Brevet FR2672669A1 — publié le 19920814

DISPOSITIF DE COMMANDE DE REFROIDISSEMENT POUR UNE INSTALLATION DE COMPRESSION ISOSTATIQUE A CHAUD Cette invention se rapporte à un dispositif de commande de refroidissement pour une installation de compression isostatique à chaud. a Une installation de compression isostatique à chaud telle que représentée sur la figure 1 a été utilisée pour la fabrication de corps frittés à haute densité avec différents types de matériau en poudre ou équivalent Une paroi d'isolation 5 est disposée dans une enceinte sous haute pression 3 avec des fermetures supérieure et inférieure 1 et 2 de telle sorte qu'est laissé un espace 4 entre l'enceinte sous haute pression 3 et celle-ci; un dispositif de chauffage 6 est disposé à l'intérieur de la paroi d'isolation 5 de façon à constituer une chambre de four 7. Lors de l'utilisation de l'installation ci- dessus, le processus de compression isostatique à chaud est réalisé en introduisant un gaz sous haute pression dans l'enceinte sous haute pression 3 et en chauffant le gaz introduit au moyen du dispositif de chauffage 6, appliquant ainsi le gaz sous haute pression et à température élevée sur une pièce 8 située dans la chambre de four 7 A la fin du processus de compression isostatique à chaud, l'intérieur du four est refroidi et la pièce est alors sortie. Du point du vue de la productivité, le processus de refroidissement mentionné ci-dessus est désavantageux dans la mesure o le refroidissement du four est réalisé uniquement par le rayonnement thermique à travers la paroi d'isolation 5, ce qui nécessite un temps prolongé pour le refroidissement. Afin de raccourcir le temps de refroidissement, il a été proposé des procédés tels que la mise en circulation d'un gaz dans l'enceinte à haute pression pendant le refroidissement Un exemple de ces procédés est un système de refroidissement indirect tel que décrit dans le modèle d'utilité japonais soumis à l'inspection publique No Sho-60-33195 Toutefois, le procédé le plus efficace est considéré comme étant un système à refroidissement direct tel que représenté sur la figure 7. Dans ce système à refroidissement direct, un gaz en circulation est amené à s'écouler comme cela est représenté par le trait en pointillé, c'est-à-dire que dans un four (à l'intérieur d'une paroi d'isolation 5), un gaz à haute température est amené à s'écouler vers l'extérieur afin de subir un échange de chaleur avec la fermeture supérieure 1 et la paroi intérieure de l'enceinte sous haute pression 3 et équivalent, puis le gaz, à température réduite, est alors ramené à l'intérieur du four par la partie inférieure de la paroi d'isolation 5, de façon à être ainsi utilisé à nouveau, dans le processus de refroidissement Avec ce système à refroidissement direct, la vitesse de refroidissement peut être notablement augmentée. Dans le système de refroidissement direct de l'état de la technique, lorsqu'une quantité de gaz en circulation est augmentée, une vitesse de refroidissement est augmentée Toutefois, la température sur la surface intérieure d'une enceinte est également augmentée avec une quantité accrue du gaz en circulation L'enceinte sous haute pression 3 possède une température maximum autorisée déterminée du point de vue de la résistance des matériaux Par conséquent, afin d'augmenter une quantité totale de rayonnement thermique tout en supprimant une élévation de température dans l'enceinte sous haute pression 3, une quantité de rayonnement thermique du four par unité de temps est maintenue de manière satisfaisante constante. Toutefois, dans le système de refroidissement de l'état de la technique, une telle commande de quantité de gaz destinée à atteindre le but mentionné ci-dessus n'est pas exécutée de sorte que la quantité de rayonnement thermique du four au début du processus de refroidissement est approximativement dix fois plus grande qu'à la fin de celui-ci, avec pour résultat une élévation de température de la surface interne de l'enceinte sous haute pression 3. Si l'on suppose une capacité thermique de four spécifiée dans l'enceinte sous haute pression 3 d'une taille elle-même spécifiée (diamètre interne de 900 mm), on obtient, comme représenté sur la figure 8, une relation entre le flux thermique moyen transféré sur la surface interne de l'enceinte sous haute pression 3 (en ordonnées) et la température maximum d'enceinte (en abcisses) Comme cela ressort de la figure 8, même avec le flux thermique moyen fixe, si le rapport R entre la valeur maximum et la valeur minimum du flux thermique augmente, la température de l'enceinte sous haute pression 3 augmente Il est par conséquent souhaitable que le flux thermique soit rendu constant et que le rapport R soit égal à 1 (rayonnement thermique stable) Dans l'état de la technique cependant, comme