Brevet FR3060411A1 — publié le 20180622

Autoclave comportant un dispositif d'amélioration du transfert thermique global DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention appartient au domaine des fours et autoclaves destinés à la fabrication de pièces structurales en matériaux composites. L'invention concerne plus particulièrement un autoclave pourvu d'un dispositif pour 5 l'amélioration du transfert thermique global. ÉTAT DE L'ART L'élaboration de pièces en matériaux composites, et plus spécialement la fabrication de pièces structurales en matériaux composites à matrice organique, 10 nécessite la mise en oeuvre de moyens connus dans l'industrie qui permettent par leur diversité de s'adapter à différentes exigences selon leurs domaines d'application. En particulier, les autoclaves sont généralement utilisés pour la fabrication de pièces de hautes performances, par moulage sous vide, et sont largement 15 employés dans l'industrie aéronautique. Un autoclave permet une mise sous vide de la pièce à fabriquer sous une membrane étanche suivie d'une application d'un cycle de pression et de température, tout en permettant à l'opérateur de contrôler les paramètres de fabrication. La fabrication de pièces structurales dans une étuve emploie les mêmes 20 principes mais sans application de cycle de pression dans l'enceinte thermique de ladite étuve. En outre, le procédé autoclave assure une optimisation du taux de porosités, du contrôle des vitesses de chauffe et de refroidissement, et de la température de cuisson. 25 Cependant, les cycles de fabrication dans les autoclaves peuvent présenter des durées conséquentes, occasionnant des coûts de production élevés et 3060411 2 empêchant la généralisation d'un tel procédé aux pièces de grande série. D'autant plus que ces moyens de fabrication sont pilotés par une pression et une température globales uniques imposées en consigne. Un autre inconvénient connu de l'utilisation d'un autoclave est le gradient thermique à l'intérieur de 5 l'autoclave, qui est d'autant plus important que les dimensions de l'autoclave sont grandes, réduisant ainsi le volume utile de cuisson des pièces à cause des hétérogénéités de température. De plus, les valeurs élevées de la température et de la pression dans l'autoclave n'autorisent que très difficilement les mesures de vitesses d'écoulements de fluide (dirigeant les échanges thermiques par 10 convection dans l'enceinte de l'autoclave) et de l'homogénéité de la température de la pièce, et par là même de contrôler le déroulement de la fabrication. Des solutions connues permettent néanmoins de pallier les problématiques liées au temps et au taux de production dans le procédé autoclave en utilisant par exemple : 15 - un apport d'énergie thermique sous forme conductive, par un fluide caloporteur, ou radiative, par des panneaux rayonnants, à l'intérieur de l'autoclave ; - une augmentation de la convection forcée par une augmentation de la vitesse et ou de la pression, une optimisation du positionnement 20 du moule dans le volume utile de cuisson, une réorientation des flux par le biais de rectifieurs en fonction des géométries de l'autoclave et des pièces structurales à fabriquer. Le document canadien CA 2762790 A1, à titre d'exemple, décrit un procédé d'optimisation de l'utilisation du volume d'un autoclave par simulation numérique, 25 permettant une détermination des positions adéquates du moule à l'intérieur de l'autoclave et une modification contrôlée des flux avec des rectifieurs pour améliorer la productivité de l'autoclave. Cette solution reste néanmoins complexe, demande un temps de prétraitement conséquent et varie en fonction de la pièce à fabriquer et de la 30 configuration de l'autoclave. Cette solution permet en effet une optimisation de l'utilisation du moyen existant sans améliorer l'efficacité du moyen lui-même. 3060411 3 PRÉSENTATION DE L'INVENTION Partant de cet état de fait, le demandeur propose une solution palliant les limitations de l'art antérieur et décrit un autoclave comportant une enceinte dans laquelle circule un gaz entre une ouverture d'entrée par laquelle ledit gaz pénètre dans ladite enceinte et une ouverture de