Brevet FR2265248A1 — publié le 19751017

La présente invention concerne ltindustrie électrique où l'on exploite les effets de la décharge- électrique impulsionnelle dans un liquide et les hautes et super-hautes pressions qui sont alors engendrées D'une manière concrète, l'invention se rapporte aux procédées de production des hautes et super-hautes pressions, et aux dispo sitifs pour la dispersion de matériaux non métallifères mettant en oeuvre le procédé de production de hautes et super-hautes pressions. L'invention trouvera de nombreuses applications dans l'usinage des métaux par déformation, I'émulsification de divers matériaux, dans l'industrie minière pour la dispersion en vue de l'enrichissement. -On sait que l'on peut produire de hautes et super-hautes pressions dans un milieu liquide en provoquant une décharge impulsionnelle au sein du liquide. On exploite alors la faculté des décharges impulsionnelles, se produisant dans un liquide, de créer un plasma dense à haute température qui, dès le premier stade de la décharge, peut atteindre une valeur de l'ordre de 10 ou, change d'une manière insignifiante pendant la décharge et tombe après l'achèvement de la décharge. Dans un tel phénomène, le liquide s'oppose à l'expansion du canal de la décharge ; il s'ensuit l'augmentation de la densité de l'énergie se dégageant dans le canal et, par conséquent, l'accroissement de la température et de la pression du plasma dans le canal. Les décharges se produisant au sein du liquide engendrent de forts déplacements du liquide, lesquels provoquent l'apparition d'un vide de cavitation, suivie de la contraction de ce vide, Le résultat d'une décharge impulsionnelle isolée est une onde de choc électrohydraulique qui est la résultante de deux ondes de choc hydrauliques :- une onde de choc principale produite quand le liquide est et expansion et forme le vide, et une onde de ohoc de cavitation produite à la. contractiôn du vide.Le cycle constitue par ces deux ondes de choc peut se repéter à la fréquence voulue, en accord avec la fréquence des décharges. La pression produite par l'onde de choc électrohydraulique est d'autant plus élevée que la densite du liquide est grande, que la puissance de l'impulsion est élevée et que le front de l'onde est raide. Ce procédé peut être réalisé à l'aide de n'importe quel montage électrique susceptible d'engendrer une impulsion à front suffisamment raide.Dans le cas général, ce montage est constitué par un dispositif de recharge, une source de courant continu è haute tension et un dispositif d'emmagasinage, condensateurs d'impulsions, susceptibles de débiter pratiquement instantanément leur énergie, par des connexions-, aux électrodes situées dans le liquide et-entre lesquelles se produit l'étincelle La puissante étincelle produite dans le liquide, accompagnée par l'injection, dans le canal où apparat l'étincelle, de l'énergie emmagasinée par les condensateurs, est la source d'une montée de pression impulsionnelle, la valeur maximale qu'atteint la pression dans le canal étant de l'ordre de 103 atmosphères. On connatt aussi des procédés de production de hautes et super-hautes pressions par vaporisation dans un liquide, sous l'action d'une décharge impulsionnelle, d'éléments conducteurs du type fil, bande ou tube. Par suite de la vaporisation rapide (explosion thermique) de l'élément conducteur fermant le circuit entre les électrodes, il se produit une montée impulsionnelle de la pression du liquide emplissant le récipient dans lequel sont placées les électrodes et il apparat t une onde de choc électrohydraulique L'élément conducteur a vaporiser peut-être réalisé sous la forme d'une hélice conique ou sphérique, ou bien il peut être placé dans la cavité sphérique d'un réflecteur afin d'obtenir dans les deux cas une onde de choc focalisée. Un inconvénient notable des procédés indiqués de production. de hautes et ultra-hautes pressions consiste en ce que lesdites pressions sont engendrées dans une zone limitée attenante au canal de la décharge, ou bien en ce que la pression au front des ondes de choc directionnelle engendrées baissent très vite avec l'augmentation de la distance parcourue. Ainsi, pour une pression maximale dans le canal de 1600 atmosphères, la pression maximale dans l'onde de compression à 100 cm de la décharge a une valeur proche de 8 atmosphères. Cet inconvénient est supprimé dans une large mesure quand les décharges électriques impulsionnelles sont produites dans des dispositifs permettant d'orienter les ondes de choc électrobydraullques et assurant ainsi leur amplification