FR2857522A1 - Installation for the electromagnetic stirring of weakly conducting fluids during induction heating, notably for fluids such as a plasma gas or molten glass - Google Patents
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Abstract
Description
INSTALLATION DE TRAITEMENT PAR INDUCTION D'UN FLUIDE FAIBLEMENTINDUCTION TREATMENT SYSTEM FOR LOW FLUID FLUID
CONDUCTEURDRIVER
La présente invention concerne les installations de brassage de fluides faiblement conducteurs tels que du plasma gazeux ou du verre en fusion. L'invention concerne plus particulièrement une telle installation ayant recours à un creuset inductif pour chauffer par induction un corps disposé dans le creuset de manière à maintenir le corps sous forme d'un fluide. The present invention relates to stirring installations for low-conductivity fluids such as gaseous plasma or molten glass. The invention relates more particularly to such an installation using an inductive crucible for induction heating a body disposed in the crucible so as to maintain the body in the form of a fluid.
De nombreux domaines techniques sont concernés par la manipulation de fluides, et notamment leur brassage. Many technical fields are concerned with the handling of fluids, and in particular their mixing.
Des moyens mécaniques de brassage tels que des hélices sont connus, mais de tels moyens sont peu commodes pour brasser des fluides corrosifs tels que des fluides à haute température, car la corrosion nécessite de remplacer régulièrement les moyens de brassage. En outre, les déchets de corrosion affectent la pureté du fluide brassé, ce qui peut être indésirable. Mechanical stirring means such as propellers are known, but such means are inconvenient for stirring corrosive fluids such as fluids at high temperature, because the corrosion requires regular replacement of the stirring means. In addition, the corrosion waste affects the purity of the stirred fluid, which may be undesirable.
Un objet de la présente invention est de prévoir une installation utilisant des moyens non mécaniques de brassage de fluides faiblement conducteurs, en particulier de fluides corrosifs. An object of the present invention is to provide an installation using non-mechanical means for stirring loosely conductive fluids, in particular corrosive fluids.
L'invention vise également à proposer une solution qui 20 soit compatible avec un chauffage du fluide par induction. The invention also aims at providing a solution which is compatible with induction heating of the fluid.
Pour atteindre ces objets, ainsi que d'autres, la présente invention prévoit une installation de traitement par induction apte à réaliser un brassage électromagnétique d'un fluide faiblement conducteur, comportant: une enceinte cylin- drique apte à recevoir le fluide; un premier enroulement comprenant deux premiers bobinages respectivement formés autour de deux premières zones distinctes de l'enceinte et reliés en série opposition de manière à être parcourus par des courants opposés, les bornes du premier enroulement étant aptes à être reliées aux bornes d'un premier condensateur et aux bornes d'une source de tension alternative; et au moins un deuxième enroulement comprenant deux deuxièmes bobinages respectivement formés autour de deux deuxièmes zones distinctes de l'enceinte dont l'une est située entre les deux premières zones de l'enceinte, et reliés en série opposition de manière à être parcourus par des courants opposés, les bornes du deuxième enroulement étant aptes à être reliées aux bornes d'un deuxième condensateur. To achieve these objects, as well as others, the present invention provides an induction treatment facility capable of electromagnetically stirring a weakly conductive fluid, comprising: a cylindrical chamber adapted to receive the fluid; a first winding comprising two first windings respectively formed around two first distinct zones of the enclosure and connected in series opposite so as to be traversed by opposite currents, the terminals of the first winding being able to be connected to the terminals of a first capacitor and at the terminals of an AC voltage source; and at least one second winding comprising two second windings respectively formed around two second distinct zones of the enclosure, one of which is situated between the two first zones of the enclosure, and connected in opposite series so as to be traversed by opposite currents, the terminals of the second winding being able to be connected to the terminals of a second capacitor.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le fluide faiblement conducteur présente une résistivité comprise entre 20 10-3 et 1 Q.m. According to one embodiment of the invention, the low-conductive fluid has a resistivity of between 10-3 and 1 Q.m.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les valeurs des premier et deuxième condensateurs sont fonction de la fréquence de la source de tension et de l'épaisseur de peau souhaitée à l'intérieur de l'enceinte. According to one embodiment of the invention, the values of the first and second capacitors are a function of the frequency of the voltage source and the desired skin thickness inside the enclosure.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les inductances combinées des premier et deuxième enroulements sont choisies de manière à produire un échauffement prédéterminé d'un corps disposé dans l'enceinte, ledit échauffement étant apte à maintenir ledit corps sous forme d'un fluide. According to one embodiment of the invention, the combined inductances of the first and second windings are chosen so as to produce a predetermined heating of a body disposed in the enclosure, said heating being able to maintain said body in the form of a fluid.