ES2322611T3 - Procedimiento de realizacion de un elemento que comprende unos canales de circulacion de fluidos. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de realización de un elemento que comprende unos canales de circulación de fluido, caracterizado porque: - se realizan unas ranuras (12) en al menos una cara (21) de una placa (10) de base; - se obturan los vértices de las ranuras (12) de manera estanca por medio de lamas (16); - se suelda una tapa (22) por difusión en compresión isostática en caliente en la cara (21) de la placa (10) de base que comprende las ranuras (12), por encima de las lamas (16).

Description

Procedimiento de realización de un elemento que comprende unos canales de circulación de fluidos.

La invención se refiere a un procedimiento de realización de un elemento que comprende unos canales de circulación de fluido destinado particularmente, pero no exclusivamente, al intercambio de calor entre dos fluidos.

Para realizar unos canales de refrigeración en unas estructuras, se recurre ya sea a diversas técnicas de mecanización, ya sea al ensamblaje de piezas elementales. Las estructuras que se pueden obtener directamente por mecanización son muy limitadas a la vez en términos de sección de paso de fluido refrigerante y de geometrías de circuitos. Así, se recurre generalmente a ensamblar piezas elementales simples. Se pueden utilizar numerosas técnicas de ensamblaje, particularmente el soldeo fuerte, el soldeo por fusión con ayuda de diferentes fuentes de energía (arco eléctrico, haces de alta energía) y el soldeo por difusión. El soldeo por difusión consiste en aplicar, a alta temperatura y durante un tiempo dado, una fuerza en las superficies a ensamblar. Se establece la continuidad de la materia entre las piezas, por eliminación de los juegos y de las porosidades bajo el efecto combinado de la temperatura y de la fuerza. Esta técnica permite obtener geometrías particularmente complejas cuando ésta es puesta en práctica mediante Compresión Isostática en Caliente, o CIC (es decir que la fuerza se obtiene por una presión de gas). El soldeo por difusión mediante CIC permite reconstituir estructuras monolíticas a partir de una gran variedad de elementos tales como chapas, placas, cascos, tubos curvados o no. Al contrario que otras técnicas antedichas, puede ser puesta en práctica para ensamblar grandes superficies complejas, sin metal de aporte. Así se evitan los problemas asociados a la presencia de materiales con punto de fusión bajo (limitación de la temperatura de utilización, baja resistencia de las juntas unidas por soldadura fuerte) y a la presencia de soldadura que atraviesa las paredes (riesgos de fugas). Las uniones obtenidas por soldeo por difusión son conocidas por ser particularmente resistentes.

Un caso a menudo encontrado es el de las placas o cascos que deben presentar uno o varios circuitos de refrigeración internos. Una solución para realizar este tipo de estructura es insertar unos tubos 6 que tienen la geometría de canal deseada entre dos placas ranuradas 2, 4 (figura 1) [1]. Teniendo las ranuras 7 la geometría de los tubos, el apilamiento de las piezas permite reconstituir la geometría final. El ensamblaje por soldeo por difusión se realiza de la siguiente manera: se limpian las superficies a ensamblar, se apilan las piezas, se suelda la periferia de las placas y de los tubos de forma estanca, se desgasifica la interfaz y se somete el apilamiento a un ciclo de CIC cuyos parámetros (tiempo, temperatura presión) dependen de la naturaleza del o de los materiales metálicos. Durante este ciclo de CIC, la presión de gas no puede penetrar en las interfaces y las piezas se sueldan. Siendo sometidos los tubos a la misma presión que las superficies exteriores, estos no son aplastados por ella.

Un límite importante de la técnica descrita en el párrafo precedente aparece en el caso de estructuras que comprenden unos canales de sección tal que los tubos correspondientes no existen en el mercado o que los canales comprenden codos irrealizables por combadura de los tubos. No se pueden entonces utilizar tubos. El ensamblaje por soldeo por difusión en CIC de las placas ranuradas sin tubos insertados no es posible más que a costa de una degradación importante de la estructura. En efecto, si no se tapan de forma estanca las entradas y salidas de los canales, el gas de presurización penetra entre las placas y no hay soldeo. A la inversa, si se tapan de forma estanca las entradas y salidas de los canales, estos son aplastados por la presión y se da como resultado una pérdida inaceptable de precisión dimensional, incluso una desaparición de canales. Disminuir la presión disminuye el aplastamiento pero esto se hace a costa de una reducción de la resistencia de la unión placa/placa. Otra solución sería llenar las ranuras con unos núcleos realizados en un material susceptible de ser eliminado después del ensamblaje por disolución química o por otro medio. De esta forma se evita el aplastamiento de los canales. En la práctica, la eliminación del material de llenado es muy difícil.

