Brevet FR2701096A1 — publié le 19940805

La présente invention a trait à des perfectionnements apportés aux fours de traitement thermique sous vide à refroidissement par courant de gaz. On sait que L'efficacité des traitements thermiques sous courant de gaz dans un four à vide est fonction de sa capacité à refroidir une charge de pièces à traiter dans un temps minimal La qualité essentielle d'un tel four réside dans sa capacité de refroidissement en degrés par minute pour une charge donnée. Les fours à vide du genre en question comportent de manière généra- le une circulation en circuit fermé d'un gaz neutre (en général de l'azote ou de l'argon) Cette circulation est assurée par un ventilateur centrifuge qui fait circuler le gaz alternativement sur la charge à refroidir et sur un échangeur de chaleur à circulation d'eau, afin de refroidir le gaz. La pression du gaz dans le four est en général supérieure à la pression atmosphérique pour améliorer la vitesse de refroidissement. Les échanges de chaleur entre la charge et le gaz et entre le gaz et l'échangeur sont des transferts convectifs par convection forcée. Le calcul du coefficient de convection est réalisé au moyen de la formule de Grimison: soit:()/q t (i) (C X)/3 dans laquelle c R. D/À est le nombre de Nusselt D est le nombre de Reynolds cp.7/est le nombre de Prandt avec d(W/m 2 C) coefficient de transmission rapporté à la surface extérieure G (Kg/m 2 s) vitesse massique dans la section minimale L) (m) diamètre extérieur de la section d'échange viscosité du fluide (PI) Cp (J/kg C) chaleur massique du fluide t (W/m C) conductivité du fluide p (kg/m 3) masse volumique du fluide M (kg/S) débit-masse b et q sont des constantes qui varient avec la géométrie de la charge ou de l'échangeur et avec la nature de l'écoulement Dans le cas o les pièces sont en quinconce, on prend b = 0,5 \ C p sont les paramètres physiques du gaz de refroidis- sement D, b, q sont des constantes du four et de la charge La vitesse de refroidissement étant proportionnelle au coefficient de transmission c>, il suffit d'augmenter cette valeur pour améliorer les performances d'un four Dans la formule de Grimison, seul le nombre de Reynolds comprend un terme indépendant du gaz et de la géométrie du four: c'est la valeur G (vitesse massique du fluide). On sait que Cvarie en fonction de G O '5 Il existe deux solutions pour faire varier cette valeur G. On peut tout d'abord appliquer un facteur 2 sur le débit de gaz. Cette solution n'entraîne pas de modification de la consommation de gaz, pas de modification de la résistance mécanique de l'enceinte, pas de variation du temps de remplissage de l'enceinte avec des ballons de stockage du gaz standard, d'o l'obtention d'un maximum d'efficacité de la trempe dès la première minute Ce facteur 2 sur le débit entraîne le doublement de la valeur de G. Par contre, cette augmentation du débit conduit à installer un moto-ventilateur huit fois plus puissant que pour le débit de base, car les pertes de charge sont affectées d'un facteur 4 De plus, l'augmen- tation du diamètre de la turbine ou de sa vitesse est limitée par sa résistance mécanique. On peut, suivant la seconde solution, appliquer un facteur 2 sur la pression du gaz, ce qui conduit à doubler la puissance du moteur du ven- tilateur sans modification du débit volumique de la turbine, donc en utilisant la même turbine quelle que soit la pression dans le four. Cette solution présente de graves inconvénients, c'est-à-dire de doubler la consommation de gaz, de fabriquer des enceintes à résistance mécani- que élevée et d'utiliser des ballons de stockage du gaz à pression im- portante Cette augmentation de pression conduit aussi à augmenter les temps de remplissage de l'enceinte, donc à diminuer la vitesse de re- froidissement dans la première minute du traitement thermique, moment décisif pour celui-ci. Les perfectionnements qui font l'objet de la présente invention visent à permettre l'adoption d'une solution assurant au four des vites- ses de refroidissement élevées, donc comportant les avantages des deux solutions ci-dessus, mais en éliminant leurs inconvénients. A cet effet, la solution retenue consiste à augmenter la vitesse du gaz de refroidissement, donc le débit volumique de l'ensemble de venti- lation, tout en permettant l'utilisation de ventilateurs standards et en limitant la puissance du moteur d'entraînement