Brevet FR2502540A1 — publié le 19821001

L'invention concerne d'une manière générale le chauffage de préformes d'articles en matière thermoplasti- que en préparation de l'expansion des préformes pour pro- duire des articles thermoplastiques orientés du point de vue moléculaire. L'invention concerne plus particulièrement le chauffage par rayonnement commandé de préformes au moyen de lampes à quartz à filament de tungstène. Le chauffage par rayonnement est reconnu depuis longtemps comme étant le procédé de chauffage le plus effi- cace par rapport au chauffage par convexion et au chauffage par conduction. Les procédés de chauffage par rayonnement diffèrent des procédés de chauffage par convexion et par conduction par le fait que l'énergie est transmise de la source à l'objet par des ondes électromagnétiques se dé- plaçant à la vitesse de la lumière et que la matière de l'objet transforme l'énergie rayonnante incidente en chaleur. Le chauffage par convexion transmet la chaleur par circula- tion d'un milieu chauffé, par exemple de l'air, entre la source de chaleur et l'objet, et le chauffage par conduc- tion transmet la chaleur en utilisant le flux thermique incrémentiel passant à travers un milieu hautement conduc- teur de la chaleur, par exemple de l'aluminium ou du cuivre. A la différence du chauffage par rayonnement, ces procédés exigent que le milieu transforme l'énergie en chaleur pour établir la transmission de la chaleur et, par conséquent, une quantité excessive de chaleur se perd dans le milieu ambiant. Pour maximiser le rendement du chauffage par rayonnement, il faut faire rayonner des quantités impor- tantes d'énergie ayant des longueurs d'ondes comprises dans les bandes qui sont transmises par la matière et qui pénètrent donc au-delà de la surface de la préforme. Cepen- dant, étant donné qu'un radiateur à corps noir émet toutes les longueurs d'ondes, la mise en oeuvre d'une source pour produire des niveaux élevés d'énergie dans les bandes pas- santes entraîne nécessairement le rayonnement de niveaux élevés d'énergie dans les bandes d'absorption. Un procédé essayé dans l'art antérieur pour éliminer la surchauffe nuisible de la surface qui en résulte autrement consiste à effectuer un échange de chaleur superficiel avec un gaz de refroidissement. Ce procédé présente l'inconvénient de nécessiter la mise en oeuvre de moyens convenables pour produire un écoulement de gaz à une température acceptable. D'autres problèmes se posent lorsque l'on traite des préformes ayant des épaisseurs de parois non uniformes sur la longueur des parties pouvant être orientées. Une solution antérieure pour résoudre ces problèmes consiste à baisser la puissance fournie aux sources dont les sorties sont dirigées principalement vers les parties de parois les plus minces. Cependant, cette solution présente les incon- vénients de provoquer un décalage de la crête spectrale de l'énergie rayonnée vers les lonqueurs d'ondes les plus grandes et de =éduire sensiblement 'Le niveau total du rayon- nement émis. En outre, lorsque l'on a fait fonctionner, dans l'art antérieur, des sources à lampes à quartz de façon continue à des niveaux de puissance d'entrée élevés, on n'a pu obtenir une durée de vie acceptable des lampes qu'en n'en refroidissant les surfaces à l'aide d'un gaz échangeant de la chaleur. L'invention a donc pour objet de commander la transmission de chaleur des sources d'énergie rayonnantes vers des préforrws en matière therraoplastique de manière à tirer avantage du rendement de la transmission de chaleur par rayonnement sans faire appel à un milieu d'échange de chaleur pour la source ou la préforme. L'invention a également pour objet une commande totalement souple du cycle de chauffage d'une préforme, afin que des variations d'épaisseur de la matière et de dimensions de la préforme puissent être aisément prises en compte. L'invention concerne donc un procédé et un appa- reil pour chauffer par rayonnement des préformes de bouteil- les pour boissons en téréphtalate de polyéthylène. Ces pré- formes thermoplastiques doivent être portées à une tempéra- ture connue sous le nom de température d'orientation molé- culaire avant le moulage par soufflage à la forme finale. La forme préférée de réalisation de l'invention comprend des lampes tubulaires à quartz à filament de tungstène et des minuteries de commande du cycle de chauffage. Les lampes sont disposées dans un plan unique et les préformes sont supportées de manière que leurs axes centraux longitudinaux soient parallèles au plan des lampes. Les lampes sont ali- mentées alternativement à des puissances d'entrée de niveaux élevés et de niveaux bas, pendant des périodes de temps programmables indépendamment, tandis que les préformes sont tournées en même temps autour de leurs axes centraux longi- tudinaux. La période globale de chauffage est déterminée de façon indépendante. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une vue partielle en perspective d'un appareil de chauffage par rayonnement de préformes d'articles thermoplastiques, une partie de cet appareil étant représentée schématiquement; la figure 2 est une coupe longitudinale partielle d'une préforme d'article, montrant sa disposition, dans l'espace, par rapport aux éléments de chauffage par rayonne- ment; la figure 3 est un graphique indiquant l'absorp- tion du téréphtalate de polyéthylène par rapport à la lon- gueur d'onde du rayonnement incident; la figure 4 représente schématiquement une coupe de paroi d'une préforme d'article; et les figures 5A à 5C sont des graphiques indiquant la répartition de l'énergie spectrale de corps noirs à plu- sieurs températures et les temps de réponse thermique de diverses sources d'énergie rayonnante. La figure 1 représente l'appareil selon l'inven- tion destiné à chauffer par rayonnement des préformes d'articles en matière thermoplastique. Dans le four conçu conformément à la forme préférée de réalisation de l'inven- tion, des préformes 10 d'articles sont portées par un ensemble comprenant un support 18 et un certain nombre d'ensembles de préhension des préformes comportant des coupelles 14 et des doigts 16. Sur la figure 1, le support 18 est repré- senté en coupe partielle afin de montrer les ensembles 15 de préhension dont l'un est représenté avec arrachement partiel de façon à faire apparaître la partie formée 12 (généralement filetée pour le bouchage) d'une préforme 10. Les coupelles 14 protègent la partie formée 12 des préformes contre les sources de chaleur. Les dispositifs 15 de préhension sont fixés à des broches 20 passant dans des coussinets 21 pour permettre une rotation des préformes pendant leur durée d'exposition aux sources de chaleur rayonnante. Les vitesses de rotation dépendent de l'épais- seur des parties de paroi des préformes et de l'éloignement des préformes par rapport aux sources de chaleur. Dans la forme préférée de réalisation de l'invention, la vitesse de rotation est comprise entre environ 15 et 120 tr/min. L'ensemble 25 de chauffage comprend des éléments chauffants 22 montés dans un châssis 29 de four qui aligne les éléments dans un plan vertical, les éléments 22 étant parallèles entre eux. Les éléments chauffants choisis pour être utilisés dans l'appareil selon l'invention sont dis- ponibles dans le commerce et sont du type comportant des filaments de tungstène logés dans des ampoules tubulaires en quartz. Les lampes choisies ont une puissance nominale continue de 3800 watts sous une tension d'alimentation comprise entre 550 et 600 volts. A ce niveau de puissance, les lampes atteignent une température maximale d'environ 2500 K. (environ 22250C). Les éléments au quartz sont alimentés par une source 24 de courant alternatif dont un côté est connecté aux bornes 23 situées à une extrémité de tous les éléments chauffants 22. L'autre côté de la source 24 d'alimentation en courant alternatif alimente des amplificateurs 26 qui, eux-mêmes, sont connectés séparément aux éléments chauffants 22, par des bornes 27. Chacun des amplificateurs 26 est capable de délivrer les puissances de sortie haute et basse. On a choisi des amplificateurs de commutation commandés en phase, disponibles dans le commerce, incorporant un circuit de protection contre les surintensités destiné à protéger les dispositifs de commutation contre les détériorations risquant autrement de résulter des courants d'appel des filaments froids, caractéristiques des lampes choisies. Le niveau de puissance de sortie élevé est réglé de manière à correspondre à environ 80 % de la puissance nominale conti- nue des lampes pour rendre insensibles les circuits des lampes aux variations de tension de la source 24 et réduire la sollicitation des lampes. Le réglage s'effectue à l'aide d'un dispositif d'entrée 32 à variation continue, par exemple un potentiomètre. La basse puissance de sortie est réglée de manière à correspondre à une valeur comprise entre envi- ron 1 et 10 % de la puissance nominale continue des lampes. Les amplificateurs reçoivent également des signaux d'entrée destinés à sélectionner au niveau haut ou au niveau bas la puissance de sortie. Dans la forme préférée de réalisation de l'invention, ces signaux d'entrée proviennent de minu- teries 28 et 30 pouvant être préréglées indépendamment l'une de l'autre, une minuterie étant destinée à établir la durée d'émission à haute puissance et l'autre minuterie étant destinée à établir la durée d'émission à basse puissance. Le niveau de basse puissance est réglé à un point auquel l'énergie rayonnante émise par les éléments au quartz est insignifiante, en ce qui concerne le chauffage des préformes, point auquel il est