Brevet FR2601119A1 — publié le 19880108

L'invention concerne une installation pour le traitement thermique sous vide de matériaux, suivi d'un traitement complémentaire isostatique à chaud, constituée par un espace utile, un récipient entourant l'espace utile, des moyens de chauffage, une isolation de l'espace utile, une enceinte refroidie par eau et dotée d'un raccord de vide et d'un raccord de gaz sous pression. Le principe de base d'une telle installation est décrit, par exemple dans le brevet allemand DE-PS 30 14 691 et dans le brevet américain US-P 4398 702. Dans un four sous vide, conçu aussi pour l'application de pression, les étapes de procédé suivantes sont exécutées 15 successivement, par exemple lors du frittage de carbure ou métal dur: Les pièces préformées à partir de poudre, dont la cohésion est assurée par un liant, sont chauffées jusqu'à ce que le liant disparaisse. Ce processus s'appelle le déparaffinage. Dans une deuxième étape, les pièces sont frittées sous une température accrue. Ensuite, 20 par densification isostatique à chaud, les propriétés mécaniques des corps frittés sont améliorées. De tels procédés, et des installations pour les mettre en oeuvre, sont connus et appartiennent à l'état de la technique. Ils sont décrits par exemple dans les brevets indiqués plus haut. La aise en oeuvre de tels procédés donne toutefois lieu à des problèmes, qui dans les installations connues, ne sont pas résolus de manière satisfaisante. Par exemple, comme la densification isostatique à chaud s'effectue sous haute pression et haute température, il faut apporter une attention particulière à l'isolation entre l'espace utile 30 et la paroi froide de l'enceinte. Cette isolation joue un r6le essentiel pour ce qui est de la constance de la température, de la consommation d'énergie et de la fiabilité. Elle doit en outre être pratiquement étanche aux gaz, afin d'éviter la sortie de gaz chaud. De plus, elle doit pouvoir être vidée convenablement, pour la marche sous vide. Le transfert de chaleur de l'espace utile à la paroi de 2 6 0 1119 l'enceinte s'effectue en principe par conduction thermique, convection et rayonnement. Lors de la marche sous vide, le transfert de chaleur n'a lieu que par rayonnement et par conduction thermique de composants solides. Lors de la marche sous gaz protecteur, le transfert de chaleur 5 est accrû par la conduction thermique du gaz et, lorsque la pression est accrue, par un transport thermique correspondant par convection. Cela signifie que la pression croissante est une cause d'augmentation du transport de chaleur à la paroi de l'enceinte. Des effets dommageables apparaissent si ce transport de chaleur n'est ni maîtrisé 10 ni réduit. Ces effets dommageables sont: des températures exagérées de la paroi de l'enceinte, ayant pour effet d'influencer négativement la longévité et la fiabilité de l'installation; une consommation d'énergie trop élevée et une homogénéité insuffisante de la température dans l'espace utile de l'installation. L'invention a pour but de réduire le transport de chaleur entre l'espace utile et la paroi de l'enceinte, et de limiter la température de celle-ci, afin d'éliminer aussi complètement que possible les effets dommageables indiqués. Selon l'invention, ce but est atteint en premier par le fait 20 qu'une isolation supplémentaire de la paroi de l'enceinte est disposée devant cette paroi. Parmi les divers modes de mise en oeuvre et perfectionnements possibles, l'invention prévoit notamment que: - - (2) l'isolation de la paroi de l'enceinte est en un matériau métallique sous forme de feuilles et/ou tôles; - (3) l'isolation de l'espace utile est constituée par des plaques de feutre dur avec placage en feuille de graphite imperméable aux gaz, sur les parois latérales, la paroi de recouvrement supérieure et les parois frontales; et les bords supérieurs et les joints sont recouverts de profilés en forme de cornière en graphite renforcé par 30 fibres de carbone, de manière à obtenir une étanchéité contre le passage des gaz, tandis que les bords inférieurs sont ouverts pour l'évacuation; - (4) les profilés en forme de cornière, faits en graphite