Brevet FR3001856A1 — publié le 20140808

CREUSET FROID POLYPHASE DESCRIPTION Domaine de l'invention La présente invention se situe dans le domaine de la fusion de certaines matières à haute température de fusion qui sont susceptibles d'être chauffées par l'effet joules développé par des courants haute fréquence de circulation, créés par induction dans ces matières, telles que le verre, les oxydes métalliques. Art antérieur et problème posé L'art antérieur est décrit pour l'essentiel au brevet Français n° 01 11044 relatif au creuset froid à secteurs et à spire directe. Les parties principales du creuset sont : le ou les inducteurs principaux, la virole, le fond de creuset appelée sole. Le creuset froid à secteurs comporte un inducteur, ou plusieurs inducteurs principaux superposés par étage, entourant la virole, et éventuellement un inducteur de coulé équipant la sole. Le creuset à spire directe comporte un inducteur à spire unique et directe constituée d'une virole refroidie (caloduc). Chaque inducteur est monophasé, issue d'une borne d'entrée et d'une borne de sortie. Chaque 20 brin de l'inducteur entoure le creuset. Les secteurs du creuset froid à secteurs, sont refroidis (caloducs), placés verticalement et maintenus par un banderolage. La conception d'un creuset à secteurs se retrouve encore au brevet n'EP1155596A où 25 l'agitation du bain est obtenue par une disposition des phases qui diffère de celle exposée au présent texte. La conception exposée au brevet n° EP1155596A ne s'applique pas au verre ou aux oxydes métalliques fondus. Limites de la conception antérieure 30 La conception exposée au brevet Français n° 01 11044 ne permet pas d'agiter, par des forces électromagnétiques issues du champ tournant, la matière contenue dans le creuset du fait que le champ magnétique monophasé ne développe pas de champ tournant. Elle rend difficile l'accroissement du volume de matière traité par le creuset, notamment en accroissant le diamètre du creuset, du fait que la propagation de la chaleur ne bénéficie pas de l'agitation de la matière 35 par le champ électromagnétique tournant. Pour un volume de matière traité important, elle rend nécessaire d'avoir recours à une agitation mécanique. La présente invention permet d'éviter le recours à une agitation mécanique, sauf à rechercher encore un plus grand volume de matière à traiter. Résumé de l'invention L'invention concerne un creuset froid polyphasé à chauffage par induction haute fréquence, destiné à la fusion de matière de conduction appropriée telles que le verre, les oxydes métalliques. Il est constitué d'un inducteur, d'une virole et d'un fond comprenant : - un inducteur polyphasé entourant la virole, - un corps de creuset constitué par une virole composée de couronnes superposées. un fond de creuset constitué par une sole composée de couronnes imbriquées. La présente invention a pour effet d'améliorer les performances du creuset froid de l'Art antérieur. L'inducteur polyphasé crée un champ tournant permettant d'agiter la matière en fusion par les 15 efforts électromagnétiques développés dans cette matière ; cette agitation favorise la fusion de l'ensemble de la matière et permet d'écourter le temps de traitement de la matière et de gérer la fusion de quantité plus importante de matière. Liste des figures 20 - Les figures 1 et 2 représentent en coupe deux creusets constitués chacun d'une virole et d'une sole ; la figure 1 diffère de la figure 2 en ce que les couronnes qui constituent la virole et la sole, sont d'une forme permettant leur centrage naturel. - Les figures 3 et 4 représentent en coupe l'isolement électrique entre les couronnes de la virole respectivement des figures 1 et 2. 25 - Les figures 5 et 6 représentent en plan, chacune, un contour homopolaire ; à la figure 5, celui-ci est circulaire ; à la figure 6, il est hexagonal. - Les figures 7 et 8 représentent les schémas électriques de principe de deux inducteurs à développante figurés selon le déroulement de l'enroulement ; à la figure 7, le contour homopolaire est situé à une extrémité de l'enroulement ; à la figure 8, le contour homopolaire est 30 situé à un niveau intermédiaire de l'enroulement. - Les figures 9 et 10 représentent les schémas électriques de principe de deux inducteurs obliques figurés selon le déroulement de l'enroulement ; à la figure 9, le contour homopolaire est situé à une extrémité de l'enroulement ; à la figure 10, le contour homopolaire est situé à un niveau intermédiaire de l'enroulement. 