Brevet FR2658332A1 — publié le 19910816

1- La présente invention concerne un dispositif généralement appelé thermorégulateur, destiné à réguler la température d'un outillage de moulage plastique, ou la calandre d'un réacteur, ou autre, au moyen d'un fluide caloporteur mis en circulation forcée par une pompe et dont la température peut être augmentée par la chaleur apportée par une résistance électrique ou diminuée par passage d'un fluide de refroidissement dans un échangeur La commande de quantité de chauffage ou de refroidissement est réalisée par un régulateur électronique suivant les informations qui lui sont fournies, provenant soit d'un thermocouple ou sonde résistive placé sur l'outillage ou la calandre, soit d'une autre sonde mesurant la température du fluide caloporteur en sortie de l'appareil. On connait des équipements de ce genre qui réchauffent ou refroidissent un fluide caloporteur généralement de l'eau constitués, la plupart du temps: d'un réservoir de fluide caloporteur à pression atmosphérique dans lequel sont immergés à la fois une résistance électrique et un serpentin d'eau de refroidissement d'une pompe de circulation qui aspire dans le réservoir et refoule vers l'utilisation d'un ou plusieurs thermostats ou dispositifs analogues de régulation de température d'un ensemble de dispositifs de sécurité (excès de température, niveau visible, sécurité de niveau, ballon d'expansion,soupape clapets anti retour, etc) De tels équipements limités à 90 'C ou 950 C pour éviter l'ébullition de l'eau, sont d'un encombrement et d'une masse assez importants Cette masse en quelque sorte, cette inertie - nuit à la capacité de l'équipement à s'adapter rapidement, en résumé: à sa "nervosité" De plus, les techniques de chauffage électrique et de refroidissement par un serpentin dans de l'eau quasi immobile ne permettent pas d'échanges efficaces Il s'en suit une efficacité faible et des dimensions et coûts importants. La présente invention vise à pallier à ces inconvénients en créant un ensemble qui a, à la fois: un remplissage purge d'air et pressurisation automatiques du circuit de l'eau utilisée comme fluide caloporteur qui permet ainsi l'utilisation au-delà de la température d'ébullition à pression atmosphérique ( 1000 C). une puissance de chauffage et de refroidissement élevée dans un faible volume grâce au mode de construction du réchauffeur et de l'échangeur rassemblés dans un seul ensemble compact à éléments concentriques et dispositions particulières afin d'augmenter les échanges thermiques. L'interversion immédiate grâce à un Jack des capteurs de température situés soit en contact avec le fluide, soit avec l'outillage. Un faible prix de revient grâce à la diminution des volumes et des masses et choix d'un petit nombre de dispositifs de sécurité grâce à une disposition judicieuse. La possibilité de maintenir la circulation dans l'appareil d'utilisation tout en le mettant en dépression Ce mode de fonctionnement est plus particulièrement utilisé en cas de légère fuite sur l'appareil d'utilisation. 2- L'invention sera mieux comprise en se reportant aux différentes figures: La figure 1 représente le schéma général de réalisation de l'ensemble selon l'invention. La figure 2 représente le diagramme des pressions relatives en fonctionnement normal. La figure 3 représente un détail de réalisation avec un pointeau d'obturation La figure 4 représente le schéma général pour le fonctionnement dit "en dépression" La figure 5 représente le diagramme des pressions lors du fonctionnement dit "en dépression" La figure 6 représente en coupe le réchauffeur-échangeur selon l'invention La figure 7 représente l'élément chauffant vu en élévation La figure 8 représente l'élément chauffant vu de dessus l o La figure 9 représente l'ensemble thermocouple et Jack avec fiche Jack non enfichée La figure 10 représente l'ensemble thermocouple et Jack avec fiche Jack enfichée. L'équipement selon l'invention est réalisée selon schéma fig 1 Il comporte au moins 1 groupe motopompe électrique ( 1), un raccordement ( 2) d'eau du retour de l'appareil d'utilisation ( 6) (qu'on appellera par la suite, pour simplifier, "moule") avec un filtre ( 3), un sous-ensemble de réchauffage refroidissement ( 4), monté incliné ou équivalent afin qu'il ne puisse pas \û avoir de poches d'air prisonnières, un raccordement ( 5) d'eau de départ vers le moule, unt raccordement ( 8) avec un filtre ( 7) à l'arrivée de l'eau de refroidissemnt venant d'une canalisation