Brevet FR2550185A1 — publié le 19850208

TREMPE PAR JET DIPHASIQUE La présente invention se rapporte à la trempe thermique du verre dans des installations de trempe o le verre est soumis à l'action d'un jet gazeux De façon générale, l'invention peut concerner la trempe verticale ou la troepe horizontale de volumes de verre Actuellement, et notamment en matière de vitrages automobiles, on rencontre des réglementations particulièrement sévères visant à garantir aux utilisateurs une marge de sécurité suffisante Des techniques de trempe de plus en plus performantes sont nécessaires pour rendre le verre suffisamment résistant pour satisfaire notamment au rglement n 43 résultant de l'accord des Nations Unies sur les conditions uniformes d'hcmologation et la reconnaissance réciproque de l'hcmologation des équipements et pièces de véhicules à moteur. Les réglementations requièrent qu'après fracture du vitrage, le nombre des fragments de verre contenus dans un carré de 5 x 5 cm à plus de 7,5 cm de point d'impact soit compris entre 40 et 350, les fragments ne dépassant pas 3 cmn en surface, sauf éventuellement dans un rayon de 7,5 cm autour du point d'impact, et que les fragments de forme allongée qui peuvent exister n'aient pas plus de 7,5 cm de longueur. De façon habituelle, pour rendre des feuilles de verre plus résistantes afin de répondre aux réglementations, on les chauffe à une température proche de la température de ramollisement du verre, puis on les refroidit rapidement en soufflant de l'air simultanément sur les deux faces de la feuille, à une vitesse de l'ordre de 200 m/s, avec des débits très importants, pouvant aller jusqu'à 1200 Nm 3 par nm de verre et par minute. On a cherch 6 divers moyens d'améliorer les performances de ce procèd&, à savoir augmenter la vitesse de refroidissement du verre, ce qui favorise l'augmentation de résistance mécanique souhaitée: le refroidissement provoque 1 ' établissement de gradients de température en- tre le centre et la surface du verre, dans toute l'épaisseur de la feuille de verre, ces gradients se maintenant alors que le verre se refroidit au passage de son point de recuit, si bien que des contraintes permanentes de compression sont établies dans les couches superficielles de la feuille de verre, les contraintes latérales se compensant au centre de la feuille. On peut par exemple augmenter le débit d'air, mais on est limité dans cette voie car se pose en contrepartie le problème, quelles que soient les dimensions des vitrages traités, de l'évacuation de l'air soufflé, qui doit être menée sans risque de perturbation du soufflage Il est nécessaire de maintenir dans 1 ' installation la surface libre nécessaire à l'évacuation de l'air soufflé ainsi qu'à celle des calories enlevées par lui au verre Compte-tenu des installations actuelles, ou les équipements de support du verre ainsi que les buses de soufflage occupent déjà une surface inportante, une augmentation du débit, accompagnée d'une augmentation de l'encombrement du aux buses et à l'air soufflé, réduirait encore l'espace disponible à l'évacuation et nuirait à 1 ' efficacité du refroidissement. On a chercté par ailleurs à faire varier les jets d'air dans le temps et dans l'espace (pulsation des jets, oscillation des dispositifs de soufflage) ou à surdensifier le soufflage de certaines zones (alternance de bandes à trempe forte et de bandes à trempe plus faible) Mais cette complication des Moyens mis en oeuvre n'a servi qu'à abaisser, après fracture du vitrage, le nombre d'aiguilles, c'est-à-dire de fragments de plus de 7,5 cm de long. Enfin, connaissant la relation approximative de proportionalité entre l'échange thermique entre l'air et le verre à refroidir et la vitese de cet air, on a également cherché à augmenter la pression d'alimentation des buses de soufflage pour tenter d'obtenir des vitesses d'air plus importantes On a ainsi appliqué des pressions qui autorisent des vitesses soniques, voire supersoniques Toutefois on accroit considérablement les dépenses d'énergie, et les coûts de fabrication tendent à devenir incompatibles avec une fabrication industrielle. Par ailleurs, on cherche de plus en plus actuellement à réduire le poids des voitures, et une voie logique pour tendre à ce but consiste à envisager l'utilisation de vitrages plus minces, d'une épaisseur de 3 mm environ, ou même toins Pour garantir une bonne résistance mécanique de ces vitrages, il est nécessaire de procéder à un refroidissement plus intense et donc de développer des méthodes de trempe plus performantes. La présente invention vise à augmenter la vitesse de refroidissement du verre au cours du processus de trempe, tout en évitant les inconvénients des