Brevet FR2611352A1 — publié le 19880902

L'invention concerne un dispositif pour mélanger une matière thermoplastifiée,- comportant un rotor et un sta- tor, qui délimitent entre eux une fente, et dans lequel le rotor et le stator comportent des chambres de mélange qui sont disposées selon des rangées circonférentielles et des rangées axiales, possèdent des configurations identiques et un con- tour allongé en projection horizontale, qui est limité sur le côté avant et sur le côté arrière par un demi-cercle possé- dant un rayon directeur, et dans lequel en outre le nombre de chambres de mélange dans les rangées circonférentielles ainsi que dans les rangées axiales du rotor d'une part et du stator d'autre part est le même et les rangées circonféren- tielles des chambres de mélange du rotor sont décalées par rapport aux rangées circonférentielles des chambres de mélan- ge du stator, d'une distance égale à la moitié de la longueur des chambres de mélange. Des dispositifs possédant la constitution indiquée précédemment et destinés à être utilisés dans le but décrit sont raccordés à une extrudeuse à vis, dans laquelle la matiè- re thermoplastique est plastifiée, ou bien sont montés en tant que section d'une telle extrudeuse à vis. Il va de soi que le stator peut être formé par la réunion d'anneaux ou de manchons annulaires qui sont insérés dans un cylindre. Il en- tre dans le cadre de l'invention que les chambres de mélange, disposées au niveau des extrémités avant et arrière dans les rangées axiales peuvent différer lesunes des autres sur le côté avantetlecôté arrière et des autres chambres de mélange, lors- que la géométrie du rotor ou du stator l'impose, et ce par exemple parce que le rotor possède des éléments de jonction coniques à son extrémité- ou en direction de l'arbre de vis associé et que le stator y est adapté. Dans le dispositif connu du type indiqué plus haut (WO 85/01911), les chambres de mélange du rotor possèdent une profondeur supérieure à celle du stator. Elles possèdent en général, en coupe radiale, une forme en arc de cercle, mais il n'existe aucune relation fixe par rapport au rayon direc- teur défini précédemment. Le degré de mélange, défini comme étant le quotient de l'homonogénéisation obtenueparl'énergie 2 2Z611352 dépensée, n'est pas satisfaisant. Dans le produit extrudé il subsiste fréquemment des cellules pour ainsi dire non mélan- gées ou mal mélangées. C'est le cas notamment lorsqu'on exé- cute l'introduction d'additifs en mélange, à l'aide de ce dis- positif. Les conditions sont semblables dans d'autres dispo- sitifs connus utilisés dans le même but décrit (GB 930 339), dans lesquels les chambres de mélange possèdent un contour en projection horizontale, approximativement rectangulaire, tandis que leur section radiale possède une forme comprise entre celle d'un rectangle et d'un trapèze. Afin d'améliorer le degré de rendement, il est connu, dans un autre dispositif utilisable dans le but indiqué (EP 00 48 590), de travailler avec des chambres de mélange de forme plus ou moins hémisphé- rique et qui sont décalées les unes par rapport aux autres non seulement du point de vue de leurs dispositions dans le rotor et dans le statojr, mais également à l'intérieur du ro- tor et à l'intérieur du stator. Grâce à ce décalage multiple et à la configuration hémisphérique des chambres de mélange, on obtient assurément une amélioration du mélange, et la dé- pense du point de vue énergie est élevée. Dans le cadre de ces dispositions connues il n'est en général pas exclu de tra- vailler avec des chambres de mélange allongées, mais aucune indications n'est donnée sur la manière d'arriver à un bon mélange pour une faible dépense d'énergie. L'invention a pour but de développer un dispositif du type indiqué de manière à obtenir un degré de mélange net- tement amélioré, et ce dans le cadre d'une faible dépense du point de vue technique de fabrication. Ce problème est résolu conformément à l'invention grâce au fait que les chambres de mélange sont réalisées sous la forme de gouttières, dont la section transversale est en forme d'arc de cercle possédant un rayon égal précisément au rayon directeur et dont la profondeur est inférieure à ce rayon directeur, que les chambres de mélange possèdent une longueur correspondant à une valeur comprise entre le triple et le qua- druple du rayon directeur, que les barrettes situées entre les chambres de mélange dans la surface du rotor et du stator pos- sèdent une largeur inférieure à la moitié du rayon directeur et que la largeur de la fente de cisaillement présente entre la surface du rotor et la surface du stator est choisie de manière à fournir une vitesse de cisaillement suffisamment élevée. Le terme "rayon directeur" signifie que ce rayon dé- termine la géométrie décrite des relations en tant que para- mètre directeur. De façon étonnante, l'accord décrit sur le rayon directeur permet d'obtenir également une amélioration importante du degré de mélange: à l'état plastifié, une ma- tière thermoplastique se présente dans l'état d'un liquide, mais d'un liquide d'un type