35 - Les figures 11 et 12 représentent les schémas électriques de deux inducteurs à développante figurés selon le déroulement de l'enroulement, à contour homopolaire situé à l'une des extrémité de l'enroulement ; à la figure 11, l'enroulement est triphasé à 3 brins par phase ; à la figure 12, l'enroulement comporte 29 phases à 1 brin par phase. - La figure 13 représente une coupe d'un raccordement type entre une liaison électrique 5 monophasée coaxiale basse impédance et un jeu de bornes biplaques de l'une des phases de l'inducteur à développante. - La figure 14 représente le raccordement d'un brin d'arrivée de l'inducteur à développante au contour homopolaire. - La figure 15 représente une coupe d'un raccordement type entre une liaison électrique 10 monophasée coaxiale basse impédance et un jeu de bornes biplaques de l'une des phases de l'inducteur oblique. Description détaillée préliminaire 15 « axial » se rapporte à l'axe de la virole, « radial » se rapporte à un plan perpendiculaire à l'axe de la virole. Le creuset froid objet de l'invention se situe dans le contexte suivant : compte tenu des fréquences élevées utilisées, il est nécessaire de minimiser les inductances de liaison, ce qui se traduit notamment par le fait que les bornes d'entrée et de sortie 20 de chaque phase de l'inducteur sont très voisines (technologie biplaques). vue de la source polyphasée, les inductances des phases ont des valeurs similaires ; cette propriété est obtenue soit par le respect des symétries de construction notamment celles de constitution du creuset froid, soit par l'adjonction de selfs réglables, soit par ces deux moyens. - La haute fréquence mentionnée au présent texte est telle que l'épaisseur de pénétration du 25 courant électrique dans le métal de la virole et de la sole, est plus petite que les épaisseurs de métal soumises au champ magnétique radial usitées dans la virole et la sole ou au plus de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de métal. L'inducteur polyphasé 30 L'enroulement de l'inducteur polyphasé est constitué de plusieurs phases. Chaque phase de l'enroulement est issue d'une borne d'entrée et d'une borne de sortie et comporte un ou plusieurs brins. Chaque brin entoure la virole et la parcoure sur toute sa longueur utile dans les deux sens. La disposition des phases vise à créer, au déphasage près, des champs électromagnétiques de phase similaires ainsi que des selfs de phase et des mutuelles entre phases, 35 similaires ; la disposition des phases est coordonnée spatialement selon leur déphasage réciproque de façon à créer un champ magnétique résultant tournant ; la disposition des phases est telle qu'elle accroît le champ magnétique radial du creuset. Cet inducteur est destiné à être alimenté à partir d'une source polyphasée comme, notamment, celle décrite au brevet n° 10011652. Le nombre de phases n'est pas fixé dans le présent texte; il varie en fonction des utilisations. L'inducteur crée des courants de circulation dans les couronnes qui induisent les courants de circulation de chauffage par induction dans le contenu du creuset. On peut distinguer les inducteurs à développantes et ceux imbriqués. L'inducteur à développantes (selon figures 7 et 8) L'inducteur polyphasé constitue un enroulement polyphasé ayant deux extrémités physiques situées près des extrémités de la partie utile de la virole de façon à recouvrir toute la partie utile de la virole. Chaque phase de l'inducteur à développante comporte un ou plusieurs brins. Chaque brin entoure la virole et la parcoure sur toute sa longueur utile dans les deux sens : chaque brin va de la borne d'entrée (1), à l'une des extrémités de l'enroulement (2), puis après une développante dite de tête (2a-2b) va à l'autre extrémité de l'enroulement (3), puis après une développante dite de pied (figure 8,3a-3b) rejoint la borne de sortie de la phase (4). Les bornes d'entrée et de sortie des phases peuvent se situer à un niveau quelconque de la virole, et notamment à l'une ou l'autre des extrémités de l'enroulement. La développante de tête contourne la tête de la virole, soit suivant une partie du contour total (contour partiel), soit en faisant le contour total en établissant une double liaison électrique. La développante de pied contourne le pied de la virole, soit suivant une partie du contour total (contour partiel), soit en faisant le contour total en établissant une double liaison électrique. Le cheminement du brin est disposé de façon à créer une composante radiale significative du 25 champ électromagnétique. Près des bornes de sortie des phases, l'inducteur comporte le contour homopolaire qui entoure entièrement la virole. Les bornes d'entrée et de sortie de chaque phase sont de technologie biplaques. Elles sont raccordées à une liaison électrique basse impédance de type biplaques ou coaxiale (voir figures 30 13,14). Les bornes de sortie sont connectées au contour homopolaire. Quand le contour homopolaire est situé en pied d'enroulement, les développantes de pied peuvent se confondre avec le contour homopolaire; les brins sont alors directement connectés au contour homopolaire (figures 7, 14). 