sortie, cet autoclave est remarquable en ce qu'il comporte un dispositif turbulateur placé dans ladite ouverture d'entrée et qui augmente globalement la turbulence d'un écoulement de gaz traversant ledit dispositif turbulateur. L'augmentation de la turbulence dans l'écoulement du gaz de chauffe dans 10 l'enceinte permet en effet de favoriser les échanges thermiques par convection forcée entre l'enceinte et la pièce structurale fabriquée dans ladite enceinte. Plus particulièrement, le dispositif turbulateur épouse la forme de l'ouverture d'entrée dans laquelle ledit dispositif turbulateur est fixé. Conformément à une caractéristique particulièrement avantageuse, le 15 dispositif turbulateur comporte une ou plusieurs caractéristiques parmi des trous, des parties mobiles, des surfaces ondulées, des cavités, des excroissances et/ou toute autre formation favorisant l'apparition de turbulences globales dans l'enceinte quand ledit dispositif turbulateur est traversé par un écoulement de gaz. La présence de ces formations créent des flux, dits flux bloquants, opposés 20 à l'écoulement naturel du gaz de chauffe dans l'enceinte de l'autoclave. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le dispositif turbulateur est une grille. La grille comporte dans un mode de réalisation des éléments fixes, des chicanes par exemple qui dévient l'écoulement du gaz et créent des turbulences 25 globales dans l'enceinte de l'autoclave, ou des éléments rotatifs, pouvant être mis en mouvement par un écoulement de gaz dans l'enceinte, tels des lames, des ailettes ou des pales qui peuvent être motorisés ou non. Dans un mode de réalisation, l'autoclave comporte plusieurs dispositifs turbulateurs placés dans l'ouverture d'entrée de l'enceinte dudit autoclave. 30 Dans un mode de réalisation, le dispositif turbulateur comporte une enveloppe cylindrique, au moins une paroi selon une première direction, au moins une paroi selon une seconde direction différente de la première direction, lesdites 3060411 4 parois déterminant plusieurs conduits suivant une direction longitudinale de ladite enveloppe, au moins une hélice placée dans un desdits conduits, et au moins une grille placée dans un autre conduit, ladite hélice étant maintenue par des supports fixés auxdites parois. 5 L'autoclave selon l'invention est particulièrement avantageux dans le cas de fabrication de pièces haute performance en matériaux composites destinées à l'industrie aéronautique par exemple. Les concepts fondamentaux de l'invention venant d'être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d'autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation d'un autoclave comportant un dispositif d'amélioration du transfert thermique global au sein dudit autoclave, conforme aux principes de l'invention. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES Les différents dessins ainsi que les éléments d'un même dessin, ne sont pas nécessairement représentés à la même échelle. Sur l'ensemble des dessins, les éléments identiques portent le même repère. - La figure 1 représente un schéma général de l'invention montrant en coupe longitudinale un exemple d'un autoclave selon l'invention avec une pièce en préparation ; - La figure 2 illustre une vue de face d'un exemple de dispositif turbulateur selon l'invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION La figure 1 représente un schéma de principe du fonctionnement d'un autoclave 100 selon l'invention, ledit autoclave est utilisé dans le cas d'une fabrication de pièces structurales en matériaux composites destinées en particulier à l'industrie aéronautique, comme par exemple des bords d'attaque de voilures dans le cas de structures secondaires ou des parties de fuselages dans le cas de structures primaires. 