cela été mentionné ci- dessus, le rapport R est approximativement de 10. C'est par conséquent un but de l'invention que de créer un procédé pour maintenir constant un flux thermique transféré d'un gaz vers la surface interne d'une enceinte dans un processus de refroidissement, et obtenir ainsi un rayonnement thermique permettant de minimiser l'élévation de température dans l'enceinte. Afin d'atteindre le but ci-dessus, selon un aspect de la présente invention, il est prévu un dispositif de commande de refroidissement pour une installation de compression isostatique à chaud comprenant une paroi d'isolation disposée dans une enceinte sous haute pression de telle sorte qu'un espace est laissé entre l'enceinte sous haute pression et celle-ci, et un dispositif de chauffage disposé à l'intérieur de la paroi d'isolation afin de constituer une chambre de four, un processus de compression isostatique à chaud étant réalisé de manière à introduire un gaz sous pression élevée dans la chambre de four et chauffer le gaz introduit par le dispositif de chauffage, appliquant ainsi un gaz sous haute pression et à température élevée sur une pièce située dans la chambre de four, le dispositif de refroidissement ci-dessus comportant: un mécanisme de réglage de débit de gaz en circulation au milieu d'un passage de circulation de gaz sous pression au moyen duquel un gaz sous haute pression et à température élevée à l'intérieur de la chambre de four est introduit de la partie supérieure de la paroi d'isolation vers l'extérieur, en étant amené à s'écouler le long de la paroi interne de l'enceinte sous haute pression, et est introduit de la partie inférieure de la paroi d'isolation vers l'intérieur de la chambre de four; un capteur de température destiné à mesurer une température de pièce ou une température de gaz de four; une unité arithmétique de vitesse de variation de température destinée à calculer une vitesse de variation de température avec le temps sur la base d'un signal de température provenant du capteur de température; et une unité de commande destinée à actionner le mécanisme de réglage de débit de gaz en circulation de façon à faire se conformer la vitesse de variation de température avec le temps avec une vitesse de refroidissement spécifiée qui est calculée sur la base de la surface spécifique et de la capacité thermique de la pièce, de la température de gaz de four et de la pression de four au début du processus de refroidissement. Pendant le processus de refroidissement, la température de pièce ou la température de gaz de four est mesurée par le capteur de température et la vitesse de variation de température avec le temps est alors obtenue au moyen d'une unité arithmétique Le mécanisme de réglage de débit de gaz en circulation est alors actionné par l'unité de commande de manière à faire se conformer la vitesse de variation de température avec le temps avec une vitesse de refroidissement spécifiée calculée sur la base de la surface spécifique et de la capacité thermique de la pièce, et de la température de gaz de four et de la pression de four au début du processus de refroidissement, de façon à commander ainsi le débit de gaz en circulation. Les buts ci-dessus ainsi que d'autres, et les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, en liaison avec les dessins annexés, dans lequels: la figure 1 est une vue représentant la construction du dispositif de commande de refroidissement selon la présente invention; la figure 2 est un ordinogramme pour l'obtention d'une vitesse de refroidissement spécifiée; la figure 3 est une vue montrant une relation entre une température maximum sur la surface interne de l'enceinte et une vitesse de refroidissement; la figure 4 est une vue représentant une relation entre une capacité thermique de four et une vitesse de refroidissement spécifiée; la figure 5 est un ordinogramme représentant une action de commande; la figure 6 est une vue représentant une construction d'une autre forme de réalisation selon la présente invention; la figure 7 est une vue en coupe d'une installation de compression isostatique à chaud; la figure 8 est une vue représentant une relation entre une température maximum de l'enceinte et un flux thermique moyen. Si l'on se réfère à la figure 1, un mécanisme de réglage de débit de gaz en circulation 10 se compose de soupapes 9 comportant des mécanismes d'actionnement électriques respectifs Plus spécialement, plusieurs soupapes 9 sont disposées au milieu d'un passage de circulation de gaz sous pression 12, c'est-à-dire sur une partie inférieure d'une paroi d'isolation 5, par l'intermédiaire desquelles un gaz sous pression à température élevée dans une chambre de four 7 est amené de la partie supérieure de la paroi d'isolation 5 vers l'extérieur en passant par un accumulateur 