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BREVET D'INVENTION PROCEDE ET APPAREIL DE CHAUFFAGE ET DE REFROIDISSEMENT BRUSQUE.
La présente invention est relative à un appareil de @hauffage et de refroidissement brusque combinés et à son mode d'emploi. L'invention comprend l'utilisation d'un courant alternatif pour le chauffage à la fois par induction et par condua- tion, et dépend en partie de l'attraction réciproque ou de l'effet d'agrégation de courants de signe instantanément contraire.
L'invention a principalement pour but d'assurer le chauffage, à une faible profondeur, de la surface d'un palier, coussinet, rail, ou autre objet, et le refroidissement extrêmement rapide de la partie chauffée pour dissiper la chaleur avant que les parties intérieures puissent être chauffées à un degré dangereux.
L'invention a également pour but :
1 ) d'assurer la trempe de la surface d'un objet métallique.
2 ) de tremper la surface d'usure d'un rail d'acier sans nuire à la ténacité du restant du rail.
3 )de produire une surface d'appui intéreure. ou exté- rieure trempée.
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4 ) de réaliser un équipement@combinant le mécanisme permettant d'assurer le chauffage extrêmement rapide et le refroidissement extrêmement rapiae d'une pièce à traiter.
5 ) de prévoir un moyen assurant un chauffage localisé extrêmement rapide et un refroidissement également extrêmement rapide, afin d'empêcher que la chaleur se propage à d'autres zones par conduction thermique.
6 ) de réaliser un procédé de découpage de grandes pla- ques de verre au glaces et pour brûler, séparer ou découper d'autres matières d'une manière analogue.
7 } de réaliser un appareil de chauffage comportant des tuyères à l'aide desquelles de l'eau ou un agent de refroidissement artificiel peut être projeté sur une pièce à traiter pendant ou immédiatement après une opération de chauffage sans enlever ledit appareil de chauffage, et par le mécanisme de ce dernier.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après.
L'invention est décrite ci-après à l'aide du dessin annexé, donné à titre d'exemple, et dans lequel :
La fig. 1 est une vue en coupe d'un four à induction à foyer ou anneau du type décrit dans le brevet aux Etats Unis n 1,378,187, mais pourvu de tuyères destinées à être utilisées pour refroidir brusquement ou étonner une charge ou pièce à traiter suivant la présente invention.
La fig. 2 est une vue de côté de l'équipement représenté fig. 1.
La fig. 3 est une vue en coupe transversale montrant comment on refroidit brusquement une surface d'appui intérieure en utilisant le principe par induction directe plutôt que le principe par induction à foyer ou anneau.
Les figs. 4a et 4b sont respectivement une élévation
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schématique et une coupe transversale schématique combinées d'un dispositif de chauffage et de refroidissement brusque, utilisé pour tremper la surface d'un rail d'acier; la fig. 4b est une vue des éléments ae chauffage de 4a suivant la ligne A - A et en regardant dans le sens des flèches ; tandis que la fig. 4c montre en coupe transversale comment, le dessus et le côté d'usure du rail pourraient être traités si on le désire.
Les figs. 5a, 5b, et 5c sont des vues schématiques montrant l'attraction réciproque ou agrégation de courants alternatifs dans des conducteurs adjacents.
La fig. 6 montre l'invention appliquée au découpage de grandes plaques de verre ou glaces.
La fig. 7 est une vue en coupe transversale d'une spire d'enroulement, montrant un procédé par lequel an peut refroidir l'enroulement inducteur ou de chauffage indépendamment de l'agent de refroidissement.
La théorie du chauffage localisé par courants alternatifs est bien établie. Steinmetz a montré comment la profondeur de pénétration du courant dans des conducteurs varie avec la fréquence. Northrup a montré comment le chauffage est rendu possible par l'utilisation de hautes fréquences, et il a également contribue à démontrer que des courants traversant des aonducteurs adjacents tendent à s'attirer mutuellement au à s'a- gréger lorsqu'ils sont induits ou de signe contraire, et à affluer sur les cotés opposés du conducteur lorsqu'ils sont du meme signe.
