Brevet FR2009959A1 — publié le 19700213

172t9 1 2009959 La prisant» invention concerne les "transducteurs à ultrasons et a essentiellement pour objet un tel transducteur équipé d'un dispositif de refroidissement du générateur de vibrations ultrasons» qui permet un fonctionnement continu du transducteur sans échauffement excessif. 5 Les transducteurs à ultrasons, dits aussi "transducteurs ultrasonores" sont des appareils bien connus qui engendrent des vibrations par excitation d'un ou de plusieurs cristaux piézo-électriques ou par magnétostriction. On utilise de tels transducteurs pour actionner des outils servant à percer des trous, à souder ensemble des feuilles de matière plastique ou à souder ensemble des pièces 10 d'un objet fabriqué en matière thermoplastique. Sans ees instruments, l'excitation desaristaux ou l'utilisation de l'effet de magnétostriction dégage de la chaleur, qu'il est indispensable de dissiper. Suivant la teehnique connue, on refroidit les transducteurs ultrasonores par l'air, soit par simple exposition statique à l'air ambiant, soit en dirigeant 15 un courant d'air vers les surfaces extérieures de l'instrument. Bans certains cas, en prévoit des ailettes de refroidissement pour accroître la surface offerte aux échanges de chaleur. Or,on constate qu'un tel mode de refroidissement est insuffisant quand on fait débiter par le transducteur une puissance importante pendant une longue 20 durée. Far exemple, en fonctionnement continu, un transducteur piéso-électrique fournissant une puissance de 150 W sous une fréquence de 40 kHz atteint 55°C environ. Il est donc évident qu'il est souhaitable d'améliorer le refroidissement de ces instruments. L'invention a essentiellement pour but de réaliser un transducteur ultraso-25 nore pouvant débiter, en régime permanent, 150 ¥ sous 40 kHz, sans que sa température dépasse 55°C. Ces performances ont été vérifiées au cours d'un essai de 600 h dm transducteur suivant l'invention. Le transducteur ultrasonere suivant l'invention, qui comprend un générateur piéM^-électriqme eu magnétostrictif de vibration produisant un dégagement de 30 chaleur et un outil eeuplé an dit générateur et mis en vibration par celui-ci, est caractérisé en ce qu'il comprend aussi un boîtier entourant le générateur proprement dit et au moins une partie du dit outil, ce boîtier présentant une paroi interne distante du générateur et de la dite partie de l'outil et une paroi externe pour permettre la dissipation de la chaleur, un volume d'un liquide 35 conducteur de la chaleur enfermé dans le boîtier, de manière à entourer le générateur de vibrations tout en étant en contact thermique avec lui pour faciliter le transfert de la chaleur dégagée par le générateur vers le boîtier, et un joint d'étanehéité annulaire installé entre l'outil et la paroi interne du boîtier peur emptcher toute fuite de ee liquide tout en permettant à l'outil de vi-40 barer par rapport a» boîtier. 69 17219 2 2009959 La chaleur est ainsi conduite* au travers de la paroi métallique dm boîtier et se dissipe dans l'atmosphère ambiante. On obtient les résultats les meilleurs quand on entoure le boîtier H d'une gaine établissant une circulation d'air dans cette gaine, au contact de la paroi extérieure du boîtier H pour évacuer 5 rapidement la ohaleur. La paroi externe de ce boîtier est avantageusement munie d'un ensemble d'ailettes, pour augmenter la surface offerte au transfert de la chaleur. Au dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple ! - la Fig. 1 est une vue en élévation, en coupe, d'un transducteur ultraso-10 iiore suivant un mode avantageux de réalisation de l'invention ; - la Fig. 2 est une vue du même transducteur, regardé par sa partie inférieure ; - la Fig. 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la Fig. 1 ; et - la Fig. 4 est une coupe du même transducteur, vue de la droite de la Fig.1. 