Brevet FR2671743A1 — publié le 19920724

La présente invention concerne un dispositif de mise en vibration ultrasonique d'une ou de plusieurs structure(s) non-accordée(s). Ces structures peuvent être de types très différents, cependant dans le cadre de la présente description, on se limitera essentiellement à une structure de filtration, sans que cela ne doive être interprété comme une limitation de l'objet de la présente invention. Depuis de nombreuses années, il est bien connu que la mise en vibration ultrasonique de tamis améliore les rendements qualitatifs et quantitatifs du tamisage de poudres fines ou de granulés réputés difficiles à traiter. Il convient de rappeler par exemple les problèmes rencontrés avec les poudres microniques et submicroniques, minérales, métalliques et céramiques, ou encore les granules sphéroldiques qui ont tendance à colmater les tamis. Les techniques d'assistance par ultrasons ont déjà été décrites dans la littérature spécialisée et en particulier dans l'ouvrage intitulé Crowford Engineering de Frederick and Co. L'état de la technique peut également être illustré par FR-A2 233 108 qui décrit des équipements de tamisage dotés d'un transducteur ultrasonique placé au contact direct de la toile de tamisage. On observera qu'un tel dispositif se trouve limité à des tamis circulaires. Il présente en outre des contraintes non négligeables au niveau du point d'ancrage du convertisseur qui peut engendrer une usure de la toile filtrante et en conséquence une pollution du produit passant. Dans le cas du tamiseur utilisant plusieurs étages de toile,il est nécessaire de multiplier d'autant le nombre de transducteurs avec la complexité de montage que cela impose. Ce dispositif de l'art antérieur présente un autre inconvénient dans la mesure où, dans tous les cas, le convertisseur se trouvera exposé directement au produit traité et devra donc la plupart du temps être monté de manière étanche. La présente invention a précisément pour but de mettre au point un dispositif de mise en vibration ultrasonique qui permette d'écarter tous les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur. Le but principal de la présente invention est de rendre résonante une structure support, par exemple un support de toile, de membrane ou de tout autre plaque, qui par construction ne présente aucune résonance à la fréquence utilisée par l'émetteur ultrasonique. Le dispositif ultrasonique, selon l'invention, a également pour but d'optimiser le rendement ultrasonique, quelles que soient les formes et les dimensions de la structure à mettre en vibration. Bien-sûr, l'un des objectifs principaux de la présente invention a été d'éviter que le transducteur ultrasonique vienne au contact direct de la toile du filtre ou de la membrane de travail. Enfin, comme cela se trouvera explicité plus en détail dans la suite de la présente description, le dispositif ultrasonique, selon la présente invention, doit également pouvoir s'adapter à des structures existantes en modifiant la forme géométrique des éléments de liaison accordés en multiples entiers de demi longueur d'onde de la fréquence délivrée. Conformément à la présente invention, ces objectifs ont pu être atteints grâce à la mise au point d'un dispositif de mise en vibration à une fréquence ultrasonique d'une structure non accordée, qui se caractérise par le fait qu'il comprend au moins un convertisseur électroacoustique fixé de façon rigide à ladite structure au moyen d'éléments de fixation métalliques accordés à la fréquence du convertisseur, les liaisons de structure se situant dans une zone de ventre d'amplitude. D'autres caractéristiques et avantages de l'objet de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée faite ci-après, notamment en référence à des modes de réalisation particuliers illustrés sur des dessins annexés, dessins sur lesquels - les figures l et 2 représentent deux types de profilage différents de barreaux de couplage, de manière à s'adapter aux contraintes dimension nelles d'une structure à faire vibrer, tout en respectant la fréquence de résonance; - les figure 3 à 8 illustrent différentes variantes de modes de réalisation destinés à mettre en vibration ultrasonique des structures simples ou multiples affectant des formes différentes. On rappellera que l'un des buts essentiels du dispositif ultrasonique, selon l'invention, est de pouvoir s'adapter facilement à différents types de structures pré-existantes ainsi qu'à des structures présentant des formes et des dimensions imposées en fonction de leur destination. Le dispositif ultrasonique selon l'nvention permet d'atteindre cet objectif, par exemple à l'aide des deux modes de réalisation schématisés sur les figures l et 2. Sur ces figures, la structure a été schématisée par la représentation portant la référence 