dans une direction prédéterminée.Se rapportent à ces dispositifs, les accélérateurs de plasma coaxiaux, dont le principe de fonctionnement consiste à former entre une tige-électrode centrale et une électrode annulaire extérieure un canal de décharge qui peut être nommé, à titre conventionnel, "piston de plasma". Le courant de décharge circulant dans la direction axiale entre les électrodes, dont l'une est la tige placée dans l'axe de l'accélérateur, et l'autre est le corps cylindrique de l'accélérateur, coopère avec le champ magnétique circulaire du courant circulant dans l'électrode centrale. La force pondéromotrice résultant de cette interaction est dirigée le long de taxe de l'accélérateur et accélère le plasma en l'éjectant de la zone interélectrode sous l'effet du champ magnétique ; le plasma agit dans ce cas à la manière d'un piston. Ce phénomène est bien connu dans la physique des ondes de choc et les phénomènes hydrodynamiques à haute température} et il est exploité pour accélérer les particulea chargées. Le déplacement directionnel du "piston de plasma" dans le canal, rempli de liquide et limité par les parois, produit simultanément une accélération du liquide. La technique électrophysique nous apprend qu'en présence d'un dégagement intense dténergieS la vitesse d'expansion du canal de la décharge peut devenir comparable à la vitesse du son dans le liquide, et méme la dépasser. Dans de tels cas, l'onde de compression se propageant dans le liquide devient une onde de choc déjà au voisinage immédiat du canal, ou bien même elle est émise directement sous la forme d'une onde de choc. Une particularité essentielle du dispositif indiqud consiste en ce que l'onde de choc à mouvement directionnel a une structure plane, aussi stamortit-elle faiblement et se déplace-t-elle dans le milieu à des distances impprtantes Lrappîication desdits systèmes plasmatiques coaxiaux au traitement de divers matériaux a montré leur haute capacité dans la transformation directe de l'énergie électrique en énergie mécanique, grace à la production d'écoulements de liquide à grande vitesse et d'une haute pression au front de tonde de choc. Toutefois, dans une série de cas, lors du traitement de matériaux dansun liquide > de moyens de déplacement d'un liquide, ainsi que de l'action sur des objets placés dans un liquide, surtout dans les dispositifs à action continue, il faut une forte augmentation de la pression au front des ondes de choc dans la zone de traitement à une certaine distance de la zone où elles sont engendrées. Cette prescription ne peut être satisfaite par aucun des procédés et dispositifs énumérés ci-dessus. La présente invention a pour but de créer un procédé permettant de produire de hautes et super-hautes pressions à une distance importante de Ia zone d'excitation de ces pressions La présente invention a encore pour but-de créer un procédé permettant de produire à une distance importante de la zone d'excitation des pressions plus fortes que ces pressions dans la zone d'excitation. En outre, la présente invention a pour but de créer un dispositif permettant de pulvériser efficacement des matériaux-non métallifères en mettant en oeuvre le procédé de production de pressions hautes et super-hautes. On s'est proposé de créer un procédé oui permettrait de produire à l'aide de plusieurs systèmes plasmatiques coaxiaux de hautes et super-hautes pressions à une distance importante des zones ou apparaissent les excitations primaires dans chacun desdits -systèmes, ce qui permettrait de disperser efficacement des matériaux non métallifères dans les dispositifs mettant en oeuvre ce procédé de production de telles hautes et super-hautes pressions. La solution consiste en ce que, dans le procédé de production de hautes et super-hautes pressions au sein d'un liquide à l'aide de systèmes plasmatiques coaxiaux, engendrant dans le liquide un écoulement à grande vitesse et une onde de choc qui résultent de l'interaction du courant de décharge, apparaissant lors de la disruption impulsionnelle à haute tension au sein du liquide dans lesdits systèmes, et du champ magnétique du courant circulant dans l'électrode centrale desdits systèmes plasmatiques coaxiaux, d'après l'invention, les systèmes plasmatiques coaxiaux sont disposés les uns par rapport aux autres de telle façon que leurs axes de symetrie fassent un angle tel que, dans la zone de rencDntre des écoulements à grande vitesse et des ondes de choc engendrés par chacun desdits systèmes, on obtienne des pressions maximales au front de l'onde de choc résultante et des accélérations