Brevet FR2688300A1 — publié le 19930910

L'invention concerne le domaine des essais thermiques à haute température, et plus particulièrement un dispositif permettant de soumettre une charge à des chocs thermiques. On connaît des dispositifs comportant un élément d'isolation thermique dans lequel est disposé un élément chauffant placé au regard de la charge à tester. Le moyen d'isolation thermique est généralement disposé dans une enceinte de confinement, qui permet de contrôler l'atmosphère à laquelle est soumise la charge. L'équipement interne de cette enceinte de confinement est en général réalisé en deux parties complémentaires, dont l'une est alors montée sur la porte de l'enceinte, de façon qu'à l'ouverture de celle-ci, le volume de l'enceinte soit totalement accessible pour une mise en place aisée des charges d'essais. L'élément chauffant est en général une résistance électrique (souvent dénommée "résistor" par les spécialistes de ce domaine technique), en graphite ou en métal réfractaire, sous forme de plaques adjacentes ou d'un élément plat ou rond à contour crénelé. La résistance électrique peut être remplacée par une pièce conductrice que l'on chauffe par induction (on parle alors d'un "suscepteur"). Dans la suite du texte, on utilisera le terme général "élément chauffant", étant entendu qu'il pourra notamment s'agir d'un résistor ou d'un suscepteur. De tels dispositifs donnent parfaitement satisfaction pour soumettre des charges à des essais dans un environnement à haute température, c'est-à-dire atteignant 1 0000C à 3 2000 C en régime permanent. Cependant, ces dispositifs ne permettent pas de réaliser des traitements comportant des chocs thermiques, c'est-à-dire par lesquels la charge à tester est soumise pendant une très courte durée, par exemple quelques secondes au maximum, à un flux thermique très élevé. En effet, la courbe de montée en puissance de ltélément chauffant limite de facto les variations thermiques envisageables. De tels essais sont pourtant très intéressants, car ils permettent de simuler des chocs thermiques que l'on pourrait rencontrer pour des tuyères ou des faces d'attaque de gouvernes d'aéronefs (lors de la rentrée dans l'atmosphère des engins spatiaux), ou encore dans des situations de déflagration. On pourrait certes faire appel aux techniques de chauffage direct par induction, mais ces techniques génèrent des contraintes d'origine thermique du fait que l'on contrôle mal la dissipation dans l'épaisseur de la charge. De plus, de telles techniques restent limitées à certains matériaux, et elles impliquent une installation à la fois volumineuse et coûteuse. L'invention a précisément pour but de résoudre ce problème, en concevant un dispositif capable de simuler des chocs thermiques très intenses, avec notamment des températures comprises entre 1 0000C et 3 0000C. L'invention a ainsi pour objet de réaliser un dispositif de traitement thermique qui soit capable de soumettre très rapidement une charge à un flux thermique très élevé, conformément à une situation de choc athermique; I1 stagit plus particulièrement d'un dispositif de traitement thermique permettant de soumettre une charge à des chocs thermiques, comportant un élément d'isolation thermique qui entoure un élément chauffant disposé en regard de la charge à tester, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un organe mobile d'isolation thermique, disposé entre l'élément chauffant et la charge à tester, ledit organe d'isolation thermique étant déplaçable de façon à pouvoir passer d'une position d'interposition dans laquelle il constitue un puits thermique, à une position d'effacement dans laquelle la charge reçoit brutalement la totalité du flux thermique émis par l'élément chauffant. Dans le cas particulier où l'élément chauffant est organisé essentiellement cylindriquement, il est avantageux que l'organe mobile d'isolation thermique soit déplaçable dans une direction parallèle à l'axe dudit élément chauffant. De préférence, lorsque l'axe de l'élément chauffant est vertical, il est avantageux que l'organe mobile d'isolation thermique soit déplaçable par un moyen d'actionnement associé entre une position haute d'interposition et une position basse d'effacement. En particulier, le moyen d'actionnement peut être un organe de retenue mobile entre une position de verrouillage dans laquelle il maintient l'organe mobile d'isolation thermique dans sa position haute d'interposition, et une position de libération dans laquelle cet organe mobile tombe par gravité jusqu'à sa position basse d'effacement. En variante, l'organe mobile d'isolation thermique est déplaçable par un moyen d'actionnement associé entre une position basse d'interposition et une position haute d'effacement. De préférence également, le dispositif comporte un moyen de guidage associé à l'organe mobile d'isolation thermique. En particulier, le moyen de guidage est essentiellement constitué par des tiges parallèles sur lesquelles coulisse librement l'organe mobile d'isolation thermique. Avantageusement encore, 1' organe mobile d'isolation