35 La tête et le pied de chaque brin peuvent se situer à l'une ou l'autre des extrémités de l'enroulement. Pour des puissances élevées, les brins sont refroidis par un fluide caloporteur, généralement de l'eau, ainsi que les bornes si nécessaire. - La figure 7 représente le schéma électrique de principe d'une phase d'un enroulement à trois 5 brins par phase, où le contour homopolaire est situé à une extrémité de l'enroulement et où les brins sont directement raccordés au contour homopolaire. Ce schéma comporte une seule développante, celle dite de tête, le contour homopolaire jouant le rôle de développante de pied. - La figure 8 représente le schéma électrique de principe d'une phase d'un enroulement à trois brins par phase, où le contour homopolaire est situé à un niveau intermédiaire de l'enroulement et 10 où les brins de retour sont raccordés à leur borne de sortie qui elle même est connectée au contour homopolaire. Les brins peuvent, en variante, être directement raccordés au contour homopolaire ainsi que la borne de sortie. Ce schéma comporte deux développantes, une de tête et une autre de pied. - La figure 13 représente le raccordement d'une liaison coaxiale basse impédance aux bornes 15 biplaques de l'inducteur à développante - La figure 14 complète la figure précédente en représentant le raccordement d'un brin d'arrivée de l'inducteur à développante au contour homopolaire quand le brin d'arrivée est directement raccordé au contour homopolaire (inducteur sans développante de pied). 20 L'inducteur oblique (selon figures 9 et 10) Chaque phase de l'inducteur oblique comporte un ou plusieurs brins. Chaque brin entoure la virole et la parcoure sur toute sa longueur utile dans les deux sens : chaque brin va de la borne d'entrée (1) à l'une des extrémités de l'enroulement (2), puis va à l'autre extrémité de l'enroulement (figure 10, 3), puis rejoint la borne de sortie de la phase (4). 25 L'isolement entre les deux sens du parcours sur toute la longueur utile du creuset est obtenu par un décalage radial d'isolement (voir figure 15). Le cheminement du brin est disposé de façon à créer une composante radiale significative du champ électromagnétique. Près des bornes de sortie des phases, l'inducteur comporte le contour homopolaire qui entoure 30 entièrement la virole. Les bornes d'entrée et de sortie de chaque phase sont du type biplaques. Elles sont raccordées à une liaison électrique basse impédance de type biplaques ou coaxiale (voir figures 13, 14, 15). Les bornes de sortie sont connectées au contour homopolaire Les bornes d'entrée et de sortie des phases, le contour homopolaire, peuvent se situer à un niveau 35 quelconque de la virole, et notamment à une extrémité de l'enroulement. Quand les bornes de sortie sont à une extrémité de l'enroulement, les brins peuvent être directement connectés au contour homopolaire (figure 15). Pour des puissances élevées, les brins sont refroidis par un fluide caloporteur, généralement de l'eau, ainsi que les bornes si nécessaire. Par rapport à l'enroulement à développantes, l'enroulement de l'inducteur oblique est une variante de l'inducteur à développantes quand les développantes sont alors réduites au décalage radial d'isolement entre les brins montant et ceux descendants (figure15). - La figure 9 représente le schéma électrique de principe d'une phase d'un enroulement oblique à trois brins par phase, où le contour homopolaire est situé à une extrémité de l'enroulement et où les brins sont raccordés à leur borne de sortie, laquelle est connectée au contour homopolaire. Les brins peuvent, en variante, être directement raccordés au contour homopolaire, la borne de sortie étant elle même connectée au contour homopolaire (figure15). - La figure 10 représente le schéma électrique de principe d'une phase d'un enroulement oblique à trois brins par phase, où le contour homopolaire est situé à un niveau intermédiaire de l'enroulement et où les brins de retour sont directement raccordés au contour