Brevet FR2458610A1 — publié le 19810102

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour le traitement thermique de produits filiformes en mouvement, notamment à grande vitesse. Dans la suite de la description, par"produit filiforme", "élement filiforme"ou"fil", on. désigne un élément fin, souple ou rigide, de grande longueur se présentant sous la forme d'un fil. Ces expressions englobent non seulement les fils textiles se présentant sous une forme quelconque (fil mono ou multifilamentaire, filés, assemblage, retors....), mais également tout élément analogue tel que fil chimique : minéral ou organique pouvant ou non être utilisable dans une fabrication textile, par exemple : fibres optiqu Dans tous les procédés de traitement de fils en mouvement exigeant un traitement thermique, le principal problème qui se pose est celui de la transmission calorifique rapide, la chaleur devant pénétrer régulièrement à coeur et de la même manière sur toute la longueur du fil. En effet, comme on le sait, la température du traitement et sa régularité ont une grande influence sur 1-es qualités du fil. Il est bien connu que le traitement thermique varie en fonction de la matière traitée, du titre du fil, de sa vitesse de passage. Ainsi, on conçoit aisément que l'on atteindra plus rapidement le coeur d'un fil fin que celui d'un titre important. De même, on sait que l'on ne peut pas traiter un fil au dessus d'une certaine température plafond sous peine de le dégrader. Cette question d'échange thermique est un point très important dans le domaine de la texturation ou du revêtement par enduction ou polymérisation et les techniciens ont envisagé diverses solutions pour le résoudre en appliquant un des trois grands principes d'échange thermique, à savoir la convection, la radiation, la conduction ou leur combinaison. Toutefois, du fait des vitesses actuelles, il faut augmenter considérablement la longueur des fours de traitement, ce qui augmente la hauteur et l'encombrement des machines, sans compter que ces solutions nécessitent une dépense appréciable d'énergie. Il a également été proposé d'utiliser dans l'industrie textile le principe bien connu du chauffage par haute fréquence ou par hyper fréquence. Si l'application de ce principe donne de bons résultats dans certains cas, par exemple pour le séchage de bobines de fils, le séchage des pièces de tissus ou de bourre, il faut reconnaître que ce procédé ne s'est guère développé dans le domaine du traite- ment des fils, bien que son application ait été envisagée en texturation il y a plus de vingt ans (brevet américain 2 823 513). Le non développement de cette technique, malgré les avantages qu'elle apporte, à savoir la rapidité, le grand rendement énergétique, l'absence de pollution atmosphérique, s'explique sans doute par le fait qu'il est très difficile de réguler la température et d'obtenir un traitement précis, condition indispensable pour avoir un fil de bonne quàlité. En outre, l'emploi des hyper-fréquences nécessite des forts coefficients de surtension et on est alors limité par la stabilité des générateurs actuellement disponibles qui conduisent à des pertes substantielles d'énergie. Comme on le sait, par hyperfréquence désignée parfois aussi UHF (ultra high frequency), on désigne des vibrations comprises entre 900 et 30 000 Megahertz, c'est-à-dire entre 0,9 et 30 GHz. En pratique, on travaille. à 2,45 GHz qui est la bande normalisée en France, mais il va de soi que d'autres fréquences peuvent être également utilisées, notamment si elles sont mieux adaptées au procédé. Il a déjà été proposé de chauffer des fils au moyen d'un rayonnement électromagnétique en microondes, notamment à 2,45 GHz comme décrit dans le brevet américain 3 557 334 de E. I. Du PONT DE NEMOURS. Le problème est celui du couplage onde-fil qui est faible, puisque le volume est faible et que l'on sait que la puissance dis- sipée Pdis =2 Tf -v E2 dans laquelle f désigne la fréquence de l'onde, elles pertes diélectriques du matériau, v son volume et E le champ électrique sur ce matériau. Pour compenser la faible valeur de v, on a cherché à accroître soit la fréquence, soit le champ électrique E. L'accroissement de la fréquence est limitée par les inconvénients suivants : réduction des dimensions de la cavité, ce qui entraîne l'abaissement' du champ de-claquage, absence de générateurs adaptés à ces applications, prix élevé des équipements. Pour accroître le champ électrique E, on peut utiliser une cavité à forte surtension. Mais cela se heurte à deux difficultés majeures. Tout d'abord, la nécessité d'avoir une source d'énergie microondes très stable en fréquence et celle de ne pas