Brevet FR2107849A1 — publié le 19720512

La présente invention concerne un procédé pour la fabrication d'un fil isolé en utilisant un polyéthylène ou un caoutchouc durci comme matière isolante, ainsi qu'un appareil pour produire ces fils isolés. La demande de fils et de câbles électriques revêtus d'une matière 5 isolante telle que du polyéthylène réticulé augmente constamment. Un appareil courant pour la fabrication de ces fils et câbles isolés est une machine à vulcanisation en continu appliquant du caoutchouc comme matière isolante. Cette machine à vulcanisation en continu comporte d'une façon connue une extrudeuse et un tube long en acier appelé tube de vulcanisation, ce tube 10 étant prévu pour assurer d'abord le chauffage et ensuite le refroidissement par de la vapeur d'eau sous pression et de l'eau. Dans la fabrication d'un conducteur isolé en utilisant une telle machine, la productivité dépend dans une grande mesure de la conductivité thermique du tube chauffant. En particulier dans le cas du polyéthylène et du caoutchouc réticulés pour lesquels la 15 réaction de réticulation résulte du chauffage, il est nécessaire d'assurer un chauffage à la température appropriée et pendant le temps voulu pour assurer une réaction de réticulation parfaite, mais en fait la transmission de la chaleur à la partie la plus intérieure de la couche du revêtement n'est pas régulière, et par suite la réticulation a tendance à être insuffisante, de 20 sorte qu'un temps important est habituellement nécessaire pour l'élévation à une température suffisante de la partie intérieure. Pour élever cette température en un temps court, il est désirable d'élever la température du milieu de transfert de chaleur. Cependant, dans le cas de l'utilisation de vapeur d'eau comme milieu de transfert de chaleur 25 suivant la technique antérieure, une pression élevée est nécessaire pour l'augmentation de la température de la vapeur d'eau, et il est assez difficile d'obtenir dans la pratique de la vapeur d'eau à une température supérieure à 200°C. Pour éviter cette difficulté, la demanderesse a proposé l'utilisation d'un alcool supérieur maintenu au-dessus de son point d'ébullition comme 30 milieu de transfert de chaleur. Cette solution est efficace pour répondre au but ci-dessus, dans une certaine mesure, mais elle concerne sensiblement une simple transmission de la chaleur en tirant parti de la différence thermique, et par suite elle n'est pas entièrement satisfaisante. La matière isolante déposée comme revêtement sur un conducteur par une 35 extrudeuse est durcie par de la vapeur d'eau haute pression simultanément à l'extrusion et le conducteur isolé sort du tube de durcissement après refroidissement par de l'eau sous haute pression en tant qu'article manufacturé. La vitesse de production est déterminée dans ce cas par le temps nécessaire 71 33951 2 2107849 pour la transmission de la chaleur dans une mesure suffisante pour provoquer la réticulation complète de la couche la plus intérieure de la matière isolante, ainsi que pour le refroidissement consécutif. Autrement dit. le temps nécessaire d'exposition à la vapeur d'eau haute pression est d'autant 5 plus important que la couche de matière isolante est plus épaisse, et en particulier dans le cas d'un mauvais conducteur de la chaleur, tel que le polyéthylène réticulé ou le caoutchouc synthétique, un temps considérable est nécessaire pour que la température intérieure atteigne une valeur suffisante. Un moyen pour éviter cette difficulté consiste à élever la température de la 10 vapeur d'eau haute pression, mais cette solution n'est pas facile à utiliser dans la pratique parce que l'utilisation d'une pression exagérément élevée entraîne des difficultés en ce qui concerne la résistance à la pression de la machine ou de l'appareil et de la structure pour la sortie du conducteur isolé; un autre moyen consiste à porter la matière de revêtement au moment de l'extru-15 sion à une température aussi élevée que possible pour provoquer la réaction