Brevet FR2632873A1 — publié le 19891222

- 1 - 3 MELANGEUR INTERNE A ROTORS PERFECTIONNES La présente invention se rapporte aux mélangeurs internes. Plus particulièrement elle concerne la définition du profil des ailes dont sont pourvus ces rotors. Les mélangeurs internes sont des malaxeurs à marche discontinue convenant pour la préparation du caoutchouc et d'autres matières plastiques. Ils comportent une cuve fermée à une ou deux chambres cylindriques communicant entre elles, chaque chambre comportant un rotor.Chaque rotor comporte une ou plusieurs ailes. On caractérise le rotor par son profil (section par un plan perpendiculaire à l'axe de rotation donnant notamment le profil des ailes) et par son diagramme qui est un développement à plat sur un plan parallèle à l'axe de rotation, donnant le positionnement des ailes à la surface du rotor, notamment la position, l'orientation par rapport aux bords, et l'étendue de la zone d'écart minimum entre la paroi de la chambre et la surface du rotor (zone appelée dans la suite "passage au fin"). Le choix et la combinaison du nombre de chambres et du type de rotor dépendent de la composition des mélanges de caoutchouc ou matières plastiques à réaliser. Les mélangeurs internes les plus répandus pour la préparation du caoutchouc non vulcanisé comportent deux chambres et deux rotors non engrenants, tournant en sens opposés à des vitesses différentes. On en voit un exemple dans le brevet US 4 456 381. Le but recherché dans les mélangeurs internes est de forcer les constituants du mélange à passer d'une chambre à l'autre et, à l'intérieur d'une chambre, d'un côté à l'autre, dans le sens axial de celle-ci, et aussi à forcer le mélange à passer entre les pales des rotors et les parois 'de la cuve. Ceci permet de réaliser une macro dispersion des constituants et une micro dispersion des additifs. La macro dispersion est plutôt le fait du transfert de masse de -2- matière entre les chambres de la cuve et des transferts axiaux, c'est-à-dire le long des ailes du rotor dans chacune des chambres, alors que la micro dispersion est plutôt conditionnée par le passage entre l'aile et la paroi de la chambre. Les rotors de mélangeurs internes ont l'inconvénient de présenter, dans la partie de passage au fin, une zone de travail intense de longueur courte, qui sollicite les matériaux de manière brutale et irrégulière, pouvant provoquer des glissements importants ainsi que pour certains élastomères des décohésions accompagnées d'un mauvais état de mélangeage. La figure 1 est une vue d'un profil d'aile de rotor 1 selon lart antérieur. En particulier, on remarque la présence d'arêtes vives 20 qui délimitent de part et d'autre la zone de passage au fin 21. On définit le côté avant du passage au fin 21 en quittant celui-ci dans le sens de rotation du rotor 1 (flèche 11) qui correspond donc au convergent matérialisé par la surface de l'aile en coopération avec la paroi de la chambre 2. A l'inverse, le côté arrière est situé du côté opposé par rapport au sens de- rotation. On remarque également que, en arrière du passage au fin 21, on a un accroissement brutal et important de l'écart entre l'aile 10 et la paroi de la chambre 2. D'autre part les mélangeurs internes connus ne peuvent assurer une bonne maitrise des échanges thermiques lors du cycle de mélangeage. Le but de la présente invention est d'améliorer la micro dispersion obtenue par l'action d'un mélangeur interne, en proposant une nouvelle conception du profil d'une aile de mélangeur interne. Un autre objectif de l'invention consiste à améliorer la capacité d'une aile ainsi optimisée à évacuer les calories dégagées par l'opération de mélangeage. Selon l'invention, le mélangeur interne comportant une cuve de mélangeage constituée par au moins une chambre cylindrique dans laquelle tourne un rotor, ledit rotor comportant au moins deux ailes inclinées en sens opposés, le -3- profil de l'aile définissant avec la paroi de la chambre un convergent puis un divergent, séparés par un passage au fin, est caractérisé en ce que, de part et d'autre du passage au fin, la courbure du profil est sensiblement constante, et en ce que, écarté du passage au fin dans le sens opposé au sens de rotation de l'aile, le profil comporte un décrochement, suivi toujours-dans le sens opposé au sens de rotation, d'un second divergent plus accentué que le divergent compris entre le passage au fin et le décrochement. Un rotor de mélangeur interne perfectionné suivant l'invention est remarquable par le fait qu'il n'existe pas d'arêtes vives dans la partie de passage au fin o se produit la sollicitation la plus intense. En effet la partie- convergente a un profil convexe. Ce profil est sensiblement conservé dans le passage au fin et après celui-ci. Donc le début du divergent, juste en arrière du passage au fin, est très progressif. Il y a un relâchement lent et progressif de la sollicitation au delà du passage au fin, contrairement à la technique antérieure o le passage au fin marque également la rupture de la continuité du profil. Les' profils des ailes des rotors connus présentent donc un convergent, parfois progressif, un passage au fin, puis un divergent important. Le profil proposé par la présente invention présente successivement un convergent progressif, un passage au fin, un divergent progressif, puis une zone de rupture de la continuité du profil, appelée décrochement, suivie d'un divergent accentué. La consultation dés figures suivantes permet de bien comprendre l'invention. La figure 2 montre le profil d'une aile selon l'invention. La figure 3 montre un diagramme d'un rotor de mélangeur interne.