EP3737901A1 - Creuset froid et collecteur de refroidissement associe pour dispositif de chauffage par induction - Google Patents

Creuset froid et collecteur de refroidissement associe pour dispositif de chauffage par induction

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EP3737901A1
EP3737901A1 EP19700015.1A EP19700015A EP3737901A1 EP 3737901 A1 EP3737901 A1 EP 3737901A1 EP 19700015 A EP19700015 A EP 19700015A EP 3737901 A1 EP3737901 A1 EP 3737901A1
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EP
European Patent Office
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crucible
channel
collector
coolant
connecting ring
Prior art date
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EP19700015.1A
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German (de)
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EP3737901B1 (fr
Inventor
Richard HAETTEL
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Publication date
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/08—Details specially adapted for crucible or pot furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/06—Crucible or pot furnaces heated electrically, e.g. induction crucible furnaces with or without any other source of heat
    • F27B14/061—Induction furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27B14/08—Details specially adapted for crucible or pot furnaces
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D9/00—Cooling of furnaces or of charges therein
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/08—Details specially adapted for crucible or pot furnaces
    • F27B14/10—Crucibles
    • F27B2014/108—Cold crucibles (transparent to electromagnetic radiations)

Definitions

  • the present invention relates to a cold crucible for induction heating apparatus for heating and melting materials such as metals.
  • the crucible comprises a crucible body which has the general shape of a tube or test-tube, the peripheral wall of which comprises a plurality of arcs-shaped sections separated from one another by an air gap . Each section contains a cooling pipe circulating a cooling liquid to cool the crucible in operation.
  • the present invention also relates to a cooling manifold which, in operation, is connected to the crucible body and which allows to distribute the cooling liquid in the various pipes.
  • the invention also relates to a method of manufacturing the crucible.
  • the field of the invention is in particular that of metallurgy and foundry.
  • a known method is to use an induction heating device, formed of electrical conductors surrounding a so-called “cold” crucible, in which one or more materials to be heated, called “the load".
  • the device includes an inductor winding, surrounding the crucible, to generate a magnetic field inside the crucible and thereby heat the charge by induction.
  • the crucible is cooled to remove heat from the charge and the joule effect of the induced current therein.
  • the crucible has a general shape of tube so that it comprises a peripheral wall forming envelope.
  • the partition is cut longitudinally so that the crucible is formed of several sections in the form of sectors, along the majority of the length of the crucible; the partition being arranged in continuity of material at one end of the crucible.
  • This sectorisation of the crucible is necessary in order to electrically isolate the sections between them, to induce eddy currents in the load and to prevent the field Magnetic provided by the inductor is screened by the crucible.
  • the device also comprises a cooling collector, or water box, distributing cooling water to pipes arranged in the peripheral wall of the crucible. Pipes are also connected by soldering to the crucible and the cooling collector.
  • solders tend to deteriorate over time, which results in a potential source of contamination for the charge contained in the crucible, significant leakage and therefore a limited life.
  • EP0398821 proposes brazing cooling tubes on a perforated ring, said ring comprising openings distributed over its circumference for the flow of water between a water collector and the crucible. These openings are distributed over two different circles: a circle formed by the inlet openings, and another circle formed by the outlet openings.
  • a cooling passage is arranged in each sector of the crucible to respectively receive a tube, which separates the input circuit from the output circuit. This embodiment therefore reduces the number of solders but does not respond to the problem of leaks. In addition, it is difficult to achieve solder without altering the brazing of adjacent pipes or pipes, especially during the maintenance of the crucible.
  • An object of the invention is to overcome all or part of the disadvantages of the state of the art. Another object of the invention is to provide a cold crucible heating device limiting life problems, sealing defects. It is also intended to provide a device facilitating maintenance compared to known devices. It is also intended to propose operational conditions of manufacture allowing to realize materials of high purity. Finally, it aims to facilitate the use of a heating device in a cold crucible.
  • a cold crucible for an induction heating device comprising a crucible body comprising:
  • a connecting ring comprising an annular distribution region
  • connection ring a tubular casing extending from the connection ring to define a heating volume, the casing being cut longitudinally so as to produce several separate sectors in order to induce eddy currents in the charge placed in the heating volume and to prevent the magnetic field supplied by an inductor from being screened by the crucible,
  • Each sector comprises at least two coolant paths: a so-called “go" path and a "return” path of the coolant.
  • the coolant paths of each sector are formed by the at least one coolant channel. Said paths open into the annular distribution region so that said region has, for each sector, an "inlet” orifice and an “outlet” orifice, the orifices being spaced apart from one another along a radial direction of the crucible.
  • the assembly thus forms along the periphery of the annular distribution region two distinct concentric regions around the longitudinal axis of the crucible, one of which communicates only with the forward path of the channels and the other communicates only with the return path of the canals.
  • the crucible body is intended to be removably assembled with a cooling manifold via the connecting ring, the manifold comprising coolant distribution elements connecting to the coolant channels, the made of this assembly, to circulate said liquid between the collector and the channels.
  • the crucible body has a one-piece structure composed of a single material having a continuity of material on at least two sectors.
  • the cold crucible according to the invention allows easier use, compared to the crucible of the prior art, limiting or even eliminating, solder operations performed on the crucible and allowing a connection with a collector without angular indexing at the same time. coupling or foolproof system. Therefore the crucible according to the invention limits or even eliminates the sealing defects and provides an increased life. Maintenance is also facilitated over known devices.
  • the term "longitudinal” means a direction substantially parallel to the axis of the crucible body, plus or minus 15 angular degrees. This axis is generally vertical when the crucible is in the position of use and intended for introduction or vertical extraction. It typically corresponds to the center of the tubular casing, and / or the induction coil that surrounds the crucible.
  • each channel comprises a reported channel partition inserted longitudinally into said channel.
  • the partition forms a tight or substantially watertight longitudinal contact with at least two distinct regions of the peripheral wall of said channel, so as to define the forward path and the return path on either side of said partition and extending longitudinally to the inside the same channel.
  • the added partition allows to form simply and in a small space two paths of coolant.
  • the partition is for example epoxy glass fabric or fiberglass composite.
  • each channel partition has a planar shape. Its cross section is substantially linear and rectilinear in one direction. According to another embodiment, each channel partition has a two-dimensional shape. Two-dimensional means a shape whose cross section is non-rectilinear, for example curved, or comprising at least one element of non-zero thickness on one side of the partition.
  • Each channel partition is disposed in its channel so that an imaginary geometric plane included in the thickness of the partition is substantially tangential to a cylinder of imaginary revolution concentric to the crucible.
  • This characteristic makes it possible to form in the connection zone of the connecting ring two distinct concentric regions around the longitudinal axis of the crucible, one of which communicates only with the forward path of the channels and the other only communicates with the return path. channels.
  • the connection between the collector and the crucible can be achieved without indexing.
  • each channel wall has a length substantially equal to or less than the length of the channels, and is intended to be inserted into a channel leaving a non-zero gap between the bottom of the channel and the longitudinal end of the channel. passage of the canal partition. In this way the coolant can pass from the outbound to the return journey.
  • each channel wall has a length of at least 75% of the length of a channel.
  • each channel comprises in its wall two distinct grooves arranged and configured to receive and position each partition in said channel. This feature allows a reliable maintenance of the channel walls in position, and can guide them in said channel, improving the reliability of the crucible cooling.
  • a cold crucible for an induction heating device characterized in that it comprises a crucible body comprising:
  • a connecting ring comprising an annular distribution region
  • each sector comprises at least one coolant channel.
  • the crucible body is adapted to be removably assembled with a coolant manifold via the connecting ring, the manifold including coolant delivery members connectable to the coolant channels for circulating said liquid.
  • said crucible body has a one-piece structure composed of a single material having a continuity of material on at least two sectors.
  • the cold crucible allows easier use, compared to the crucible of the prior art, limiting or even eliminating the solder operations performed on the crucible. Therefore the crucible according to the invention limits or even eliminates the sealing defects and provides an increased life. Maintenance is also facilitated over known devices.
  • the crucible body consists essentially of:
  • a connecting ring comprising an annular distribution region
  • connection ring a tubular envelope extending from the connection ring to define a heating volume, the envelope being cut longitudinally so as to make several separate sectors, and
  • the crucible is formed by a plurality of monoblock elements, each comprising several sectors formed in the same room. These multi-sector monoblock elements each form an angular portion of the crucible and are assembled together by removable mechanical means, for example individual screws or a common flange all maintaining them against the cooling collector. Even in this variant, it greatly limits the number of mechanical fasteners, and retains good reliability and non-contamination qualities.
  • the crucible body has a one-piece structure composed of a single material having a continuity of material between the connecting ring, the sectors of the envelope and the channels. This feature has the advantage of further improving the mechanical strength of the crucible and maintain the geometry of the crucible body during use.
  • This parameter makes it possible to have a more homogeneous electromagnetic field and thus a more homogeneous heating of the load.
  • a better stability of the molten metal bath is obtained. This stability is particularly important when it comes to making an alloy and let dissolve, by diffusion in the liquid, each of the constituent elements of the alloy. If the instability of the bath of molten metal becomes too great, the liquid metal is thrown against the walls of the crucible and solidifies immediately which prevents its homogenization.
  • the body of the crucible is made of an electrically conductive material and thermal conductor.
  • the body of the crucible is made of copper produced by hardening.
  • the soldering operation on the crucible generates the annealing of the copper, which makes the crucible malleable. Without soldering carried out on the copper crucible body according to the invention, the latter does not undergo annealing and thus remains rigid (without deformation).
  • the copper has a very good thermal conductivity which allows cooling by conduction from the cooling channels to the ends of the sectors.
  • the body of the crucible could be stainless steel.
  • the connecting ring comprises on its periphery a crucible thread arranged to allow a screw connection so that a cooling collector, provided with a thread of collector which is complementary to it, can be screwed on the crucible or vice versa.
  • the crucible body comprises a monobloc element, forming several sectors which are all separated from each other by longitudinal cuts to their distal end and over their entire length except in the region of the connecting ring, said proximal region.
  • each sector thus delimited comprises only one cooling channel.
  • This cooling channel forms a blind hole, that is to say with only one end opening longitudinally, which blind hole is separated into two longitudinal paths by an attached partition which is inserted by this emerging end.
  • a single monobloc element forms all the sectors, and thus constitutes the entire envelope of the crucible body.
  • distal end is meant an end located near the bottom of the crucible body, and by proximal end is meant an end located near the connection ring of the crucible.
  • a cooling collector intended to cooperate with a cold crucible for an induction heating device, the crucible comprising:
  • a connecting ring comprising an annular distribution region
  • each sector comprises at least one coolant channel comprising a channel wall, forming in each channel at least two paths opening respectively by two spaced openings l of each other along a radial direction of the crucible on the annular region of the connecting ring.
  • the collector is characterized in that it has two collector cavities which are substantially circular and are arranged on the same face coming opposite the connecting ring, the collector cavities being offset in a radial direction by relative to the collector axis so that each collector cavity is located above a single orifice of each channel once the collector and the crucible are assembled.