de réticulation à l'intérieur de 1'extrudeuse. Un autre moyen pour élever instantanément la température de la couche intérieure de la matière de revêtement consiste à utiliser un dispositif électronique pour provoquer le durcissement par chauffage par pertes dans le 20 diélectrique en utilisant de l'énergie haute fréquence ou un moyen équivalent. Cependant, dans le cas d'une matière ayant des propriétés électriques supérieures, par exemple du polyéthylène réticulé ou du caoutchouc synthétique, les pertes dans le diélectrique sont tellement faibles que la chaleur est difficilement engendrée. Par contre l'énergie ultrasonore est absorbée par le polyéthylène 25 réticulé et le caoutchouc synthétique, ce qui se traduit par l'élévation de la température. Contrairement au cas d'énergie haute fréquence, l'utilisation d'un gaz comme milieu pour la transmission des ondes sonores gêne la transmission de l'énergie en raison de la compressibilité libre du gaz, ce qui nécessite la transmission de l'énergie à la matière isolante à travers un liquide ou un corps 30 rigide. La présente invention a pour objet un procédé et un appareil pour la production de fils ou câbles isolés avec chauffage de la matière isolante en utilisant des ondes ultrasonores et avec augmentation de la vitesse de durcissement du polyéthylène réticulé ainsi que du caoutchouc afin d'augmenter la 35 productivité dans la fabrication des fils et câbles isolés. L'invention concerne aussi un procédé pour la fabrication des conducteurs isolés consistant à revêtir un conducteur avec une matière isolante telle que du polyéthylène non réticulé ou du caoutchouc non vulcanisé à l'état 71 33951 3 2107849 fondu par moulage par extrusion et à provoquer la réticulation ou la vulcanisation de la couche de matière isolante appliquée par transmission d'énergie ultrasonore à cette couche, soit directement soit à travers un milieu de transmission. L'invention concerne aussi un appareil pour la fabrication de ces fils 5 ou conducteurs isolés. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente schématiquement une partie d'un appareil selon 10 un mode de mise en oeuvre de l'invention pour la fabrication de conducteurs isolés, la source d'énergie ultrasonore étant placée dans la zone de durcissement; la figure 2 représente schématiquement une partie d'un appareil pour la fabrication de conducteurs isolés selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, la source d'énergie ultrasonore étant placée dans la zone de 15 refroidissement; la figure 3 représente schématiquement une partie d'une extrudeuse selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif oscillateur ultrasonore étant monté à l'extrémité de la filière d'extrusion; la figure 4 est une coupe à plus grande échelle d'une partie essentielle 20 de la figure 3, et la figure 5 représente schématiquement en plan un dispositif oscillateur ultrasonore selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente un appareil selon l'invention qui comporte une extrudeuse 1, une tête d'extrusion 2, un tube de durcissement 3, une source 25 d'énergie ultrasonore 4 sur la paroi intérieure du tube de durcissement et un générateur d'énergie ultrasonore 5 couplé à la source d'énergie ultrasonore. Le conducteur W préchauffé entraîné par le transporteur à bandes sans fin 15 est revêtu de matière isolante fondue par la tête d'extrusion 2 de l'extru-deuse 1, et il passe ensuite dans le tube de durcissement 3. Le fil revêtu 30 traverse un milieu de transfert de chaleur 7 contenu dans le tube de durcissement 3 et il est soumis à un durcissement supplémentaire par des ondes ultrasonores émises par la source d'énergie ultrasonore montée à l'intérieur du tube 3. Il est désirable de préchauffer le milieu de transfert de chaleur pour accélérer l'élévation de la température. Le fil revêtu dont le revêtement a été durci est 35 refroidi par un milieu de refroidissement 9 contenu dans la partie inférieure du tube 3, et il traverse ensuite une garniture de retenue 10, pour