Brevet FR2117767A1 — publié le 19720728

L'invention vise un procédé de refroidissement cryogénique, notamment pour l'usinage de matériaux mous à la température ordinaire, ainsi que des dispositifs pour la mise en oeuvre de ce procédé. On sait que l'usinage des matériaux mous, notamment la rectification du caoutchouc, en particulier pour la fabrication de cylindres d'imprimerie, ne peut généralement s'effectuer que très lentement, à la meule, avec des profondeurs de passe et des vitesses d'avance très faibles (environ 0,1 mm pour une passe de finition). La quantité de chaleur dégagée est considérable, les meules s'encrassent et éclatent souvent sous l'effet. de la chaleur. En outre, les ateliers d'usinage répandent des odeurs fort désagréables. On a déjà apporté une importante amélioration à cet usinage en pulvérisant de l'azote liquide sur la pièce à usiner et/ou ltoutil, au moyen de buses. Cependant, cette pulvérisation présente des inconvénients : une grande partie des goutelettes de liquide cryogénique n'est pas utilisée ; en effet, l'é- change de chaleur en régime de caléfaction, avec l'outil ou la pièce est très lent et les gouttes rebondissent avant d'avoir cédé leurs frigories. De ce fait, pour obtenir un niveau de température convenable, la déperdition qui résulte de cet échange incomplet doit être compensée par une augmentation du débit et de la vitesse d'éjection. Une conséquence est que la consommation d'azote est en général prohibitive, bien que l'amélioration des conditions d'usinage soit très eensible : les passes peuvent etre portées à 2 mm. Un but de la présente invention est de supprimer les inconvénients inhérents au procédé de refroidissement par pulvérisation et de fournir un procédé évitant pratiquement toute perte de liquide et permettant un coefficient d'échange thermique très amélioré, ce qui entraine une réduction très importante de la consommation en fluide cryogénique et rend le procédé beaucoup plus économique. Un autre but de l'invention est de fournir des dispositifs de réalisation simples et économiques pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le procédé selon l'invention, destiné particulièrement à l'usinage d'objets réalisés dans un matériau mou à la température ordinaire, tel que matière plastique ou caoutchouc, dans lequel on utilise un courant d'un fluide cryogénique, est caractérisé en ce qu'on dirige sur la zone d'usinage de l'objet, un jet de gaz obtenu par vaporisation de ce courant de fluide, cette vaporisation étant effectuée, dans le voisinage immédiat de ladite zone et la chaleur de vaporisation étant prise en majeure partie au dit objet par rayonnement et par convection forcée. Gracie à ce procédé, le coefficient d'échange thermique est très amélioré par rapport au procédé par pulvérisation, car la vitesse de sortie du gaz, juste après vaporisation, est beaucoup plus importante que celle du liquide pulvérisé. outre, par une conception judicieuse du dispositif dans lequel stef- fectue la vaporisation, on peut éviter toute perte de liquide Il est encore possible d'améliorer le rendement du procédé selon l'invention, en obtenant un échange thermique plus complet. Dans ce but, selon une autre caractéristique de l'invention, une partie au moins du courant de fluide cryogénique en cours de vaporisation est maintenue en contact d'échange thermique, par conduction à travers une paroi, avec l'objet à usiner, en amont de la zone d'usinage. Selon une autre caractéristique de l'invention, on isole thermiquement de l'air ambiant le courant de fluide en cours de vaporisation, en dehors de ses régions d'échange thermique avec L'objet à usiner. L'invention prévoit également des dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus. Elle prévoit notamment un élément évaporateurwradiateur, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte fermée dans laquelle pénètre un canal d'arrivée de fluide cryogénique et dans laquelle est ouvert au moins un orifice pour la projection du gaz provenant de la vaporisation de ce fluide, des moyens de diffusion et échange thermique étant disposés entre le débouché du fluide dans l'enceinte et l'orifice de projection, et caractérisé en outre en ce que ladite enceinte comporte une face radiante qui est au contact des moyens d'échange thermique et est adaptée à épouser