  • the cooling collector according to the invention allows easier use, compared to the collector of the prior art, allowing a connection with a collector without indexing. Therefore the collector according to the invention limits or even eliminates the sealing defects and provides an increased life. Maintenance is also facilitated over known devices.
  • the two cavities are arranged to provide an inlet chamber and an outlet chamber connectable to a coolant circulation circuit.
  • the collector comprises a circular collector partition separating said two collector cavities.
  • a single collector partition separates said two collector cavities, which makes it possible to limit the size and ease of mounting relative to the crucible body.
  • said collector partition bears against so-called sealing ends of the channel partitions.
  • the collector partition has a cone shape.
  • the collector comprises, around the collector cavities, a collector thread arranged to allow a screw connection so that a crucible body also comprising a complementary crucible thread can be screwed onto the collector or vice versa .
  • This feature makes it easy to connect the cooling manifold to a crucible body.
  • the cooling collector is made of stainless steel.
  • an induction heating device comprising a cold crucible body according to all or part of the first aspect or all or part of the second aspect and a cooling collector according to all or part of third aspect of the invention. According to this fourth aspect, they are arranged so that, when assembled together, the coolant distribution elements of the collector are connected to the coolant channels of the crucible body
  • a cold crucible for induction heating device comprising a crucible body communicating with a cooling collector, the crucible body comprising a tubular envelope s extending from the cooling collector and surrounding a heating chamber included in a heating volume, the casing being cut longitudinally so as to make several separate sectors, cooling liquid channels arranged longitudinally in the thickness of the crucible so as to each sector comprises at least one coolant channel, the method comprising the following steps:
  • thermal and electrical conductor material preferably copper, for example a round or a tube
  • the manufacturing method comprises, in this order or in another, the following steps:
  • the manufacturing method according to the invention makes it possible to produce a crucible body proposing operating conditions of manufacture making it possible to produce materials of high purity.
  • a round of high purity copper is chosen.
  • the preferred copper grades are between the Cu-Al and Cu- C2 ranges according to the AFNOR standard, that is to say:
  • the Cu-C2 grade is the preferred grade because the purest and the one that degasses the least, and is particularly suitable for use under ultra-high vacuum.
  • the channels are preferably made with a deep drilling machine.
  • the bores must be particularly carefully treated in order to respect a deviation with respect to the axis of maximum 0,1 millimeters for a depth of 100 millimeters. Then, the bores must be machined with an H7 tolerance (according to the ISO system), that is to say allowing a sliding assembly, to allow the introduction of a calibrated tool to achieve the two diametrically opposite grooves.
  • a channel partition can be inserted into each channel.
  • the channel wall consists of composite materials based on resin and glass fibers. It is for example machined by milling and is adjusted to obtain a sliding fit in the grooves of each channel. To introduce the channel partitions more easily, it is possible to use a mallet.
  • the grooves may be made to have a longitudinal depth slightly less than the depth of each channel so that, when the channel wall is in place, the bottom of the channel corresponds to a passage zone. between the outward and the return journey of the canal.
  • the distal ends of the grooves provide an axial stop for the positioning of said partition which facilitates the assembly.
  • the channel partitions have identical dimensions in all their lengths.
  • the lengths of the partitions are identical to the lengths of the depths of the grooves so that the upper or proximal end of each partition is flush with the surface of the connecting ring.
  • the channel partitions have, near their proximal end, one or two shoulders.
  • the channels can be made with or without grooves.
  • a notch is made in a groove (or both grooves, or near the opening) of each channel and on the annular region so that each shoulder rests on a notch.
  • a circular machining is performed on the transverse face on which the cooling liquid channels open so as to form a circular connection groove, when the bores have not yet been made, and a succession of grooves between the openings of the bores when the bores are made.
  • a hardening resin is introduced into said connection grooves or notches so as to fill them to seal between two channels.
  • the resin is applied until it reaches the height of the proximal end of the canal walls.
  • the resin makes it possible to improve the seal on the one hand between the inlet orifice and the outlet of each channel and secondly more generally between the crucible body and the cooling collector.
  • the resin is preferably of the type sufficiently rigid to be machined and able to withstand the coolant.
  • the resin is Stycast® 2850FT.
  • each plug has a slot whose shape and thickness are complementary to the shape and thickness of the channel walls.
  • the plugs consist of PTFE polytetrafluoroethylene.
  • a plane bearing along the diameter comprising the channel partitions is necessary so that a manifold partition, separating the return and return cavities from the cooling collector, bears on said flat bearing (including the channel partitions). and makes continuous contact so as to form a seal when the cooling collector is connected to the crucible body.
  • the coolant can circulate between said cooling collector and said crucible body without the coolant passing through one of the paths outside the passage provided for this purpose.
  • said crucible body has a second span made on the annular region of the connecting ring between the heating volume and the orifices of the channels.
  • the second range delimits the boundary between the volume of heating and the channels. It is made so that a collector barrier comes to bear on said second range and makes a continuous contact so as to form a seal with respect to the heating volume.
  • the second scope is a chamfer. This characteristic has the advantage of facilitating the centering and therefore the setting in position of the cooling collector relative to the crucible body.
  • the chamfer also has the advantage of being compact.
  • each end of the collector wall and the collector barrier includes an O-ring to seal.
  • the manufacturing method according to the invention makes it possible to produce any type of crucible; for example straight crucibles without bottom, said "continuous casting” or both crucibles of the type “pocket” said “semi-levitation” for example hemispherical and conical.
  • the slits are cut according to the following steps:
  • each slot has a width of 0.35 millimeters.
  • a cylindrical core is inserted inside the crucible, the core being adjusted to the internal diameter of the crucible body.
  • the core is made of PTFE polytetrafluoroethylene.
  • the core is placed in the crucible body at level of high cuts and remote from the area where the slots will be made.
  • an adhesive tape is inserted on the outside of the crucible body opposite the core.
  • a resin is applied in the high cuts.
  • the resin is dissolved using a suitable solvent.
  • the cooling collector is preferably made in two parts. These two parts are machined separately by turning and milling and then assembled by welding. Once assembled, the collector defines two circular cavities.
  • FIGS. 1a, 1b, 1c and 1d are views of an induction heating device comprising a "pocket" crucible connected to a cooling collector according to one embodiment of the invention, said crucible comprising longitudinal cutouts in the envelope of the crucible forming separate sectors, each sector comprising a coolant channel, FIG. 1a being a front view of said device, FIG. 1b being a sectional view of the device of FIG.
  • FIGS. 2a and 2b are views of a crucible showing a crucible body comprising a connecting ring and an envelope according to one embodiment of the invention, according to FIGS. 1a-1d, FIG. 2a being a front view.
  • crucible body, Figure 2b being a sectional view of a crucible body according to Figure 2a in a longitudinal sectional plane passing through the axis of said crucible body and diametrically opposed cutouts;
  • FIG. 3 is a sectional view of a crucible body according to FIG. 2a in a section with perpendicular planes whose first plane passes through the axis and through diametrically opposite cutouts of the crucible body and the second plane of which passes through the envelope, FIG. 3 showing in particular sectors separated from the envelope, each sector comprising a channel according to one embodiment of the invention,
  • FIG. 4 is an enlargement of a portion of the connecting ring of the crucible body of Figure 2b, showing a portion of an annular region of said ring, said region comprising a connecting groove;
  • FIG. 5 is an enlargement of a sector seen in section of Figure 3, showing cutouts at the bottom of the crucible body;
  • FIG. 6a is a sectional view of a crucible body according to Figure 2a in a longitudinal sectional plane passing through the axis of said crucible body and by diametrically opposed channels, a reported channel partition being visible in each channel;
  • FIG. 6b shows an example of an attached channel partition seen from the front
  • FIGS. 7a, 7b show a first tubular part of the cooling collector according to one embodiment, intended to be connected to a second part of said collector, FIG. 7a being a front view of said first part, FIG. 7b being a sectional view of the part of Figure 7a showing a bore for the passage of the materials to be heated;
  • FIG. 8 is a sectional view of a second part of the cooling manifold including a manifold partition, a coolant inlet and a coolant outlet;
  • FIG. 9 is a perspective view of a crucible body comprising coolant channels into which inserted channel partitions are inserted whose proximal ends are visible;
  • FIG. 10 is a perspective view of a channel plug according to one embodiment, the plug including a slot for receiving a proximal end of an attached channel septum;
  • FIGS. 11a and 11b show a "bottomless" crucible body, according to one embodiment, comprising a connecting ring and an envelope, FIG. 11a being a front view, FIG. 11b being a sectional view of crucible body of Figure 11a according to a cutting plane passing through the axis and diametrically opposite cutouts of the crucible body;
  • FIG. 12 an enlargement of an induction heating device seen in section of Figure ld, showing the communication of the coolant between the cooling collector and the body of the crucible.
  • Figs. 1a, 1b, 1c and 1d illustrate an induction heater 1 for melting materials to make alloys or melting pure metals to make castings in molds, or refine in a particular atmosphere during melting.
  • the heating device comprises a so-called “cold” crucible 10 for containing said materials to be heated, also called “the load” (not visible in the figures). The charge is heated by a wound inductor (not shown) around the crucible 10 and a generator (not shown).
  • the heating device also comprises a cooling collector 30 distributing a cooling liquid in the crucible 10 connected to the latter.
  • the crucible 10 comprises a crucible body 11 containing the material to be heated.
  • the crucible body 11 comprises a connecting ring 12 intended to allow the connection of a mechanical part and secondly of the coolant flows between the crucible body and the cooling collector.
  • the connecting ring is a circular portion of the crucible body and is continuous material along its circumference. The connecting ring will be described in more detail later.
  • the crucible body 11 comprises a tubular casing 14 extending axially from the connecting ring 12 to define a heating volume.
  • the crucible body comprises sectors 16 made in the tubular envelope 14.
  • the crucible body 11 has a one-piece structure composed of a single material having a continuity of material between the connecting ring 12 and the sectors 16 of the crucible. the tubular casing 14, including them.
  • the crucible body 11 comprises a crucible bottom 110 that is substantially conical.
  • the casing 14 is cut longitudinally so as to produce several separate sectors 16.
  • so-called "high" or interstice longitudinal cuts 18 are made in radial directions with respect to the axis longitudinally of the crucible body and in the thickness of the tubular casing 14 so that the remaining shell portions form angular shell sectors along the circumference of the casing the envelope 14 (see in particular Figures 3 and 5).
  • the longitudinal cuts 18 are made with a transverse depth equal to the distal end of the crucible body so that the bottom 110 of the crucible body is not cut off all over its body. thickness but in a cutout having a width that may be substantially identical to the width of a cutout 18; since the bottom of the crucible 110 is conical.
  • the cutting width at the bottom 110 of the crucible body may be slightly different, either to increase the efficiency of the crucible or to improve cooling.
