Brevet FR2020092A1 — publié le 19700710

La présente invention a trait à l'échauffement simultané d'un certain nombre de pièces soumises à un ensemble de conditions réglées, de façon que toutes les pièces subissant le traitement thermique soient portées à la même température prédéterminée, pratiquement en même temps. De façon plus précise, la présente invention se préoccupe de concevoir un système, où l'on considère comme particulièrement important que l'atmosphère soit contrôlée, et cependant que les pièces en traitement soient bien portées à une température susceptible d'être réglée avec précision. 'invention se rapporte en particulier à ltéchauffement d'un matériau réactif, tel que celui mis en oeuvre dans une opération de revenu ou de brasage. L1invention vise en particulier le cas où le traitement thermique est à opérer dans une chambre dont l'atmosphère peut être contrdlée. L'invention présente un intérêt particulier pour le brasage de pièces d'espacement en alliage de zirconium sur des tubes d'alliage de zirconium. L'homme de l'art se rendra immédiatement compte qu'une telle application se rencontre durant la fabrication des assemblages combustibles pour réacteurs nucléaires. En raison de la réactivité du zirconium en présence d'oxygène, il est nécessaire que l'opération ci-dessus indiquée soit exécutée en atmosphère 57lette ou dans un certain vide.On rappellera aussi que durant la fabrication de certains assemblages combustibles il est nécessaire que certains des éléments du réacteur nucléaire subissent un certain revenu, dans des conditions de température et d'atmosphère réglées de très près ; l'invention permet également d'effectue# ce revenu desdits éléments dans des conditions étroitement controlées. Dans l'art antérieur quand il était nécessaire d'assembler entre eux par brasage des matériaux de nature réactive, l'opéra- tion était généralement exécutée en atmosphère contrôlée par des moyens manuels. L'opération répétée de brasage de pièces d'espacement en zirconium allié sur des tubes également de zirconium allié était dans ce cas. Tout soudage nécessaire était exécuté manuellement et il était généralement admis que cela pouvait être extrêmement difficile à exécuter. La présente invention surmonte les difficultés de l'art antérieur au moyen d'un dispositif de chauffage par inductif permettant l'exécution des opérations définies ci-dessus, p;1r(:. que du fait de la structure dudit dispositif, elle donne la pour sibilité d'isoler la pièce à traiter de la source d'énergie iu moyen d'une chambre sous vide (ou bien d'une chambre dont l'atmosphère environnant la pièce à traiter peut être réglée à volonté). L'invention vise d'autre part l'emploi d'un concentrateur composite coopérant avec-la source d'induction de façon à obtenir un dispositif à induction à effet multiple permettant d'opérer le revenu ou le brasage d'un certain nombre de pièces en même temps. On projette d'exécuter une telle opération à l'intérieur d'une chambre tubulaire à paroi en materiau-convenable non-conducteur tel que quartz ou celui dit "Pyrex", et dautre part de rendre le concentrateur suivant l'invention capable de traiter en même temps un certain nombre de pièces. Le concentrateur est excité par 1' enroulement primaire d'un généra#teur à induction et bien entendu le conçentrateur donne passage à des courants secondaires circulant dans son épaisseur superficielle.Il eet bien connu de l'homme de l'art que les courants circulant dans le concentrateur sont à une profondeur qui dépend dans une grande mesure de la fréquence des courants circulant dans l'enroulement primaire du générateur à induction. Dans le cas de la présente invention, il est souhaitable que lesdits courants passent aussi par que possible de la surface du concentrateur, de façon que le concentrateur n'esige aucun dispositif additionnel de reiroidissement, tels que conduits véhiculant un fluide réfrigérant, ce qui serait nécessaire si les courants circulant dans le concentrateur pénétraient profondément dans le matériau constitutif de celui-ci.Le concentrateur forme en conséquence un enroulement secondaire vis-à-vis de l'enroulement primaire du générateur à induction et au moment où les pièces à traiter sont enfilées dans des évidements du concentrateur, ces pièces à leur tour deviennent