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le fluide faiblement conducteur est un plasma gazeux. According to one embodiment of the invention, the weakly conductive fluid is a gaseous plasma.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enceinte est disposée verticalement et la source de tension est commandée de telle manière que les enroulements génèrent un champ électromagnétique soumettant le plasma situé à proximité des parois de l'enceinte à une force agissant de bas en haut, et comportant au dessus du centre de l'enceinte un moyen pour introduire une poudre dans le plasma. According to one embodiment of the invention, the enclosure is disposed vertically and the voltage source is controlled in such a way that the windings generate an electromagnetic field that exposes the plasma located near the walls of the enclosure to a force acting from bottom up, and having above the center of the enclosure means for introducing a powder into the plasma.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le fluide 5 faiblement conducteur est un verre liquide. According to one embodiment of the invention, the weakly conductive fluid is a liquid glass.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enceinte est disposée verticalement et la source de tension est commandée de telle manière que les enroulements génèrent un champ électromagnétique soumettant le verre liquide situé à proximité des parois de l'enceinte à une force agissant de bas en haut, et comportant au dessus du centre de l'enceinte un moyen pour introduire une poudre dans le verre liquide. According to one embodiment of the invention, the enclosure is arranged vertically and the voltage source is controlled in such a way that the windings generate an electromagnetic field subjecting the liquid glass located near the walls of the enclosure to a force acting from bottom to top, and having above the center of the enclosure means for introducing a powder into the liquid glass.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enceinte est un creuset froid inductif. According to one embodiment of the invention, the enclosure is an inductive cold crucible.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enceinte est un creuset en matériau réfractaire. According to one embodiment of the invention, the enclosure is a crucible made of refractory material.
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente, de façon schématique et en coupe, une installation selon la présente invention appliquée au brassage de verre liquide; la figure 2 illustre le circuit électrique de l'installation de la figure 1; la figure 3 est une vue partielle en perspective d'un creuset froid inductif selon la présente invention en cours de fonctionnement; et la figure 4 représente, de façon schématique et en coupe, une installation selon la présente invention appliquée au brassage de plasma gazeux. These and other objects, features, and advantages of the present invention will be set forth in detail in the following description of particular embodiments given as a non-limiting example in connection with the accompanying drawings in which: FIG. schematically and in section, an installation according to the present invention applied to the mixing of liquid glass; Figure 2 illustrates the electrical circuit of the installation of Figure 1; Figure 3 is a partial perspective view of an inductive cold crucible according to the present invention during operation; and Figure 4 shows schematically and in section, an installation according to the present invention applied to the gas plasma mixing.
De mêmes références représentent de mêmes éléments aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de la présente invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. On notera que l'invention s'applique aussi bien à un creuset froid ou à un creuset réfractaire. Plus généralement, on notera que l'invention peut être mise en oeuvre dans toute installation utilisant un moyen inductif autour d'une enceinte contenant un fluide faiblement conducteur, à des fins d'organisation des mouvements du fluide. The same references represent the same elements in the different figures. For the sake of clarity, only the elements necessary for understanding the present invention have been shown in the figures and will be described later. It will be noted that the invention applies equally well to a cold crucible or to a refractory crucible. More generally, it will be noted that the invention can be implemented in any installation using an inductive means around an enclosure containing a weakly conductive fluid, for purposes of organizing fluid movements.
Une caractéristique de la présente invention est d'organiser un brassage turbulent inductif au moyen d'enrou- lements conducteurs entourant un creuset contenant le fluide faiblement conducteur. Selon l'invention, chaque enroulement comprend au moins deux bobinages reliés en série opposition de manière à être parcourus par des courants opposés et imbriqués avec les bobinages des autres enroulements, un seul des enroulements étant alimenté par une source alternative et les bornes de chaque enroulement étant reliées par un condensateur. A feature of the present invention is to arrange inductive turbulent mixing by means of conductive windings surrounding a crucible containing the low-conductive fluid. According to the invention, each winding comprises at least two windings connected in series in opposition so as to be traversed by opposite currents and nested with the windings of the other windings, only one of the windings being fed by an alternating source and the terminals of each winding. being connected by a capacitor.