  • the high cuts 18 have a width substantially equal to 3 to 4 millimeters. This makes it possible to limit the losses of charges especially in the case of realization under vacuum.
  • the bottom of the crucible 110 also has longitudinal cuts.
  • longitudinal cuts or slots 19 are made in directions radial with respect to the longitudinal axis of the crucible body and in the thickness of the bottom of the crucible body 110 so that the portions Remaining body bottoms form angular sectors of envelope along the circumference of the bottom 110 of the crucible body.
  • the slots 19 are made substantially in the extension of the upper cutouts 18 so that the sectors 16 are separated from the connecting ring to the distal end of the crucible body.
  • the slots 19 have a width substantially equal to 0.35 millimeter.
  • the crucible body has an inner diameter of 50 millimeters and comprises 16 sectors.
  • the crucible body shown in FIGS. 1b, 1d, 2b and 6a has, at its distal end, a casting opening 111 making it possible to cast the charge by gravity in an ingot mold located below.
  • a retractable finger (not shown) obstructs the end of the crucible body, for example a finger itself cooled.
  • the crucible body comprises a coolant channel 15 in each sector 16.
  • each cooling channel 15 is longitudinally disposed in the thickness of each sector.
  • the channels 15 have a tubular shape.
  • the channels 15 extend to the bottom of the crucible body 110 so as to form a blind hole whose bottom called the channel bottom is designated by the reference 151.
  • the channels 15 open onto the upper surface of the connecting ring 12 comprising an annular region 120.
  • the annular region 120 forms a continuous portion formed in the material of the one-piece crucible body.
  • the crucible body comprises a plurality of channel partitions 20 so that each partition is provided to be inserted into a channel 15.
  • each channel 15 is arranged and configured to receive a channel partition 20. It is inserted longitudinally into each channel and forms a tight longitudinal contact with at least two distinct regions of the peripheral inner wall of said channel. From the bottom view of the channel 151, the distal end of the channel septum 20 is remote from the channel bottom 151 so as to leave a passage.
  • the width of the passage is substantially equal to the radius of the channel.
  • each channel 15 has inside it and on both sides of the channel partition 20 a so-called "go" path 22 and a so-called "return” path 21 for the circulation of the coolant in each sector of the crucible body.
  • the coolant can flow from the forward path to the return path through the passage, provided for this purpose, near the bottom of the channel 151.
  • the paths open into the annular region 120.
  • the annular region has an "inlet” orifice 24, corresponding to the input of a forward path 22, and an "outlet” orifice. 23, corresponding to the exit of a return path 21.
  • the inlet and outlet orifices 24 and 23 must be arranged next to each other and aligned along a radial direction of the crucible.
  • each channel 15 has an inlet orifice 24 and an outlet orifice 23 which are formed by the same opening of the channel 15 opening into the annular portion. It is this common opening which is itself divided into an inlet opening 24 and an outlet opening 23 through the proximal end 200 of the channel partition 20.
  • the set of these openings opening each a channel 15 is distributed in a single circle corresponding to the annular region 120.
  • each channel further has two diametrically opposed grooves so as to receive and position each channel partition 20.
  • the grooves form two distinct regions extending longitudinally in each channel and form a tight longitudinal contact with the partition channel 20 inserted in said channel.
  • the reported channel partitions have a rectangular shape whose thickness is much smaller than its length or width so that they respectively form a plane.
  • the channel wall 20 has at its proximal end, intended to be close to the connecting ring, a width widening 210 forming a shoulder.
  • the widening width 210 is provided to bear against a notch made on the surface of the annular region 120.
  • two diametrically opposite notches are formed on the annular region 120 to receive the shoulders of the channel walls.
  • each channel wall 20 is disposed in its channel 15 so that an imaginary geometric plane included in the thickness of the partition is substantially tangential to a cylinder of imaginary revolution concentric with the crucible.
  • This characteristic makes it possible to radially delimit two coolant distribution regions, a first coolant inlet region comprising all the inlet orifices 24 and a second coolant return region comprising all the outlet orifices 23 It is then possible to connect a cooling collector having no indexing for example angular to connect the flow of inlet and outlet coolant between the cooling collector and the crucible body.
  • the annular region 120 includes a plurality of connection grooves 121 connecting the channel openings, or notches provided for the channel partitions, so as to form a circular groove.
  • the connecting grooves 121 are intended to be filled with resin producing a seal radially delimiting, with the proximal ends 200 of the channel walls, the two regions coolant distribution.
  • the orifices of the cooling channels are plugged by plugs 40 (see FIG. 9 showing a plug blocking a channel).
  • Each plug 40 has a substantially cylindrical outer shape whose outer diameter is substantially equal to the inner diameter of each channel.
  • Each plug 40 comprises a partition slot 41 for receiving a proximal end of a channel wall (see FIG.
  • the plugs 40 are removed and the excess resin is removed, for example by machining, in order to obtain a plane bearing and thus serve as a junction surface with a circular partition of the cooling collector.
  • the embodiment of the planar scope may include machining the proximal end of the channel partitions.
  • the connecting ring 12 has on its periphery a connecting surface 13 comprising a crucible thread arranged to allow a screw connection with a cooling manifold comprising a complementary collector thread of that the crucible can be screwed on a collector or vice versa.
  • Figures 11a and 11b shows another type of crucible said "bottomless” or “continuous casting".
  • the crucible body does not have a conical crucible bottom 110, but has a heating volume having a constant internal diameter to the end of the crucible body.
  • the crucible body of Figures 11a and 11b includes the same characteristics as a crucible called "pocket” or “semi-levitation” as described in the other figures.
  • the cooling collector comprises a first peripheral portion 30a which has on an inner face a manifold thread 31 complementary to the crucible thread so that they can be assembled by screwing.
  • the cooling collector 30 comprises two collector cavities forming the distribution elements: a so-called “go" cavity 34 and a so-called “return” cavity 33 which are substantially circular and which are arranged opposite the annular region 120 of the connecting ring.
  • the cavities 33, 34 are offset in a radial direction relative to the axis of the manifold so that the forward cavity 34 is opposite the inlet ports 24, and the return cavity 33 is opposite the outlet orifices 23.
  • the cavities 33, 34 are separated by a circular manifold partition 32.
  • the manifold partition 32 is provided to abut against the proximal ends called “sealing" 200 of the channel walls (see Figures lb and 12). Referring to Figs. 1b, 1d and 12, the manifold partition 32 has a conical shape.
  • the manifold also includes a coolant inlet port 38 communicating with the forward cavity 34, and a coolant outlet port 37 communicating with the return cavity 33 (see Figs. 1b and 8).
  • the return cavity 33 is delimited radially by the collector partition 32 and by an internal rim 123 of the connecting ring 12 (see FIGS. 1b and 12).
  • the manifold includes a second manifold part 30b which comprises a tube 35 whose upper end comprises a flange 350.
  • the volume defined by the tube 35 corresponds to an insertion passage 36 via which the charge is inserted before being introduced into the heating volume defined by the tubular casing ( Figures lb and ld).
  • the second collector part 30b is intended to be welded to the first collector part 30a (see FIG. 8).
  • the first manifold part 30a comprises a counterbore 301 on its upper end.
  • the cooling manifold is made by welding the collar 350 of the second manifold part 30b into the counterbore 301 of the first manifold part 30a, so as to obtain the cooling manifold 30 shown in Figs. 1b and 1d.
  • the forward cavity 34 is thus delimited radially by the collector partition 32 and by the wall of the tube 35, see FIG. 12.
  • the collector wall 32 presses on the proximal ends of the channel walls and the sealant resin, and the tube 35 presses on a chamfer 124 made on the annular region 120.
  • the collector 30 is arranged concentrically with respect to the crucible body 11.
  • the cooling collector 30 comprises an insertion passage 36 through which the charge is inserted before being introduced into the volume heating defined by the tubular casing.

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Abstract

La présente invention concerne un creuset froid pour dispositif de chauffage par induction pour chauffer et fondre des matériaux tels que des métaux. Le creuset comprend un corps de creuset qui présente la forme générale d'un tube ou d'une éprouvette, dont la cloison périphérique comprend plusieurs tronçons en forme d'arcs de cercle séparés l'un de l'autre par une lame d'air. Chaque tronçon renferme une canalisation de refroidissement faisant circuler un liquide de refroidissement afin de refroidir le creuset en fonctionnement. La présente invention concerne également un collecteur de refroidissement qui, en fonctionnement, est raccordé au corps de creuset et qui permet de distribuer le liquide de refroidissement dans les différentes canalisations. L'invention porte aussi sur un procédé de fabrication du creuset. Le domaine de l'invention est en particulier celui de la métallurgie et la fonderie.

Description

« Creuset froid et collecteur de refroidissement associé pour dispositif de chauffage par induction »
La présente invention concerne un creuset froid pour dispositif de chauffage par induction pour chauffer et fondre des matériaux tels que des métaux. Le creuset comprend un corps de creuset qui présente la forme générale d'un tube ou d'une éprouvette, dont la cloison périphérique comprend plusieurs tronçons en forme d'arcs de cercle séparés l'un de l'autre par une lame d'air. Chaque tronçon renferme une canalisation de refroidissement faisant circuler un liquide de refroidissement afin de refroidir le creuset en fonctionnement. La présente invention concerne également un collecteur de refroidissement qui, en fonctionnement, est raccordé au corps de creuset et qui permet de distribuer le liquide de refroidissement dans les différentes canalisations. L'invention porte aussi sur un procédé de fabrication du creuset. Le domaine de l'invention est en particulier celui de la métallurgie et la fonderie.
Etat de la technique antérieure
Dans le domaine des matériaux, il est très souvent nécessaire de faire fondre des matériaux, par exemple réaliser des alliages contenant plusieurs métaux ou autres matériaux. Une méthode connue est d'utiliser un dispositif de chauffage par induction, formé de conducteurs électriques qui entourent un creuset dit "froid", dans lequel on place le ou les matériaux à chauffer, appelés « la charge ». Le dispositif comprend un bobinage inducteur, entourant le creuset, afin de générer un champ magnétique à l'intérieur du creuset et ainsi chauffer la charge par induction. Le creuset est refroidi pour évacuer la chaleur en provenance de la charge et de l'effet joule du au courant induit dans celui-ci. Le creuset présente une forme générale de tube de sorte qu'il comprend une cloison périphérique formant enveloppe. Cette cloison est découpée longitudinalement de sorte que le creuset est formé de plusieurs tronçons en forme de secteurs, le long de la majorité de la longueur du creuset ; la cloison étant agencée suivant une continuité de matière à une extrémité du creuset. Cette sectorisation du creuset est nécessaire afin d'isoler électriquement les tronçons entre eux, d'induire des courants de Foucault dans la charge et éviter que le champ magnétique fourni par l'inducteur ne soit écranté par le creuset. Le dispositif comprend aussi un collecteur de refroidissement, ou boîte à eau, distribuant de l'eau de refroidissement vers des canalisations agencées dans la cloison périphérique du creuset. Des canalisations sont en outre raccordées par brasures au creuset et au collecteur de refroidissement.
