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WO2008119900A2 - Procede de fabrication d'un dispositif de type echangeur de chaleur en ceramique et dispositifs obtenus par le procede - Google Patents

Procede de fabrication d'un dispositif de type echangeur de chaleur en ceramique et dispositifs obtenus par le procede Download PDF

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WO2008119900A2
WO2008119900A2 PCT/FR2008/050315 FR2008050315W WO2008119900A2 WO 2008119900 A2 WO2008119900 A2 WO 2008119900A2 FR 2008050315 W FR2008050315 W FR 2008050315W WO 2008119900 A2 WO2008119900 A2 WO 2008119900A2
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WO
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plates
ceramic
polishing
heat exchanger
silicon carbide
Prior art date
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PCT/FR2008/050315
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Inventor
Pierre Deny
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Mersten Boostec SA
Original Assignee
Boostec SA
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Publication date
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
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Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a device of the ceramic heat exchanger type. It also relates to devices of the ceramic heat exchanger type.
  • heat exchangers means heat exchangers that allow a heat transfer between the ambient air and a fluid passing through the exchanger or between two fluids passing through the exchanger, also the reactor exchangers which, with a heat transfer, make it possible to provoke a reaction. chemical and also heat sinks for electronics.
  • the present invention relates to the field of assembled plate devices.
  • the invention is particularly applicable to the manufacture of ceramic heat exchangers formed of a face-to-face plate assembly, also called superimposed layers.
  • the invention is applicable to the manufacture of heat exchangers / thermal reactors / heat sinks of silicon carbide.
  • the use of silicon carbide (SiC) provides, in addition to a broader corrosion resistance than most other ceramic materials, greatly improved exchange conditions thanks to the excellent thermal conductivity of SiC.
  • a plate device is composed of several stacked plates.
  • One or more plates (s) comprises a fluid circulation circuit (liquid or gas), and a device for the arrival and departure of the fluid.
  • the plates are arranged alternately so that a stage is dedicated to the circulation of the fluid or fluids to be treated, the next stage being devoted to the circulation of the coolant (heating or cooling), and so on.
  • Proper configuration allows each plate to be fed with the desired fluid.
  • Two fields of application of these devices are particularly targeted by this invention, without the scope of the invention being limited to these two areas:
  • the present invention aims to overcome the disadvantages of the state of the art.
  • the present invention unexpectedly provides for such an application, a simple and inexpensive solution that goes against all the solutions proposed so far. Indeed, this solution does not involve brazing or adding a seal or the supply of a third material or the combined use of temperature and pressure to seal between the plates of fluid circuits and vis-à-vis the outside.
  • the applicant has broken with known techniques which, as has been said are complex to implement and expensive, although the latter provide a good seal.
  • the applicant has had the idea of sealing a heat exchanger type device by means of a adhesive bonding of the plated parts of the plates forming the device.
  • the mechanical connection between the plates is dissociated from the sealing function.
  • This mechanical connection can be made by a conventional clamping system, which leaves the possibility if necessary, to disassemble the assembly (disassembly of the exchanger possible).
  • the present invention relates to a method of manufacturing a device of the ceramic heat exchanger type with assembled plates.
  • the method consists in producing ceramic plates, one of which has a fluid circuit (s), to polish the faces of the plates intended to be applied against one another, to apply the polished faces of the plates against each other and thus achieve the desired sealing assembly.
  • the present invention more particularly relates to a method of manufacturing a ceramic heat exchanger type device with assembled plates, characterized in that it comprises the following steps: 1. making at least two ceramic plates, of which at least at least one has a fluid circuit (s),
  • the invention also relates to a heat exchanger obtained by the method, a thermal reactor obtained by the method, a heat sink obtained by the method.
  • FIG. 1 represents a schematic exploded view of a device of the heat exchanger type according to the invention
  • FIG. 2 represents the two plates of FIG. 1, assembled according to the method of the invention, forming a ceramic module
  • FIG. 3 represents an additional plate making it possible to produce the heat exchanger
  • FIG. 4 represents the heat exchanger produced according to the method of the invention
  • FIG. 5 shows the schematic of the plates in an exploded view for the production of a chemical reactor
  • FIG. 6 is a diagram of a reactor produced according to the method of the invention
  • FIG. 7 represents the schematic exploded view of the plates for the production of a heat sink
  • FIG. 8 shows the diagram of a heat sink made according to the method of the invention.