Au sens de la présente invention, un fluide faiblement conducteur est un milieu présentant une résistivité électrique comprise entre environ 0,1 et 100 S2.cm (10-3 et 1 5"2.m). Il s'agit, par exemple, de verre en fusion, de plasma gazeux, d'eau salée, etc... Within the meaning of the present invention, a low-conductive fluid is a medium having an electrical resistivity of between about 0.1 and 100 S2.cm (10-3 and 15 "2 m). molten glass, gaseous plasma, salt water, etc.
Le domaine de la métallurgie utilise des installations électromagnétiques pour le brassage de métaux en fusion, dont la résistivité électrique est de l'ordre de 1 à 160 S2. cm (10-8 à 1,6.10-6 S2.m). Dans ce domaine, on considère que l'épaisseur de peau magnétique doit être faible par rapport au diamètre du contenant (de l'ordre de 10 à 100 fois plus faible) pour permettre un brassage du fluide. L'épaisseur de peau est l'épaisseur dans laquelle les effets d'un champ électro- magnétique se concentrent sur les bords d'un bain. Cette épais- seur de peau dépend, notamment, de la résistivité électrique du fluide et de l'inverse de la fréquence du champ électro- magnétique. Dans les métaux en fusion, les forces exercées par le champ électromagnétique dans l'épaisseur de peau magnétique, combinées aux forces hydrostatiques dans le bain, génèrent un brassage turbulent. Par exemple, le document WO 0051400 décrit une installation de brassage par induction de métaux liquides ayant des épaisseurs de peau de l'ordre de 1 à 10 millimètres dans un creuset de 10 centimètres de diamètre. Ce document prévoit un champ électromagnétique glissant, généré par des inducteurs polyphasés alimentés par une source de tension alternative monophasée à une fréquence choisie entre quelques dizaines de hertz et quelques dizaines de kilohertz. The field of metallurgy uses electromagnetic installations for stirring molten metals, whose electrical resistivity is of the order of 1 to 160 S2. cm (10-8 to 1.6 x 10-6 S2.m). In this field, it is considered that the magnetic skin thickness must be small relative to the diameter of the container (of the order of 10 to 100 times lower) to allow mixing of the fluid. Skin thickness is the thickness in which the effects of an electromagnetic field focus on the edges of a bath. This thickness of skin depends, in particular, on the electrical resistivity of the fluid and the inverse of the frequency of the electromagnetic field. In molten metals, the forces exerted by the electromagnetic field in the magnetic skin thickness, combined with the hydrostatic forces in the bath, generate turbulent mixing. For example, WO 0051400 discloses a liquid metal induction brewing installation having skin thicknesses of the order of 1 to 10 millimeters in a crucible 10 centimeters in diameter. This document provides a sliding electromagnetic field, generated by polyphase inductors powered by a single-phase AC voltage source at a frequency chosen between a few tens of hertz and a few tens of kilohertz.
Un apport des inventeurs a été de montrer que, contrairement à un préjugé répandu parmi les spécialistes du domaine de l'induction électromagnétique, il est possible de mettre en oeuvre un brassage par induction électromagnétique d'un fluide faiblement conducteur. An input from the inventors has been to show that, contrary to a widespread prejudice among specialists in the field of electromagnetic induction, it is possible to implement an electromagnetic induction stirring of a low-conductive fluid.
La résistivité électrique d'un fluide faiblement conducteur (par exemple, du verre liquide) étant sensiblement un million de fois plus élevée que celle d'un métal liquide, on considérait jusqu'alors qu'il aurait fallu utiliser des champs électromagnétiques à des fréquences de plus de cent gigahertz pour obtenir une faible épaisseur de peau, ce qui n'est en pratique pas réalisable. The electrical resistivity of a weakly conductive fluid (for example, liquid glass) being substantially one million times higher than that of a liquid metal, it was considered until then that electromagnetic fields at frequencies more than one hundred gigahertz to obtain a small thickness of skin, which is practically not feasible.