dépasser un champ critique au-delà duquel un plasma est excité. L'invention concerne un nouveau procédé qui soit à la fois rapide, économique, précis et efficace et ne présente pas les inconvénients des procédés utilisés jusqu'alors. Le procédé selon l'invention pour le traitement thermique des fils en mouvement par passage dans une cavité résonante à UHF dans laquelle le champ électrique est parallèle au fil en mouvement à traiter, se caractérise en ce que l'on amortit le coefficient de surtension de la cavité par accroissement de ses pertes et on transforme cette énergie d'amortissement perdue en énergie infrarouge produite au voisinage des fils à traiter. De la sorte, le fil en mouvement à chauffer est alors soumis au rayonnement des microondes et à celui des infrarouges. Pour amortir le coefficient de surtension sans perdre l'énergie UHF, on dispose dans l'axe longitudinal de la cavité un matériau tubulaire, au travers duquel passe le fil en. mouvement, présentant des pertes diélectriques. Si le choix de ce matériau est correct, alors comme déjà dit, l'énergie UHF ainsi dissipée dans le tube pourra être récupérée en partie sous forme de rayonnement infrarouge. Comme matériau présentant des pertes diélectriques, on peut utiliser tout produit ayant des pertes importantes en UHF. A titre d'exemple, on peut citer les céramiques, le verre ou autres produits à base de silice. Un technicien peut aisément choisir ce matériau en fonction du prix et des performances désirées. De même, il pourra aisément déterminer expérimentalement en fonction de ces données les dimensions exactes à donner à ce tube et à la cavité résonnante. On obtient de bons résultats avec des céramiques à 30% en silice. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce dispositif pour le traitement des fils en mouvement du type comportant : - des moyens d'alimentation d'un fil à traiter, - un système résonnant comportant : . un générateur à microondes, . un guide d'onde d'excitation destiné à véhiculer l'énergie émise par le générateur jusqu'à la cavité, . un iris de couplage, . une cavité résonnante, . des moyens aptes à faire défiler le fil dans une direc- tion parallèle au champ électrique émis par le généra- teur dans l'axe longitudinal de ladite cavité. - des moyens pour réceptionner le fil traité, se caractérise en ce qu'il comporte en outre un élément tubulaire amortisseur du coefficient de surtension électrique, disposé dans l'axe longitudinal de la cavité résonnante et au travers duquel passé le fil en mouvement, destiné à amortir le coefficient de surtension de la cavité et à transformer cette énergie amortie en infrarouge. Comme déjà dit, cet élément-tubulaire amortisseur est constitué par un matériau présentant des pertes diélectriques importantes en UHF. Il peut être de section quelconque : cylindrique ou autre. Avantageusement, cet élément tubulaire est apte à coulisser coaxialement sur un tube support en matériau non chauffant, par exemple en quartz disposé dans l'axe longitudinal de la cavité. Comme on le sait, une cavité vide de diamètre donné présente une fréquence de résonance f donnée, calculée expérimentalement par application des lois de MAXWELL. Si on excite cette fréquence, toute l'énergie entre dans la cavité où se produit alors des ondes stationnaires entretenues. Si on envoie dans la cavité une fréquen- ce fol différente de jF, l'énergie est d'autant plus réfléchie que fi est différent de f. Lorsqu'on introduit dans la cavité un corps étranger, par exemple un fil en mouvement, on a tendance à faire diminuer la fréquence de résonance. De même, quand le corps étranger s'échauffe les pertes diélectriques augmentent, donc la fréquence de résonance diminue encore. En régime continu, il faut donc que la fréquence émise par le générateur corresponde à celle de la cavité pour pouvoir chauffer, ce qui impose une adaptation permanente de la fréquence de la cavité sur celle du générateur et vice versa. L'invention consiste à introduire dans la cavité un matériau tubulaire présentant des pertes diélectriques, de sorte que l'énergie rayonnée par le générateur soit absorbée par le matériau tubulaire. En d'autres termes, l'introduction de ce matériau tubulaire modifie la forme de la courbe de l'énergie réfléchie en élargissant la bande passante de la cavité. De la sorte, la plus grande partie de l'énergie est consommée par le matériau diélectrique et se transforme en infrarouge, ce qui chauffe le fil en mouvement. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent donnés à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées. La figure 1 représente schématiquement un système résonnant réalisé conformément à l'invention. La figure 2 est une représentation sommaire d'une installation d'enduction de fil mettant en oeuvre de tels systèmes. La figure 3 est une variante d'exécution de l'applicateur selon figure 2. En se référant à la figure 1, le système résonnant selon l'invention se compose : - d'un générateur UHF 1, d'un type en soi connu, par exemple un générateur de 1 KW à 2,45 GHz vendu par la SNEA ou par SAREM, - d'un guide d'ondes d'excitation 2 en forme de parallèlépipède rectangle, - d'un iris de couplage 3 connu dénommé aussi parfois"fenêtre de couplage" destiné à adapter en impédance la cavité de l'applicateur sur le guide d'ondes, - un applicateur 4 cylindrique formant cavité, résonnant par exemple sur le mode TM-à 2, 45 GHz (c'est-à-dire n'ayant pas de champ électrique maximum sur un rayon transversal, mais seulement un maximum au centre qui est constant sur toute la longueur de l'applicateur) ; cet applicateur cylindrique 4 présenté-deux ouvertures 5 et 6 disposées dans l'axe longitudinal passant par son centre, destinées à permettre le passage du fil, - un tube support 7 en quartz traversant la cavité 4 dans le sens longitudinal à travers les ouvertures 5 et 6, - un tube cylindrique 8 en matériau à pertes diélectriques, par exemple en alumine frittée, coaxial au tube support 7, apte à coulisser sur ce tube 7 qui présente un renflement 9 formant butée pour ce tube coulissant 8 (températures atteintes sur le tube 8 entre 800 et 1500 C). Le fil à traiter 10 traverse l'ensemble en passant dans les tubes 7 et 8.. Cette cavité 4, excitée suivant le mode TM-a 2, 45 GHz est réalisée en acier inoxydable ou en tout autre matériau approprié, tel que laiton, duraluminium, cuivre ou autre matériau conducteur, et présente les caractéristiques suivantes : - diamètre intérieur 80 mm - longueur 160 mm - tube 8 en alumine frittée : diamètre intérieur 13 mm diamètre extérieur 16 mm - tube support 7 en quartz : diamètre intérieur 10 mm diamètre extérieur 12 mm La longueur du tube 8 est ajustée à une valeur convenable pour que la cavité puisse être accordée sur le générateur 1 par une simple translation du tube de quartz 7 qui entraîne alors le tube d'alumine 8 grâce à la butée 9. Il va de soi que l'on peut utiliser d'autres types de cavité que la cavité cylindrique décrite, la caractéristique étant que le tube chauffant 8 soit parallèle au champ électrique. A titre d'exemple, on peut utiliser des cavités dites à mode"groove"dé- crites dans la demande de brevet français n 77/13 093 du 6 Mai 1977. De même, d'autres dimensions des tubes d'alumine et de quartz peuvent être choisies pour modifier le volume de la chambre d'utilisation. En pratique, il suffit de déterminer ces dimensions et celles de la cavité pour obtenir un accord de l'ensemble sur la fréquence du générateur par exemple à 2,45 GHz. L'installation comporte également (voir figures 2 et 3) des organes d'alimentation et de. renvidage du fil à traiter. Avec un tel équipement, on a chauffé à2, 45 GHz un fil multi- filamentaire textile synthétique de polyester de titre 150 deniers/46 brins défilant à une vitesse de 700 mètres par minute grâce à un gradient thermique de 10000C par seconde pour une puissance UHF de 300 à 500 W. On a réalisé ainsi un four à rayonnement UHF et infrarouge, dont la stabilité thermique est élevée et est controlable et dont la surtention électrique en charge est faible. Le rendement thermique est excellent et la température de traitement peut être élevée. Ce four remplacerait avantageusement un four classique de texturation de cinq à dix fois plus long, La figure 2 montre une installation pour le gainage de fils au moyen de polymère qui comporte : - un organe d'alimentation Il,. - des rouleaux de renvoi 12,13 et 14, - un bac d'imprégnation 15 destiné à recevoir par exemple un polymère en solution, à travers lequel passe le fil 16 en mouvement, - un premier applicateur 17 réalisé selon les enseignements de la figure 1 destiné à évaporer le solvant de la solution de polymère contenue dans le bac 15, - un second applicateur 19 destiné à durcir l'enduit ou à polymériser celui-ci sur le fil 18, placé en série avec 17, - un organe de renvidage 21 du fil gainé de polymère 20. La figure 3 illustre un mode pratique de mise en oeuvre de cette installation avec deux cavités 22 et 23 montées en série et excitées au moyen d'un seul générateur UHF 24, par exemple de 1 KW de SNEA. Ce générateur 24 est connecté à un premier guide d'ondes 25 qui se divise ensuite en deux guides d'ondes élémentaires 26 et 27 présentant à leur jonction un volet 28 à orientation régla- ble destiné à canaliser et à répartir l'énergie à la demande