Brevet FR2950280A1 — publié le 20110325

L'invention porte sur un dispositif et un procédé de travail par jets de fluide cryogénique sous haute pression, en particulier de traitement de surface, de décapage ou d'écroutage, de matériaux revêtus ou non, tels les métaux, le béton, le bois, les polymères, les céramiques et les plastiques ou tout autre type de matériau. Actuellement, le traitement de surface de matériaux revêtus ou non, en particulier le décapage, l'écroutage ou analogue, se fait essentiellement par sablage, par projection d'eau à ultra haute pression (UHP), à la ponceuse, au marteau-piqueur, à la bouchardeuse ou encore par voie chimique. Toutefois, lorsqu'il doit ne pas y avoir d'eau, par exemple en milieu nucléaire, ou de 10 produit chimique, par exemple du fait de contraintes environnementales drastiques, seuls des procédés de travail dits « à sec » peuvent être utilisés. Cependant, dans certains cas, ces procédés « â sec » sont difficiles à mettre en oeuvre, sont très laborieux ou pénibles à utiliser ou encore génèrent des pollutions supplémentaires, par exemple du fait de l'ajout de grenaille ou de sable à retraiter ensuite. 15 Une alternative à ces technologies repose sur l'utilisation de jets cryogéniques sous très haute pression comme proposé par les documents US-A-7,310,955 et US-A-7,316,363. Dans ce cas, on utilise un ou des jets d'azote liquide continus à une pression de 1000 à 4000 bars et à température cryogénique comprise par exemple entre -100 et -200°C, typiquement environ -140 et -160°C, qui sont distribués par un outil porte-buses animé d'un mouvement rotatif. 20 Dans ce cas, trois effets du jet continu d'azote liquide se combinent, à savoir : - l'effet mécanique du jet : impact de la pression de l'azote liquide sur le substrat, - l'effet cryogénique de l'azote à l'état liquide, donc à température cryogénique, - l'effet de «gonflement» ou effet «blast» : l'azote liquide au contact de l'air ambiant se réchauffe très rapidement et se transforme en gaz et prend donc plus de volume. Ainsi, 1 litre 25 d'azote liquide donnera 700 litres d'azote gazeux. Or, dans certaines applications, tel par exemple le décapage de peinture ou la découpe, avec ou sans abrasifs, c'est principalement l'effet mécanique du jet continu d'azote liquide entre en jeu pour accomplir le travail demandé. Toutefois, comme on le voit dans le Tableau 1 suivant, la pression du jet diminue 30 fortement en fonction de la distance entre la sortie de buse et le substrat à traiter. 35 2 Tableau 1 Distance Buse-Substrat à traiter (=H) Pression de travail H=5mm H=10mm H=15mm H=20mm 1000 bars 152 bars 153 bars 129 bars 119 bars 2000 bars 354 bars 334 bars 292 bars 276 bars 3000 bars 567 bars 519 bars 464 bars 454 bars On constate, au vu du Tableau 1, que, dès 5 mm après la sortie de buse, la pression chute brutalement puisqu'elle est divisée par 6 environ. On comprend aisément que cette chute de pression du jet d'azote est préjudiciable à l'obtention de forts rendements de traitement de surface. Pour tenter de résoudre ce problème, on pouffait diminuer la distance entre buse et substrat ou augmenter la pression du jet d'azote délivré en continu. Toutefois, ces solutions ne sont pas idéales car travailler à une distance de moins de 5 mm n'est pas toujours possible et par ailleurs, délivrer un jet d'azote sous très haute pression, c'est-à-dire à une pression de plusieurs milliers de bars pose des problèmes de mise en oeuvre et de sécurité. Au vu de cela, le problème qui se pose est de pouvoir disposer d'une pression de travail élevée sans avoir besoin de réduire la distance buse/substrat ou d'augmenter la pression de l'azote liquide. La solution est alors un procédé de travail par jet de fluide cryogénique sous haute pression mettant en oeuvre au moins une buse pour distribuer au moins un jet de fluide cryogénique à une température inférieure à -100°C et à une pression d'au moins 500 bars, caractérisé en ce que la buse délivre au moins un jet de fluide cryogénique pulsé. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le fluide cryogénique est de l'azote liquide. - il est choisi parmi les procédés de traitement de surface, de décapage ou d'écroutage. - les pulsations du jet sont obtenues en obturant cycliquement le canal interne de la buse. - la pression du jet de coupe est comprise entre 500 et 4000 bars, entre 1000 et 3800 bars, de préférence de l'ordre de 3000 à 3500 bars. - le fluide cryogénique est à une température inférieure à -150°C, de préférence entre environ -160°C et -230°C. - la fréquence des pulsations est comprise entre 1 000 Hz et entre 30 000 Hz, de préférence entre 10 000 Hz et 27 000 Hz, de préférence encore entre 15 000 Hz et 25 000 Hz. L'invention porte aussi sur une installation de travail par jet de fluide cryogénique sous haute