sortir sous la forme d'un fil isolé terminé en passant sur une poulie de renvoi 14. L'appareil représenté sur la figure 1 comporte un régulateur automatique de niveau k 71 33951 2107849 de liquide 6 pour le milieu de transfert de la chaleur, un dispositif de circulation et de chauffage du milieu de refroidissement 8, une pompe de circulation 11 pour faire circuler le fluide de refroidissement 9' ayant échappé à travers la garniture de retenue 10, un échangeur de chaleur 12 et un régulateur 5 de pression lï„ Bien qu'aucun dispositif particulier ne soit représenté pour séparer le fluide de transfert de chaleur 7 du fluide de refroidissement 9 dans le tube 3, les deux fluides ne doivent jamais être mélangés l'un à l'autre en raison de la différence de température. En raison de la mise sous pression du fluide de 10 transfert de chaleur par la pompe d-. circulation 11 pour empêcher que les gaz dégagés du fait de la réaction de réticulation de la matière isolante provoquent une mousse, ainsi que du fait de l'accion de dégazage de l'énergie ultrasonore, il n'y a pas de risque de formation, de natière isolante mousse. Par lv procédé décrit ci-dessus, en raison de l'action conjuguée du 15 fluide de transfert de chaleur à l'état liquide et des ondes ultrasonores transmises à travers ce liquide, l-j matière isolante telle que du polyéthylène réticulé ou du caoutchouc formant le revêtement sut le conducteur est rapidement chauffée et durcie, ce qui augmenta considérablement la vitesse de production d'un fil isolé de ce type. 20 La figure 2 représente scliéruatiquement un appareil selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention da-'i lequel la source d'énergie ultrasonore est placée dans la zone de refroidissèment du tube de durcissement. Plus précisément, le tube de durcissement 3a est divisé en une zone de chauffage A et une zone de refroidissement B et la source d'énergie ultrasonore 4a est placée sur 25 la paroi intérieure du tube de durcissement 3a dans la zone de refroidissement B au voisinage de la séparation C représentée en tirets entre ces deux zones, la source d'énergie ultrasonore 4a était couplée au générateur d'énergie ultrasonore 5 situé à l'extérieur dti tube. Pendant la production du tii isolé dans l'appareil décrit ci-dessus, 30 le conducteur préchauffé W reçoit an revêtement de matière isolante fondue dans la tête d'extrusion 2 de 1'extrudeuse 1 et il passe ensuite dans le tube 3a. Le fil revêtu passe ainsi d'abord à travers le fluide de transfert de chaleur tel que de la vapeur d'eau haute pression envoyée dans la zone de chauffage A, de sorte que la partie extérieure de la couche de matière isolante 35 est durcie. Ensuite-, le fil portant le revêtement passe dans la zone de refroidissement B contenant le fluide de refroidissement, tel que de l'eau dans laquelle le revêtement de matière isolante est complètement durcie du fait du chauffage de la partie intérieure de la couche de matière isolante par les ondes BAD ORIGINAL 71 33951 2107349 ultrasonores émises par la source d énergie ultrasonore 4a située dans le tube 3a dans la zone de refroidissement B, près de la zone de chauffage A, c'est-à-dire immédiatement après sa sorti- du fluide de transfert de chaltrr, après quoi le fil isolé est refroidi par le fluide de refroidissement pour sortir 5 ensuite de l'appareil comme dans le cas précédent. L'appareil de la figure 2 comporte un générateur de vapeur haute pression 16 pour alimenter la zone A en vapeur d'eau haute pression, un régulateur de niveau de fluide de refroidissement 17 et une pompe haute pression lia pour faire circuler le liquide de refroidissement. 10 11 est préférable que la source d'énergie ultrasonore 4 ou 4a soit cylindrique en raison de la forme circulaire du fil isolé ainsi que du tube 3 et 3a, afin d'augmenter la produc.ic-ri de chaleur dans le fil portant le revêtement. Cependant, ia source d'énergie ultrasonore p-?ut avoir la forme de plaques on d'autres formes bien que dans ce cas le rendement soit un peu plus 15 faible que dans le cas d'une sours cylindrique. Avec le chauffage classiqu-.