Les échangeurs de chaleur à plaques sont présents dans de nombreuses applications industrielles et utilisent principalement des plaques métalliques pour transférer la chaleur entre deux fluides.
Leur utilisation croît rapidement car ils surpassent les échangeurs de chaleur traditionnels (généralement un tube enroulé contenant un fluide qui traverse une chambre contenant un autre fluide) car le fluide refroidi bénéficie d'une plus grande surface de contact, ce qui optimise le transfert de chaleur et augmente considérablement le taux de variation de température.
Au lieu de serpentins traversant les chambres, un échangeur de chaleur à plaques comporte deux chambres alternées, généralement peu profondes, séparées par des plaques métalliques ondulées sur leurs plus grandes surfaces. La faible épaisseur des chambres permet à la majeure partie du volume de liquide d'être en contact avec la plaque, favorisant ainsi l'échange de chaleur.
Ces plaques d'échange thermique étaient traditionnellement fabriquées par estampage ou usinage conventionnel, comme l'emboutissage profond. Cependant, la gravure photochimique (PCE) s'est récemment révélée être la technique de fabrication la plus efficace et la plus rentable pour cette application exigeante. L'usinage électrochimique (ECM) est une autre technologie alternative permettant de fabriquer des pièces de très haute précision en série, mais ce procédé nécessite un investissement initial très important, se limite aux matériaux conducteurs, consomme beaucoup d'énergie, la conception et la fabrication des outils sont complexes, et la corrosion des pièces, des machines-outils et des dispositifs de fixation a toujours constitué un problème majeur.
Souvent, les deux faces d'un échangeur de chaleur à plaques présentent des caractéristiques extrêmement complexes qui dépassent parfois les capacités de l'emboutissage et de l'usinage, mais qui sont facilement réalisables grâce à la technologie PCE. De plus, la technologie PCE permet de générer simultanément des caractéristiques sur les deux faces de la plaque, ce qui représente un gain de temps considérable, et le procédé peut être appliqué à une gamme de métaux différents, notamment l'acier inoxydable, l'Inconel 617, l'aluminium et le titane.
Grâce à certaines caractéristiques inhérentes au procédé, le procédé PCE offre une alternative intéressante pour l'emboutissage et l'usinage de tôles. Utilisant une résine photosensible et un agent de gravure pour traiter chimiquement et avec précision des zones sélectionnées, ce procédé préserve les propriétés du matériau et produit des pièces sans bavures ni contraintes, aux contours nets et sans zones affectées thermiquement. De plus, le fluide de gravure crée une structure optimale pour le fluide de refroidissement utilisé dans la plaque. Ces structures ne présentent ni angles ni arêtes susceptibles de se corroder.
Associée à l'utilisation d'outils numériques ou en verre facilement reproductibles et peu coûteux, la technologie PCE offre une alternative de fabrication rentable, de haute précision et rapide aux techniques d'usinage et d'emboutissage traditionnelles. Cela se traduit par des économies importantes lors de la production d'outils prototypes et, contrairement aux techniques d'emboutissage et d'usinage, par l'absence d'usure d'outils et de coûts liés au reusinage de l'acier.
L'usinage et l'emboutissage peuvent donner des résultats imparfaits sur le métal au niveau de la ligne de coupe, déformant souvent le matériau usiné et laissant des bavures, des zones affectées thermiquement et des couches de refusion. De plus, ils s'efforcent d'atteindre la résolution de détail requise pour des pièces métalliques plus petites, plus complexes et plus précises telles que les plaques d'échange thermique.
Un autre facteur à prendre en compte dans le choix du procédé est l'épaisseur du matériau à usiner. Les procédés traditionnels rencontrent souvent des difficultés lorsqu'ils sont appliqués au traitement des métaux minces ; l'emboutissage et le poinçonnage sont dans de nombreux cas inadaptés, tandis que la découpe laser et la découpe au jet d'eau entraînent respectivement des niveaux disproportionnés et inacceptables de déformation thermique et de fragmentation du matériau. Bien que le procédé PCE puisse être utilisé pour des métaux d'épaisseurs variées, un atout majeur est sa capacité à traiter des tôles fines, comme celles utilisées dans les échangeurs de chaleur à plaques, sans compromettre la planéité, essentielle à l'intégrité de l'assemblage.
Un domaine clé d'utilisation des plaques est celui des applications de piles à combustible, où elles sont fabriquées en acier inoxydable, en aluminium, en nickel, en titane, en cuivre et dans une gamme d'alliages spéciaux.
Les plaques métalliques utilisées dans les piles à combustible présentent de nombreux avantages par rapport à d'autres matériaux. Elles sont très résistantes, offrent une excellente conductivité électrique pour un meilleur refroidissement, peuvent être fabriquées en très fine épaisseur par gravure, ce qui permet de réduire la taille des empilements, et ne présentent aucune orientation de surface à l'intérieur du canal. La fabrication des plaques et la création des canaux peuvent être réalisées simultanément et, comme mentionné précédemment, aucune contrainte thermique n'est générée dans le métal, garantissant ainsi une planéité absolue.
Le procédé PCE garantit des tolérances reproductibles sur toutes les dimensions du clavier, y compris la profondeur des conduits d'air et la géométrie du collecteur, et permet de fabriquer des pièces répondant à des spécifications strictes en matière de perte de charge.