30604 1 1 5 L'autoclave 100, selon l'exemple de réalisation de la figure 1, comporte principalement une enceinte 10 utilisée pour recevoir les pièces à fabriquer, des parois internes 20 délimitant ladite enceinte et pourvues d'une ouverture d'entrée 20a et d'une ouverture de sortie 20b, des parois externes 40 résistantes à la 5 pression qui règne dans l'autoclave et entourant les parois internes 20, et une conduite double-enveloppe 30 correspondant au volume intermédiaire situé entre lesdites parois internes et parois externes. L'autoclave décrit, objet de la présente invention, permet d'améliorer globalement le transfert thermique dans l'enceinte 10 par un dispositif turbulateur 10 15, placé dans l'ouverture d'entrée 20a, produisant des turbulences globales, lesdites turbulences atteignant une structure 12 à fabriquer placée dans un moule 11. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, un gaz est circulé dans la conduite double-enveloppe 30 de l'autoclave 100 via un ventilateur 31 placé 15 dans ladite conduite double-enveloppe. La conduite double-enveloppe 30 de l'autoclave 100 est formée par un volume situé entre les parois internes 20 et les parois externes 40 dudit autoclave, l'enceinte 10 quant à elle correspond au volume délimité par les parois internes 20. 20 L'ouverture d'entrée 20a et l'ouverture de sortie 20b permettent à l'enceinte 10 et la conduite double-enveloppe 30 de communiquer entre elles, et sont réalisées, en vis-à-vis, chacune dans une paroi verticale appartenant aux parois internes 20 de l'autoclave 100 pour assurer une circulation générale du gaz dans l'enceinte. 25 Le ventilateur 31 souffle le gaz dans la conduite double-enveloppe 30 de l'autoclave 100, ledit gaz pénètre ensuite dans l'enceinte 10 par l'ouverture d'entrée 20a suivant ainsi un circuit continu. L'écoulement du gaz entrant 16a est alors modifié par le dispositif turbulateur 15 lui faisant obstacle, ledit dispositif turbulateur perturbe l'écoulement et génère, à son aval, des turbulences globales 30 dans l'enceinte 10 qui améliorent l'homogénéisation de la température dans la zone de fabrication ainsi que les échanges thermiques. Le dispositif turbulateur 15 est conformé pour produire des turbulences et par là même augmenter la turbulence de l'écoulement du gaz dans l'enceinte. Le 30604 1 1 6 dispositif turbulateur 15 peut être tout ensemble comportant des trous, des parties mobiles, des surfaces ondulées, des cavités, des excroissances et/ou toute autre formation favorisant l'apparition de turbulences, en causant des accidents de circulation et des recirculations dans l'écoulement tout en restant relativement 5 perméable à l'écoulement, comme dans le cas d'une grille de diffusion par exemple. Selon les principes de l'invention, la modification de l'écoulement du gaz à l'entrée de l'enceinte de l'autoclave peut être qualifiée d'active ou de passive selon que le dispositif turbulateur 15, responsable de la création de turbulences 10 globales, contient des parties mobiles, pouvant être contrôlées par un système en dehors de l'autoclave, ou n'en contient pas. Dans le cas d'une modification active de l'écoulement, le dispositif turbulateur 15 comporte des parties mobiles, chacune s'animant d'un mouvement de rotation autour d'un axe propre quand elle est traversée par l'écoulement du 15 gaz. Un tel dispositif turbulateur peut être par exemple une grille métallique de dimensions prédéterminées, pouvant être modulable, et comportant des éléments rotatifs tels des lames, des ailettes ou des pales, lesdits éléments rotatifs pouvant être motorisés ou simplement entrainés par le mouvement du gaz. Ainsi, le mouvement des parties mobiles du dispositif turbulateur 15 améliorent la diffusion 20 et le mélange du gaz dans l'autoclave grâce aux tourbillons générés par lesdites parties mobiles et notamment dans une zone entourant la pièce structurale. Dans le cas d'une modification passive de l'écoulement, le dispositif turbulateur 15 ne comporte aucune partie mobile et ne contient que des obstacles fixes qui perturbent l'écoulement du gaz en créant des zones de recirculation et 25 donc de la turbulence. Un tel dispositif turbulateur est par exemple une grille comportant des éléments qui contrarient le cheminement naturel de l'écoulement du gaz dans l'enceinte et crée de la turbulence dans celui-ci, ces éléments sont par exemple des chicanes, comme celles utilisées dans les échangeurs thermiques. 30 Dans les deux cas actif et passif, qui peuvent être combinés, le dispositif turbulateur 15 comporte principalement une grille. Ceci est avantageux en raison de la nature lacunaire d'une structure de type grille qui permet de perturber les écoulements du gaz facilement. 