  • the two polished faces of two ceramic plates 1, 2 are pressed against each other, as illustrated by FIGS. 1 and 2, to obtain a tight assembly, the plates being thus bonded by adhesion of the smooth surfaces in contact.
  • this adhesion is more or less strong and may be chosen by those skilled in the art, according to conditions of use of the device and its applications as a heat exchanger or reactor or heat sink .
  • This bonding makes it possible to seal the fluid circulation circuit (s).
  • the seal thus obtained does not impose any thermal stress or pressure to be implemented. It also offers the skilled artisan flexibility of manufacture, since it can adapt the degree of polishing as needed. Indeed, according to the desired pressure and sealing levels, a simple mechanical pressure is sufficient to achieve the desired seal.
  • the bonding of the two plates can be ensured by adhesion of smooth faces of higher degree. This is a molecular membership. Molecular adhesion is obtained when the surfaces to be bonded are sufficiently smooth, free of particles or contamination, and are sufficiently close together to allow contact, typically at a distance of less than a few nanometers. In this case, the attractive forces between the two surfaces are high enough to provide molecular adhesion.
  • the molecular bonding is initially induced by the set of attractive forces (Van der Waals forces) of electronic interaction between atoms or molecules of the two surfaces to be bonded. These attractive forces are all the more important as the distance between the two surfaces is small.
  • Bonding by adhesion can be done perfectly at ordinary temperature and pressure, after polishing the faces and depending on the case, after a chemical cleaning of the surfaces to remove any impurity.
  • the bonding energy force may, however, vary according to the cleaning carried out before bonding, the possible addition of hydroxides on the surfaces, and the possible implementation of a post-bond heat treatment.
  • a green preform is obtained by isostatic pressing, at 1400 bars for example, of submicron silicon carbide powder to which have been added the appropriate additives to obtain a ceramic.
  • Flat samples are machined in this blank to obtain at least two ceramic plates 1, 2 desired, then sintered at high temperature (about 2100 ° C.) in a vacuum oven.
  • the plates 1, 2 are then ground on a flat grinding machine with a diamond grinding wheel.
  • the other two faces of the plates 1, 2 will also be smoothed and polished to the extent that they will also be brought into contact with other plates also smoothed and polished as will be seen in the examples described below.
  • polishing operations can be carried out for example according to the following sequence:
  • the seal is made without filler material which ensures a corrosion resistance of the device, strictly equivalent to that of the ceramic material used;
  • the device is, depending on the conditions of implementation, easily dismountable and remountable, allowing, if necessary, all the desired cleaning interventions,
  • the system being, according to the conditions of implementation, assembled at ordinary temperature and without particular conditions, it allows easy impregnation, by any means known to those skilled in the art, of the circulation circuit by a possible catalyst necessary for the desired reaction.
  • Example 1 Silicon carbide heat exchanger illustrated by the diagrams of Figures 1 to 4.
  • Two silicon carbide plates 1, 2 are produced by machining in pre-pressed blanks, by isostatic pressing at 1400 bars for example.
  • the upper plate 1 comprises flanges 7, for example ANSI standard, necessary for the connection of the exchanger, made during the machining in green.
  • the circulation circuit 6 of the fluid to be treated is machined in the lower plate 2, raw, as defined by those skilled in the art for the proper implementation of the application.
  • the two plates 1, 2 are sintered, ground, smoothed and polished on the faces intended to be in contact.
  • the techniques used for sintering, grinding and polishing are well known in the manufacture of silicon carbide parts.
  • the plates 1, 2 are then applied against each other so as to ensure sealing by adhesive bonding the parts that are in contact.
  • the thus glued plates form a first sealed module M comprising the circuit of the fluid to be treated.
  • Another plate 3 intended to ensure the circulation of the coolant, is made of a suitable material for the application:
  • the plate 3 is machined by the same technique as the plate 2 in order to produce the circuit 8 for circulating the coolant.
  • the plate 3, FIGS. 1 and 3 comprises connection flanges also made by conventional techniques for treating the ceramic.
