Brevet FR3108866A1 — publié le 20211008

SYTEME DE REFROIDISSEMENT POUR MELANGEUR DE CAHOUTCHOUC ET MELANGEUR UTILISANT UN TEL SYSTEME . L’invention porte sur un système de refroidissement qui comprend un rotor 1 monté sur une broche 10, le rotor formant avec la broche une chambre 27 de refroidissement dans lequel un liquide de refroidissement est amené puis évacué par un circuit de refroidissement 30-37 formé dans la broche. Figure pour l’abrégé : figure 6 Système de refroidissement de caoutchouc et mélangeur utilisant un tel système. L’invention se situe dans le domaine des mélangeurs de laboratoire et notamment des mélangeurs à cylindres bis. Les mélangeurs à cylindres sont utilisés pour mélanger de petites quantités de matières sensiblement visqueuses, notamment des plastiques ou des caoutchoucs. Par exemple, dans certains cas, l’objectif est d’homogénéiser un mélange composé de caoutchouc et d’un additif complémentaire, et ce de manière automatique. De tels mélangeurs comprennent une chambre de mélangeage et, dans cette chambre, deux rotors tangentiels entre lesquels est introduite la matière à malaxer. Ces rotors sont montés synchrones et contrarotatifs, autour d’axes respectifs parallèles entre eux. Les rotors comprennent des ailes par lesquelles les matières à mélanger sont malaxées. De tels mélangeurs sont notamment connus des document FR 2 736 561 (A1) et EP 0 346 680 0 (B1). Comme particulièrement illustré par le document EP 1 383 593 (B1), on préfère utiliser pour chaque rotor, un rotor comprenant 4 ailes alternativement grande et petite. L’invention porte plus particulièrement sur un mélangeur utilisant deux rotors sensiblement identiques entre eux et disposés tête bêche, chaque rotor comprenant deux petites ailes alternant avec deux grandes ailes. Dans une première phase, les matières subissent un mélangeage distributif, c’est-à-dire à l’échelle macroscopique. Les ingrédients se répartissent uniformément dans la cuve du mélangeur ; les matières cheminent entre les différentes ailes des rotors. Dans une seconde phase, les matières subissent un mélangeage dispersif. Les matières sont chacune réduite à l’échelle microscopique. Dans une troisième phase de mélangeage, le mélange est laminé lorsqu’il passe au fin, là où l’espace est étroit, notamment entre la cuve et le sommet d’une aile ou entre deux ailes de rotors respectifs. Là, le couple associé à la rotation des rotors provoque un allongement des différentes couches du mélange, rendant le mélange laminaire. Il apparait aussi nécessaire de maintenir une température convenable dans la chambre de mélangeage. Un but de l'invention est de proposer un système de mélangeur et un procédé de malaxage associés qui permettent d’optimiser les phases de mélangeage, notamment le mélangeage distributif et le mélangeage dispersif. Il apparait que lors du mélangeage distributif, lorsque l’on utilise un rotor qui comprend deux grandes ailes et deux petites ailes alternes, le ratio de longueur entre grandes et petites ailes, ainsi que l’angle développé formé par chacune des ailes, revêtent une importance toute particulière. Il apparaît aussi que lors du mélangeage dispersif, la forme de la pointe de l’aile affecte fortement la qualité du mélange. Un grand angle formé avec la tangente cisaille peu la matière et favorise la distribution globale du mélange au sein de la chambre de mélange ; un petit angle formé avec cette tangente favorise une meilleure dispersion mais les contraintes de cisaillement et les contraintes normales augmentent. Il apparaît que lors du laminage, la forme sommitale des ailes a une importance particulière. Un deuxième but de l’invention est de proposer des moyens qui permettent de réguler la température dans la chambre. Selon un premier objet de l’invention, un rotor pour mélangeur de matière, notamment pour former un caoutchouc, et prévu pour être monté en rotation autour d’un axe longitudinal comprend deux grandes ailes et deux petites ailes sensiblement hélicoïdales dont une géométrie, dans une section transversale courante est définie à partir d’une droite de base et une médiane perpendiculaires entre elle et sécantes entre elles sur l’axe longitudinal, par une lignes de géométrie formée d’une succession de segments dont un segment d’approche et un segment sommital tels que : - le segment sommital s’étend perpendiculairement à la médiane à une distance égale à K.R9 (K fois R9) de l’axe longitudinal sur une distance égale à K.LS3, où : - R9 est compris entre 55 et 70 millimètres, de préférence sensiblement égal à 60 millimètres ; et, - LS3 est compris entre 1 et 5 millimètres, de préférence sensiblement égal à 2 millimètres ; - le segment d’approche s’étend dans le prolongement et à l’avant du segment sommital, dans le sens de