FR2972890A1 - Systeme inductif pouvant servir de creuset froid - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système inductif comprenant un premier enroulement conducteur (12) formant une bobine, et un deuxième enroulement conducteur creux (10) entourant le premier enroulement tout en laissant un espace entre eux, le deuxième enroulement comportant des spires isolées quasi-jointives.

Description

B10748 - CNRSO4236-01 1 SYSTÈME INDUCTIF POUVANT SERVIR DE CREUSET FROID Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des systèmes inductifs et plus particulièrement un tel système ayant comme fonction de servir, par exemple : de creuset froid pour four de chauffage à induction, de système de mise en lévitation (et de chauffage) d'une charge, ou d'enceinte de confinement (cage froide) de torche à plasma inductif.

Exposé de l'art antérieur Comme l'illustre la figure 1, un four à induction comprend un creuset destiné à contenir une charge 3. Le creuset est entouré d'une bobine 5 alimentée en courant alternatif haute fréquence destiné à chauffer par induction la charge contenue dans le creuset. On distingue généralement les creusets à parois chaudes, appelés creusets chauds, et les creusets à parois froides, appelés creusets froids. Comme le représente la figure 1, dans un creuset chaud, la paroi du creuset est constituée d'un matériau forte- ment isolant, par exemple du graphite. Un inconvénient de ces creusets chauds est que leurs parois internes s'élèvent à la B10748 - CNRSO4236-01

2 température de la charge. Ainsi, le matériau constituant ces parois et les impuretés qui y sont contenues sont susceptibles de diffuser dans la charge, ce qui est particulièrement gênant dans le cas où les creusets sont destinés à contenir des matériaux très réactifs, par exemple des alliages à base de titane ou de silicium, dont le traitement est destiné à fournir un produit de très haute pureté. Ainsi, on a développé des creusets froids. La figure 2 correspond à une vue de dessus d'un tel creuset froid : le creuset est divisé verticalement en secteurs conducteurs 7 refroidis par une circulation de fluide (non représenté), couramment de l'eau. Ainsi, le courant haute fréquence circulant dans la bobine produit, en raison de l'effet de peau, un courant périphérique dans chacun des secteurs. On retrouve sur la paroi intérieure de chaque secteur 7 un courant proche du courant circulant dans la bobine multiplié par le nombre de tours de celle-ci. L'ensemble des courants à la périphérie intérieure de chaque secteur produit un champ électromagnétique adapté à chauffer le contenu du creuset. Les secteurs constituant le creuset sont couramment en un métal tel que du cuivre qui présente l'avantage d'avoir une faible résistivité électrique et de présenter de bonnes qualités d'échange thermique. De plus, dans les creusets froids, il y a une solidification rapide du matériau fondu en contact avec le creuset froid, ce qui crée une barrière de diffusion solide évitant toute réactivité. La figure 3 représente un exemple pratique particulier d'un creuset à parois froides en forme de poche dans lequel on retrouve les secteurs 7 et la bobine périphérique 5. Cette forme de creuset est particulièrement adaptée à maintenir une charge 3 en lévitation tandis qu'elle est chauffée dans le creuset. Le fond du creuset est percé de façon à permettre l'évacuation de la charge liquide. En fonctionnement, cette ouverture est bouchée. Un inconvénient des creusets froids tels qu'illustrés 35 à titre d'exemple en figures 2 et 3 est que le rendement en B10748 - CNRSO4236-01