méthodes précitées En particulier, elle peut être appliquée au cas des feuilles de verre relativement minces d'une épaisseur inférieure à 3 mm environ. Pour cela l'invention propose de souffler sur le verre un mélange possédant une chaleur spécifique accrue par rapport au jet gazeux, généralement d'air, habituellement utilisé Un tel mélange, soufflé par ailleurs avec une pression telle qu'il atteigne le verre avec une vitesse approximativement sonique, peut pcper plus rapidement les calories du verre et par conséquent, le refroidissant plus rapidement, augmenter la résistance mécanique du vitrage. Selon l'invention, on souffle sur le verre un jet gazeux, généralement de l'air, contenant un liquide, dans un état ne risquant pas de perturber le souflage ou d'endommager le vitrage, avec une pression telle que le jet diphasique atteigne le verre avec une vitesse approximativement sonique. Selon une forme préférée de l'invention, le liquide employé est de l'eau soufflée avec le gaz sur le verre alors qu'elle se trouve dans un état finement divisé. Divers impératifs sont à respecter pour un bon fonctionnement du procédé selon l'invention: à la sortie du four, juste avant sa trempe, le verre est à une température de l'ordre de 650 C, à laquelle il est particulièrement fragile La moindre goutte de liquide entrant en contact avec le verre à cette température provoque sa casse. Notamment, dans le cas d'application du procédé selon l'invention à la trempe horizontale de volumes de verre, il apparaît des risques de coalescence ou de chutes incontrôlées de gouttes sur le verre Il faut donc éviter tout contact de surface entre le verre et le liquide et faire en sorte que le liquide soit présent sous forme finement divisée, réparti de façon homogène dans le gaz et pour cela on réalise, selon l'invention, une atnomisation de ce liquide Pour éviter les risques précités, il est avantageux, selon l'invention, de se placer en deçà du régime mouillant et pour un meilleur rendement en limite du régime non mouillant et mouillant. Différents moyens peuvent être mis en oeuvre pour l'atomisation du liquide On peut par exemple utiliser une buse de soufflage du jet gazeux dans laquelle le gaz entre de façon tangentielle par rapport a la buse, et est alors soumis à un " uvement tourbillonnaire; le liquide, pénétrant au sein de ce tourbillon, se trouve alors atomisé. On a trouvé qu'une tuyère d'un genre particulier, dite tuyère de Laval, présentait une conformation convenant particulièrement bien pour la mise en oeuvre du prockd selon 1 ' invention L'invention concerne donc également un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans lequel les rmoyens de soufflage sont des tuyères de Laval Cette tuyère est remarquable notamment, en ce qu'elle a la forme d'une double cône, l'un convergent, l'autre divergent Les calculs d'hydrodynamique en régime sonique montrent qu'au niveau du col de la tuyère, c'est-à-dire de la jonction entre le cône convergent et le cône divergent qui le prolonge, il se forme une onde de choc. En traversant cette onde, le liquide, soumis à une très brusque variation de pression, se trouve littéralement atomisé. Avantageusement, l'invention propose de brancher 1 ' arrivée de liquide légèrement en amont du lieu o' se produit l'onde de choc Le liquide se trouve pratiquement immédiatement atomisé, et le mélange gazliquideatcmisé poursuit son trajet dans la tuyère sans pertes de charges notables, puis est éjecté à une vitesse approximativement sonique, garantissant ainsi les meilleures conditions de refroidissement du verre. L'invention sera décrite plus en détails dans sa réalisation à l'aide des dessins qui représentent: figure 1: un schéma de montage d'un dispositif de treape verticale de feuilles de verre par soufflage d'un jet dipbasique, figure 2: un schéma de montage d'un dispositif de trempe horizontale de feuilles de verre par soufflage d'un jet diphasique, figure 3 a: une coupe schtatique d'un tuyère de Laval, figure 3 b: une vue de profil d'une tuyère de Laval, figure 4: un exemple de réalisation d'un montage permettant la formation d'un jet diphasique. L'installation représentée sur la figure 1 est de type classique et elle comprend un four 1 de chauffage d'une feuille de verre 2 qui doit être trempée La feuille 2 est portée par des pinces 3 suspendues à une barre 4 Celle-ci est elle-même suspendue par des fils 5 à un dispositif convenable de levage de type connu. Le chauffage de la feuille 2, lorsqu'elle est suspendue à la barre 4 dans le four 1 est assuré par les radiations des éléments 1 ' de chauffage montés sur les parois opposées du four 1 en face de la feuille 2. A la sortie du dispositif de chauffage, la feuille 