  • This plate 3 is then assembled on the module M, FIG. 4.
  • This assembly will be made as a rule by conventional methods: bonding or seals 9 for example, insofar as, as a rule, the coolant is not corrosive. and compatible temperatures of known materials.
  • the principle used is the same as in the first example above, the only difference is that the ceramic plates 10, 20 are arranged to allow the entry of the two fluids to give rise to the reaction desired chemical.
  • the plate 10 comprises the connection flanges 107.
  • the plate 20 comprises the fluid circuit 60.
  • the plate 3 and the flanges 30 perform the same function as the plate 3 and the flanges 30 of FIGS. 3 and 4 relating to the exchanger thermal.
  • This type of reactor is particularly well suited to the production of reactors for small flows. Indeed, this low flow rate, associated with the excellent thermal conductivity of SiC requires only a relatively short reaction length, and therefore leads to limited size plates, typically a few tens or hundreds of cm 2 . Such surface values are very compatible with easy and inexpensive polishing.
  • Example 3 Ceramic heat sink for electronics (cooling of electronic components) illustrated in FIGS. 7 and 8:
  • Two ceramic plates 100 and 200 are produced by machining in pre-pressed blanks (as in the previous examples), by isostatic pressing at 1400 bars for example.
  • the upper plate 100 is made of an electrically insulating ceramic, for example alumina or aluminum nitride.
  • the lower plate 200 is made of the same ceramic as the upper plate 100, or silicon carbide if a better thermal conductivity is necessary to promote the evacuation of calories.
  • the heat transfer fluid circulation circuit 600 is machined in this lower plate 200, as defined by those skilled in the art for the proper implementation of the application.
  • the plate 200 also comprises the flanges 207, for example to the ANSI standard, necessary for the connection of the dissipator.
  • the two plates 100, 200 are sintered, ground, smoothed and polished on both sides intended to be in contact.
  • the electronic components are mounted on the top plate 100, and are cooled by the liquid circulating in the dissipator.
  • the ceramic plates having received a polishing treatment, and then possible additional treatments (cleaning) according to the process show a high level of adhesion when they are applied against each other. the other, and the connection between the two plates is leakproof.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif de type échangeur de chaleur en céramique à plaques assemblées. Selon l'invention le procédé consiste à réaliser des plaques en céramique dont une ou plusieurs comporte un circuit de fluide (s), à polir les faces destinées à être appliquée l'une contre l'autre des plaques en céramique, à appliquer les faces polies des plaques l'une contre l'autre, de façon à réaliser l'assemblage étanche souhaité.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN DISPOSITIF DE TYPE ECHANGEUR DE CHALEUR EN CERAMIQUE ET DISPOSITIFS OBTENUS PAR LE PROCEDE.
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif de type échangeur de chaleur en céramique. Elle concerne également les dispositifs de type échangeurs de chaleur en céramique. On entend par échangeurs de chaleur, les échangeurs de chaleur permettant un transfert thermique entre l'air ambiant et un fluide traversant l' échangeur ou entre deux fluides traversant l' échangeur, également les échangeurs réacteurs qui permettent avec un transfert thermique de provoquer une réaction chimique et aussi les dissipateurs de chaleur pour l'électronique.
Les intérêts d'utiliser des matériaux céramiques pour construire de tels dispositifs sont nombreux et bien connus.
On peut citer principalement la capacité à utiliser ces produits dans une très large gamme de température, et la résistance à la corrosion.
Il existe deux familles principales de dispositifs échangeurs thermiques, dont les principes de construction et d'utilisation sont très différents : - les dispositifs à tubes et calandres,
- les dispositifs à plaques assemblées (ou « couches superposées ») .