3 énergie est très faible. En pratique, pour un creuset froid en forme de poche du type de celui de la figure 3, on constate que près de 85 à 90 % de la puissance électrique alimentant la bobine est perdue en déperditions thermiques dans le liquide de refroidissement refroidissant la bobine (constituée d'un tube creux) et les secteurs du creuset froid. Plus particulièrement, les pertes thermiques sont couramment de l'ordre de 25 à 30 % dans la bobine et de 55 à 60 % dans les secteurs du creuset (le total n'excédant pas 85 à 90 %). On constate que, dans le creuset, l'essentiel des pertes se produit dans les zones en regard de deux secteurs adjacents. Un autre inconvénient des creusets du type de celui de la figure 3 dans l'application lévitation est que les courants induits dans le creuset ne reproduisent pas exactement dans le plan vertical le courant dans l'inducteur et qu'il est difficile d'obtenir un réglage propre à une mise en lévitation optimale. Pour éviter ces inconvénients des dispositifs à creusets froids à lévitation, on a utilisé des dispositifs à lévitation sans creusets comme cela est illustré en figure 4.

Une charge 8 est mise en position directement à l'intérieur d'un inducteur spécifiquement conçu 9. Ceci résout certains des inconvénients mais en entraîne d'autres. Notamment, les problèmes d'instabilité de la charge liquide, liés par exemple à sa mise en rotation, peuvent entraîner une expulsion de tout ou partie du liquide. De plus tout contact entre la charge et l'inducteur peut entraîner des courts-circuits dommageables. On a aussi utilisé des systèmes inductif, avec ou sans creuset froid pour confiner la flamme de torches à plasma. A nouveau, cela pose des problèmes d'optimisation de la réparti- tion du champ. Ainsi, il existe un besoin de systèmes inductifs plus efficaces et dans lesquels la répartition des courants induits soit mieux contrôlée.

B10748 - CNRSO4236-01 Résumé Un objet de modes de réalisation de la présente invention est de prévoir un creuset froid à plus faibles pertes que les creusets à sectorisation verticale selon l'état de la technique. Un autre objet de modes de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel creuset froid qui soit particulièrement simple à fabriquer. Un autre objet de modes de réalisation de la présente 10 invention est de prévoir un système inductif particulièrement adapté à la mise en lévitation d'une charge. Un objet plus général de modes de réalisation de la présente invention est de prévoir un système inductif dans lequel la répartition des courants induits soit bien contrôlée 15 sur la hauteur de l'inducteur. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un système inductif comprenant un premier enroulement conducteur formant une bobine ; et un deuxième enroulement conducteur creux entourant le premier enroulement tout en 20 laissant un espace entre eux, le deuxième enroulement comportant des spires isolées quasi-jointives. Dans ce système, le deuxième enroulement est destiné à transmettre le champ magnétique créé par le premier enroulement vers un élément se couplant sur le champ magnétique et jouant le 25 rôle de charge induite. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le diamètre intérieur du deuxième enroulement est mis en forme pour conférer à l'intérieur de la structure la forme d'un creuset. 30 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la mise en forme est réalisée au cours d'une opération de bobinage des enroulements. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier enroulement conducteur est un tube creux à Pinté-35 rieur duquel peut circuler un fluide de refroidissement. 4 B10748 - CNRSO4236-01

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le système inductif comprend des moyens pour faire circuler un fluide de refroidissement entre les deux enroulements, le système devenant ainsi un système inductif à creuset froid, ce 5 dernier étant réalisé par le deuxième enroulement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le système inductif comprend des moyens d'isolement entre les deux enroulements. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 10 le système inductif comprend des moyens d'espacement isolants entre les deux enroulements. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante 15 de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, est une vue en coupe schématique d'un four à induction à parois chaudes ; la figure 2, décrite précédemment, est une vue de 20 dessus schématique d'un four à induction à parois froides ; la figure 3, décrite précédemment, est une vue en perspective schématique d'un exemple de four à induction à parois froides ; la figure 4, décrite précédemment, illustre un système 25 inductif de mise en lévitation d'une charge ; la figure 5 est une vue en perspective illustrant les parois latérales d'un four à parois froides selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 6 est une vue en coupe transverse schéma-30 tique de deux sections opposées d'une spire du dispositif de la figure 5 ; la figure 7 est une vue développée d'une portion d'enroulement du dispositif de la figure 5 ; et B10748 - CNRSO4236-01

