Brevet FR2515103A1 — publié le 19830429

La présente invention concerne un dispositif adapté à une tête d'extrusion, destiné au refroidissement d'une feuille tubulaire de matière plastique formée par extrusion. L'invention vise également le procédé pour la mise en oeuvre de ce dispositif. On sait que les articles en matière plastique, par exemple en polyéthylène, de forme tubulaire, tels que les sacs de poubelle, sont réalisés à partir d'une feuille tubulaire en matière plastique extrudée en continu d'une tête d'extrusion dont l'ouverture de sortie est constituée par une fente annulaire. L'expansion en longueur et en diamètre de cette feuille tubulaire est assurée en insufflant de l'air à l'intérieur de cette feuille, à partir de la tête d'extrusion A l'opposé de cette tête d'extrusion, la feuille tubulaire est tirée par des rouleaux. La vitesse d'extrusion et le refroidissement de la feuille tubulaire de matière plastique doivent être réglés de façon que la température de cette dernière ne dépasse pas un certain seuil (de l'ordre de 501 C dans le cas d'une feuille tubulaire en polyéthylène, basse densité), au niveau des rouleaux de tirage. De ce fait, si l'on veut obtenir une vitesse d'extrusion élevée, il est nécessaire de prévoir un refroidissement efficace de la feuille tubulaire extrudée. Dans la technique connue, le refroidissement intérieur de la feuille de matière plastique est obtenu par échange thermique avec l'air qui est' insufflé dans la feuille en cours d'extrusion. Le refroidissement extérieur est assuré généra- lement, au moyen d'anneauxispos és autour de la feuille tubulaire et adaptés pour souffler de l'air de refroidis- sement vers cette feuille. Cependant, le rendement de l'échange thermique entre l'air de refroidissement à l'intérieur et à l'exté- rieur de la feuille tubulaire est médiocre. Ces mauvaises conditions d'échange thermique limitent ainsi la vitesse d'extrusion. Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en créant un dispositif permettant de refroidir efficacement la feuille tubulaire extrudée dans la zone située en amont des rouleaux de tirage, en vue d'augmenter la vitesse d'extrusion. Le dispositif destiné au refroidissement d'une feuille tubulaire de matière plastique, visé par l'in Vention, comprend sur la tête d'extrusion, des moyens pour insuffler un gaz de refroidissement-à l'intérieur de la feuille tubulaire en cours d'extrusion. Suivant l'invention, ce dispositif est caracté- risé en ce qu'il comprend une enveloppe expansible fixée à la tête d'extrusion, de façon à être contenue à l'inté- rieur de la feuille tubulaire formée, des moyens pour insuffler un gaz à l'intérieur de ladite enveloppe, pour permettre l'expansion de celle-ci à l'intérieur de la feuille tubulaire et créer entre cette enveloppe et la feuille tubulaire un espace annulaire, des moyens étant prévus pour réaliser dans cet espace annulaire une circulation de gaz de refroidissement dirigée vers l'extrémité de l'enveloppe opposée à la tête d'extrusion. L'épaisseur de l'espace annulaire créé entre l'enveloppe expansée et la feuille tubulaire extrudée, peut être réglée aisément en ajustant la pression de l'air insufflé dans cette enveloppe. Grâce à cet espace annulaire, le gaz de refroi- dissement circule le long de la paroi latérale de la feuille extrudée, ce qui permet d'obtenir un excellent échange thermique et par suite, un refroidissement très efficace de la feuille Il est ainsi possible d'augmenter notablement la vitesse d'extrusion. Selon une version avantageuse de l'invention, l'enveloppe expansible est reliée à un tube monté de façon coulissante suivant l'axe de la tête d'extrusion, ce tube débouchant à l'intérieur de la feuille tubulaire dans une direction opposée