De façon surprenante et contrairement à un préjugé répandu, les inventeurs ont obtenu un brassage turbulent de fluides faiblement conducteurs avec des épaisseurs de peau importantes, du même ordre de grandeur que le rayon de l'enceinte contenant le fluide. Ainsi, pour les inventeurs, une structure semblable à la structure de l'installation décrite dans le document WO 0051400, une fois modifiée pour fonctionner à une fréquence appropriée (de préférence comprise entre environ 0,1 MHz et environ 20 MHz), est apte à mettre en oeuvre un brassage électromagnétique d'un fluide faiblement conducteur tel que du verre liquide, un plasma gazeux ou de l'eau salée, ayant une résistivité comprise entre 0,1 et 100 S2. cm (10-3 et 1 S2.m), et de préférence comprise entre 1 et 10 S2.cm (10-2 et 10-1 S).m). Surprisingly and contrary to widespread prejudice, the inventors obtained a turbulent mixing of weakly conducting fluids with significant skin thicknesses, of the same order of magnitude as the radius of the chamber containing the fluid. Thus, for the inventors, a structure similar to the structure of the installation described in WO 0051400, once modified to operate at a suitable frequency (preferably between about 0.1 MHz and about 20 MHz), is suitable electromagnetic stirring of a weakly conductive fluid such as liquid glass, gaseous plasma or salt water having a resistivity of between 0.1 and 100 S 2. cm (10-3 and 1 S2.m), and preferably between 1 and 10 S2.cm (10-2 and 10-1 S) .m).
La figure 1 représente, de façon schématique et en coupe, l'application au brassage de verre liquide d'une installation selon un premier mode de réalisation de la présente invention. L'installation comporte une enceinte 1 destinée à contenir le verre liquide, telle qu'un creuset froid refroidi par la circulation d'un liquide à l'intérieur de la paroi du creuset. Les détails constitutifs des parois du creuset n'ont pas été représentés par souci de clarté. En particulier, les moyens de circulation du liquide de refroidissement, par exemple de l'eau, dans l'épaisseur des parois n'ont pas été illustrés. Afin d'éviter le bouclage des courants induits, le pourtour du creuset est de préférence formé de plusieurs secteurs verticaux assemblés les uns aux autres. Figure 1 shows, schematically and in section, the application to the mixing of liquid glass of an installation according to a first embodiment of the present invention. The installation comprises an enclosure 1 intended to contain the liquid glass, such as a cold crucible cooled by the circulation of a liquid inside the wall of the crucible. The constituent details of the walls of the crucible have not been represented for the sake of clarity. In particular, the means for circulating the cooling liquid, for example water, in the thickness of the walls have not been illustrated. In order to avoid the looping of the induced currents, the periphery of the crucible is preferably formed of several vertical sectors assembled to one another.
Selon la présente invention, un premier enroulement 5 est bobiné autour du creuset 1 et est raccordé par ses deux extrémités aux bornes d'un générateur alternatif monophasé 3 en parallèle avec un condensateur C. L'enroulement 5 est constitué d'au moins deux bobines 51 et 52 reliées en série opposition, c'est-à-dire par exemple enroulées autour du creuset 1 dans des sens opposés depuis un point commun. Au moins un deuxième enroulement 6 est également bobiné autour du creuset 1 et est raccordé, par ses deux extrémités, aux bornes d'un condensateur C'. Ce deuxième enroulement 6 comporte, comme le premier enroulement 5, au moins deux bobines 61, 63 reliées en série opposition. According to the present invention, a first winding 5 is wound around the crucible 1 and is connected by its two ends to the terminals of a single-phase alternating generator 3 in parallel with a capacitor C. The winding 5 consists of at least two coils 51 and 52 connected in opposite series, that is to say for example wound around the crucible 1 in opposite directions from a common point. At least one second winding 6 is also wound around the crucible 1 and is connected by its two ends to the terminals of a capacitor C '. This second winding 6 comprises, as the first winding 5, at least two coils 61, 63 connected in series opposition.
Les enroulements 5 et 6 sont imbriqués l'un dans l'autre, c'est-à-dire que les bobines sont disposées succes- sivement dans la hauteur du creuset de façon à alterner une bobine du premier enroulement avec une bobine du deuxième enroulement. Dans l'exemple d'un système diphasé tel que représenté à la figure 1, on trouve ainsi depuis le haut du creuset 1: le premier bobinage 61 de l'enroulement 6, le premier bobinage 51 de l'enroulement 5, le deuxième bobinage 62 de l'enroulement 6 et le deuxième bobinage 52 de l'enroulement 5. The windings 5 and 6 are nested one inside the other, that is to say that the coils are arranged successively in the height of the crucible so as to alternate a coil of the first winding with a coil of the second winding. . In the example of a two-phase system as shown in FIG. 1, the first winding 61 of the winding 6, the first winding 51 of the winding 5 and the second winding are thus found from the top of the crucible 1. 62 of the winding 6 and the second winding 52 of the winding 5.