Por otro lado, se conoce (documento FR 2850741) un procedimiento de fabricación de un panel de refrigeración activo. Según este procedimiento, se realiza una primera pieza de material compuesto termoestructural que tiene una cara interior que presenta unos relieves huecos que forman unos canales; se forma un revestimiento metálico en esta cara; se realiza una segunda pieza de un material compuesto termoestructural que tiene una cara interior destinada a ser aplicada a la cara interior de la primera pieza; se forma un revestimiento metálico en la cara interior de la segunda pieza; se ensamblan las dos piezas por presión en caliente de manera que se obtiene un panel de refrigeración con canales de circulación integrados.

En este procedimiento, las piezas de material compuesto se insertan en una envoltura estanca. El gas de presurización no puede penetrar en los canales. Esta solución es posible porque los materiales compuestos conservan, a la temperatura de sondeo, una rigidez suficientemente elevada para evitar el aplastamiento de los canales. La aplicación de esta solución a los materiales metálicos sin revestimiento metálico intermedio no es posible ya que, a la temperatura de soldeo, estos se deformarían.

Ahora bien, la presencia en la composición de un segundo material no es a menudo deseable ya que complica su dimensionamiento, por ejemplo su resistencia a la presión. Necesita desarrollos considerables para cualificar el componente con respecto a su utilización.

Por otra parte, se pierde una de las ventajas del soldeo por difusión, a saber, que los rendimientos mecánicos de las uniones pueden estar muy cerca de los del material de base si se toman las precauciones necesarias (preparación de superficie y parámetros de soldeo adecuados).

La presente invención tiene por objeto un procedimiento de realización de un elemento que comprende unos canales de circulación de fluido, particularmente un elemento de intercambio de calor, que remedia estos inconvenientes. Este procedimiento debe permitir la obtención de estructuras refrigeradas por unos canales internos no asimilables a unos tubos curvados.

Estos objetivos son alcanzados conforme a la invención, por el hecho de que se realizan unas ranuras en al menos una cara de una placa de base; que se obturan, preferentemente por soldeo, los vértices de las ranuras de manera estanca por medio de lamas; que se suelda una tapa por difusión en compresión isostática en caliente en la cara de la placa de base que comprende las ranuras, por encima de las lamas.

Preferentemente, las lamas se sueldan en la placa de base, particularmente por soldeo láser.

Gracias al soldeo, se elimina la utilización de la soldadura fuerte. Por lo tanto se aumenta la temperatura máxima a la que el elemento puede ser utilizado. El soldeo láser permite además una accesibilidad a las piezas de pequeñas dimensiones.

Las soldaduras no atraviesan el conjunto de paredes ya que estas soldaduras se utilizan únicamente para la unión de las lamas en la placa de base.

El soldeo por difusión no necesita la utilización de tubos y no produce ninguna deformación de los canales, aun cuando son de pequeña sección. Además, la sección transversal de estos canales puede variar según su longitud, lo que no es el caso en un procedimiento de la técnica anterior en el que se utilizan tubos. En definitiva, los fallos eventuales (falta de penetración por ejemplo) de los cordones de soldadura de las lamas en la placa de base no tienen consecuencias dado que esta placa de base está recubierta por una tapa que realiza una segunda pared para una mejor resistencia mecánica.

Ventajosamente, se realizan encajaduras en las ranuras previamente a su obturación por medio de lamas. La extensión de estas encajaduras está comprendida preferentemente entre 0,1 mm y 0,6 mm, y su profundidad entre 0,5 mm y 1 mm. Preferentemente, el juego entre las caras de la encajadura y las lamas introducidas en estas encajaduras no pasa de 0,1 mm.

En una realización particular, después de la etapa de soldeo por difusión de la tapa en la placa de base, se mecaniza la placa de base y/o la tapa con el fin de reducir el espesor del elemento.