à la tête d'extrusion. Ce tube permet de prélever le gaz de refroidis- sement dans la zone intérieure de la feuille, située à l'opposé de la tête d'extrusion Lorsque le gaz est insufflé à l'intérieur de l'enveloppe, ce tube coulisse librement dans une direction opposée à la tête d'extrusion, de sorte que l'enveloppe s'expanse à la fois diamétrale- ment et longitudinalement. Le refroidissement peut ainsi être réalisé efficacement suivant une grande partie de la longueur de la feuille extrudée. Selon une version préférée de l'invention, l'enveloppe est préformée de façon qu'à l'état expansé, le profil de sa paroi latérale suive celui de la paroi latérale de la feuille tubulaire de matière plastique. L'espace annulaire formé entre l'enveloppe expansée et la feuille extrudée présente ainsi une épais- seur sensiblement constante le long de la paroi de cette feuille, ce qui permet d'optimiser les conditions d'échan- ges thermiques. Le tube peut être un tube souple engagé dans un alésage axial de la tête d'extrusion, son extrémité opposée à l'enveloppe étant enroulée sur un mandrin rotatif situé sous la tête d'extrusion. Ce tube peut être remplacé par un tube rigide télescopique engagé dans l'alésage axial précité de la tête d'extrusion. Dans une réalisation particulièrement perfor- mante, le dispositif comprend une membrane expansible disposée autour de la partie de la feuille adjacente à la tête d'extrusion et fixée à une paroi rigide qui entoure cette membrane, des moyens pour insuffler un gaz à l'intérieur du volume formé par cette membrane et ladite paroi rigide et créer ainsi entre la feuille tubulaire et cette membrane un espace annulaire ouvert dans une direction opposée à la tête d'extrusion, des moyens étant prévus pour insuffler de l'air de refroidis- sement dans cet espace annulaire. Cet espace annulaire permet ainsi d'obtenir un refroidissement efficace de la surface extérieure de la feuille extrudée, qui en combinaison avec le refroi- dissement réalisé à l'intérieur de la feuille extrudée, permet d'obtenir des cadences de production extrêmement rapides. L'invention vise également le procédé pour la mise en oeuvre du dispositif précité. Selon l'invention ce procédé est caractérisé en ce qu'après formation de la feuille tabulaire, on insuffle de l'air dans l'enveloppe expansible disposée à l'intérieur de la feuille tubulaire jusqu'à ce que cette dernière atteigne le diamètre et la longueur souhai- tés et qu'un espace annulaire de faible épaisseur soit créé entre cette enveloppe et la feuille tubulaire, après quoi on insuffle de l'air de refroidissement dans cet espace annulaire. D'autres particularités et avantages de l'in- vention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: la figure 1 est une vue en élévation d'en- semble du dispositif conforme à l'invention, en cours de fonctionnement; la figure 2 est une vue à plus grande échelle et en coupe longitudinale du dispositif dans sa phase initiale de fonctionnement; la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, le dispositif étant en fonctionnement normal; la figure 4 est une vue en coupe suivant le(,plan IV-IV de la figure 3. Dans la réalisation représentée sur les figures annexées, la tête d'extrusion 1 comporte une ouverture de sortie 2 constituée par une fente annulaire d'axe X-X' (voir figures 2 et 3) Dans cette fente annulaire, débouche un canal 3 qui communique avec une extrudeuse non représentée La matière plastique tell que du polyéthy- lène basse densité, est extrudée par cette fente annulaire 2 en une feuille tubulaire 4 (voir figures 1, 3 et 4). L'extrémité de la feuille tubulaire de matière plastique 4 est tirée vers le haut d'une façon en elle- même connue par une paire de rouleaux 5, 6 (voir figure 