.Le brevet aux Etats Unis n 1,378,187, au nom de Northrup, page 2, lignes 73 à 130, page 3, ligne 1 à 23, page 5 lignes 15 à 23, et figs. 6 à 9 et 12, décrit clairement ce phénomène; les brevets aux Etats Unis n s 1,286,394, 1,900,842, 1,900,843 et les demandes de brevets aux Etats Unis déposées sous les n s 144,793, 490,513, 636,306, ainsi que d'autres demandes, également au nom de Northrup,
décrivent des modifications et des applications de cette caractéristique. Le' profes-
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seur Bennet de l'Université de Wisconsin a poursuivi ces tra- vaux et a écrit un article remarquable qui a paru dans le numém du mois d'août 1932 du JOURNAL OF THE A.I.E.E. Certaines parties de cet article seront données dans la présente demande en vue de décrire la présente invention.
Dans le chauffage de rouleaux, billettes, tiges et tu- bes de faible diamètre et autres pièces plus ou moins sembla- bles, il a été jugé désirable d'utiliser une fréquence assez haute. Dans certains cas, il est désirable de limiter le chauf- fage aux parties extérieures de la pièce à traiter, de façon que ces parties puissent être brusquement refroidies ou éton- nées et trempées sans nuire à la ténacité de la partie centra- le. Ceci est le cas dans la demande de brevet aux Etats Unis déposée sous le n 298,101, qui est relative à un procédé de trempe de rouleaux. Dans d'autres cas, une haute fréquence a été nécessaire, afin de limiter la profondeur de pénétration dans une pièce de faible diamètre, et de déterminer ainsi un chauffage suffisant pour porter la pièce à la température dé- sirée.
Cette façon d'opérer est décrite dans les demandes de brevets aux Etats Unis déposées sous les n s 144,793 et 490,513, qui sont relatives à un appareil pour le chauffage de tiges et de tubes de faible diamètre.
Dans les demandes de brevets mentionnées ci-dessus, on a tenu compte de la conduction superficielle et de l'attrac- tion mutuelle au agrégation des courants, mais en dehors d'une efficacité plus grande due à l'effet d'attraction ou d'agréga- tion, aucun progrès n'a été réalisé au sujet de cet effet, qui, apparemment, n'aurait pu être obtenu en augmentant simplement la fréquence. Antérieurement à la présente invention, on n'a jamais décrit un dispositif de refroidissement particulière- combiné ment rapide/avec les moyens de chauffage.
Dans la présente invention, il est nécessaire de chauf-
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fer localement une pièce à traiter avec la plus grande rapidité, et ensuite, avant que la chaleur ait eu le temps de se propager dans toute la pièce par induction thermique, de re- fraidir brusquement, complètement et d'une manière adéquate la part.ie chauffée. A cet effet, il faut tenir compte de différentes conditions:dans la plupart des cas la fréquence doit être haute ; la source de courant doit être puissante ; on doit tenir compte de l'effet d'agrégation et l'utiliser, et le refroidissement brusque doit être effectué' efficacement.
Dans certains cas, un courant alternatif de fréquence normale peut être efficacement utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention, mais on préfère employer un courant de haute. fréquence. On dispose actuellement de sources de courant de grande puissance pour des fréquences allant jusqu'à 4800 oycles, et on a trouvé, que des résultats très avantageux dans la pratique peuvent être obtenus autour de ces limites. Une fréquence de 1000 cycles est communément, utilisée pour des installations de chauffage par induction.
Avec cette fréquende, la profondeur de pénétration dans un arbre en acier n'est pas grande, et si le courant de chauffage est induit ou si on le fait passer à travers la pièce à trait.er, en lui faisant parcourir un conducteur de retour très voisin du conducteur d'amenée, l'effet d'agrégation limite encore davantage les profondeurs de pénétration. Si l'énergie est alors appliquée à une vitesse très rapide, le chauffage se produira presque entièrement à la surface et très peu de chaleur se propagera à l'intérieur par induction thermique, Si la pièce à traiter est encombrante ou si elle présente des irrégularités ou une forme compliquée, les avantages résultant du chauffage superficiel rapide seront perdus, à moins qu'on ne dispose de moyens permettant de refr'oidir la dite pièce aussi rapidement qu'elle est chauffée.
Afin d'éviter toute perte de temps occa-
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sionnée par les opérations de démontage ou de manipulation, l'invention a pour but, entre autres, de refroidir brusquement la dit.e pièce sur place à l'aide d'un agent de refroidissement que l'on fait passer directement à travers le conducteur ou enroulement de chauffage, et à une pression appropriée. Etant donné que les inducteurs ou conducteurs de chauffage sont très voisins: de la pièce que l'on chauffe, l'emploi de tuyères exté rieures est rendu plus au mains impossible, et du fait que l'on perdrait du temps à enlever les dites pièces pour permettre d'effectuer les opérations usuelles de refroidissement, le procédé décrit constitue un progrès très net et très utile dans la technique.