sensiblement le contour de l'objet à usiner. Selon une autre disposition prévue par l'invention, la paroi de l'en- ceinte, à l'exception de la surface radiante, est revêtue d'une isolation thermique. Cette isolation theraiqpe peut être avantageusement une couche de ousse de polvuréthane recouverte d'une feuille d'aluminium poli. Grâce à ces dispositions et à quelques autres complémentaires, qui seront décrites plus en détail ci-après, on obtient un bon rendement thermique du dispositif, la zone à usiner étant refroidie, non seulement par la projection du gaz, mais aussi par rayonnement et convection par échange avec la face radiante du dispositif. L'invention prévoit encore des dispositifs plus élaborés, faisant appel à des échanges thermiques par conduction directe de ce dispositif avec l'objet à usiner. Ce genre de dispositifs est caractérisé en ce qu'il comprend un tambour rotatif pressé lastiquement contre l'objet à usiner, ledit tambour contenant un évaporateur axial communiquant en amont avec une chemise annulaire ménagée entre ledit évaporateur et la paroi interne dudit tambour, et reliée à une source de fluide cryogénique, et en aval avec des orifices de décharge vers l'objet à usiner. On réalise ainsi simultanément, entre le dispositif et l'objet à usiner, des échanges thermiques par rayonnement et par convection du fait des gaz froids déchargés vers l'objet, et par conduction par contact direct de la paroi du tambour refroidie par le courant de fluide cryogénique avec l'objet. L'invention sera d'ailleurs mieux comprise à l'aide de la description suivante donnée uniquement à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale dd'une forme de réalisation d'un élément évaporateur-radiateur pour la réalisation du procédé de l'invention La figure 2 est une vue en coupe, selon la ligne Il-Il de la figure 1, de ce même élément Les figures 3 et 4 montrent un exemple d'utilisation d1un élément évaporateur-radiateur selon l'invention, respectivement en bout et de dessus La figure 5 montre en vue en bout une variante de réalisation du dispositif selon le procédé de l'invention La figure 6 est une coupe longitudinale d'un autre dispositif, faisant appel à la conduction thermique La figure 7 représente en coupe longitudinale une variante du dispositif selon la figure 6 La figure 8 représente en coupe longitudinale une autre variante du dispositif de la figure 6; La figure 9 représente en coupe transversale une variante du dispositif de la figure 7. L'élément évaporateur-radiateur selon les figures 1 et 2, paur le procédé selon l'invention, comporte une enceinte 11 de forme parallélépipédique dans laquelle est disposé un serpentin tubulaire 13 dont une extrémité 14 est reliée à une source de fluide cryogénique, par exemple d'azote liquide, et dont l'autre ex trécité 15 débouche dans l'enceinte au voisinage d'une extrémité de celle-ci. Une série d'orifices 16 est ménagée dans une face de l'enceinte, vers l'extrémité op posée au débouché 15 du serpentin. Un matériau diffusant 17 en même temps bon con ductour thermique, par exemple du tricot de cuivre, est placé dans l'enceinte autour du serpentin. Pour mieux stadapter à un objet cylindrique, par exemple, l'enceinte ll peut entre incurvée. Les figures 3 et 4 montrent un exemple d'utilisation d'un élément analogue à celui précédemment décrit. L'objet à usiner est un cylindre 20, par exemple un cylindre d'imprimerie en caoutchouc, qu'attaque une meule 21 entraînée par un moteur 71. Llélé- ment de refroidissement évaporateur-radiateur 23, est incurvé de manière à épouser le contour du cylindre. Il comporte des orifices de projection 24, analogues aux orifices 16 précédents, ménagés dans la face 25 de l'élément en regard de la paroi du cylindre. La face convexe de cet élément est recouverte d'une couche d'isolation thermique 27 constituée par exemple d'une couche de mousse de polyurie thane revêtue d'une feuille d'aluminium poli 70.Le fluide cryogénique se vaporise dans l'élément en empruntant, du fait de son isolation, la majeure partie de sa chaleur de vaporisation au cylindre, par rayonnement et convection entre le cylindre et la face 25 ; le gaz froid résultant de la vaporisation est fortement projeté sur la paroi du cylindre, dans la zone d'usinage. La figure 5 montre une variante de réalisation dans laquelle