10. Il s'agit d'une structure de nature quelconque non-accordée, par exemple d'une structure supportant un organe de travail quelconque, notamment une toile de filtation. Le dispositif ultrasonique, selon l'invention, comprend tout d'abord un convertisseur électroacoustique 12 qui doit donc être fixé de façon rigide à ladite structure 10. Dans tous les modes de réalisation décrits, les liaisons avec la structure 10 se situent dans une zone de ventre d'amplitude V. Cette fixation est réalisée au moyen d'éléments métalliques qui sont accordés à la fréquence du convertisseur étant entendu que la longueur desdits éléments inclut l'épaisseur des pattes de liaison avec la structure 10. Sur les modes de réalisation illustrés aux figures 1 et 2, les éléments de fixation métalliques sont constitués par des barreaux de couplage 14. Les barreaux de couplage 14 sont interposés entre deux parois en regard de la structure 10. Bien entendu, ces éléments de fixation métalliques doivent être accordés à la fréquence du convertisseur. En l'occurence, ils ont été choisis en demi-longueur d'onde de la fréquence fournie par le convertisseur ultrasonique. On précisera à ce propos que le convertisseur ultrasonique peut être constitué par un ou plusieurs émetteurs de nature quelconque, il peut en effet s'agir d'émetteurs éléctrostrictifs, magnétostrictifs, électrocapacitifs, ou encore piézomagnétiques. On observera que les barreaux de couplage présentent une surface extérieure qui a été profilée de façon à s'adapter à la configuration dimensionnelle particulière de la structure et de manière à respecter la résonance. C'est ainsi que dans le dispositif ultrasonique de la figure 1, se trouve illustrée une manière d'intervenir sur la longueur d'une demi-onde à la fréquence du convertisseur 12. Dans le mode de réalisation de la figure 1, la surface extérieure des barreaux de couplage 14 présente, au voisinage de leur zone nodale, un rétrécissement radial 16 présentant une symétrie de révolution autour de l'axe desdits barreaux 14. Ce mode de réalisation particulier dans lequel les barreaux de couplage affectent une forme rétrécie au voisinage de leur zone nodale en raison de la présence d'une gorge ou analogue 16, permet de réduire les barreaux de couplage 14, tout en conservant la résonance. A l'inverse, le mode de réalisation illustré dans la figure 2 fait intervenir des barreaux de couplage 14 dont la surface extérieure présente, toujours au voisinage de leur zone nodale, un renflement radial 18 présentant également une symétrie de révolution autour de l'axe des barreaux 14. Ce profilage particulier adopté dans le mode de réalisation de la figure 2 permet au contraire de rallonger la longueur des barreaux de couplage 14, toujours en respectant la fréquence propre du convertisseur 12. Le mode de réalisation illustré à la figure 3 représente la mise en vibration d'un cadre support 10 sur lequel se trouve maintenue une toile filtrante 20. La fixation du dispositif de mise en vibraton est réalisée sur deux cotés opposés 22, 24 du cadre support 10. Le dispositif électroacoustique utilisé se compose dans cette configuration d'un convertisseur unidirectionnel 12, d'un barreau de couplage 26 qui est accordé en multiple entier de demi longueur d'onde, ainsi que d'un écrou 28 également accordé en demi longueur d'onde. On notera que la fixation de cet ensemble de mise en vibration sur le cadre support 10 est réalisée également dans une zone de ventre d'amplitude. La solidarisation entre les différents éléments en présence, à savoir, le convertisseur 12, le barreau de couplage 26 et l'écrou accordé 28, est avantageusement obtenu par vissage au travers d'orifices ménagés dans les parties opposées du support 10. Il convient toutefois de noter que la solidarisation rigide du dispositif de mise en vibration avec la structure 10 peut être réalisée par tout autre moyen approprié, l'essentiel étant d'obtenir une liaison parfaitement rigide entre la structure et le dispositif vibrationnel. C'est ainsi que l'on peut avoir recours à un emmanchement à force des différents organes en présence, ou encore d'un collage et/ou soudage. Dans le mode de réalisation de la figure 3, on peut également remplacer les orifices traversants, recevant les filetages de liaison entre le convertisseur 12, le barreau de couplage 26 et l'écrou accordé 28, par des fentes débouchant à l'arête supérieure des éléments 22 du cadre support. Les zones rétrécies de liaison entre les différents éléments 12, 26 et 24 peuvent ainsi s'engager à force dans lesdites fentes pour assurer la liaison rigide avec le cadre support 10. La figure 4 illustre un autre mode de réalisation permettant de mettre en résonance une structure circulaire 30 non accordée, entre des pattes de fixation 32 et 34 solidaires de la structure 30. Dans