1) puis est enroulée en continu sur un tamjbour 7. Le dispositif conforme à l'invention destiné au refroidissement de la feuille tubulaire 4 dans la partie comprise entre la tête d'extrusion 1 et les rouleaux de tirage 5, 6, comprend principalement (voir figures 2 et 3) une enveloppe expansible 8 en élastomère, fixée à la tête d'extrusion 1 et contenue à l'intérieur de la feuille tubulaire 4. Ce dispositif comprend d'autre part une tubulure 9 traversant la tête d'extrusion 1, parallèlement à l'axe X-X' et permettant d'insuffler un gaz tel que de l'air à l'intérieur de l'enveloppe 8 pour permettre son expansion. Cette tubulure 9 est raccordée à une source de gaz sous pression, au moyen de vannes 10, il et d'une dérivation 12 permettant de régler la pression du gaz 6 2515103 insufflé à l'intérieur de l'enveloppe 8 - Dans la position expansée (voir figures 3 et 10, il existe entre la feuille ektrudée 4 et l'envelop- pe 8 un espace annulaire 13 dont l'épaisseur peut être réglée en fonction de la pression du gaz insufflé dans cette enveloppe 8. La tête d'extrusion 1 est traversée axialement par un conduit 14 d'amenée de gaz de refroidissement tel que de l'air, débouchant dans l'espace annulaire 13. Dans l'exemple représenté (voir figures 2 et 3), le conduit 14 débouche dans une chambre cylindrique V 4 a disposée autour de l'axe X-X', contre l'extrémité la de la tête d'extrusion 1 Le diamètre de cette chambre l 4 a est légèrement inférieur à celui de la fente annulaire 2 de sortie de'la tête d'extrusion 1 De plus, la paroi latérale de cette chambre V 4 a comporte des ouvertures 14 b pour le passage du gaz de refroidissement. L'enveloppe expansible 8 est reliée à un tube 15 monté de façon coulissante suivant l'axe X-X' de la tête d'extrusion 1 L'extrémité i 5 a de ce tube , opposée à la tête d'extrusion 1, débouche dans le volume intérieur de la feuille extrudée 4 et assure le retour de l'air de refroidissement provenant de la conduite 14 et circulant dans l'espace annulaire 13, le long de la paroi latérale de la feuille extrudée 4. Ce tube 15 peut coulisser vers l'extérieur de la tête d'extrusion 1, sous l'effet de l'expansion en longueur de l'enveloppe 8, réalisée lors de l'insuf- flation du gaz par la tubulure 9 Ce tube 15 est à cet effet engagé dans un alésage axial 16 ménagé dans la tête d'extrusion 1. Dans la réalisation représentée, le tube est en une matière plastique souple identique à celle de l'enveloppe 8 et réalisée d'une seul pièce avec cet- te dernière L'extrémité 15 b de ce tube 15, opposée à l'enveloppe 8 est enroulée (voir figure 2) sur un mandrin rotatif 17, situé sous la tête d'extrusion 1. La paroi du tube 15 est avantageusement munie de renforts annulaires (non représentés) pour éviter son écrasement sous l'effet de la pression du gaz qui est introduit à l'intérieur de l'enveloppe 8. Ce tube 15 peut être remplacé par un tube télescopique et rigide. L'étanchéité entre le tube 15 et l'alésage 16 est réaliséeau moyen d'un joint annulaire 16 a disposé à la sortie de cet alésage 16. Dans la réalisation représentée (voir figure 3), l'enveloppe 8 est préformée de façon qu'à l'état expansé, le profil de sa paroi latérale suive celui de la paroi latérale de la feuille tubulaire de matière plastique 4, notamment dans la partie rétrécie 4 a de cette dernière, adjacente à la sortie de la tête d'extru- sion 1. Ce préformage peut être réalisé en renforçant l'enveloppe 8 par une ou plusieurs couches d'élastomère, comme indiqué en 8 a sur la figure 3. On voit d'autre part, sur les figures 2 à 4, que le dispositif conforme à l'invention, comprend en outre une membrane expansible 18 de même nature que l'enveloppe 8, disposée autour de la partie de la feuille 4 qui est adjacente à la tête