thermique est constitué par un écran cylindrique intérieur servant de puits thermique, et un écran cylindrique extérieur, entre lesquels est disposé un matériau de remplissage thermiquement isolant ou réflecteur. De préférence alors, l'écran intérieur est une paroi métallique refroidie par tout moyen connu, par exemple par circulation de fluides, ou par vaporisation d'un matériau, ou encore par effet Peltier, et l'écran extérieur est réalisé en graphite rigide. Conformément à un exemple avantageux, l'écran intérieur est une paroi réalisée en acier ou en cuivre, qui est refroidie par circulation d'eau. Le matériau de remplissage peut être un matériau thermiquement isolant réalisé en fibres de graphite ou d'alumine, ou encore un matériau réflecteur, par exemple réalisé sous forme d'écrans métalliques polis. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la-lumière de la description qui va suivre et du dessin annexé, concernant un mode de réalisation particulier, en référence aux figures ou - la figure 1 illustre en coupe un dispositif de traitement thermique conforme à l'invention, dont l'organe mobile d'isolation thermique est en position d'interposition en constituant un puits thermique ; - la figure 2 illustre le même dispositif avec l'organe mobile d'isolation thermique qui est passé en position d'effacement, dans laquelle la charge à tester est brutalement soumise au flux thermique émis par l'élément chauffant. Les figures 1 et 2 permettent de distinguer un dispositif de traitement thermique 100 conforme à l'invention, dispositif qui est apte à soumettre une charge E à des chocs thermiques très intenses, avec notamment des températures comprises entre 1 0000C et 3 0000C. En l'espèce, la charge E est une barre cylindrique, dont une portion prédéterminée, qui peut être de section plus faible, constitue la zone utile pour l'essai concerné. I1 pourra s'agir d'essais mécaniques en compression et/ou en traction et/ou en torsion, en utilisant un banc d'essai non représenté ici. Le dispositif de traitement permet également de soumettre une charge à des essais mécaniques de flexion, la charge étant alors disposée à l'intérieur de l'enceinte du dispositif sur un support associé.On comprendra ainsi que le mode d'exécution représenté ici, avec une charge en forme de barre traversant l'élément d'isolation du dispositif de traitement, ne doit aucunement être considéré comme une limitation dans le cadre de l'invention. I1 va de soi également que le dispositif de traitement permet d'effectuer des essais non mécaniques (résistance à la corrosion, etc...) dans un environnement à haute température, avec une exposition de la charge à des chocs thermiques. Le dispositif 100 comporte un élément d'isolation thermique ou "isolation" 101, qui présente ici des passages 102 et 103 associés à la charge E, lesdits passages étant ici agencés selon un axe X. Le matériau constitutif de cet élément d'isolation pourra être de type traditionnel, avec une structure en double paroi dont itespace intérieur est occupé par un matériau thermiquement isolant qui peut être de la fibre de graphite ou d'alumine. A l'intérieur de cette isolation 101 est logé un élément chauffant 105 qui est tenu par des supports associés 104. L'élément chauffant 105 est ici organisé cylindriquement autour de l'axe X précité, en regard de la charge à tester E. Lorsqu'on utilise comme cela est illustré ici, une barre traversante, cette barre est de préférence agencée de telle façon que son axe se confonde avec l'axe X, mais s'il s agit d'essais de flexion ou d'autres types d'essais dans lesquels la charge repose sur un support intérieur à l'isolation, la charge est alors centrée sur l'axe X précité. L'élément chauffant 105 peut être réalisé en graphite ou en métal réfractaire, en étant organisé cylindriquement autour de l'axe X précité (sous forme par exemple de plaques adjacentes, ou d'un élément plat ou rond à contour crénelé). En variante, on pourra naturellement utiliser un élément en fils toronnés, en tantale, en molybdène, ou encore en tungstène, ou encore un suscepteur chauffé par induction. Dans la pratique, l'élément d'isolation thermique sera disposé dans une enceinte de confinement 140 (schématisée en traits mixtes sur les figures), comportant des traversées 141 pour le passage de la charge E, l'élément d'isolation 101 et l'élément chauffant 105 étant alors de préférence réalisés en deux parties complémentaires dont l'une est fixée au fond de l'enceinte de confinement, et dont l'autre est montée sur la porte de cette enceinte, de façon qu'à l'ouverture de celle-ci, le volume de l'enceinte soit totalement accessible pour une mise en place aisée des charges à tester. Un tel élément chauffant peut être un "résistor", et les spécialistes utilisent déjà de tels éléments chauffants pour réaliser un chauffage par rayonnement. Le flux thermique émis par l'élément chauffant 105 est ici symbolisé par des flèches dirigées vers l'axe X autour duquel est agencé ledit élément chauffant. Conformément à un aspect essentiel de l'invention, le dispositif comporte