La présente invention relève du domaine des dispositifs à plaques assemblées. L'invention s'applique tout particulièrement, à la fabrication d' échangeurs de chaleur en céramique, formés d'un assemblage de plaques face contre face, dites également, couches superposées. L'invention s'applique à la fabrication d' échangeurs de chaleur/ de réacteurs thermiques/ de dissipateurs de chaleur en carbure de silicium. L'utilisation du carbure de silicium (SiC) apporte, outre une résistance à la corrosion d'étendue plus vaste que la plupart des autres matériaux céramiques, des conditions d'échange largement améliorées grâce à l'excellente conductivité thermique du SiC. Un dispositif à plaque est composé de plusieurs plaques empilées. Une ou plusieurs plaque (s) comporte un circuit de circulation du fluide (liquide ou gaz), ainsi qu'un dispositif d'arrivée et de départ du fluide. Les plaques sont disposées alternativement de façon à ce qu'un étage soit consacré à la circulation du ou des fluides à traiter, l'étage suivant étant consacré à la circulation du fluide caloporteur (chauffage ou refroidissement) , et ainsi de suite. Une configuration adéquate permet d'alimenter chacune des plaques avec le fluide souhaité. Deux domaines d'application de ces dispositifs sont visés tout particulièrement par cette invention, sans pour autant que le domaine d'application de l'invention ne soit limité à ces deux domaines:
- les équipements compacts utilisés dans les procédés chimiques, généralement en continu, où les réactions et autres traitements sont réalisés entre de faibles quantités de produits (quelques mm3 ou cm3) , à l'opposé des systèmes traditionnels où les produits sont traités de façon discontinue, par exemple dans de grands réacteurs agités de plusieurs centaines de litres, le refroidissement des composants électroniques de puissance dont l'augmentation surfacique de puissance entraîne des besoins de plus en plus sévères.
Il existe de nombreux dispositifs déjà connus dans l'état de l'art. La principale difficulté rencontrée dans la fabrication de ces dispositifs est la réalisation d'une étanchéité satisfaisante des circuits de circulation des fluides de façon à éliminer tout risque de fuite, ou de mélange des différents fluides. Un défaut d' étanchéité entre les circuits est rédhibitoire dans le cas de ce type de dispositif. Cependant, l'étanchéité est complexe à obtenir du fait des températures auxquelles peuvent être soumis ces dispositifs, des pressions des fluides circulant et de l'environnement plus ou moins corrosif de l'application dans laquelle ils sont utilisés.
La solution la plus classique pour résoudre un problème d'étanchéité dans les échangeurs thermiques est comme dans d'autres domaines, l'ajout de joints, généralement en matériaux organiques, séparant les différents circuits. Or, cette solution ne peut cependant s'appliquer que lorsqu'il existe un matériau pour le joint résistant à la température et/ou à la corrosion de l'application, ce qui en limite 1' usage .
Une autre solution connue à ce jour se distinguant de la solution la plus classique est décrite dans la demande de brevet de la Société ESK N° WO2006029741 (Document Dl) . Le procédé décrit est un procédé d'assemblage à haute température, de plaques en carbure de silicium. Il consiste à solidariser plusieurs plaques céramiques grâce à l'effet conjugué de la température et de la pression, et sans apport de tiers matériau. Les niveaux de pression à appliquer (de l'ordre de la centaine de MPa) imposent évidemment un excellent contact entre les plaques afin d'éviter leur rupture. L'échangeur obtenu forme un ensemble monolithique. La fonction étanchéité de l'échangeur est assurée par le joint mécanique ainsi réalisé. En effet, l'étanchéité et la liaison mécanique des plaques sont obtenues par soudure des plaques entre-elle en exerçant une pression d'une centaine de MPa sous une température de 16000C à 20000C. Cette soudure permet d'obtenir à la fois l'étanchéité vis-à-vis des fluides qui circulent entre les plaques, et une liaison mécanique entre lesdites plaques. Cependant, les étapes du procédé, c'est-à-dire la montée en pression et en température, sont longues et coûteuses en énergie et rendent le procédé de fabrication très onéreux. II est également connu du document D2, demande de brevet EP 0 362 594, qui ne concerne pas un échangeur, une méthode pour joindre deux pièces en carbure de silicone après polissage. La liaison mécanique permettant de joindre les pièces, est obtenue de la même façon que dans le document Dl, c'est-à-dire en réalisant un joint obtenu par une pression à chaud exercée sur les pièces avec des conditions de température et de pression similaires au document Dl . Cette technique présente les mêmes inconvénients que la technique décrite dans Dl .