- Les figures 4 et 5 illustrent le refroidissement d'une aile selon l'invention. Pour rappel, la figure 1 illustre l'art antérieur. A la figure 2, on aperçoit un rotor 1, une aile 10, et la paroi de la chambre 2 dans laquelle le rotor se trouve 26328-3 -4- disposé. L'aile 10 définit, avec la paroi de la chambre 2, un convergent 23 puis un passage au fin 21. Il y a une distance très nette entre le passage au fin 21 et la zone dite de décrochement 22, séparant un premier divergent 24 progressif, d'un second divergent 25 très accentué. Le convergent Z3 du profil est défini dans un plan perpendiculaire à l'axe du rotor par un centre C et un rayon de courbure R. Le rayon de courbure est constant le long de l'aile. Le centre de courbure C est tel que sa distance à l'axe du rotor O est comprise entre des valeurs 0,1 Ro et 0,6 Ro o Ro est le rayon de la cuve. Le rayon de courbure R est lui compris entre les valeurs 0,4 Ro et 0,7 Ro. Le passage au fin 21 est défini dans un plan perpendiculaire à l'axe par le point A de distance maximale à l'axe du rotor, autrement dit d'écart minimal avec la paroi de la chambre 2. Le divergent 24 juste après le passage au fin 21 comporte un profil conçu de la même façon (rayon de courbure choisi dans le même intervalle). Le point B qui est la trace d'une arête vive, matérialise dans cet exemple le décrochement 22 et est situé à une distance huit fois supérieure au jeu entre le point A et la paroi de la chambre. Ces caractéristiques géométriques ont été déterminées de façon expérimentale et permettent de réaliser, en adoptant le diagramme représenté à la figure 3, d'excellentes performances de macro dispersion et de micro dispersion. Sur ce diagramme, on voit que l'on dispose deux ailes 10 s'étendant dans la direction axiale sur une longueur comprise entre 0.6 Lo et 0.8 Lo, o Lo est la longueur du rotor 1. Les ailes 10 sont inclinées d'un angle compris entre 15' et 30'. Un tel profil permet une sollicitation progressive du matériau entre la paroi de la chambre et le rotor à chaque passage de la matière. Il n'existe plus de sollicitations brutales. Il permet aussi un accompagnement de la matière après le passage au fin qui permet une relaxation du matériau. Un tel profil permet de plus une bonne microdispersion des charges renforçantes. Grâce à cette solution, on évite les décohésions du matériau amenées par des glissements importants à la paroi, observées dans l'art - 5 - antérieur, ce qui permet d'obtenir un meilleur état final de mélangeage. Enfin un rotor 1 de mélangeur interne perfectionné suivant l'invention comporte une chambre 12 de refroidissement localisée de préférence et principalement sous le convergent 23 dans la zone o se produisent les dégagements de chaleur les plus intenses (figure 4 et 5). La totalité du débit de réfrigérant est utilisée pour obtenir un échange thermique optimal, les chambres de refroidissement étant en série, comme cela apparaîlt à la figure 5. Le rotor 1 suivant l'invention offre une résistance mécanique suffisante pour l'installation de telles chambres dans les zones de travail intense du matériau. Il est bien clair que différentes modifications peuvent être apportées aux ailes de mélangeurs internes sans sortir du cadre de la présente invention chaque fois que l'on en reproduira les caractéristiques essentielles portant sur le profil de l'aile 10. -6- REVENDICATIONS 1. Mélangeur interne comportant une cuve de mélangeage constituée par au moins une chambre cylindrique dans laquelle tourne un rotor (1), ledit rotor (1) comportant au moins deux ailes (10) inclinées en sens opposés, le profil de l'aile définissant avec la paroi de la chambre (2) un convergent (23) puis un divergent (24), séparés par un passage au fin (21) , caractérisé en ce que, de part et d'autre du passage au fin (21), la courbure du profil est sensiblement constante, et en ce que, écarté du passage au fin (21) dans le sens opposé au sens de rotation de l'aile, le profil comporte un décrochement (22) suivi, toujours dans le sens opposé au sens de rotation, d'un second divergent plus accentué (25) que le divergent (24) compris entre le passage au fin (21) et le décrochement (22). 2. Mélangeur interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la courbure sensiblement constante de part et d'autre du passage au fin (21) respecte les relations suivantes: 0.1 Ro C est le centre de courbure du profil. 3. Mélangeur interne selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la distance séparant ledit décrochement (22) du passage au fin (21) est supérieure à huit fois l'intervalle compris entre le rotor (1) et la paroi de la chambre (2)'au droit du passage su fin (21). 4. Mélangeur interne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque rotor (1) comporte des moyens -7- de refroidissement internes principalement disposés sous le convergent (23).