s'étend entres les deux enclumes 9.

Les figures 7 et 7A, montrent une réalisation d'un module d'échangeur selon l'état de l'art qui reprendrait l'ensemble des étapes a/ à g/ du procédé mais sans appliquer la géométrie et l'agencement relatifs entre premières rainures 10 et deuxièmes rainures 20 comme selon l'invention. On voit que l'absence de cette géométrie et agencement selon l'invention entraînent la présence, dans la première zone de transition ZT1, de larges zones sans colonnes résistantes ou avec des colonnes de matière 6' irrégulièrement réparties. La figure 7A en coupe montre que la continuité de la matière est moins bonne car les colonnes résistantes 6' ne sont pas régulièrement réparties. Les figures 8 et 8 A, montrent une autre réalisation d'un module d'échangeur selon l'état de l'art qui reprendrait l'ensemble des étapes a/ à g/ du procédé mais sans appliquer la géométrie et l'agencement relatifs entre premières rainures 10 et deuxièmes rainures 20 comme selon l'invention. Dans cette configuration, on voit qu'un décalage latéral peut donner une très forte réduction voire une absence de colonnes résistantes 6" dans la première zone de transition ZT1. La figure 8 A montre que la continuité de la matière est très réduite car les colonnes résistantes 6" sont régulièrement réparties mais très fines.

La conséquence des colonnes de matières résistantes 6', 6" de trop faible largeur et/ou mal réparties sur la largeur de l'empilement est que la pression de soudage diffusion doit être fortement diminuée pour éviter la déformation excessive de la zone de transition ZT1.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux variantes et aux modes de réalisation décrits fournis à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs.

Les canaux peuvent également présenter une géométrie autre qu'un motif en chevrons dans la zone d'échange ZE comme montré en figure 1 tout étant de forme allongée.

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. On peut empiler plusieurs éléments du même circuit dans le but d'optimiser une fonctionnalité de l'échangeur, par exemple l'échange thermique ou le débit d'un des fluides.

Si les exemples illustrés 1/ à 21 concernent 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.