Toutes les techniques connues à ce jour pour réaliser un dispositif de type échangeur, sont complexes du fait de la qualité de l'étanchéité à obtenir pour ce type de dispositif et des matériaux utilisés. Le document Dl est considéré comme l'état de la technique le plus proche, mais la méthode proposée est complexe et coûteuse à réaliser pour les raisons explicitées dans les paragraphes précédents.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de l'état de la technique. Pour résoudre le problème d'étanchéité d'un dispositif de type échangeur thermique, la présente invention propose de manière inattendue pour une telle application, une solution simple et peu coûteuse qui va à l' encontre de toutes les solutions proposées jusque là. En effet, cette solution ne fait pas appel à du brasage ou au rajout d'un joint ou à l'apport d'un matériau tiers ou encore à l'utilisation conjuguée de la température et de la pression pour assurer l'étanchéité entre les plaques des circuits de fluides et vis-à-vis de l'extérieur. Le déposant a rompu avec les techniques connues qui, comme cela a été dit sont complexes à mettre en oeuvre et coûteuses, bien que ces dernières procurent une bonne étanchéité .
Le déposant a eu l'idée d'assurer l'étanchéité d'un dispositif de type échangeur de chaleur au moyen d'un collage par adhérence des parties plaquées des plaques formant le dispositif. La liaison mécanique entre les plaques est dissociée de la fonction étanchéité. Cette liaison mécanique peut être faite par un système de serrage classique, ce qui laisse la possibilité si besoin, de démonter l'ensemble (désassemblage de l'échangeur possible).
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif de type échangeur de chaleur en céramique à plaques assemblées. Selon l'invention, le procédé consiste à réaliser des plaques en céramique dont une plusieurs comporte un circuit de fluide (s), à polir les faces des plaques destinées à être appliquées l'une contre l'autre, à appliquer les faces polies des plaques l'une contre l'autre et ainsi réaliser l'assemblage étanche souhaité.
La présente invention a plus particulièrement pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif de type échangeur de chaleur en céramique à plaques assemblées, caractérisé en ce qu' il comprend les étapes suivantes : 1. réaliser au moins deux plaques en céramique, dont au moins une comporte un circuit de fluide (s),
2. polir au moins les deux faces destinées à être appliquées l'une contre l'autre des deux plaques en céramique, 3. appliquer l'une contre l'autre, les faces polies des deux plaques obtenant ainsi l'assemblage étanche souhaité .
L'invention a également pour objet un échangeur thermique obtenu par le procédé, un réacteur thermique obtenu par le procédé, un dissipateur de chaleur obtenu par le procédé.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui est faite ci-après et qui est donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et en regard des figures sur lesquelles :
- la figure 1, représente un schéma en vue éclatée d'un dispositif de type échangeur thermique selon l'invention,
- la figure 2, représente les deux plaques de la figure 1, assemblées selon le procédé de l'invention, formant un module céramique, la figure 3, représente une plaque supplémentaire permettant de réaliser l' échangeur thermique,
- la figure 4, représente l' échangeur thermique réalisé selon le procédé de l'invention,
- la figure 5, représente le schéma des plaques en vue éclatée pour la réalisation d'un réacteur chimique, - la figure 6, représente le schéma d'un réacteur réalisé selon de procédé de l'invention,
- la figure 7, représente le schéma en vue éclatée des plaques pour la réalisation d'un dissipateur de chaleur,
- la figure 8, représente le schéma d'un dissipateur de chaleur réalisé selon le procédé de l'invention.
Selon la présente invention, on plaque l'une contre l'autre, les deux faces polies de deux plaques 1, 2 en céramiques, comme illustré par les figures 1 et 2 pour obtenir un assemblage étanche, les plaques étant ainsi collée par adhérence des surfaces lisses en contact.
En fonction des degrés de polissage cette adhérence est plus ou moins forte et pourra être choisie par l'homme de métier, selon des conditions d'utilisation du dispositif et de ses applications en tant qu' échangeur thermique ou que réacteur ou que dissipateur de chaleur. Ce collage permet d'assurer l'étanchéité du ou des circuits de circulation des fluides. L'étanchéité ainsi obtenue n'impose aucune contrainte thermique ou de pression pour être mise en oeuvre. Elle offre en outre à l'homme de métier une souplesse de fabrication, puisque celui-ci pourra adapter le degré de polissage selon les besoins. En effet, suivant les niveaux de pression et d'étanchéité souhaités, une simple pression mécanique suffit pour obtenir l'étanchéité souhaitée.