Or, ces brasures ont tendance à se détériorer dans le temps, ce qui a pour conséquence une source de contamination potentielle pour la charge contenue dans le creuset, des défauts importants d'étanchéité et donc une durée de vie limitée.
Le document EP0398821 propose de braser des tubes de refroidissement sur un anneau ajouré, ledit anneau comprenant des ouvertures réparties sur sa circonférence, pour l'écoulement de l'eau entre un collecteur à eau et le creuset. Ces ouvertures sont réparties sur deux cercles différents : un cercle formé par les ouvertures d’entrée, et un autre cercle formé par les ouvertures de sortie. Un passage de refroidissement est agencé dans chaque secteur du creuset pour recevoir respectivement un tube, qui sépare le circuit d’entrée de celui de sortie. Ce mode de réalisation permet donc de réduire le nombre de brasures mais ne répond pas au problème de défauts d'étanchéité. En outre, il est difficile de réaliser des brasures sans altérer les brasures des tubes ou canalisations adjacentes, notamment lors de la maintenance du creuset.
De plus, il est nécessaire de décontaminer le creuset après chaque utilisation, ou au moins entre des charges de natures différentes, ce qui est une opération complexe et réduit encore sa durée de vie. La contamination intervient du fait que des résidus et impuretés se sont déposés sur les parois du creuset. En cas de fuite d'eau, une réaction violente de l'eau avec le matériau à chauffer peut se produire allant même jusqu'à l'explosion.
Un but de l'invention est de remédier à tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de chauffage à creuset froid limitant les problèmes de durée de vie, de défauts d'étanchéité. Elle a encore pour but de proposer un dispositif facilitant la maintenance par rapport aux dispositifs connus. Elle a aussi pour but de proposer des conditions opérationnelles de fabrication permettant de réaliser des matériaux de grande pureté. Elle a enfin pour but de faciliter l'utilisation d'un dispositif de chauffage en creuset froid.
Exposé de l'invention
Selon un premier aspect de l'invention, on atteint au moins l'un des buts précités avec un creuset froid pour dispositif de chauffage par induction comprenant un corps de creuset comprenant :
- un anneau de raccordement comprenant une région annulaire de distribution,
- une enveloppe tubulaire s'étendant depuis l'anneau de raccordement pour définir un volume de chauffe, l'enveloppe étant découpée longitudinalement de façon à réaliser plusieurs secteurs séparés afin d'induire des courants de Foucault dans la charge placée dans le volume de chauffe et d'éviter que le champ magnétique fourni par un inducteur ne soit écranté par le creuset,
- des canaux de liquide de refroidissement disposés longitudinalement dans l’épaisseur du corps de creuset de façon que chaque secteur comprend au moins un canal de liquide de refroidissement.
Chaque secteur comprend au moins deux trajets de liquide de refroidissement : un trajet dit « aller » et un trajet dit « retour » du liquide de refroidissement. Les trajets de liquide de refroidissement de chaque secteur sont formés par l'au moins un canal de liquide de refroidissement. Lesdits trajets débouchent dans la région annulaire de distribution de sorte que ladite région présente, pour chaque secteur, un orifice dit « d'entrée » et un orifice dit « de sortie », les orifices étant écartés l'un de l'autre le long d'une direction radiale du creuset.
L'ensemble forme ainsi le long du pourtour de la région annulaire de distribution deux régions distinctes concentriques autour de l'axe longitudinal du creuset dont l’une communique seulement avec le trajet aller des canaux et l’autre communique seulement avec le trajet retour des canaux.
Le corps de creuset est destiné à être assemblé de manière amovible avec un collecteur de refroidissement via l'anneau de raccordement, le collecteur comprenant des éléments de distribution de liquide de refroidissement se raccordant aux canaux de liquide de refroidissement, du fait de cet assemblage, pour faire circuler ledit liquide entre le collecteur et les canaux.
Le corps de creuset présente une structure monobloc composée d'un seul et même matériau présentant une continuité de matière sur au moins deux secteurs.
Le creuset froid selon l'invention permet une utilisation plus aisée, par rapport au creuset de l'art antérieur, en limitant voire supprimant, les opérations de brasures réalisées sur le creuset et en permettant un raccordement avec un collecteur sans indexation angulaire lors de l'accouplement ou système de détrompage. Dès lors le creuset selon l'invention limite voire supprime les défauts d'étanchéité et propose une durée de vie accrue. La maintenance est également facilitée par rapport aux dispositifs connus.
Pour la suite et pour ce qui précède, on entend par « longitudinal », une direction sensiblement parallèle à l’axe du corps de creuset, plus ou moins 15 degrés angulaire. Cet axe est généralement vertical lorsque le creuset est en position d’utilisation et prévu pour une introduction ou extraction verticale. Il correspond typiquement au centre de l’enveloppe tubulaire, et/ou de l’enroulement d’induction qui entoure le creuset.
De préférence, chaque canal comprend une cloison de canal rapportée insérée longitudinalement dans ledit canal. La cloison forme un contact longitudinal étanche ou sensiblement étanche avec au moins deux régions distinctes de la paroi périphérique dudit canal, de façon à définir le trajet aller et le trajet retour de part et d'autre de ladite cloison et s'étendant longitudinalement à l'intérieur d'un même canal. La cloison rapportée permet de former simplement et dans un encombrement réduit deux trajets de liquide de refroidissement. La cloison est par exemple en tissu de verre époxy ou en composite de fibre de verre.
Selon un mode de réalisation, chaque cloison de canal présente une forme plane. Sa section transversale est sensiblement linéique et rectiligne selon une seule direction. Selon un autre mode de réalisation, chaque cloison de canal présente une forme bidimensionnelle. On entend par bidimensionnelle une forme dont la section transversale est non rectiligne, par exemple incurvée, ou comprenant au moins un élément d'épaisseur non nulle sur une face de la cloison.
Chaque cloison de canal est disposée dans son canal de façon qu'un plan géométrique imaginaire compris dans l’épaisseur de la cloison est sensiblement tangentiel à un cylindre de révolution imaginaire concentrique au creuset. Cette caractéristique permet de former dans la zone de raccordement de l’anneau de raccordement deux régions distinctes concentriques autour de l'axe longitudinal du creuset dont l’une communique seulement avec le trajet aller des canaux et l’autre communique seulement avec le trajet retour des canaux. Le raccordement entre le collecteur et le creuset peut être réalisé sans indexation.
Selon un mode de réalisation, chaque cloison de canal présente une longueur sensiblement égale ou inférieure à la longueur des canaux, et est prévue pour être insérée dans un canal en laissant un écart non nul entre le fond du canal et l'extrémité longitudinale dite de passage de la cloison de canal. De cette manière le liquide de refroidissement peut passer du trajet aller au trajet retour. Par exemple, chaque cloison de canal présente une longueur au moins égale à 75% de la longueur d'un canal.
De préférence, chaque canal comprend dans sa paroi deux rainures distinctes agencées et configurées pour recevoir et positionner chaque cloison dans ledit canal. Cette caractéristique permet un maintien fiable des cloisons de canal en position, et permet de les guider dans ledit canal, améliorant la fiabilité du refroidissement du creuset.
Selon un second aspect de l'invention, on atteint au moins l'un des buts précités avec un creuset froid pour dispositif de chauffage par induction, caractérisé en ce qu'il comprend un corps de creuset comprenant :
- un anneau de raccordement comprenant une région annulaire de distribution,
- une enveloppe tubulaire s'étendant depuis l'anneau de raccordement pour définir un volume de chauffe, l'enveloppe étant découpée longitudinalement de façon à réaliser plusieurs secteurs séparés,
- des canaux de liquide de refroidissement disposés longitudinalement dans l’épaisseur du corps de creuset de façon que chaque secteur comprend au moins un canal de liquide de refroidissement. Le corps de creuset est destiné à être assemblé de manière amovible avec un collecteur de refroidissement via l'anneau de raccordement, le collecteur comprenant des éléments de distribution de liquide de refroidissement pouvant se raccorder aux canaux de liquide de refroidissement pour faire circuler ledit liquide.
Selon le second aspect de l'invention, ledit corps de creuset présente une structure monobloc composée d'un seul et même matériau présentant une continuité de matière sur au moins deux secteurs.
Le creuset froid, selon le second aspect de l'invention, permet une utilisation plus aisée, par rapport au creuset de l'art antérieur, en limitant, voire supprimant, les opérations de brasures réalisées sur le creuset. Dès lors le creuset selon l'invention limite voire supprime les défauts d'étanchéité et propose une durée de vie accrue. La maintenance est également facilitée par rapport aux dispositifs connus.
Selon une variante du premier ou du second aspect de l'invention, le corps de creuset est constitué essentiellement en :
- un anneau de raccordement comprenant une région annulaire de distribution,
- une enveloppe tubulaire s'étendant depuis l'anneau de raccordement pour définir un volume de chauffe, l'enveloppe étant découpée longitudinalement de façon à réaliser plusieurs secteurs séparés, et
- des canaux de liquide de refroidissement disposés longitudinalement dans l’épaisseur du corps de creuset de façon que chaque secteur comprend au moins un canal de liquide de refroidissement.
Selon une autre variante, le creuset est formé par plusieurs éléments monoblocs, comprenant chacun plusieurs secteurs formés dans une même pièce. Ces éléments monoblocs multi-secteurs forment chacun une portion angulaire du creuset et sont assemblés ensemble par des moyens mécaniques démontables, par exemple des vis individuelles ou une bride commune les maintenant tous contre le collecteur de refroidissement. Même dans cette variante, on limite grandement le nombre de fixations mécaniques, et on conserve de bonnes qualités de fiabilité et de non contamination. De préférence, selon n'importe quel aspect ou variante, le corps de creuset présente une structure monobloc composée d'un seul et même matériau présentant une continuité de matière entre l'anneau de raccordement, les secteurs de l'enveloppe et les canaux. Cette caractéristique a pour avantage d'améliorer encore la tenue mécanique du creuset et de conserver la géométrie du corps de creuset lors de son utilisation. Ce paramètre permet d'avoir un champ électromagnétique plus homogène et donc un chauffage plus homogène de la charge. Lorsqu'il s'agit de fondre un matériau, une meilleure stabilité du bain de métal de fusion est obtenue. Cette stabilité est particulièrement importante lorsqu'il s'agit de fabriquer un alliage et de laisser se dissoudre, par diffusion dans le liquide, chacun des éléments constitutifs de l'alliage. Si l'instabilité du bain de métal en fusion devient trop importante, le métal liquide est projeté contre les parois du creuset et se solidifie aussitôt ce qui empêche son homogénéisation.
Selon le premier ou le second aspect de l'invention, le corps du creuset est constitué d'un matériau conducteur de l'électricité et conducteur thermique.
