Brevet FR2675711A1 — publié le 19921030

PROCÉDÉ DE TRAITEMENT THERMIQUE EN AUTOCLAVE La présente invention concerne de façon générale un procédé de traitement dans un autoclave. Un autoclave est constitué d'une enceinte isolante renfermant une ou plusieurs pièoes à traiter dans une atmosphère gazeuse contrôlée, une soufflante pour provoquer une circulation interne des gaz et des moyens de chauffage et éventuellement de refroidissement pour chauffer et refroidir 1 atmosphère gazeuse afin d'effectuer un traitement thermique souhaité des pièces. Dans certains cas, les pièces à traiter simultanément peuvent occuper un grand volume et l'autoclave constitue une installation relativement importante. Par exemple, 1 enceinte étanche de certains autoclaves occupe un volume de plusieurs mètres cubes, voire de plusieurs dizaines de mètres cubes. Il est possible d'effectuer des traitements thermiques au cours desquels les pièces sont amenées à des températures pouvant aller jusqu'à 400 à 600 C. Un exemple courant de traitement en autoclave est celui de pièces en matériau composite pour obtenir la polymérisation de certains corps entrant dans la composition des pièces. De tels traitements thermiques doivent assurer au cours de certaines étapes de traitement des échauffements ou des refroidissements des pièces relativement rapides et, au cours d'autres étapes de traitement, le maintien de ces pièces à des températures très précises et à des pressions élevées pendant des temps relativement longs (quelques heures). Les autoclaves comprennent, comme cela a été indiqué ci-dessus, un ventilateur ou soufflante. Dans les systèmes connus, cette soufflante est reliée par un arbre de transmission à un moteur électrique à vitesse constante. Dans les autoclaves de très grande dimension, on peut disposer plusieurs soufflantes réparties le long de I'enceinte. Ces autoclaves à ventilateur entraîné par un moteur électrique à vitesse constante présentent divers inconvénients. Tout d'abord, si l'installation est conçue de façon à provoquer une circulation de l'atmosphère gazeuse suffisante pour obtenir de grandes vitesses de montée et de descente en température des pièces, cette même circulation de l'atmosphere gazeuse se trouve trop importante lorsque l'on souhaite amener et maintenir les pièces à une température prédéterminée très précise.En effet, le fait de provoquer une circulation importante de 1' atmosphère gazeuse contenue dans l'enceinte de l'autoclave provoque un échange thermique très important entre les pièces et 1' atmosphère gazeuse ; cela tend à produire un phénomène de fluctuation de la température des pièces autour de la valeur de consigne, ce qui n'est pas souhaitable. D'autre part, certains traitements thermiques prévoient, comme cela a été indiqué ci-dessus, de soumettre les pièces à une pression relativement élevée. Le moteur de la soufflante qui doit tourner à vitesse élevée pendant les phases de montée en température et dont la vitesse est constante absorbe alors une puissance élevée puisque la masse volumique d'un gaz est proportionnelle à sa pression (à température constante). Ainsi, les installations d'autoclaves existantes sont munies de soufflantes très puissantes qui augmentent en conséquenoe le coût de l'installation et son niveau de consommation électrique. Un objet de l'invention est de prévoir un procédé de traitement thermique en utilisant un autoclave, ce procédé permettant de réduire sensiblement la puissance nécessaire de la soufflante utilisée pour provoquer la circulation de 1 'atmos- phère gazeuse contenue dans l'autoclave. Un autre objet de l'invention est de prévoir un tel procédé permettant en outre d'améliorer la précision des paliers de température des pièces à traiter au cours du traitement. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un procédé de traitement dans un autoclave qui comprend une enceinte renfermant une pièce à traiter dans une atmosphère gazeuse contrôlée en pression et en température, une soufflante pour provoquer une circulation interne de 1' atmosphère gazeuse et des moyens de chauffage. Ce procédé comprend une première étape de montée en température et une deuxième étape au cours de laquelle la pièce est maintenue à une température et une pression relativement élevées prédéterminées.Pendant la première étape, la température de 1' atmosphère gazeuse est augmentée jusqu'à une température légèrement inférieure à ladite température relativement élevée, la pression de 1 'atmosphère gazeuse est maintenue à une valeur relativement faible et la circulation interne de 1' atmosphère gazeuse est maintenue à un niveau relativement élevé, la phase finale de montée en température se faisant tandis que la