Lorsqu'on fait passer un courant alternatif dans un conducteur, on crée un champ électromagnétique qui, par effet inducteur, induit un courant dans les conducteurs électriques voisins. Ce courant induit passe dans un sens opposé à celui du courant principal. Il a été démontré que cet effet inducteur est la cause des effets superficiels et de bord. Dans un conducteur unique, le champ, dû aux éléments superficiels, induit des courants de sens opposé aans les éléments intérieurs et ce courant de sens inverse tend à repousser le courant normal, empêchant tout écoulement sauf à la surface. De même, lorsqu'un conducteur induit un courant dans un conducteur adjacent, le point d'induction la plus grande est le point du conducteur le plus rapproché du conducteur inducteur.
Les courants induits dans cette partie du conducteur incuisent en outre des courants de sens opposé dans le côté opposé du même conducteur, de sorte que le courant est ainsi agrégé et s'écou. le sur le coté voisin du conducteur inducteur. Par conséquent, si un enroulement est placé autour d'une charge ou pièce à chauffer, l'action inductrice obligera un courant à s'écouler à la surface de la dite pièce et, h. son tour, le courant in-
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ducteur sera agrégé ou sera attiré sur le côté de l'enroulement inducteur adjacent à la pièce à traiter.
Si l'enroulement n'est pas placé autour d'une pièce à traiter, le passage du courant dans les spires aajacentes s'effectuera dans le même sens et, en négligeant l'effet du côté opposé de l'enroulement, le courant sera repoussé sur les côtés adjacents de l'enroulement et aura tendance à affluer ou à s'agréger sur les côtés libres de l'enroulement proprement dit.
L'effet d'attraction ou d'agrégation est représenté dans les figs. 5a, 5b et 5c. Dans la fig. 5a, le courant passant dans l'inducteur "a" induit un courant dans la charge ou. pièce "b". Le courant passant dans "b" est de sens opposé à celui passant dans "a" et, par conséquent, une attraction ou agrégation se produit tendant à augmenter le. couplage entre les courants dans "a" et "b", comme représenté. Dans la fig.
5b, le même résultat est obtenu, mais ici le courant dans "b" est en série et de sens opposé à celui passant dans "a", l'induction mutuelle tendant simplement à augmenter le' dit effet.
Dans la fig. 5c, les courants dans "a" et 'eu-le sont en série et de même sens, il en résulte que le courant est repoussé dans chaque conducteur sur le côté opposé du conducteur. L'induction tend ici à diminuer le courant dans les cotas adjacents des conducteurs.
Dans les exemples représentés, les conducteurs sont disposés concentriquement, mais le même effet se manifeste, et est prononcé, si les conducteurs sont rectilignes et parallèles, où si un conducteur est constitué par une plaque et l'autre forme des zigzags transversalement à cette plaque dans un plan parallèle à celle-ci.
Dans une forme de réalisatian de l'invention, repré- sentée figs. 1 et 2, il.est fait usage d'un appareil partiaulièrement applicable à la trempe de paliers, tels que. des pa-
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liers d'arbres vilebrequins, et autres objets analogues. Un enroulement inducteur à foyer ou anneau 1 est excité par un enroulement inducteur primaire 2 qui, à son tour, est excité par un courant alternatif provenant d'une source appropriée 3.
Deux condensateurs "c" sont utilisés pour corriger le facteur de puissance sur les génératrices. Un isolement (non représenté) est généralement prévu entre l'enroulement inducteur principal et l'enroulement inducteur à foyer au anneau. Cet isolement peut être constitué par du mica, de la micanite, de la fibre, ou matière analogue, sous forme de feuilles. A la fois le primaire et la partie entourant le primaire de l'inducteur à foyer ou anneau sont refroidis artificiellement, généralement à l'aide d'eau amenée par des tubes constituant les enroulements. Dans le cas d'inducteurs à foyer au anneau, il est généralement possible de connecter toutes les spires de l'inducteur a. foyer au anneau en parallèle, et de mettre à la terre les spires ainsi connectées, comme indiqué en 4.