- par transmission de la chaleur à partir de l'extérieur, l'élévation de la température a lieu progressivement de la région extérieure vers la région intérieure de la matière isolante en fonction du coefficient de transfert de la chaleur de cette matière, tandis que dans 20 le cas du chauffage par des ondes ultrasonores dans un milieu liquide pour le refroidissement tel que celui utilisé dans le cas de la figure 2, l'élévation de la température a lieu à partir de la région intérieure de la couche de matière isolante et progresse en quelques secondes. Par suite, quand la couche de matière isolante est soumise au chauffage pendant un temps suffisant 25 seulement pour régler la température de la région extérieure à un certain degré dans la zone de chauffage, et quand l'énergie ultrasonore est ensuite appliquée à la couche de matière isolante à l'entrée de la zone de refroidissement, la température de la région inférieure de la couche augmente. Il suffit dans ce cas que la durée d'exposition à l'énergie statique sonore soit très 30 courte et par suite l'espace nécessaire pour cette exposition est faible. De plus, il suffit aussi que la zone de chauffage corresponde à la longueur de tube de durcissement nécessaire dans le cas d'une matière isolante mince. En outre, l'influence du refroidissement par le fluide de refroidissement sur le chauffage provoqué par l'énergie ultrasonore dans la zone de refroidissement 35 est limitée à la région la plus extérieure de la couche de matière isolante et la production de chaleur dans la région intérieure de cette couche n'est pas affectée. 71 33951 6 2107849 L'utilisation de la source d'énergie ultrasonore dans la zone de chauffage a pour inconvénient que la matière utilisée pour former la source d'énergie ultrasonore doit être durable à une température élevée (200°C), et si la matière céramique normalement utilisée pour former la source d'énergie 5 ultrasonore résiste à des températures assez élevée -elle est assez coûteuse et sa durée de vie est faible. Par contre, dans le cas de l'appareil de la figure 2, la source d'énergie ultrasonore est placée dans la zone de refroidissement, de sorte qu'elle peut être formée en matière peu coûteuse pouvant durer longtemps. La matière utilisée pour la transmission des ondes ultrasonores 10 doit être un liquide et si la source d'énergie ultrasonore est placée dans la zone de chauffage, l'utilisation de vapeur d'eau comme milieu de transfert de chaleur n'est pas possible. D'autre part, le fluide de refroidissement n'a pas besoin d'être un fluide particulier, et il est possible d'utiliser de l'eau peu coûteuse. De plus, l'invention peut être facilement utilisée avec 15 une modification seulement partielle d'un appareil de vulcanisation en continu classique pratiquement sans aucun changement du mécanisme de cet appareil. La figure 3 représente schématiquement un appareil selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention qui comporte une extrudeuse 1 sur laquelle est montée une tête d1extrusion 2e. Cette tête 2e comporte un corps 20 2a, une buse 2b, une filière 2c et une plaque de fixation 2d. Cette tête est semblable aux têtes des machines à extruder utilisées pour former des revêtements sur des fils. L'appareil selon l'invention est conçu pour que le générateur d'énergie ultrasonore 5d soit situé à côté de la sortie de la tête d'extrusion 25 2e, ce générateur d'énergie ultrasonore 5d comportant de la façon représentée sur les figures 4 et 5 des éléments oscillants ultrasonores 5a, un oscillateur 5b couplé directement à ces éléments oscillants 5a et un tube oscillant 5c inter-sectant verticalement l'oscillateur 5b. Cet oscillateur ultrasonore 5d est supporté par un dispositif de fixation (non représenté) de la façon indiquée 30 sur la figure 1 pour que le tube oscillant 5c et la filière 2c soient alignés axialement. Une bague d'amortissement 18 (figure 4) empêche la transmission