d'extrusion 1 Cette membrane 18 est fixée à une paroi verticale rigide 19 qui l'entoure en créant ainsi à l'intérieur de la membra- ne 18, une chambre annulaire expansible 20 Dans cette chambre 20, débouche une tubulure 20 a d'introduction d'air ou autre gaz sous pression. A l'état expansé, comme indiqué sur la figure 3, on crée entre cette membrane 18 et la feuille extrudée 4 un espace annulaire 21 ouvert vers le haut, c'est- à-dire dans une direction opposée à la tête d'extrusion 1. Comme l'enveloppe 8, cette membrane 18 est préformée de façon que son profil suive le plus près possible celui de la partie rétrécie 4 a de la feuille extrudée 4. Dans l'espace annulaire 21 débouche un conduit 22 d'amenée de gaz de refroidissement, tel que de l'air, qui est constitué par un compartiment annulaire disposé autour de l'axe X-X' du dispositif Le gaz de refroidissement est introduit dans ce conduit 22 par l'intermédiaire d'un tuyau extérieur 23 et d'une série de chicanes 24, 25. On va maintenant décrire le procédé pour la mise en oeuvre du dispositif conforme à l'invention, et en même temps, le fonctionnement de ce dernier. Lorsque le dispositif est inactif (voir figure 2), le tube 15 est complètement rétracté dans l'alésage 16, son extrémité 15 b est enroulée sur le mandrin rota- tif 17 et son extrémité évasée 15 a raccordée à l'exvz Lp- pe 8 repose sur le joint annulaire 16 a disposé à l'entrée de l'alésage 16 L'enveloppe 8 proprement dite forme autour de l'extrémité 15 a du tube 15 un demi-tore dont le diamètre extérieur correspond à celui de la chambre perforée 14 a. Dans la position représentée sur la figure 2, la feuille de matière plastique r est en début d'extrusi: l Lorsque cette feuille 4 est suffisamment extrudée,-pour pouvoir être tirée par les rouleaux 5, 6 (voir figure 1) on insuffle de l'air par la tubulure 9 L'enveloppe 8 s'expanse en diamètre et en longueur, du fait que le tube 15 coulisse librement vers l'extérieur de l'alésa- ge 16, en se déroulant du mandrin 17. L'enveloppe 8 prend la position représentée sur la figure 3 Un espace annulaire 13 est créé entre cette enveloppe 8 et la feuille extrudée 4 L'épaisseur de cet espace 13 est réglée en ajustant la pression de l'air au moyen des vannes 10 et 11. On insuffle alors de l'air de refroidissement dans l'espace annulaire 13 par la conduite 14 et les ouvertures 14 b de la chambre 14 a On réalise ainsi une circulation d'air le long de la paroi latérale de la feuille extrudée 4, (voir flèche F 1 figure 3) L'air est évacué à l'extérieur par le tube 15 (voir flèbhe F 1), Cette circulation d'air permet de refroidir très efficacement la feuille extrudée 4, de sorte qu'il est possible d'augmenter la vitesse d'extrusion par rapport à la vitesse permise par les dispositifs connus. Pour accroître encore davantage l'efficacité du refroidissement, on insuffle de l'air par la tubulure a, afin d'expanser la membrane annulaire 18 et créer entre celle-ci et la partie inférieur de la feuile extru- dée 4, un espace annulaire 21 dans lequel on réalise une circulation d'air de refroidissement(voir flèche F 2 figure 3). Le refroidissement de la feuille 4 de matière plastique est ainsi renforcé dans la zone proche de la sortie de la tête d'extrusion 1, c'est- à-dire dans celle o la température de la feuille est la plus élevée. Par ailleurs, la circulation d'air réalisée dans les espaces annulaires 13 et 21, situés de part et d'autre de la feuille 4, permet de guider par des matelas d'air la feuille dans la zone de raccordement entre la partie inférieure rétrécie et la partie supérieure cylindrique de cette feuille. On donne ci-après, à titre d'exemple non limitatif, les caractéristiques d'un dispositif conforme à l'invention destiné à la fabrication en