Brevet FR2640387A1 — publié le 19900615

L'invention concerne les circuits de commande à haute tension, et plus particulièrement un circuit à utiliser avec un pistolet de pulvérisation électrostatique de peinture ou analogue, afin de réguler la tension et le courant d'ionisation pour empêcher un amorçage dangereux. Les systèmes de génération de champs électros- tatiques ont longtemps été utilisés dans le domaine de la pulvérisation de peinture pour maîtriser la quantité et la qualité de matière de revêtement appliquée sur un article. Ces systèmes fonctionnent habituellement alors que l'article à revêtir est placé à un potentiel de tension de terre électrostatique, l'appareil de revêtement par pulvérisation électrostatique, ou des parties de cet appareil, étant élevés à des potentiels de tension dépassant habituellement 60 000 volts (60 kV). Dans la conception initiale de tels systèmes, un générateur de haute tension était habituellement placé à distance d'un pistolet de pulvérisation, et la haute tension qu'il générait était conduite au pistolet de pulvérisation par l'intermédiaire d'un câble isolé pour haute tension. La tension était appliquée au pistolet de pulvérisation et le champ à haute tension était généré au moyen d'une électrode à aiguille proche de l'extrémité avant du pistolet de pulvérisation, les particules pulvérisées, émises par le pistolet, passant dans et à travers le champ électrostati- que. Les particules pulvérisées acquiéraient ainsi une charge de tension électrostatique qui engendrait une force d'attraction aidant les particules à s'acheminer vers l'article à la terre. La valeur de tels systèmes apparais- sait par une réduction globale de la pulvérisation excéden- taire, car un pourcentage élevé des particules pulvérisées s'appliquait sur l'article proprement dit. Des conceptions plus récentes de systèmes de revêtement par pulvérisation électrostatique ont incorporé des parties du générateur de haute tension dans le corps même du pistolet de pulvérisation. Par exemple, les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 3 731 145, N 3 599 038 et N 3 608 823 décrivent des systèmes de revêtement par pulvérisation électrostatique dans lesquels un multi- plicateur de tension est incorporé dans le corps du pistolet de pulvérisation, et une alimentation extérieure en énergie à basse tension fournit une tension relativement basse par l'intermédiaire d'un fil connecté au pistolet de pulvérisation. Ces systèmes ont pour avantage d'éliminer le câble volumineux pour haute tension raccordé entre l'alimentation extérieure et le pistolet de pulvérisation, et de réduire la dimension globale de l'alimentation en énergie demandée pour tout système donné de distribution de tension électrostatique. Les perfectionnements les plus récents dans les systèmes de pulvérisation électrostatique portent sur l'utilisation d'un pistolet de pulvérisation électrostati- que dans lequel l'alimentation en énergie à haute tension est entièrement incorporée dans le corps du pistolet, ce qui ne nécessite donc aucun fil extérieur ni aucune alimentation extérieure en énergie. De tels systèmes sont décrits dans les brevets. des Etats-Unis d'Amérique N 4 290 091, N 4 377 838 et N 4 491 276, lesquels systèmes utilisent de l'air en tant que source d'énergie pour entrainer une turbine miniature à air logée dans le corps du pistolet de pulvérisation. La turbine à air entraîne elle-même un générateur destiné à développer un courant alternatif de tension relativement basse, qui est appliqué à un circuit multiplicateur de tension destiné à générer la haute tension nécessaire. Tous les systèmes précédents utilisent un multiplicateur de tension à condensateurs et diodes, couramment connu sous le nom de circuit Cockcroft-Walton, dans lequel une série de condensateurs et de diodes en cascade sont interconnectés pour former un doubleur de tension double alternance, utilisant autant d'étages qu'il faut pour dériver d'une basse tension alternative d'entrée, donnée, la haute tension nécessaire en sortie. Un problème chronique dans l'art antérieur est de développer de tels systèmes de revêtement par pulvérisa- tion électrostatique à haute tension, systèmes dans lesquels les risques de feu ou d'explosion sont éliminés ou au moins minimisés. Le problème apparaît en particulier lors de l'utilisation de matières volatiles de revêtement par pulvérisation, telles que des peintures contenant des solvants volatils, avec des circuits capables