rotation normal du rotor, il est circulaire et de rayon K.RS2 autour d’un centre CS2 porté par la médiane, où RS2 est compris entre 20 et 23 millimètres, de préférence sensiblement égal à 23 millimètres ; où K est un coefficient de proportionnalité de préférence compris entre 0,8 et 2, de préférence environ égal à 1. De préférence, le segment d’approche s’étend en-deçà d’une droite intermédiaire formant un angle avec la ligne de base et autour de l’axe longitudinal, cet angle étant compris entre 70 et 80 degrés d’angle, de préférence sensiblement égal à 75 degrés. De préférence, la ligne de géométrie comprend en outre un segment de pré-approche qui s’étend dans le prolongement et à l’avant du segment d’approche, circulaire et de rayon K.RS1 autour d’un centre porté par la ligne de base, où RS1 est compris entre 70 et 75 millimètres, de préférence sensiblement égal à 72 millimètres. Avantageusement, la ligne de géométrie comprend en outre un segment de fuite et un segment post-fuite tels que : - le segment post-fuite est circulaire, de rayon RS1 autour du point d’intersection entre la ligne de base et la médiane et s’étend, à l’arrière de la médiane, entre la ligne de base et une droite intermédiaire, où : - la droite intermédiaire forme un angle, avec la ligne de base et autour de l’axe longitudinal, compris entre zéro et 40 degrés d’angle, de préférence entre 25 et 35 degrés, de façon encore plus préférée d’environ 30 degrés ; et, - le rayon du segment post-fuite est compris entre 35 et 45 millimètres, de préférence sensiblement égal à 40 millimètres ; - le segment de fuite relie le segment sommital et le segment post-fuite et s’étend à l’arrière du segment sommital, est circulaire et de rayon K.RS4, où RS4 est compris entre 145 et 155 millimètres, de préférence sensiblement égal à 149 millimètres. De préférence, chaque petite aile s’étend depuis une première face transversale du rotor et comprend une ligne de crête qui forme avec cette face, un angle compris entre 52 et 58 degrés, de préférence environ 55 degrés. De préférence, chaque grande aile s’étend depuis une deuxième face transversale du rotor et comprend une ligne de crête qui forme avec cette face, un angle compris entre 42 et 48 degrés, de préférence environ 45 degrés. De préférence, les petites ailes s’enroulent autour de l’axe longitudinal dans un sens inverse à celui dans lequel s’enroulent les grandes ailes. Un rapport d’extension longitudinal entre une extension longitudinale des petites ailes relativement à une longueur du rotor est avantageusement compris entre 37% et 43%, de préférence d’environ 40%. Un rapport d’extension longitudinal entre une extension longitudinale des grandes ailes relativement à une longueur du rotor est avantageusement compris entre 57% et 63%, de préférence d’environ 60%. De préférence, l’amorce d’une petite aile est déphasée, par rapport à l’amorce d’une grande aile qui la précède, d’un angle mesuré autour de l’axe longitudinal sensiblement égal au parcours angulaire de cette grande aile. L’invention porte aussi sur un mélangeur utilisant deux rotors selon l’invention, montés tête-bêche et en contre-rotation. Selon un deuxième objet de l’invention, un rotor pour un mélangeur d’une matière, notamment pour former un caoutchouc, prévu pour être monté en rotation autour d’un axe longitudinal et prévu pour être monté sur une broche comprend un passage axial, ce passage comprenant deux paliers, chacun des paliers étant prévu pour venir en prise avec un contre-palier respectif de ladite broche, et, un élargissement entre les paliers. L’élargissement est de préférence formé de sorte qu’une épaisseur entre l’élargissement soit sensiblement constante. Selon un troisième objet de l’invention, un système de refroidissement pour un mélangeur comprenant un rotor selon l’invention et une broche qui forme, avec l’élargissement, une chambre de refroidissement et des moyens pour faire circuler un liquide de refroidissement dans cette chambre. La broche comprend avantageusement un rétrécissement entre les deux contre-paliers, ce rétrécissement formant la chambre avec l’élargissement du rotor. Les moyens de refroidissement comprennent avantageusement un circuit de refroidissement formé dans la broche pour alimenter la chambre de refroidissement en liquide de refroidissement. Les moyens de circulation peuvent comprendre : - un alésage axial et borgne formé dans la broche ; - une canule montée axialement dans l’alésage ; et, - un joint monté entre la canule et l’alésage, pour séparer cet alésage en une partie amont, dans laquelle débouche la canule, et, une partie aval, autour de la canule, en-deçà de ce joint ; - au moins une traverse amont pour relier la partie amont de l’alésage avec le rétrécissement et au moins une