En cas de besoins plus exigeants, le collage des deux plaques peut être assuré par une adhérence des faces lisses de degré plus élevé. Il s'agit d'une adhésion moléculaire. On obtient une adhésion moléculaire lorsque les surfaces à coller sont suffisamment lisses, exemptes de particules ou de contamination, et qu'elles sont suffisamment rapprochées pour permettre un contact, typiquement à une distance inférieure à quelques nanomètres. Dans ce cas, les forces attractives entre les deux surfaces sont assez élevées pour procurer l'adhérence moléculaire.
Le collage moléculaire est induit initialement par l'ensemble des forces attractives (forces de Van der Waals) d' interaction électronique entre atomes ou molécules des deux surfaces à coller. Ces forces attractives sont d'autant plus importantes que la distance entre les deux surfaces est faible .
Le collage par adhérence peut parfaitement être réalisé à température et pression ordinaire, après polissage des faces et selon les cas, après un nettoyage chimique des surfaces pour ôter toute impureté. La force d'énergie de collage pourra toutefois varier selon les nettoyages effectués avant collage, l'éventuelle addition d'hydroxydes sur les surfaces, et l'éventuelle mise en œuvre d'un traitement thermique postérieur au collage.
On va maintenant donner les étapes mises en œuvre par le procédé : Une ébauche crue est obtenue par pressage isostatique, à 1400 bars par exemple, de poudre de carbure de silicium submicronique à laquelle ont été ajoutés les additifs adéquats pour obtenir une céramique. Des échantillons plans sont usinés dans cette ébauche pour obtenir au moins deux plaques 1, 2 en céramique désirée, puis frittes à haute température (2100 0C environ) dans un four sous vide.
Les plaques 1, 2 sont ensuite rectifiées sur une rectifieuse plane avec une meule diamantée.
Les faces destinées à être mises l'une contre l'autre, sont ensuite doucies puis polies de façon à obtenir une planéité inférieure à 150nm PV (PV abréviation de l'expression anglaise « Peak-to-Valley ») et une rugosité inférieure à lnm RMS (RMS abréviation de l'expression anglaise de « Root Mean Square ») .
Les deux autres faces des plaques 1, 2 seront également doucies puis polies dans la mesure où elles seront également mises en contact avec d'autres plaques également doucies puis polies comme on le verra dans les exemples décrits dans la suite.
Les opérations de polissage peuvent s'effectuer par exemple selon la séquence suivante :
- douci sur une doucisseuse à plateau rotatif céramique ou alliage métallique chargé ou non de diamants. Utilisation d'un fluide de polissage base aqueuse ou non contenant de la poudre de diamant (grains de 50 à 20 μm) ,
- poli sur une polisseuse plane à plateau rotatif en alliage métallique, polymère organique ou textile. Utilisation d'un fluide de polissage base aqueuse ou non contenant de la poudre de diamant (grains de 10 à lμm) .
Plusieurs opérations peuvent se succéder en diminuant la taille des grains contenus dans le fluide de polissage afin d'obtenir les caractéristiques de planéité et de rugosité requises.
Après nettoyage par exemple chimique, les deux plaques 1, 2 sont mises en contact. Un essai de cisaillement à une valeur de 1500 N ne permet pas de séparer ces deux plaques.
Il est possible toutefois de séparer les plaques au moyen d'un outil sans risque de détérioration bien entendu.
Les avantages de l'invention sont nombreux :
L'étanchéité est réalisée sans matériau d'apport ce qui permet de garantir une résistance à la corrosion du dispositif, strictement équivalente à celle du matériau céramique utilisé ;
En outre l'absence de matériau d'apport élimine tout problème de dilatation différentielle entre le matériau d'apport et le matériau céramique. Cet avantage autorise l'usage du dispositif dans toute la gamme d'emploi possible du matériau céramique au lieu de limiter cette gamme ce qui est le cas avec les solutions de l'état de la technique,
Le dispositif est, selon les conditions de mise en œuvre, démontable et remontable facilement, permettant, si nécessaire, toutes les interventions de nettoyage souhaitables,
Le système étant, selon les conditions de mise en œuvre, assemblé à la température ordinaire et sans conditions particulières, il permet une imprégnation facile, par tous les moyens connus de l'homme de l'art, du circuit de circulation par un éventuel catalyseur nécessaire à la réaction souhaitée.