ce mode de réalisation particulier, deux barreaux d'extrémité 36 et 38 assurent le serrage de ltensemble électroacoustique sur les pattes de fixation précitées 32 et 34. Les barreaux de couplage 36 et 38 sont accordés en un multiple entier de demi longueur d'onde de la fréquence émise par le convertisseur 12. Bien entendu, si nécessaire, la surface extérieure des barreaux de couplage 36 et 38 peut être profilée pour s'adapter à la configuration particulière du cadre 30 tout en respectant la fréquence de résonance du convertisseur 12. Le mode de réalisation illustré à la figure 5 est relatif à une variante du dispositif représenté à la figure 3. Cependant dans ce cas particulier, l'ensemble électroacoustique constitué par le convertisseur 12 et les deux barreaux de couplage associés 40 et 42 ont été agencés à l'extérieur de l'aire de travail du cadre support 10 portant la toile filtrante 20. Dans cette conception, les barreaux de couplage 40, 42 peuvent également être soudés ou de préférence vissés au convertisseur, la liaison avec le prolongement des parties du cadre support pouvant également être avantageusement réalisée par vissage d'un boulon sur l'extrémité filetée 44 de chaque barreau de couplage 40, 42. Là encore, tout moyen de fixation rigide approprié peut être utilisé, l'essentiel étant de réaliser une bonne liaison mécanique entre le cadre support 10 et le dispositif ultrasonique de l'invention. Ce mode de réalisation particulier dans lequel le dispositif ultrasonique est agencé à l'extérieur de la zone de travail de la structure 10, présente l'avantage de pouvoir être utilisé par exemple en atmosphère humide. On notera également que cette conception permet d'implanter la structure, voire même l'ensemble de la structure et du dispositif électroacoustique, au sein d'une chambre étanche ou règne une atmosphère contrôlée de gaz. La figure 6 illustre un mode de réalisation dans lequel un convertisseur 12 produit l'excitation d'un empilage de trois structures identiques 10 constituées par des cadres supports de toile filtrante. Dans ce type de configuration, chacune des structures 10 vibre sur son mode propre et en résonance avec le dispositif d'émission ultrasonique. La liaison des différentes structures 10 avec le bâtit de l'ensemble du dispositif ultrasonique est non rigide. A cet effet, on utilisera de façon avantageuse un matériau de type élastomère qui permet d'assurer d'une part la fixation de la structure et d'autre part l'étantchéité entre chaque étage. Par ailleurs, chacune des structures sera reliée à la structure voisine selon le même schéma, afin de conserver le phénomène de résonance acoustique à chaque étage.La liaison souple réalisée par le matériau à base d'élastomère assure par ailleurs l'étanchéité tout en ne bridant pas les différents étages de la structure et en leur permettant ainsi d'entrer en résonance. Tout comme dans les modes de réalisation précédemment définis, le convertisseur 12 est rendu solidaire de pattes de fixation 46 par utilisation d'une pluralité de barreaux de couplage 48, de préférence associés entre eux par vissage. Bien entendu, conformément à la présente invention, les organes de fixations constitués par les barreaux de couplage seront accordés à la fréquence du convertisseur 12 réalisé en demi longueur d'onde. La figure 7 illustre une autre variante d'un dispositif d'excitation d'un empilage de plusieurs structures circulaires non accordées 10. Le dispositif représenté est en tout point analogue à celui représenté dans la figure 6, à l'exception toutefois du fait que les structures présentent ici des formes circulaires. Enfin, la figure 8 illustre un dernier mode de réalisation dans lequel le dispositif de mise en vibration comporte un convertisseur ultrasonique 12 couplé par vissage à un barreau de couplage 50, réalisé en demi longueur d'onde et venant ensserrer une plaque circulaire 52 constituant le disque supérieur d'un tambour cylindrique 54 pouvant par exemple jouer le rôle d'organe support d'une maille ou d'un filtre. Dans l'ensemble des modes de réalisation précédemment décrits, il peut être avantageux d'adapter la nature des éléments de transmission ultrasonique aux matériaux constituant la structure à mettre en vibration acoustique. Ceci peut être réalisé par adaptation des impédances acoustiques. On évite ainsi tout phénomène d'échauffement au niveau des liaisons, et ceci permet donc également d'augmenter le rendement électroacoustique de l'ensemble mis en vibration. Toujours de manière à améliorer les performances du dispositif ultrasonique selon l'invention, il peut être avantageux d'utiliser simultanément deux fréquences d'émissions non en quadrature, de manière à supprimer les zones nodales sur les surfaces de travail, par exemple sur la toile vibrante. En utilisant par