3060411 7 Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, le dispositif turbulateur 15 comporte une enveloppe cylindrique 151 qui épouse la forme de l'ouverture d'entrée 20a de l'autoclave et se fixe dans ladite ouverture d'entrée par simple vissage par exemple. Le dispositif turbulateur 15 comporte des cloisons verticales 5 152 et des cloisons horizontales 153 placées à l'intérieur de l'enveloppe cylindrique 151 et divisant un volume intérieur de ladite enveloppe cylindrique en plusieurs conduits suivant une direction longitudinale de ladite enveloppe cylindrique de façon à former une grille de diffusion. Le dispositif turbulateur 15, selon l'exemple de réalisation de la figure 2, 10 comporte en outre des hélices 154 placée chacune dans un conduit défini par des cloisons verticales et des cloisons horizontales. Chaque hélice 154 est maintenue par des supports diagonaux 155 fixés à l'intérieur du conduit comportant ladite hélice. Le dispositif turbulateur 15, selon l'exemple de réalisation de la figure 2, 15 comporte aussi des grilles 156 de plus petites mailles recouvrant des conduits de préférence dépourvus d'hélices. Il est évident que le dispositif turbulateur 15 peut présenter de nombreuses variantes en fonction de l'effet recherchée. Il peut comporter un nombre variable de cloisons différemment inclinées déterminant des conduits plus ou moins étroits 20 pouvant contenir des hélices, motorisées ou ne l'étant pas, et ou des grilles dont les mailles présentent différentes tailles et différentes formes. Le dispositif turbulateur 15 permet ainsi une modification de la convection forcée autour de la pièce structurale 12, placée dans le moule 11, en régime d'écoulement turbulent du gaz de chauffage dans l'enceinte 10, et une 25 amélioration du brassage dudit gaz dans ladite enceinte, en particulier au voisinage du moule. En effet, le dispositif turbulateur 15 selon le mode de réalisation illustré et de part sa grille, génère des flux locaux au niveau des mailles de la grille, dits flux bloquants, opposés à l'écoulement général du gaz en amont dudit dispositif. De 30 plus les hélices créent des tourbillons qui se propagent à plus grande échelle pour remplir tout le volume de l'enceinte. Cela a pour effet direct d'augmenter globalement la turbulence de l'écoulement. 3060411 8 À titre d'exemple, la différence d'efficacité entre une modification active de la turbulence, par l'usage de parties mobiles dans le dispositif turbulateur, et une modification passive, absence de parties mobiles dans le dispositif turbulateur, peut être quantifiée expérimentalement grâce à la mesure du nombre de Reynolds 5 local, ce nombre pouvant même doubler avec l'utilisation d'un dispositif actif à la place d'un dispositif passif. Quand le nombre de Reynolds local est multiplié par deux avec l'utilisation d'un dispositif turbulateur actif, le transfert thermique local au niveau de la pièce structurale 12 est multiplié quant à lui par 1,7. Ce coefficient étant obtenu par les 10 relations détaillées plus bas. Le gain en transfert thermique local est calculé à partir du nombre adimensionnel de Nusselt (Nu) local, caractérisant le transfert thermique convectif entre la pièce et le gaz en fonction de la conduction thermique dudit gaz. Ce nombre est fonction du nombre de Reynolds local. 15 Cette corrélation est illustrée dans le cas d'une plaque composite fabriquée dans l'autoclave et immergée dans un écoulement turbulent, pour laquelle on a la relation empirique suivante : Nu = 0,0288 - Re4/5 - Pr1/3 20 Avec Pr le nombre de Prandtl, caractérisant le rapport entre la diffusion visqueuse et la diffusion thermique, donné par la relation suivante : Cp p. - Pr = À Avec il la viscosité dynamique, Cp la chaleur spécifique et l la conductivité 25 thermique. Dans le cas de cette plaque, on obtient une multiplication par 1,7 du transfert thermique local dans un gaz à 200°C et a\ec les valeurs numériques suivantes : it = 25,16 - 10-6 Pa. s ; 30 Cp = 1025J. K g-1.