On va maintenant illustrer la mise en œuvre du procédé suivant trois exemples de réalisations. Exemple 1 : Echangeur de chaleur en carbure de silicium illustré par les schémas des figures 1 à 4.
Deux plaques de carbure de silicium 1, 2 sont réalisées par usinage dans des ébauches préalablement pressées, par pressage isostatique à 1400 bars par exemple.
La plaque supérieure 1 comporte des brides 7, par exemple au standard ANSI, nécessaires à la connexion de l'échangeur, réalisées au cours de l'usinage en cru. Le circuit 6 de circulation du fluide à traiter est usiné dans la plaque inférieure 2, à cru, tel que défini par l'homme de l'art pour la bonne réalisation de l'application.
Les deux plaques 1, 2 sont frittées, rectifiées, doucies puis polies sur les faces destinées à être en contact. Les techniques utilisées pour le frittage, la rectification et le polissage sont bien connues dans la fabrication de pièces en carbure de silicium.
Les plaques 1, 2 sont ensuite appliquées l'une contre l'autre de façon à assurer l'étanchéité grâce au collage par adhérence des parties qui sont en contact.
Les plaques ainsi collées forment un premier module M étanche comprenant le circuit du fluide à traiter.
Une autre plaque 3, destinée à assurer la circulation du fluide caloporteur, est réalisée dans un matériau adapté à l'application :
- métal ou matière plastique si les conditions d'emploi (nature du fluide, pression, température) sont compatibles de ces matériaux,
- céramique identique aux deux plaques principales si l'on a besoin d'un ajustement de dilatation (par exemple, pour une température d'usage élevée). La plaque 3 est usinée par la même technique que la plaque 2 afin de réaliser le circuit 8 de circulation du fluide caloporteur.
La plaque 3, figure 1 et 3, comporte des brides de connexion réalisées également par des techniques classiques de traitement de la céramique.
Cette plaque 3 est ensuite assemblée sur le module M, figure 4. Cet assemblage sera réalisé en règle générale par des méthodes traditionnelles : collage ou joints 9 par exemple, dans la mesure où, en règle générale, le fluide caloporteur n'est pas corrosif et les températures compatibles de matériaux connus.
Bien entendu, on utilisera de manière classique, des éléments non représentés ici pour compléter la réalisation pratique de l'échangeur thermique tel qu'un système de serrage de sécurité (par tiges et ressorts par exemple) , et qu'un carter adapté.
Ce type d' échangeur réalisé en carbure de silicium (SIC) , est particulièrement bien adapté à la réalisation d' échangeurs pour de petits débits. En effet, ce faible débit, associé à l'excellente conductivité thermique SiC, ne nécessite qu'une longueur d'échange assez faible, et conduit donc à des plaques d'encombrement limité, typiquement quelques dizaines ou centaines de cm2. De telles valeurs de surface sont très compatibles d'un polissage facile et peu onéreux .
Exemple 2 : Réacteur chimique en carbure de silicium illustré par les schémas des figures 5 et 6.
Le principe utilisé est le même que dans le premier exemple ci-dessus, la seule différence est que les plaques céramiques 10, 20 sont aménagées de façon à permettre l'entrée des deux fluides devant donner lieu à la réaction chimique souhaitée. La plaque 10 comporte les brides de connexion 107. La plaque 20 comporte le circuit du fluide 60. La plaque 3 et les brides 30 assurent la même fonction que la plaque 3 et que les brides 30 des figures 3 et 4 relatives à l'échangeur thermique.
Ce type de réacteur est particulièrement bien adapté à la réalisation de réacteurs pour de petits débits. En effet, ce faible débit, associé à l'excellente conductivité thermique du SiC, ne nécessite qu'une longueur de réaction assez faible, et conduit donc à des plaques d'encombrement limité, typiquement quelques dizaines ou centaines de cm2. De telles valeurs de surface sont très compatibles d'un polissage facile et peu onéreux.