exemple deux éléments ultrasoniques de fréquence non en quadrature, tels que 20 et 30 KHz, on limite au maximun la présence de zones nodales, au niveau de la toile filtrante, zones qui sont précisément des régions inactives. Enfin, il convient de noter que le dispositif de mise en vibration ultrasonique selon l'invention, peut être utilisé indifféremment et en superposition avec tout autre dispositif vibrant à basse fréquence couramment rencontré sur le marché. L'émission d'ultrasons communiqués à la structure non accordée peut être réalisée de manière continue ou selon un mode pulsé. Il peut, comme indiqué précédemment être réalisé en superposition de vibrations basses fréquences dans une gamme de 100 à 3000 vibrations/min. pour des amplitudes de l'ordre de 1 à 20 mm et de préférence dans une gamme de 500 à 1500 vibrations/min. pour des amplitudes de l'ordre de 5 à 10 mm. En fonction de l'application particulière envisagée, on aura recours, pour assurer l'émission des ultrasons, soit à des convertisseurs électroacoustiques symétriques bidirectionnels ou bien aymétriques unidirectionnels. En outre, l'amplitude des vibrations ultrasoniques est adaptée au produit traité dans ladite structure et se trouve avantageusement comprise entre 2 et 30 microns crête à crête et de préférence entre 5 à 20 microns crête à crête. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mise en vibration à une fréquence ultrasonique d' une structure non accordée, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un convertisseur électroacoustique (12) fixé de façon rigide à ladite structure (10) au moyen d'éléments de fixation métalliques (14) accordés à la fréquence du convertisseur, les liaisons avec la structure se situant dans une zone de ventre d'amplitude (V). 2. Dispositif ultrasonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments de fixation métalliques comprennent au moins un barreau de couplage (14) à ladite structure (10), dont la surface extérieure peut être profilée pour s'adapter à toute configuration dimensionnelle de ladite structure tout en respectant la fréquence de résonance. 3. Dispositif ultrasonique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la surface extérieure du barreau de couplage (14) présente au voisinage de sa zone nodale un rétrécissement radial (16) de révolution autour de l'axe dudit barreau (14). 4. Dispositif ultrasonique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la surface extérieure dudit barreau (14) présente au voisinage de sa zone nodale un renflement radial (18) de révolution autour de l'axe dudit barreau. 5. Dispositif ultrasonique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la fréquence de travail utile est comprise entre 10 et 100 KHz et de préférence entre 20 et 40 KHz. 6. Dispositif ultrasonique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le mode d'émission ultrasonique est du type pulsé ou du type continu. 7. Dispositif ultrasonique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'amplitude des vibrations ultrasoniques est adaptée au produit traité dans ladite structure, et se trouve avantageusement comprise entre 2 et 30 microns crête à crête et de préférence entre 5 à 20 microns crête à crête. 8. Dispositif ultrasonique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que deux fréquences d'émission non en quadrature sont utilisées simultanément pour supprimer les zones nodales sur la surface de travail de ladite structure. 9. Dispositif ultrasonique selon 11 une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'un convertisseur ultrasonique (12) met en vibration, et de façon résonante, un empilage de structures (10) non accordées rendues solidaires au niveau des points de raccordement avec ledit dispositif électro-accoustique. 10. Dispositif ultrasonique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que lesdites structures non accordées vibrant en résonance sont disposées dans une enceinte dans laquel règne une atmosphère humide. 11. Dispositif ultrasonique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que l'ensemble électro-acoustique/structure est agencé dans une chambre étanche. 12. Dispositif ultrasonique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que l'émission d'ultrasons à la structure non-accordée peut être réalisée de façon continue ou en mode pulsé, et en superposition de vibrations basses fréquences, dans la gamme de 100 à 3000 vibrations/min. pour des amplitudes de l'ordre de 1 à 20 mm et de préférence dans la gamme allant de 500 à 1500 vibrations/min. pour des amplitudes de 5 à 10 mm. 13. Dispositif ultrasonique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que l'émission des ultrasons est assurée indifféremment par des convertisseurs électro-acoustiques symétriques bidirectionnels ou asymétriques unidirectionnels.