particulier. Dans le cas d'une matière plastique thermoplastifiée, les conditions d'écoule- ment sont extraordinairement complexes (Schenkel"Kunststoff- Extrudertechnik", 1963, pages 93 à 104). Le mélange intime dans un liquide s'écoulant facilementoudans un gaz est parti- culièrement intense lorsque la forme de l'écoulement corres- pond à celle d'un écoulement turbulent. Dans le cas d'une ma- tière plastique thermoplastifiée, la formation d'une turbu- lence est affectée par la viscosité élevée. Conformément à l'invention, de façon étonnante, on obtient un mélange intime comme dans le cas d'une turbulence isotrope homogène dans un gaz ou dans un liquide. Ceci est imposé par la géométrie par- ticulière. Dans le dispositif conforme à l'invention, les cham- bres de mélange sont disposées selon un degré d'ordonnance- ment trèsstrict. Leur géométrie est réglée sur le rayon direc- teur. Ceci est valable notamment également pour la longueur. En fonction de la viscosité de la matière plastique thermo- plastifiée, il faut régler, lors de la conception du disposi- tif, une largeur variable de la fente de cisaillement, qui peut être déterminée aisément à l'aide d'essais. De façon éton- nante, conformément à l'invention, la matière plastique ther- moplastifiée ne reste pas à l'intérieur des renfoncements. La turbulence est un problème de stabilité. Elle apparaît pour des valeurs caractéristiques déterminées du système. Dans une certaine mesure on peut comparer la turbulence à un phénomè- ne de résonance. En dehors des vibrations de résonance, on connaît en physique également les vibrations forcées. On part du fait que, conformément à l'invention, une turbulence for- cée est établie en fonction des conditions marginales ou ad- ditionnelles. La longueur des chambres de mélange ainsi que les parties arrondies revendiquées, qui se raccordent d'une manière adaptée au rayon directeur, présentent une importance particulière. Conformément à une forme de réalisation préférée de l'invention, les chambres de mélange sont séparées les unes des autres, dans la direction axiale, par une distance qui correspond environ au tiers du rayondirecteur.S'il s'agit d'un dispositif qui est conçu pour une puissance usuelle dans la technique des matières plastiques, il est recommandé à de nom- breux égards que, dans le cas o le diamètre du rotor estégalà environ 100 mm, le rayon directeursoit choisi dans la gamme des valeurs de 10 à 20 mm et soitégalde préférence environ- à mm. La longueur des chambres de mélange peut être modifiée de la manière indiquée. Conformément à une forme de réalisa- tion préférée de l'invention, on choisit la longueur des cham- bres de mélange supérieure lorsque la profondeur des gouttiè- res diminue. Il entre dans le cadre de l'invention que le sta- tor possède un dispositif de chauffage qui soit réglable éven- tuellement par zones, sur une température de mélange prédé- terminée pour la matière plastique thermoplastifiée. De cette manière on peut régler ou maintenir la viscosité lors de l'opé- ration de mélange. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente la vue en élévation laté- rale d'un rotor d'un dispositif conforme à l'invention; - la figure 2 représente une coupe de l'objet de la figure 1, prise dans la direction AA; - la figure 3 représente à plus grande échelle la partie B de l'objet de la figure 2; - la figure4 représente, à une échelle accrue par rapport à celle des figures 1 et 2, une coupe longitudinale d'une partie du stator d'un dispositif conforme à l'inven- tion; et - la figure 5 représente une coupe de l'objet de 261135Z la figure 4, prise dans la direction C-C. Le dispositif représenté sur les figures peut être. raccordé à une boudineuse ou ce qu'on appelle une extrudeuse à vis. Mais il peut être également réalisé en tant que sec- tion d'une telle extrudeuse à vis. Les diamètres du stator 1 et du rotor 2 peuvent être nettement supérieurs à ce qui correspond au diamètre de la vis ou au diamètre du cylindre de l'extrudeuse à vis. Le dispositif sert à mélanger des ad- ditifs, d'autres matières plastiques ou analogues à une ma- tière plastique thermoplastifiée. La structure de base inclut le rotor 2 et le stator 1, qui délimitent entre eux, à l'état monté, une fente de cisaillement 3. Le rotor 2 ainsi que le stator 1 possèdent des chambres de mélange 4 disposées sui- vant des rangées circonférentielles et suivant des rangées axiales et qui, lorsqu'on regarde dans la direction radiale, possèdent un contour allongé en projection horizontale, avec des flancs 5 s'étendant dans la direction axiale. Toutes ces chambres de mélange 4 sont identiques entre elles, en dehors des chambres de mélange 4, qui sont situées à l'avant sur le rotor 2 et sur le stator 1, et des chambres de mélange 4, si- tuées à l'arrière sur le rotor 2 et sur le stator 1, ces cham- bres de mélange pouvant être agencées différemment étant donné qu'en ces endroits se trouvent disposées les parties coniques 6 du rotor 2 et du stator 1. La disposition est en outre telle que le nombre des chambres de mélange 4 dans les rangées cir- conférentielles