en outre un organe mobile d'isolation thermique 106, ici de forme générale cylindrique, qui est disposé entre l'élément chauffant 105 et la charge E en entourant ladite charge : l'organe mobile d'isolation thermique est déplaçable de façon à pouvoir passer d'une position d'interposition (illustrée à la figure 1) dans laquelle il constitue un puits thermique pour la zone axiale dans laquelle est disposée la charge à tester, à une position d'effacement (figure2) dans laquelle la charge E reçoit brutalement la totalité du flux thermique émis par l'élément chauffant 105 (et naturellement aussi par l'écran intérieur de l'élément d'isolation 101 qui est fixe). L'organe mobile d'isolation thermique 106 constitue ainsi un véritable puits thermique mobile, agencé dans l'espace central 130 de l'élément chauffant 105, en étant ici déplaçable dans une direction essentiellement parallèle à l'axe X. L'effacement de cet organe mobile d'isolation thermique 106 peut être organisé de multiples façons. Il suffit pour cela de prévoir un moyen d'actionnement convenable qui soit à la fois capable de déplacer très rapidement l'organe mobile d'isolation thermique 106, tout en étant capable de supporter les températures très élevées régnant au voisinage direct de l'élément chauffant 105. Dans la pratique, l'axe X de l'élément chauffant 105 sera vertical, et l'on peut alors mettre à profit la possibilité de réaliser l'effacement de l'organe mobile d'isolation thermique 106 par une simple chute par gravité. En l'espèce, l'organe mobile d'isolation thermique 106 est déplacable par un moyen d'actionnement associé 107 entre une position haute d'interposition (figure 1) et une position basse d'effacement (figure 2), ce moyen d'actionnement étant ici réalisé sous la forme d'un organe de retenue 109 qui coulisse dans un petit boîtier adéquat 108 fixé sur l'élément d'isolation 101, cet organe de retenue ayant la forme d'une tige dont l'extrémité est agencée pour pénétrer dans un perçage 111 de l'organe mobile d'isolation thermique 106, avec éventuellement un appui par une butée associée 109.1, ledit organe étant par exemple soumis à l'action d'un ressort 110 tendant à maintenir le verrouillage comme cela est illustré sur la figure 1. Le déverrouillage peut être effectué par un électro-aimant ou par tout système équivalent.L'organe de retenue 109 est ainsi mobile entre une position de verrouillage dans laquelle il maintient l'organe mobile d'isolation thermique 106 dans sa position haute d'interposition, et une position de libération dans laquelle ledit organe mobile 106 tombe par gravité jusqu'à sa position basse d'effacement, comme cela est schématisé par la flèche 200 sur la figure 2. On pourra naturellement, en variante, prévoir un escamotage de l'organe mobile d'isolation thermique 106 vers le haut, en dégageant alors la partie supérieure de l'élément d'isolation 101, et en prévoyant un moyen d'actionnement adéquat, par exemple un système articulé ou un vérin de commande, pour déplacer très rapidement l'organe mobile 106 entre une position basse d'interposition et une position haute d'effacement. Il convient naturellement de faire en sorte, que, lors de sa chute, l'organe mobile 106 ne touche pas l'élément chauffant 105, ce qui aurait pour effet de court- circuiter les deux amenées de courant dudit élément chauffant. I1 est alors intéressant de prévoir à cet effet un moyen de guidage associé à l'organe mobile d'isolation thermique 106. En l'espèce, le dispositif de traitement 100 comporte un moyen de guidage 112 qui est essentiellement constitué par des tiges parallèles 113 sur lesquelles coulisse librement l'organe mobile 106. Ces tiges sont naturellement parallèles à l'axe X de l'élément chauffant, et sont par exemple fixées sur une embase 114.Il pourra s'avérer avantageux de prévoir des petits ressorts 115 en partie basse des tiges de guidage 113, afin d'éviter une chute trop brutale de l'organe mobile 106 lorsque celui-ci passe d'un coup à sa position d'effacement. I1 pourra éventuellement être prévu de déplacer l'organe mobile 106 selon une séquence prédéterminée, ledit organe passant alternaltivement de sa position d'inter- position à sa position d'effacement. L'organe mobile d'isolation thermique 106 est de préférence constitué par un écran cylindrique intérieur 118 servant de puits thermique, et un écran extérieur 119, entre lesquels est disposé un matériau de remplissage 120 thermiquement isolant ou réflecteur. Ces deux écrans 118 et 119 sont de préférence maintenus par des fonds 126 et 127, qui présentent des perçages 116 et 117 pour le passage des tiges de guidage 113. L'écran intérieur 118 servant de puits thermique est avantageusement, comme cela est illustré ici, une paroi métallique refroidie par tout moyen connu, par exemple par circulation de fluides (ou par vaporisation d'un matériau, ou encore par effet Peltier). On distingue ainsi une double paroi 121, 122 entre lesquelles sont définis des passages 123 que peut emprunter un fluide de refroidissement arrivant par une conduite d'amenée 124, et sortant par