des ondes ultrasonores du tube oscillant 5c à la filière 2c. Dans l'appareil à extruder construit de la façon décrite ci-dessus, le conducteur W constitué par un fil unique ou un câble traverse la filière 2c 35 pour être revêtu de matière isolante fondue P, par exemple du polyéthylène non réticulé ou du caoutchouc vulcanisable extrudée à partir de 1'extrudeuse 1 à travers la filière 2c, Immédiatement après la sortie de la filière 2c, les ondes ultrasonores engendrées par les éléments oscillants 5a sont transmises 71 33951 7 2107849 à la matière isolante par l'intermédiaire de l'oscillateur 5b et du tube oscillant 5c. La matière isolante entourant le conducteur W est ainsi chauffée par absorption d'énergie ultrasonore transmise directement par le tube oscillant 5c pour la réticulation ou la vulcanisation. Suivant ce mode de 5 réalisation, le tube oscillant 5c sert en même temps à provoquer le chauffage pendant 1'extrusion du conducteur isolé. Dans l'appareil de la figure 3, la transmission des ondes ultrasonores à la matière isolante fondue a lieu au voisinage de l'ouverture de la filière dans laquelle la pression de travail de la vis de 1'extrudeuse est maximale, 10 de sorte que l'absorption de l'énergie ultrasonore par la matière isolante fondue a lieu d'une façon très satisfaisante et que la réticulation ou la vulcanisation thermique a lieu d'une façon suffisante en un temps très court et jusqu'à la partie la plus profonde de cette matière. Du fait que la matière isolante fondue traversant la tête d'extrusion 15 rencontre une résistance par frottement contre la surface intérieure de la tête, en particulier contre la surface de la buse et la surface intérieure de la filière et aussi du fait des ouvertures étroites de la tête qui réduisent la vitesse d'extrusion, il est habituel de placer un élément chauffant sur la tête pour égaliser l'écoulement de la matière isolante fondue. Cependant, cela a un 20 inconvénient du fait que la stagnation de la matière isolante fondue à l'orifice d'extrusion de la filière provoque une réticulation et une vulcanisation excessives de la matière isolante fondue, réduisant de façon importante la qualité du produit final. Par contre, dans l'appareil de la figure 3 la stagnation de la matière isolante fondue contre les surfaces intérieures de la tête est 25 empêchée par les oscillations puissantes provoquées par les ondes ultrasonores, de sorte que le remplacement de la matière stagnante par de la matière fraîche est accéléré, ce qui permet d'obtenir un produit final ayant un excellent fini. De plus, avec l'appareil décrit ci-dessus dans le cas de la fabrication d'un conducteur isolé ayant une couche mince de matière isolante, le chauffage 30 par un tube de durcissement après 1'extrusion peut être supprimé. L'invention est illustrée plus particulièrement par les exemples suivants : EXEMPLE 1 Pour 1'extrusion d'un conducteur électrique isolé comportant un 2 35 conducteur de 100 mm avec un revêtement d'isolant d'une épaisseur de 4 mm en polyéthylène réticulé, le conducteur isolé est soumis à des ondes ultrasonores 2 (400 kHz, 50 W/cm ) dans un intervalle de 5 mm dans de l'eau chauffée à 180°C et sous haute pression. Le temps nécessaire pour l'élévation de la température 71 33951 8 2107849 10 15 20 25 30 du polyéthylène se trouvant contre le conducteur est indiqué ci-après. A titre de comparaison, le temps nécessaire pour l'élévation de la température du polyéthylène dans la même mesure par chauffage dans de la vapeur d'eau à 200°C sans utilisation d'énergie ultrasonore, est aussi indiqué ci-après. Temps nécessaire avec utilisation d'énergie ultrasonore 10 secondes Temps nécessaire en utilisant seulement de la vapeur d'eau 4 minutes De plus, pour obtenir une réticulation à 80 % de gélation un chauffage à 170°C pendant 5 minutes est nécessaire. L'élévation de la température du polyéthylène progresse dans les deux cas, et la vitesse de la réaction de réticulation augmentant rapidement quand la température augmente. Par suite, dans