Brevet FR2705444A1 — publié le 19941125

DISPOSITIF DE CHAUFFAGE PAR INDUCTION La présente invention concerne les dispositifs de chauffage par induction et plus particulièrement de tels dispositifs destinés au traitement thermique de pièces (ou charges). Pour échauffer superficiellement une charge par induction, on utilise un inducteur (enroulement à faible nombre de spires) qui, soit entoure la charge pour échauffer sa surface externe, soit est introduit à l'intérieur de la charge pour échauffer la paroi interne d'un évidement. L'enroulement est parcouru par un courant alternatif de fréquence comprise entre 3 et 300 kHz environ et d T intensité comprise entre 500 et 2000 amperes environ. Ce courant induit dans la charge des courants de Foucault qui provoquent un échauffement par effet Joule. En reglant la fréquence du courant de l'inducteur, on regle la profondeur d'échauffement de la charge ; plus la fréquence est élevée, plus ltéchauffement est superficiel. Ainsi, lors d'une opération de trempe, on peut effectuer une trempe en surface ou une trempe plus profonde selon la fréquence choisie initialement à l'échauffement. Comme T échauffement d'une charge se produit préférentiellement au voisinage immédiat des spires de T enroulement, et que ces s spires ne sont généralement pas jointives, la charge doit être mise en rotation afin quelle soit échauffée uniformément. L'entraînement en rotation d'une charge de petite taille ne pose pas de problème particulier. Toutefois, la charge peut, dans de nombreux cas, être solidaire d'une pièce mécanique beaucoup plus importante qui est particulièrement difficile à entraîner en rotation. Par exemple, on peut vouloir effectuer un traitement thermique des parois internes des cylindres d'un bloc moteur ; dans ce cas, il faut entraîner en rotation le bloc moteur autour de T axe du cylindre à traiter, et ceci pour chaque cylindre. Pour remédier à cet inconvénient, on a essayé de faire tourner l'inducteur plutôt que de faire tourner la charge. Toutefois, on 5T est heurté à de nombreux problèmes qui ont entraîné T abandon de cette solution. Comme on 1 Ta précédemment indiqué, l'inducteur est parcouru par des courants de très forte valeur (500 à 2000 ampères) et doit par conséquent être refroidi. Pour cela, les spires de l'inducteur sont généralement formées par un tube en cuivre dans lequel on fait circuler un liquide tel que de T eau. Ainsi, pour rendre un inducteur tournant, il faut résoudre un double problème qui est d'assurer l'alimentation de T inducteur en liquide et en courant élevé. Jusqu 'à maintenant, aucune solution satisfaisante n' a été trouvée pour résoudre ce double problème. Un objet de la présente invention est de prévoir un élément tournant de chauffage par induction qui offre une solution satisfaisante aux problèmes d'alimentation en courant et en liquide de refroidissement. Pour atteindre cet objet, T invention propose d'utili- ser comme inducteur le secondaire d'un transformateur et de faire tourner ce secondaire. La transmission des courants vers l'inducteur tournant se fait donc par couplage électromagnétique et ne pose plus de problème de connexion. L'alimentation en liquide de refroidissement de l'inducteur tournant est résolue en montant cet élément sur un joint tournant commercialement disponible. La présente invention vise plus particulièrement un dispositif de chauffage par induction d'une charge, comprenant un élément de chauffage refroidi par fluide et parcouru par un courant agissant par induction directement sur la charge. Selon l'invention, ledit courant est un courant secondaire induit par un enroulement primaire et des moyens sont prévus pour entraîner l'élément de chauffage en rotation autour de l'axe de T l'enroule- ment primaire. L'élément de chauffage est monté sur un joint tournant permettant d'assurer l'alimentation de T élément de chauffage en fluide de refroidissement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'élément de chauffage est monté sur le joint par 1 'intermé- diaire d'une pièce d'adaptation permettant de faire communiquer des orifices d'alimentation de T élément de chauffage avec des conduits de fluide du joint tournant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 1 'élément de chauffage est formé d' au moins un secteur annulaire creux conducteur comprenant à l'intérieur au moins un tube d'amenée de fluide T étendant axialement et ouvert à proximité de l'extrémité du secteur annulaire du côté opposé au joint tournant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'élément de chauffage est disposé à l'intérieur de T l'enrou- lement primaire, la charge étant à introduire dans T l'élément de chauffage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'enroulement primaire est disposé à T l'intérieur de l'élément de chauffage, ce dernier étant destiné à être introduit dans un évidement de la charge. Il est prévu un ncyau magnétique à l'intérieur de T enroulement primaire. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le secteur annulaire est à section axiale trapézoïdale. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les parties interne et externe du secteur annulaire sont conductrioes s et les flancs du secteur isolants. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente en perspective un dispositif classique de fusion par induction ; les figures 2A et 2B représentent en perspective et en coupe un mode de réalisation de dispositif de chauffage par induction selon la présente invention la figure 3 représente un autre mode de réalisation de dispositif de chauffage par induction selon la présente invention ; et la figure 4 représente un autre mode de réalisation de dispositif de chauffage par induction selon la présente invention. La figure 1 représente un dispositif de chauffage par induction classique, dit creuset froid. Une des applications du creuset froid est la fusion de matières à point de fusion très élevé (verres et autres matériaux réfractaires), notamment à point de fusion plus élevé que celui du matériau constituant le creuset. La paroi interne du creuset froid est protégée, au cours d'une opération de fusion, par un revêtement formé par la solidification locale de la matière en fusion. Le creuset froid inductif sert aussi à réaliser une torche à plasma, le plasma pouvant atteindre 10 000"C dans le creuset. Diverses applications du creuset froid sont décrites dans Industrie Cfe, N"10, septembre 1991. Le creuset froid de la figure 1 comprend un inducteur 10 bobiné autour d'une cage cylindrique 12. La matière à traiter 14 est disposée à l'intérieur de la cage 12. La cage 12 est formée d'une pluralité de secteurs annulaires creux 12-1, appelés segments, séparés par des isolants 12-2. Le rôle de cette segmentation sera compris ultérieurement. La cage 12 est telle que le matériau le constituant ne puisse être détérioré par les très hautes températures régnant à son intérieur. Pour cela, elle est énergiquement refroidie par un écoulement de liquide à l'intérieur des segments 12-1. Ces segments sont fixés sur un socle commun 16 muni d'un conduit d'amenee d'eau 16-1 et d'un conduit de sortie d'eau 16-2. Le conduit 16-2 communique, par exemple, avec la base de chaque segment 12-1. En outre, chaque segment est muni d'un tube 18 communiquant avec le conduit 16-1 et ouvert à proximité de I'extrinité de la cage 12, du côté opposé au socle 16. L'inducteur 10 est également refroidi et il est pour cela constitué d'un tube dans lequel circule de 1' eau. Si lton avait trouvé un matériau isolant électrique et suffisamment bon conducteur thermique pour réaliser la cage 12, cette dernière serait annulaire et non segmentée. Toutefois, le matériau le plus adéquat que l'on ait trouvé est le cuivre, qui est aussi bon conducteur électrique. La cage est donc segmentée pour assurer un transfert de 1' énergie électromagnétique de l'inducteur 10 vers la matière 14 à fondre. Dans des applications courantes du creuset froid, le courant d'induction peut atteindre une intensité de 500 ampères et une fréquence de quelques mégahertz. Dans ces conditions, il peut naître une tension élevée entre deux segments de la cage, qui pourrait détruire 1' isolant 12-2 disposé entre les segments. Ce problème est évité en utilisant un nombre suffisant de segments 12-1. La figure 2A représente un mode de réalisation de dispositif de chauffage par induction selon la présente invention, destiné à échauffer superficiellement une charge 19. Dans cette figure, des éléments similaires à ceux de la figure 1 sont désignés par des mêmes références. On a représente notamment un enroulement 10 entourant une cage 12 de façon similaire à la figure 1. Pour des raisons décrites ultérieurement, la cage 12 est de préférence constituée d'un segment unique. Selon l'invention, la fonction principale de la cage 12 n' est plus de refroidir ou de contenir, comme pour le