Brevet FR2730426A1 — publié le 19960814

BUSE DE PULVERISATION DE LIQUIDE CRYOGENIQUE La présente invention concerne une buse de pulvérisation de liquide cryogénique. Une telle buse peut être employée en association avec des dispositifs de projection de plasma permettant de réaliser des dépôts sur des substrats résistant mal aux hautes températures. On utilise de plus en plus et dans beaucoup de domaines de nouveaux matériaux composites et en particulier des matériaux constitués par des matières plastiques renforcées par des fibres inorganiques telles que les fibres de verre, de carbone, de silice ou de graphite. Cependant, l'emploi de ces matériaux pose certains problèmes lorsqu'on veut les pourvoir d'un- revêtement adhérent, réalisé par exemple en matériau réfractaire (céramique) ou métallique. La projection de plasma est bien connue et largement utilisée pour réaliser des revêtements, par exemple sur des matériaux composites tels que les résines ou les plastiques qu'il faut revêtir avec des couches minces de céramique ou des couches métalliques. Cette méthode est également utilisée pour réaliser des revêtements protecteurs dans le domaine de la mécanique (alliages pour l'aéronautique ou l'automobile) ou le domaine nucléaire (réalisation de barrières d'absorption). Initialement, cette opération se déroulait à l'air, ce qui rendait impossible le dépôt de certains matériaux réagissant avec l'oxygène comme les borures et les carbures. On ne pouvait pas non plus réaliser le dépôt sur des supports eux-mêmes réactifs comme l'aluminium, le magnésium ou leurs alliages. C'est pourquoi on a pensé à réaliser la projection soit sous atmosphère neutre, par exemple dans des chambres sous argon, soit dans une enceinte sous vide partiel, la pression résiduelle étant de l'ordre de 50 à 200 millibars. Cette méthode permet de travailler à des températures élevées, de l'ordre de 600 à 700"C et de revêtir des superalliages en facilitant la diffusion du produit projeté dans le métal de base.Cependant, cette méthode n'est pas toujours applicable lorsque le substrat est un matériau qui résiste mal aux températures élevées : c'est le cas de certains matériaux composites comme les fibres de silice liées par de la résine qui deviennent instables au-delà de 1200C et avec lesquelles il est difficile d'envisager une projection de plasma puisque cette opération engendre des températures bien supérieures. Enparticulier, il n'est pas possible avec cette méthode de réaliser des dépôts de forte épaisseur à cause des phénomènes de fissuration. On a alors mis au point des dispositifs de projection de plasma équipés d'un système de refroidissement pour refroidir le matériau à revêtir juste après la projection de plasma. Le document FR-A-2 545 007 divulgue un procédé et un dispositif de projection de plasma qui permettent d'effectuer les dépôts de n'importe quelle substance, y compris des substances avides d'oxygène ou très actives chimiquement, sur des substrats résistant mal à des températures élevées ou eux-mêmes réactifs chimiquement et qui permettent de réaliser des dépôts de forte épaisseur. La projection se fait à l'aide d'un pistolet de projection mobile par rapport à la pièce à recouvrir. L'opération se déroule sous atmosphère contrôlée à l'intérieur d'une enceinte étanche où l'on maintient constantes la pression et la composition de l'atmosphère régnant dans l'enceinte. Les zones de la pièce qui ont été revêtues par projection sont refroidies à l'aide d'un système de refroidissement également mobile par rapport à la pièce. Le refroidissement de la pièce se fait par projection de gouttelettes d'au moins un liquide proche de sa température de saturation, ces gouttelettes étant confinées dans la zone de la pièce où est effectuée la projection de plasma, le liquide proche de sa température de saturation étant de préférence un gaz liquéfié. Un gaz porteur est utilisé pour effectuer la projection de gouttelettes grâce à une buse de pulvérisation. L'utilisation de gouttelettes de gaz liquéfié. permet un refroidissement très énergique et la température de la pièce peut être maintenue à une valeur très basse (de l'ordre de 20 à 500C et en tout cas inférieure à 100"C) même dans la zone de projection. Ainsi, on peut revêtir pratiquement tous les