du ventilateur. A cet effet, le four de traitement thermique suivant l'invention est pourvu de deux ventilateurs montés en parallèle. Ceci permet le doublement du débit de ventilation, l'utilisation de turbines standards dans une gamme de vitesses usuelles ( 1500 ou 3000 tours/minute) sans augmentation de la vitesse périphérique des ventila- teurs De cette manière, on double la section de refoulement et d'aspi- ration, de sorte qu'on ne modifie pas les pertes de pression dans les conduits proches des ventilateurs Le montage des deux ventilateurs en parallèLe permet de doubler facilement la section frontale de l'échan- geur pour ne pas modifier les pertes de pression au travers de celui-ci tout en acceptant un doublement de sa surface efficace. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer: La figure unique est une coupe longitudinale d'un four compor- tant application des perfectionnements suivant l'invention. Le four suivant l'invention comprend à la manière usuelle une enveloppe extérieure cylindrique 1 dont l'arrière est fermé par un fond plat 2, tandis que l'avant comporte une porte 3 L'enveloppe 1 est montée sur des pieds la au moyen desquels le four repose sur le sol Le fond 2 supporte un moteur à bride 4 dont l'arbre 4 a s'étend à l'inté- rieur de l'enveloppe 1 Bien entendu, le fond 2 est monté de manière étanche par rapport à l'enveloppe 1. A l'intérieur de l'enveloppe 1 se trouve une enceinte 5 dans la- quelle on place une charge à traiter 6 constituée généralement par une multiplicité de pièces séparées empilées sur une plateforme non repré- sentée. Entre le fond 2 et l'enceinte 5 se trouve à la manière connue une volute tournante 7, montée à rotation par rapport à l'enceinte 5 au moyen de guidages circulaires 8 La volute est associée à une roue den- tée qui engrène avec un pignon monté à l'extrémité de l'arbre d'un moteur électrique, le tout n'étant pas représenté car une telle disposi- tion est bien connue par exemple par le brevet européen O 289 435 de la présente Demanderesse Autour de la volute, on observe la présence d'un échangeur tubulaire de chaleur 9. Conformément à l'invention, l'arbre 4 a du moteur électrique 4 porte deux turbines 10 identiques, mais montées tête-bêche de manière que leurs aspirations se trouvent opposée Sl'une par rapport à l'autre, tandis que les flux engendrés par les deux turbines soient parallèles et orientés dans le sens des flèches F 1 et F 2. Bien entendu, la volute tournante 7 est prévue double afin que les aspirations des deux turbines s'effectuent de manière opposée par rap- port au plan de symétrie des deux turbines, c'est-à-dire suivant les flèches F 3 et F 4 Grâce à cette solution, on peut limiter la puissance du moteur 4 à celle nécessaire lorsqu'on adopte la solution habituelle de multiplier la pression par 2 On ne modifie pas la vitesse de l'en- semble de ventilation grâce à l'utilisation de turbines standards La consommation de gaz ne subit, en utilisant la solution suivant l'inven- tion, qu'une faible modification, de l'ordre de 20 % par rapport à la consommation de gaz nécessaire, correspondant à une augmentation de la vitesse de refroidissement en augmentant la pression. On notera que la pression réglable du courant de gaz est préféra- blement comprise entre 0,5 M Pa et IM Pa et que ce gaz peut être de l'azote, de l'argon, de l'hélium ou des mélanges de ces gaz ou de leurs dérivés. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domai- ne de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. R E V E N D I C A T I O N S 1 Four de traitement thermique sous vide comportant une enceinte chauffante ( 5) dans laquelle on fait circuler un courant de gaz refroidi dans un échangeur de chaleur ( 9), le gaz refroidi étant envoyé dans une volute tournante ( 7), caractérisé en ce que deux turbines centrifuges ( 10) sont montées en parallèle dans l'enveloppe ( 1) du four pour faire circuler le gaz refroidi en direction de la charge à traiter. 2 Four suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux turbines centrifuges ( 10) sont calées côte à côte sur le même arbre moteur. 3 Four suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que le gaz de refroidissement utilisé est de l'azote, de l'argon, de l'hélium ou des mélanges de ces gaz. 4 Four suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la pression du gaz est comprise entre 0,5 M Pa et 1 M Pa.