pression mettant en oeuvre au moins une source d'azote liquide reliée fluidiquement à une buse comportant au moins un canal interne de passage de fluide, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un moyen d'obturation mobile apte à et conçu pour obturer cycliquement le canal de buse de manière à obtenir au moins un jet de fluide cryogénique pulsé en sortie de buse. Selon le cas, le xxx de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le moyen d'obturation comprend un pointeau mobile. - le mouvement cyclique du moyen d'obturation mobile est obtenu via des moyens de mise en mouvement agissant sur le moyen d'obturation mobile. - les moyens de mise en mouvement comprennent un transducteur, de préférence un transducteur piézo-électrique ou magnétostrictif, c'est-à-dire piézo-magnétique. - les moyens de mise en mouvement comprennent un transducteur permettant d'obtenir des pulsations d'une fréquence comprise entre 1 000 Hz et entre 30 000 Hz, de préférence entre 10 000 Hz et 27 000 Hz, de préférence encore entre 15 000 Hz et 25 000 Hz. L'invention va être mieux comprise grâce aux explications illustratives suivantes, faites en références aux figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 est une vue schématique en coupe d'une buse standard à jet continu selon l'art antérieur, - la Figure 2 est une vue schématique en coupe d'une buse 2 selon la présente invention â jet discontinu et - la Figure 3 est un schéma de principe des moyens permettant d'obtenir les pulsations ultrasoniques du jet d'azote liquide. La Figure 1 est une vue schématique en coupe d'une buse 2 standard d'un dispositif de distribution de jets de fluide à température cryogénique et à haute pression. Cette buse 2 est alimentée en azote liquide 1 à une pression comprise classiquement entre 1000 et 3000 bars et délivre un jet continu d'azote liquide en direction du substrat à décaper par exemple. La Figure 2 est analogue à la Figure 1 mais représente, quant à elle, une vue schématique en coupe d'une buse 2 d'un dispositif de distribution de jets de fluide à température cryogénique et à haute pression selon l'invention. Plus précisément, cette buse 2 a été additionnée d'un moyen d'obturation 4, tel un pointeau mobile ou analogue, apte à être animé d'un mouvement cyclique de manière à venir alternativement obturer puis libérer le passage interne de la buse 2. Le mouvement cyclique ultrasonique permettant d'obtenir des pulsations du jet d'azote liquide est assuré par des moyens de mise en mouvement, de préférence mécanique, tel un transducteur piézo-électrique ultrasonique, coopérant avec ledit moyen d'obturation pour lui conférer un mouvement cyclique, de va et vient par exemple, et obtenir ainsi un jet discontinu 3b ou jet pulsé d'azote liquide. Dit autrement, le pointeau 4 qui est animé d'un mouvement cyclique ultrasonique, vient alternativement boucher, c'est-à-dire obturer, puis déboucher plusieurs fois par seconde le canal ou passage interne de la buse et empêcher ainsi l'azote liquide de s'échapper en continu. On obtient dès lors un jet pulsé ou discontinu d'azote liquide. Le transducteur piézo-électrique se contracte et s'épand alternativement et cycliquement sous l'effet d'un champ électrique appliqué par le manchon 5 lui-même relié à un générateur haute fréquence 6 réglable. Les transducteurs piézo-électriques de type à oscillations ultrasoniques et leur fonctionnement sont bien connus de l'état de la technique et un homme du métier est apte à sélectionner un transducteur approprié et éventuellement à l'adapter pour obtenir les pulsations de jet souhaitées. Le pointeau se voit donc entraîner par moyens de mise en mouvement selon un mouvement d'aller et de retour ou d'oscillations, de préférence ultrasoniques, dans l'axe d'éjection de l'azote liquide, à une fréquence comprise entre 1 000 Hz et 30 000 Hz de préférence 20 000 Hz. Le pointeau est d'une dimension adaptée et telle qu'il puisse boucher cycliquement l'orifice de la buse. La mise en oeuvre du procédé de l'invention peut se faire au moyen d'une installation de décapage, de traitement de surface ou analogue par jet de liquide cryogénique, en particulier d'azote liquide, comportant un réservoir de stockage, telle une citerne, d'azote liquide (ci-après appelé LN2) qui alimente, via une ligne d'amenée d'azote liquide sous basse pression, c'est-à-dire à environ de 3 à 6 bar et à une température de -180°C environ, un dispositif de compression avec compresseur et échangeur thermique amont interne permettant une mise à ultra haute pression (UHP) de l'azote liquide. Le dispositif de compression permet donc de réaliser la compression du LN2 provenant du réservoir de stockage. Le LN2 à la première pression (UHP) est alors véhiculé via une ligne de convoyage, jusqu'à un échangeur thermique aval externe où le LN2 