Brevet FR3102547A1 — publié le 20210430

Cellule de trempe sous gaz La présente description concerne1 une cellule de refroidissement sous gaz, comprenant : une enceinte ; au moins une ouverture dans l'enceinte, d'accès à un espace de traitement interne à l'enceinte ; au moins une porte d'obturation de l'ouverture ; et un système (4), interne à l'enceinte, comportant au moins une paroi (42) mobile entre une première position où cette paroi forme écran entre l'ouverture et l'espace de traitement, et une deuxième position où ladite paroi libère l'accès à l'espace de traitement depuis l'ouverture. Figure pour l'abrégé : Fig. 3 Cellule de trempe sous gaz La présente description concerne de façon générale les installations de traitement de pièces métalliques ou en verre et, plus particulièrement les cellules de trempe sous gaz. Les cellules de trempe sous gaz sont particulièrement répandues dans l'industrie pour traiter des pièces métalliques ou en alliage à base de métaux, voire en verre. Ce traitement de pièces à l'état solide est typiquement un traitement thermique de refroidissement rapide (de trempe). Une cellule de trempe est généralement constituée d'une enceinte hermétique dans laquelle est organisée une circulation de gaz de refroidissement (ou gaz de trempe) de pièces à traiter placées dans l'enceinte. Cette circulation conditionne la qualité du traitement et les performances de l'installation. Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des cellules de trempe connues. Un mode de réalisation prévoit une cellule de trempe à circulation améliorée des gaz de trempe. Un mode de réalisation prévoit une cellule de refroidissement sous gaz, comprenant : une enceinte ; au moins une ouverture dans l'enceinte, d'accès à un espace de traitement interne à l'enceinte ; au moins une porte d'obturation de l'ouverture ; et un système, interne à l'enceinte, comportant au moins une paroi mobile entre une première position où cette paroi forme écran entre l'ouverture et l'espace de traitement, et une deuxième position où ladite paroi libère l'accès à l'espace de traitement depuis l'ouverture. Selon un mode de réalisation, la paroi mobile participe à canaliser le flux de gaz vers l'espace de traitement. Selon un mode de réalisation, la cellule comporte plusieurs ouvertures d'accès à l'espace de traitement, ledit système comportant une paroi mobile entre chaque ouverture et l'espace de traitement. Selon un mode de réalisation, l'enceinte comporte deux ouvertures d'accès à l'espace de traitement. Selon un mode de réalisation, ledit système comporte quatre parois agencées pour former un cadre autour de l'espace de traitement. Selon un mode de réalisation, le cadre est destiné, lorsqu'il est dans la première position, à entourer une charge disposée dans l'espace de traitement. Selon un mode de réalisation, la circulation de gaz dans l'enceinte s'effectue en circuit fermé, dans une première direction en partie centrale de l'enceinte incluant l'espace de traitement et dans une deuxième direction en périphérie de l'enceinte. Selon un mode de réalisation, la ou les parois sont équipées d'éléments déflecteurs au niveau de leurs arrêtes inférieures. Selon un mode de réalisation, la ou les parois sont mobiles en translation verticalement. Selon un mode de réalisation, la cellule comporte en outre un mécanisme de commande d'un déplacement du système à paroi(s) mobile(s) d'une position à l'autre. Selon un mode de réalisation, ledit mécanisme comporte : un arbre rotatif selon un axe perpendiculaire à la direction du mouvement de la ou des parois mobiles ; et au moins un bras de conversion d'un mouvement rotatif de l'arbre en un mouvement de translation de la ou des parois mobiles. Selon un mode de réalisation, la rotation de l'arbre est provoquée depuis l'extérieur de l'enceinte par un mécanisme à bielle convertissant un mouvement de translation d'un vérin en un mouvement de rotation de l'arbre. Selon un mode de réalisation, l'espace de traitement comporte un support de charge, destiné à recevoir une charge. Selon un mode de réalisation, la cellule comprend une turbine disposée à l'aplomb du support de charge, la turbine comprenant : un ventilateur, interne à l'enceinte ; et une motorisation, externe à l'enceinte. Selon un mode de réalisation, le ventilateur est à l'intérieur d'un conduit de guidage de gaz vers l'espace de traitement. Selon un mode de réalisation, la ou les parois, dans leur première position, prolongent tout ou partie de parois du conduit. Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en perspective externe d'un mode de réalisation d'une cellule de trempe ; la figure 2 représente des vues A et B en coupe, en perspective et partielles d'un mode de réalisation d'une cellule de trempe ; la figure 3 est une vue en perspective d'un mode de réalisation préféré d'un système à parois mobiles pour cellule de trempe ; et la figure 4 est une vue en perspective et en coupe d'un mode de réalisation d'un système de parois mobiles et de son mécanisme d'actionnement, intégrés à une cellule de trempe. De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les effets, sur des pièces à traiter, de différents gaz de trempe en fonction des débits, volumes, températures et pressions de ces gaz sont connus et ne seront pas détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les traitements et paramètres (débits, volumes, pressions, températures, etc.) usuels. Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures ou à une cellule de trempe dans une position normale d'utilisation. Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. La figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une cellule de refroidissement rapide ou cellule de trempe 1. Une telle cellule 1 fait typiquement partie d'une installation ou ligne de traitement de pièces métalliques, en alliage métallique ou en verre qui comporte d'autres postes de fabrication et de traitement des pièces. La cellule 1 de trempe sous gaz comprend une enceinte 3, par exemple de forme générale cylindrique. L'enceinte 3 est de direction principale (direction principale de circulation des gaz) verticale ou horizontale. Dans l'exemple préféré représenté en figure 1, l'enceinte 3 est une enceinte cylindrique d'axe vertical. L'enceinte 3 repose sur des supports 5, ou pieds. L'enceinte 3 comprend deux ouvertures (non visibles en figure 1) d'accès à un espace de traitement interne à l'enceinte. Les deux ouvertures sont de préférence en vis à vis. Ces deux ouvertures servent, notamment dans une installation en ligne, respectivement à l'introduction ou chargement de pièces à traiter et au déchargement des pièces traitées, c'est-à-dire au transfert de charges. A titre de variante, selon l'agencement de la cellule dans l'installation de traitement, l'enceinte comporte une seule ouverture servant au chargement et au déchargement des pièces. Chaque ouverture est associée à une porte 9, extérieure à l'enceinte 3. La ou les portes 9 sont, par exemple des portes montées à coulissement entre des rails de guidage 11, par exemple horizontaux, et sont mues par des moteurs 13. La ou les portes 9 assurent une fermeture étanche de la cellule 1, l'intérieur de l'enceinte 3 de la cellule de trempe 1 étant, en fonctionnement, à des pressions généralement comprises entre 1 et 20 bars. Dans l'exemple représenté, une des ouvertures est associée à des éléments 15 de raccordement de la cellule 1 à un module, non représenté, du reste de l'installation dont fait partie la cellule 1. Il s'agit par exemple d'une cellule de chauffe ou d'une chambre de transfert. Cette connexion permet de faciliter le transfert automatique, sans remise à l'air, de pièces à traiter entre ce module de traitement et la cellule de trempe. Le cas échéant les deux ouvertures sont chacune associée à un module externe à la cellule. La cellule 1 de trempe sous gaz comprend en outre un échangeur (non visible en figure 1), interne à l'enceinte, pour refroidir le ou les gaz pendant la trempe. L'échangeur est alimenté en fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, par des conduites 17. Les gaz sont, dans l'exemple de la cellule de la figure 1, introduits par un conduit 19 situé en partie supérieure de l'enceinte 3. A titre d'exemple, les gaz utilisés pour la trempe dans la cellule 1 sont de l'azote, de l'hélium et/ou de l'argon. La figure 2 représente, par des vues A et B en coupe, en perspective et partielles, un mode de réalisation d'une cellule de trempe. La vue A de la figure 2 représente la cellule 1 lors d'un cycle de trempe, les portes 9 de la cellule étant fermées. La vue B de la figure 2 représente la cellule 1 avec les portes 9 ouvertes, par exemple pendant une phase de chargement de pièces à traiter ou de déchargement de pièces traitées. La cellule 1 comprend, à l'intérieur de l'enceinte 3, au niveau d'un espace de traitement 39, un support 21 destiné à recevoir une charge 23 à traiter. Le support 21 de charge est choisi pour permettre de disposer la charge 23 à l'intérieur de l'enceinte 3, de sorte que la charge soit centrée dans le plan horizontal de l'enceinte 3 et soit dans l'alignement de la ou des ouvertures 25 (figure 2B). La charge 23 est schématiquement illustrée en figure 2 par un parallélépipède rectangle, représentant le volume occupé par la charge dans l'enceinte. En pratique, la charge comprend plusieurs pièces à traiter, disposées dans un ou plusieurs paniers ajourés et/ou sur un plateau