creuset froid classique de la figure 1. Sa fonction principale est, par contre, de former le secondaire d'un transformateur dont le primaire est formé par l'enroulement 10. Ainsi, comme cela sera décrit ci-dessous, un courant primaire dans 1 'enroulement 10 génère dans la cage 12 un courant secondaire qui échauffe directement la charge 19 se trouvant à l'intérieur de la cage. Pour assurer un échauffement homogene de la charge, la cage 12 est entrainée en rotation autour de son axe, ce qui ne pose aucun problème de connexion électrique pour alimenter la cage en courant, puisque le courant nécessaire est obtenu par couplage électromagnétique. La figure 2B illustre le principe de fonctionnament de 1 'élément de chauffage de la figure 2A. Un courant Ip circule dans l'enroulement primaire 10, par exemple dans le sens contraire des aiguilles d'une montre. Ce courant Ip induit dans la paroi externe de l'unique segment un courant secondaire Is dans le sens des aiguilles d'une montre. Le courant Is se reboucle en passant par la paroi interne du segment. Ce courant circulant dans la paroi interne du segment (dans le meme sens que le courant primaire Ip) induit des courants de Foucault dans la charge 19, qui échauffent celle-ci. Dans le domaine des traitements thermiques, la fréquence des courants d'induction est relativement basse (de 1 'ordre de 3 à 300 kHz) et le diamètre de la cage est généralement plus faible (présente une inductance moindre) que celui d'un creuset froid. I1 en résulte que la tension naissant entre les deux extrémités de 1' unique segment est faible. Si cette tension venait à être importante, les deux extrémités du segment pourraient être écartées davantage sans que cela ne nuise à la fonction principale de la cage (il est par ailleurs inutile de prévoir un isolant 12-2 entre ces extrémités). Si N est le nombre de segments, la distance parcourue par le courant secondaire Is est sensiblement égale à Ce+Ci+2N(Re-Ri), où Ce et Ci sont les circonférences externe et interne de la cage et où Re et Ri sont les rayons externe et interne de la cage. I1 est avantageux de prévoir un seul segment (N=1), car la distance parcourue par le courant Is est alors minimale et les pertes par effet Joule sont donc minimales. Bien entendu, la cage 12 doit toujours être refroidie, puisqu'elle s'échauffe quand même par effet Joule, mais le refroidissement n' a pas besoin d'être aussi énergique que dans le cas du creuset froid de la figure 1. Le segment unique de la cage est muni d'une quantité suffisante de tubes 18 pour assurer son refroidissement. L'alimentation de la cage en liquide de refroidissement est réalisée de manière simple grâce à un joint tournant 20. La cage 12 et les tubes 18 sont montés sur la partie rotative 20-1 du joint tournant 20, à la place du socle fixe 16 de la figure 1. Le joint tournant 20 est, par exemple, un joint de la série MC fabriqué par la société Gautier. Afin de faire communiquer les tubes 18 avec un premier orifice de la partie rotative 20-1 et la cage 12 avec un deuxième orifice de la partie rotative 20-1, la cage 12 et les tubes 18 sont montés sur la partie rotative 20-1 par l'intermédiaire d'une pièce d'adaptation 22. Les orifices susmentionnés communiquent avec des conduits 20-2 et 20-3 de la partie fixe 20-4 du joint tournant. Dans le cas où la cage est de faible hauteur (c'està-dire si sa section axiale est proche d'un carré), il suffit de relier les deux extrémités du segment respectivement aux deux orifices susmentionnés de la partie rotative du joint tournant, par exemple à l'aide de deux tubes. Pour entraîner la cage 12 en rotation, on prévoit, par exemple, un moteur 24 monté sur la partie fixe 20-4 du joint tournant, qui entraine la partie rotative 20-1 par 1 'intermé- diaire d'un galet de friction 26 (ou bien par un engrenage). Le dispositif des figures 2A et 2B est destiné à échauffer des charges 14 introduites dans la cage 12. La figure 3 représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention permettant d'échauffer l'intérieur d'une charge 19'. La cage 12 est disposée dans un évidement cylindrique de la charge 19', dont on veut échauffer les parois. L'enroulement primaire, ici noté 10', est disposé à l'intérieur de la cage 12. Les deux extrémités de l'enroulement 10' pourront être reliées à une source d'alimentation (en eau et en courant) à travers un passage central du joint tournant. Dans le cas où l'on traite un cylindre