6 la figure 8 illustre un système inductif de mise en lévitation d'une charge selon un mode de réalisation de la présente invention. Description détaillée La figure 5 est une vue en perspective schématique des parois latérales d'un four à induction à parois froides selon un mode de réalisation de la présente invention. Ce four comprend en outre un fond non représenté. Il est prévu deux enroulements concentriques. L'enroulement externe 10, par exemple en cuivre, définit un creuset dont la paroi intérieure est désignée par la référence 11. Les spires successives de l'enroulement externe sont isolées les unes des autres. Cet enroulement est électriquement flottant, mais l'un de ses points peut être relié à un potentiel de référence. A l'intérieur de l'enroulement 10 est disposé un enroulement interne 12 dont les extrémités sont destinées à être connectées à une alimentation haute fréquence. L'enroulement interne 12 est de préférence un enroulement creux, par exemple en cuivre, de façon qu'il puisse y circuler un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau.

Un espace est ménagé entre la paroi interne de l'enroulement 10 et la paroi externe de l'enroulement 12, de façon qu'il puisse également y circuler un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau. La figure 6 est une vue en coupe très schématique de deux sections opposées d'une spire de l'enroulement double de la figure 5. On y retrouve l'enroulement externe 10 et l'enroule-ment interne creux 12. Dans le mode de réalisation représenté, l'enroulement interne 12 est entouré d'une gaine isolante 14. On pourrait également prévoir des espaceurs isolants entre les deux enroulements, percés pour permettre la circulation du fluide de refroidissement. La figure 7 est une vue développée d'une partie d'une spire de l'enroulement double de la figure 5. Quand un courant haute fréquence I1 circule dans 35 l'enroulement interne 12, il se développe un courant I2 de sens B10748 - CNRSO4236-01

7 opposé le long des parois internes de l'enroulement externe 10 et un courant I3 de même sens que le courant I1 le long des parois externes de l'enroulement externe 10. En pratique, on constate que ce courant I3 circule essentiellement du côté de la face intérieure 11 (vers l'intérieur du creuset) de l'enroulement externe, en raison d'une part du champ magnétique toujours plus important à l'intérieur d'une bobine qu'à l'extérieur et d'autre part de l'effet de couplage avec la charge. L'épaisseur de l'enroulement externe est choisie supérieure au double de l'épaisseur de peau à la fréquence considérée, de sorte que les courants I2 et I3 sont indépendants et ne s'annulent pas. Ainsi, le système décrit ci-dessus fonctionne comme un transformateur, le courant I1 dans la bobine étant essentielle- ment reproduit sur la partie de la paroi externe de l'enroule-ment externe située du côté de l'intérieur du creuset. Etant donné cette localisation du courant I3, le système a un rendement beaucoup plus élevé que les systèmes à sectorisation verticale de l'art antérieur tels que décrits en relation avec les figures 2 et 3 car les fonctions inducteur et creuset froid sont intégrées et forcent la localisation des courants en vis-à-vis de la charge. Il n'y a notamment pas de pertes localisées dans les fentes contrairement au creuset froid classique.

Bien entendu, la représentation des figures 5 à 7 est extrêmement schématique et on comprendra que l'on pourra donner à la section de l'enroulement externe toute forme souhaitée. Il est préférable que cet enroulement externe ait une paroi intérieure sensiblement plane, mais le reste de sa périphérie peut prendre toute forme souhaitée, par exemple pour faciliter son bobinage. On notera qu'un avantage de la structure selon la pré- sente invention est que, même s'il se produit accidentellement ou momentanément un court-circuit entre spires de l'enroulement externe, ceci n'affecte pas l'enroulement interne et ne risque B10748 - CNRSO4236-01