La partie de l'inducteur à foyer au anneau entourant la pièce à traiter peut être refroidie artificiellement ou non, à volonté. Dans la vue schématique représentée, un refroidissement artificiel continu n'est pas prévu.
La partie de l'inducteur à foyer ou anneau entourant la charge ou pièce à traiter, est divisée en trois parties, et ceci est nécessaire lorsque la dite pièce présente des extrémités ou parties encombrantes qui ne passeront pas à travers un enroulement du modèle usuel. Les dites parties sont disposées de façon qu'elles puissent être séparées pour la mise en place ou 1'enlèvement ce la pièce à traiter. Dans les figures, des parties 5 sont boulonnées eu soudées à la partie principale de l'inducteur à foyer ou anneau, tandis que la partie 6 peut être enlevée pour la mise en place d'une pièce à traiter 7.
Les parties 5 et 6 sont des pièces creuses venues
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de fonderie et usinées et elles présentent des tubulures ou ajutages 8 pour l'admission d'un agent de refroidissement, ainsi que des orifices 9, percés à des endroits convenables dans la paroi intérieure des dites parties 5 et 6, pour assurer la projection de l'agent de refroidissement contre la charge ou pièce à traiter. Ordinairement, l'agent de refroidissement ne peut ainsi être projeté contre la pièce. à traiter mais cet agent, qui provient d'une source à haute pression 10, est réglé par une soupape ou robinet 11, de façon que le refni
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di8ucment brusque puiaae Lltr2 uffectuM à un moment détermina par rapport au chauffage.
L'ordre des opérations est le suivant; la partie 6 est séparée des parties 5 pour permettre l'introduction d'une pièce ou charge à traiter 7. Les dites parties sont alors rassemblées et maintenues en contact: électrique: pendant que le système reçoit du courant. Le courant est graduellement augmenté à l'aide de l'inducteur à foyer ou anneau et est centralisé dans la charge 7. La fréquence étant suffisamment élevée et l'énergie appliquée étant importante, la charge 7 se trouve très fortement chauffée à sa périphérie avant que l'intérieur de la dite charge ait eu le temps de devenir chaude.
La soupape ou robinet 11 est alors ouvert et des jets du flui de de refroidissement sont projetés sur la surface chaude de la charge. La dite suri'ace est ainsi durcie ou trempée et la chaleur est dissipée avant qu'elle ait eu le temps d'être conduite jusqu'aux parties intérieures de la charge. Dans un mode de réalisation où il s'agissait de traiter un palier ayant un diamètre d'environ 75 millimètres, la surface. a été chauffée à plus de 900 C. en moins de 5 secondes, et; cette surface a été étonnée en l à 2 secondes, et complètement refroidie en une durée un peu plus longue.
Il est éviaent que pour séparer ou détacher les parties de l'appareil et refroidir la charge ou pièce à traiter par les moyens communément employés
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jusqu'ici, il faudrait beaucoup plus de temps et qu'une grande partie des avantages résultant du traitement serait perdue. D'autre part, si le refroidissement est trop rapide, la vitesse peut être réglée en modifiant la dimension ou grosseur des jets, la pression de l'agent de refroidissement, la durée du chauffage ou au refroidissement, ou la fréquence.
La profondeur de trempe peut être réglée dans de larges limites.
L'inducteur à foyer ou anneau n'est pas essentiel à la mise en oeuvre de l'invention, ainsi qu'il est montré plus loin en référence , la fig. 3, mais il présente certains avantages sur le procédé d'induction directe pour certains usages. En utilisant un inducteur à foyer ou anneau, un courant intense peut être procuit dans un petit enroulement de chauffage à spire unique, et cetenroulement peut être mis à la terre, de sorte qu'on n'a pas à prévoir un isolement sur l'extrémité active. Le dispositif de chauffage à spire unique est très simplifié et peut être détaché ou enlevé et manipulé plus facilement. L'énergie peut être concentrée à un degré très élevé pour assurer un travail rapide.
La fig. 3 représente une disposition qui, L'une manière générale, est l'équivalent de celle montrée fig. 2.
Dans la fig. 3, l'enroulement inducteur de chauffage 2 est directement excité par une source de courant alternatif 3, et il est prévu des condensateurs usuels "c" pour la correction du facteur de puissance. La charge 7 est représentée comme étant constituée par un palier ou paroi de cylindre, dont l'intérieur doit être traité eu trempé. Un courant alternatif à haute tension est utilisé pour porter la surface intérieure de la.charge à une température élevée, et une soupape ou robinet 11 est alors ouvert pour permettre à un fluide de refroidissement de passer à haute pression à tra-
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vers des orifices ménagés dans les côtés de l'enroulement, afin d'effectuer l'opération de refroidissement nécessaire.