circulation interne de l'atmosphère gazeuse est réduite à un niveau relativement faible. Pendant la deuxième étape, la circulation interne de 1' atmosphère gazeuse est maintenue à un niveau relativement faible. Ce procédé de traitement peut comprendre les étapes suivantes détecter la température interne de la pièce, détecter la température de l'atmosphère gazeuse, pendant la première étape, commander le moyen de chauffage et la circulation de 1' atmosphère gazeuse de façon à maintenir un écart de température relativement grand entre la pièce et 1' atmosphère gazeuse afin de provoquer un échauffement rapide de la pièce jusqu'à une première température, et pendant la deuxième étape, commander les moyens de chauffage et la circulation de l'athmosphere gazeuse de façon à maintenir un écart de température relativement faible entre la pièze et l' atmosphère afin d'amener lentement et de manière précise la pièce jusqu a ladite température relativement élevée. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, pendant les première et deuxième étapes, la commande de chauffage s'effectue de façon à limiter la température de 1' atmosphère gazeuse à un seuil prédéterminé correspondant à la température maximum que peut supporter la pièce au niveau de sa surface externe. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, l'autoclave comprend un dispositif de commande programmable permettant de commander simultanément un moyen d'entrainement à vitesse variable de la soufflante, un moyen de production d'une pression variable de l'atmosphere gazeuse, et un moyen d'alimentation à puissance variable du moyen de chauffage pour obtenir un cycle prédéterminé du traitement de pièce. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, l'autoclave comprend en outre un moyen de refroidissement de l'atmosphère gazeuse qui peut être également commandé par le dispositif de commande programmable afin d'obtenir un refroidissement de la pièce au cours ou à la fin du traitement. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, l'autoclave comprend en outre une enveloppe étanche souple entourant la pièce, reliée à un dispositif d'aspiration, afin de mettre la pièce sous vide partiel pour obtenir son dégazage, tout en la soumettant à la pression de I'enceinte. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront mieux compris à partir de la description d'un exemple de réalisation qui va suivre, illustrée par les figures annexées parmi lesquelles la figure 1 représente schématiquement une installation de traitement thermique permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; et la figure 2 représente un ensemble de diagrammes illustrant l'évolution simultanée de divers paramètres dans un exemple de réalisation du traitement selon l'invention. La figure 1 représente, en coupe très schématique, un autoclave 1 qui comprend une enceinte étanche isolée 2 dans laquelle sont disposées des pièces à traiter 3. L'enceinte 2 renferme une atmosphère gazeuse qui entoure les pièoes à traiter 3. Dans l'enceinte 2, sont disposés un moyen 4 de chauffage de 1 'atmosphère gazeuse et un moyen 5 de refroidissement de 1 'atmosphère gazeuse. Le moyen de chauffage 4 est par exemple constitué de résistances électriques qui sont alimentées en courant électrique modulé en intensité à l'aide d'un dispositif de commande 6. Le moyen de refroidissement 5 est par exemple constitué d'un échangeur thermique dans lequel circule de l'eau froide, la circulation de cette eau froide étant commandée par une vanne pilotée à distance 7. Une soufflante, par exemple un ventilateur 10, est entrainée en rotation par un moteur électrique 11, par 1 'inter- médiaire d'un arbre de transmission 12. Selon l'invention, le moteur 11 est associé à un dispositif de commande 13 qui permet de faire varier la vitesse de rotation du moteur et par conséquent la vitesse de rotation du ventilateur 10. Des éléments 15 sont disposés de façon à canaliser 1' atmosphère gazeuse en circulation dans l'enceinte 2 afin que cette atmosphère gazeuse passe au travers du moyen de chauffage 4 et du moyen de refroidissement 5 lorsque le ventilateur 10 est en fonctionnement (cette circulation est représentée par des flèches sur la figure 1). L'autoclave comporte en outre un moyen pour alimenter en gaz l'enceinte étanche 2, afin d'y faire régner une atmosphare gazeuse de composition et de pression contrôlées. Pour cela, il est prévu une canalisation 17 qui peut être reliée à une canalisation d'arrivée de gaz sous pression élevée par l'intermédiaire d'une vanne pilotée à distance 18 et qui peut être reliée à une évacuation du gaz par une autre vanne pilotée à distance 19. En agissant sur les vannes 18 et 19, en sens