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WO 03/073019 PCT/FR03/00559
EMBALLAGE AUTO-REFRIGERANT ET DISPOSITIF DE DECLENCHEMENT
ASSOCIE
La présente invention se rapporte à un emballage permettant de refroidir son
contenu
par une méthode d'évaporation et adsorption. Le principe d'une telle méthode
de
refroidissement consiste à évaporer un liquide, dit liquide réfrigérant, sous
l'effet d'une
dépression entretenue par pompage des vapeurs dudit liquide. L'invention
s'applique au
refroidissement de produits comestibles tels que les boissons, les crèmes
glacées, mais aussi
à des produits ou non comestibles tels que les produits pharmaceutiques ou
cosmétiques.
L'invention s'applique tout particulièrement au refroidissement d'une boisson
contenue dans un emballage fermé de type canette ou bouteille.
Un objet de la présente invention est ainsi de permettre la consommation d'une
boisson à une température idéale en tout lieu et à toute heure.
La mise en oeuvre de la méthode de refroidissement par évaporation et
adsorption est
connue et a fait l'objet de nombreuses recherches dans fart antérieur. De
nombreux
dispositifs ont été proposés, associant un échangeur thermique contenant un
liquide à
évaporer avec un réservoir contenant un adsorbant, en particulier pour des
applications à des
emballages de boisson auto-réfrigérant.
Ainsi, le brevet US 4 928 495, dont une illustration est donnée sur la figure
1, décrit
une configuration d'emballage 10 (présenté comme une canette) auto-réfrigérant
comportant
un échangeur thermique .16 de forme rectangulaire aplatie plongé dans une
boisson à
refroidir et connecté à un dispositif d'adsorption 22. Ce brevet décrit un
schéma de principe
sans préciser les moyens de réalisation d'un tel dispositif tenant compte des
contraintes
économiques liées à une application à des emballages jetables.
En outre, la demande de brevet internationale WO 01/11297, dont une
illustration est
donnée sur la figure 2a, décrit également un emballage de boisson auto-
réfrigérant et précise
la géométrie de l'échangeur thermique ainsi que le procédé de fabrication et
d'assemblage
d'un tel dispositif compatible avec des contraintes industrielles de grandes.
cadences.
L'emballage de boisson décrit dans cette demande internationale est constitué
d'une
première boîte 10 fermée contenant la boisson de consommation et un échangeur
thermique
20 et d'une seconde boîte 30 fermée contenant des dessicants 24. Les deux
boîtes sont
assemblées par une jupe 29. Des moyens de mise en communication 40 entre
lesdites deux
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boîtes doivent être activés par un désoperculateur 44 pour permettre la mise
en oeuvre de la
méthode de refroidissement par évaporation adsorption des vapeurs d'un liquide
réfrigérant
contenu dans l'échangeur. Ces moyens de mise en communication, dont une
illustration
détaillée est donnée sur la figure 2b, comportent un scellement 66 composé de
deux
membranes 70 et 71 disposées en vis à vis respectivement dans les parois des
première et
seconde boîtes de l'emballage. Le désoperculateur 44 permet de déchirer le
scellement 66
pour la mise en communication du réservoir de déssicants 30 avec l'échangeur
thermique
20, déclenchant ainsi la réaction d'évaporation par adsorption et le
refroidissement de la
boisson.
Ce document décrit également le procédé de fabrication d'un tel emballage de
boisson auto-réfrigérant et en particulier les étapes d'assemblage des
différents éléments
constituant l'emballage. L.'étape d'assemblage de la première boîte 10,
contenant la boisson
et l'échangeur thermique 20, avec la boîte 30 contenant les dessicants est
particulièrement
délicate car il est indispensable de maintenir un vide poussé dans le
réservoir de dessicants
30 et au niveau du scellement 66 afin que la réaction d'adsorption puisse être
déclenchée
lors de la déchirure des membranes 70 et 71. La demande WO 01/11297 propose à
cet effet
de disposer une goutte d'huile 73 entre les deux membranes 70 et 71 afin de
garantir une
bonne étanchéité du vide lors de l'assemblage des deux boîtes.
