Brevet FR2730589A1 — publié le 19960814

La présente invention est relative à un dispositif d'alimentation d'un appareil laser à mélange gazeux, du type comprenant une première conduite servant à amener un premier gaz à l'appareil, une deuxième conduite servant à amener à l'appareil un deuxième gaz destiné à se mélanger au premier gaz, une troisième conduite servant à recycler le mélange des deux gaz issu de l'appareil, et un perméateur dont l'entrée est reliée à la troisième conduite, dont la sortie de perméat est reliée à la deuxième conduite, et dont la sortie de rejet est reliée à la première conduite. Les pressions dont il est question ci-dessous sont des pressions absolues. Le FR-A-2 692 729 au nom de la Demanderesse décrit un dispositif d'alimentation en azote et en C02 du type précité. Ce dispositif est destiné à un appareil laser de puissance pour la découpe de matériaux, compre- nant un générateur de flux d'azote excité du type à décharge électrique froide fonctionnant à une pression supérieure à 0,3 x 105 Pa, et couplé à un guide d'onde à miroirs, opposés suivant une direction principale du guide d'onde. Par "décharge électrique froide", on entend la formation d'espèces excitées dans un mélange gazeux, la température des espèces électriquement neutres du mélange gazeux n'excédant pas 250 C, plus généralement C. Ce type de décharge est également appelée, selon les auteurs, par exemple "décharge couronne", "Atmosphe- ric Pressure Glow Discharge", "Barrier Discharge" ou encore "Silent Discharge". La pression de fonctionnement optimale de cet appareil laser, du point de la puissance et du rendement, est d'environ 400 à 500 millibars. L'invention a pour but d'assurer l'alimentation de l'appareil, le recyclage du mélange gazeux et sa séparation par perméation de façon particu- lièrement économique. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'alimentation du type précité, caractérisé en ce qu'une turbine de détente est montée dans la première conduite, en ce qu'un compresseur d'aspiration est monté dans la troisième conduite, et en ce que l'énergie mécanique développée par la turbine est utilisée pour entraîner le compresseur d'aspiration. Le dispositif d'alimentation suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caracté- ristiques suivantes: - la roue de la turbine et celle du compres- seur d'aspiration sont calées sur un même arbre; - un second compresseur, entraîné par une source d'énergie extérieure, est monté dans la troisième conduite en aval du compresseur d'aspiration; - la sortie de rejet du perméateur est reliée à la première conduite via un second perméateur dont l'entrée est reliée à la sortie de rejet du premier perméateur, dont la sortie de rejet est reliée à la première conduite, et dont la sortie de perméat est reliée au refoulement du compresseur d'aspiration; - le dispositif comprend un échangeur de chaleur qui met en relation d'échange thermique la première conduite, en aval (respectivement en amont) de la turbine, et la troisième conduite, en amont (respecti- vement en aval) du compresseur d'aspiration; - le dispositif comprend un échangeur de chaleur qui met en relation d'échange thermique la première conduite, en amont de la turbine, et la troi- sième conduite, en amont du compresseur d'aspiration. - le dispositif comprend des moyens de refroidissement du ou des perméateurs; - la turbine et le compresseur d'aspiration sont du type à paliers gaz; - le premier gaz est au moins essentiellement de l'azote et le deuxième gaz contient de l'anhydride carbonique. L'invention a également pour objet un appareil laser à mélange gazeux équipé d'un dispositif d'alimentation tel que défini ci-dessus. Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexes, sur lesquels: - la Figure 1 est une vue schématique illustrant l'agencement de principe d'un appareil selon l'invention; - la Figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'un appareil selon l'invention; - la Figure 3 représente schématiquement un dispositif suivant l'invention, destiné à l'alimentation en gaz de l'appareil de la Figure 2; et - les Figures 4 et 5 sont des vues analogues de deux variantes, respectivement. Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence. L'appareil selon l'invention représenté sur la Figure 1 comprend un générateur de décharge 1 déli- vrant en sortie un flux de gaz comprenant des molécules d'azote excitées, fourni à une cavité résonante cons- tituée par un guide d'onde, par exemple un tronçon de "galerie chuchotante" 2 en forme de gouttière arquée ayant un rayon de courbure principal supérieur à 1 m et pourvu à ses extrémités opposées d'un miroir réfléchis- sant 3 et d'un miroir ou fenêtre 4 de transmission du faisceau laser. La structure et les propriétés d'une galerie chuchotante (en anglais "whispering gallery") comme guide d'onde sont décrites dans le document US-A-4 194 808, Marhic et al. L'utilisation comme laser d'une telle galerie chuchotante est décrite dans l'Article "Whispe- ring gallery C02-laser" de Marhic et al, dans IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-15, NO 6, de juin 1979. Les miroirs 3 et 4, aux extrémités de la galerie chuchotante 2, sont constitués d'au moins une lame en diamant C-II-A revêtue ou non revêtue, comme décrit par exemple dans le FR-A-2 688 098, au nom de la Demande- resse. En variante, d'autres types de guides d'onde peuvent être utilisés en remplacement de la galerie chuchotante 2. Un flux de C02 est mélangé au flux contenant l'azote excité par un dispositif d'injection 6 interposé entre la cavité résonante 5 du guide d'onde 2 et la sortie du générateur 1. Le générateur 1 est agencé pour produire, via un passage de sortie allongé 13, un flux de gaz homogène transversalement au guide d'onde 2, lequel présente une forme de gouttière ayant une direc- tion principale sensiblement parallèle au passage de sortie 13. Dans le mode de réalisation représenté sur la Figure 2, le générateur 1 est tel que décrit dans le FR- A- 2 692 730 au nom de la Demanderesse, et comprend essentiellement, dans un bloc métallique, une électrode périphérique tubulaire 8 d'axe X entourant concentrique- ment un tube diélectrique 9 coaxial sur la face inté- rieure duquel est appliquée une électrode intérieure 10 et ménageant, avec l'électrode périphérique 8, un passage tubulaire de gaz 11 coaxial au tube diélectrique 9 et débouchant vers l'extérieur du bloc par une entrée 12 et une sortie 13 en forme de fentes, parallèles à l'axe X du passage 11, diamétralement opposées et ayant une hauteur n'excédant pas l'épaisseur radiale du passage tubulaire 11. Les électrodes 8 et 10 sont reliées à un générateur haute tension et haute fréquence 14. L'électrode intérieure 10 délimite un volume interne dans lequel circule un fluide de refroidissement 15, par exemple de l'eau ou un Fréon. Dans le mode de réalisation de la Figure 2, l'appareil est complété par un bloc 16 accolé au bloc générateur 1, définissant un logement longitudinal ayant une hauteur d'environ 1 mm et dans lequel est disposée la galerie chuchotante 2 avec le fond de la gouttière sensiblement parallèle au plan diamétral des entrée et sortie 12 et 13, avec un passage latéral de sortie de gaz 17 et un passage d'entrée de gaz 18 parallélépipédique prolongeant la sortie 13 du bloc 1 et dans lequel débouche transversalement un passage parallélépipédique 19 permettant l'introduction de CO2 dans l'entrée 18, via par exemple une grille d'homogénéisation 21 pour mélanger le CO2 avec le flux gazeux contenant l'azote excité, ce dernier transférant son énergie au C02 avant introduction dans la cavité laser en excitant exclusivement le niveau supérieur de la transition laser. Le faisceau laser, représenté schématiquement sur la Figure 2, est elliptique et a une polarisation linéaire. Le gaz entrant par un côté riche en énergie vibrationnelle et sortant vidé de cette énergie, le faisceau est dissymétrique suivant la direction du flux gazeux transversalement à la galerie 2 (axe Z). Pour garantir qu'une partie substantielle des espèces excitées passe dans