°C ; 3 0 6 0 4 1 1 9 À = 0,03698 W. rn-1. °C. L'écoulement du gaz sortant 16b est repris à l'ouverture de sortie 20b par le ventilateur 31 qui le réinjecte ensuite dans les canalisations de la conduite double-5 enveloppe 30 de l'autoclave 100. La turbulence de l'écoulement au voisinage de la pièce structurale étant augmentée, le transfert thermique entre le gaz de chauffage de l'enceinte et ladite pièce structurale est donc amélioré par une augmentation globale de la convection. 10 Dans un exemple de réalisation, l'autoclave peut comporter plusieurs dispositifs turbulateurs placés en série ou en parallèle à l'entrée dudit autoclave. L'autoclave amélioré ainsi décrit, peut être utilisé dans la fabrication de pièces structurales quelles que soient leurs géométries et leurs dimensions. Le choix de l'emplacement de la pièce structurale à l'intérieur de l'enceinte de 15 l'autoclave est plus libre car les turbulences sont créées dans tout le volume de l'enceinte, cela palie donc les limites imposées par le volume utile de cuisson dans les autoclaves jusqu'alors difficiles à surmonter. L'autoclave selon la présente invention permet alors de réduire le temps de cuisson et de refroidissement des pièces structurales fabriquées dans ledit 20 autoclave, de limiter les hétérogénéités thermiques persistantes dans les pièces de grandes dimensions après le cycle autoclave, d'augmenter la productivité tout en limitant le coût qu'engendrerait une modification du système de chauffage de l'autoclave in situ, et d'agrandir le volume utile de cuisson dans les autoclaves. L'autoclave, tel que décrit, est destiné à tous les utilisateurs recherchant 25 une homogénéité thermique du volume utile, en particulier les fabricants de pièces structurales en matériaux composites. La présente invention peut également être adaptée à tout type d'enceinte thermique, avec ou sans pression interne, tel un autoclave ou une étuve. REVENDICATIONS1. Autoclave (100) comportant une enceinte (10) dans laquelle circule un gaz, entre une ouverture d'entrée (20a) par laquelle ledit gaz pénètre dans ladite enceinte et une ouverture de sortie (20b), caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif turbulateur (15) placé dans ladite ouverture d'entrée et qui augmente globalement la turbulence d'un écoulement de gaz traversant ledit dispositif turbulateur. 2. Autoclave selon la revendication 1, dans lequel le dispositif turbulateur (15) épouse la forme de l'ouverture d'entrée (20a) dans laquelle ledit dispositif turbulateur est fixé. 3. Autoclave selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif turbulateur (15) comporte une ou plusieurs caractéristiques parmi des trous, des parties mobiles, des surfaces ondulées, des cavités, ou des excroissances, favorisant l'apparition de turbulences globales dans l'enceinte (10) quand ledit dispositif turbulateur est traversé par un écoulement de gaz. 4. Autoclave selon la revendication 3, dans lequel le dispositif turbulateur (15) comporte une grille munie d'éléments rotatifs pouvant être mis en mouvement par un écoulement de gaz dans l'enceinte. 5. Autoclave selon la revendication 4, dans lequel les éléments rotatifs du dispositif turbulateur (15) sont motorisés. 6. Autoclave selon la revendication 3, dans lequel le dispositif turbulateur (15) comporte une grille munie de chicanes déviant l'écoulement du gaz traversant ledit dispositif turbulateur et créant des turbulences globales dans l'enceinte dudit autoclave. 30604 1 1 11 7. Autoclave selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant plusieurs dispositifs turbulateurs (15) placés dans l'ouverture d'entrée (20a) de l'enceinte (10) dudit autoclave. 5 8. Autoclave selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif turbulateur (15) comporte une enveloppe (151) cylindrique, au moins une paroi (152) suivant une première direction, au moins une paroi (153) suivant une seconde direction différente de la première direction, lesdites parois déterminant plusieurs conduits suivant 10 une direction longitudinale de ladite enveloppe, au moins une hélice (154) placée dans un desdits conduits, et au moins une grille (156) placée dans un autre conduit, ladite hélice étant maintenue par des supports (155) fixés auxdites parois.