de distribution existante ( 14) à une pression minimum de 2 bar absolus. L'eau de refroidissement venant de la canalisation ( 14) pénètre dans l'enceinte ( 9), puis - 2 o lorsque l'électrovalve ( 10) est ouverte s'écoule à travers le raccordement ( 11), vers l'égout ( 12), ou vers tiun collecteur d'eaux ( 13)- Il comporte encore un purgeur automatique d'air ( 15) situé à la partie haute du sous-ensemble ( 4), et un thermostat de sécurité ( 16) judicieusement disposé par rapport à la résistance électrique de chauffage ( 17). L'équiperment est réalisé de telle manière que le circuit d'eau de refroidissement venant de ( 14) et circulant dans l'enceinte ( 9) vers ( 12) ou ( 13) et le circuit d'eau du moule circulant grâce à la pompe ( 1) de ( 2) vers ( 5) à travers ( 4) soient distincts et étanches sauf en un point ( 18) o un orifice calibré a été ménagé dans ( 9) Il s'ensuit que l'eau du circuit de refroidissement ( 14) peut, à partir de l'enceinte ( 9) se propager vers le circuit de circulation du moule et ainsi le remplir automatiquement La pompe ( 1) qui est en marche permanente balaie le circuit de telle sorte que l'air qui pouvait y être emprisonné est ramené vers le sous ensemble ( 4) et s'échappe en son point haut par le purgeur automatique ( 15). Un régulateur électronique ( 20) reçoit suivant une disposition originale qui sera décrite plus loin, l'information du capteurde température ( 19 bis) situé dans le moule ( 6) ou celle du capteur de température ( 19) situé sur le circuit d'eau de sortie Lorsque la température est insuffisante le relai RI commande par l'intermédiaire d'électromécanique ou électronique adaptées le chauffage des résistances ( 17) A l'inverse si la température risque d'être excessive, non seulement l'ordre de chauffe n'est pas donné, mais c'est le relai R 2 qui commandera l'ouverture de l'électrovanne ( 10) pendant une durée judicieuse - 3 - È La circulation de l'eau froide dans l'enceinte ( 9) refroidit l'eau du circuit du moule Ce refroidissement continue tant que la circulation dans ( 9) est maintenue. Durant les périodes de chauffage ou de refroidissement décrites ci-avant alors que la pompe et la régulation sont en fonctionnement on observe qu'au niveau de l'orifice de communication ( 18), la pression est restée constamment égale à celle régnant dans l'arrivée ( 14) Toutefois, si au cours de l'échauffement, il y a eu dilatation de l'eau du circuit de moule, cet excès de volume a pu s'écouler par le trou ( 18) sans créer de surpression et sans qu'il y ait eu un véritable mélange des deux masses liquides Cette disposition permet ainsi de maintenir le circuit d'utilisation à une pression permanente et assure la sécurité contre les surpressions dues aux dilatations par exemple Elle permet ainsi, l'économie d'une soupape de sécurité dont le rôle serait de limiter la pression dans les circuits Elle permet également d'utiliser dans le circuit moule, de l'eau ordinaire comme fluide caloporteur Il n'y a ainsi dans le circuit moule qu'une très petite quantité d'eau donc une infime quantité de sels ou particules entartrantes d'o augmentation de la longévité du réchauffeur-échangeur et conservation en bon état de circulation et d'échange des canaux du moule Cette disposition qui assure à la fois l'alimentation automatique du circuit et son maintien en pression permet aussi de fonctionner avec des pressions relatives modérées (La pression relative est la pression du fluide par rapport à la pression atmosphérique qui est de environ 1 bar La pression relative est égale à la pression absolue, augmentée de la pression atmosphérique) On a vu que la figure 2 représente le diagramme des pressions relatives dans le circuit du moule. La pression d'alimentation est appliquée au circuit moule grâce à l'orifice de communication (I 18) représenté au point A du diagramme Cette pression qui est celle d'un réseau de distribution est en général comprise entre 3 et 5 bar relatifs. Les segments A B et B C représentent les pertes de charge dans les circuits de refroidissement du moule ( 6). Le segment C D représente la perte de charge dans les tuyauteries de retour et le filtre jusqu'à l'entrée de la pompe Le segment D E représente l'élévation de pression générée par la pompe ( 1). Le segment E A représente la perte de charge dans le réchauffeur ( 4) et les tuyauteries jusqu'à la sortie ( 5). On voit que la pression dans le moule (en A-B et B-C) reste inférieure ou égale à celle du réseau (en A) soit 3 à 