Néanmoins, l'emballage de boisson auto-réfrigérant ainsi que le procédé
décrits dans
cette demande WO 01/11297 présentent certains inconvénients. En particulier,
le système de
mise en communication du réservoir de dessicants 30 avec l'échangeur thermique
20 n'est
pas optimisé. En effet, les deux membranes 70 et 71 présentent chacune une
épaisseur
relativement importante indispensable pour résister à la pression
atmosphérique extérieure
avant l'assemblage de l'emballage. En outre, ces deux membranes 70 et 71
constituent une
double épaisseur qui nécessite un effort de rupture important. La demande de
brevet précise
à cet effet que l'élément désoperculateur 44 est actionnés au moyen d'une vis.
En outre, la
réalisation d'un tel scellement 66 complique l'assemblage de l'emballage, en
particulier
avec la nécessité de maintenir l'interstice entre les deux membranes 70 et 71
sous vide d'air,
alors que l'une d'entre elle tourne par rapport à l'autre.
L'objectif de la présente invention est de résoudre les inconvénients de l'art
antérieur.
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A cet effet, la présente invention propose de réaliser un emballàge auto-
réfrigérant
basé sur la méthode de refroidissement par évaporation et adsorption telle que
précédemment décrite et de disposer les moyens de mise en communication entre
le
réservoir de dessicants et l'échangeur thermique dans une paroi commune aux
dits réservoir
et échangeur. Les moyens de mise en communication sont constitués d'un clapet
anti-retour,
c'est à dire résistant à une forte pression dans un sens et s'ouvrant
facilement dans l'autre
sens.
Le clapet anti-retour peut ainsi résister à la pression atmosphérique avec un
vide
poussé dans le réservoir de dessicants et peut être actionné par un effort
minimal vers
l' intérieur de l' échangeur thermique.
Plus particulièrement, l'invention concerne un emballage auto-réfrigérant
comprenant une première cavité contenant un produit à réfrigérer, une seconde
cavité
formant un échangeur thermique et contenant un liquide réfrigérant et sa
vapeur, une
troisième cavité contenant des moyens de pompage par adsorption de ladite
vapeur et des
moyens de mise en communication de ladite seconde cavité avec ladite troisième
cavité,
caractérisé en ce que les seconde et troisième cavités présentent une paroi
commune
intégrant les moyens de mise en communication, et en ce que lesdits moyens de
mises en
communication sont constitués par un clapet anti-retour apte à résister à la
pression exercée
du côté de la seconde cavité et s'ouvrant par action d'une force exercée du
côté de la
troisième cavité.
Selon une caractéristique, le clapet est constitué d'un couvercle solide situé
du côté
de la seconde cavité et fermant une ouverture de la paroi commune des seconde
et troisième
cavités.
Selon les modes de réalisation, les moyens de mise en communication comportent
en
outre une étanchéité du clapet, constituée d'un joint déformable situé entre
le couvercle
solide et la paroi commune des seconde et troisième cavités ou d'une feuille
étanche au vide
et déchirable recouvrant le couvercle solide et collée sur la paroi commune
des seconde et
troisième cavités.
Selon une caractéristique, le clapet est actionné par une tige poussoir
transmettant un
déplacement d'au moins une portion de la paroi de la troisième cavité opposée
à la paroi
comportant les moyens de mise en comrriunication.
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Selon une particularité, la tige poussoir est un tube creux ouvert laissant
circuler la
vapeur du liquide réfrigérant à l'intérieur de ladite tige.
Selon une variante de réalisation avantageuse, la tige poussoir comporte des
moyens
d'ouverture du clapet en deux temps, une première position du clapet
délimitant un passage
restreint de la vapeur du liquide réfrigérant et une deuxième position du
clapet favorisant un
passage élargi de la vapeur du liquide réfrigérant.
Selon les modes de réalisation, le rapport de la masse du clapet à la surface
du tube
de la tige poussoir est compris entre 0.5 et 2 g/cm2, et/ou la tige poussoir
comporte un arrêt
situé à une distance du clapet comprise entre 2 et 5 mm.
Selon une variante de réalisation avantageuse, la seconde cavité comporte un
dispositif séparateur d'état liquide-gaz disposé autour du clapet.
Selon une caractéristique, la seconde cavité est de forme substantiellement
conique
telle que sa surface en coupe diminue de la base au sommet.
Selon une caractéristique, la seconde cavité est délimitée par le fond de la
première
cavité et le couvercle de la troisième cavité.