2, après translation de la barre 4, est introduite dans le poste de trempe en position verticale, toujours maintenue par les pinces 3 Le poste de trempe comprend des caissons 6 du type à pression élevée et équipés de tuyauteries d'alimentation reliées a une réserve non représentée de gaz généralement de l'air sous pression Ils sont d'autre part munies d'un certain nombre de tuyères 7 et dans lesquelles, selon le schéma de la figure 4 pénètrent d'une part du gaz sous pression, d'autre part un liquide de façon à obtenir un mélange diphasique en 1 ' état convenant pour 1 ' invention au niveau du col de la tuyère comme cela a été précédauent indiqué Les tuyères 7 sont du type représenté à la figure 3 Elles sont mises en forme par mroulage de polyuréthane autour d'un noyau de la forme de la tuyère habituellement en laiton. Comme cela apparait sur les figure 3 a et 3 b la tuyère présente une première partie cylindrique A de diamètre 11 mm sur une longueur de 10 mi Puis le cylindre se rétrécit en formant un cône B convergent de 20 mm de long jusqu' à atteindre un diamètre de 4 mm sur une longueur de -5 mm, correspondant au col de la tuyère Le col se prolonge par un cône C divergent d'une longueur de 60 mm et dont la base a une largeur correspondant au diamètre du cylindre de départ, soit 11 mm Une gouttière 9 est percée au niveau du col de la tuyère pour permettre l'injection du liquide Son diamètre est de l'ordre de 0,8 ma environ Ces caractéristiques dimensionnelles sont données à titre d'exemple non limitatif. On peut disposer, le long des caissons 6, plusieurs tuyères 7 de ce type, suivant les dimensions des feuilles de verre à tremper. Le montage de la figure 4 indique schématiquement le mode de formation du mélange de gaz, généralement de l'air, et de liquide sous forme très finement divisée. Lorsqu'on souffle le jet diphasique sur le verre, l'injection du liquide non atomisé se fait au niveau du col 8 de la tuyère à l'aide d'un injecteur 10 et d'une aiguille 11 par exemple de diamètre extérieur 0,8 mm dans le cas de la tuyère ayant les dimensions indiquées ci-dessus Afin de régler avec la meilleure précision possible le débit de liquide pour se placer à la limite du régime non mouillant, il s'est avéré avantageux de disposer une vanne 12 de distribution le plus près possible de la tuyère sur le circuit Le liquide est alors injecté transversalement par rapport à l'axe de la tuyère. Pour permettre une vitesse sonique d'éjection du mélange diphasique, il convient d'alimenter les tuyères en gaz sous une pression relative au mtoins égale A 0 910 bar, puisque c'est cette pression qui est génératrice de l'onde de choc Toutefois pour des raisons de commodité de réglage, et étant donné que l'onde de choc est également engendrée par des pressions légèrement supérieures à 0,910 bar, on choisit d'alimenter les tuyères en gaz sous une pression de 1 bar Il est bien entendu possible d'obtenir à la sortie de ces tuyères un nmlange A vitesse supersonique en les alimentant sous une pression plus élevée en gaz, mais pour éviter des dépenses d'énergie et empêcher la formation d'ondes multiples, qui pourraient interagir, on préfère ne rechercher qu'une vitesse sonique et on limite la pression relative d'alimentation des caissons 6 et des tuyères 7 A 1 bar environ Le liquide doit être introduit avec une pression supérieure à celle du gaz. En arrivant dans l'onde de choc le liquide est finement divisé et forme un brouillard de particules ayant un diamètre de l'ordre du micron; le liquide est atomisé. De tels jets diphasiques peuvent être appliqués à la trempe de plaques de verre maintenues en position verticale On décrit ciaprés un exemple de trempe verticale. Le gaz est de l'air et le liquide atomisé est de l'eau Le poste de trempe de la figure 1 est alors placé le plus près possible -de la sortie du four 1 de trempe Un volume de verre 2 de 2,9 mm d'épaisseur sort du four A une tenpérature de 650 C environ par exemple par levage du systrme de préhension 3, 4, et on le place verticalement entre les tuyères 7 La distance entre le verre et l'extrémité des tuyères est de 70 mm On injecte dans les tuyères axialement de l'air sous une pression de 1 bar, et radialement de l'eau avec un débit de 1,1 1/h. Une vanne 13 d'alimentation en eau prélève l'eau sur les circuits usuels de distribution L'air coemprimé est disponible usuellement à une pression d'environ 6 bars On prévoit donc, came cela est indiqué A la figure 4, un détendeur D permettant de passer de 6 bars à 1 bar sur le brandhmaent au circuit général d'air caromprimé. On a pu mettre en évidence dans les conditions de cet exemple les avantages d'un jet diphasique par rapport à un jet simple d'air