maintenu, dans le même temps, une ali- mentation en énergie suffisante des lampes pour réduire les effets nuisibles de fluctuations complètes des cycles ther- miques comme cela se produirait si le courant était totale- ment coupé. Bien que dans la forme préférée de réalisation de l'invention, des minuteries indépendantes 28 et 30 comman- dent la durée d'émission de haute puissance et la durée d'émission de basse puissance pour chaque amplificateur 26, ce qui permet d'adapter le dispositif de commande à une grande diversité de dimensions de préformes d'articles, il est également possible de parvenir à une commande convenable en utilisant une seule minuterie à pourcentage pour chaque amplificateur 26. Dans un tel montage, la durée totale d'un cycle est fixée par le temps établi par la minuterie à pour- centage et la période à haute puissance ou à basse puissance est réglée sous la forme d'un pourcentage de cette période totale. Il est apparu que pour obtenir les meilleurs résul- tats, la période à haute puissance ne doit pas être infé- rieure à la période d'une rotation complète de la préforme. Comme décrit plus en détail ci-après, la vitesse du chauffage par rayonnement est limitée par la conductivité thermique de la matière de la préforme. L'invention tire avantage du fait que les éléments au quartz produisent d'importantes quantités de rayonnement aux longueurs d'ondes transmises par la matière de la préforme. Pendant les périodes de fonctionnement à haute puissance, l'énergie rayonnante est à la fois absorbée et transmise par la matière de la préforme. Etant donné que la densité d'énergie attei- gnant la préforme est la plus élevée à la surface, la période d'exposition de toutes parties de la paroi de la préforme est limitée par l'aptitude de la préforme à conduire la chaleur générée à la surface vers l'intérieur de la paroi. L'intérieur de la paroi est chauffé par les effets combinés de la pénétration de l'énergie rayonnante dans la bande de transmission de la matière, et de la conduction de la chaleur vers l'intérieur à partir de la surface. Pendant la période à basse puissance, la densité d'énergie de l'émission rayon- nante sur la préforme est insignifiante et le chauffage de la partie intérieure de la paroi s'effectue principalement par conduction. Le réglage indépendant des périodes à haute puissance et à basse puissance est utilisé pour tenir compte des variations d'épaisseurs de la paroi. La commande indé- pendante de puissance pour chacun des éléments chauffants constitue un moyen permettant de tenir compte du profil ther- mique des corps des préformes des articles. - La figure 2 montre que les lampes à quartz 22 sont disposées suivant une rangée de manière que les axes centraux des sections des lampes, constituées d'ampoules 86 et de filaments 88, soient contenus dans un plan Pl situé à une distance fixe D de l'axe central longitudinal de la '0254o section partielle 80 d'une préforme 10 s'étendant dans un plan parallèle P2. La distance D et l'entraxe des éléments 22 sont établis pour distribuer l'énergie rayonnant vers la préforme 10 en segments discontinus qui se chevauchent sur le plan parallèle P2. Le chevauchement est indiqué par l'intersection des lignes pointillées des profils d'énergie rayonnante avec le plan P2. Il en résulte une distribution de ces profils d'énergie rayonnante de manière au moins contiguë sur la surface de la partie orientable de la pré- forme 10. Il apparaît que la partie de la paroi de la pré- forme, indiquée en 82, est sensiblement plus mince et en fait plus proche de l'axe central des lampes à quartz 22 que ne l'est la partie 84 en raison du profil conique de la préforme 10. Pour tirer avantage des effets combinés de chauffage par conduction et par rayonnement, tout en tenant compte simultanément de ces variations de distance utile et d'épaisseur de la paroi de la préforme, les minuteries 28 et 30 déterminant les périodes d'émission à haute puis- sance et à basse puissance, pour chacun des amplificateurs 26 commandant l'application d'énergie aux lampes à quartz 22, sont réalisées de façon à pouvoir être réglées indépen- damment. Par conséquent, la densité d'énergie rayonnante sur tout segment de la partie non masquée de la préforme est déterminée. Pour mieux expliquer les effets combinés du chauffage par rayonnement et du chauffage par conduction de la paroi de la préforme, on peut se reporter aux figures 3 et 4. La figure 3 est un graphique donnant le facteur de transmission, en pourcentage en ordonnées, du téréphtalate de polyéthylène en fonction d'un rayonnement ayant des longueurs d'ondes comprises dans la bande d'environ 2 à 14 gm, les longueurs d'ondes étant indiquées en abscisses. Dans la bande des longueurs d'ondes d'environ 2 à 5,5 micro- mètres, à l'exception d'une bande d'absorption située