homopolaire, la borne de sortie étant elle même connectée au contour homopolaire. Les brins peuvent, en variante, être raccordés à leur borne de sortie qui elle même est connectée au contour homopolaire. - La figure 15 représente le raccordement d'une liaison coaxiale basse impédance aux bornes 20 biplaques de l'inducteur oblique. Variantes L'inducteur peut comporter toutes les variantes correspondant à des combinaisons des deux types d'inducteur décrit précédemment, c'est-à-dire être partiellement oblique avec des développantes 25 réduites. L'inducteur peut aussi comporter plusieurs étages d'enroulement polyphasé. Le contour homopolaire (selon figures 5 et 6) Le contour homopolaire entoure la virole à un niveau de celle-ci près des bornes de sortie des phases. Le contour homopolaire est un conducteur auquel sont connectées toutes les bornes 30 de sortie des phases. Le contour homopolaire prend une forme adaptée à la section de la virole: c'est un contour convexe qui peut être circulaire, polygonal. Le contour homopolaire a deux fonctions : la première est la tenue mécanique de l'enroulement polyphasé inducteur, la seconde est la constitution d'un pôle électrique homopolaire de 35 l'utilisation qu'est le creuset froid. La tenue mécanique de l'enroulement est faite par la fixation des bornes de sortie au contour homopolaire. Les bornes peuvent être soudées ou brasées, ou boulonnées, ou rivetées, ou encliquetées, ou fixées par tout autre moyen. Quand les brins sont directement raccordés au contour homopolaire, la tenue mécanique de 5 l'enroulement est faite par la fixation des brins au contour homopolaire ainsi que par la fixation des bornes de sortie au contour homopolaire. Les brins et les bornes peuvent être soudées ou brasées, ou boulonnées, ou rivetées, ou encliquetées, ou fixées par tout autre moyen. Le pôle électrique homopolaire est constitué par l'interconnexion de toutes les bornes de sortie de l'enroulement polyphasé au contour homopolaire. 10 Le pôle électrique homopolaire est un point électrique de référence pour le contrôle commande de la source polyphasée. La tenue mécanique de l'enroulement est consolidée en dehors du contour homopolaire par les moyens usuels de tenue des enroulements comme l'encordement imprégné des brins, la mise en place de pièces électriquement isolantes de séparation des brins, ou tout autre moyen adéquat. 15 Pour des puissances élevées, le contour homopolaire est refroidi. Il peut être utilisé comme collecteur de distribution du fluide de refroidissement des brins (figures 13,14,15). Quand il y a plusieurs étages d'enroulement polyphasé, il y a autant de contour homopolaire que d'étages d'enroulement. 20 La virole (selon figures 1 et 2) La virole est constituée de couronnes superposées. Les couronnes sont en matière électriquement conductrice, de métal approprié à l'utilisation. Les couronnes sont creuses et refroidies par un fluide caloporteur, généralement de l'eau. Les couronnes sont de forme convexe et peuvent être circulaires, polygonales. 25 Chaque couronne possède la propriété suivante. Considérons la surface formée par les conducteurs montant et descendant de chaque brin de l'inducteur le long de la virole, liés par des segments fictifs de même côte ; l'intersection de cette surface avec une couronne dessine deux contours : la self-inductance de chacun de ces derniers est beaucoup plus petite que celle de la couronne. 30 Les couronnes sont électriquement isolées les unes par rapport aux autres (voir figures 3 et4), soit à l'aide d'un revêtement isolant, soit par adjonction d'un isolant électrique inséré entre deux couronnes, soit par ces deux moyens conjugués. Les couronnes sont tenues aux efforts mécaniques et aux efforts électrodynamiques soit par leur forme constructive, soit par des renforts extérieurs, soit en associant ces deux moyens. 35 L'étanchéité entre les couronnes est assurée par la qualité des surfaces en regard et généralement consolidée par une pression exercée à l'aide d'un équipement exinscrit à la virole. La virole est mécaniquement tenue afin que les efforts électrodynamiques soient transmis au contenu. La partie utile de la virole est celle qui est soumise à un champ électromagnétique induit suffisant pour l'utilisation. Variante Une variante est une virole constituée en hélice jointive où, par rapport à la conception précédente, la superposition des couronnes est remplacée par une hélice dont les surfaces jointives en regard sont électriquement isolées, soit à l'aide d'un revêtement isolant, soit par