sonique par comparaison des coefficients d'échange thermique, pour des pressions identiques d'air incident. Pour quantifier l'amélioration apportée par la présence d'un jet diphasique, on a suivi l'évolution des températures au cours du re- froidissement par une tuyère unique, d'un échantillon de verre de 100 x 100 mm et d'une épaisseur de 2,9 mm, l'alimentation en eau étant successivement ouverte puis fermée. On utilise pour cela un cylindre de bronze chaud dont l'axe est dans le prolongement de l'axe de la tuyère et dans l'épaisseur duquel on introduit trois thermocouples reliés à un enregistreur On fait à chaque fois plusieurs mesures à différents niveaux d'épaisseur le long de l'axe du cylindre pour établir une valeur moyenne représentative de l'échange thermique étudié. On relie les valeurs de tem Férature obtenues grâce aux thermn Doeuples, aux coefficients d'échange thermique, grâce à l'équation de Fourier, et on obtient les résultats suivants: jet diphasique: coefficient d'échange thermique: 0,0602 cal/ne "Cs jet simple: coefficient d'échange thermique: 0,0036 cal/m 2 Cs Il apparaît donc un rapport 16 entre les deux coefficients ce qui traduit 1 ' intérêt considérable du jet diphasique et donc du procédk de trempe selon 1 ' invention. Des jets diphasiques peuvent aussi être utilisés pour trelper des plaques de verre disposées horizontalement On décrit ci-après un exemple de trermpe horizontale. On utilise cette fois le dispositif représenté à la figure 2. Des feuilles de verre 14 délivrées à 6500 C par le four de chauffage 15 défilent à plat dans le poste de trempe 16 sur des galets de support 17 portés par un châssis inférieur 18 Un châssis supérieur 19 réglable en hauteur par rapport au châssis inférieur est également équipé de galets 20 de maintien des feuilles de verre -En position de travail, le chassis supérieur 19 est abaissé coume montré à la figure 4, de façon à laisser entre les galets inférieurs 17 et les galets supérieurs 20 seulement l'espace nécessaire au passage des feuilles de verre 14, les galets supérieurs 20 maintenant alors lesdites feuilles de verre appliquées sur les galets inférieurs 17 Les tuyères de soufflage 7 sont intercalées entre les galets et disposées sur les deux faces des plaques de verre Elles sont alimentées d'une manière analogue à celle décrite en relation avec la figure 1. Conme dans l'exemple précédent on se placera en deça du régime mouillant. On peut aussi injecter des quantités d'eau identiques à celles injectées dans 1 ' exemple de trempe verticale. Dans les exemples décrits on a prévu de disposer des tuyères 7 en regard des deux faces des plaques de verre; on peut aussi ne prévoir des tuyères 7 que sur-une seule face. EV Eq DICATIONS 1 Procèdé de trempe de feuille de verre dans lequel on souffle un jet par des tuyères sur au moins une des faces des feuilles de verre, caractérisé en ce qu'on alimente les tuyères sous une pression qui autorise une vitesse au moins sonique du jet à sa sortie des tuyères, ledit jet comprenant un mélange d'un gaz et d'un liquide sous forme finement divisée. 2 Procèdé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est atcmisé par traversée d'une onde de choc produite à l'intérieur des tuyères. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on branche l'alimentation en liquide légèrement en amont du lieu o se produit l'onde de choc. 4 Proc"dé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le débit de liquide injecté est réglé de façon à se placer à la limite du régime non mouillant et du régime mouillant. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les tuyères sont alimentées en un gaz sous une pression au moins égale à 0 910 bar. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide est de l'eau. 7 Procèdé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz est de l'air. 8 Procèd selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit de liquide est de l'ordre de 1,1 1 lh par tuyère. 9 Dispositif de trempe de feuilles de verre convenant pour la rmise en oeuvre du procèdé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 comprenant des tuyères de soufflage fixées sur des caissons sur au moins un coté des feuilles de verre, caractérisé en ce que lesdites tuyères ont la forme de deux cônes inversés, l'un convergent et alimenté uniquement en gaz, l'autre divergent et transportant un jet diphasique comprenant le gaz et un liquide, l'injection du liquide se faisant au niveau de la jonction entre les deux cônes qui forme le col de la tuyère, par une gouttière percée dans une direction radiale par rapport à l'axe de la tuyère. Application du procédé selon les revendications 1 à 9 à la trempe verticale de plaques de verre.