ajouré. La cellule 1 comprend en outre une turbine à l'aplomb du support 21 de charge. La turbine comprend un ventilateur 27, interne à l'enceinte 3, et un moteur d'entrainement 29, externe à l'enceinte. Un arbre 31 traverse une partie supérieure de l'enceinte 3 et raccorde le moteur 29 au ventilateur 27. Le ventilateur 27 est disposé à l'intérieur d'un conduit 32 de guidage des gaz vers le support 21 de charge. Le ventilateur 27 est de préférence situé à l'intérieur de l'extrémité supérieure du conduit 32. Le conduit 32 est de préférence de section circulaire en sa partie supérieure, comprenant le ventilateur, et de section carrée ou rectangulaire à son autre extrémité, adaptée à la forme dans laquelle s'inscrit la charge à traiter. Lors de la trempe d'une charge 23, la circulation du gaz de trempe dans l'enceinte 3 de la cellule 1 s'effectue généralement en circuit fermé. Le ventilateur 27 entraine le gaz dans le conduit 32 vers le bas, autrement dit vers le support 21, donc la charge 23 à traiter. Le gaz de trempe traverse la charge 23 placée dans l'espace de traitement 39 avant de remonter dans l'enceinte par un espace périphérique entre le conduit 32 et les parois de l'enceinte 3. La circulation des gaz accélérée par le ventilateur permet un refroidissement rapide. Par rapide, on entend une vitesse de refroidissement, pour des pièces métalliques, comprise entre environ 5 degrés par seconde et environ 10 degrés par seconde. Un échangeur thermique 33 est situé dans cet espace périphérique, de préférence en partie haute au niveau du ventilateur 27. L'échangeur 33 a pour rôle de refroidir le gaz avant que celui-ci soit de nouveau propulsé vers la charge 23 dans la circulation en circuit fermé. Pour faciliter la circulation du flux de gaz en partie basse de l'enceinte et, plus particulièrement réorienter le gaz vers de la partie centrale vers la périphérie de l'enceinte, une structure conique 35, dirigée vers le haut est disposée sous le support de charge 21. La pointe du cône 35 est approximativement coaxiale à l'axe du ventilateur 27. Un structure conique similaire 35', dirigée vers le bas, est prévue en partie supérieure de l'enceinte, avec afin de ramener le flux de gaz, refroidi par l'échangeur, depuis l'espace de circulation périphérique vers le centre de l'enceinte. La pointe du cône de la structure 35' est approximativement coaxiale à l'axe du ventilateur. Les structures coniques 35 et 35' facilitent la circulation des gaz au centre de l'enceinte de haut en bas et en périphérie de l'enceinte de bas en haut. De préférence, une grille 37 servant à homogénéiser le flux des gaz arrivant sur la charge est disposée à l'intérieur du conduit 32, de préférence au niveau de son extrémité inférieure. La fonction de la grille 37 est de rendre l'écoulement de gaz laminaire au niveau de la charge 23. La qualité du traitement et les performances de l'installation dépendent de l'homogénéité de la circulation des gaz dans l'enceinte 3. Les modes de réalisation décrits tirent leur origine d'une nouvelle analyse des flux de gaz dans une enceinte de traitement. Il ressort de cette analyse que la présence des portes 9, et plus particulièrement des ouvertures 25 et des encadrements de porte correspondants, a tendance à créer des vortex qui interfèrent avec l'écoulement laminaire des gaz dans l'enceinte. Cela perturbe non seulement la remontée périphérique des gaz, mais surtout l'homogénéité du flux de gaz descendant au niveau de la charge et dans la charge de haut en bas au niveau des parties de la charge situées en regard des ouvertures 25. Ce phénomène se trouve accentué en cas d'enceinte cylindrique, ce qui constitue la plupart des cas. Afin de pallier ce phénomène, on prévoit, dans la cellule 1, un système de paroi(s) mobile(s) 42, associant à chaque ouverture 25 de l'enceinte 3, une paroi mobile 42, interne à l'enceinte. Le rôle des parois 42 est de former écran entre les ouvertures 25 et l'espace de traitement 39, plus particulièrement entre les ouvertures 25 et au moins les parties de la charge 23 en regard de ces ouvertures. Afin de ne pas gêner le chargement de la cellule 1 en pièces à traiter et son déchargement en pièces traitées, les parois 42 sont mobiles au moins entre une première position (basse), illustrée en figure 2A, dans laquelle elles forment écran entre la charge 23 et l'ouverture 25 correspondante et une deuxième position (haute), illustrée en figure 2B, dans laquelle elles libèrent l'accès au support 21 de charge, donc à l'espace de traitement 39. La vue A de la figure 2 illustre une position des parois 42 lors d'un cycle de trempe. Chaque paroi mobile 42 est positionnée dans le prolongement de parois du conduit 32. Dans cette position, les parois