Esta realización está particularmente adaptada al caso en el que se deseen realizar elementos de poco espesor.

En una realización particular se pueden formar igualmente ranuras en cada una de las dos caras de la placa de base. Se realiza así un elemento que comprende una placa de base intercalada entre dos tapas. Esta realización permite una estructura compacta. En otra realización particular, se realizan además ranuras en la tapa de tal manera que constituye una placa de base.

Esta tapa puede estar cerrada por una tapa sin ranuras o eventualmente por una nueva tapa que comprende ella misma ranuras.

Otras características y ventajas de la invención aparecerán todavía a la lectura de la descripción que sigue de ejemplos de realización dados a título ilustrativo en referencia a las figuras adjuntas. En estas figuras:

- la figura 1, ya descrita, es una vista en perspectiva de una placa realizada conforme a la técnica anterior;

- la figura 2 es una vista esquemática en corte que ilustra las diferentes etapas del procedimiento de la invención;

- la figura 3 es una vista en perspectiva de una placa de intercambiador de calor realizada conforme a la invención;

- la figura 4 es una vista en corte de la placa de la figura 3 en el transcurso de la realización;

- la figura 5 es una vista en corte de esta placa terminada;

- las figuras 6 y 7 son dos vistas en corte de un intercambiador de calor que utiliza unas placas de la invención, por ejemplo las placas de las figuras 3 a 5;

- la figura 8 es una vista en perspectiva de un intercambiador de calor compacto que comprende unas placas realizadas conforme a la invención;

- la figura 9 es una vista en perspectiva de una placa de refrigeración de un módulo de cobertura de un reactor de fusión termonuclear;

- las figuras 10, 11, 12 representan tres etapas de realización del módulo de cobertura de reactor de fusión termonuclear de la figura 9;

- las figuras 13 y 14 ilustran dos variantes de realización de un elemento que comprende unos canales de circulación de fluido conforme a la invención.

Conforme a la figura 2, se mecanizan en un primer momento unas ranuras 12 en la placa 10 de base. Cada ranura 12 desemboca al menos en uno de sus extremos. Las ranuras recorren la placa de base según las direcciones impuestas por el diseño de la estructura refrigerada. Pueden ser de sección y de trayectoria muy variadas. Pueden particularmente presentar una sección rectangular, poligonal, semicircular. Pueden presentar igualmente una sección que varía según su longitud. Su trayectoria puede ser recta o no. Puede presentar ida y vuelta y/o curvas pronunciadas que no se podrían realizar utilizando unos tubos curvados conforme a la técnica anterior representada en la figura 1.

Pueden ser seleccionados diferentes procedimientos de mecanización en función de la geometría de las ranuras. Se puede utilizar por ejemplo el fresado con ayuda de fresas-sierra, de fresas-bola, la mecanización a gran velocidad, la mecanización química, la mecanización electroquímica o la estampación.

Preferentemente, las ranuras presentan dos encajaduras 14 destinadas a recibir una lama 16 que obtura la ranura. En un ejemplo de realización, la extensión de las encajaduras está comprendida entre 0,1 mm y 0,6 mm y su profundidad entre 0,5 mm y 1 mm. La anchura de la encajadura se ajusta de forma que el juego de la lama 16 sea a lo sumo de
0,1 mm. El espesor de las lamas 16 es casi igual a la profundidad de la encajadura, o sea de 0,5 a 1 mm.

Las lamas 16 pueden ser obtenidas por recorte mecánico, por recorte láser o por cualquier otro medio adaptado a partir de chapas o de otra forma de productos semiterminados.

Después de haber colocado las lamas 16 en las encajaduras 14, se sueldan en la placa 10 de base por ejemplo por soldeo láser YAG o CO_{2} de forma que constituyen unos canales cerrados 18. Habitualmente, dos cordones 20 de soldadura son necesarios para cada lama 16. En otros términos, hace falta un cordón de soldadura para cada uno de las encajaduras 14. Sin embargo, en el caso de una estructura en la que los canales 18 de refrigeración están muy cerca los unos de los otros, un solo cordón de soldadura puede ser suficiente para obtener simultáneamente la estanqueidad de la encajadura situada a la derecha de una lama y de la encajadura situada a la izquierda de la lama adyacente.