continu d'une feuille tubulaire en polyéthylène basse densité, d'épais- seur égale à 220 microns et de largeur à plat égale à 550 mm, soit un diamètre de 350 mm. Il a été utilisé à cet effet une enveloppe expansible 8 composée de 4 couches superposées de polyéthy- lène réticulé présentant chacune une épaisseur de microns. Le tube 15 présentait un diamètre de 68 mm et était renforcé extérieurement par des anneaux rigides. A l'état expansé, la longueur de l'enveloppe 8 était égale à 3 m. La pression d'air à l'intérieur de l'enveloppe 8 était comprise entre 50 et 250 mbar, ce qui correspond à un diamètre de l'enveloppe compris entre ? 20 et 350 mm respectivement. La pression normale à l'intérieur de l'envelop- pe 8 était de 150 mbar Dans ces conditions, l'enveloppe présente un diamètre égal à 280 mm, ce qui correspond pour l'espace annulaire 13, à une épaisseur égale à mm. L'air de refroidissement a été soufflé dans cet espace annulaire 13 avec un débit de 4 m 3/minute et une surpression très faible (de l'ordre du mbaz). Le refroidissement extérieur a été effectué avec un débit d'air de 18 m 3/heure. Pour une vitesse d'extrusion de la feuille tubulaire 4 égale à 10 m/mn, on a obtenu les résultats suivants: température de la feuille 4, au niveau des rouleaux 5, 6 de tirage: 40 OC hauteur de cristallisation, au- dessus de la tête d'extrusion: inférieure à 300 mm. A titre de comparaison, on obtient dans les mêmes conditions, mais sans utiliser le dispositif confor- me à l'invention pour refroidir l'intérieur de la feuille extrudée 4, les résultats suivants: température de la feuille 4, au niveau des rouleaux de tirage: 500 C hauteur de cristallisation; 600 mm Ces deux valeurs correspondent aux valeurs maximales admissibles pour une vitesse d'extrusion de m/mn. Grâce au refroidissement efficace et peu coûteux en énergie obtenu selon l'invention, il est possible d'augmenter d'au moins 20 % la vitesse d'extrusion de la feuille tubulaire 4, sans dépasser les valeurs maximales admises pour la température de la feuille et la hauteur de cristallisation. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple que l'on vient de décrire et on peut apporter à celui-ci de nombreuses modifications, sans sortir du cadre de l'invention. Dans certains cas, le refroidissement extérieur n'est pas indispensable. Par ailleurs, l'insufflation d'air ou autre gaz de refroidissement, peut être réalisée par des moyens différents de ceux décrits. Les débits et pressions d'air dans l'enveloppe Es n_ m rane 18 peuvent être réglés d'une maniè- re automatique en fonction de divers paramètres précdéter- minés, tellesque la vitesse d'extrusion, les variations des caractéristiques de la feuille de matière plastique 4, la température ambiante etc Par ailleurs, l'enveloppe 8 et la membrane 18 peuvent être préformées pour créer un espace annulaire de refroidissement d'épaisseur variable le long de la paroi de la feuille, en fonction de l'effet de refroidis- sement désiré. De plus, l'invention peut s'appliquer à la réalisation de feuilles tubulaires en matière plastique autre que le polyéthylène basse densité. REVENDICATIONS 1 Dispositif adaptéà une tête d'extrusion ( 1), destiné au refroidissement d'une feuille tubulaire ( 4) de matière plastique formée par extrusion, la tête d'extrusion comprenant des moyens pour insuffler un gaz de refroidissement à l'intérieur de la feuille tubulai- re en cours d'extrusion, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe expansible ( 8) fixée à la tête d'extrusion ( 1) de façon à être contenue à l'intérieur de la feuille tubulaire formée, des moyens ( 9) pour insuffler un gaz à l'intérieur de cette enveloppe ( 8) pour permettre l'expansion de celle-ci à l'intérieur de la feuille tubulaire et créer entre cette enveloppe et la feuille tubulaire un espace annulaire ( 13) et des moyens ( 14) pour réaliser dans cet espace annulaire ( 13) une circula- tion de gaz de refroidissement dirigée vers l'extrémité de l'enveloppe ( 8) opposée à la tête d'extrusion ( 1). 