des "enroulements secondaires" pour les courants circulant par induction dans le concentrateur. Dans ces conditions, les courants induits dans les pièces à traiter provoquent un échauffement de celles-ci, lequel est directement proportionnel aux courants circulant dans ces pièces. On voit qu'il est possible de concevoir un concentrateur tel que virtuellement les courants circulant autour de tous les évi delrents soient vagaux à chaque instant, de façon à obtenir une distribution uniforme des courants circulant dans les pièces à traiter, insérées dans les évidements du concentrateur, et pratiquement une montée uniforme de température des différentes pièces insérées dans les évidements du concentrateur.Le concentrateur de l'invention peut être percé d'un nombre presque illimité d'évidements, de sorte qu'un grand nombre de pièces peuvent etre traitées en même temps ; la présente invention permet donc de grouper un grand nombre d'opérations qui auraient nécessité des interventions manuelles dans l'art antérieur ; en d'autres termes, l'invention stadapts facilement à des techniques de production de masse L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit ainsi qu'à l'examen des dessins schématiques correspondants annexés, dans lesquels - la fig. la est une vue d'un concentrateur en anneau fendu, connu de l'art antérieur - la fig. lb est une vue d'un concentrateur à deux anneaux fendus présentant des évidements entre les deux anneaux, montés coaxialement l'un à l'autre - la fig. 2 est une vue en perspective -d'u# four à induction utilisant un concentrateur du type utilisé à la fig. lb - la fig. 5 est une vue d'un concentrateur suivant l'invention - la fig. 4 est une vue en perspective d'un concentrateur analogue à celui de la fig. 3, monté sur une colonne centrale - la fig. 5 est une vue en perspective d'un concentrateur multiple où chaque concentrateur élémentaire est modifié par rapport à celui de la fig. 3 pour permettre de recevoir un plus grand nombre de pièces à traiter, celles-ci pouvant être échauffées en plusieurs emplacements - la fig. 6 est une vue en perspective d'un ensemble complet de chauffage par induction, montrant comment les concentrateurs élémentaires et les pièces à traiter sont disposés dans une chambre scellée Il est bien connu de 1'art trieur qu'il est possible d'interposer un ~Jlément interrlediaire entre l'enroulement pri raire et la pièce à traiter dans un capparei c:#O chauffage par induction pour produire des variations dans la configuration des courants induits dans la pièce, ainsi que pour concentrer le flux dans cette pièce.L'élément qui, d'une façon générale, remplit ce rôle a été désigné d'une lançon assez imprécise sous le nom de "concentrateur". Le concentrateur lui-même est un élément électriquement conducteur qui permet la circulation de courants secondaires dans le matériau qui le constitue et est par suite capable d'induire d'autres courants dans la pièce, laquelle est en position déterminée par rapport au concentrateuro La pièce peut être échauffée par les courants induits qui y circulent et peut aussi titre échauffée par# rayonnement à partir du concentrateur lui#meAne. Le concentrateur de la présente invention est prévu comme pouvant être fait en cuivre ou en aluminium ; il est dès lors tout à fait possible que le concentrateur soit fait sous forme feuilletée par couches superposées de cuivre ou d'aluminium. Il est en tout cas nécessaire que le matériau constitutif du corps du concentrateur soit traité pour élimination des gaz occlus dans ce matériau, étant donné que le concentrateur de l'invention est destiné à fonctionner en atmosphère inerte ou dans un certain vide. On se réfèrera maintenant à la fig. 1 qui représente à titre de rappel de l'art antérieur un concentrateur en forme d'anneau cylindrique fendu. Un courant circulant dans l'enroulement primaire du four à induction est indiqué par les flèches 12 qui tour- nent dans le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre autour du concentrqteur annulaire 11. Un courant correspondant 13 est induit dans le concentrateur et, bien entelldu, dans le pourtour extérieur il tourne dans le sens des aiguilles d'une montre De sens de circulation du courant sur les bords de la fente est également indiqué par des flèches et le sens de circulation