une conduite associée 125. De préférence, cette double paroi sera réalisée en acier ou en cuivre, et sera refroidie par circulation d'eau. On pourra naturellement utiliser de l'azote gazeux ou un réfrigérant à base de chlore et de fluor pour le refroidissement de cette double paroi, mais la technologie est alors plus délicate à maîtriser.L'écran extérieur 119 sera quant à lui de préférence réalisé en graphite rigide, ou en métal réfractaire adapté aux hautes températures. Le matériau de remplissage 120 occupant l'espace intermédiaire entre les deux écrans 118 et 119 pourra être un matériau thermiquement isolant, par exemple de la fibre de graphite ou d'alumine, ou encore un matériau réflecteur, par exemple réalisé sous forme d'un jeu d'écrans métalliques polis. On est ainsi parvenu à concevoir un dispositif de traitement capable de simuler des chocs thermiques très intenses, avec notamment des températures comprises entre 1 000 OC et 3 0000C. Ce dispositif est en effet capable de soumettre très rapidement une charge à tester à un flux thermique très élevé, conformément à une situation de choc thermique. Le dispositif de l'invention est en outre peu encombrant, et le coût de fabrication reste très raisonnable. De plus , on est tout à fait certain d'éviter les surchauffes locales, dans la mesure où on ne peut dépasser la température de l'élément chauffant, ce qui n'est pas le cas avec les techniques de chauffage à induction du fait de l'effet de peau. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toute variante reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques essentielles énoncées plus haut. REVENDICATIONS 1. Dispositif de traitement thermique permettant de soumettre une charge à des chocs thermiques, comportant un élément d'isolation thermique qui entoure un élément chauffant disposé au regard de la charge à tester, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un organe mobile d'isolation thermique (106) disposé entre l'élément chauffant (105) et la charge (E) à tester, ledit organe d'isolation thermique étant déplaçable de façon à pouvoir passer d'une position d'interposition dans laquelle il constitue un puits thermique, à une position d'effacement dans laquelle la charge (E) reçoit brutalement la totalité du flux thermique émis par l'élément chauffant (105). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'élément chauffant (105) est organisé essentiellement cylindriquement, caractérisé par le fait que l'organe mobile d'isolation thermique (106) est déplaçable dans une direction parallèle à l'axe (X) dudit élément chauffant. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'axe (X) de l'élément chauffant (105) est vertical, caractérisé par le fait que l'organe mobile d'isolation thermique (106) est déplaçable par un moyen d'actionnement associé (107) entre une position haute d'interposition et une position basse d'effacement. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le moyen d'actionnement est un organe de retenue (109) mobile entre une position de verrouillage dans laquelle il maintient l'organe mobile d'isolation thermique (106) dans sa position haute d'interposition, et une position de libération dans laquelle cet organe mobile (106) tombe par gravité jusqu'à sa position basse d'effacement. 5. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'axe (X) de l'élément chauffant (105) est vertical, caractérisé par le fait que l'organe mobile d'isolation thermique (106) est déplaçable par un moyen d'actionnement associé entre une position basse d'interposition et une position haute d'effacement. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qutil comporte un moyen de guidage (112) associé à l'organe mobile d'isolation thermique (106). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le moyen de guidage (112) est essentiellement constitué par des tiges parallèles (113) sur lesquelles coulisse librement l'organe mobile d'isolation thermique (106). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'organe mobile d'isolation thermique (106) est constitué par un écran cylindrique intérieur (118), servant de puits thermique, et un écran cylindrique extérieur (119), entre lesquels est disposé un matériau de remplissage thermiquement isolant ou réflecteur (120). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'écran intérieur (118) est une paroi métallique refroidie par tout moyen connu, par exemple par circulation de fluides, par vaporisation d'un matériau, ou par effet Peltier, et que l'écran extérieur (119) est réalisé en graphite rigide ou en métal réfractaire adapté aux hautes températures. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'écran intérieur (118) est une paroi réalisée en acier ou en cuivre, et est refroidie par circulation d'eau. 11. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le matériau de remplissage (120) est un matériau thermiquement isolant réalisé en fibres de graphite ou d'alumine. 12. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le matériau de remplissage (120) est un jeu d'écrans métalliques polis.