matériaux y compris des substances instables à des températures élevées. Une telle buse de pulvérisation est également décrite dans le document FR-A-2 545 202 qui divulgue un procédé de refroidissement d'un matériau préparé sous forme particulaire. Le liquide de refroidissement utilisé est généralement un gaz liquéfié tel que l'azote ou l'argon projeté sous forme de gouttelettes à l'aide d'un gaz porteur. Une buse de pulvérisation de ce type est encore utilisé dans le procédé divulgué dans le document FR-A-2 560 793. On y décrit un traitement de surface d'une pièce en matériau sensible à la chaleur qui consiste à soumettre la surface de cette pièce à l'action d'un plasma gazeux et à refroidir immédiatement la surface ainsi traitez en projetant sur celle-ci un liquide de refroidissement grâce à la buse de pulvérisation. Ce traitement de surface permet de modifier l'état de surface de la pièce en vue d'un meilleur accrochage d'un revêtement déposé par la suite. Une telle buse de pulvérisation est encore utilisée, comme le divulgue le document FR-A-2 560 792, pour mettre en oeuvre un procédé consistant à déposer d'abord sur la surface d'une pièce à revêtir une couche de matière thermoplastique, à projeter ensuite à chaud le matériau de revêtement sur la surface pourvue de la couche de matière thermoplastique, et à refroidir immédiatement la surface de la pièce ainsi traitée. Cette buse de pulvérisation de liquide cryogénique peut bien sûr être utilisée dans d'autres domaines techniques, par exemple tous ceux qui mettent en jeu un refroidissement grâce à un liquide cryogénique (métallurgie, industrie alimentaire...) ou une pulvérisation de liquide cryogénique (moteur dans le domaine spatial...). La nébulisation du liquide cryogénique peut être obtenue par la géométrie du canal d'arrivée du liquide, un peu comme dans un tuyau d'arrosage où le jet est pincé mécaniquement pour être nébulisé. On préfère souvent utiliser un gaz porteur qui permet la nébulisation du liquide cryogénique en sortie de buse. Dans un premier type de buse à gaz nébuliseur, la buse est dite à pulvérisation interne, la nébulisation du liquide étant effectuée avant la sortie de la buse. Dans un deuxième type de buse à gaz nébuliseur, la buse est dite à pulvérisation externe, la nébulisation du liquide étant assurée dans une chambre rajoutée en sortie de buse. Ces buses peuvent être à jet plat (une partie du jet de gaz nébuliseur peut être utilisée pour aplatir le jet de liquide) ou à jet rond. La configuration à jet rond semble mieux adaptée pour refroidir des pièces dont la température n'est pas uniforme, comme des pièces que l'on veut traiter par plasma et donc le profil de température peut être gaussien. Les buses à pulvérisation externe du liquide se sont révélées plus efficaces (à pression de gaz nébuliseur constante) que les buses à pulvérisation interne car ce dernier mode favorise les transferts thermiques entre le liquide cryogénique et la chambre de pulvérisation, ce qui a pour conséquence qu'une grande partie du liquide cryogénique est vaporisée avant la sortie de la buse. Au contraire, dans le cas de la pulvérisation externe, les échanges thermiques du liquide cryogénique se font uniquement avec le gaz nébuliseur. Cependant à l'usage les buses de pulvérisation externes ont révélé certains défauts de fonctionnement. Ces défauts consistent en un phénommène de fluctuation de température du jet de refroidissement dont l'origine est due à un bouchon de gaz et que l'on nomme "chugging" dans les articles spécialisés. A cause de ce phénomène, il n'est pas possible d'obtenir un jet continu (non fluctuant) de liquide cryogénique pulvérisé même en utilisant des canalisations de liquide cryogénique particulièrement bien isolées. Ce phénomène est nuisible pour les surfaces thermosensibles qui ne supportent pas les brusques variations thermiques qui peuvent se traduire par des transformations irréversibles du matériau à recouvrir. Pour pallier à ces défauts, il a été proposé d'utiliser simultanément plusieurs buses de pulvérisation de liquide cryogénique. Ainsi, lorsqu'une buse fonctionne mal, on peut raisonnablement espérer qu'une autre buse (ou d'autres buses éventuellement) assure correctement le refroidissement. Cette solution est efficace