soit dans le guide 26, soit dans le guide 27. L'équipement selon figures 2 et 3 est adapté au gainage de fils, par exemple pour la production de fils de silice gainés de polyvinylidène utilisables comme fibres optiques. On a pu atteindre ainsi aisément des vitesses de production de 50 à 60 mètres par minute et une répartition de puissance de 300 watts en 26 et 400 watts en 27. Le procédé et le dispositif selon l'invention présentent de nombreux avantages par rapport aux solutions utilisées à ce jour. On peut citer : - possibilité de déterminer avec précision la température de l'élément tubulaire chauffant, donc celle du fil grâce à l'asservis- sement de la puissance émise par le générateur,- - fort gradient thermique entre l'intérieur et l'extérieur de cet élément tubulaire, donc concentration du chauffage infrarouge à l'intérieur de cet élément tubulaire, - possibilité de traiter un fil en mouvement à la fois par infrarouge et UHF, puisque le rayonnement infrarouge permet du fait de l'élévation de température du fil, donc de ses pertes dié- lectriques, un meilleur couplage avec le champ UHF restant ; en outre, possibilité de chauffer en deux phases (voir dispositif de la figure 3), la première cavité 22 équipée de céramique préchauf- fant le fil par infrarouge, la seconde 23, sans amortisseur, chauf- fant ce fil directement par UHF, - possibilité de traiter des fils non polaires, c'est-à-dire ne présentant pas de pertes diélectriques, - possibilité de réaliser une atmosphère controlée à l'inté- rieur de l'élément chauffant, d'y modifier la pression (surpression ou vide) ou d'y faire un balayage gazeux, - possibilité d'utiliser le tube de quartz pour injecter ou recueillir un gaz de traitement complémentaire. De ce fait, on peut utiliser cette technique avec succès pour le traitement thermique des fils en mouvement. A titre indicatif, on peut citer : - le gainage ou l'enrobage des fils, par exemple des fibres optiques, - la thermo-fixation des fils, par exemple lors de la texturation, - la fabrication de fibres de carbone. REVENDICATIONS 1/Procédé pour le traitement thermique de fils en mouvement par passage dans une cavité résonnante à UHF dans laquelle le champ électrique est parallèle au fil en mouvement à traiter, caractérisé en ce que l'on amortit le coefficient de surtension de la cavité par accroissement de ses pertes et on transforme cette énergie d'amortissement perdue en énergie infrarouge produite au voisinage du fil à traiter. 2/Procédé selon revendication 1 caractérisé en ce que l'on dispose dans l'axe longitudinal de la cavité un matériau tubulaire, au travers duquel passe le fil en mouvement, présentant des pertes diélectriques en UHF. 3/Dispositif pour le traitement de fil en mouvement selon l'une des revendications 1 et 2, du type comportant : - des moyens d'alimentation du fil à traiter, - un système résonnant comportant : . un générateur à microondes, . un guide d'ondes d'excitation destiné à véhiculer l'énergie émise par le générateur jusqu'à la cavité, . un iris de couplage, . une cavité résonnante, . des moyens aptes à faire défiler le fil dans une direction parallèle au champ électrique émis par le générateur dans l'axe longitudinal de ladite cavité, - des moyens pour réceptionner le fil traité, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un élément tubulaire amortisseur du coefficient de surtension électrique, disposé dans l'axe longitudinal de la cavité résonnante et au travers duquel passe le fil en mouvement, destiné à amortir le coefficient de surtension de la cavité et à transformer cette énergie amortie en infrarouge. 4/Dispositif selon revendication 3, caractérisé en ce que l'élément tubulaire amortisseur est constitué par un matériau présentant des pertes diélectriques importantes en UHF. 5/Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'élément tubulaire amortisseur est en céramique, en verre ou en un matériau à base de silice. 6/Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que cet élément tubulaire est apte à coulisser coaxialement sur un tube support en matériau non chauffant, disposé dans l'axe longitudinal de la cavité. 7/Dispositif selon revendication 6, caractérisé en ce que le tube support est en quartz. 8/Dispositif selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le système résonnant comporte : - un générateur à microondes, - un premier guide d'ondes, qui se divise ensuite en deux guides d'ondes élémentaires connectés à une cavité résonnante, - et en ce que les deux guides d'ondes élémentaires présentent à leur jonction un volet à orientation réglable destiné à répar- tir l'énergie dans les guides d'onde élémentaires. 1