Selon les modes de réalisation, les première et troisième cavités constituent
deux
boîtes distinctes assemblées ou les première et troisième cavités constituent
des
compartiments d'une unique boîte.
Dans une application, l'emballage se présente sous la forme d'une canette de
boisson
de consommation.
Les particularités et avantages de la présente invention apparaîtront au cours
de la
description qui suit donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et
faite en référence
aux figures dans lesquelles
~ La figure 1, déjà décrite, est un schéma d'une canette de boisson auto-
réfrigérante
selon une variante de l'art antérieur ;
Les figures 2a et 2b, déjà décrite, sont respectivement.un schéma général
d'une
canette de boisson auto-réfrigérante et un schéma de détail des moyens de mise
en
communication selon l'art antérieur ;
~ Les figures 3a et 3b sont des vues schématiques du dispositif selon
l'invention avec
le clapet respectivement en position fermée et en position ouverte ;
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La figure 4 est une vue schématique selon un premier mode de réalisation du
clapet
selon l'invention ;
La figure 5 est une vue schématique selon un second mode de réalisation du
clapet
selon l'invention ;
5 ~ La figure 6 est une vue schématique d'une tige poussoir pour la mise en
oeuvre du
clapet selon l'invention ;
La figure 7 est une vue schématique d'un dispositif séparateur d'état liquide-
gaz
disposé dans emballage de boisson selon l'invention ;
La figure 8 est une vue schématique d'une tige poussoir pour la mise en oeuvre
d'une
ouverture en deux temps du clapet selon l'invention ;
La figure 9 est une vue schématique d'un emballage de boisson selon un premier
mode de réalisation de l'invention ;
La figure 10 est une vue schématique d'un emballage de boisson selon un
deuxième
mode de réalisation de l'invention ;
~ La figure 11 est une vue schématique d'un emballage de boisson selon un
troisième
mode de réalisation de l'invention.
La description qui suit est donnée Les figures 3a et 3b illustrent
schématiquement un
emballage de boisson selon l'invention. L'emballage de boisson selon
l'invention comporte
une première cavité 10 contenant une boisson de consommation à refroidir, une
seconde
cavité 20 formant un échangeur thermique et contenant un liquide réfi-igérant
dont
l'évaporation produit le refroidissement et une troisième cavité 30 contenant
des moyens de
pompage par adsorption de la vapeur du liquide réfi~igérant de la deuxième
cavité 20. La
première 10 et la seconde 20 cavités ont une paroi commune 25 qui constitue un
échangeur
de chaleur. Cette paroi commune présente avantageusement une forme conique
avec des
nervures afin de favoriser l'échange de chaleur par convexion dans la première
cavité 10.
L'emballage selon l'invention nécessite en outre des moyens de déclenchement
de la
réaction de refroidissement. Cette réaction est déclenchée par la mise en
communication des
deuxième 20 et troisième 30 cavités, provoquant ainsi l'évaporation du liquide
réfi-igérant de
la deuxième cavité 20 dont la vapeur est pompée par un dessicant contenu dans
la troisième
cavité 30. Pour garantir une bonne efficacité de pompage du dessicant, il est
nécessaire que
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la troisième cavité 30 soit assemblée et fermée sous vide, avec un vide
inférieur à 1 mbar et
préférentiellement inférieur à 0.1 mbar.
Ainsi, selon l'invention, les moyens de mise en communication 40 de la seconde
cavité 20 avec la troisième cavité 30 sont intégrés dans une paroi commune 25
aux dites
cavités. Il suffit donc de créer une ouverture 44 dans cette paroi commune 25
pour
déclencher le refroidissement.
Selon l'invention, les moyens de mises en communication 40 sont constitués par
un
clapet anti-retour 42 obturant une ouverture 44 dans la paroi commune 25 des
deuxième et
troisième cavités. Ce clapet 42 a la particularité de ne pouvoir s'ouvrir que
vers l'extérieur
de la troisième cavité 30, c'est à dire vers l'intérieur de la deuxième cavité
20. Le clapet 42
est apte à résister à la pression exercée du côté de la seconde cavité 20 et
s'ouvre par action
d'une force exercée du côté de la troisième cavité 30. A titre indicatif,
cette force
d'ouverture exercée sur le clapet 42 peut être comprise entre seulement 1 et
10 Newton.
Les figures 3a et 3b illustrent plus spécifiquement le clapet selon
l'invention
respectivement en position fermée et en position ouverte.