de produire une décharge de tension électrostatique. L'énergie d'une décharge de tension électrostatique peut être suffisante pour provoquer la mise à feu des vapeurs de solvant associées à la matière de revêtement par pulvérisation, ce qui peut avoir pour résultat un feu instantané ou une explosion. On a noté que la condition d'une décharge de tension apparaissait peu après une élévation soudaine et rapide du courant de l'alimentation en énergie à haute tension, lequel courant est connu comme étant le courant d'ionisation provenant de l'électrode à haute tension. Certains dispositifs de l'art antérieur ont été proposés pour résoudre ce problème en limitant le courant maximal d'ionisation pouvant être tiré de l'électrode, par l'incorporation d'une résistance série avec l'alimentation en énergie, afin de réduire la tension d'électrode de façon directement proportionnelle à l'amplitude du courant d'ionisation. D'autres conceptions de l'art antérieur ont cherché à résoudre le problème en utilisant diverses formes de circuits de commande dont l'effet est soit de couper l'alimentation en énergie à haute tension électrostatique à certains niveaux prédéterminés du courant d'ionisation, soit d'établir une ligne de charge de courant qui n'est pas autorisée à dépasser un niveau critique du courant d'ionisation. Le niveau critique du courant d'ionisation, c'est-à-dire le courant d'ionisation nécessaire pour amorcer une décharge de tension, peut être raisonnablement prévu pour un système de revêtement par pulvérisation. Un rapport technique intitulé "Investigation of Minimum Corona-Type Currents for Ignition of Aircraft Fuel Vapors", de M. M. Newman et J. D. Robb, publié par la National Aeronautics and Space Administration (NASA), en tant que bulletin technique NASA D-440, juin 1960, indiquait que le courant minimal de type couronne, qui était suffisant pour la mise à feu de certains carburants d'aéronautique, est d'environ 220 micro-ampères. Ce rapport portait sur des résultats d'essais réalisés sur de l'essence pour avions, divers carburants pour moteurs à réaction, dans diverses conditions de température et de mise à feu. Bien que le niveau critique du courant d'ionisation soit quelque peu affecté par les conditions atmosphériques telles que la température et l'humidité, il semble que le courant critique d'ionisation, d'environ 230 micro-ampères, puisse provoquer la mise à feu de vapeurs de solvant associées à la pulvérisation de peinture, dans la plupart des conditions de travail. L'invention concerne un procédé pour la conception et la réalisation d'un circuit à haute tension du type Cockcroft-Walton, de manière à permettre la sélection optimale d'une résistance série à utiliser conjointement avec ce type de circuit, pour un rendement maximal de la consommation d'énergie, tout en restant au niveau ou au-dessous du niveau critique du courant d'ionisation. Le procédé peut être adapté à tout circuit Cockcroft-Walton généralisé, dans lequel la tension crête- à-crête est connue et le nombre d'étages de multiplication de tension est connu, et le courant de court-circuit à travers le circuit à haute tension est connu ou peut être mesuré. Le procédé permet une sélection d'une résistance série qui est optimale pour un circuit Cockcroft-Walton présentant les paramètres connus précités, de façon à maintenir les niveaux du courant d'ionisation au-dessous d'un niveau de courant critique et prédéterminé, lequel niveau de courant prédéterminé est inférieur à celui du courant nécessaire pour mettre à feu des vapeurs de solvant et analogues. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est un schéma représentatif d'un circuit multiplicateur de tension du type. Cockcroft- Walton; - la figure 2 est un graphique illustrant plusieurs lignes de charge; et - la figure 3 est un graphique illustrant plusieurs lignes de charge associées à l'invention. La figure 1 montre un circuit Cockcroft-Walton typique et représentatif du type fréquemment utilisé dans la construction de matériel de pulvérisation électrostati- que. Le circuit comprend une partie formant multiplicateur, constituée d'une série de condensateurs et de diodes, câblés sous forme de doubleurs de tension successifs, en un certain nombre d'étages N. Dans l'exemple de la figure 1, le nombre d'étages N est égal à 10. Le circuit comprend aussi une résistance de sortie Rs qui peut être présente ou non dans des circuits associés à du matériel de pulvérisa- tion électrostatique. Le