Exemple 3 : Dissipateur de chaleur en céramique pour l'électronique (refroidissement de composants électroniques) illustré par les figures 7 et 8 :
Deux plaques de céramique 100 et 200 sont réalisées par usinage dans des ébauches préalablement pressées (tout comme dans les exemples précédents) , par pressage isostatique à 1400 bars par exemple.
La plaque supérieure 100 est réalisée dans une céramique isolante électriquement, par exemple de l'alumine ou du nitrure d'aluminium. La plaque inférieure 200 est réalisée dans la même céramique que la plaque supérieure 100, ou en carbure de silicium si une meilleure conductivité thermique est nécessaire pour favoriser l'évacuation des calories.
Le circuit 600 de circulation du fluide caloporteur est usiné dans cette plaque inférieure 200, tel que défini par l'homme de l'art pour la bonne réalisation de l'application.
La plaque 200 comporte également les brides 207, par exemple au standard ANSI, nécessaires à la connexion du dissipateur. Les deux plaques 100, 200 sont frittées, rectifiées, doucies puis polies sur les deux faces destinées à être en contact .
Les composants électroniques, sont montés sur la plaque supérieure 100, et sont refroidis par le liquide circulant dans le dissipateur.
Dans tous les exemples de réalisation décrits ci dessus, les plaques de céramique ayant reçu un traitement de polissage, puis d'éventuels traitements additionnels (nettoyage) conformément au procédé, montrent un fort niveau d'adhésion lorsqu'elles sont appliquées l'une contre l'autre, et la liaison entre les deux plaques est étanche aux fuites .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un dispositif de type échangeur de chaleur en céramique à plaques assemblées, caractérisé en ce qu' il comprend les étapes suivantes :
1. réaliser au moins deux plaques en céramique, dont au moins une comporte un circuit de fluide (s),
2. polir au moins les deux faces destinées à être appliquée l'une contre l'autre, des deux plaques en céramique,
3. appliquer l'une contre l'autre, les faces polies des deux plaques obtenant ainsi l'assemblage étanche souhaité .
2. Procédé de fabrication d'un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape consistant à polir les faces des plaques en céramiques comprend une ou plusieurs répétitions de la séquence suivante :
- douci sur une doucisseuse avec l'utilisation d'un fluide de polissage contenant de la poudre de diamant formée de grains de 50 à 20 μm de diamètre, - poli sur une polisseuse avec utilisation d'un fluide de polissage contenant de la poudre de diamant formée de grains de 10 à lμm de diamètre,
De sorte que l'on obtienne une planéité inférieure à 150nm et une rugosité inférieure à lnm RMS.
3. Procédé de fabrication d'un dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'opération consistant à doucir les plaques est réalisée sur une doucisseuse à plateau rotatif céramique ou alliage métallique chargé ou non de diamants, le fluide de polissage pouvant être à base aqueuse, et en ce que, l'opération consistant à polir les plaques, est réalisée sur une polisseuse plane à plateau rotatif en alliage métallique, polymère organique ou textile, le fluide de polissage étant à base aqueuse ou non.
4. Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'opération consistant à réaliser au moins deux plaques de céramique comporte les étapes suivantes :
Obtention d'une ébauche crue par pressage isostatique, de poudre de céramique submicronique à laquelle ont été ajoutés les additifs adéquats pour obtenir la céramique désirée ;
- Usinage d'échantillons plans dans cette ébauche pour obtenir les plaques (1, 2) en céramique, puis frittage à haute température (2100 0C environ) dans un four sous vide.
5. Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la céramique est du carbure de silicium.
6. Echangeur de chaleur en céramique obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit echangeur comprenant des plaques assemblées par un collage par adhérence des surfaces en contact .
7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les plaques sont en carbure de silicium.
8. Réacteur chimique en céramique obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ledit réacteur comprenant des plaques assemblées par un collage par adhérence des surfaces en contact.
9. Réacteur chimique selon la revendication 8, caractérisé en ce que les plaques sont en carbure de silicium.
10. Dissipateur de chaleur en céramique obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ledit dissipateur comprenant des plaques assemblées par un collage par adhérence des surfaces en contact.
11. Dissipateur de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les plaques sont en carbure de silicium ou une en carbure de silicium et l'autre en alumine ou en nitrure d'aluminium.
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