La réaction de refroidissement est déclenchée par le déplacement du clapet 42
vers
l'intérieur de la deuxième cavité 20. Le clapet anti-retour 42 est actionné
par une tige
poussoir 45 transmettant un déplacement d'au moins une portion de la paroi 35
de la
troisième cavité 30 opposée à la paroi 25 comportant les moyens de mise en
communication
40. La paroi déformable 35 de la troisième cavité 30 peut être constituée par
une structure
en dôme résistant à la pression atmosphérique appliquée à l'extérieur de la
troisième cavité
qui est assemblée et fermée sous vide. Cette structure en dôme 35 peut
néanmoins être
retournée sous l'effet d'un effort localisé au centre du dôme, telle qu'une
force de 20 à 30
Newton appliquée sur une surface centrale de 1 cmz. Cette force sert
principalement à
25 retourner le dôme, ce qui entraîne le déplacement de la tige poussoir.
L'effort pour ouvrir le
clapet 42 est négligeable comparé à l'effort de déformation du dôme de la
paroi 35 de la
troisième cavité 30.
Les figures 4 et 5 illustrent schématiquement un premier mode et un second
mode de
réalisation du clapet anti-retour selon l'invention. Le clapet 42 est
constitué d'un couvercle
30 solide 43 situé du côté de la seconde cavité 20 et fermant une ouverture 44
de la paroi
commune 25 des seconde 20 et troisième 30 cavités. Le couvercle solide 43, tel
qu'un
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disque en métal, présente des dimensions légèrement supérieures à celles de
l'ouverture 44
de la paroi commune 25.
Selon un premier mode de réalisation, illustré sur la figure 4, les moyens de
mise en
communication 40 comportent en outre une étanchéité du clapet 42 constituée
d'un joint
déformable 47, tel que de la graisse à vide ou un élastomère, situé entre le
couvercle solide
43 et la paroi commune 25 des seconde et troisième cavités.
Selon un second mode de réalisation, illustré sur la figure 5, les moyens de
mise en
communication 40 comportent en outre une étanchéité du clapet 42 constituée
d'une feuille
mince étanche au vide et déchirable 48, telle qu'une feuille d'aluminium de
2/100mm
d'épaisseur, recouvrant le couvercle solide 43 et collée sur la paroi commune
25 des
seconde et troisième cavités.
L'étanchéité du clapet 42 n'offre qu'une faible résistance à la pression
exercée par le
couvercle solide 43 lorsque le clapet 42 est actionné par la tige poussoir 45.
Cette faible
résistance additionnelle, de quelques centaines de grammes, correspond
simplement au
décollement du joint déformable 47 ou au déchirement de la feuille mince 48.
La pression
régnant dans la seconde cavité 20, de quelques dizaines de mbar, ne rajoute
que quelques
dizaines de grammes à la résistance de l'étanchéité, si l'on considère une
surface du
couvercle du clapet de moins de 1 cm2.
Le clapet anti-retour 42 constituant les moyens de mise en communication 40
des
deuxième 20 et troisième 30 cavités de l'emballage selon l'invention a bien la
particularité
de ne s'ouvrir que dans un sens, de la troisième vers la deuxième cavité.
Ainsi, cette fonction du clapet 42 facilite considérablement la fabrication de
l'emballage de boisson selon l'invention en permettant la manipulation des
différents
éléments de l'emballage à pression atmosphérique, sans pour autant obliger à
un effort
excessif pour le déclenchement de la réaction de refroidissement. En
particulier, le clapet 42
reste fermé si la troisième cavité 30, avec un couvercle 25 intégrant le
clapet 42, est exposée
à la pression atmosphérique alors que cette troisième cavité est déjà sous
vide.
En outre, dans le cas d'une boisson pasteurisée avec son emballage,
l'ouverture en
sens unique du clapet 42 présente l'avantage de supporter l'élévation de la
pression dans la
seconde cavité 20 lors de l'élévation de la température, jusqu'à environ 80 à
90 °C,
nécessaire à la pasteurisation.