Las condiciones de soldeo pueden estar definidas de forma que se obtienen unas soldaduras que desembocan en las ranuras. Ventajosamente, se realiza un control no destructivo de tipo radiografía con rayos X para verificar la ausencia de fallo redhibitorio en los cordones de soldadura y, llegado el caso, verificar que la soldadura está bien penetrada. La estanqueidad de cada canal de la placa 10 puede controlarse igualmente mediante una prueba de estanqueidad al helio. Las superficies a ensamblar por soldeo por difusión son seguidamente limpiadas y pretratadas (por ejemplo por decapado químico o mecanizado ligero) con el fin de obtener una superficie apropiada.

Se procede después al soldeo por difusión mediante CIC (compresión isostática en caliente) de la tapa 22 en la superficie 21 de la placa 2 de base en la que se han realizado las ranuras 12.

La cara superior de la base y la cara superior de las lamas forman una primera superficie en la que se coloca la tapa. La cara de la tapa frente a esta primera superficie constituye una segunda superficie. Estas dos superficies constituyen la interfaz a soldar por difusión. La periferia de la interfaz es soldada de forma estanca y desgasificada.

La estanqueificación de las ranuras 12 por medio de las lamas 16 soldadas por un procedimiento láser hace posible el soldeo por difusión en CIC sin deformación significativa de los canales 18, estando éstos abiertos por al menos uno de sus extremos. El soldeo por difusión en CIC permite aumentar el espesor de pared hasta un valor deseado simplemente jugando con el espesor de la tapa 22. No solamente no sería posible obtener este espesor directamente por soldeo láser, sino que además la presencia de la tapa permite aislar los cordones 20 de soldadura del medio exterior y así disminuir el riesgo de fuga durante el funcionamiento en servicio.

Para los aceros y las aleaciones de níquel, la temperatura de soldeo es elegida típicamente entre 1000ºC y 1250ºC y la presión típicamente entre 800 bares y 1500 bares. El tiempo de soldeo está típicamente en un mínimo de dos horas y en un máximo de diez horas.

Se ha representado en las figuras 3 a 5 un ejemplo de realización de una placa 30 de intercambio de calor conforme al procedimiento de la invención. Unas ranuras 12 que presentan una forma ondulada 5 se forman según la longitud de la placa 32 de base que presenta la forma de un paralelepípedo rectángulo de poco espesor. Como se ha explicado precedentemente, se realizan unas lamas cuya forma está adaptada a la de las ranuras 12. En este caso, en el ejemplo, las lamas 16 presentan una forma ondulada. La figura 4 muestra la inserción de las lamas en las encajaduras de las ranuras 12. La figura 5 es una vista en corte transversal de la placa 30 después del soldeo por difusión mediante CIC de la tapa 34. La placa 30 de la figura 3 puede ser utilizada en un gran número de tipos de intercambiadores de calor. Las figuras 6 y 7 representan un ejemplo. La figura 7 es una vista en corte según el plano VII-VII de la figura 6. El intercambiador de calor representado en corte en la figura 6 comprende una calandra 42 realizada por ejemplo en chapa de acero plisada y soldada. Unas placas 30 de intercambiador de calor están dispuestas horizontalmente en el interior de la calandra 42. Un primer fluido termoportador circula por el interior de los canales 18 de cada una de estas placas (flechas 43, figura 7). Un segundo fluido termoportador circula en la calandra en relación de intercambio de calor con el primer fluido. El segundo fluido penetra por una abertura 44 de entrada situada en la parte inferior derecha de la calandra (según la figura 6) como lo muestra la flecha 45 y, después de haber tomado un recorrido sinuoso en el que circula en contacto con las superficies de las placas 30, vuelve a salir del intercambiador por el orificio 46 de salida, como está esquematizado por la flecha 47.

Se ha representado en la figura 8 otra realización de un intercambiador de calor obtenido con unas placas tales como las placas 30 representadas en la figura 3. Este intercambiador está constituido simplemente por placas 30 superpuestas, ocho en el ejemplo. Un primer fluido circula en cuatro de estas placas, como está esquematizado por la flecha 52, y un segundo fluido circula en otras cuatro de estas placas, como está esquematizado por las flechas 54. Las placas en las que circula el primer fluido se alternan con las placas en las que circula el segundo fluido. La circulación de estos fluidos se efectúa a contracorriente. Se realiza así un intercambiador de calor compacto. La realización de las alimentaciones de fluido, y de las salidas, se hacen de forma conocida.