maximales du liquide dans la direction de l'écoulement résultant. Crâce au procédé proposé, les ondes de choc engendrées dans chacun des accélérateurs se déplacent en se rapprochant et se rencontrent à 'intersection des axes des accélérateurs à une distance notable de la zone où elles ont été engendrées. En se rencontrant, les ondes de choc forment une zone dans laquelle la pression au front de 1 onde de choc résultante est de 3 à 8 fois plus grande que la pression des ondes de choc primaires. La solution consiste également en ce que, dans le dispositif pour la dispersion de matériaux non métallifères par hautes et super-hautes pressions, d'après ltinvention, il y a au moins deux accélérateurs de plasma coaxiaux disposés l'un par rapport à l'autre de telle façon que leurs axes de symétrie fassent un angle a et que leurs cavités soient communicantes ; chacun desdits accélérateurs est doté d'une tubulure pour l'admission d'une pulpe constituée par le matériau non métallifère à traiter et du liquide, montée sur le corps cylindrique de 1 'accélérateur en amont de la zone où la diaruption se produit entre le corps de l'accélérateur et l'électrode positive centrale fixée dans ce corps ; la chambre à hautes et super-hautes pressions constituée par les parois des corps des accélérateurs à l'endroit où se coupent leurs axes de symétrie, est dotée d'une conduite centrale pour en évacuer le matériau traité dans la direction de l'écoulement de liquide résultant. Grace au dispositif proposé, il devient impossible d'augmenter de 2 à 3 fois l'effet électrohydraulique:dans la dispersion des matériaux non métallifères comparativement à celui des dispositifs connus utilisés pour la dispersion des matériaux non métallifères. Les autres objectifs et avantages de l'invention sont mis en évidence dans la description détaillée ci-après du procédé et d'un dispositif, ainsi que par le dessin qui représente schématiquement un dispositif pour la dispersion de matériaux non métallifères conforme à l'inventíon. Le procédé proposé de production de hautes et superhautes pressions dans un liquide consiste en ce que, au moins dans deux systèmes plasmatiques coaxiaux, on engendre un écoulement à grande vitesse et une onde de choc. Cet écoulement et cette onde de choc sont le résultat de l'interaction d'un courant de décharge, apparaissant lors de la disruption impulsionnelle à haute tension au sein du liquide dans ledit système, et du champ magnétique du courant circulant dans l'électrode centrale dudit système. La pression maximale est obtenue quand les systèmes plasmatiques coaxiaux sont disposés l'un par rapport à l'autre de telle façon que leurs axes de symétrie fassent entre eux un angle cc. La valeur de l'angle oc doit etre telle que, dans la zone de rencontre des écoulements à grande vitesse et des ondes de choc engendrés par chacun desdits systèmes, la pression obtenue au front de tonde de choc résultante et l'accélération du liquide-dans la direction de l'écoulement résultant soient maximales. La demanderesse a découvet que l'augmentation maximale de la pression est observée quand l'angle entre les axes de symétrie des systèmes coaxiaux ne dépasse pas70". La réalisation du procédé susdécrit de production de hautes et stper-hautes pressions peut etre montrée sur un dispositif pour la dispersion de matériaux non métallifères, surtout de ceux, dont la dispersion très poussée nécessite de hautes pressions, Le dispositif pour la dispersion de matériaux non métallifère conforme à l'invention comporte deux accélérateurs de plasma coaxiaux 1 et 2 communiquant entre eux et montés de telle façon que leurs axes de symétrie fassent entre eux un angle , la valeur. de cet angle a ne dépassant pas 700. Chacun des accélérateurs 1 et 2 comporte une électrode centrale axiale, 3 et 4 respectivement, fixée à l'aide d'un isolateur 5 et 6 respectivement, dans le corps cylindrique, 7 et 8 respectivement, des accélérateurs 1 et 2.A l'intersection des axes de symétrie des accélérateurs se trouve la chambre 9 à hautes et super-hautes pressions, formée par les corps 7 et 8 des accélérateurs 1 et 2. Chacune des électrodes 3 et 4 et chacun des corps 7. et 8 sont raccordés à des circuits électriques extérieurs 10 et ll. Dans la chambre 9 est délimitée la zone 12 dans laquelle la pression au front de l'onde augmente fortement. Les corps 7 et 8 des accélérateurs 1 et 2 sont dotés de tubulures 13 et 14 respectivement, pour l'admission aux accélérateurs de la pulpe, constituée par le matériau non métallifère et le liquide, à. partir de sources de pulpe 