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La figure 6 illustre schématiquement la tige poussoir actionnant le clapet des
moyens
de mise en communication de l'emballage de boisson selon l'invention. La tige
poussoir 45
est avantageusement constituée d'un tube creux ouvert permettant ainsi une
circulation de la
vapeur du liquide réfrigérant à l'intérieur de ladite tige entre la deuxième
cavité et la
troisième cavité. La tige 45 peut être obtenue à partir d'une plaque de métal
roulée en forme
de tube ouvert.
Lors de l'actionnement du clapet 42 permettant la mise en communication des
deuxième et troisième cavités, la réaction de pompage de la vapeur du liquide
réfrigérant se
déclenche immédiatement. Le liquide réfrigérant se met à bouillir violemment
sous l'effet
de la dépression. Cette ébullition provoque des projections de gouttes du
liquide réfrigérant
qui, si elles pénètrent dans la troisième cavité contenant le dessicant,
peuvent nuire à son
efficacité.
Pour pallier cet inconvénient, il est avantageux d'intégrer un dispositif
séparateur
d'état liquide-gaz dans la deuxième cavité 20, autour du clapet anti-retour 42
selon
l'invention, tel qu'illustré sur la figure 7. L'emballage doit être positionné
avec la deuxième
cavité orientée vers le bas lors du refroidissement.
Le séparateur d'état 50 comporte un déflecteur de vapeur qui se compose d'au
moins
une paroi formant chicane 51 imposant un ou des changements de direction
brusques au flux
de vapeur. Les molécules de vapeur ont un libre parcours moyen très faible, de
l'ordre du
micromètre, ce qui signifie qu'elles peuvent changer de direction très
rapidement. En
revanche, les gouttes de liquide ont une masse telle qu'elles sont entraînées
par leur inertie
et séparées ainsi du flux gazeux. Ce mécanisme permet avantageusement une
séparation
liquide-gaz sans ralentissement important du flux de vapeur et ne nécessite
donc pas
l'occupation d'un volume important.
Le dispositif séparateur 50 d'état comporte également, en complément, un
collecteur
de gouttes 52 permettant de reconduire les gouttes de liquide séparées du flux
gazeux de
vapeur vers le bas de la cavité de l'échangeur thermique 20. Le collecteur 52
comporte un
entonnoir et au moins un tube d'écoulement des gouttes. L'entonnoir peut
avantageusement
contribuer à former la chicane 51 du déflecteur de vapeur.
Préférentiellement, le tube d'écoulement des gouttes du collecteur 52 présente
une
longueur supérieure ou égale à la perte de charge de la vapeur dans la chicane
51 afin
d'éviter la projection de gouttes à travers ledit tube d'écoulement. Cette
perte de charge est
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avantageusement mesurée en hauteur de volume d' eau. Si on considère, par
exemple, une
perte de charge de la vapeur de .1 mb (correspondant à 1 cm de hauteur de
colonne d' eau) le
tube aura au moins 1 cm de long.
Un tel dispositif séparateur d'état atteint néanmoins ses limites si la
vitesse
d'écoulement de la vapeur est trop importante. Or, lors du déclenchement de la
réaction de
refroidissement, la différence de pression entre les deuxième et troisième
cavités est de
plusieurs dizaines de millibars, conduisant à une vitesse d'écoulement de la
vapeur telle que
le dispositif séparateur d'état peut être saturé par les gouttelettes de
liquide réfrigérant qui
sont entraînées avec la vapeur.
Pour limiter cet effet, selon une variante de l'invention, le clapet anti-
retour 42 est
ouvert en deux temps.
Dans la première position, le couvercle 43 du clapet 42 est maintenu en
contact avec
le tube de la tige poussoir 45 par la surpression de la seconde cavité 20 par
rapport à la
troisième cavité 30. La masse du couvercle 43 du clapet est telle que celui-ci
reste en
contact avec la tige poussoir 45 et limite ainsi le passage de la vapeur du
liquide réfi-igérant
vers la troisième cavité à une circulation dans le creux de la tige par une
ouverture latérale
limitée.
Lorsque la surpression de la seconde cavité par rapport à la troisième cavité
devient
inférieure à environ 1 à 3 mbar, le débit de vapeur diminue et le couvercle 43
du clapet 42
tombe dans la seconde cavité 20 libérant ainsi une ouverture plus grande pour
le passage de
la vapeur. En effet, comme mentionné précédemment, le refroidissement est
déclenché avec
la troisième cavité vers le haut de l'emballage.