ouvert des deux extrémités, l'enroulement 10' pourra être indépendant de la cage 12. Dans ce cas, la cage 12 est introduite par une extrémité du cylindre et 1 'enrou- lement 10' par l'autre. Pour améliorer le rendement du dispositif, 1 'enroule- ment 10' est bobiné autour d'un noyau magnétique 28. La figure 4 représente une vue en perspective coupée d'un autre mode de réalisation de dispositif de chauffe selon la présente invention, également adapté à échauffer l'intérieur d'une charge. La section axiale de la cage, ici notée 12', est trapézoïdale. La cage comprend, comme dans les figures précédentes, un ou plusieurs segments (de préférence un seul). Avec cette configuration trapézoïdale, on a un effet de concentration de densité de courant dans la partie la moins haute du trapèze, ce qui augmente 1 'efficacité de chauffe à ce niveau. Dans l'exemple de la figure 4, la partie externe de la cage est deux fois moins haute que la partie interne. Ainsi, la densité de courant 2j dans la partie externe est approximative ment deux fois plus importante que celle, j, dans la partie interne. Comme cela est représenté, les tubes de refroidi sement 18 traversent 1 un des flancs obliques de la cage et servent éventuellement à supporter la cage. Dans le cas où la cage est de faible hauteur, on prévoit seulement deux tubes 18, l'un d'entrée de liquide et 1 'autre de sortie de liquide. Si la cage est entièrement métallique, l'effet de concentration est sensiblement réduit par la naissance de courants dans les flancs obliques de la cage. Pour réduire ces pertes, la cage 12' est formée d'une bague conductrice interne 12'i et d'une bague conductrice externe 12'e connectées entre elles par des plaques trapézoïdales au niveau des séparations entre segments de la cage. Les flancs obliques de la cage sont, par contre, en un matériau isolant brasé ou collé sur les bagues 12'e et 12'i. Bien entendu, pour réaliser un dispositif de chauffe similaire, mais pour des charges à introduire dans celui-ci, la partie interne de la cage est moins haute que la partie externe. REVEND ICAT IONS 1. Dispositif de chauffage par induction d'une charge (19), comprenant un élément de chauffage (12) refroidi par fluide et parcouru par un courant (Is) agissant par induction directement sur la charge, caractérisé en ce que ledit courant est un courant secondaire induit par un enroulement primaire (10), des moyens (24, 26) sont prévus pour entraîner 1 'élé- ment de chauffage en rotation autour de l'axe de l'enroulement primaire, et l'élément de chauffage est monté sur un j oint tournant (20) permettant d'assurer l'alimentation de l'élément de chauffage en fluide de refroidissement. 2. Dispositif de chauffage par induction selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de chauffage (12) est monté sur le joint par l'intermédiaire d'une pièce d'adaptation (22) permettant de faire communiquer des orifices d'alimentation de l'élément de chauffage avec des conduits de fluide du joint tournant. 3. Dispositif de chauffage par induction selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de chauffage est formé d'au moins un secteur annulaire creux conducteur (12). 4. Dispositif de chauffage par induction selon la revendication 3, caractérisé en ce que le secteur annulaire comprend à l'intérieur au moins un tube (18) d'amenée de fluide s'étendant axialement et ouvert à proximité de 1 'extrémité du secteur annulaire du côté opposé au joint tournant (20). 5. Dispositif de chauffage par induction selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de chauffage (12) est disposé à l'intérieur de l'enroulement primaire (10), la charge (14) étant à introduire dans l'élément de chauffage. 6. Dispositif de chauffage par induction selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1 'enroulement primaire (10') est disposé à l'intérieur de l'élément de chauffage (12), ce dernier étant destiné à être introduit dans un évidement de la charge (14'), et en ce qu'il est prévu un noyau magnétique (28) à l'intérieur de l'enroulement primaire. 7. Dispositif de chauffage par induction selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit au moins un secteur annulaire (12') est à section axiale trapézoidale. 8. Dispositif de chauffage par induction selon la revendication 7, caractérisé en ce que les parties interne et externe (12'i, 12'e) du secteur annulaire (12') sont conductrices et les flancs du secteur isolants.