11, en étant autorisé à s'écouler vers le bas le long de la paroi interne de l'enceinte sous haute pression 3 à travers un espace 4, et est introduit de la partie inférieure de la paroi d'isolation 5 vers l'intérieur de la chambre de four 7. Une température de gaz T à l'intérieur de la chambre de four 7 est mesurée par un capteur de température 13 et, sur la base du signal de température, une vitesse de variation de température avec le temps (d T/dt) est calculée dans une unité arithmétique 14. Une unité arithmétique de vitesse de refroidissement spécifiée 15 est prévue pour calculer au préalable une vitesse de refroidissement spécifiée V par chaque équipement sur la base de la taille d'une enceinte et d'un corps de four, d'une température autorisée d'enceinte, d'une surface spécifique (surface/poids) et d'une capacité thermique d'une pièce 8, et de la température de four et de la pression de four au début du processus de refroidissement Par exemple, lorsqu'une vitesse réduite dans la température de gaz de four est prise comme vitesse de refroidissement, les facteurs déterminants de celle-ci sont représentés sur le tableau 1 Par conséquent, une vitesse de refroidissement spécifiée est calculée sur la base d'une taille d'enceinte, d'une température autorisée d'enceinte, d'une capacité thermique de four et d'une surface spécifique de la pièce, les valeurs de la température autorisée d'enceinte et les tailles d'une enceinte et d'un corps de four étant respectivement fixées. Tableau 1 faible vitesse de refroidissement du gaz élevée basse température autorisée de surface élevée interne d'enceinte faible quantité de gaz en circulation élevée faible capacité thermique du four élevée élevée surface spécifique de la pièce faible faible surface de transfert thermique de élevée l'enceinte (taille de l'enceinte) Une unité de comparaison 16 destinée à comparer une vitesse de refroidissement spécifiée V à une vitesse de variation de température d T/dt et un dispositif de réglage 17 actionné par la sortie de l'unité de comparaison 16, qui composent une unité de commande 18 destinée à actionner une soupape 9, sont prévus de façon à ce que la vitesse de variation de température avec le temps se conforme à la vitesse de refroidissement spécifiée V. Le calcul de la vitesse de refroidissement spécifiée V va maintenant être expliqué Pour le refroidissement de la pièce 8 qui a déjà été traitée, la période du début jusqu'à la fin du processus de refroidissement est divisée en micro-temps La quantité de rayonnement thermique vers l'accumulateur 11, la fermeture supérieure 1 et l'enceinte sous haute pression 3, par l'intermédiaire de la circulation de gaz pendant chaque micro-temps, peut ainsi être calculée Si l'on suppose que la quantité de rayonnement thermique ci-dessus est égale à la quantité de chaleur qui est évacuée pendant chaque micro-temps de la pièce 8 dans le four, les structures du four telles que le dispositif de chauffage 6 et le gaz du four, une chute de température dans la pièce 8, le dispositif de chauffage 6 et le gaz du four peut être calculée Ensuite, sur la base de la température obtenue de la pièce 8, du dispositif de chauffage 6 et du gaz du four après l'écoulement d'un micro-temps, une quantité de rayonnement thermique de chaque pièce pendant le micro-temps suivant peut de nouveau être obtenue. En répétant le calcul mentionné ci-dessus, le processus de refroidissement de la température du four peut être déterminé, fournissant ainsi la vitesse de refroidissement. La figure 2 est un ordinogramme représentant le processus ci-dessus, dans lequel des données respectivement de taille d'enceinte, de capacité thermique de four et de surface spécifique d'une pièce sont entrés (étape Si), et une quantité de gaz en circulation se rapportant à une vitesse de refroidissement spécifiée est en outre entrée comme valeur initiale de consigne (étape 53) En ce qui a concerne la capacité thermique du four, elle est obtenue sur la base de la capacité thermique de la pièce, et de la température du four et de la pression du four au début du refroidissement, et ces valeurs sont par conséquent celles réellement entrées Le rayonnement thermique et la température de la surface interne d'une enceinte pendant un micro-temps de Dt seconde sont alors calculés (étape 54), une température de pièce dans le four après l'écoulement d'un micro- temps de Dt seconde est également calculée (étape 55), et une vitesse réduite dans la température de gaz de four est ensuite comparée à une vitesse de refroidissement déterminée (étape 56), la vitesse de refroidissement déterminée étant entrée au préalable (étape 52) Il en résulte que si les deux valeurs ne sont pas égales l'une à l'autre, la quantité de gaz en circulation est réinitialisée (étape 57) et le