mais entraîne une surconsommation de fluide cryogénique. Le phénomène de fluctuation de température du jet de refroidissement est mal expliqué. Jusqu'à présent on pensait qu'il était dû aux bouteilles de liquide cryogénique ou au transport de ce liquide le long des conduites à cause de points chauds localisés ou de défauts d'isolation de ces conduites. La difficulté qu'il y a à observer les fluctuations de taille des gouttelettes de liquide ne simplifie pas l'interprétation. D'après l'inventeur de la présente invention,ces défauts de fonctionnement ont d'autres causes. Dans les buses de l'art connu, le corps de buse est réchauffé par le gaz de pulvérisation qui est à une température d'environ 20"C tandis que le fluide cryogénique transitant dans le canal de la buse est, par exemple dans le cas de l'argon, à une température de l'ordre de -1860C. L'inventeur pense que cela entraîne la formation d'un film gazeux, créé par caléfaction, entre l'écoulement de fluide cryogénique et la surface interne du canal. La conductivité thermique de l'argon gazeux étant environ 20 fois plus faible que la conductivité thermique de l'argon liquide, le film gazeux limite le transfert de chaleur au liquide et la température du canal de buse augmente. Cela entraine une augmentation de l'épaisseur du film gazeux et la diminution de la section de passage du liquide cryogénique, ce qui tend à accroître la pression du liquide en amont.Le film gazeux peut aller jusqu'à former un bouchon gazeux en sortie de buse, c'est-à-dire qu'il ne sort plus que du gaz et l'arrivée du liquide s'interrompt. A un certain moment, la pression du liquide devient telle qu'elle exerce une force supérieure à la résistance du bouchon gazeux. Le liquide en s'écoulant de nouveau refroidit la surface interne du canal sans que pour autant elle n'atteigne la température de saturation du liquide. Il y a donc à nouveau formation d'un film gazeux. Le processus recommence alors de manière périodique. On propose donc selon la présente invention, de remédier à ce phénomène de fluctuation de température du jet de refroidissement en limitant les contacts thermiques entre la source de chaleur que constitue l'amenée de gaz de pulvérisation et le canal d'amenée du liquide cryogénique. L'invention a donc pour objet une buse de pulvérisation de liquide cryogénique à gaz nébuliseur et du type à pulvérisation externe, comprenant des moyens délimitant un canal d'amenée de liquide cryogénique jusqu'à une chambre de répartition où se produit la pulvérisation pour délivrer un jet de liquide cyrogénique pulvérisé selon un axe donné, des moyens d'amenée du gaz nébuliseur jusqu'à la chambre de répartition, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens assurant une isolation thermique entre la surface interne dudit canal et les moyens d'amenée du gaz nébuliseur. Les moyens délimitant un canal d'amenée peuvent comprendre un corps central percé dudit canal, ce corps central étant raccordé à une conduite d'amenée de liquide cryogénique. La chambre de répartition est avantageusement constituée par une cavité percée dans une pièce d'extrémité fixée sur le corps central, le canal d'amenée de liquide cryogénique débouchant dans cette cavité. L'isolation thermique peut alors être assurée par interposition des moyens d'isolation thermique entre le corps central et la pièce d'extrémité. Elle peut aussi être assurée en réalisant le corps central en un matériau isolant thermique. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à ia iecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée du dessin annexé qui est une vue en coupe longitudinale d'une buse de pulvérisation de liquide cryogénique selon la présente invention. La buse représentée dans cette figure est de forme générale cylindrique autour d'un axe de- révolution qui est aussi l'axe du jet de liquide cryogénique pulvérisé. Le corps central se compose de deux parties métalliques : une partie arrière 1 et une partie avant 11. La partie arrière 1 possède une extrémité filetée 4 permettant son raccordement sur une conduite d'amenée de liquide cryogénique non représentée. La partie avant 11 sert d'injecteur de liquide cryogénique. Elle est supportée par la partie arrière 1. Le corps central est percé d'un canal 5 d'amenée de liquide