Selon un mode de réalisation préféré, le corps du creuset est constitué de cuivre fabriqué par écrouissage. Dans l'art antérieur l'opération de brasure sur le creuset engendre le recuit du cuivre ce qui rend le creuset malléable. Sans brasure réalisée sur le corps de creuset en cuivre selon l'invention, ce dernier ne subit pas de recuit et reste ainsi rigide (sans déformation). En outre le cuivre présente une très bonne conductivité thermique ce qui permet le refroidissement par conduction depuis les canaux de refroidissement jusqu'aux extrémités des secteurs. Alternativement, le corps du creuset pourrait être en acier inoxydable.
Selon un mode de réalisation compatible avec le premier aspect comme le second aspect, l'anneau de raccordement comprend sur son pourtour un filetage de creuset agencé pour permettre un assemblage par vissage de façon qu'un collecteur de refroidissement, muni d’un filetage de collecteur qui lui est complémentaire, puisse se visser sur le creuset ou inversement. Cette caractéristique permet de monter et démonter le collecteur de refroidissement du creuset facilement et rapidement afin d'améliorer la décontamination du creuset après chaque utilisation.
Ainsi, le corps de creuset comprend un élément monobloc, formant plusieurs secteurs qui sont tous séparés entre eux par des découpes longitudinales jusqu'à leur extrémité distale et sur toute leur longueur sauf dans la région de l'anneau de raccordement, dite région proximale. Typiquement, chaque secteur ainsi délimité ne comprend qu'un seul canal de refroidissement. Ce canal de refroidissement forme un trou borgne, c'est à dire avec une seule extrémité débouchant longitudinalement, lequel trou borgne est séparé en deux trajets longitudinaux par une cloison rapportée qui est insérée par cette extrémité débouchante. De préférence, un seul élément monobloc forme tous les secteurs, et constitue ainsi la totalité de l'enveloppe du corps de creuset.
Pour la suite et pour ce qui précède, on entend par extrémité distale, une extrémité située près du fond du corps de creuset, et on entend par extrémité proximale, une extrémité située près de l'anneau de raccordement du creuset.
Selon un troisième aspect de l'invention, pouvant être conforme en tout ou partie au premier aspect ou tout ou partie du second aspect de l'invention, on atteint au moins l'un des buts précités avec un collecteur de refroidissement destiné à coopérer avec un creuset froid pour dispositif de chauffage par induction, le creuset comprenant :
- un anneau de raccordement comprenant une région annulaire de distribution,
- une enveloppe tubulaire s'étendant depuis l'anneau de raccordement pour définir un volume de chauffe, l'enveloppe étant découpée longitudinalement de façon à réaliser plusieurs secteurs séparés,
- des canaux de liquide de refroidissement disposés longitudinalement dans l’épaisseur du creuset de façon que chaque secteur comprend au moins un canal de liquide de refroidissement comprenant une cloison de canal, formant dans chaque canal au moins deux trajets débouchant respectivement par deux orifices écartés l'un de l'autre le long d'une direction radiale du creuset sur la région annulaire de l'anneau de raccordement. Le collecteur est caractérisé en ce qu'il présente deux cavités de collecteur qui sont sensiblement circulaires et sont agencées sur une même face venant en vis-à-vis de l’anneau de raccordement, les cavités de collecteur étant décalées selon une direction radiale par rapport à l'axe du collecteur de façon que chaque cavité de collecteur se situe au-dessus d'un seul orifice de chaque canal une fois le collecteur et le creuset assemblés.
Le collecteur de refroidissement selon l'invention permet une utilisation plus aisée, par rapport au collecteur de l'art antérieur, en permettant un raccordement avec un collecteur sans indexation. Dès lors le collecteur selon l'invention limite voire supprime les défauts d'étanchéité et propose une durée de vie accrue. La maintenance est également facilitée par rapport aux dispositifs connus.
Les deux cavités sont agencées de manière à réaliser une chambre d’entrée et une chambre de sortie pouvant être raccordées à un circuit de circulation de liquide de refroidissement.
De préférence, le collecteur comprend une cloison circulaire de collecteur séparant lesdites deux cavités de collecteur. Avantageusement, une seule cloison de collecteur sépare lesdites deux cavités de collecteur, ce qui permet de limiter l'encombrement et de facilité le montage par rapport au corps de creuset. Par exemple ladite cloison de collecteur vient en appui contre des extrémités dites d'étanchéité des cloisons de canal. Selon un mode de réalisation, la cloison de collecteur a une forme de cône.
Selon un mode de réalisation, le collecteur comprend, autour des cavités de collecteur, un filetage de collecteur agencé pour permettre un assemblage par vissage de façon qu'un corps de creuset comprenant également un filetage de creuset complémentaire puisse se visser sur le collecteur ou inversement. Cette caractéristique permet de raccorder très facilement le collecteur de refroidissement à un corps du creuset.
De préférence, le collecteur de refroidissement est constitué d'acier inoxydable.
Selon un quatrième aspect de l'invention, on atteint l'un des buts précités par un dispositif de chauffage par induction comprenant un corps de creuset froid selon tout ou partie du premier aspect ou tout ou partie du second aspect et un collecteur de refroidissement selon tout ou partie du troisième aspect de l'invention. Selon ce quatrième aspect, ils sont agencés pour que, lorsqu'ils sont assemblés ensemble, les éléments de distribution de liquide de refroidissement du collecteur se raccordent aux canaux de liquide de refroidissement du corps de creuset
Selon un cinquième aspect de l'invention il est prévu un procédé de fabrication d'un creuset froid pour dispositif de chauffage par induction, le creuset comprenant un corps de creuset communiquant avec un collecteur de refroidissement, le corps de creuset comprenant une enveloppe tubulaire s'étendant depuis le collecteur de refroidissement et entourant une chambre de chauffe comprise dans un volume de chauffe, l'enveloppe étant découpée longitudinalement de façon à réaliser plusieurs secteurs séparés, des canaux de liquide de refroidissement disposés longitudinalement dans l’épaisseur du creuset de façon que chaque secteur comprend au moins un canal de liquide de refroidissement, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- fournir une ou plusieurs pièces de départ monoblocs ou ébauches, en un matériau conducteur thermique et électrique, de préférence en cuivre, par exemple un rond plein ou un tube,
- pour chaque pièce de départ, usiner la pièce aux dimensions extérieures et intérieures souhaitées, suivant la taille de creuset souhaitée, pour réaliser un corps de creuset formant un anneau de raccordement duquel s'étend l'enveloppe tubulaire.
Le procédé de fabrication comprend, dans cet ordre ou dans un autre, les étapes suivantes :
- réaliser un filetage de creuset sur le pourtour de l'anneau de raccordement,
- réaliser des alésages correspondant aux canaux de liquide de refroidissement et débouchant dans la surface de l’anneau de raccordement,
- réaliser deux rainures, diamétralement opposées, dans la paroi de chaque canal.
- réaliser des découpes longitudinales sur l'enveloppe à travers toute l'épaisseur de l'enveloppe, les découpes s'étendant entre l'anneau de raccordement et jusqu'à l'extrémité du corps de creuset opposée à l'anneau.
Le procédé de fabrication selon l'invention permet de réaliser un corps de creuset proposant des conditions opérationnelles de fabrication permettant de réaliser des matériaux de grande pureté.
De préférence, on choisit un rond de cuivre de haute pureté. Les nuances de cuivre préférées sont comprises entre les gammes Cu-Al et Cu- C2 selon la norme AFNOR, c'est-à-dire :
- Cu-Al : utilisé pour la fabrication de fils, barres et tubes à usage électrique, haute conductibilité électrique, bonne résistance aux agents chimiques,
- Cu-C2 : cuivre de très grande pureté, usage électrique et électronique, bonne aptitude au soudage, cuivre raffiné exempt d'oxygène ; la catégorie CU-C2, avec sa plus grande pureté et surtout son oxygène limité à 5ppm convient mieux aux applications nécessitant un vide poussé.
La nuance Cu-C2 est la nuance préférée car la plus pure et celle qui dégaze le moins, et est particulièrement adaptée pour une utilisation sous ultravide.
Les grandes dimensions sont de préférence usinées par tournage et fraisage.
Les canaux sont de préférence réalisés avec une machine de forage profond. Les alésages doivent être particulièrement soignés afin de respecter une déviation par rapport à l'axe de 0,1 millimètre maximum pour une profondeur de 100 millimètres. Ensuite, les alésages doivent être usinés avec une tolérance H7 (selon le système ISO), c'est-à-dire permettant un assemblage glissant, afin de permettre l'introduction d'un outil calibré pour réaliser les deux rainures diamétralement opposées.
Une fois l'usinage terminé, on peut introduire une cloison de canal dans chaque canal. Par exemple, la cloison de canal est constituée de matériaux composites à base de résine et de fibres de verre. Elle est par exemple usinée par fraisage et est ajustée afin d'obtenir un ajustement glissant dans les rainures de chaque canal. Pour introduire les cloisons de canal plus facilement, il est possible d'utiliser un maillet.
Selon un mode de réalisation, les rainures peuvent être réalisées de manière à présenter une profondeur longitudinale légèrement inférieure à la profondeur de chaque canal de sorte que, lorsque la cloison de canal est mise en place, le fond du canal corresponde à une zone de passage entre le trajet aller et le trajet retour du canal.
Selon un premier mode de réalisation des cloisons de canal, les extrémités distales des rainures réalisent une butée axiale pour la mise en position de ladite cloison ce qui permet de faciliter l'assemblage. Les cloisons de canal présentent des dimensions identiques sur toutes leurs longueurs. Les longueurs des cloisons sont identiques aux longueurs des profondeurs des rainures de façon à ce que l'extrémité supérieure ou proximale de chaque cloison affleure la surface de l’anneau de raccordement.
Selon un deuxième mode de réalisation des cloisons de canal, celles-ci présentent, près de leur extrémité proximale, un ou deux épaulements. Dans ce mode de réalisation, les canaux peuvent être réalisés avec ou sans rainures. En outre, une entaille est réalisée dans une rainure (ou les deux rainures, ou près de l'ouverture) de chaque canal et sur la région annulaire de façon à ce que chaque épaulement repose sur une entaille.
Selon une variante du second mode de réalisation, on réalise un usinage circulaire sur la face transversale sur laquelle débouchent les canaux de liquide de refroidissement de manière à former une gorge de raccordement circulaire, lorsque les alésages ne sont pas encore réalisés, et une succession de gorges entre les ouvertures des alésages lorsque les alésages sont réalisés.
De manière optionnelle, une résine durcissante est introduite dans lesdites gorges de raccordement ou les entailles de façon à les remplir pour assurer l'étanchéité entre deux canaux. La résine est appliquée jusqu'à atteindre la hauteur de l'extrémité proximale des cloisons de canal. La résine permet d'améliorer l'étanchéité d'une part entre l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie de chaque canal et d'autre part plus généralement entre le corps de creuset et le collecteur de refroidissement. La résine est de préférence du type suffisamment rigide pour pouvoir être usinée et pouvoir résister au liquide de refroidissement. Par exemple, la résine est du Stycast® 2850FT.