du courant sur le pourtour intérieur du concentrateur est le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre. La fig. lb représente une forme de concentrateur modifiée par rapport à celle de la fig. la. A la fig. lb un autre concentrateur 15 entoure un concentrateur intérieur 16 et à différents endroits le matériau constitutif des concentrateurs a été enlevé de façon à former en chacun de ces endroits un évidement cylindrique 19 entre les deux concentrateurs 15, 16. Le sens du courant primaire est indiqué par les flèches 12 et celui du courant secondaire dans le concentrateur 15 par la flèche 22. On notera que le sens du courant sur le pourtour extérieur du concentrateur 15 est celui des aiguilles d'une montre et sur le pourtour intérieur du mêne concentrateur 15, le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre.De façon analogue les sens des courants induits sur les pourtours intérieur et extérieur du concentrateur 16 sont indiqués par des flèches 23. On notera que le sens du courant sur le pourtour extérieur du concentrateur 16 est celui des aiguilles d'une montre et sur le pourtour intérieur du même concentrateur 16, le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre. On notera aussi les sens des courants circulant sur les bords des entrefers 17, 18. On observera enfin que les courants circulant autour des évidements 19 sont de sens unique. il est dès lors clair que si une pièce à traiter est introduite dans un évidement 19, les courants qui y sont induits, du fait des courants circulant dans les deux concentrateurs 15, 16, sont de même sens. On se reportera maintenant à la fig. 2 qui montre comment deux concentrateurs composites qui sont sensiblement analogues à celui de la fig, 1b sont montés dans un ensemble complet de chauffage. Sur un socle 30 est posée une chambre en matériau convenable, tel que quartz ou celui dit "Pyrex", qui permet de supporter des disques d'extrémités 35 servant à positionner les pièces à traiter, le disque 35 inférieur étant en outre posé sur une cale fixée au socle 30. Les concentrateurs 21 ont par rapport aux disques positionneurs 35 leurs positions fixées par des tiges fines (ou autres éléments de portage convenables) à la manière indiquée par la fig. 2, et il est nécessaire que les éléments intérieur et extérieur des deux concentrateurs 21 soient tenus à écartement uniforme de façon à être coaxiaux.On voit que le montage nécessaire pour remplir cette- condition structurale est très complexe du fait de la conception même des concentrateurs. C'est nour cette raison que des concentrateurs tels que ceux représentés à la fig. 2 exigent pour leur fonctionnement un certain nombre de conditions difficiles à satisfaire. La fig. 3 donne une idée de la conception de principe d'un concentrateur suivent l'invention. On notera (.e les courants secondaires indiqués p--r la flèche 43 circulent au long/du pourtour du concentrateur dans le sens des aiguilles d'une outre, en tournant utour des évidements tels que 42 de façon que ces différents évidements voient circuler autour d'eux des courants sensible usent égaux. Chaque évidement 42 présente un entrefer ou fente 41, reliant l'évidement au pourtour extérieur du concentrateur.Du fait de l'emplacement des évidemments 42 dans le concentrateur 40, il est possible de faire passer coaxialement à celui-ci une co- lonne portante qui ne soit soumise à aucune circulation de cou rant, comme n'étant reliée par aucune fente au pourtour extérieur du concentrateur.Dans ces conditions, le montage du concentrateur de la li. 3 sur un arbre coaxial est une opération extrêmement simple, fournissant au concentrateur lui-même un support convenable, s.ns nécessiter aucun Élément Élaboré de positionnement autre nue ladite colonne ; on aura dans ces conditions au mon te préféré de la fig. 4 d'un concentrateur sur une colonne coaxiale. On se reportera maintenant à la fig. 5 où trois concentrateurs 50 sont montés sur une même colonne coaxiale 45. Sont également montés sur cette colonne 45 deux disques positionneurs d'extrémités 56 qui sont nécessaires pour positionner de façon précise les pièces à traiter dans les videments des concentrateurs 50. les concentrateurs 50 sont pourvus d'évidements, suivant le même concept de principe cue celui du concentrateur de la