15 Le transducteur ultrasonore T (Fig. 1 ) est constitué par un agencement de pièces cylindriques formé d'un demi-corps 11 postérieur et d'un demi-corps 13 antérieur, reliés par un boulon 15 central, d'une paire de cristaux piéso-élee-triques 17» 19 j me entretoise 21, conductrice de l'électricité, est intercalée entre les deux cristaux. Deux conducteurs électriques 23» 25 sont eonnec-20 tés au demi-corps postérieur 11 et à l'entretoise 21, ce qui permet de faire vibrer les cristaux piéxo-électriques. Quand ces cristaux sont ainsi exoités, une onde sinusoïdale se propage dans le transducteur ; cette onde est amplifiée dans l'outil 27, en forme de tige, dont le diamètre est nettement plus petit que celui du demi-corps 13 inférieur, 25 si bien que des vibrations sont transmises par la surfaoe de l'extrémité active de l'outil à l'objet travaillé, tel que des feuilles thermoplastiques à souder qu'on met directement au contact de cette surface. Le transducteur T est enfermé dans un boîtier H qui comprend un premier manchon 29 entourant le demi-corps 13 inférieur, à une certaine distance de 30 celui-ci, et solidaire d'une base annulaire 30 creusée d'une demi-gorge 31» dont la section est une fraction de circonférence, cette demi—gorge étant conçue pour coopérer avec un joint torique d'étanchéité. Le manchon 29 est relié au transducteur T par une plaque de montage 33, perforée et disposée transversalement ; cette plaque est fixée à la base du manchon 29 par plusieurs vis 35 35« réparties sur un cercle ; d'autre part, cette plaque 33 fixée à l'épaule-ment 37 du demi-corps 13 inférieur par une autre série de vis, telles que la vis 39, disposées sur un cercle concentrique et intérieur au premier oercle. Il est très avantageux que cet épaulement 37» soit situé à un noeud de vibrations pour réduire la transmission de ces vibrations du transducteur T vers le 40 boîtier H. 69 17219 3 2009959 Un second manchon 41 entoure le générateur de vibrations formé des cristaux 17» 19 et entoure aussi le demi-corps 11 postérieur, en laissant un espace annulaire qui contient un liquide P conducteur de la chaleur. La hase inférieure de ce manchon 4"! est creusée d'une demi-gorge dont la seotion est une fraction 5 de circonférence, qui se raccorde à la demi—gorge 31 du premier manchon 29 pour former un évidemment annulaire ; dans la gorge ainsi formée est placé un joint 43 de caoutchouc ou autre matière élastique, qui serre le demi-corps 13 inférieur, ce qui assure l'étanchéité de la cavité emplie de liquide tout en permettant à l'outil de vibrer par rapport au boîtier H. Les manchons 29, 41 sont 10 fixés l'un à l'autre par une série de boulons, tels que le boulon 45, passant dans des trous ménagés dans un épaulement 46 externe du manchon 29 et dans des trous filetés correspondant dans le manchon 41• Le boîtier H est complété par un couvercle 47 qui porte sur la partie supérieure du manchon 41 et qui est serré sur ce manchon par une série de boulons 15 répartis sur un cercle, tels que le boulon 49 î ces boulons traversent le couvercle 47 et sont vissés dans le manchon 41. L'espace P séparant le manchon 41 du demi-corps 11 supérieur est empli d'un liquide conducteur de la chaleur, non conducteur de l'électricité, tel qu'une huile minérale ou, par exemple,1e diphényle liquide (produit "Dowtherm" vendu 20 pur la firme Dow Chemical Company des Etats-Unis d'Amérique). On peut même utiliser de l'eau, avantageusement distillée, si la température ne s'élève pas assez pour qu'elle risque de bouillir. Le niveau du liquide est indiqué en 51 * un peu en dessous du couvercle, pour tenir compte de la dilatation du liquide et pour loger la mousse qui pourrait se produire du fait des vibrations. 25 Pour améliorer la transmission de la chaleur depuis le transducteur T jusqu'à l'atmosphère ambiante, les manchons 29, 41 sont munis d'ailettes extérieures annmlaires, telles que représentées en 53 ; de même, le couvercle 47 est muni d'ailettes 55 verticales ; enfin, la face inférieure du couvercle est munie de plusieurs saillies annulaires, telles que représentées en 57• 59 î ces saillies 30 plongent dans le liquide P, en traversant l'espace $2. Cette construction permet d'obtenir un excellent refroidissement et une bonne dissipation de la chaleur dans l'air ambiant ; néanmoins, il est possible d'améliorer encore le refroidissement. A cet effet, le boîtier H est entouré d'une gaine cylindrique S fermée à sa partie supérieure, coiffant ainsi le 35 boîtier en ménageant un espace libre latéralement et au-dessus du couvercle 47» La position de cette gaine est fixée par une série de vis latérales, telles que la vis 61, qui viennent porter sur la surface extérieure du manchon 29, leurs extrémités pénétrant dans des trous peu profonds prévus dans ce manchon, ce qui empêche tout déplacement longitudinal de la gaine. Cette gaine est fermée à sa 40 partie inférieure par une plaque annulaire 