déroulement du processus est ainsi ramené à l'étape 54. Par contre, si les deux valeurs sont égales l'une à l'autre, les données sont remplacées par celles de l'état après l'écoulement d'un micro-temps de Dt seconde (étape 58) Une relation entre une température de four et une température de refroidissement finale est ensuite calculée (température de four base du calcul ci-dessus. Ce calcul est réalisé en changeant les valeurs de la vitesse de refroidissement déterminée, de la capacité thermique du four et de la surface spécifique, de façon à obtenir, en fonction de la 2672669 température maximum sur la surface intérieure de l'enceinte, un graphique pour chaque taille d'enceinte comme cela est représenté sur la figure 3 Du point de vue de la résistance des matériaux, la température maximum autorisée de l'enceinte est déterminée (habituellement 150 à 2000 C), et une relation entre la capacité thermique du four et la vitesse de refroidissement maximum peut alors être obtenue à partir de la figure 3; la relation résultante est représentée sur la figure 4 La vitesse de refroidissement maximum est par conséquent dans une fourchette dans laquelle la température d'enceinte est inférieure à la valeur autorisée. La vitesse de refroidissement maximum obtenue sur la figure 4 (en ordonnées) est définie comme étant une vitesse de refroidissement spécifiée Le graphique sur la figure 4 est paramétré en fonction de la taille de l'enceinte et de la température autorisée de l'enceinte Inversement, sur la figure 4, un graphique est déterminé pour une installation Dans la description ci-dessus, le graphique ou équivalent est utilisé pour une meilleure compréhension, mais le processus ci-dessus est en fait calculé dans un calculateur. La commande de refroidissement est réalisée suivant un ordinogramme tel que représenté sur la figure 5 Les valeurs de la capacité thermique de la pièce, de la surface spécifique de la pièce, et de la température du gaz et de la pression du gaz au début du refroidissement sont entrées (étape Sl O), et la capacité thermique du four au début du refroidissement peut par conséquent être obtenue (étape Sl O') Une vitesse de refroidissement Vs (constante) correspondant à une valeur d'entrée est ainsi choisie sur la base des données d'une vitesse de refroidissement spécifiée du gaz calculée précédemment (étape Sll) De même, le capteur de température 13 mesure une température de gaz de four Tg (étape 512), et l'unité arithmétique calcule la vitesse de variation Vm de Tg avec le temps (étape 513) L'unité de comparaison 14 compare alors la vitesse de refroidissement Vs et la vitesse de variation Vm de Tg (étape 514), et si la vitesse de refroidissement spécifiée Vs est considérée comme étant plus grande que la vitesse de variation Vm de Tg, les soupapes 9 sont ouvertes avec une ouverture fixée par un dispositif de réglage 17 (étape 515) alors que si c'est l'inverse, les soupapes 9 sont fermées avec une ouverture fixée (étape 516) En dehors de cela, dans la commande réelle, les soupapes 9 peuvent être actionnées proportionnellement à une valeur de I Vs Vm 1, ou bien un traitement approprié tel qu'un autre procédé de commande peut être réalisé pendant une période transitoire au début du refroidissement. Il est par conséquent possible de maintenir approximativement constant un flux thermique transféré d'un gaz à la surface interne de l'enceinte, permettant ainsi le refroidissement le plus efficace Le maintien de la vitesse de refroidissement dans le four à un niveau constant correspond à la quantité de rayonnement thermique fixée approximativement depuis l'intérieur du four La quantité de rayonnement thermique de l'intérieur du four ne correspond pas de manière stricte à la quantité de rayonnement thermique vers l'extérieur de l'enceinte, en considérant l'échange de chaleur vers un gaz à température basse dans l'accumulateur 11 et à l'extérieur du four Toutefois du point du vue du processus de refroidissement total, les deux peuvent être considérés comme étant les mêmes, c'est-à-dire que le flux thermique vers l'enceinte est maintenu approximativement constant et qu'un tel rayonnement thermique ramenant une augmentation de il température dans l'enceinte à un niveau minimum peut être obtenu. Une autre forme de réalisation selon la présente invention est représentée sur la figure 6, o il est prévu, en dehors des éléments déjà décrits, un ventilateur 20 entraîné par un moteur 19 du type à commande par inverseur 21 et prévu dans la partie inférieure de la chambre de four 7 afin de forcer une convection d'un écoulement de gaz en circulation par le ventilateur 20 Dans ce cas, le réglage d'un débit de gaz en circulation peut être réalisé en modifiant la vitesse de rotation du ventilateur 20 Par conséquent, les soupapes 9 prévues sur la partie inférieure de la paroi d'isolation 5 avec leurs mécanismes d'actionnement électriques respectifs peuvent ne posséder qu'une fonction d'ouverture/fermeture. A la place des soupapes 9 réglables en ouverture, plusieurs soupapes de commutation peuvent être prévues pour modifier la répartition numérique de celles-ci entre l'état ouvert et l'état fermé, commandant ainsi le débit du gaz en circulation En outre, bien que la température de gaz du four soit mesurée dans cette forme de réalisation, la température de pièce peut être mesurée afin de calculer la vitesse de variation de température avec le temps. 