sujet de l'invention est de décrire un procédé pour sélectionner la valeur optimale de la résistance Rs dans certaines conditions prédéterminées de travail. Le circuit de la figure 1 comporte une tension d'entrée alternative appliquée à la borne "entrée", laquelle tension est habituellement désignée par sa valeur crête-à-crête (Vc-c). Le circuit présente une tension de sortie qui peut être mesurée à la borne désignée "sortie", qui est une tension continue (CC) habituellement mesurée en kilovolts. De plus, il existe un courant continu (CC) traversant le circuit vers la "sortie", lequel courant est connu sous le nom de "courant d'ionisation", qui produit l'alimentation en électrons libres pour charger l'atmos- phère et les particules de peinture qui sont émises à proximité de la borne "sortie". Le courant est habituelle- ment mesuré en micro-ampères et des études antérieures ont permis de déterminer que ce courant doit être maîtrisé avec soin pour éviter le risque de mise à feu, en particulier lorsque les particules émises conjointement avec l'alimen- tation en énergie électrostatique sont des particules volatiles. Dans le cas de matériel de pulvérisation de peinture, l'émission de particules de peinture et de solvant est hautement volatile et le courant parcourant le circuit doit donc être limité au-dessous d'une certaine valeur critique, laquelle valeur a été déterminée précédem- ment comme étant comprise dans la gamme de 200 à 220 micro- ampères. La figure 2 montre un graphique illustrant la relation couranttension dans une application habituelle à du matériel de pulvérisation de peinture, dans plusieurs conditions de charge. La zone hachurée de la figure 2 illustre la région théorique de sécurité de fonctionnement à l'intérieur de laquelle le risque d'allumage et d'ex- plosion est minimisé. Si les paramètres de courant et de tension de fonctionnement peuvent être maintenus dans la région hachurée dans le matériel de pulvérisation de peinture, le risque d'allumage, du fait de la pulvérisation de matières présentant la volatilité habituelle des peintures, est très faible. La ligne 101 représente une courbe de charge résistive, qui est représentative des conditions de fonctionnement dans un circuit purement résistif, ayant une tension appliquée Vnl et une valeur de courant de court-circuit de Isc. La ligne 101 représente donc une courbe de charge résistive qui permettrait de faire fonctionner un appareil de pulvérisation entièrement dans la région de sécurité de fonctionnement. La ligne 102 est une courbe de charge qui est représentative de la caractéristique de tension-courant obtenue au moyen d'un multiplicateur tel qu'illustré sur la figure 1. L'impédance dynamique caractéristique d'un tel multiplicateur a pour résultat une relation non linéaire entre la tension et le courant, comme illustré par la courbe 102. Si la courbe de charge 102 est représentative du circuit dans un environnement habituel de pistolet de pulvérisation électrostatique et si, en outre, la valeur de courant Isc était représentative de la valeur maximale de courant autorisée pour la sécurité de fonctionnement, il apparaîtrait alors que la courbe de charge 102 ne con- viendrait pas à une utilisation sans danger. La courbe 102 indique que des niveaux de courant d'ionisation bien au- delà du niveau maximal de sécurité sont possibles si seulement la partie multiplicatrice du circuit de la figure 1 était prévue pour être disposée dans un pistolet de pulvérisation. L'effet global de l'addition de la résistance Rs en série avec le circuit multiplicateur de la figure 1 est de redresser la courbe de charge 102 et de la trans- later globalement vers le bas, en direction de la zone de sécurité de fonctionnement. On a déterminé qu'il existe une relation prédéfinie entre la valeur de Rsc et les autres valeurs de fonctionnement associées au circuit de la figure 1, comme déterminé par l'équation suivante: Vc-c (XN - 1) Rsc = 12 Isc Dans l'équation précédente, Vc-c est la tension crête-àcrête appliquée à la borne "entrée" du circuit de la figure 1; la valeur N est le nombre d'étages de doubleurs de tension se trouvant dans le circuit - la valeur Isc est le courant maximal de court-circuit auorisé pour des conditions de sécurité de fonctionnement; la valeur X est une valeur arbitraire qui peut être affectée à l'équation pour repositionner la courbe de charge. La figure 3 illustre un graphique montrant diverses positions de la courbe de