63 reliée à la gaine par une série 69 17219 4 2009959 de vis 65* On peut ainsi disposer la gaine au-dessus du transducteur, puis régler sa position au moyen de vis 61, servant de vis de calage, puis visser la plaque annulaire 63. L'air soufflé de refroidissement parvient dans l'enceinte 64 séparant la 5 gaine S du boîtier H par un conduit A fixé sur le côté de la gaine H par des vis 67, une collerette 69 terminant le conduit A, l'orifice 7"!, ménagé dan» la gaine S étant en face du conduit A* L'air circule à l'intérieur de la gaine et sort par une autre ouverture 73 latérale, visible à la Fig. 4« Pour produire l'émission d'ultrasons, on »xeite les cristaux piézoélectri— 10 ques par un courant électrique de haute fréquence, par exemple un courant d« fréquence égale à 40 kHz distribué par deux conducteurs 23, 25 traversant la paroi du boîtier et la gaine par des passages, convenablement isolé», et étan-ches. 15 quel métal suffisamment bon conducteur de la chaleur, t»l que l'aluainiua, le cuivre, le laiton, le titane, l'acier inoxydable, l'alliage Xonel. On peut, d'ailleurs, construire certaines parties avec un métal et d'autres partie» avec un autre métal. En utilisation normale, on fixe 1 ine S sur un organe de support approprié 20 et on déplace le tout devant l'objet onner, l'extrémité de la tige 27 étant appliquée sur cet objet pour souder ensemble les diverses parties de cet ebjet. On peut aussi maintenir l'instrument fixe et on déplace l'objet à souder devant lui, en le faisant porter sur l'extrémité de la tige. On peut aussi Maintenir l'instrument et l'objet traité fixes tous les deux. 25 Le boîtier H, muni ou non de sa gaine, est dispesé pour pouvoir ftre ins tallé sur plusieurs transducteurs T, ce qui est précieux, en cas de réparation d'un transducteur ou quand on désire pouvoir modifier la forme de la tige, pour un travail particulier. Les pièces mécaniques du transducteur peuvent être constituées en n'importe 69 17219 5 2009959 REVEHDICATIOSS 1 - Transducteur comprenant un générateur électromécanique de vibrations ultrasonores qui dégage de la chaleur pendant son fonctionnement @t un outil couplé à ce générateur, se transducteur étant caractérisé an ©e que 5 le générateur est enfermé clans un Boîtier constitué @n un matériau sonduc- teur de la chaleur, la chambre limitée par la paroi interne du boîtier et la surface externe du générateur contenant un produit bon conducteur de la chaleur qui assure le transfert de la chaleur dégagée au niveau du générateur vers le boîtier. 10 2 - Transducteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un joint d'étanchéité annulaire dispesé entre l'outil et la paroi interne du boîtier pour assurer l'étanchéité de la chambre vis-à-vis du produit qu'elle contient. 3 - Transducteur conformé à la revendication 2, caractérisé en ce que ce pro-15 duit est un liquide. 4 - Transducteur conforme à la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ®e fu'il comprend un dispositif Mettant la paroi externe âm bsîtier an son-tact avec un fluide de refroidissementa 5 - Transducteur conforme à la revendication 4» caractérisé en ce que le dit 20 dispositif comprend une gaine entourant le boîtier à une certaine distance do celui-ci et un agencement assurant la circulation d'un fluide de refroidissement dans la gaine, autour du boîtier. 6 - Transducteur conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi extérieure du boîtier est munie d'ailettes 25 ou de protubérances facilitant l'évacuation de la chaleur. 7 - Transducteur conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la liaison du boîtier à l'outil est placée S un noeud de vibrations. 8 - Transducteur conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que le dit joint annulaire d'étanchéité est reçu dans une gorge annulaire creusée dans la paroi interne du boîtier. 9 - Transducteur conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que le dit boîtier est en deux pièces et que la gorgé est ménagée au racoordement de ces pièces. 35 10 - Transducteur conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement n'atteint pas le couvercle du boîtier pour permettre sa dilatation et l'accumulation éventuelle d'une mousse. 11 - Transducteur conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des protubérances partant de la paroi interne du 40 boîtier pénètrent dans le liquide pour améliorer les échanges de chaleur.