le dispo sitif de refroidissement consiste en une série d'éléments 30 analogues à ltélé- r ment 10 des figures 1 et 2, articulés entre eux par des articulations 31, chaque élément 30 comportant en plus une isolation thermique 32. Ces éléments 30 constituent une surface polygonale, entourent par leurs faces radiantes 33 la pièce à usiner 35. L'articulation 31 peut être avantageusement constituée par une charnue re ou paumelle démontable d'un modèle connu en soi. Grâce à ces articulations on peut disposer autant d'éléments qu'on le désire et les adapter au diamètre de la pièce à usiner. La figure 6 montre une forme de réalisation plus élaborée du dispositif pour réaliser le procédé de l'invention. Ce dispositif 39 comprend un tambour rotatif 40 monté axialement entre deux paliers 41 et 42 dans une enceinte cylindrique 43. Cette dernière présente une fente longitudinale 44 et est revêtue extérieurement d'un calorifugeage 45. Le dispositif 39 est destiné au refroidissement d'un cylindre à usiner 48 et est disposé parallèlement à l'axe de ce dernier contre la surface duquel le tambour 40 est pressé élastiquement par une fixation à ressorts 50. Le tambour 40 contient un évaporateur central 51 ménageant entre sa paroi 52 et celle du tambour une chemise annulaire 53. Le palier 41 est ici un joint tournant traversé par une canalisation54, d'a2enéo du fluide cryogénique; cette canalisation, qui est fixe, traverse de bout en bout le tambour et communique, à l'extrémité opposée au palier 41, avec la chemise -annulaire ;- celle-ci est reliée, par des trous percés dans une extrémité 57 de l'évaporateur, avec l'espace intérieur de celui-ci. L'autre extrémité est reliée par des orifices 60 avec une chambre cylindrique 61 communiquant par des trous ménagés sur son pourtour avec la cavité entourée par 1' enceinte 43. Le tambour 40 comporte un tube 93 qui entoure son axe, tourillonne dans le palier 41 et supporte la canalisation 54. Grâce à cet agencement, le fluide cryogénique arrivant par la canalisation 54 circule dans la chemise annulaire 53 et refroidit ainsi la paroi du tambour 40. Ce dernier, qui est au contact du cylindre 44 contribue ainsi par rayonnement et par conduction au refroidissement de la zone à usiner. Le fluide quitte ensuite la chemise 53 et pénètre dans l'évaporateur 51. Il s'y vaporise et les gaz froids résultants s'échappent par les orifices 60 et le pourtour de la chambre 61 pour arriver au contact du cylindre 48 par la fente 44. La figure 7 montre une autre forme de réalisation, très analogue à la précédente. Les éléments homologues sont indiqués par les mêmes chiffres de référence. Cependant, l'arrivée du fluide cryogénique se fait par le palier 42, directement è extrémité 56 de la chemise 53. Le palier 42, qui forme joint tournant, est intérieur à l'enceinte calorifugée et est donc "froid", alors que précédemment le palier 41 était "chaud". En plus, le fluide provenant de la chemise pénètre dans l'évaporateur par la surface cylindrique de celui-ci. On notera que dans les formes de réalisation décrites et représentées aux figures 6 et 7, ainsi d'ailleurs que dans la variante selon la figure 8, la canalisation 54 d'arrivée de fluide froid est une canalisation fixe pénétrant dans le tambour. Cette disposition permet de simplifier la construction et dispense de l'emploi de joints tournants à très bonne étanchéité. En effet, des fuites peuvent être tolérées dans le dispositif, au niveau du palier correspondant, puisqu'elles se produisent à un endroit où il existe déjà, par construction, une circulation de gaz froid ; en tout état de cause, elles contribuent à l'effet de refroidissement désiré. La forme de réalisation de la figure 8 montre une variante plus simple. Il n'y a pas cette fois d'évaporateur central. Le fluide cryogénique arrive par le tube 54, traversant le palier "chaud't 41 et pénètre dans un évaporateur annulaire 80 disposé dans le tambour 39. Dans cet évaporateur, le fluide suit un parcours plus ou moins long imposé par des chicanes 81, en sort par des trous 82 et vient enfin au contact du cylindre à usiner par la fente 44. La figure 9 représente en coupe transversale un dispositif analogue à celui de la figure 7. Il diffère de ce dernier par l'addition de deux déflecteurs 90a, 91#a, qui guident le long du cylindre à usiner 48a le