13 2672669 REVENDICATIONS. 1 Dispositif de commande de refroidissement pour une installation de compression isostatique à chaud comprenant une paroi d'isolation ( 5) disposée dans une enceinte sous haute pression ( 3) de telle sorte qu'un espace ( 4) est laissé entre ladite enceinte sous haute pression ( 3) et celle-ci, et un dispositif de chauffage ( 6) disposé à l'intérieur de ladite paroi d'isolation ( 5) afin de constituer une chambre de four ( 7), un processus de compression isostatique à chaud étant réalisé de manière à introduire un gaz sous pression élevée dans ladite chambre de four ( 7), chauffer le gaz introduit, et appliquer ainsi un gaz sous haute pression et à température élevée sur une pièce ( 8) située dans ladite chambre de four ( 7), ledit dispositif de commande de refroidissement étant caractérisé en ce qu'il comporte : un mécanisme de réglage de débit de gaz en circulation ( 10) au milieu d'un passage de circulation de gaz sous pression ( 12) au moyen duquel un gaz sous haute pression et à température élevée à l'intérieur de ladite chambre de four ( 7) est introduit par la partie supérieure de ladite paroi d'isolation ( 5), en étant amené à s'écouler vers le bas le long de la paroi interne de ladite enceinte sous haute pression ( 3), et est introduit par la partie inférieure de ladite paroi d'isolation ( 5) dans ladite chambre de four ( 7); un capteur de température ( 13) destiné à mesurer une température de pièce ou une température de gaz de four; une unité arithmétique de vitesse de variation de température ( 14) destinée à calculer une vitesse de variation de température avec le temps sur la base d'un signal de température provenant dudit capteur de température ( 13); et une unité de commande ( 18) destinée à actionner ledit mécanisme de réglage de débit de gaz en circulation ( 10) de façon à faire se conformer la vitesse de variation de température avec le temps avec une vitesse de refroidissement spécifiée qui est calculée sur la base d'une surface spécifique et d'une capacité thermique de ladite pièce ( 8), de la température de gaz de four et de la pression de four au début d'un processus de refroidissement. 2 Dispositif de commande de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit mécanisme de réglage de débit de gaz en circulation ( 10) se compose de soupapes ( 9) comportant des mécanismes d'actionnement électriques respectifs. 3 Dispositif de commande de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs soupapes ( 9) avec des mécanismes d'actionnement électriques respectifs sont prévues sur la partie inférieure de ladite paroi d'isolation ( 5). 4 Dispositif de commande de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite unité de commande ( 18) destinée à actionner ledit mécanisme de réglage de débit de gaz en circulation ( 10) se compose d'une unité de comparaison ( 16) destinée à comparer une vitesse de variation de température avec le temps à une vitesse de refroidissement spécifiée et d'un dispositif de réglage ( 17) actionné par la sortie de ladite unité de comparaison ( 16). Dispositif de commande de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un ventilateur ( 20) entraîné par un moteur ( 19) est prévu dans la partie inférieure de ladite chambre de four ( 7). 6 Dispositif de commande de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moteur ( 19) permet de modifier la vitesse de rotation du ventilateur ( 20) et un débit de gaz en circulation est réglé en modifiant ladite vitesse de rotation. 7 Dispositif de commande de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit mécanisme de réglage de débit de gaz en circulation ( 10) se compose de plusieurs soupapes de commutation destinées à commander le débit de gaz en circulation en modifiant la répartition numérique desdites soupapes de commutation entre l'état ouvert et l'état fermé. 8 Dispositif de commande de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit capteur de température ( 13) est prévu pour mesurer une température de pièce. 9 Dispositif de commande de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit capteur de température ( 13) est prévu pour mesurer une température de gaz de four.