Selon la présente invention, le deuxième enroulement 6 joue le rôle d'un circuit induit dont l'énergie provient du premier enroulement 5. According to the present invention, the second winding 6 plays the role of an induced circuit whose energy comes from the first winding 5.
La figure 2 représente le circuit électrique de l'ins- tallation de la figure 1. Cette figure reprend les éléments décrits en relation avec la figure 1 et illustre par une vue en perspective le sens des bobines des enroulements 5 et 6 en série opposition. On notera que, à la figure 1, le sens de circulation du courant dans les bobines respectives a été indiqué par les notations habituelles (x, .) en électromagnétisme. FIG. 2 represents the electrical circuit of the installation of FIG. 1. This figure shows the elements described with reference to FIG. 1 and illustrates in a perspective view the direction of the coils of the windings 5 and 6 in opposing series. It will be noted that, in FIG. 1, the flow direction of the current in the respective coils has been indicated by the usual notations (x,.) In electromagnetism.
L'enroulement 5 forme, avec le condensateur C, un premier circuit oscillant connecté au générateur 3 et constituant une première phase d'excitation du système polyphasé. Le deuxième enroulement 6, décalé spatialement par rapport au premier enroulement 5 forme, avec le condensateur C', un deuxième circuit oscillant. Ce deuxième circuit oscillant se trouve en interaction magnétique par sa mutuelle inductance avec le premier circuit oscillant. On peut alors, par dimensionnement, faire en sorte que le champ magnétique résultant de la superposition des deux phases en présence soit un champ glissant susceptible d'engendrer une force motrice électromagnétique de pompage sur le verre liquide contenu dans le creuset 1. Les enroulements 5 et 6 permettent également de générer dans le verre des courants de Foucault qui maintiennent le verre en fusion, comme dans un creuset à induction classique. The winding 5 forms, with the capacitor C, a first oscillating circuit connected to the generator 3 and constituting a first excitation phase of the polyphase system. The second winding 6, spatially offset with respect to the first winding 5 forms, with the capacitor C ', a second oscillating circuit. This second oscillating circuit is in magnetic interaction by its mutual inductance with the first oscillating circuit. It is then possible, by dimensioning, to ensure that the magnetic field resulting from the superposition of the two phases in presence is a sliding field capable of generating an electromagnetic driving force for pumping on the liquid glass contained in the crucible 1. The windings 5 and 6 also enable eddy currents to be generated in the glass which keep the glass molten, as in a conventional induction crucible.
Les dimensionnements respectifs des enroulements et des condensateurs dépendent de l'application et, en particulier, de la fréquence du générateur 3 et du diamètre du creuset 1, sachant que l'épaisseur de peau dans le fluide peut être du même ordre de grandeur que le rayon du creuset. De préférence, le nombre de spires des bobines d'un même enroulement est identique. The respective dimensions of the windings and capacitors depend on the application and, in particular, the frequency of the generator 3 and the diameter of the crucible 1, knowing that the skin thickness in the fluid can be of the same order of magnitude as the radius of the crucible. Preferably, the number of turns of the coils of the same winding is identical.
L'optimisation du système en fonction de l'application est à la portée de l'homme du métier en mettant en application les règles de fonctionnement électrique et électromagnétique à s partir des inductances respectives, des résistances respectives et des condensateurs respectifs des circuits oscillants, ainsi que de la mutuelle inductance de ces deux circuits et de la pulsation du générateur monophasé. The optimization of the system according to the application is within the reach of those skilled in the art by implementing the rules of electrical and electromagnetic operation from the respective inductances, respective resistances and respective capacitors of the oscillating circuits, as well as the mutual inductance of these two circuits and the pulsation of the single-phase generator.
Pour obtenir un effet de champ glissant linéaire per-mettant l'effet de pompage en périphérie du contenant, on cherchera, de préférence, à ce que les produits LC w 2 et L'C'w2, où L et L' représentent les inductances respectives des enroulements 5 et 6 et où w représente la pulsation du générateur monophasé 3, soient le plus proche possible de l'unité afin d'optimiser le fonctionnement des circuits oscillants. To obtain a linear sliding field effect permitting the pumping effect at the periphery of the container, it will be sought, preferably, that the products LC w 2 and L'C'w 2, where L and L 'represent the inductances respective windings 5 and 6 and where w represents the pulsation of the single-phase generator 3, are as close as possible to the unit to optimize the operation of the oscillating circuits.