mobiles 42 protègent le flux descendant à travers la charge 23 d'éventuelles perturbations du flux remontant dans l'enceinte 3, engendrées par les ouvertures 25. Dans l'exemple représenté, les parois mobiles 42 servent en outre à guider le flux descendant vers la charge, en prolongeant le conduit 32 vers le bas. La vue B de la figure 2 illustre une position des parois 42 hors cycle de trempe, par exemple, lorsque les portes 9 de la cellule 1 sont ouvertes. Les parois mobiles 42 sont alors positionnées de sorte à libérer l'accès aux ouvertures 25, et inversement, à l'espace de traitement 39 et ainsi à la charge. De préférence, dans cette position, les parois mobiles 42 sont relevées, par exemple de part et d'autre du conduit 32. Le nombre de parois mobiles 42 peut varier et dépend par exemple de la forme de l'enceinte 3. Par exemple, une enceinte n'ayant qu'une ouverture 25 peut être munie d'une seule paroi mobile. Selon un mode de réalisation préféré, quatre parois mobiles sont prévues. Ceci permet d'entourer l'espace de traitement 39, donc la charge 23, et d'améliorer ainsi la fonction de guidage du flux de gaz à travers cette dernière. Le guidage du flux opéré par les parois 42 permet d'isoler le flux de gaz descendant du flux de gaz remontant après avoir traversé la charge. Ainsi, le flux de gaz descendant (de traitement de la charge) est moins, ou n'est plus, perturbé par d'éventuels effets tourbillonnants du gaz au niveau des encadrements 25 des portes 9. Cela permet d'homogénéiser le flux de traitement et améliore ainsi la qualité des pièces traitées. La figure 3 est une vue en perspective d'un mode de réalisation préféré d'un système 4 à parois mobiles 42 pour cellule de trempe. Selon ce mode de réalisation, le système 4 comporte quatre parois 42 agencées de façon à former un cadre 44, ou manchon ou cheminée, dans cet exemple, parallélépipédique rectangle. Le cadre 44 est mobile entre une position haute (vue B, figure 2) et une position basse (vue A, figure 2). Par exemple, le cadre 44 comporte, en partie supérieure de deux parois 42 opposées, des pattes 46 destinées à être reliées (suspendues) à un mécanisme de commande 5 adapté à mouvoir le cadre 44 entre les deux positions. Par exemple, le mécanisme 5 comporte un arbre horizontal 54 auquel sont liées des premières extrémités de bras 52 courbes. Des deuxièmes extrémités des bras 52 comportent des lumières ou fentes 56 d'écrivant, dans un plan vertical, un arc de cercle. Chaque lumière 56 reçoit à coulissement un pion horizontal 48 d'une des pattes verticales 46 de suspension du cadre 44. La fonction du mécanisme 5 est de transformer un mouvement de rotation de l'arbre 54 autour de son axe X en un mouvement de translation verticale du cadre 44 entre ses positions haute et basse, les pions 48 coulissant dans les lumières 56 pour passer d'une position à une autre avec le pivotement vertical des bras 52 sous l'effet de la rotation de l'arbre 54. L'axe X de l'arbre 54 est donc perpendiculaire à la direction du mouvement des parois 42. L'arbre 54 est, de préférence disposé de façon décalée latéralement par rapport au cadre 44, de façon à se trouver à l'extérieur du conduit 32 et à ne pas gêner la circulation des gaz. Un avantage de prévoir une telle conversion de mouvement est que cela facilite la commande en translation verticale du système 4 de parois mobile 42 depuis l'extérieur de l'enceinte en préservant l'étanchéité de la cellule 3. Par exemple, l'arbre 54 traverse l'enceinte 3 horizontalement en étant porté par des liaisons étanches et sa rotation est commandée depuis l'extérieur par un mécanisme 6 à bielle 64 transformant un mouvement de translation, par exemple verticale, d'un vérin 66 en un mouvement de rotation de l'arbre 54. En position basse, le cadre 44 de parois 42 entoure la charge et la protège ainsi du flux de gaz remontant par la périphérie de l'enceinte. La charge n'est ainsi pas impactée par d'éventuelles perturbations laminaires engendrées par les ouvertures 25 de l'enceinte 3. Un avantage d'un système encadrant la charge tel qu'illustré en figure 3 est qu'en position basse, les parois 42 prolongent le conduit 32 et favorisent ainsi l'écoulement laminaire des gaz depuis le haut de l'enceinte vers l'espace de traitement 39. De préférence, les parois 42 comprennent, en partie basse, des déflecteurs 425 de forme arrondie afin d'atténuer les effets des arrêtes basses des parois 42 sur la circulation des gaz, en particulier au niveau de l'inversion de sens de la circulation de vers le bas à vers le haut. La figure 4 est une vue en perspective et partielle d'une coupe verticale d'un mode de réalisation d'une cellule de trempe 1 équipée d'un système 4 tel que décrit en relation avec la figure 3. On y retrouve les différents éléments décrits en relation avec les figures 2 et 3. Dans la vue de la figure 4, le cadre 44 est en position basse. La partie basse de la cellule n'est pas représentée en figure 4. La figure 4 fait ressortir la position décentrée de l'arbre 54 afin de ne pas gêner la circulation des gaz par rapport à un mécanisme qui serait placé sous le ventilateur. Le fait que l'arbre 54 soit placé à l'extérieur de l'aplomb du ventilateur justifie également la forme des bras en raison du mouvement de rotation décentré. La figure 4 montre également une fixation 67 du mécanisme 6 à l'enceinte et une motorisation 68 du vérin 66. Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L’homme de l’art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaitront à l’homme de l’art. En particulier, l'adaptation du système 4 à parois mobiles 42 et de son mécanisme 5 de déplacement des parois à la forme de l'enceinte 3 et la prise en compte de contraintes liées à cette forme sont à la portée de l'homme du métier à partir de la description ci-dessus. Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de l’homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus, en particulier, pour ce qui est de leur adaptation à la cellule de trempe concernée et plus généralement à l'installation de traitement. Cellule (1) de refroidissement sous gaz, comprenant : une enceinte (3) ; au moins une ouverture (25) dans l'enceinte (3), d'accès à un espace de traitement (39) interne à l'enceinte ; au moins une porte (9) d'obturation de l'ouverture ; et un système (4), interne à l'enceinte (3), comportant au moins une paroi (42) mobile entre une première position où cette paroi forme écran entre l'ouverture et l'espace de traitement, et une deuxième position où ladite paroi libère l'accès à l'espace de traitement depuis l'ouverture. Cellule selon la revendication 1, dans laquelle la paroi mobile (42) participe à canaliser le flux de gaz vers l'espace de traitement (39). Cellule selon la revendication 1 ou 2, comportant plusieurs ouvertures (25) d'accès à l'espace de traitement (39), ledit système (4) comportant une paroi mobile (42) entre chaque ouverture (25) et l'espace de traitement (39). Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'enceinte (3) comporte deux ouvertures (25) d'accès à l'espace de traitement (39). Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle ledit système (4) comporte quatre parois (42) agencées pour former un cadre (44) autour de l'espace de traitement (39). Cellule selon la revendication 5, dans laquelle le cadre (44) est destiné, lorsqu'il est dans la première position, à entourer une charge (23) disposée dans l'espace de traitement (39). Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la circulation de gaz dans l'enceinte (3) s'effectue en circuit fermé, dans une première direction en partie centrale de l'enceinte incluant l'espace de traitement (39) et dans une deuxième direction en périphérie de l'enceinte. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la ou les parois (42) sont équipées d'éléments déflecteurs (425) au niveau de leurs arrêtes inférieures. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle la ou les parois (42) sont mobiles en translation verticalement. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comportant en outre un mécanisme (5) de commande d'un déplacement du système (4) à paroi(s) mobile(s) d'une position à l'autre. Cellule selon la revendication 10, dans laquelle ledit mécanisme (5) comporte : un arbre (54) rotatif selon un axe (X) perpendiculaire à la direction du mouvement de la ou des parois mobiles ; et au moins un bras (52) de conversion d'un mouvement rotatif de l'arbre en un mouvement de translation de la ou des parois mobiles (42). Cellule selon la revendication 11, dans laquelle la rotation de l'arbre (54) est provoquée depuis l'extérieur de l'enceinte (3) par un mécanisme à bielle (6) convertissant un mouvement de translation d'un vérin (66) en un mouvement de rotation de l'arbre (54). Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle l'espace de traitement (39) comporte un support (21) de charge, destiné à recevoir une charge (23). Cellule selon la revendication 13, comprenant une turbine disposée à l'aplomb du support de charge (21), la turbine comprenant : un ventilateur (27), interne à l'enceinte (3) ; et une motorisation (29), externe à l'enceinte. Cellule selon la revendication 14, dans laquelle le ventilateur (27) est à l'intérieur d'un conduit (32) de guidage de gaz vers l'espace de traitement (39). Cellule selon la revendication 15, dans laquelle la ou les parois (42), dans leur première position, prolongent tout ou partie de parois du conduit (32).