renforcé par fibres de carbone, sont agencés en alternat répété entre 35 les plaques de feutre dur de manière à créer ainsi une étanchéité du genre à labyrinthe; - (5) les bords frontaux de l'isolation de l'espace utile et/ou les surfaces conjuguées sont enchâssés dans des profilés en graphite renforcé par des fibres de carbone; - (6) des cloisons sont agencées, en tant que barrières anticonvection, entre l'isolation de l'espace utile et l'isolation de la paroi de l'enceinte; - (7) les cloisons sont en un matériau métallique, sous forme de feuilles et/ou tôles; - (8) un refroidissement supplémentaire, par eau, est agencé entre l'isolation de la paroi de l'enceinte et la paroi de l'enceinte; - (9) le refoidissement supplémentaire par eau est agencé dans la moitié supérieure de l'enceinte, dans la région de la bride et du couvercle. Les caractéristiques indiquées en premier et en (2), à savoir l'habillage de la paroi intérieure de l'enceinte par une isolation, constituée de préférence de feuilles métalliques et/ou de tôl61es, a pour effet de créer une forte chute de température en cet endroit. Ainsi, la température le long de la proi de l'enceinte peut être maintenue à une 20 faible valeur. Avec les dispositions décrites en (3) et (4), l'isolation est améliorée aux endroits particulièrement critiques. Ces endroits se trouvent, notamment dans le cas des espaces utiles ayant une section polygonale, aux bords et Joints, aux endroits o deux parois se 25 rejoignent. Ces interfaces comportent des interstices résiduels qui s'agrandissent au cours du temps et peuvent ainsi être une cause d'isolation défectueuse. Cet effet dommageable peut être évité en recouvrant les interstices. Toutefois, on se heurte alors & certaines difficultés. Du 30 point de vue du façonnage, des feuilles métalliques conviendraient pour recouvrir les angles et bords. Toutefois, comme l'isolation de l'espace utile est en feutre de graphite, un recouvrement avec contact étroit conduirait à des réactions chimiques et, lors de la dilatation thermique, à des contraintes mécaniques, ce qui remettrait en question 35 l'efficacité de la disposition envisagée. Ces difficultés peuvent être 2 6 0 1 1 1 9 surmontées si l'on utilise, pour le recouvrement, le même matériau que celui constituant l'isolation de l'espace utile, à savoir le graphite. Toutefois, les matériaux classiques en graphite sont exclus car ils ne conviennent pas pour réaliser des joints étanches dans les coins et sur les bords, du fait de leur fragilité. Des matériaux en graphite renforcés par des fibres de carbone, réalisables selon un profil quelconque désiré, sont toutefois disponibles depuis peu. L'utilisation de profilés en forme de cornière constitués de ce matériau, pour recouvrir les interstices résiduels aux 10 coins et bords, constitue une solution optimale du problème présenté plus haut. Si de telles pièces sont disposées en plusieurs exemplaires entre les diverses couches de l'isolation de l'espace utile, on obtient un genre d'étanchéité à labyrinthe, et par conséquent une amélioration supplémentaire de l'isolation de l'espace utile. Des endroits critiques analogues se trouvent sur les bords frontaux de l'isolation de l'espace utile o, du fait de l'ouverture et de la fermeture fréquentes, les surfaces servant à l'isolation sont exposées à une forte usure. La disposition décrite en (5) permet d'obtenir une isolation sûre et durable. Les cloisons décrites en (6) et (7) empêchent la convection et réduisent ainsi le transfert de chaleur de l'isolation de l'espace utile à la paroi de l'enceinte, ou à l'isolation de cette paroi de l'enceinte. Un refroidissement supplémentaire sur les côtés du couvercle de l'enceinte est décrit en (8) et (9). Ce refroidissement est nécessaire 25 car le refroidissement habituel de l'enceinte est insuffisant, du fait de la grande épaisseur de paroi dans la région de la bride et du couvercle. On décrira maintenant plus en détail une forme de réalisation particulière de l'invention qui en fera mieux comprendre les 30 caractéristiques essentielles et les avantages, étant entendu toutefois que cette forme de réalisation est choisie à titre