fig. 3. Chaque concentrateur 50 présente deux ensembles d'évidements écartés l'un de l'autre et alternativement disposés parallèlement au pourtour du concentrateur 50. Dans un premier ensellble, chacun des évidements n'est relié au pourtour extérieur du concentrateur cue tr une seule fente ; alternant avec les évidements simples du premier ensemble, des évidements doubles d'un second ensemble sont reliés entre eux dans chacune T) aire par une fente telle que 72 (voir fig. 5). Les évidements intérieurs ont pratiquement la meme circulation de courant sur le pourtour du métal que les ouvertures extérieures, et il est possible de connecter en série pliisieurs évidements de façon telle ous l'on puisse disposer d'un concentrateur capable de recevoir un certain nombre de pièces à traiter. Les évidements qui sont reliés à l'extérieur par une fente 72 ment simplement connectés en série avec les évidements extérieurs correspondants et les caractéristiques de fonctionne- ment des évidements intérieurs ne sont pas diminuées du fait de leur emplacement.Un certain nombre de tubes désignés par 31 sont disposés dans des disques d'extrémités positionneurs 56 et sont enfilés dans les évidements des trois concentrateurs, ce qui permet de mieux voir le mode de fonctionnement du dispositif de la fig. 5. Quand on compare ce dispositif à celui de la fig. 2, il est immédiatement clair que le montage des concentrateurs et des disques positionneurs donne ici une structure directement beaucoup plus simple et en conséquence d'un fonctionnement plus efficace. La structure de principe de l'appareil de la fig. 5 peut être dilatée pour loger davantage de tubes en augmentant le diamètre des concentrateurs de façon à disposer de davantage d'évidements à connecter en série.Ceci veut dire que la structure de base de la fig. 5 peut être agrandie plusieurs fois pour donner un appareil en mesure dd'assurer le traitement thermique simultané d'un grand nombre de pièces. On se réfèrera maintenant à la fig. 6 où l'appareil de la fig. 5 se trouve maintenant enfermé dans une chambre convenablement scellée. Dans cet exemple, deux plaques terminales ferment de façon étanche une chambre tubulaire dont la paroi est en un matériau convenable, tel que quartz ou celui dit "Pyrex", chambre qui enferme l'appareil de la fig. 30 Les deux disques d'extrémités positionneurs 56, les trois corps de concentrateurs 50 et la colonne centrale 45 sont donc enfermés dans une chambre scellée. Autour de la chambre étanche passe un enroulement primaire 33 disposé coaxialement à la chambre et au même niveau que le concentrateur intermédiaire de l'ensemble. A l'extrémité inférieure de la chambre étanche un conduit refroidisseur sort de celle-ci, ce conduit étant ou non indispensable au fonctionnement satisfaisant de l'appareil. L'énergie nécessaire est fournie à ltenroule- ment primaire à une fréquence dans l'intervalle de 700 Miz à 1 Irez, suivant la profondeur voulue de pénétration des courants induits dans le concentrateur. Le concentrateur est donc excité par le courant circulant dans l'enroulement primaire 33, lequel à son tour induit des courants secondaires circulant dans le concentrateur.Les pièces à traiter sont soumises à un échauffement du fait des courants dans le concentrateur, plus précisément les surfaces des pièces qui sont immédiatement adjacentes oux évidements du concentrateur 50 sont échauffées. Le concentrateur est conçu de façon que les pièces insérées dans les dif > rents évidements reçoivent la même quantité de chaleur. Lorsqu'on estime qu'en cet emplacement du concentrateur excité les pièces ont reçu une chaleur suffisante, on déplace l'enroulement primaire 33 à ltgemplacement du concentrateur suivant et on répète l'opération. On peut de cette façon traiter un certain nombre de pièces simu;- tanément et exécuter un traitement thermique sur chacune des pièces à divers emplacements dans des conditions contrées le très près. Pour que le fonctionnement du concentrateur suivant l'invention doline satisfaction, il est nécessaire que les pièces n'entrent pas en contact avec le corps des concentrateurs excités car le courant circulant autour des évidements est importants et des courts circuits sont possibles. C'est pour cette raison que les disques d'extrémités positionneurs 56 doivent être