contraire, on peut provoquer la montée ou la descente en pression de 1 'atmosphère gazeuse contenue dans 1 'enceinte étanche 2.Le dispositif comporte enfin une sonde de température 20 pour mesurer la température à l'intérieur des pièces 3 et une autre sonde de température 21 pour mesurer la température de 1 'atmos- phère gazeuse au voisinage des pièces. La commande séquentielle de l'autoclave est assurée par un dispositif de commande programmable 22. Ce dispositif 22 est destiné à commander simultanément la puissance de chauffage du dispositif de chauffage 4 par l'intermédiaire d'une ligne 23, la puissance de refroidissement du dispositif de refroidissement 5 par l'intermédiaire d'une ligne 24, la vitesse de rotation du moteur 11 par l'intermédiaire d'une ligne 25, et la pression de l'atmosphère gazeuse contenue dans 1 'enceinte 2 par 1 'intermé- diaire d'une ligne 26. Le dispositif de commande programmable 22 reçoit des instructions provenant d'un programme de traitement 28 qui définit l'ensemble du processus de traitement, c 'est-à-dire l'évolution dans le temps de la température souhaitée pour les pièoes 3, de la pression de l'atmosphère gaseuse dans l'enceinte 2 et du niveau de circulation de 1' atmosphère gazeuse dans l'enceinte 2. Le dispositif 22 reçoit également des signaux représentatifs de la valeur mesurée de la température interne des pièoes 3 et de la température de 1 'atmosphère gazeuse. Le dispositif de commande programmable et son mode de programmation sont simplement mis en oeuvre par l'homme de métier à partir du moment où la séquence de fonctionnement est définie. L'autoclave fonctionne de la manière suivante. Le moteur 11 entraîne en rotation, à une vitesse contrôlée déter minée, le ventilateur 10 qui provoque une circulation en circuit fermé de l'atmosphere gazeuse contenue dans l'enceinte étanche 2. LV atmosphère gazeuse passe ainsi autour des pièoes à traiter 3 puis traverse le moyen de chauffage 4 et le moyen de refroidissement 5, et revient ensuite autour des pièces à traiter 3. Si l'on fait fonctionner uniquement le moyen de chauffage 4, on échauffe ainsi 1' atmosphère gazeuse qui échauffe à son tour les pièces 3 et, si l'on fait fonctionner uniquement le moyen de refroidissement 5, on obtient un refroidissement de 1 'atmosphère gazeuse qui refroidit à son tour les pièces 3. On peut commander, par tout dispositif connu approprié, la puissance de chauffage du dispositif de chauffage 4 et la puissance de refroidissement du dispositif de refroidissement 5. Le procédé de traitement selon l'invention va être décrit en relation avec un exemple particulier, en se reportant aux diagrammes de température (T), de ventilation (C) et de pression (P) de la figure 2. Le traitement décrit comprend de façon usuelle une montée en température, un ou plusieurs paliers de température à haute pression, et un refroidissement. Pendant la montée en température, entre des instants tO et tl, on fait classiquement fonctionner le ventilateur 10 à une vitesse élevée, produisant ainsi un niveau de circulation de l'atmosphère gazeuse relativement élevé Cl, tandis que l'on canmande le dispositif de chauffage 4 de façon à chauffer fortement 1 'atmosphère gazeuse. La température relativement élevée de 1 'atmosphère gazeuse combinée au niveau de circulation élevé provoque un échange thermique important qui entraine une élévation rapide de la température des pièces 3. Selon un aspect de l'invention, pendant cette première étape, on maintient la pression de l'atmosphère gazeuse à une valeur relativement faible P1 pour limiter la consommation du moteur. En effet, on s 'aperçoit qu'une augmentation de pression pendant cette phase n 'apporte rien au traitement et aura pour seul effet d'augmenter inutilement la consommation du moteur. On arrête cette étape inférieure à la température de palier T2 que l'on vise à atteindre à l'instant t1 quand la température des pièces 3 arrive à une température prédéterminée Tl. A titre d'exemple, pour effectuer un traitement thermique de pièces volumineuses en matériaux composites, par exemple de pièces destinées à constituer le bouclier thermique d'un engin spatial, la température T1 peut être de 300 C, la pression Pl peut être de 1 à 3 bar et le niveau de ventilation Cl peut correspondre à une vitesse de déplacement de l'atmosphère gazeuse au voisinage des pièces 3 de 2 m/s. Ensuite, selon un autre aspect de l'invention, on effectue une deuxième étape qui va des instants tl à t2 et au cours de laquelle on réduit le niveau de circulation de 1 'atmos- phère gazeuse à un niveau relativement faible C2. On continue ainsi à faire croître la température des pièces 3 d'une façon plus lente pour l'amener à un instant t2 à une