ainsi que dans les rangées axiales du rotor 2 d'une part et du stator 1 d'autre part est le même. Les ran- gées circonférentielles du rotor 2 sont décalées de la moitié de la longueur L des chambres de mélange 4, par rapport aux rangées circonférentielles du stator 2. Lorsque l'on compare les figures 1 et 4, on voit que les chambres de mélange 4 possèdent un contour en projec- tion horizontale, qui est limité sur son avant et sur son ar- rière, par un demi-cercle de rayon directeur R. Sur les fi- gures 2 et 5 on voit que les chambres de mélange 4 sont réa- lisées sous la forme de gouttières qui possèdent une forme en arc de cercle en coupe radiale et dont le rayon est égal précisément au rayon directeur R. De même la profondeur T des gouttières est réglée d'une manière adaptée au rayon direc- teur. A cet effet on se reportera notamment à la figure 3. On voit que la profondeur T des gouttières est inférieure à la valeur correspondant au rayon directeur R (TZR). Les chambres de mélange 4 possèdent une longueur L correspondant à une valeur située entre le triple et le quadruple du rayon directeur R (L = 3R à 4R). Dans l'exemple de réalisation on a L = 50 mm. Les barrettes 7 présentes entre les chambres de mélange 4 au niveau de la surface du rotor 2 et du stator 1 possèdent une largeur B qui est inférieure à ce qui corres- pond à la moitié du rayon directeur R (B ZR/2). On n'a pas représenté la largeur W de la fente de cisaillement entre les surfaces du rotor et du stator (elle ne peut pas être repré- sentée sur le dessin pour des questions d'échelle de mesure). Elle est réglée de manière à être inférieure à R/2 et de pré- férence inférieure à R/4. Sur les figures 1 et 4 on voit que les chambres de mélange 4 sont séparées, dans des directions axiales, par une distance A qui correspond approximativement au tiers du rayon directeur. Dans l'exemple de réalisation, le diamètre D du rotor peut être égal à environ 100 mm. L'agencement est tel que le rayon directeur R possède une valeur située dans la gamme de 10 à 20 mm et est égal de préférence à environ mm. La longueur L des chambres de mélange 4 doit être choisie plus grande lorsque la profondeur T des gouttières diminue. A l'état monté, le stator 1 possède en général un dispositif de chauffage qui peut être réglé, éventuellement par zones, sur une température prédéterminée de mélange pour la matière plastique thermoplastifiée. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour.mélanger une matière thermoplas- tifiée, comportant un rotor (2) et un stator (1), qui délimi- tent entre eux une fente (3), et dans lequel le rotor (2) et le stator (1) comportent des chambres de mélange (4) qui sont disposées selon des rangées circonférentielles et des rangées axiales, possèdent des configurations identiques et un con- tour allongé en projection horizontale, qui est limité sur le côté avant et sur le côté arrière par un demi-cercle pos- sédant un rayon directeur (R), et dans lequel en outre le nombre de chambres de mélange (4)-dans les rangées circonfé- rentielles ainsi que dans les rangées axiales du rotor (2) d'une part et du stator (1) d'autre part est le même et les rangées circonférentielles des chambres de mélange du rotor sont décalées par rapport aux rangées circonférentielles des chambres de mélange du stator, d'une distance égale à la moi- tié de la longueur des chambres de mélange, caractérisé en ce que les chambres de mélange (4) sont réalisées sous la forme de gouttières dont la section transversale est en forme d'arc de cercle possédant un rayon égale pré isément au rayon directeur R) et dont la profondeur (T) est inférieure à ce rayon directeur (R), que les chambres de mélange (4) possèdent une longueur (L) correspondant à une valeur com- prise entre le triple et le quadruple du rayon directeur (A), que les barrettes (7) situées entre les chambres de mélange (4) dans la surface du rotor (2) et du stator (1) possèdent une largeur (B) inférieure à la moitié du rayon directeur (R) et que la largeur (W) de la fente de cisaillement pré- sente entre la surface du rotor et la surface du stator est choisie de manière à fournir une vitesse de cisaillement suf- fisamment élevée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que les chambres de mélange (4) sont séparées les unes des autres, dans la direction axiale, par une distance (A) qui correspond environ au tiers du rayon directeur (1). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans le cas o le diamètre (D) du rotor (2) est égal à environ 100 mm, le rayon directeur (R) est choisi dans la gamme de valeurs de 10 à 20 mm et est égal de préfé- rence environ à 15 mm. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce qu'on choisit la longueur (L) des chambres de mélange (4) plus grande lorsque la pro- fondeur (T) des gouttières diminue. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 & 4, caractérisé en ce que le stator (1) possède un dispositif de chauffage qui est réglable, éventuellement par zones, à une température de mélange prédéterminée pour la matière plastique thermoplastifiée.