5 bar relatifs. La perte de charge (A-B) dans le moule dépend de la disposition géométrique de ce dernier et du débit d'eau dans ses canalisations Le débit d'eau dépend lui-même des caractéristiques de la pompe ( 1) Cette dernière est choisie pour qu'en fonctionnement, la perte de charge totale de A à D soit de l'ordre de 1,5 à 2 bar Il s'en suit que la pression relative en tous points du circuit reste au maxi proche de la pression d'alimentation en A sans devenir inférieure, en aucun point, à 1 ou 2 bar relatifs Cela permet d'atteindre une tefipérature de 4 - fonctionnement supérieure à 1000 C par exemple 120,150 ou plus sans qu'il y ait d'ébullition. Le mode d'alimentation du circuit de moule à partir d'un orifice calibré le mettant en relation limitée avec le circuit d'eau de refroidissement et les avantages qui en découlent: simplicité automaticité de remplissage pressurisation modérée du circuit possibilité de fonctionnement au-delà des températures habituelles d'ébullition de l'eau C o Lu 100 C. font partie intégrante de l'invention. Afin de permettre de poursuivre l'exploitation, par exemple d'un moule à matière plastique qui présenterait une légère fuite au niveau de ses canaux de refroidissement, il est prévu Uin mode de fonctionnement dit "en dépression". On voit en se reportant à la fig 2 que la pression absolue dans le moule est représentée entre A et B et qlue le point de pression mini est D En cas de petite fuite (mise à l'air libre limitée) entre A et B, pour qu'il n'y ait pas d'écoulement effectif de l'eau à l'extérieur, il suffit que la pression absolue en A soit au plus égale à la pression atmosphérique Il faut, d'autre part, qu'en D la pression absolue existe afin qu'il n'y ait pas d'ébullition spontanée Dans la pratique il faut appliquer la pression atmosphérique en A au niveau du trou ( 18) et limiter le débit pour que la perte de charge entre A et D reste inférieure à 1 atmosphère. A cette fin l'équipement selon l'invention présente le moyen d'obturer le trou ( 18) par exemple non limitatif au moyen d'un pointeau ( 21) selon fig 3 représenté ici en position fermée Il faut d'autre part, par exemple selon fig 4, alimenter au droit de la sortie ( 5) avec de l'eau à pression atmosphérique, par exemple au moyen d'une nourrice ( 22) ayant son plan d'eau à la pression atmosphérique raccordée sur le circuit, après passage dans un robinet ou diaphr ianme ( 23 È. Le fonctionnement sera mieux compris en se reportant au diagramme fig 5 Le rôle du robinet ( 23) est de créer, par une fermeture partielle, une perte de charge E' A' telle que: A' D' D' E' pour débit N correspondant à la courbe de fonctionnement de la pompe. Il est entendu que dans ce mode de fonctionnement la température sera ajustée en dessous de 1000 C pour éviter les mises en ébullition dues à la non pressurisation. En variante, d'autres modes d'obturation du trou ( 18), ou la mise en communication du circuit de refroidissement et du circuit moule au moyen d'une tuyauterie munie d'un robinet externes au réchauffeur ( 4) font partie intégrante de l'invention. La présente invention est caractérisée également par la disposition des éléments de chauffage électrique, par la disposition de l'échangeur de refroidissement et par la disposition et la simplicité du dispositif de sécurité contre les risques d'échauffements excessifs locaux ou généraux, qu'ils soient dus - à un manque d'eau à une vaporisation locale due à un manque de pressurisation à une interruption de circulation par obturation des canalisations, panne de pompe, etc. à une augmentation anormale de température suite à une consigne erronée ou défaut de régulation, etc. Les détails de la réalisation donnée à titre indicatif et non limitatif seront mieux compris en se reportant aux Fig 6, 7 et 8. La figure 6 représente, en coupe, le réchauffeur-échangeur ( 4) selon l'invention II est diposé quasi horizontalement avec une légère inclinaison sur l'horizontale représentée en XX 1 o afin qu'une poche d'air éventuelle dans le circuit hydraulique vienne se localiser en partie haute de l'enveloppe ( 24). La dite enveloppe ( 24) est munie en sa partie haute du purgeur d'air automatique ( 15) d'un modèle du commerce. A l'intérieur de l'enveloppe ( 24), réalisée en matériau bon conducteur de la chaleur, par exemple du cuivre, au moins une résistance électrique de chauffage ( 25) en tube blindé, est disposée contre la paroi interne de ( 24) et sa partie d'altitude la plus élevée donc la plus