Afin d'appliquer la résine, on utilise des bouchons obstruant les orifices de chaque canal. De préférence, chaque bouchon présente une fente dont la forme et l'épaisseur sont complémentaires de la forme et de l'épaisseur des cloisons de canal. Par exemple, les bouchons sont constitués de polytétrafluoroéthylène dit « PTFE ».
Une fois la résine appliquée, il peut être nécessaire de retirer par usinage le surplus de résine de façon à réaliser une portée plane continue entre les extrémités proximales des cloisons et la résine, lorsque des gorges de raccordement (entre chaque paire de canaux le long du pourtour de la région annulaire) sont réalisées, ou entre les extrémités proximales des cloisons, la résine et la surface de la région annulaire de l'anneau de raccordement, lorsque des entailles sont réalisées.
Une portée plane le long du diamètre comprenant les cloisons de canal est nécessaire de manière à ce qu'une cloison de collecteur, séparant les cavités aller et retour du collecteur de refroidissement, vienne en appui sur ladite portée plane (comprenant les cloisons de canal) et réalise un contact continu de manière à former étanchéité lorsque le collecteur de refroidissement est raccordé au corps de creuset. Ainsi le liquide de refroidissement peut circuler entre ledit collecteur de refroidissement et ledit corps de creuset sans que le liquide de refroidissement traverse l'un des trajets en dehors du passage prévu à cet effet.
En outre, ledit corps de creuset présente une deuxième portée réalisée sur la région annulaire de l'anneau de raccordement entre le volume de chauffe et les orifices des canaux. La deuxième portée délimite la frontière entre le volume de chauffe et les canaux. Elle est réalisée de manière à ce qu'une barrière de collecteur vienne en appui sur ladite deuxième portée et réalise un contact continu de manière à former étanchéité par rapport au volume de chauffe. De préférence, la deuxième portée est un chanfrein. Cette caractéristique a pour avantage de faciliter le centrage et donc la mise en position du collecteur de refroidissement par rapport au corps de creuset. Le chanfrein a aussi pour avantage d'être compact.
De préférence, chaque extrémité de la cloison de collecteur et de la barrière de collecteur comprend un joint torique afin de réaliser l'étanchéité.
Le procédé de fabrication selon l'invention permet de réaliser tout type de creuset ; par exemple des creusets droits sans fond, dit « à coulée continue » ou aussi bien des creusets du type « poche » dit « à semi- lévitation » par exemple hémisphérique et conique.
De préférence, on réalise :
- des découpes longitudinales dites « hautes » sur l'enveloppe à travers toute l'épaisseur de l'enveloppe, les découpes s'étendant entre l'anneau de raccordement vers l'extrémité du corps de creuset opposée à l'anneau sans atteindre l'extrémité distale du corps de creuset,
- des découpes longitudinales dites « basses » par électroérosion formant des fentes, chaque fente traversant toute l’épaisseur de l’enveloppe, étant suffisamment étroite pour ne pas laisser s'échapper un matériau à chauffer, et s'étendant dans le prolongement des découpes hautes jusqu'à l'extrémité distale opposée à l'anneau de raccordement.
Le découpage des fentes est réalisé suivant les étapes suivantes :
- placer un noyau à l'intérieur du corps de creuset,
- obturer l’extérieur des découpes hautes au moins dans leur partie se raccordant avec les fentes, par exemple en plaçant un ruban d’obturation adhésif autour de l’enveloppe du corps de creuset,
- remplir les découpes hautes par de la résine,
- découper les fentes par électroérosion, notamment à fil,
- retirer ou dissoudre la résine.
Par exemple, chaque fente présente une largeur de 0,35 millimètre. Lors de la découpe des fentes par électroérosion, il est impératif de maintenir en position les secteurs entre eux, sans quoi ils se déformeraient lors de la découpe (relâchement des contraintes internes dans le cuivre).
Pour maintenir en position les secteurs, on insère un noyau cylindrique à l'intérieur du creuset, le noyau étant ajusté au diamètre interne du corps de creuset. Par exemple, le noyau est constitué de polytétrafluoroéthylène dit « PTFE ». De préférence, le noyau est placé dans le corps du creuset au niveau des découpes hautes et à distance de la zone où seront réalisées les fentes. Ensuite, un ruban adhésif est inséré sur l'extérieur du corps du creuset en vis-à-vis du noyau. Enfin, une résine est appliquée dans les découpes hautes. Cette mise en œuvre permet de solidariser les secteurs entre eux.
Lors de la découpe par électroérosion, il est primordial que le fil permettant la découpe ne puisse pas venir en contact avec de la résine, afin que la découpe des fentes ne soit pas perturbée.
Une fois les fentes réalisées, la résine est dissoute à l'aide d'un solvant approprié.
Le collecteur de refroidissement est de préférence réalisé en deux parties. Ces deux parties sont usinées séparément par tournage et fraisage puis assemblées par soudure. Une fois assemblé, le collecteur définit deux cavités circulaires.
Description des figures et des modes de réalisation
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, au regard de figures annexées sur lesquelles :
- les figures la, lb, le et ld sont des vues d'un dispositif de chauffage par induction comprenant un creuset dit « poche » raccordé à un collecteur de refroidissement selon un mode de réalisation de l'invention, ledit creuset comprenant des découpes longitudinales dans l'enveloppe du creuset formant des secteurs séparés, chaque secteur comprenant un canal de liquide de refroidissement, la figure la étant une vue de face dudit dispositif, la figure lb étant une vue en coupe du dispositif de la figure la selon un plan de coupe longitudinal passant par l'axe dudit dispositif et par des découpes diamétralement opposées, la figure le étant une vue en perspective et légèrement en contre-plongée du dispositif conforme à la figure la, la figure ld étant une vue en perspective et en coupe du dispositif de la figure la selon un plan de coupe longitudinal passant par l'axe dudit dispositif et par des canaux diamétralement opposés ; - les figures 2a et 2b sont des vues d'un creuset montrant un corps de creuset comprenant un anneau de raccordement et une enveloppe selon un mode de réalisation de l'invention conformes aux figures la à ld, la figure 2a étant une vue de face du corps de creuset, la figure 2b étant une vue en coupe d'un corps de creuset conforme à la figure 2a selon un plan de coupe longitudinal passant par l'axe dudit corps de creuset et par des découpes diamétralement opposées ;
- la figure 3 est une vue en coupe d'un corps de creuset conforme à la figure 2a selon une coupe à plans perpendiculaires dont le premier plan passe par l'axe et par des découpes diamétralement opposées du corps de creuset et dont le second plan passe par l'enveloppe, la figure 3 montrant en particulier des secteurs séparés de l'enveloppe, chaque secteur comprenant un canal selon un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4 est un agrandissement d'une partie de l'anneau de raccordement du corps de creuset de la figure 2b, montrant une partie d'une région annulaire dudit anneau, ladite région comprenant une gorge de raccordement ;
- la figure 5 est un agrandissement d'un secteur vu en coupe de la figure 3, montrant des découpes au fond du corps de creuset ;
- la figure 6a est une vue en coupe d'un corps de creuset conforme à la figure 2a selon un plan de coupe longitudinal passant par l'axe dudit corps de creuset et par des canaux diamétralement opposées, une cloison de canal rapportée étant visible dans chaque canal ;
- la figure 6b montre un exemple de cloison de canal rapportée vue de face ;
- les figures 7a, 7b montre une première pièce tubulaire du collecteur de refroidissement selon un mode de réalisation, destiné à être reliée à une seconde pièce dudit collecteur, la figure 7a étant une vue de face de ladite première pièce, la figure 7b étant une vue en coupe de la pièce de la figure 7a montrant un alésage prévu pour le passage des matériaux à chauffer ;
- la figure 8 est une vue en coupe d'une seconde pièce du collecteur de refroidissement comprenant une cloison de séparation de collecteur, un orifice d'entrée d'un liquide de refroidissement et un orifice de sortie du liquide de refroidissement ; - la figure 9 est une vue en perspective d'un corps de creuset comprenant des canaux de liquide de refroidissement dans lesquels sont insérées des cloisons de canal rapportées dont les extrémités proximales sont visibles ;
-la figure 10 est une vue en perspective d'un bouchon de canal selon un mode de réalisation, le bouchon comprenant une fente destinée à recevoir une extrémité proximale d'une cloison de canal rapportée ;
- les figures lia et 11b montrent un corps de creuset dit « sans fond », selon un mode de réalisation, comprenant un anneau de raccordement et une enveloppe, la figure lia étant une vue de face, la figure 11b étant une vue en coupe du corps de creuset de la figure lia selon un plan de coupe passant par l'axe et des découpes diamétralement opposées du corps de creuset ;
- la figure 12 un agrandissement d'un dispositif de chauffage par induction vu en coupe de la figure ld, montrant la communication du liquide de refroidissement entre le collecteur de refroidissement et le corps du creuset.
Description d'un exemple de mode de réalisation
Les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs ; on pourra notamment mettre en œuvre des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s'oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Les figures la, lb, le et ld illustrent un dispositif de chauffage par induction 1 destiné à faire fondre des matériaux pour réaliser des alliages ou fondre des métaux purs pour réaliser des coulées dans des moules, ou affiner en atmosphère particulière lors de la fusion. Le dispositif de chauffage comprend un creuset 10 dit « froid » destiné à contenir lesdits matériaux à chauffer, aussi appelés « la charge » (non visible sur les figures). La charge est chauffée grâce à un inducteur bobiné (non représenté) autour du creuset 10 et d'un générateur (non représenté). De manière connue, le dispositif de chauffage comprend également un collecteur de refroidissement 30 distribuant un liquide de refroidissement dans le creuset 10 raccordé à ce dernier.
On va tout d'abord décrire un creuset 10 du type « poche » ou « à semi-lévitation ». En référence aux figures la, lb, le, ld, 2a, 2b, 6a et 9, le creuset 10 comprend un corps de creuset 11 contenant le matériau à chauffer.
Le corps de creuset 11 comprend un anneau de raccordement 12 destiné à permettre le raccordement d'une part mécanique et d'autre part des flux de liquide de refroidissement entre le corps de creuset et le collecteur de refroidissement. L'anneau de raccordement est une portion circulaire du corps de creuset et est continu de matière le long de sa circonférence. L'anneau de raccordement sera décrit plus en détail par la suite.