Le niveau de surpression, donc de débit de vapeur, pour lequel l'ouverture
complète
du clapet 42 est opérée peut être ajustée par la masse du clapet, et plus
spécifiquement du
couvercle solide 43. Le rapport de la masse du couvercle à la surface du tube
de la tige
poussoir peut avantageusement être compris entre environ 0.5 et 2 g/cm2. Une
valeur
typique de surpression peut être de 2 mbar avec une surface du tube de la tige
poussoir de
0.3 cm2, soit une masse du couvercle du clapet de 0.6g.
Afin de mieux contrôler le niveau d'ouverture de la première position du
clapet 42
dans le premier temps de fort débit de la vapeur, il peut être opportun de
créer un arrêt 46
dans la tige poussoir 45, comme illustré sur la figure 8. Avantageusement, cet
arrêt 46 est
situé à une distance d'environ 2 à 5 mm de l'extrémité de la tige en contact
avec le
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couvercle du clapet. L'ouverture restreinte du clapet est ainsi assurée sur
une hauteur de 2 à
5 mm par l'ouverture latérale de la tige poussoir et l'ouverture totale du
clapet est assurée
par toute la section du tube.
5 Outre la fonctionnalité d'une ouverture à sens unique entre les cavités
formant
l'échangeur thermique et le réservoir de dessicants, l'emballage de boisson
selon l'invention
présente l'avantage de permettre un assemblage facilité.
Les figures 9 à 11 illustrent différents modes de réalisation d'un tel
assemblage.
En particulier, la deuxième cavité 20 de l'emballage ne nécessite pas la
réalisation
10 d'une pièce supplémentaire. En effet, la deuxième cavité 20, fornlant
l'échangeur
thermique, est définie par un espace délimitë entre le couvercle de la
troisième cavité 30 et
le fond de la première cavité 10. La deuxième cavité 20 est ainsi obtenue lors
de
l'assemblage de la troisième cavité 30 avec la première cavité 10, de façon
étanche.
Selon un premier mode de réalisation, illustré sur la figure 9, l'assemblage
des
première 10 et troisième 30 cavités est assuré par emboîtement de deux
cylindres par
collage ou brasage 60.
L'emboîtement de la troisième cavité 30 avec la première cavité 10 est réalisé
après
avoir disposé le couvercle 25 fermant le réservoir de dessicant sur la
troisième cavité 30. On
rappelle que ce couvercle 25 intègre les moyens de mise en communication 40.
Ce
couvercle peut être également collé ou brasé 61 à l'intérieur du cylindre
formant la
troisième cavité 30.
Selon un deuxième mode de réalisation, illustré sur la figure 10, les première
10 et
troisième 30 cavités dé l'emballage constituent des compartiments d'une unique
boîte. Le
couvercle de séparation 25 entre les deuxième 20 et troisième 30 cavités est
introduit dans la
boite et fixé par collage ou brassage 61 sur les parois de la boite. La paroi
commune des
première 10 et deuxième 20 cavités, formant l'échangeur thermique, est
également introduit
dans la boite et fixé par collage ou brasage 60, après que le liquide
réfrigérant ait été
introduit.
Un brasage 60, 61, à l'étain par exemple, peut être réalisé par chauffage
localisé par
induction. Des courants de Foucault sont induits par une spire entourant la
zone
d'assemblage. Cette spire est alimentée par un courant alternatif haute
fréquence. Cette
technique permet un assemblage précis et rapide.
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Selon un troisième mode de réalisation, illustré sur la figure 11,
l'assemblage des
première 10 et troisième 30 cavités est assuré par sertissage 62 de deux
cylindres. Par
exemple, la paroi commune aux deuxième et troisième cavité est sertie avec la
paroi
commune aux première et deuxième cavités, l'assemblage étant complété par une
jupe
cylindrique 63, collée ou brasée, assurant la jonction entre les deux
cylindres.
Les variantes de réalisation décrites ci-dessus sont présentées à titre
illustratif mais
non limitatif afin de montrer la flexibilité de l'assemblage de l'emballage
selon l'invention.
Ces variantes de réalisation décrites peuvent en outre être combinées
différemment.