D'autres secteurs industriels utilisent des tôles gravées chimiquement, notamment les moteurs linéaires, l'aérospatiale, la pétrochimie et la chimie. Après fabrication, les plaques sont empilées et assemblées par diffusion ou brasage pour former le cœur de l'échangeur de chaleur. Les échangeurs de chaleur ainsi obtenus peuvent être jusqu'à six fois plus petits que les échangeurs tubulaires traditionnels, offrant ainsi d'excellents avantages en termes d'espace et de poids.
Les échangeurs de chaleur fabriqués en PCE sont également très robustes et efficaces, capables de résister à une pression de 600 bars et de fonctionner dans une plage de températures allant des températures cryogéniques à 900 °C. Il est possible de combiner plus de deux flux de procédés dans une seule unité, ce qui permet de réduire considérablement les exigences en matière de tuyauterie et de vannes. La réaction et le mélange peuvent également être intégrés à la conception de l'échangeur de chaleur à plaques, ce qui permet d'ajouter des fonctionnalités à moindre coût dans une seule unité.
Les exigences actuelles en matière de dissipation thermique efficace et compacte représentent d'énormes défis pour de nombreux ingénieurs en développement. La miniaturisation de nombreux composants dans les technologies électriques et microsystèmes crée des points chauds thermiques, qui nécessitent une dissipation thermique optimale pour garantir une longue durée de vie.
Grâce à la PCE 2D et 3D, il est possible de fabriquer des microcanaux de largeur et de profondeur définies dans les échangeurs de chaleur, permettant ainsi de sélectionner le fluide caloporteur dans un espace réduit. Les possibilités de conception des canaux sont quasi illimitées.
De plus, le procédé de gravure favorisant l'innovation en matière de conception et la liberté géométrique, un écoulement turbulent, par opposition à un écoulement laminaire, peut être induit par l'utilisation de bords et de profondeurs de canaux ondulés. L'écoulement turbulent dans le fluide de refroidissement implique un renouvellement constant du fluide en contact avec la source de chaleur, ce qui optimise l'échange thermique. Ces ondulations et irrégularités dans les microcanaux des échangeurs de chaleur sont facilement réalisables par gravure chimique en phase vapeur (PCE), mais sont impossibles ou trop coûteuses à obtenir par d'autres procédés de fabrication.
La société micrometal GmbH, spécialiste en PCE, utilise des outils optoélectroniques à prix compétitifs pour produire des pièces de haute qualité avec un haut degré de précision répétable.
Les plaques à microcanaux individuelles peuvent être fixées (par exemple, par soudage par diffusion) à diverses géométries 3D. micrometal utilise un réseau de partenaires expérimentés qui offre aux clients la possibilité d'acheter des plaques à microcanaux individuelles ou des blocs d'échangeurs de chaleur à microcanaux intégrés.
Une substance ayant des propriétés métalliques et composée de deux éléments chimiques ou plus, dont au moins un est un métal.
Réduire l'élévation de température du fluide à l'interface outil/pièce pendant l'usinage. Généralement sous forme liquide, comme des mélanges solubles ou chimiques (semi-synthétiques, synthétiques), mais il peut également s'agir d'air comprimé ou d'autres gaz. Grâce à sa capacité d'absorption de chaleur importante, l'eau est largement utilisée comme fluide de coupe et support pour divers composés de coupe ; le rapport eau/composé varie selon l'opération d'usinage. Voir fluide de coupe ; fluide de coupe semi-synthétique ; fluide de coupe à base d'huile soluble ; fluide de coupe synthétique.
1. La distribution d'un composant dans un gaz, un liquide ou un solide qui tend à rendre la composition uniforme dans toutes les parties. 2. Le déplacement spontané d'un atome ou d'une molécule vers un nouvel emplacement au sein du matériau.
L'usinage électrochimique (ECM) est une opération dans laquelle un courant électrique circule entre une pièce et un outil conducteur à travers un électrolyte. Il initie une réaction chimique qui dissout le métal de la pièce à une vitesse contrôlée. Contrairement aux méthodes de coupe conventionnelles, la dureté de la pièce n'est pas un facteur limitant, ce qui rend l'ECM adaptée aux matériaux difficiles à usiner. L'ECM se présente sous différentes formes : rectification électrochimique, rodage électrochimique et tournage électrochimique.
Fonctionnellement identique à un moteur rotatif de machine-outil, un moteur linéaire peut être considéré comme un moteur rotatif à aimant permanent standard, coupé axialement en son centre, puis dénudé et mis à plat. Le principal avantage de l'utilisation de moteurs linéaires pour entraîner le mouvement d'un axe est qu'il élimine les inefficacités et les différences mécaniques causées par les systèmes d'assemblage à vis à billes utilisés dans la plupart des machines-outils CNC.
Composantes plus espacées dans la texture de surface. Inclure toutes les irrégularités espacées de manière supérieure au seuil de détection de l'instrument. Voir Flux ; Liaison ; Rugosité.
Le Dr Michael J. Hicks est directeur du Centre de recherche en affaires et en économie et professeur titulaire de la chaire George et Francis Ball d'économie à la Miller School of Business de l'Université Ball State. Il a obtenu son doctorat et sa maîtrise en économie à l'Université du Tennessee, ainsi qu'une licence en économie au Virginia Military Institute. Il est l'auteur de deux ouvrages et de plus de 60 publications scientifiques portant sur les politiques publiques étatiques et locales, notamment les politiques fiscales et budgétaires et l'impact de Walmart sur les économies locales.