la zone contenant les photons, on peut prévoir la paroi inférieure 23 du logement de la galerie 2 avec des indentations orientées favorisant ainsi la formation d'un écoulement extrêmement turbulent dans le logement. D'autres détails et certaines variantes sont décrits dans le FR-A-2 692 729 précité. On décrira maintenant, en regard de la Figure 3, le dispositif d'alimentation du générateur 1 en azote et en C02. Ce dispositif comprend: - Une première conduite 25 d'alimentation en azote, reliée à l'entrée 12 du générateur. Une turbine de détente 27 est montée dans cette conduite. - Une deuxième conduite 29 d'alimentation en CO2, reliée à l'entrée 18. - Une troisième conduite 31 de recyclage du mélange azote-C02, reliée à la sortie 17. Dans cette conduite sont montés successivement un réfrigérant à eau 33, un compresseur d'aspiration 35, un réfrigérant à eau 37, et un compresseur 39 entraîné par un moteur élec- trique 41. La roue du compresseur 35 et celle de la turbine 27 sont calées sur un même arbre 43. - Un perméateur 45, dont l'entrée est reliée au refoulement du compresseur 39, dont la sortie de rejet est reliée à la conduite 25, et dont la sortie de perméat est reliée à la conduite 29. On décrira maintenant le fonctionnement du dispositif de la Figure 3, avec un exemple numérique. Le débit total d'un mélange gazeux 90% N2, % CO2, circulant dans la conduite 31, est 240 Nm3/h. Le perméat circulant dans la conduite 29 représente 100 Nm3/h et est constitué de la quasi-totalité du C02, le reste étant de l'azote. Le rejet est constitué d'azote à peu près pur, avec un débit de 140 Nm3/h. Pour faire fonctionner le perméateur, le mélange est comprimé à 12 bars en 39, de sorte que cette pression est celle de l'azote rejeté en 25. Cet azote est détendu à 0,7 bar en 37. Le perméat est fourni au générateur 1 sous 1 bar par la conduite 29. Le compresseur 35 aspire le mélange sous 0,5 bar, qui constitue ainsi la pression régnant dans le générateur 1, et le refoule sous 1 bar. Grâce à l'agencement ainsi décrit, on récupère, par une détente isentropique, l'énergie disponible sous forme de pression au rejet du perméateur , et on l'utilise pour assurer la dépression dans l'appareil laser. De plus, la détente isentropique refroidit fortement l'azote, ce qui a pour résultat une amélioration substantielle, de l'ordre de 10 à 15%, du rendement de l'appareil laser. Pour la turbine 27 et le compresseur 35, on peut avantageusement utiliser des dispositifs du type à paliers gaz, à très haute vitesse de rotation, qui permettent de réduire l'encombrement. Dans certaines applications, la détente du débit d'azote en 27 peut être insuffisante pour assurer la compression en 35 du débit total de mélange. Il faut alors relever la pression de refoulement du compresseur 39, ce qui permet de diminuer le nombre de modules de perméation mais conduit à une augmentation de la dépense d'énergie. Pour réduire l'appoint d'énergie nécessaire en 35, on peut également chercher à réduire le rapport débit d'azote rejeté/débit total à comprimer en 35. En effet, pour un débit d'azote rejeté donné, ceci assure une diminution dudit débit total. Pour cela, une première méthode consiste à réduire la température du perméateur 45. Ceci provoque en effet une augmentation de la sélectivité du perméa- teur, et donc, pour une pureté donnée de l'azote rejeté, une augmentation du rapport débit d'azote/débit total. En revanche, le nombre de modules de perméation doit être augmenté, car la perméabilité des gaz diminue avec l'abaissement de la température. Une autre solution est illustrée à la Figure 4: un second perméateur 47 est monté en aval du perméa- teur 45, avec son entrée reliée à la sortie de rejet de ce dernier, sa sortie de rejet reliée à la conduite 25, et sa sortie de perméat reliée à l'aspiration du compres- seur 39 via une conduite 49. Dans ce cas, le perméateur 45 ne récupère qu'une partie du CO2, qui est envoyée dans la conduite 29, tandis que le perméateur 47 assure l'épuration de l'azote. De cette manière, la quantité