2 Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe expansible ( 8) est reliée à un tube ( 15) monté de façon coulissante suivant l'axe de la tête d'extrusion ( 1), ce tube débouchant à l'intérieur de la feuille tubulaire ( 4) dans une direc- tion opposée à la tête d'extrusion. 3 Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'envelop- pe ( 8) est préformée de façon qu'à l'état expansé, le profil de sa paroi latérale suive celui de la paroi latérale de la feuille tubulaire ( 4) de matière plastique. 4 Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour permettre au tube axial ( 15) de l'envelop- pe ( 8) de coulisser vers l'extérieur de la tête d'extru- sion ( 1), sous l'effet de l'expansion en longueur de ladite enveloppe. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le tube axial ( 15) est un tube souple engagé dans un alésage axial ( 13) de la tête d'extrusion ( 1), son extrémité ( 15 b) opposée à l'envelop- pe étant enroulée sur un mandrin rotatif ( 17) situé sous la tête d'extrusion ( 1). 6 Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le tube axial est un tube rigide télescopique, engagé dans un alésage axial de la tête d'extrusion ( 1). 7 Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que des moyens ( 16 a) sont prévus pour réaliser l'étanchéité entrele tube ( 15) et l'alésage axial ( 16). 8 Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens pour insuffler le gaz de refroidissement à l'inté- rieur de l'enveloppe expansible ( 8) comprennent une tubulure ( 14) d'amenée de gaz débouchant dans une chambre cylindrique ( 14 a) disposée autour de l'axe (X-X') de la sortie de la tête d'extrusion ( 1), le diamètre de cette chambre étant inférieur au diamètre de l'orifice annulaire ( 2) de sortie de la tête d'extrusion, et-la paroi latérale de cette chambre comportant des ouvertures ( 14 b) pour le passage du gaz de refroidissement. 9 Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à B, caractérisé en ce qu'il comprend une membrane expansible ( 18) disposée autour de la partie de la feuille ( 4) adjacente à la tête d'extrusion ( 1) et fixée à une paroi rigide ( 19) qui entoure cette mem- brane, des moyens ( 20 a) pour insuffler un gaz à l'intérieur du volume formé par cette membrane ( 18) et cette paroi rigide ( 19) et créer ainsi entre la feuille tubulaire et cette membrane un espace annulaire ( 21) ouvert dans une direction opposée à la tête d'extrusion ( 1) et des moyens ( 22) pour insuffler de l'air de refroidissement dans cet espace annulaire ( 21). Procédé pour la mise en oeuvre du disposi- tif conforme aux revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'après formation de la feuille tubulaire ( 4) on insuffle de l'air dans l'enveloppe expansible ( 8) dispo- sée à l'intérieur de la feuille tubulaire, jusqu'à ce que cette dernière atteigne le diamètre et la longueur souhaités, et qu'un espace annulaire ( 13) de faible épaisseur soit créé entre cette enveloppe ( 8) et la feuille tubulaire ( 4), après quoi on insuffle de l'air de refroidissement dans cet espace annulaire - 11 Procédé conforme à la revendication 10, caractérisé en ce qu'après formation de la feuille tubulai- re ( 4), on insuffle également de l'air dans la membrane expansible ( 18) disposée autour de la feuille tubulaire ( 4) près de la tête d'extrusion ( 1) et on insuffle de l'air de refroidissement dans l'espace annulaire ( 21) créé entre la feuille tubulaire ( 4) et la membrane expan- sée ( 18).