d'exemple et qu'elle n'est nullement limitative. Sa description est illustrée par les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un diagramme concernant le profil de 35 température et le transfert de chaleur; 2 6 0 1 1 1 9 la figure 2 est une représentation schématique d'une coupe transversale d'une installation selon l'invention; et la figure 3 est une vue partielle schématisée d'une coupe longitudinale de l'isolation de l'espace utile, en un bord frontal supérieur. Le diagramme de la figure 1 est destiné à montrer, à titre d'exemple, un aspect possible de l'évolution,de la température et du transfert de chaleur entre l'espace utile et la paroi de l'enceinte, dans diverses conditions de fonctionnement (vide pi, domaine de 10 quelques bars p2, et haute pression pa): Dans toutes les conditions de fonctionnement, la température constante Ti règne dans l'espace utile. Les quantités de chaleur évacuées Yi, WV et Va étant en principe égales en condition d'équilibre, les conditions indiquées ci-après sont réalisées, depuis le 15 bord Si de l'espace utile Jusqu'à la paroi SB de l'enceinte, en fonction de chaque état de fonctionnement: vide (pi = domaine de dépression): à l'intérieur de l'isolation de l'espace utile, la quantité de chaleur Vi est transmise, par conduction thermique du matériau d'isolation, de Si vers S&. La 20 température T, prend la valeur A. La suite du transport de chaleur, vers Sa, s'effectue, pour l'essentiel, uniquement par rayonnement. A l'emplacement Sa, la température TU prend la valeur A'. Sous pression (pz = domaine de quelques bars): la transmission de chaleur de Si vers S2 s'effectue par conduction thermique du 25 matériau d'isolation et du gaz qui y est contenu, et par convection. T2 prend la valeur B. Après Sa, la chaleur est transmise par conduction thermique du gaz et par convection. La température T. monte à B'. B' est supérieur à A' car, dans ce cas, la quantité de chaleur transportée de Sa vers Sa est, de la valeur 30 due à l'influence du gaz, supérieure à ce qu'elle est dans un cas comparable sous vide. C'est pourquoi, à l'endroit Sm le point B est inférieur au point A. Le fait qu'il y ait plus de chaleur transférée de S2 vers S. a pour résultat que la température Ta décroît. Sous haute pression (pa"p2):. la transmission de chaleur Si 35 vers S2 s'effectue, comme dans le cas précédent, par conduction 2 6 0 1 1 1 9 Z6011t9 thermique du matériau d'isolation et du gaz et par convection. T. prend la valeur C. Entre S; et Sa, la chaleur est transmise par rayonnement, par conduction thermique du gaz et par convection. Comme, sous haute pression, la convection joue dans ce cas un rôle important, la température Tz croît notablement, en Sa., à la valeur C'. Dans les trois cas, la température T, dépend en outre de la quantité de chaleur VW qui est évacuée de la paroi de l'enceinte vers l'extérieur. Grace aux caractéristiques déja indiquées plus haut, en premier 10 et en (2), notamment l'habillage de la paroi intérieure avec une isolation constituée de préférence de feuilles et/ou tôles métalliques, on obtient une réduction de la convection devant la paroi de l'enceinte, et par conséquent l'établissement d'un gradient de température plus élevé, ce qui a pour effet que la température devant 15 l'isolation de la paroi de l'enceinte prend d'abord la valeur D pour décroître, jusqu'à la paroi de l'enceinte, à une valeur D' qui est nettement inférieure à la valeur C'. Grace aux dispositions indiquées plus haut, en (3) à (5), la quantité de chaleur transmise par convection de l'espace utile aux 20 autres volumes de l'enceinte est réduite. Grâce aux caractéristiques indiquées plus haut, en (6) et (7), la composante de la quantité de chaleur W2 transmise, imputable à la convection, est réduite. Cela se manifeste par un abaissement de la température C' (sans isolation de la paroi de l'enceinte) et des 25 températures D et D' (avec isolation de la paroi de l'enceinte). Les caractéristiques indiquées plus haut, en (8) et (9), ont pour effet de réduire, par amélioration de l'évacuation de chaleur, les températures de l'enceinte dans la région de la bride et du couvercle. La figure 