d'azote véhiculé par la conduite 29 est fortement réduite, et le débit comprimé en 35 est réduit d'autant. La Figure 5 représente une variante du schéma de la Figure 4 dans laquelle l'échangeur de chaleur 37 est supprimé, tandis qu'un échangeur de chaleur 51 met en relation d'échange thermique l'azote froid sortant de la turbine 27 et le mélange aspiré par le compresseur 35. Ce dernier comprime donc un mélange de gaz refroidi, ce qui nécessite moins d'énergie. En variante, comme représenté en traits mixtes, l'échangeur 51 peut mettre en relation d'échange thermique l'azote arrivant à la turbine 27 et le mélange refoulé par le compresseur 35. L'énergie fournie par la détente est alors augmentée par augmentation de la température du gaz à l'entrée de la turbine. Dans l'exemple de la Figure 6, l'échangeur 33 qui sert à réfrigérer le mélange issu du générateur 1 est réfrigéré par l'azote issu du perméateur 47 et allant vers la turbine 27. Ainsi, de nouveau, on réchauffe le gaz d'alimentation de cette turbine, ce qui augmente l'énergie fournie par la détente. Bien entendu, comme décrit dans le FR-A- 2 692 729 précité, une faible quantité d'hydrogène, typiquement de l'ordre de 1%, peut-être ajoutée au mélange. Cet hydrogène permée alors avec le C02. De même, l'azote peut contenir un faible pourcentage d'oxygène. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'alimentation d'un appareil laser (1) à mélange gazeux, du type comprenant une première conduite (25) servant à amener un premier gaz à l'appareil, une deuxième conduite (29) servant à amener à l'appareil un deuxième gaz destiné à se mélanger au premier gaz, une troisième conduite (31) servant à recycler le mélange des deux gaz issu de l'appareil, et un perméateur (45) dont l'entrée est reliée à la troi- sième conduite, dont la sortie de perméat est reliée à la deuxième conduite, et dont la sortie de rejet est reliée à la première conduite, caractérisé en ce qu'une turbine de détente (27) est montée dans la première conduite (25), en ce qu'un compresseur d'aspiration (35) est monté dans la troisième conduite (31), et en ce que l'énergie mécanique développée par la turbine est utilisée pour entraîner le compresseur d'aspiration. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la roue de la turbine (27) et celle du compresseur d'aspiration (35) sont calées sur un même arbre (43). 3 - Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un second compresseur (39), entraîné par une source d'énergie extérieure (41), est monté dans la troisième conduite (31) en aval du compres- seur d'aspiration (35). 4 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la sortie de rejet du perméateur (45) est reliée à la première conduite (25) via un second perméateur (47) dont l'entrée est reliée à la sortie de rejet du premier perméateur, dont la sortie de rejet est reliée à la première conduite (25), et dont la sortie de perméat est reliée au refoule- il ment du compresseur d'aspiration (35). - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur (51) qui met en relation d'échange thermique la première conduite (25), en aval (respectivement en amont) de la turbine (27), et la troisième conduite (31), en amont (respectivement en aval) du compresseur d'aspiration (35). 6 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur (33) qui met en relation d'échange thermique la première conduite (25), en amont de la turbine (27), et la troisième conduite (31), en amont du compresseur d'aspiration (35). 7 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de refroidissement du ou des perméateurs (45; , 47) 8 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la turbine (27) et le compresseur d'aspiration (35) sont du type à paliers gaz. 9 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le premier gaz est au moins essentiellement de l'azote et en ce que le deuxième gaz contient de l'anhydride carbonique. - Appareil laser à mélange gazeux (1) équipé d'un dispositif d'alimentation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9.