température précise relativement élevée prédéterminée T2 tandis que l'on amène la pression de l'atmosphère gazeuse à une valeur relativement élevée prédéterminée P2. Pendant un palier de température, entre les instants t2 et t3, tandis que 1' atmosphère gazeuse dans #Venceinte 2 est à une pression relativement élevée P2, on commande le moteur 11 à une vitesse relativement lente pour provoquer un niveau de circulation faible de l'atmosphère gazeuse. Selon # Vinvention, il n'est pas nécessaire de disposer d'une installation de ventilation tournant à vitesse maximum alors que l'atmosphère gazeuse dans lten~inte est à son niveau de masse volumique (de pression) maximum. En d'autres termes, lorsque le ventilateur tourne vite (pendant la première étape), il déplace à grande vitesse l'atmosphère gazeuse alors que celle-ci présente une masse volumique faible (une faible pression), ce qui demande une puissance d'entraînement du ventilateur 10 relativement faible.Par contre, on fait tourner le ventilateur 10 à une vitesse relativement faible pour faire circuler 1 'atmosphère gazeuse à une vitesse faible quand cette atmosphère gazeuse présente une masse volumique élevée (c'està-dire une forte pression), ce qui demande encore une puissance d'entrainement du ventilateur relativement faible. Ainsi, le fait de prévoir un système de commande variable de la vitesse du moteur il du ventilateur permet de concevoir un procédé de traitement au cours duquel la puissance nécessaire pour faire tourner le ventilateur 10 reste relativement faible. En effet, à aucun instant au cours des étapes qui viennent d'être décrites, le ventilateur 10 n'est actionné à vitesse élevée lorsque 1' atmosphère gazeuse est à pression élevée, ce qui correspondrait à un fonctionnement du ventilateur 10 qui ne pourrait être obtenu qu'avec une puissance d'entrainement très grande. En outre, il est possible de contrôler avec grande précision la température de traitement élevée T2 du fait de la réduction des échanges thermiques entre 1' atmosphère gazeuse et les pièces 3 au cours de la deuxième étape allant de t1 à t3. Il est dans ces conditions plus facile de mettre en oeuvre un dispositif effioeoe d'asservissement du dispositif de chauffage 4 afin d'amener effectivement les pièces 3 à la température précise et stable T2. Cet asservissement peut maintenir constante la puissance du moyen de chauffage 4 en faisant varier la vitesse du ventilateur 10, ou bien maintenir constante la vitesse du ventilateur 10 en faisant varier la puissance du moyen de chauffage. En prévoyant, comme on l'a indiqué précédemment, une sonde 20 pour mesurer la température interne des pièces 3 et une autre sonde 21 pour mesurer la température de l'atmosphere gazeuse, on peut commander, pendant la montée en température, la puissance du moyen de chauffage 4 et la vitesse de rotation du ventilateur 10 de façon à maintenir un écart de température relativement grand entre les pièces 3 et 1 'atmosphère gazeuse afin de provoquer un échauffement relativement rapide des pièoes 3 jusqu a la température T1, et on peut aussi commander, avant et pendant les paliers, la puissance du moyen de chauffage 4 et la vitesse de rotation du ventilateur 10 de façon à maintenir un écart de température relativement faible entre les pièces 3 et 1 'atmosphère gazeuse afin d'amener lentement les pièces 3 jusqu'à la température T2. Il est en outre possible d'effectuer une telle commande de la puissance du moyen de chauffage 4 et de la vitesse de rotation du ventilateur 10 pendant la première et la deuxième étape de façon à limiter à tout instant la température de 1 'atmosphère gazeuse à une certaine température prédéterminée qui correspond à la température maximum que peut supporter la surface des pièces 3. Après le premier palier, on peut prévoir un deuxième palier entre des instants t4 et t5. Comme le représente la figure 2, la vitesse de rotation C du ventilateur 10 est encore maintenue à un niveau faible et la puissance de chauffage est telle qu'elle permet d'amener à un instant t4 la température interne des pièces à une autre valeur T3 prédéterminée qui est supérieure à la température T2, puis de maintenir constante cette troisième température T3. Enfin, entre des instants t5 et t6, on effectue le refroidissement des pièces 3 soit en supprimant simplement le chauffage tout en maintenant une faible vitesse du ventilateur 10, soit en augmentant la vitesse du ventilateur 10 pour faire chuter la température des pièces 3 plus rapidement, soit encore en faisant fonctionner le moyen de refroidissement 5 afin d'augmenter encore la vitesse de refroidissement des pièces 3. Si, au cours de cette cinquième étape de refroidissement, on souhaite