8 pas de détruire le générateur haute fréquence qui lui est associé. En raison de cette possibilité d'éviter les courts-circuits entre spires de l'enroulement interne, ces spires étant isolées galvaniquement de l'enroulement externe, l'invention est plus particulièrement adaptée à des creusets destinés à faire fonctionner une charge en lévitation, étant donné qu'il est connu que, dans ce cas, il y a un risque non négligeable que, dans les phases immédiatement antérieures ou immédiatement postérieures à la mise en lévitation de la charge, cette charge provoque un court-circuit entre les spires adjacentes de l'enroulement externe. En outre, le creuset dans son ensemble peut aisément prendre toute forme choisie en diminuant ou en augmentant le diamètre de l'enroulement double décrit. Par exemple, en diminuant ce diamètre vers le bas du creuset, on pourra obtenir une configuration telle qu'illustrée en figure 8 qui correspond dans sa forme générale aux configurations décrites en relation avec les figures 3 et 4.

La figure 8 représente très schématiquement un système inductif de mise en lévitation d'une charge selon un mode de réalisation de la présente invention. Ce système comprend une double bobine 20 du type décrite précédemment, bobinée en cône, et une charge en lévitation 21. Etant donné que l'enroulement externe reproduit très exactement le champ produit par l'enroulement interne, il est possible d'assurer une lévitation d'une manière précisément déterminée. Un autre avantage du système inductif décrit est que, étant donné que le courant induit dans l'enroulement externe circule essentiellement du côté de sa paroi externe correspondant à l'intérieur du creuset, il circule corrélativement peu de courant dans les zones comprises entre des spires adjacentes. Dans ces zones, il y a donc peu de pertes par effet Joule et ceci contribue à améliorer l'efficacité énergétique du système.

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9 Plus généralement, des creusets selon divers modes de réalisation de la présente invention seront adaptés à toutes les applications habituelles des creusets froids connus. Ce creuset est particulièrement simple à fabriquer. Il suffira d'enfiler dans un tube à section carrée (par exemple) correspondant à l'enroulement externe un tube isolé à section circulaire correspondant à l'enroulement interne puis d'enrouler ensemble ces deux tubes, des moyens d'isolement et/ou d'espacement étant prévus entre eux, comme cela a été décrit précédemment. La présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. A titre d'exemple, on notera que la fréquence de fonctionnement du système pourra être située dans une plage de dix à quelques centaines de kilohertz, voire quelques mégahertz. L'enroulement interne pourra être un tube creux d'un diamètre externe de quelques millimètres, par exemple 5 mm. L'enroulement externe pourra être un tube creux à section carrée d'une dimension externe de plus de 10 millimètres, par exemple 12x12 mm, ce tube étant bobiné en une hélice à un pas de par exemple 14 mm. Le courant dans l'enroulement interne pourra avoir une intensité de plusieurs centaines à plusieurs milliers d'ampères.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Système inductif comprenant : un premier enroulement conducteur (12) formant une bobine ; et un deuxième enroulement conducteur creux (10) entou- rapt le premier enroulement tout en laissant un espace entre eux, le deuxième enroulement comportant des spires isolées quasi-jointives.
2. 2. Système inductif selon la revendication 1, dans lequel le diamètre intérieur du deuxième enroulement est mis en forme pour conférer à l'intérieur de la structure la forme d'un creuset.
3. 3. Système inductif selon la revendication 2, dans lequel la mise en forme est réalisée au cours d'une opération de bobinage des enroulements.
4. 4. Système inductif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le premier enroulement conducteur est un tube creux à l'intérieur duquel peut circuler un fluide de refroidissement.
5. 5. Système inductif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, comprenant des moyens pour faire circuler un fluide de refroidissement entre les deux enroulements, le système devenant ainsi un système inductif à creuset froid, ce dernier étant réalisé par le deuxième enroulement.
6. 6. Système inductif selon l'une quelconque des reven-25 dications 1 à 5, comprenant des moyens d'isolement entre les deux enroulements.
7. 7. Système inductif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant des moyens d'espacement isolants entre les deux enroulements.