adjonction d'un isolant électrique inséré entre deux parois d'hélice, soit par ces deux moyens conjugués.. L'hélice est en matière conductrice, de métal approprié à l'utilisation, creuse et refroidie par un fluide caloporteur. Encore, la virole peut être constituée par la superposition de plusieurs hélices isolées les unes par 15 rapport aux autres. La sole (selon figures 1 et 2) Le fond du creuset froid est dit « sole » ; il est constitué de couronnes jointives de diamètre régressif jusqu'à la pièce centrale qui est percée d'un orifice permettant l'évacuation de 20 la matière fondue à l'aide d'un équipement complémentaire comportant un inducteur auxiliaire monophasé et un ou des sectionnements mécaniques. Les couronnes sont de forme convexe et peuvent être circulaires, polygonales. Les couronnes sont électriquement isolées les unes par rapport aux autres, soit à l'aide d'un revêtement isolant, soit par adjonction d'un isolant électrique inséré entre deux couronnes, soit 25 par ces deux moyens conjugués. Les couronnes sont en matière électriquement conductrice, de métal approprié à l'utilisation. Les couronnes sont creuses et refroidies par un fluide caloporteur, généralement de l'eau. En variante, l'orifice permettant l'évacuation de la matière fondue peut être dans une position décalée par rapport au centre de la sole ; les couronnes peuvent être composées de plusieurs 30 parties isolées électriquement les unes par rapport au autres à la condition suivante : la self-inductance de leur contour dessiné par l'intersection avec un plan axial (c'est-à-dire, contenant l'axe de la virole) soit significativement plus petite que la self-inductance de leur contour dessiné par l'intersection avec un plan radial médian (c'est à dire, contenant un plan radial) placé dans l'épaisseur de la sole. 35 Variante Une variante est une sole constituée en hélice jointive où, par rapport à la conception précédente, l'imbrication des couronnes est remplacée par une hélice dont les surfaces jointives en regard sont électriquement isolées, soit à l'aide d'un revêtement isolant, soit par adjonction d'un isolant électrique inséré entre deux parois d'hélice, soit par ces deux moyens conjugués.. L'hélice est en matière électriquement conductrice, de métal approprié à l'utilisation ; elle est creuse et refroidie par un fluide caloporteur. Encore, la sole peut être constituée par l'imbrication de plusieurs hélices isolées les unes par rapport aux autres. REVENDICATIONS1) Creuset froid polyphasé à chauffage par induction électromagnétique haute fréquence destiné à la fusion de matières électriquement conductrices dans cet état comme le verre, les oxydes métalliques, comprenant : - un inducteur polyphasé créant un champ électromagnétique tournant, - un contour homopolaire, - des couronnes superposées constituant une enceinte dite virole, - des couronnes emboîtées constituant le fond du creuset. 2) Creuset froid polyphasé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contour homopolaire participe au maintien de l'inducteur en tenant les bornes de sortie des phases par soudage ou brasage ou par un moyen mécanique. 3) Creuset froid polyphasé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contour 15 homopolaire constitue le pôle électrique homopolaire de l'utilisation qu'est le creuset froid polyphasé 4) Creuset froid polyphasé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couronnes sont électriquement isolées les unes par rapport aux autres en constituant une enceinte (dite virole). 20 5) Creuset froid polyphasé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couronnes sont électriquement isolées les unes par rapport aux autres en constituant le fond (dit sole). 6) Creuset froid polyphasé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les brins de sortie des phases de l'enroulement inducteur sont connectés et tenus respectivement à leur borne de sortie, ou directement au contour homopolaire. 25 7) Creuset froid polyphasé à chauffage par induction électromagnétique destiné à la fusion de matières électriquement conductrices dans cet état comme le verre, les oxydes métalliques comprenant : - un inducteur polyphasé créant un champ magnétique tournant' 30 - un contour homopolaire - une virole constituée en une hélice jointive dont les surfaces en regard sont électriquement isolées ou en variante, par plusieurs hélices superposées. - une sole constituée en une hélice jointive dont les surfaces en regard sont électriquement isolées ou en variante, par plusieurs hélices imbriquées. 35