faire fonctionner le ventilateur 10 å une grande vitesse, il convient selon l'invention de faire chuter préalablement la pression de 1' atmosphère gazeuse. Dans l'autoclave de 1 'exemple de réalisation illustré par la figure 1, il est en outre prévu une enveloppe étanche souple 30 qui entoure et enferme les pièces 3 et qui est reliée à un dispositif d'aspiration par l'intermédiaire d'une canalisation d'aspiration 31 et d'une vanne 32, afin de mettre les pièces 3 sous un vide partiel pour obtenir leur dégazage tout en les soumettant à une pression statique élevée qui résulte de la pression statique de 1' atmosphère gazeuse. En effet, le fait que 1 'enveloppe 30 soit souple et étanche permet de communiquer entièrement la pression statique de 1 'atmosphère gazeuse contenue dans # Venceinte étanche 2 aux pièces 3 qui sont ainsi comprimées. Du fait que, au cours de cette pression, on élève la température des pièoes 3, le dispositif d'aspiration permet d'évacuer des gaz qui émanent des pièces 3, d'une façon efficace et sans que ces gaz ne viennent se mélanger à l'atmosphère contenue dans # Venceinte étanche 2. REVEND ICAT IONS 1. Procédé de traitement dans un autoclave (1) qui comprend une enceinte (2) renfermant une pièce à traiter (3) dans une atmosphère gazeuse contrôlée en pression et en température, une soufflante (10) pour provoquer une circulation interne de l'atmosphère gazeuse et des moyens de chauffage (4), ce procédé comprenant une première étape de montée en température (tout) et une deuxième étape (tl-t3) au cours de laquelle la pièce est maintenue à une température (T2) et une pression (P2) relativement élevées prédéterminées, ce procédé étant caractérisé en ce que pendant la première étape, la température de 1 'atmos- phère gazeuse est augmentée jusqu'à une température (T1) légèrement inférieure à ladite température relativement élevée (T2), la pression de l'atmosphère gazeuse est maintenue à une valeur relativement faible (P1) et la circulation interne de 1 'atmos- phère gazeuse est maintenue à un niveau relativement élevé (C1), la phase finale de montée en température se faisant tandis que la circulation interne de 1 'atmosphère gazeuse est réduite à un niveau relativement faible ; et pendant la deuxième étape, la circulation interne de l'atmosphère gazeuse est maintenue à un niveau relativement faible (C2). 2. Procédé de traitement thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à détecter (20) la température interne de la pièce (3), détecter (21) la température de l'atmosphère gazeuse, pendant la première étape, commander (23) le moyen de chauffage (4) et la circulation de 1' atmosphère gazeuse de façon à maintenir un écart de température relativement grand entre la pièce et l'atmosphère gazeuse afin de provoquer un échauffement rapide de la pièce jusqu'à une première température (T1), et pendant la deuxième étape, commander (23) les moyens de chauffage (4) et la circulation de l'atmosphère gazeuse de façon à maintenir un écart de température relativement faible entre la pièce et # Vatmosphère gazeuse afin d'amener lentement et de manière précise la pièce jusqu'8 ladite température relativement élevée (T2). 3. Procédé de traitement thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pendant les première et deuxième étapes, la commande de chauffage (23) s'effectue de façon à limiter la température de 1 'atmosphère gazeuse à un seuil prédéterminé correspondant à la température maximum que peut supporter la pièce (3) au niveau de sa surface externe. 4. Procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu il utilise un autoclave (1) comprenant un dispositif de commande programmable (22, 28) permettant de commander simultanément un moyen d'entraînement à vitesse variable (11, 13) de la soufflante (10), un moyen de production d'une pression variable (18, 19) de 1 'atmosphère gazeuse, et un moyen d'alimentation à puissance variable (6) du moyen de chauffage (4) afin d'obtenir un cycle prédéterminé du traitement de pièce (3). 5. Procédé de traitement thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il utilise un autoclave (1) comprenant un moyen de refroidissement (5) de 1 'atmosphère gazeuse qui peut être également commandé par le dispositif de commande programmable (22) afin d'obtenir un refroidissement de la pièce (3) au cours ou à la fin du traitement. 6. Procédé de traitement thermique selon # Tune quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il utilise un autoclave (1) comprenant une enveloppe étanche souple (30) entourant la pièce (3), reliée à un dispositif d'aspiration, afin de mettre la pièce sous vide partiel pour obtenir son dégazage, tout en la soumettant à la pression de 1 'enoeinte.