Le corps de creuset 11 comprend une enveloppe tubulaire 14 s'étendant axialement depuis l'anneau de raccordement 12 pour définir un volume de chauffe. Le corps de creuset comprend des secteurs 16 réalisés dans l'enveloppe tubulaire 14. Le corps de creuset 11 présente une structure monobloc composée d'un seul et même matériau présentant une continuité de matière entre l'anneau de raccordement 12 et les secteurs 16 de l'enveloppe tubulaire 14, en les incluant. Dans le cas d'un creuset du type « poche » ou « à semi-lévitation », le corps de creuset 11 comprend un fond de creuset 110 sensiblement conique. L'enveloppe 14 est découpée longitudinalement de façon à réaliser plusieurs secteurs séparés 16. En référence aux figures lb, 2b, 3 et 5, des découpes longitudinales dites « hautes » ou interstices 18 sont réalisées dans des directions radiales par rapport à l'axe longitudinal du corps de creuset et dans l'épaisseur de l'enveloppe tubulaire 14 de sorte que les portions d'enveloppe restantes forment des secteurs angulaires d'enveloppe le long de la circonférence de l'enveloppe 14 (voir en particulier les figures 3 et 5). En référence aux figures lb, 2b et 3, les découpes longitudinales 18 sont réalisées avec une profondeur transversale égale jusqu'à l'extrémité distale du corps du creuset de façon que le fond 110 du corps du creuset n'est pas découpé sur toute son épaisseur mais selon une découpe présentant une largeur pouvant être sensiblement identique à la largeur d'une découpe 18 ; étant donné que le fond du creuset 110 est conique. Selon un autre mode de réalisation, la largeur de découpe au niveau du fond 110 du corps du creuset peut être légèrement différente, soit pour augmenter le rendement du creuset, soit pour améliorer le refroidissement.
Les découpes hautes 18 présentent une largeur sensiblement égale à 3 à 4 millimètres. Cela permet de limiter les pertes de charges notamment dans le cas de réalisation sous vide.
Le fond du creuset 110 présente également des découpes longitudinales. En référence aux figures lb, 2b et 5, des découpes longitudinales ou fentes 19 sont réalisées dans des directions radiales par rapport à l'axe longitudinal du corps de creuset et dans l'épaisseur du fond du corps de creuset 110 de sorte que les portions de fond du corps restantes forment des secteurs angulaires d'enveloppe le long de la circonférence du fond 110 du corps de creuset. Les fentes 19 sont réalisées sensiblement dans le prolongement des découpes hautes 18 de façon que les secteurs 16 sont séparés depuis l'anneau de raccordement jusqu'à l'extrémité distale du corps de creuset. Les fentes 19 présentent une largeur sensiblement égale à 0,35 millimètre.
Selon l'exemple représenté, le corps de creuset présente un diamètre intérieur de 50 millimètres et comporte 16 secteurs. Le corps de creuset représenté aux figures lb, ld, 2b et 6a présente à son extrémité distale une ouverture de coulée 111 permettant de faire une coulée de la charge par gravité dans une lingotière se trouvant en-dessous. Lors de l'utilisation, un doigt escamotable (non représenté) obstrue l'extrémité du corps de creuset, par exemple un doigt lui-même refroidi.
Le corps de creuset comprend un canal de liquide de refroidissement 15 dans chaque secteur 16. En référence aux figures ld, 3 et 6a, chaque canal de refroidissement 15 est disposé longitudinalement dans l'épaisseur de chaque secteur. Les canaux 15 présentent une forme tubulaire. En référence aux figures ld et 6a, les canaux 15 s'étendent jusqu'au fond du corps de creuset 110 de manière à former un trou borgne dont le fond appelé fond de canal est désigné par la référence 151. En référence aux figures 3 et 6a, les canaux 15 débouchent sur la surface supérieure de l'anneau de raccordement 12 comprenant une région annulaire 120. La région annulaire 120 forme une partie continue formée dans la matière du corps de creuset monobloc.
Le corps de creuset comprend plusieurs cloisons de canal rapportées 20 de sorte que chaque cloison est prévue pour être insérée dans un canal 15. En outre, chaque canal 15 est agencé et configuré pour recevoir une cloison de canal 20. Elle est insérée longitudinalement dans chaque canal et forme un contact longitudinal étanche avec au moins deux régions distinctes de la paroi interne périphérique dudit canal. Du point de vue du fond du canal 151, l'extrémité distale de la cloison de canal 20 est à distance du fond de canal 151 de manière à laisser un passage. Par exemple, la largeur du passage est sensiblement égale au rayon du canal. Une fois insérée dans un canal et en référence aux figures 6a et 12, chaque canal 15 présente, à l'intérieur de celui-ci et de part et d'autre de la cloison de canal 20, un trajet dit « aller » 22 et un trajet dit « retour » 21 pour la circulation du liquide de refroidissement dans chaque secteur du corps de creuset. Le liquide de refroidissement peut circuler depuis le trajet aller vers le trajet retour en passant par le passage, prévu à cet effet, près du fond du canal 151. Du côté de l'anneau de raccordement (voir figure 3 côté gauche, 2b, 11b), les trajets débouchent dans la région annulaire 120. Pour chaque canal 15, la région annulaire présente un orifice dit « d'entrée » 24, correspondant à l'entrée d'un trajet aller 22, et un orifice dit « de sortie » 23, correspondant à la sortie d'un trajet retour 21. Les orifices d'entrée 24 et de sortie 23 doivent être disposés l'un à côté de l'autre et alignés le long d'une direction radiale du creuset.
Comme on le voit, notamment en figures 3 et 6a, chaque canal 15 présente un orifice d’entrée 24 et un orifice de sortie 23 qui sont formés par une même ouverture du canal 15 débouchant dans la partie annulaire. C’est cette ouverture commune qui est elle-même divisée en une ouverture d’entrée 24 et une ouverture de sortie 23 par l’extrémité proximale 200 de la cloison de canal 20. L’ensemble de ces ouvertures débouchant chacune d'un canal 15 est distribué en un seul cercle correspondant à la région annulaire 120.
Selon un mode de réalisation préféré, chaque canal présente en outre deux rainures diamétralement opposées de façon à recevoir et positionner chaque cloison de canal 20. Les rainures forment deux régions distinctes s'étendant longitudinalement dans chaque canal et forment un contact longitudinal étanche avec la cloison de canal 20 insérée dans ledit canal.
Les cloisons de canal rapportées présentent une forme rectangulaire dont l'épaisseur est très largement inférieure à sa longueur ou sa largeur de sorte qu'elles forment respectivement un plan. En référence à la figure 6b, la cloison de canal 20 présente à son extrémité proximale, prévue pour être proche de l'anneau de raccordement, un élargissement de largeur 210 formant épaulement. L'élargissement de largeur 210 est prévu pour venir en appui contre une entaille réalisée à la surface de la région annulaire 120. De préférence, deux entailles diamétralement opposées sont réalisées sur la région annulaire 120 afin de recevoir les épaulements des cloisons de canal.
En référence aux figures 3 et 9, chaque cloison de canal 20 est disposée dans son canal 15 de façon qu'un plan géométrique imaginaire compris dans l'épaisseur de la cloison est sensiblement tangentiel à un cylindre de révolution imaginaire concentrique au creuset. Cette caractéristique permet de délimiter radialement deux régions de distribution du liquide de refroidissement, une première région d'entrée du liquide de refroidissement comprenant tous les orifices d'entrée 24 et une deuxième région de retour du liquide de refroidissement comprenant tous les orifices de sortie 23. Il est alors possible de raccorder un collecteur de refroidissement présentant aucune indexation par exemple angulaire afin de relier les flux d'entrée et de sortie de liquide de refroidissement entre le collecteur de refroidissement et le corps de creuset.
En référence aux figures 2b, 3 et 4, la région annulaire 120 comprend plusieurs gorges de raccordement 121 reliant les ouvertures des canaux, ou les entailles prévues pour les cloisons de canal, de façon à former une rainure circulaire. Les gorges de raccordement 121 sont prévues pour être remplies de résine réalisant un joint d'étanchéité, délimitant radialement, avec les extrémités proximales 200 des cloisons de canal, les deux régions de distribution du liquide de refroidissement. En référence aux figures 9 et 10, les orifices des canaux de refroidissement sont bouchés par des bouchons 40 (voir figure 9 montrant un bouchon bouchant un canal). Chaque bouchon 40 présente une forme extérieure sensiblement cylindrique dont le diamètre extérieur est sensiblement égal au diamètre intérieur de chaque canal. Chaque bouchon 40 comprend une fente de cloison 41 destinée à recevoir une extrémité proximale d'une cloison de canal (voir figure 10), permettant ainsi l'introduction du bouchon dans le canal comprenant une cloison de manière à boucher les orifices du canal. Une fois les canaux bouchés, les gorges de raccordement 121 sont remplies de résine. Une fois que la résine a durci, les bouchons 40 sont enlevés et le surplus de résine est retiré, par exemple par usinage, afin d'obtenir une portée plane et ainsi servir de surface de jonction avec une cloison circulaire de collecteur de refroidissement. De préférence, la réalisation de la portée plane peut comprendre l'usinage de l'extrémité proximale des cloisons de canal.
En référence aux figures 2a, 2b, 6a, l'anneau de raccordement 12 présente sur son pourtour une surface de raccordement 13 comprenant un filetage de creuset agencé pour permettre un assemblage par vissage avec un collecteur de refroidissement comprenant un filetage de collecteur complémentaire de façon que le creuset puisse se visser sur un collecteur ou inversement.
Les figures lia et 11b montre un autre type de creuset dit « sans fond » ou « à coulée continue ». Dans ce mode de réalisation, le corps de creuset ne comporte pas de fond de creuset 110 conique, mais présente un volume de chauffe présentant un diamètre interne constant jusqu'à l'extrémité du corps du creuset. Pour le reste, le corps de creuset des figures lia et 11b comprend les mêmes caractéristiques qu'un creuset dit « poche » ou « à semi-lévitation » tel que décrit aux autres figures.
On va maintenant décrire un collecteur de refroidissement 30 agencé et configuré pour être raccordé à la fois mécaniquement et par rapport à la circulation des flux de liquide de refroidissement entre ledit collecteur et un corps de creuset décrit au-dessus. D'un point de vue mécanique et en référence à la figure 8, le collecteur de refroidissement comprend une première partie périphérique 30a qui présente sur une face interne un filetage de collecteur 31 complémentaire au filetage de creuset de façon à ce qu'ils puissent s'assembler par vissage.
En référence aux figures lb et 12, le collecteur de refroidissement 30 comprend deux cavités de collecteur formant les éléments de distribution : une cavité dite « aller » 34 et une cavité dite « retour » 33 qui sont sensiblement circulaires et qui sont agencées en regard de la région annulaire 120 de l'anneau de raccordement. Les cavités 33, 34 sont décalées selon une direction radiale par rapport à l'axe du collecteur de façon que la cavité aller 34 est en regard des orifices d'entrée 24, et la cavité retour 33 est en regard des orifices de sortie 23. Les cavités 33, 34 sont séparées par une cloison circulaire de collecteur 32. La cloison de collecteur 32 est prévue pour venir en appui contre les extrémités proximales dites « d'étanchéité » 200 des cloisons de canal (voir figure lb et 12). En référence aux figures lb, ld et 12 la cloison de collecteur 32 présente une forme conique.
Le collecteur comprend également un orifice d'entrée 38 du liquide de refroidissement communiquant avec la cavité aller 34, et un orifice de sortie 37 du liquide de refroidissement communiquant avec la cavité retour 33 (voir figures lb et 8). La cavité retour 33 est délimitée radialement par la cloison de collecteur 32 et par une bordure interne 123 de l'anneau de raccordement 12 (voir figures lb et 12).