juste au-dessous de 3 gm, le facteur de transmission est supérieur à 80 %. En se référant à présent à la figure 4 et en consi- dérant que la paroi de la préforme est constituée de lames 210 d'une épaisseur égale à celle pour laquelle le facteur de transmission d'un rayonnement d'une longueur d'onde de 2 Nm est d'environ 80 %, on peut voir que presque 10 % du rayonnement incident arrivant à la surface 200 sont transmis à travers une paroi ayant une épaisseur égale à dix de ces lames, le taux d'énergie incidente étant indiqué en abscisses. Par conséquent, en présence de hautes densités d'énergie arrivant à la surface de la préforme et pourvu qu'une partie importante de cette énergie incidente ait une longueur d'onde pouvant être transmise par la matière de la préforme, le facteur de transmission de ces longueurs d'ondes par la matière produit des effets importants de chauffage à l'intérieur de la matière elle-même. Dans le même temps, la conductivité thermique de la matière déter- mine la vitesse à laquelle l'énergie incidente absorbée à la surface et transformée en chaleur à ce niveau est transmise à l'intérieur de la paroi. L'avantage des lampes à quartz à haute tempé- rature, en ce qui concerne la quantité du rayonnement ayant une longueur d'onde dans le proche infrarouge (longueurs d'ondes dans la bande comprise entre environ 1 et 2 gm) peut être mieux apprécié si l'on se réfère aux figures 5A à 5C. Les courbes 42, 44, 46 et 48 du graphique 40 donnent l'énergie rayonnante (WF), telle que mesurée le long de l'axe vertical,-en fonction de la longueur d'onde (À) du rayonnement, indiquée le long de l'axe horizontal. Ces courbes correspondent à la relation définie par l'équation ci-dessous, développée par Plank 2wf h C2 WF hc 5 À (e-13 o WF est l'exitance énergétique w est la constante=3,14159 C est la vitesse de la lumière = 2,9979.108 m/s h est la constante de Plank = 6, 62.10- J.s K est la constante de Boltzman = 1,38.10 23 J/K T est la température du corps en kelvins À est la longueur d'onde de l'émission rayonnante, en Nom. La courbe 42 est tracée pour un corps noir à une température d'environ 2500 kelvins. La courbe 44 est tracée pour un corps noir à une température d'environ 2000 kelvins. La courbe 46 est tracée pour un corps noir à une température d'environ 1800 kelvins et la courbe 48 est tracée pour un corps noir à une température d'environ 1000 kelvins. Tandis que des éléments chauffants à gainage métallique fonction- nent généralement à une température d'environ 1000 kelvins, des lampes à quartz du type utilisé dans la forme préférée de réalisation selon l'invention fonctionnent à une tempé- rature de pointe d'environ 2500 kelvins. Ainsi qu'on peut le voir sur le graphique 40, l'énergie rayonnante de crête pour le corps noir de la courbe 42 est égale à plus de fois l'énergie rayonnante de crête pour le corps noir de la courbe 48 et, ce qui est important, l'énergie rayon- nante de crête pour le corps noir ayant la température la plus élevée apparaît à des longueurs d'ondes beaucoup plus courtes. En particulier, pour un corps noir à une tempéra- ture de 2500 kelvins, l'énergie rayonnante de crête appa- raît à une longueur d'onde d'environ 1,15 Nm, tandis que l'énergie rayonnante de crête pour un corps noir à une température de 1000 kelvins apparaît à une longueur d'onde d'environ 2,9 gm. Les graphiques 41 et 43 des figures 5B et 5C montrent les réponses thermiques de divers éléments chauf- fants. Les axes verticaux donnent le pourcentage de la puissance maximale de sortie et les axes horizontaux donnent le temps, en minutes. Le graphique 41 indique la réponse des éléments chauffants pour passer d'un départ à froid à leur puissance maximale et le graphique 43 donne le temps de réponse des éléments chauffants pour passer de leur puissance maximale à l'état froid. Les courbes 54 et 60 correspondent aux réponses d'éléments chauffants à gainage métallique. Les courbes 52 et 58 correspondent au temps de réponse pour des éléments à tubes de quartz et les courbes et 56 correspondent aux temps de réponse pour les élé- ments à lampes à quartz de la forme préférée de réalisation de l'invention. Il convient de noter que les courbes 50 et 56 correspondant aux lampes à quartz montrent qu'une lampe à quartz froide atteint presque instantanément un niveau de 80 % et qu'une lampe à quartz chaude abaisse sa puissance à un niveau de 20 %, presque instantanément. En conséquence, lorsque les amplificateurs 26 de la figure 1 sont commandés de manière que les périodes d'émission de haute puissance soient sensiblement inférieures à une minute, les éléments à quartz travaillent néanmoins à des températures supérieu- res à environ 2000 kelvins pendant les périodes d'émission à haute puissance. Si l'on se réfère au graphique 40, cette température a pour résultat