2 représente schématiquement une coupe transversale 30 d'une installation selon l'invention. Dans le présent exemple, cette installation est horizontale. La figure 3 représente une vue partielle d'une coupe longitudinale schématisée de l'isolation de l'espace utile dans un coin supérieur. Sur ces figures, les références désignent respectivement: 1 l'espace utile, 2 le récipient, 34 le chauffage, 4 35 l'isolation de l'espace utile, 5 des cloisons de convection, 6 2 6 0 1 1 1 9 l'isolation de la paroi de l'enceinte, 7 un refroidissement supplémentaire, 8 la paroi de l'enceinte, 9 le refroidissement de l'enceinte, 10 le raccord de vide, 1l le raccord de gaz sous pression, 12 le raccord de déparaffinage, 13 des profilés en forme de cornières en graphite renforcé par des fibres de carbone, 14 la paroi frontale de l'isolation de l'espace utile, 15 des bords extrêmes, 17 des profilés en graphite renforcés par fibres de carbone, 18 des plaques en feutre dur, 19 des placages en feuille de graphite, 20 des parois latérales de l'isolation de l'espace utile, et 21 la paroi supérieure de 10 recouvrement de l'isolation de l'espace utile. Naturellement, l'invention n'est en rien limitée par les particularités qui ont été spécifiées dans ce qui précède ou par les détails du mode de réalisation particulier choisi pour illustrer l'invention. Toutes sortes de variantes peuvent être apportées à la réalisation particulière qui a été décrite à titre d'exemple et à ses éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe ainsi tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS: 1. Installation pour le traitement thermique de matériaux, sous vide et sous pression, constituée par un espace utile (1), un récipient 5 (2) entourant l'espace utile, des moyens de chauffage (3), une isolation (4) de l'espace utile, une enceinte (8, 9) refroidie par eau et dotée d'un raccord de vide (10) et d'un raccord de gaz sous pression (11), caractérisée par le fait qu'une isolation supplémentaire (6) de la paroi de l'enceinte est agencée devant cette paroi. 2. Installation selon revendication 1, caractérisée par le fait que l'isolation (6) de la paroi de l'enceinte est en un matériau métallique sous forme de feuilles et/ou tôles. 3. Installation selon revendication 1, caractérisée par le fait que l'isolation (4) de l'espace utile est constituée par des plaques de 15 feutre dur (18) avec placage (19) en feuille de graphite imperméable aux gaz, sur les parois latérales (20), la paroi de recouvrement supérieure (21) et les parois frontales, et par le fait que les bords supérieurs et les Joints sont recouverts de profilés en forme de cornière (13) en graphite renforcé par fibres de carbone, de manière à 20 obtenir une étanchéité contre le passage du gaz, tandis que les bords inférieurs sont ouverts pour l'évacuation. 4. Installation selon revendication 3, caractérisée par le fait que les profilés (13) en forme de cornière, faits en graphite renforcé par fibres de carbone sont agencés en alternat répété entre les 25 plaques de feutre dur (18), de manière à constituer ainsi une étanchéité du genre à labyrinthe. 5. Installation selon revendication 1, caractérisée par le fait que les bords frontaux (15) de l'isolation (4) de l'espace utile et/ou les surfaces conjuguées sont enchâssés dans des profilés (17) en 30 graphite renforcé par des fibres de carbone. 6. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que des cloisons (5) sont agencées, en tant que barrières anti-convection, entre l'isolation (4) de l'espace utile et l'isolation (6) de la paroi de l'enceinte. 7. Installation selon revendication 6, caractérisée par le fait 2 6 0 1 1 1 9 que les cloisons (5) sont en un matériau métallique, sous forme de feuilles et/ou tôles. 8. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'un refroidissement 5 supplémentaire (7), par eau, est agencé entre l'isolation (6) de la paroi de l'enceinte et la paroi (8) de l'enceinte. 9. Installation selon revendication 8, caractérisée par le fait que le refroidissement supplémentaire par eau (7) est agencé dans la moitié supérieure de l'enceinte, dans la région de la bride et du 10 couvercle.