15 et 16. I1 est à noter que les tubulures 13 et 14. sont situées sur le corps des accélérateurs en amont de la zone où a lieu la diaruption entre le corps de l'accélérateur et l'électrode positive. Pour évacuer le matériau dispersé de la chambre 9, dans la direction de l'écoulement de liquide resultant, la chambre est dotée d'une conduite centrale 17. Quand le dispositif proposé fonctionne, la pulpe est débitée par les sources 15 et 16 aux tubulures 13 et 14 qui l'introduisent dans la cavité des accélérateurs 1 et 2. Quand l'impulsion à haute tension fournie par les circuits extérieurs 10 et l1 arrive simultanément aux électrodes 3 et 4 des accélérateurs coaxiaux 1 et 2, une décharge se produit dans chacun d'eux et il apparait un "piston de plasma". Le courant de décharge circule dans la direction radiale entre les électrodes centrales 3 et 4 et les corps cylindrique8 7 et 8 des accélérateurs, faisant office de secondes électrodes. Le courant de décharge interagit avec le champ magnE- tique concentrique du courant circulant dans l'électrode centrale 3 ou 4. La force pondéromotrice résultant de cette interaction est dirigée le long de l'axe des accélérateurs 1 et 2, et accélère le plasma. Il slensuit l'accélération de la pulpe vers le centre de la chambre à hautes et superhautes pressions 9 et l'apparition d'une puissante onde de choc plane dans la pulpe. tes ondes de choc, de meme que les écoulements de pulpe à grande vitesse, se rencontrent dans la zone du plan central de la chambre à hautes et super-hautes pressions 9 ; dans la zone 12 la pression monte brusquement et un effet directif s'exerce dans l'axe de symétrie des ondes de choc s'étant rencontrées. De la sorte, dans la chambre à hautes et super-hautes pressions, le matériau non métallifère est fortement dispersi jusqu'au degré voulu à la suite du changement brusque des pressions effectives et des vitesses dlécoulement des particules de matériau. La~pulpe dispersee sort de la chambre à hautes et super-hautes pressions 9 par la conduite 17 qui l'amène à la déshydratation et au séchage pour l'obtention du produit final. L'invention décrite permet d'augmenter de 2à 3 fois l'effet électrohydraulique i elle donne la possibilité de créer des unités à grand débit pour la pulvérisation de divers matériaux dans une pulpe ou amenés à la chambre en morceaux. En outre, ce procédé et ce dispositif peuvent etre exploites avec autant d'efficacité pour le traitement de métaux placés dans la zone d'interaction des ondes de choc se composant, par exemple, pour le durcissement, ltelimination des contraintes résiduelles, la déformation. REVENDICATIONS 1. Procédé de production de hautes et super-hautes pressions au sein d'un liquide à l'aide de systèmes plasmatiques coaxiaux, engendrant dans le liquide un écoulement à grande vitesse et une onde de choc qui résultent de l'interaction du courant de décharge apparaissant lors de la disruption impulsionnelle à haute tension au sein du liquide dans lesdits systèmes, et du champ magnétique du courant circulant dans l'électrode centrale desdits systèmes plasmatiques coaxiaux, caractérisé en ce que les systèmes plasmatiques coaxiaux sont disposés les uns par rapport aux autres de telle façon que leurs axes de symétrie fassent un angle tel que, dans la zone de rencontre des écoulements à grande vitesse et des ondes de choc engendrés par chacun desdits systèmes, on obtienne des pressions maximales au front de l'onde de choc résultante et des accélérations maximales du liquide dans la direction de l'écoulement résultant. 2. Dispositif pour la dispersion de matériaux non métallifères avec mise en oeuvre du procédé de production de hautes et super-hautes pressions selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux accélérateurs de plasma coaxiaux d i s p o s é s l'un par rapport à l'autre de telle façon que leurs axes de symétrie fassent un angle ol et que leurs cavités soient communicantes ; chacun desdits accélérateurs est doté d'une tubulure pour l'admission d'une pulpe constituée par le matériau non métallifère à traiter et le liquide, montée. sur le corps cylindrique de l'accélérateur en amont de la zone où la disruption se produit entre le corps cylindrique de l'accélérateur et l'électrode positive centrale fixée dans ce corps de l'accélérateur la chambre à hautes et super-hautes pressions, constituée par les parois des corps des accélérateurs d l'endroit où se coupent leurs axes de symétrie, est dotée d'une conduite centrale pour en évacuer le matériau traité dans la direction de l'écoulement de liquide résultant.