Un avantage de ce premier mode de réalisation est de permettre de brasser du verre liquide, très corrosif, sans devoir introduire des moyens mécaniques de brassage dans le verre. Ce mode de réalisation trouve des applications dans tous les domaines industriels mettant en oeuvre le mélange de verre liquide avec d'autres corps, par exemple le domaine du traitement des déchets nucléaires, dans lequel des déchets, généralement réduits à l'état de poudre, sont mélangés à du verre liquide qui est ensuite solidifié et stocké. An advantage of this first embodiment is that it makes it possible to stir liquid glass, which is very corrosive, without having to introduce mechanical stirring means into the glass. This embodiment has applications in all industrial fields using the liquid glass mixture with other bodies, for example the field of nuclear waste treatment, in which waste, generally reduced to powder form, are mixed with liquid glass which is then solidified and stored.
En outre, comme l'illustrent les flèches de la figure 2, un choix approprié du sens du courant dans les bobinages permet de brasser le verre liquide selon un mouvement centripète en partie supérieure. Les inventeurs ont montré que, du fait de la répartition de la chaleur dans le verre, plus élevée au centre que sur les bords, le brassage centripète précédent favorise une inclusion homogène dans le verre d'une poudre 7 déversée au niveau du centre du creuset, ce qui représente un autre avantage de l'invention. In addition, as illustrated by the arrows in Figure 2, an appropriate choice of the direction of the current in the windings allows to stir the liquid glass in a centripetal movement in the upper part. The inventors have shown that, because of the distribution of heat in the glass, which is higher in the center than at the edges, the previous centripetal stirring favors a homogeneous inclusion in the glass of a powder 7 discharged at the center of the crucible. , which represents another advantage of the invention.
Un autre avantage de l'installation selon l'invention est de ne nécessiter qu'un seul générateur monophasé pour générer le champ magnétique de brassage. Un tel générateur est moins coûteux et moins complexe qu'un générateur biphasé constitué de deux générateurs synchronisés par des éléments actifs. Another advantage of the installation according to the invention is to require only a single-phase generator to generate the magnetic stirring field. Such a generator is less expensive and less complex than a two-phase generator consisting of two generators synchronized by active elements.
Un autre avantage de la présente invention est que la synchronisation de la phase induite (phase obtenue par l'enroulement secondaire), ou des phases induites dans le cas où plusieurs enroulements secondaires sont utilisés, ne pose pas de problème particulier. Another advantage of the present invention is that the synchronization of the induced phase (phase obtained by the secondary winding), or induced phases in the case where several secondary windings are used, does not pose any particular problem.
Un autre avantage de la présente invention est que le système est particulièrement stable une fois adapté à l'application. En effet, les éléments passifs (inducteurs et condensateurs) utilisés par la présente invention pour générer la ou les phases supplémentaires ne risquent pas de se dérégler comme cela pourrait être le cas d'éléments actifs (commutateurs haute puissance). Another advantage of the present invention is that the system is particularly stable once adapted to the application. Indeed, the passive elements (inductors and capacitors) used by the present invention to generate the additional phase or phases are not likely to be disrupted as could be the case of active elements (high power switches).
La figure 3 illustre, par une vue en perspective et en coupe, la structure schématique du creuset froid inductif de la figure 1. Cette figure fait apparaître les secteurs (s) du creuset 1 qui sont isolés électriquement les uns des autres. Dans l'exemple de la figure 3, chaque bobine 61, 51, 62, 52 comporte quatre spires. FIG. 3 illustrates, in a perspective view in section, the schematic structure of the inductive cold crucible of FIG. 1. This figure shows the sectors (s) of the crucible 1 which are electrically isolated from one another. In the example of Figure 3, each coil 61, 51, 62, 52 has four turns.
La représentation de la figure 3 illustre que le nombre de roues de brassage du verre dépend du nombre de secteurs du creuset. Ainsi, non seulement la présente invention permet de favoriser l'inclusion des particules au centre du bain par un brassage centripète, mais, dans cette application, le brassage est également favorisé par la structure sectorisée du creuset qui améliore le mélange. The representation of FIG. 3 illustrates that the number of stirring wheels of the glass depends on the number of sectors of the crucible. Thus, not only the present invention allows to promote the inclusion of particles in the center of the bath by a centripetal stirring, but in this application, the stirring is also favored by the sectorized structure of the crucible which improves mixing.