montés de façon précise sur la colonne 45, de même d'ailleurs que les concentrateurs 50. il n'est pas nécessaire de faire tourner les pièces à traiter autour de leurs axes pour uiiiformise# la chaleur trois férée à ces pièces. On voit que le concentrateur suivant l'invention présente plusieurs avantages par rapport à ceux de l'art antérieur. En premier lieu, il est possible d'isoler la pièce de l'enroulement primaire au moyen d'un élément d'encapsulage non conducteur convenable. En second lieu, il est possible de monter sur une colonne centrale un nombre quelconque de concentrateurs, en ayant les moyens de constituer de façon simple une structure qui dans l'art intérieur était notablement plus complexe.En troisième lieu, les concentrateurs élémentaires eux-mêmes peuvent être #apte's de façon à comporter le nombre voulu d'évide*ments en connectant sim- plement les évidements extérieurs chacun en bouclage série avec des évidements intérieurs au moyen de fentes. D'un autre c8té, il est maintenant possible d'exécuter de façon précise un traitement thermique d'une pièce en atmosphère contrôlée, et d'écllauf- fer seulement la zone de la pièce où un traitement est u exécuter, du fait de l'absence de parties volatiles; c'est une opération simple et directe d'échauffage de la pièce et cela sans crainte de pollutions.On peut monter sur la colonne un nombre auelconrue ~ de concentrateurs, en disposant d'un certain nombre d'emplacements de travail sur les pièces à traiter qui peuvent être d'une certaine longueur. Du fait que l'on utilise en général une chambre scellée en quartz ou en Pyrex pour enfermer l'aspazeil, il est aisé de piloter l'opération de chauffage au moyen soit d'instruments appropriés, soit des rayonnements détectés à la vue par l'opérateur. L'emploi d'un concentrateur pour concentrer la chaleur produite dans une zone relativement faible mérite probablement à ce stade d'être précisé. Lorsqu'on utilise un concentrateur pour échauffer des pièces dans une chambre scellée, il est possible-de régler l'aire de la zone intéressée quand le transfert de chaleur se produit avec plus de précision que si l'on utilisait uniquement l'enroulement primaire, car cela exige qu'une chambre scellée sépare l'enroulement primaire de la pièce, et cependant la distance séparant la pièce de l'évidement du concentrateur peut être rendue extremement faible. X I CATI ONS lo Concentrateur destiné à être utilisé à l'échauffement sensiblement simultané d'un certain nombre de pièces, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un corps unitaire électriquement conducteur, usiné de façon à présenter des évidements récepteurs desdites pièces et reliés au pourtour extérieur dudit corps de concentrateur par d'étroites fentes s'étendant pratiquement sur toute la longueur des évidements, de manière à former avec le pourtour dudit corps une surface continue unique 2.Concentrateur conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que les évidements sont disposés écartés l'un de ltautre tout autour d'un axe de ce corps, parallèlement à cet axe, et sont reliés au pourtour dudit corps par d'étroites fentes s'étendant sur toute 1 1épaisseur de celui-ci. 3. Concentrateur conforme à la revendication 2, caractérisé par le fait que chaque évidement est relié au pourtour dudit corps de concentrateur ou à un évidement plus proche que lui du pourtour dudit corps par une fente étroite et unique s'étendant sur toutel'épaisseur dudit corps. 4. Concentrateur conforme à la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que les évidements sont régulièrement distribués tout autour de l'axe dudit corps. 5 Concentrateur conforme à l'une des revendications qui précèdent, caractérisé par le fait que ledit corps est de forme générale cylindrique. 6. Concentrateur conforme à la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit corps est en forme de disque unique0 7. Concentrateur conforme à la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que lesdits évidements sont cylindriques. 8. Concentrateur conforme à ltune des revendications qui précèdent, caractérisé par le fait que ledit corps est traversé par une colonne cylindrique0 9. Concentrateur conforme à la revendication 5 ou 6 et 6, caractérisé par le fait que ladite colonne cylindrique le traverse coaxialement.