susceptible de se trouver dans un poche d'air est liée thermniquement à l'enveloppe ( 24), par exemple au moyen d'une brasure ( 26) ou tout autre moyen équivalent. Le thermostat de sécurité du commerce ( 16) est appliqué sur la paroi ( 24) juste en face 2 o de la partie d'élément chauffant qui est fixé à l'intérieur. Il résulte des dispositions ci-avant que tout excès d'échauffement par exemple par manque d'eau présence d'air, non circulation, puissance excessive, dépassement de la consigne de sécurité, etc est immédiatement capté par le thermostat de sécurité dont le fonctionnement commlande l'interruption du chauffage. A titre d'exemple non limitatif, l'élément chauffant peut être réalisé avantageusement en tube blindé à gaine cuivre et formé en épingle double selon fig 7 puis mis en forme arrondie s'inscrivant dans l'enveloppe ( 24) selon fig 8 La paroi interne de l'enveloppe ( 24) peut avantageusement être garnie de plusieurs éléments chauffants. Les éléments chauffants ( 25) sont inscrits dans l'enveloppe ( 24) et à l'extérieur de la paroi t( 27 de l'échangeur L'intervalle entre les parois ( 24) et ( 27) est réduit afin d'accélérer la vitesse de l'eau du circuit du moule ce qui a pour avantage d'augmenter considérablement les échanges thermiques et permettre par conséquent, une puissance spécifique élevée sur l'élément chauffant Cette disposition permet à la fois une puissance importante dans un faible volume, et u Lin prix de revient diminué. On voit sur la Fig 6 que l'eau recyclée du circuit moule arrive par le tuyau ( 32) assemblé étanche sur la paroi ( 24) puis passe dans un tube évasé ( 29), puis passe entre les parois ( 29) et ( 28) disposés concentriquement avec un faible jeu, puis passe vite comme exposé cidessus entre la paroi ( 27) les éléments de chauffage ( 25) et la paroi ( 24) La disposition relative des parois ( 28) et ( 29) avec faible jeu oblige l'eau à passer à vitesse élevée. i" 6 - Ceci est prévu pour augmenter les échanges thermiques. L'eau recyclée du moule effectue ainsi un aller-retour et demi et reste sur un long parcours en contact avec l'échangeur de refroidissement De plus, on voit que dans le même espace délimité par le tube ( 24) et le tube ( 27), on peut soit réchauffer, soit refroidir le fluide caloporteur, ce qui constitue une économie de volume et de coût. La partie du circuit de refroidisseur est constituée par deux tubes concentriques étanches et bons conducteurs de la chaleur, par exemple du cuivre, ( 27) et ( 28) fermés chacun à une extrémité, par exemple par un fond bombé et à l'autre, par exemple, par une rondelle ( 35) Un tube de sortie d'eau ( 31) est raccordé étanche sur les deux tubes ( 27) et ( 28) et 1 otraverse la paroi ( 24) d'une façon étanche Il fixe ainsi en position le sous- ensemble ( 27)-( 28) qui d'autre pari se centre sur les petits bossages ( 36) que possède le tube ( 28) A l'autre extrémité un tube ( 3 D) constitué, par exemple, avec 2 coudes pour permettre une certaine liberté de dilatation permet l'arrivée d'eau de refroidissement Afin d'augmenter l'efficacité de refroidissement l'intervalle réduit entre les tubes ( 27) et ( 28) est muni d'une garniture hélicoïdale ( 34) afin d'obliger l'eau de refroidissement à effectuer un parcours hélicoïdal à très grande vitesse L'ensemble de ces dispositions prises séparemment ou en totalité, permettent - comme il est connu en thermique d'augmenter considérablement les échanges. Le mode de construction du corps de réchauffeur échangeur est indiqué à titre d'exemple non limitatif Il est caractérisé par une réalisation étanche, cylindrique en matériaux résistant à la corrosion et à la pression, bons conducteurs de la chaleur et comportant un ou plusieurs éléments chauffants électriques immergés à l'intérieur le long de la paroi, tandis qu'avec un contact thermique efficace, un thermostat situé en extérieur surveille la partie chauffante d'altitude maximum, prévenant ainsi tous risques de surchauffe de quelque origine qu'elle soit et évitant par là même, l'adjonction de dispositifs de sécurité complémentaires. Il est caractérisé par la disposition des résistances électriques autour de l'échangeur. Il est caractérisé encore par le fait qu'il comporte un échangeur spécialement construit avec un parcours aller-retour de l'eau du circuit moule et avec un parcours hélicoïdal de l'eau de refroidissement. Toute variation du mode de construction tel que changement des matériaux, ou du mode de réalisation de tel ou