Les vitesses de brassage dépendent de l'intensité des courants il et i2, donc de l'intensité du courant fourni par le générateur 3. The stirring speeds depend on the intensity of the currents i1 and i2, and therefore on the intensity of the current supplied by the generator 3.
On notera que, selon la présente invention, il n'est pas nécessaire d'avoir un déphasage de 90 entre les deux circuits oscillants. Un déphasage de l'ordre de 20 à 40 est suffisant en terme d'efficacité pour le brassage opéré. It should be noted that, according to the present invention, it is not necessary to have a phase shift of 90 between the two oscillating circuits. A phase shift of the order of 20 to 40 is sufficient in terms of efficiency for the stirring operated.
On notera également que l'angle de phase entre les deux circuits oscillants est réglable par les valeurs respec- tives des condensateurs et des inductances utilisés. Toutefois, comme cela a été indiqué précédemment, cet angle de phase est stable une fois fixé par les dimensionnements de ces éléments. It should also be noted that the phase angle between the two oscillating circuits is adjustable by the respective values of the capacitors and inductances used. However, as previously indicated, this phase angle is stable once set by the sizing of these elements.
En pratique, lorsque l'application concerne un chauffage par induction, on commencera de préférence par fixer les valeurs requises pour les inductances respectives des enroulements. Ces valeurs conditionnent en effet le chauffage du verre liquide ou autre fluide. On tiendra cependant compte de l'existence de la phase induite qui participe également au chauffage. In practice, when the application relates to induction heating, the values required for the respective inductances of the windings will preferably be set. These values in fact condition the heating of the liquid glass or other fluid. However, the existence of the induced phase which also participates in the heating will be taken into account.
On fixe ensuite les valeurs respectives des condensa- teurs C et C' en fonction de la fréquence du générateur monophasé et de l'épaisseur de peau souhaitée, qui dépend du diamètre du creuset 1 et qui pourra être du même ordre de grandeur que le rayon du creuset. On notera que les rapports respectifs entre les inductances des enroulements et les condensateurs C et C' doivent être compatibles avec l'impédance de sortie du générateur monophasé 3. The respective values of the capacitors C and C 'are then set as a function of the frequency of the single-phase generator and of the desired skin thickness, which depends on the diameter of the crucible 1 and which may be of the same order of magnitude as the radius. crucible. It should be noted that the respective ratios between the inductances of the windings and the capacitors C and C 'must be compatible with the output impedance of the single-phase generator 3.
A titre d'exemple particulier de réalisation, pour un creuset ayant un diamètre de l'ordre d'une dizaine de centimètres et pour un générateur monophasé ayant une fréquence de fonctionnement de l'ordre de 400 kHz, on pourra utiliser des condensateurs ayant des valeurs de l'ordre de 0,2 pF avec des enroulements dont les inductances propres respectives sont de l'ordre de 0,2 pH et dont les résistances sont de l'ordre de 80 mit. Dans un tel exemple, on obtient un déphasage de l'ordre de 20 entre les courants il et i2 des enroulements respectifs, et un rapport des amplitudes des courants de l'ordre de 1. As a particular embodiment, for a crucible having a diameter of the order of ten centimeters and for a single-phase generator having an operating frequency of the order of 400 kHz, capacitors having values of the order of 0.2 pF with windings whose respective inductances are of the order of 0.2 pH and whose resistances are of the order of 80 mit. In such an example, a phase shift of about 20 between the currents I1 and I2 of the respective windings is obtained, and a ratio of the amplitudes of the currents of the order of 1.
La figure 4 représente, de façon schématique et en coupe, un exemple d'application de l'invention au brassage d'un plasma gazeux. L'installation comporte une enceinte 1 destinée à contenir le plasma gazeux, autour de laquelle sont formés au moins deux enroulements imbriqués 5 et 6 respectivement aptes à être reliés à un condensateur C en parallèle avec une source de tension alternative et à un condensateur C' seul, reliés entre eux et fonctionnant sensiblement de la même manière que les éléments portant les mêmes références en figure 1. L'enceinte 1, étanche et de préférence réalisée en un matériau tel que le quartz, comporte un moyen 8 d'introduire à la verticale du centre du plasma une poudre 9 à traiter par le plasma. FIG. 4 schematically represents, in section, an example of application of the invention to the stirring of a gaseous plasma. The installation comprises an enclosure 1 intended to contain the gaseous plasma, around which are formed at least two nested windings 5 and 6 respectively able to be connected to a capacitor C in parallel with an AC voltage source and to a capacitor C ' only, connected together and operating in substantially the same manner as the elements bearing the same references in Figure 1. The enclosure 1, sealed and preferably made of a material such as quartz, comprises a means 8 to introduce the vertical of the plasma center a powder 9 to be treated by the plasma.