cryogénique percé dans les parties 1 et 11 selon l'axe de la buse. L'injecteur 11 est dans ce cas de forme cylindrique afin de favoriser la formation d'un jet rond. Si l'on désire favoriser une autre forme de jet on utilisera un injecteur possédant une forme de canal appropriée. Le canal 5 débouche de l'injecteur 11 dans une cavité 12 percée dans la pièce d'extrémité 13 montée autour de l'injecteur 11. La pièce d'extrémité 13 est en fait constituée de deux éléments métalliques emboîtés l'un dans l'autre : un élément interne i6 et un élément externe 9. La cavité 12, constituant la chambre de répartition, est délimitée dans la buse par la face 14 de l'élément interne 16, qui s'évase vers l'extérieur, et par la paroi cylindrique 15 de l'élément externe 9. Le gaz nébuliseur est véhiculé par l'intermédiaire d'une conduite 3 qui est un tube rigide servant de support à la buse. La buse est par exemple rendu solidaire de la conduite 3 par soudage d'une extrémité de la conduite sur l'élément externe 9 en vis-à-vis d'un trou 17 percé radialement dans cet élément externe. L'autre extrémité de la conduite 3 constitue un raccord 2 servant à la connexion de la conduite 3 avec un tuyau d'approvisionnement en gaz nébuliseur. Le trou radial 17 percé dans l'élément externe 9 communique avec une gorge 18 semi-toroldale usinée à l'intérieur de l'élément externe 9, cette gorge se situant dans un plan transversal et perpendiculaire à l'axe de la buse. La gorge 18 fait face à la paroi externe de l'élément interne 16. Des trous 19 percés dans la masse de l'élément interne 16 font communiquer la gorge 18 et la chambre de répartition 12. Ces trous 19 sont formés d'abord d'un tronçon radial percé à partir de l'extérieur de l'élément interne 16, puis d'un tronçon d'axe oblique dirigé vers l'extérieur de la buse. Une configuration particulièrement avantageuse consiste à prévoir huit trous 19 régulièrement percés dans l'élément interne 16 et de 1 mm de diamètre en sortie. Une inclinaison de 450 de l'axe oblique des trous permet d'obtenir un jet de liquide cryogénique pulvérisé de forme conique et de section ronde. Un diamètre de 1 mm semble un bon compromis entre l'optimisation de la vitesse du gaz (plus le diamètre des trous diminue plus la vitesse du gaz augmente) et la minimisation des pertes de charge dues au rétrécissement de la section de passazge du gaz. L'inclinaison à 450 permet de pulvériser le jet correctement, en particulier le centre de celui-ci. Les essais réalisés avec des buses à 300 montraient que pour des pressions de bouteilles cryogéniques supérieures à 1 bar, le centre du jet n'était pas pulvérisé (ce qui n'est pas souhaitable car le refroidissement est alors très peu efficace). Pour des angles supérieurs à 450, la composante axiale de la vitesse du gaz n'est plus suffisante pour entraîner les gouttelettes : la longueur efficace du jet diminue car les gouttelettes sont alors très fines, très dispersées dans un cône dont l'angle au somme avoisine 900. Une bague 7 thermiquement isolante, par exemple en Celerons est glissée autour du corps central, d'une part autour de l'extrémité aval de la partie arrière 1 et d'autre part autour de l'extrémité amont de la partie avant 11. Un joint d'étanchéité torique 8 est disposé entre les parties 1 et 11. La bague 7 est fixée à la partie 1 du corps central par un écrou de serrage 6. La liaison mécanique entre le corps central et la pièce d'extrémité 13 est du type vis-écrou, la bague isolante 7 étant filetée et l'élément externe 9 étant taraudé. Une rondelle 10 en matériau isolant thermique est disposée autour de l'extrémité aval de la partie avant 11 du corps central de manière à séparer l'élément interne 16 de la partie avant du corps central. La pièce d'extrémité 13 se trouve ainsi isolée thermiquement du corps central de la buse. Cette isolation thermique est d'une part assurée par des éléments en matériau isolant thermique : la bague 7 et la rondelle 10. Cette isolation thermique est d'autre part assurée par des espaces vides prévus entre des éléments thermiquement conducteur : l'espace séparant l'élément externe 9 de l'écrou de serrage 6 (lequel pourrait également être réalisé en matériau isolant thermique) et l'espace séparant l'extrémité aval de la partie avant ll du corps