le cas d'utilisation d'énergie ultrasonore dans les conditions indiquées ci-dessus, le temps nécessaire pour obtenir la réticulation a été de 15 secondes, tandis qu'en utilisant seulement la vapeur d'eau, ce temps a été de 6,5 minutes. EXEMPLE 2 Cet exemple donne la comparaison entre un conducteur isolé formé 2 d'un fil de 100 mm revêtu de 15 mm de couche isolante en polyéthylène réticulé par chauffage dans de la vapeur d'eau à 200°C sous haute pression et ensuite 2 par chauffage par une source d'énergie ultrasonore (400 kHz, 50 W/cm ) dans la zone de refroidissement par de l'eau et le même conducteur isolé non soumis au chauffage par les ondes ultrasonores. Les temps nécessaires pour obtenir 80% de gélation de la couche isolante (la gélation à 80% nécessite un chauffage à 170° pendant 5 minutes) sont donnés ci-après- Temps nécessaire avec utilisation d'énergie ultrasonore 5 minutes Temps nécessaire sans utilisation d'énergie ultrasonore 30 minutes EXEMPLE 3 Cet exemple concerne la comparaison entre le cas d'un conducteur 35 2 isolé comportant un fil de lCDmm couvert d'une couche isolante épaisse de 10 mm en caoutchouc éthylènepropylène traité par de la vapeur d'eau à 200°C après 1'extrusion par 1'extrudeuse et le cas d'un conducteur isolé traité par de l'énergie ultrasonore d'une source d'énergie ultrasonore du type représenté 71 3395- 9 2107849 sur la figure 5 disposée à côté de la filière de 1'extrudeuse. Les temps de traitement sont donnés ci-après. Temps nécessaire avec utilisation d'énergie ultrasonore 5 minutes Temps nécessaire sans utilisation d'énergie ultrasonore 25 minutes Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 71 33951 10 2107849 REVENDICAT I_0 N_S 1. Procédé pour la fabrication d'un conducteur électrique isolé caractérisé par le revêtement du conducteur avec une matière isolante choisie dans le groupe constitué par le polyéthylène non réticulé fondu et le caoutchouc non vulcanisé fondu par moulage par extrusion, le chauffage de la matière isolante 5 formant le revêtement par des ondes ultrasonores transmises à cette matière à travers un milieu de transfert, et le refroidissement du conducteur isolé après ce chauffage. 2. Procédé selon la revendication \ caractérisé par l'utilisation d'eau au milieu de transfert. 10 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la transmission des ondes ultrasonores est effectuée dans la zone de refroidissement près de la zone de chauffage. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par l'utilisation de vapeur d'eau comme milieu de transfert de chaleur dans la zone de chauffage. 15 5. Procédé pour la fabrication d'un conducteur électrique isolé caractérisé par le revêtement du conducteur avec une matière isolante choisie dans le groupe constitué par le polyéthylène réticulé fondu et le caoutchouc non vulcanisé par moulage par extrusion et le chauffage de la matière isolante immédiatement après l'extrusion au moyen d'ondes ultrasonores transmises directement à cette 20 matière. 6. Appareil pour la fabrication d'un conducteur électrique isolé caractérisé par une extrudeuse pour extruder la matière isolante, une tête d'extrusion pour extruder la matière isolante autour du conducteur, un tube de durcissement divisé en une zone de chauffage et une zone de refroidissement, et une source 25 d'énergie ultrasonore à l'intérieur de ce tube de durcissement. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source d'énergie ultrasonore est disposée dans la zone de chauffage du tube de durcissement. 8. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source 30 d'énergie ultrasonore est placée dans la zone de refroidissement près de la zone de chauffage du tube de durcissement. 9. Appareil pour la fabrication d'un conducteur électrique isolé caractérisé par une extrudeuse pour extruder la matière isolante, une tête d'extrusion pour extruder la matière isolante autour du conducteur et un oscillateur 35 ultrasonore disposé à côté de l'orifice d'extrusion de la filière d'extrusion.