En référence aux figures 7a, 7b, le collecteur comprend une seconde pièce de collecteur 30b qui comprend un tube 35 dont l'extrémité supérieure comprend une collerette 350. Le volume délimité par le tube 35 correspond à un passage d'insertion 36 via lequel la charge est insérée avant d'être introduite dans le volume de chauffe délimité par l'enveloppe tubulaire (figures lb et ld). La seconde pièce de collecteur 30b est destinée à être soudée sur la première pièce de collecteur 30a (voir figure 8). De préférence, la première pièce de collecteur 30a comprend un lamage 301 sur son extrémité supérieure. Le collecteur de refroidissement est réalisé en soudant la collerette 350 de la seconde pièce de collecteur 30b dans le lamage 301 de la première pièce de collecteur 30a, de manière à obtenir le collecteur de refroidissement 30 représenté sur les figures lb et ld. La cavité aller 34 est ainsi délimitée radialement par la cloison de collecteur 32 et par la paroi du tube 35, voir figure 12.
En référence à la figure 12, une fois le collecteur de refroidissement 30 raccordé au corps de creuset 11, la cloison de collecteur 32 appuie sur les extrémités proximales des cloisons de canal et la résine formant joint d'étanchéité, et le tube 35 appuie sur un chanfrein 124 réalisé sur la région annulaire 120.
En référence aux figures lb et ld, le collecteur 30 est agencé de manière concentrique par rapport au corps de creuset 11. Le collecteur de refroidissement 30 comprend un passage d'insertion 36 via lequel la charge est insérée avant d'être introduite dans le volume de chauffe délimité par l'enveloppe tubulaire.

Claims

Revendications
1. Creuset froid (10) pour dispositif de chauffage par induction (1),
caractérisé en ce qu'il comprend un corps de creuset (11) comprenant :
un anneau de raccordement (12) comprenant une région annulaire de distribution (120),
une enveloppe tubulaire (14) s'étendant depuis l'anneau de raccordement (12) pour définir un volume de chauffe, l'enveloppe étant découpée longitudinalement de façon à réaliser plusieurs secteurs (16) séparés,
des canaux de liquide de refroidissement (15) disposés longitudinalement dans l’épaisseur du corps de creuset de façon que chaque secteur (16) comprend au moins un canal de liquide de refroidissement (15),
chaque secteur comprenant au moins deux trajets de liquide de refroidissement, un trajet aller (22) et un trajet retour (21) du liquide de refroidissement, formés par l'au moins un canal de liquide de refroidissement (15), lesdits trajets débouchant dans la région annulaire de distribution (120) de sorte que ladite région (120) présente, pour chaque secteur, un orifice d'entrée (24) et un orifice de sortie (23), les orifices étant écartés l'un de l'autre le long d'une direction radiale du creuset,
formant ainsi le long du pourtour de la région annulaire de distribution deux régions distinctes concentriques autour de l'axe longitudinal du creuset dont l’une communique seulement avec le trajet aller des canaux et l’autre communique seulement avec le trajet retour des canaux,
le corps de creuset étant destiné à être assemblé de manière amovible avec un collecteur de refroidissement (30) via l'anneau de raccordement (12), le collecteur (30) comprenant des éléments de distribution de liquide de refroidissement se raccordant aux canaux de liquide de refroidissement (15), du fait de cet assemblage, pour faire circuler ledit liquide entre le collecteur et les canaux, et en ce que ledit corps de creuset (11) présente une structure monobloc composée d'un seul et même matériau présentant une continuité de matière sur au moins deux secteurs.
2. Creuset (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque canal comprend une cloison de canal rapportée (20) insérée longitudinalement dans ledit canal (15) et formant un contact longitudinal étanche avec au moins deux régions distinctes de la paroi périphérique dudit canal, de façon à définir le trajet aller (22) et le trajet retour (21) de part et d'autre de ladite cloison (20) et s'étendant longitudinalement à l'intérieur d'un même canal (15).
3. Creuset (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque cloison (20) de canal présente une forme plane ou bidimensionnelle et est disposée dans son canal (15) de façon qu'un plan géométrique imaginaire compris dans l’épaisseur de la cloison est sensiblement tangentiel à un cylindre de révolution imaginaire concentrique au creuset.
4. Creuset (10) selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque cloison (20) de canal présente une longueur sensiblement égale ou inférieure à la longueur des canaux, et est prévue pour être insérée dans un canal en laissant un écart non nul entre le fond (151) du canal et l'extrémité longitudinale dite de passage de la cloison de canal.
5. Creuset (10) selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que chaque canal (15) comprend dans sa paroi deux rainures distinctes agencées et configurées pour recevoir et positionner chaque cloison (20) dans ledit canal.
6. Creuset (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anneau de raccordement (12) comprend sur son pourtour un filetage de creuset (13) agencé pour permettre un assemblage par vissage de façon qu'un collecteur de refroidissement (30) muni d’un filetage de collecteur (31) qui lui est complémentaire puisse se visser sur le creuset ou inversement.
7. Collecteur de refroidissement (30) destiné à coopérer avec un creuset froid (10) pour dispositif de chauffage par induction (1), le creuset comprenant :
un anneau de raccordement (12) comprenant une région annulaire de distribution (120),
une enveloppe tubulaire (14) s'étendant depuis l'anneau de raccordement (12) pour définir un volume de chauffe, l'enveloppe étant découpée longitudinalement de façon à réaliser plusieurs secteurs (16) séparés,
des canaux de liquide de refroidissement (15) disposés longitudinalement dans l’épaisseur du creuset de façon que chaque secteur (16) comprend au moins un canal de liquide de refroidissement comprenant une cloison (20) de canal, formant dans chaque canal au moins deux trajets (21, 22) débouchant respectivement par deux orifices (23, 24) écartés l'un de l'autre le long d'une direction radiale du creuset,
le collecteur étant caractérisé en ce qu'il présente deux cavités (33, 34) de collecteur qui sont sensiblement circulaires et sont agencées sur une même face venant en vis-à-vis de l’anneau de raccordement, les cavités de collecteur étant décalées selon une direction radiale par rapport à l'axe du collecteur de façon que chaque cavité de collecteur (33, 34) se situe au- dessus d'un seul orifice (23, 24) de chaque canal une fois le collecteur et le creuset assemblés.
8. Collecteur (30) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une cloison circulaire de collecteur (32) séparant lesdites deux cavités de collecteur (33, 34), ladite cloison de collecteur (32) venant en appui contre des extrémités dites d'étanchéité (200) des cloisons de canal.
9. Collecteur (30) selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce qu'il comprend, autour des cavités de collecteur, un filetage de collecteur (31) agencé pour permettre un assemblage par vissage de façon qu'un corps de creuset (10) comprenant également un filetage de creuset (13) complémentaire puisse se visser sur le collecteur (30) ou inversement.
10. Dispositif de chauffage par induction (1) comprenant un corps de creuset froid (10) selon l'une des revendications 1 à 6 et un collecteur de refroidissement (30) selon l'une des revendications 7 à 9 agencés pour que, lorsqu'ils sont assemblés ensemble, les éléments de distribution de liquide de refroidissement (33, 34) du collecteur (30) se raccordent au canaux de liquide de refroidissement (15) du corps de creuset (10).
11. Procédé de fabrication d'un creuset froid (10) pour dispositif de chauffage par induction, le creuset comprenant un corps de creuset (11) communiquant avec un collecteur de refroidissement (30), le corps de creuset comprenant une enveloppe tubulaire (14) s'étendant depuis le collecteur de refroidissement et entourant une chambre de chauffe comprise dans un volume de chauffe, l'enveloppe étant découpée longitudinalement de façon à réaliser plusieurs secteurs (16) séparés, des canaux de liquide de refroidissement (15) disposés longitudinalement dans l’épaisseur du creuset de façon que chaque secteur (16) comprend au moins un canal de liquide de refroidissement (15), le procédé comprenant les étapes suivantes :
fournir une ou plusieurs pièces de départ monoblocs ou ébauches, en un matériau conducteur thermique et électrique, de préférence en cuivre, par exemple un rond plein ou un tube,
pour chaque pièce de départ, usiner la pièce aux dimensions extérieures et intérieures souhaitées, suivant la taille de creuset souhaitée, pour réaliser un corps de creuset formant un anneau de raccordement duquel s'étend l'enveloppe tubulaire,
ainsi que, dans cet ordre ou dans un autre, les étapes suivantes :
réaliser un filetage de creuset (13) sur le pourtour de l'anneau de raccordement (12),
réaliser des alésages correspondant aux canaux de liquide de refroidissement (15) et débouchant dans la surface de l’anneau de raccordement (12),
réaliser deux rainures, diamétralement opposées, dans la paroi de chaque canal (15), réaliser des découpes longitudinales (18, 19) sur l'enveloppe (14) à travers toute l'épaisseur de l'enveloppe, les découpes s'étendant entre l'anneau de raccordement (12) et jusqu'à l'extrémité du corps de creuset opposée à l'anneau.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'un usinage circulaire est réalisée sur la face transversale sur laquelle débouchent les canaux de manière à former une gorge de raccordement (121) circulaire, lorsque les alésages ne sont pas encore réalisés, et une succession de gorges (121) entre les ouvertures des alésages lorsque les alésages sont réalisés, et en ce qu'une résine durcissante est introduite dans les gorges (121) de façon à les remplir pour assurer l'étanchéité entre deux canaux.
13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'on introduit une cloison de canal dans chaque canal après avoir réalisé les rainures.
14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'on réalise :
des découpes longitudinales dites « hautes » (18) sur l'enveloppe (14) à travers toute l'épaisseur de l'enveloppe, les découpes s'étendant entre l'anneau de raccordement (12) vers l'extrémité du corps de creuset opposée à l'anneau sans atteindre l'extrémité distale du corps de creuset,
des découpes longitudinales dites « basses » par électroérosion formant des fentes (19), chaque fente traversant toute l’épaisseur de l’enveloppe, étant suffisamment étroite pour ne pas laisser s'échapper un matériau à chauffer, et s'étendant dans le prolongement des découpes hautes (18) jusqu'à l'extrémité distale opposée à l'anneau de raccordement.
15. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, le découpage des fentes (19) est réalisé suivant les étapes suivantes :
placer un noyau à l'intérieur du corps de creuset (11), obturer l'extérieur des découpes hautes au moins dans leur partie se raccordant avec les fentes, par exemple en plaçant un ruban d'obturation adhésif autour de l'enveloppe du corps de creuset, remplir les découpes hautes par de la résine,
- découper les fentes par électroérosion, notamment à fil,
retirer ou dissoudre la résine.
EP19700015.1A 2018-01-09 2019-01-02 Creuset froid et collecteur de refroidissement associe pour dispositif de chauffage par induction Active EP3737901B1 (fr)

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