fluide sortant de la fente 44, ce qui améliore l'échange thermique. Si le cylindre présente un diamètre différent, comme celui représenté en 48b, on utilise d'autres déflecteurs, 90b et 91b, adaptés à ce nouveau diamètre. Des déflecteurs analogues peuvent être adaptés aux dispositifs des figures 6, 7, 8. De tels déflecteurs peuvent également équiper les dispositifs illustrés aux figures 6 à 8. RE'VENIIICBTIONS 1. Procédé de refroidissement cryogénique, notamment pour l'usinage d'objets réalisés dans un matériau mou à la température ordinaire, tel que matière plastique ou caoutchouc, dans lequel on utilise un courant d'un fluide cryogénique, caractérisé en ce qu'on dirige sur la zone d'usinage de l'objet un jet de gaz obtenu par vaporisation de ce courant fluide, cette vaporisation étant effectuée dans le voisinage immédiat de ladite zone et la chaleur de vaporisation étant prise en majeure partie audit objet par rayonnement et par convection forcée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le jet obtenu par vaporisation du fluide cryogénique n'est pas intentionnellement mélangé de gaz ambiant avant qu'il ne bruche la zone d'usinage. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'une partie au moins du courant de fluide cryogénique en cours de vaporisation est maintenu en contact d'échange thermique par conduction avec l'objet à uni ner, en amont de la zone en cours d'usinage0 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on isole thermiquement de l'air ambiant le courant de fluide en cours de vaporisation, en dehors de ses régions d'échange thermique avec l'objet à usiner. 5. Elément évaporateur-radiateur pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte fermée dans laquelle pénètre un canal d'arrivée de fluide cryogénique et dans laquelle est ouvert au moins un orifice pour la projection du gaz provenant de la vaporisation de ce fluide, des moyens de diffusion et d'échange thermique étant disposés entre le débouché du fluide dans l'enceinte et l'orifice de projection, et caractérisé en outre n ce que ladite enceinte comporte une face radiante qui est au contact des moyens d'échange thermique et est adaptée à épouser sensiblement le contour de l'objet à usiner. 6. élément selon la revendication 5, caractérisé en ce que la paroi de l'enceinte, à ltexception de la face radiante, est revêtue d'une isolation thermique. 7. Element selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de diffusion et t 'échange thermique consistent en un serpentin prolongeant le canal d'arrivée du fluide cryogénique et se terminant à l'opposé de l'orifice de projection, et en un remplissage bon conducteur de la chaleur dans 1 'enceinte autour dudit serpentin. 8. Dispositif formé par une série d'élémentsselon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque élément comporte une face radiante sensiblement plane et en ce que lesdits éléments sont articulés entre eux de manière réglable pour que leurs surfaces radiantes, toutes dirigées d'un même côté, constituent une surface polygonale adaptée à épouser le contour de l'objet à usiner. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un tambour rotatif pressé élastiquement contre l'ob- jet à usiner, ledit tambour contenant un évaporateur communiquant en anont avec une chemise annulaire ménagée entre ledit évaporateur et la paroi intérieure dudit tambour, et reliée à une source de fluide cryogénique, et comrauniquant en aval avec des orifices de décharge vers l'objet à usiner. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le tambour est monté dans une enceinte cylindrique calorifugée extérieurement et présentant une fente longitltdinalc adaptée à permettre le contact direct du tambour avec l'objet à usiner. 11. Dispositif selon la revendication 10, caracxtérisé en ce que la chemise annulaire est reliée à la source de fluide cryogénique par une canalisation traversant un des paliers de montage du tambour dans ladite enceinte. 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte de part et d'autre de la fente deux déflecteurs qui suivent sensiblement le contour de l'objet à usiner. 13. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte dans laquelle se produit la vaporisation du gaz liquéfié et qui se trouve en contact avec l'objet à usiner en amont de la zone en cours d'usinage.