tel détail restent faisant partie intégrante de la présente invention. Il a été indiqué au début du présent texte que l'information de température était transmise au régulateur selon une disposition originale. Il est fait usage ici d'un thermocouple ( 19) à soudure chaude isolée qui, selon fig l, est fixé sur la tuyauterie de départ vers le moule et d'un thermocouple ( 19 bis) qui est fixé sur le moule ( 6) qu'on veut maintenir en température Or l'appareil de régulation ( 20) ne peut prendre en compte que l'information d'un seul thermocouple. Lors du démarrage du chauffage il est préférable d'utiliser le thermocouple ( 19) fixé sur la tuyauterie car le thermocouple ( 19 bis) du fait de la masse à chauffer peut avoir du retard d'indications amenant à des surchauffes locales Mais des que la température de l'outillage est * i A 7- à peu près atteinte, il est préférable de réguler grâce au thermocouple ( 19 ') fixé sur le moule ( 6) Cette opération nécessite en général des débranchements et rebranchements qui prennent du temps durant lequel il faut interrompre le chauffage. Pour éviter cet inconvénient dans la présente invention, une disposition originale représentée fig 9 et 10 est utilisée Le thermocouple ( 19) interne à l'équipement est connecté en permanence à un socle de Jack ( 36) , lui-même connecté en permanence au régulateur ( 20) au moyen des fils ( 37) et ( 38) Le thermocouple ( 19 bis) monté sur l'outillage est muni d'un cordon de raccordement souple terminé par un Jack mâle ( 39) qui lorsqu'il s'enfiche dans le socle fixe ( 36) interrompt le contact ( 40) Cela isole le thermocouple ( 19) et connecte i O immédiatement le thermocouple ( 19 ') Cette interversion immédiate des capteurs de température fait partie intégrante de l'invention Cette disposition peut être étendue à titre non limitatif à tous raccordements de thermocouples ou sondes à résistance platine à 2 ou 3 fils utilisés couramment en thermomesures. i 8 - REVENDICATIONS ) Dispositif de régulation de température d'un outillage ou réacteur au moyen d'eau utilisée comme fluide caloporteur, caractérisé par le mode de construction de l'ensemble réchauffeur-refroidisseur en un seul bloc compact de faible volume, avec disposition des éléments de chauffage électrique en périphérie interne de l'ensemble, avec un lien thermique, permettant à un thermostat appliqué judicieusement sur la paroi externe de l'enveloppe, de capter immédiatement toute élévation de température et constituant ainsi l'organe principal de sécurité. 2 ) Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que l'échangeur de refroidissement est situé à l'intérieur du volume limité par les éléments de chauffage ( 25) 30) Dispositif selon revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le refroidisseur est constitué de deux tubes concentriques ( 27) ( 28) munis entre eux d'une garniture hélicoïdale ( 34) destinée à augmenter la vitesse de circulation de l'eau de refroidissement et par conséquence l'échange thermique. 4 ) Dispositif selon revendications 1-2-3 caractérisé en ce que le fluide caloporteur effectue rapidement un aller-retour le long des parois ( 27) et ( 28) du refroidisseur, dans des sections annulaires réduites, délimitées à l'intérieur par le tube ( 29) et la paroi ( 28), et à l'extérieur par la paroi ( 27) et l'enveloppe ( 24). ) Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que le bloc réchauffeur - refroidisseur placé en position inclinée, comporte à sa partie supérieure un purgeur automatique permettant l'évacuation des éventuelles poches d'air. 6 ) Dispositif selon revendications 1 et 2 caractérisé par la mise en pressurisation du circuit de fluide caloporteur grâce à un orifice de communication ( 18) au travers duquel la pression du réseau d'eau de refroidissement s'applique au circuit de fluide caloporteur permettant ainsi le fonctionnement au-delà de la température d'ébullition à pression atmosphérique. ) Dispositif selon revendications 1-2 et 6 caractérisé par la possibilité de fonctionnement en dépression dans l'outillage ( 6), grâce à la possibilité d'obturation de l'orifice ( 18), à l'alimentation par un réservoir à pression atmosphérique et à la réduction du débit dans l'outillage au moyen d'un robinet ( 23). 80) Dispositif selon revendication 1 caractérisé par un système à Jack ( 36) ( 39), permettant d'intervertir immédiatement un thermocouple ou sonde de température situé soit à l'intérieur de l'équipement soit sur l'outillage à réguler.