une émission d'énergie rayon- nante correspondant à celle d'un corps noir tel qu'indiqué par la courbe 44. Ainsi qu'on peut le voir, même au cours de ces courtes périodes d'émission à haute puissance, d'im- portantes quantités de rayonnement ayant une longueur d'onde dans le proche infrarouge sont émises par les éléments de chauffage à lampes à quartz. Une autre caractéristique de ces lampes à quartz est que le tube de quartz est essen- tiellement opaque au rayonnement du filament de tungstène à des longueurs d'ondes supérieures à environ 7 Nom. Par conséquent, la lampe tend à réduire davantage la densité d'énergie d'une certaine partie de l'exitance dans la bande d'absorption à la surface de la préforme. En se référant de nouveau à la figure 1 et en se souvenant qu'il est possible d'utiliser des périodes d'émission à haute puissance sensiblement inférieures à une minute, on peut voir que la commande minutée de l'émis- sion à haute puissance pour chacun des éléments chauffants constitue le moyen le plus efficace pour parvenir au chauf- fage souhaité des préformes d'articles. En particulier, si les éléments chauffants 22 les plus proches de la partie 82 de paroi la plus mince de la figure 2 sont mis en oeuvre à une température réduite, l'émission rayonnante se dégrade, comme indiqué par les courbes du graphique 40, et la répar- tition spectrale de l'énergie rayonnante subit alors un décalage néfaste vers de plus grandes longueurs d'ondes. A la mise en oeuvre du procédé de l'invention en tenant compte des parties de parois plus minces et de leur plus grand rapprochement des éléments chauffants, tout en établissant simultanément la température d'orientation moléculaire souhaitée pour la matière de la partie de paroi plus épaisse, il suffit de régler la période d'émission à haute puissance et la période d'émission à basse puissance pour les ampli- ficateurs correspondants afin de maintenir la température souhaitée dans la partie de paroi plus mince, tout en con- férant la température souhaitée aux parties de paroi plus épaisses. Ainsi, le temps global ou total de chauffage d'une préforme est déterminé par l'épaisseur des parties de sa paroi et par sa distance des éléments chauffants. Il est apparu que, dans le cas de préformes convenant à la production d'une bouteille finie ayant un volume d'environ 0,5 litre et dont l'épaisseur de la paroi est d'environ 3,15 mm, la distance D qui convient le mieux est comprise entre environ 2,5 et 7,5 cm. L'entraxe des lampes dans cette application est d'environ 2,5 cm. Les minuteries sont réglées de manière que la période d'émis-. sion à basse puissance ait une durée inférieure à environ secondes et que la période d'émission à haute puissance ait une durée inférieure à environ 10 secondes, la vitesse de rotation dtant d'environ 18 tr/min. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil pour chauffer par rayonnement, à la température d'orientation moléculaire, une préforme (10) d'article en matière plastique, cette préforme comportant une partie formée (12) et une partie orientable, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble (25) de chauffage comprenant des lampes à quartz (22) montées dans un premier plan (P1) afin que les profils individuels de l'énergie rayonnante des lampes soient répartis sur des segments de plans parallèles au premier plan, des moyens (15, 20) destinés à supporter et faire tourner la préforme par sa partie formée afin que son axe central longitudinal soit contenu dans un plan parallèle (P2) espacé d'une distance (D) du premier plan contiguë, et des-moyens destinés à alimenter alternative- ment les lampes à haute puissance et à basse puissance pen- dant des périodes de temps préréglables et inférieures à environ 30 secondes pour chauffer la partie orientable à la température d'orientation moléculaire. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à alimenter alternativement chaque lampe à haute puissance et à basse puissance compren- nent en outre un élément (32) de commande qui peut être préréglé indépendamment, pour l'alimentation de chaque lampe. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens destinés à alimenter alternativement chaque lampe à haute puissance et à basse puissance compren- nent en outre un amplificateur (26) de commutation de puis- sance commandé en phase et comportant un circuit de protec- tion contre les surintensités. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'amplificateur de commutation de puissance délivre suffisamment de puissance pendant la période à haute puis- sance pour porter la température de la lampe à une valeur comprise entre environ 2000 et 2500 kelvins, et assez de puissance pendant la période à basse puissance pour main- tenir la température de la lampe à une valeur ne dépassant pas environ 1000 kelvins.