charge, telles que déterminées par l'application de diverses valeurs X à l'équation précédente. La courbe de charge 301 est identique à la courbe de charge 102 de la figure 2, qui est la courbe de charge représentative de la partie à multi- plicateur du circuit de la figure 1, sans résistance série Rs incorporée dans le circuit. La courbe de charge 302 représente la translation résultante de la courbe de charge 301 lorsque l'on choisit pour X une valeur égale à 2. Dans ce cas, il apparaît que la courbe de charge 302 donne encore des conditions de fonctionnement qui sont en dehors de la zone de sécurité de fonctionnement. La courbe de charge 303 est obtenue lorsque l'on choisit pour X une valeur égale à 4, ce qui a pour résultat une courbe pratiquement droite, donnant le courant maxima] de 200 microampères. La courbe de charge 304 illustre le réuNtat obtenu lorsque l'on choisit pour X une valeur égale a 6, ce qui produit aussi une courbe de charge presque droite à l'intérieur de la zone de sécurité de fonctionnement. Le graphique de la figure 3 montre que lorsque l'on augmente la valeur de X, la courbe de charge résul- tante est translatée vers le bas, en direction de là zone de sécurité de fonctionnement et jusque dans cettE Zone. Le graphique illustre aussi que la valeur de X égale à 4 ou plus est suffisante pour confiner le fonctionnement entièrement dans la zone de sécurité de fonctionnement. Cependant, le prix à payer lorsque l'on augmente la valeur de Rs est une augmentation de la consommation d'énergie dans le circuit électrostatique. Il est donc préférable de sélectionner la plus faible valeur pour Rs, compatible avec un fonctionnement entièrement dans la zone de sécurité de fonctionnement. Il ressort de la figure 3 que ceci est obtenu avec la courbe de charge 303 qui est elle-même engendrée par une sélection pour X d'une valeur égale à 4. Par conséquent, l'équation précédente est optimisée et peut être ré-écrite de la manière suivante: Vc-c (4N - 1) Rsc = 12 Isc En fonctionnement, la valeur sélectionnée pour Rs est déterminée par une mesure de la tension crête-à- crête (Vc-c) devant être appliquée à l'entrée du circuit multiplicateur, puis une détermination du nombre d'étages de multiplication incorporés dans le circuit multiplicateur de tension. La valeur Isc dépend quelque peu du type de peinture et de solvant à utiliser avec le pistolet de pulvérisetion électrostatique considéré, mais elle est habituellement comprise dans la gamme de 200 à 220 micro- ampères. Pour une condition de fonctionnement raisonnable- ment sûre, la valeur Isc devrait être établie de façon à être égale à 200 micro-ampères. Si ces valeurs sont alors insérées dans l'équation précédente, la valeur de Rs est aisément déterminée, et une résistance de cette amplitude doit être insérée en série avec le circuit multiplicateur de tension. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour sélectionner la résistance série optimale de protection dans un circuit à haute tension du type Cockcroft-Walton, caractérisé en ce qu'il consiste: a) à mesurer la tension crête-à-crête à l'entrée du circuit Cockcroft-Walton; b) à déterminer le nombre d'étages de multiplica- tion de tension dans le circuit Cockcroft- Walton; c) à déterminer le courant maximal admissible de court-circuit dans le circuit; d) à diviser la valeur déterminée à l'étape a) par douze fois la valeur déterminée à l'étape c); e) à multiplier la valeur déterminée à l'étape d) par quatre fois la valeur déterminée à l'étape b) moins un; et f) à connecter une résistance (Rs), ayant une valeur déterminée à l'étape e), en série avec le circuit Cockcroft-Walton. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la valeur déterminée à l'étape c) est de x 10-6 ampère. 3. Procédé pour sélectionner une valeur de résistance série de protection destinée à empêcher l'amorçage d'arc à partir de circuits à haute tension du type Cockcroft-Walton dans une atmosphère volatile du type associé à des systèmes de pulvérisation de peinture, caractérisé en ce qu'il consiste: a) à établir une première valeur en divisant la tension crête-àcrête d'entrée du circuit Cockcroft-Walton par 2,4 x 10-3; b) à établir une deuxième valeur en sélectionnant quatre fois le nombre d'étages dans le circuit Cockcroft-Walton, moins un; c) à établir une troisième valeur en prenant le produit des résultats obtenus aux étapes a) et b); et d) à sélectionner une résistance série de protection égale à la troisième valeur.