central de l'élément interne 16 (du fait de la différence des diamètres). Ainsi, la paroi interne du canal 5 dans lequel circule le fluide cryogénique est bien isolée thermiquement du gaz nébuliseur. Comme il a été dit plus haut, une autre manière d'assurer cette isolation serait de réaliser le corps central en un matériau thermiquement isolant. Il faut remarquer qu'une autre source de chaleur, par convection libre, est l'atmosphère ambiante mais son effet peut être négligé. Un corps central en matériau thermiquement isolant ferait obstacle à cet effet secondaire. Un autre avantage de la buse de pulvérisation selon la présente invention est qu'elle peut être facilement miniaturisée. REVENDICATIONS 1. Buse de pulvérisation de liquide cryogénique à gaz nébuliseur et du type à pulvérisation externe, comprenant des moyens (1, 11) délimitant un canal (5) d'amenée de liquide cryogénique jusqu a une chambre de répartition (12) où se produit la pulvérisation pour délivrer un jet de liquide cyrogénique pulvérisé selon un axe donné, des moyens (17, 18, 19) d'amenée du gaz nébuliseur jusqu'à la chambre de répartition, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens (7, 10) assurant une isolation thermique entre la surface interne dudit canal et les moyens d'amenée du gaz nébuliseur. 2. Buse de pulvérisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens délimitant un canal d'amenée comprennent un corps central percé dudit canal, ce corps central étant raccordé à une conduite d'amenée de liquide cryogénique. 3. Buse de pulvérisation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le corps central se compose de deux parties traversées par ledit canal, une première partie (1) étant raccordée à la conduite d'amenée de liquide cryogénique et une deuxième partie (11) débouchant dans la chambre de répartition (12) pour constituer un injecteur de liquide. 4. Buse de pulvérisation selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que la chambre de répartition (12) est constituée par une cavité percée dans une pièce d'extrémité (13) fixée sur le corps central (1, 11) avec interpositin des moyens d'isolation thermique (7, 10), le canal d'amenée (5) de liquide cryogénique débouchanat dans cette cavité. 5. Buse de pulvérisation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens d'isolation thermique comprennent au moins un élément (7, 10) en matériau isolant thermique. 6. Buse de pulvérisation selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens d'isolation thermique comprennent aussi un espace vide. 7. Buse de pulvérisation selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que la chambre de répartition (12) est constituée par une cavité percée dans une pièce d'extrémité (13) fixée sur le corps central (1, 11), les moyens d'isolation thermique étant constitués par le corps central qui est réalisé en un matériau isolant thermique, le canal d'amenée (5) de liquide cryogénique débouchant dans cette cavité. 8. Buse de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que les moyens d'amenée de gaz nébuliseur sont constitués par des conduits (17, 18, 19) percés dans la pièce d'extrémité (13) dans laquelle aboutit une conduite (3) d'amenée de gaz nébuliseur. 9. Buse de pulvérisation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la pièce d'extrémité (13) comporte un élément externe (9) dans lequel aboutit la conduite (3) d'amenée de gaz nébuliseur et possédant un conduit de distribution (18) du gaz nébuliseur, et un élément interne (16) pourvu de trous de communication (19) entre le conduit de distribution (18) de l'élément externe (9) et la chambre de répartition (12), l'élément interne (16) ayant une géométrie appropriée à la forme désirée pour le jet de liquide cryogénique pulvérisé. 10. Buse de pulvérisation selon la revendication 9, caractérisée en ce que le conduit de distribution (18) est constitué par une gorge entourant l'élément interne (16). 11. Buse de pulvérisation selon l'une des revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que, la chambre de répartition (12) allant en s'évasant vers l'extérieur, les trous (19) de l'élément interne (16) débouchent dans la chambre de répartition selon un angle d'environ 45 par rapport à l'axe du jet de liquide cryogénique pulvérisé.