UHP subit un refroidissement avec de l'azote liquide à pression atmosphérique, pour obtenir typiquement de l'azote liquide UHP. Il en résulte du LN2 à une pression (UHP) typiquement supérieure à 1000 bar, généralement comprise entre 2000 bar et 5000 bar, avantageusement comprise entre environ 3000 et 4000 bar, et à une température inférieure à -140°C, typiquement entre -140°C et -180°C, par exemple de l'ordre d'environ - 150 à -160°C, qui est envoyé vers l'outil comportant une buse 2 délivrant un ou plusieurs jets d'azote liquide UHP pulsés selon l'invention. La présente invention repose donc sur l'effet inattendu obtenu en réalisant une pulsation de préférence ultrasonique du jet d'azote liquide à haute pression délivré par la (ou les) buse(s) équipant l'outil de travail agencé sur une telle installation. En effet, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que pour éviter les problèmes susmentionnés, le jet d'azote ne devait pas être continu, comme proposé dans l'art antérieur, mais pulsé, c'est-à-dire délivré de manière discontinue, car la pression d'impact est alors plus importante. Ainsi, lorsque le jet d'azote liquide est un jet continu, la pression d'impact (Pc) est égale à : Pc=1/2. Rho.V2 où : Rho est la densité de l'azote liquide et V la vitesse d'éjection du jet (V varie selon le diamètre de buse utilisée et la pression de travail). Par contre, si le jet n'est pas continu, c'est-à-dire s'il est pulsé selon la présente invention, la pression d'impact (Pd) est alors : Pd=Rho.V.Cs où : Rho et V sont comme précédemment, et Cs est la célérité du son dans l'azote liquide, à savoir 1660 m.s-i. Ceci conduit à un rapport Pd/Pc égal à 5.6 qui montre clairement l'intérêt à recourir à un jet d'azote liquide pulsé puisque la pression d'impact d'un jet pulsé est 5.6 fois supérieure à celle d'un jet continu. A titre d'exemple, pour une pression d'azote d'alimentation de 3000 bars avec une buse de 0,5 mm de diamètre, la pression mesurée à 10 mm de la sortie de buse est : - de 519 bars avec de l'azote distribué en jet continu et - de 2900 bars avec de l'azote distribué en jet pulsé selon l'invention. Le procédé et l'installation selon l'invention sont particulièrement adaptés à une utilisation en décapage de peinture, de revêtements durs ou mous, de découpe de matériaux, d'écroutage de matériaux poreux tels le béton. Revendications1. Procédé de travail par jet de fluide cryogénique sous haute pression mettant en oeuvre au moins une buse (2) pour distribuer au moins un jet de fluide cryogénique à une température inférieure à -100°C et à une pression d'au moins 500 bars, caractérisé en ce que la buse (2) délivre au moins un jet de fluide cryogénique pulsé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide cryogénique est de l'azote liquide. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi les procédés de traitement de surface, de décapage ou d'écroutage. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les 15 pulsations du jet sont obtenues en obturant cycliquement le canal interne de la buse (2). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression du jet de coupe est comprise entre 500 et 4000 bars, entre 1000 et 3800 bars, de préférence de l'ordre de 3000 à 3500 bars. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide cryogénique est à une température inférieure à -150°C, de préférence entre -160°C et - 230°C. 25 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence des pulsations est comprise entre 1 000 Hz et entre 30 000 Hz, de préférence entre 15 000 Hz et 25 000 Hz 8. Installation de travail par jet de fluide cryogénique sous haute pression mettant 30 en oeuvre au moins une source d'azote liquide (1) reliée fluidiquement à une buse (2) comportant au moins un canal interne de passage de fluide, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un moyen d'obturation mobile (4) apte à et conçu pour obturer cycliquement le canal de buse (2) de manière à obtenir au moins un jet de fluide cryogénique pulsé en sortie de buse (2). 20 35 9. Installation selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen d'obturation comprend un pointeau mobile. 10. Installation selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que le 5 mouvement cyclique du moyen d'obturation mobile (4) est obtenu via des moyens de mise en mouvement agissant sur le moyen d'obturation mobile (4). 11. Installation selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que les moyens de mise en mouvement comprennent un transducteur, de préférence un transducteur 10 piézo-électrique ou piézo-magnétique. 12. Installation selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que les moyens de mise en mouvement comprennent un transducteur permettant d'obtenir des pulsations d'une fréquence comprise entre 1 000 Hz et entre 30 000 Hz. 15