Se ha representado en la figura 9 una vista en perspectiva de un componente de reactor de fusión termonuclear de poco espesor (6,5 mm) en el que están realizados unos circuitos de refrigeración, de sección cuadrada, de 4 mm x 4,5 mm en el ejemplo. Estos circuitos de refrigeración son complejos y no pueden ser realizados mediante una simple mecanización según el procedimiento descrito en referencia a la figura 1. Además, se requiere para estos componentes una estanqueidad perfecta del circuito de refrigeración, estanqueidad que no puede ser garantizada por simple soldeo por difusión en compresión isostática en caliente así como se explica en la introducción. Así, conforme a una variante particular de la invención, se mecanizan en unas placas relativamente espesas, por ejemplo de 15 mm de espesor, unas ranuras que presentan unas secciones deseadas, una sección cuadrada de 4 mm x 4,5 mm en el ejemplo, con unas encajaduras de extensión comprendida entre 0,2 mm y 0,6 mm y una profundidad comprendida entre 0,5 mm y 1 mm. Se sueldan después unas lamas 16 que presentan un espesor y una forma adaptados a la geometría de los circuitos de refrigeración con un procedimiento de soldeo por láser (figura 10). Se ajusta después una tapa 66 por compresión isostática en caliente (figura 11). Se mecaniza después el componente así obtenido para darle el espesor especificado, es decir 6,5 mm en el ejemplo (figura 12). Como se puede constatar por la comparación de las figuras 11 y 12, la reducción del espesor se hace a la vez por una mecanización de la tapa 66 y de la placa 64 de base.

En una realización particular (figura 13), un elemento 70 que comprende unos canales de circulación de fluido conforme a la invención puede ser realizado mecanizando unas ranuras en cada una de las caras de una placa 72 de base. Una tapa 74 se asocia después a cada una de estas caras como se ha descrito precedentemente.

En otra realización particular (figura 14), un elemento 80 conforme a la invención puede ser realizado utilizando una tapa 82 ensamblada por soldeo de difusión mediante CIC en una placa 81 de base, comprendiendo la tapa 82 misma unas ranuras 12. De este modo, la tapa 82 constituye ella misma una placa de base frente a una tapa 84. Se realiza así un elemento compacto.

En los ejemplos descritos, las placas son planas. Sin embargo, queda claro que las placas pueden presentar también un radio de curvatura (porción de cilindro, forma de chapa ondulada, etc.). Solo es necesario que la placa y la tapa presenten los mismos radios de curvatura para poderse encajar sin juego.

Referencias

[1] Fusion reactor first wall fabrication techniques; G. Le Marois, E. Rigal, P. Bucci, Fusion Engineeering and Design 61-62 (2002) 103-110-Elsevier Science B.V.

Claims (10)

1. Procedimiento de realización de un elemento que comprende unos canales de circulación de fluido, caracterizado porque:

- se realizan unas ranuras (12) en al menos una cara (21) de una placa (10) de base;

- se obturan los vértices de las ranuras (12) de manera estanca por medio de lamas (16);

- se suelda una tapa (22) por difusión en compresión isostática en caliente en la cara (21) de la placa (10) de base que comprende las ranuras (12), por encima de las lamas (16).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la obturación de las ranuras (12) por medio de las lamas (16) se obtiene por soldeo.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que las lamas (16) se sueldan en la placa (10) de base por soldeo láser.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que se realizan unas encajaduras (14) en las ranuras (12) previamente a su obturación por medio de las lamas (16).

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la extensión de las encajaduras (14) está comprendida entre 0,1 mm y 0,6 mm.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 ó 5, en el que la profundidad de las encajaduras (14) está comprendida entre 0,5 mm y 1 mm.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 a 6, en el que el juego entre la encajadura (14) y la lama (16) insertada en esta encajadura (14) es inferior a 0,1 mm.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque, después de la etapa de soldeo de la tapa (22) por difusión en compresión isostática en caliente, se mecaniza la placa (10) de base y/o la tapa (22) con el fin de reducir el espesor del elemento.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se realizan unas ranuras (12) en cada una de las dos caras de una placa (72) de base.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque se realizan unas ranuras (16) en la tapa (82) de manera que ella misma constituye una placa de base.