Selon ce mode de réalisation de l'invention, la fré- quence de la source de tension et les caractéristiques des enroulements 5 et 6 et des condensateurs C et C' sont choisies de telle manière que le champ électromagnétique généré par les enroulements 5 et 6, non seulement échauffe le gaz par courants de Foucault mais également confine le plasma ainsi formé tout en créant dans le plasma des forces de brassage centripètes. Les inventeurs ont montré que les forces de brassage centripètes permettent un mélange de la poudre 9 de l'intérieur vers l'extérieur du plasma et favorisent un traitement efficace de la poudre par le plasma. According to this embodiment of the invention, the frequency of the voltage source and the characteristics of the windings 5 and 6 and the capacitors C and C 'are chosen such that the electromagnetic field generated by the windings 5 and 6 not only warms the gas by eddy currents but also confines the plasma thus formed while creating in the plasma centripetal stirring forces. The inventors have shown that the centripetal stirring forces allow a mixture of the powder 9 from the inside to the outside of the plasma and promote efficient treatment of the powder by the plasma.
Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en relation avec un système diphasé, elle peut également être mise en oeuvre avec plus de deux phases. A cet égard, on notera que plus le nombre de phases est important, plus le système est contrôlable, par exemple, pour brasser le fluide sur une hauteur plus importante. L'adaptation du système décrit ci- dessus à un nombre plus important de phases est à la portée de l'homme du métier. On veillera toutefois à respecter l'imbrication des différents enroulements dans la hauteur du creuset ainsi que les associations en série opposition des bobinages constituant les différents enroulements. Although the invention has been described above in relation to a two-phase system, it can also be implemented with more than two phases. In this respect, it will be noted that the more the number of phases is important, the more the system is controllable, for example, to stir the fluid to a greater height. Adapting the system described above to a larger number of phases is within the abilities of those skilled in the art. However, care will be taken to respect the nesting of the different windings in the height of the crucible and the associations in series opposition of the windings constituting the different windings.
Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en relation avec le brassage du verre et d'un plasma gazeux, elle s'adapte sans difficulté au brassage d'autres fluides faiblement conducteurs tels que des électrolytes, ou au brassage de fluides conducteurs non corrosifs. Of course, the present invention is susceptible of various variations and modifications which will be apparent to those skilled in the art. In particular, although the invention has been described above in relation to the mixing of glass and a gaseous plasma, it adapts without difficulty to the stirring of other weakly conductive fluids such as electrolytes, or stirring. non-corrosive conductive fluids.
De plus, le choix du nombre de spires par bobine, du nombre de bobines par enroulement et de la disposition des spires est à la portée de l'homme du métier à partir des indications données ci-dessus. En particulier, la section des spires dépendra bien entendu de l'intensité des courants, et la disposition dans la hauteur du creuset dépendra de la hauteur de ce dernier et du nombre de bobines. Par exemple, en se référant au mode de réalisation décrit ci-dessus en relation avec la figure 3, le niveau moyen du fluide sera choisi pour correspondre approximativement au milieu de la hauteur du premier bobinage 51 du premier enroulement 5. L'augmentation du nombre de bobines d'un même enroulement permet d'augmenter (par effet de cumul dû à l'augmentation de la hauteur d'interaction) la force de pompage, donc l'efficacité du brassage. In addition, the choice of the number of turns per coil, the number of coils by winding and the arrangement of the turns is within the reach of the skilled person from the indications given above. In particular, the section of the turns will of course depend on the intensity of the currents, and the arrangement in the height of the crucible will depend on the height of the latter and the number of coils. For example, referring to the embodiment described above in connection with FIG. 3, the average fluid level will be chosen to correspond approximately to the middle of the height of the first coil 51 of the first coil 5. The increase in the number coils of the same winding increases (due to the cumulative effect due to the increase in the interaction height) the pumping force, so the efficiency of the brewing.
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