Le procédé décrit n'est pas limité aux exemples reprê- sentés et l'un ou l'autre des deux dispositifs montrés dans le dessin est applicable au chauffage intérieur ou extérieur, et peut être utilisé pour de nombreuses autres applications d'une nature analogue, ou d'une nature semblable, à d'autres applications qui vont être décrites. Dans tous les cas mention nés ici, le dispositif de chauffage peut être refroidi arti- ficiellement si on le désire, indépendamment du refroidisse- ment assuré d'une manière intermittente par l'agent de refroi- dissement. L'utilisation d'un moyen destiné à assurer un re- froidissement continu est évidente lorsque la période de chauffage est prolongée, par exemple pour le chauffage à une profondeur plus grande, ou pour le chauffage de pièces de di- mensions plus importantes.
Un mode de refroidissement indépen- dant de l'inducteur est représenté fig. 7.
Dans un appareil pour tremper la surface d'un rail ou objet analogue, le courant est de préférence appliqué par con- duction, bien que le principe devant servir de règle soit le même que pour les procédés par induation précédemment mention- nés. On peut faire passer le courant à travers le rail 12 (fig. 4) et un conducteur 13, ce courant provenant directe- ment d'une source d'énergie 3, en série avec un inducteur pri- maire 2, ou comme représenté ici, en série avec un enroule- ment secondaire 1 , le courant passant dans le conducteur 13 induit un courant passant dans le sens opposé, dans le rail 12 et qui s'ajoute au courant empruntant le rail comme conduc- teur retour et augmente ainsi ce dernier courant.
Le courant que l'on fait ainsi passer afflue à la partie du rail la plus rapprochée du conducteur d'amenée de courant, déterminant ain- si le chauffage localisé de cette partie du rail. Le conduc-
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teur d'amenée de courant 15 est creux et présente des tubulu- res au ajutages d, ainsi que àes orifices 9, comme dans les appareils de chauffage précédemment décrits, afin de projeter un fluide de refroidissement, à travers les dits orifices 9, sur la partie chauffée du rail. Des soupapes au robinets (non représentés) sont utilisés dans les exemples précédemment dé- crits.
La disposition représentée figs. 4a et 4b conviendrait pour le chauffage de la surface supérieure d'un rail, mais s'il @ s'agissait de traiter également le bord d'usure, le conducteur serait quelque peu modifié, comme représenté en 13' dans la fig. 4c.
Un dispositif de chauffage des rails, du type repré- senté, a été construit et a fonctionné en donnant d'excellents résultats. En utilisant une source de courant d'une fréquence de 2000 cycles, le dessus du rail a été chauffé au rouge vif à u9ne profondeur égale à une petite fraction d'un centimètre et le reste du rail n'a, en principe, pas été chauffé. Lors- que le sens du courant dans le conducteur a été rendu identi- que à celui du courant passant dans le rail, l'effet de répul- sion a eu pour effet de chauffer localement la partie du rail éloignée du conducteur. Dans les deux cas, l'effet d'agréga- tion a été très prononcé.
D'autres applications de ce dispositif de chauffage et de refroidissement brusque peuvent recevoir un grand nom- bre d'autres utilisations. Dans la fige 6, un dispositif ana- logue d'une manière générale au dispositif de chauffage des rails, est utilisé pour le découpage de grandes plaques de verre ou glaces. Comme représenté dans cette figure, la glace passe sous un conducteur 13" et au-dessus d'un autre conduc- teur 12'. Le conducteur 12' présente un bord qui vient en con- tact avec la surface de la glace et se trouve directement en regard du conducteur 13". Lorsque le courant passe, l'effet d'agrégation chauffe le Cord du conducteur 12', en contact avec la glace.
Un agent de refroidissement est alors envoyé,
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à travers un petit conduit 14, ménagé dans le bord chauffé au près de celui-ci, et est projeté sur la glace, déterminant ainsi le découpage de cette dernière suivant une ligne nette qui suit le bord du conducteur 12'.
Les personnes au courant de la technique comprendront que de nombreuses modifications, non mentionnées dans la des- aription, rentrent dans le cadre de la présente invention.