traverse aval pour relier le rétrécissement avec la partie aval de l’alésage. L’invention porte aussi sur un mélangeur utilisant un système de refroidissement selon l’invention. Des modes de réalisation et des variantes seront décrits ci-après, à titre d’exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : représente schématiquement une vue en perspective d’un rotor selon l’invention pour un mélangeur ; est une demie-vue de dessus représentant deux rotors selon l’invention en position de mélangeage : est une vue longitudinale du rotor de la figure 1 ; est une déroulée du rotor de la figure 1 ; est une vue en coupe transversale selon le plan V-V de la figure 3 ; est un schéma descriptif de la géométrie d’une dent selon la coupe de la figure 5 ; est une vue longitudinale du rotor monté sur une broche ; est une coupe axiale du rotor monté sur la broche ; et, est une vue partielle de la coupe de la figure 8, illustrant un mode de refroidissement pour le rotor. La figure 1 illustre un rotor 1 selon l’invention. Le rotor s’étend selon un axe longitudinal X1. Il comprend quatre ailes 2, 4, dont une paire de petites ailes 2 et une paire de grandes ailes 4. Chaque aile d’une paire est identique à l’autre aile de la même paire, les ailes d’une même paire étant disposées à 180 degrés d’angle l’une de l’autre autour de l’axe X1. Les paires d’ailes forment chacune une hélice autour de l’axe longitudinal X1, l’une vrillée autour de l’axe longitudinal X1 selon un premier sens F1, l’autre selon un deuxième sens F2 opposé au premier. Chaque aile a une section transversale sensiblement triangulaire, avec une base élargie, au plus proche de l’axe longitudinal, et forme une crête 9, 92, 94 à son extrémité distale. Une forme d’aile est décrite plus en détail, plus loin dans la présente description, en référence aux figures 4 à 6. Chaque petite aile 2 s’étend depuis une face antérieure 6 du rotor, visible à la figure 1. Chaque grande aile s’étend depuis une face postérieure 7 du rotor, cachée à la figure 1. La crête 9, 92, 94 de chaque aile, grande ou petite, s’étend sensiblement jusqu’à un plan transversal commun PC, comme particulièrement illustré aux figures 3 et 4. Le plan commun PC est situé à une distance L2 de la face antérieure 6, cette distance L2 correspondant à une dimension longitudinale L2 de la crête 92 d’une petite aile 2. Le plan commun PC est situé à une distance L4 de la face postérieure 7, cette distance L4 correspondant à une dimension longitudinale L4 de la crête 94 d’une grande aile 4. L’addition des longueurs de crêtes L2, L4 correspond à la distance longitudinale entre les faces antérieures et postérieures du rotor 1 ; l’addition des longueurs de crêtes L2, L4 correspond aussi à la longueur L1 hors-tout du rotor, soit L1=L2+L4. La figure 2 illustre partiellement un mélangeur 2 selon l’invention. Ce mélangeur comprend deux rotors 1 ; seule une demie-vue de chacun des rotors est illustrée. Chaque rotor est monté solidaire avec une broche 10 respective. Chaque rotor 1 et sa broche 10 respective sont montés en rotation F, FC autour d’un axe longitudinal X1 respectif. Les axes deux X1 sont parallèles entre eux. Les rotors sont montés contrarotatifs, c’est-à-dire que l’un tourne selon une direction F autour de son axe X1 et que l’autre tourne selon une direction contraire FC autour de son axe X1 respectif. Ainsi, le mélange se déplace entre les rotors en étant cisaillé comme illustré par les flèches M. On va maintenant décrire une géométrie extérieure préférée pour les ailes, notamment en référence à la figure 6. La description est faite dans le plan de section V-V repéré à la figure 5. La même description est valable pour chacune des ailes dans leur section courante, c’est-à-dire à l’exception du voisinage du plan comme PC et du voisinage de la face antérieure 6 et de la face postérieure 7. La description est faite relativement à une ligne de base LB du plan V-V La ligne de base LB est sécante avec l’axe longitudinal X1 en un point central CC. Une ligne médiane H s’étend vers le haut de la figure depuis le point central CC. La géométrie extérieure de l’aile 2,4 est définie par une ligne LG constituée d’une succession de segments S1-S5, circulaires ou droits. Un premier segment S1, dit segment de pré-approche, s’étend, à gauche de la médiane H, entre la base LB et une première droite intermédiaire G12. La droite G12 forme un angle AS1 avec la base LB, autour du point central CC. Le premier segment S1 est circulaire de rayon RS1, autour d’un centre CS1. Le centre CS1 du premier segment est porté par la base LB et situé à droite de la médiane H. Un deuxième segment S2, dit segment d’approche s’étend, à gauche de la médiane H, dans le prolongement du premier segment S1, jusqu’à un troisième segment S3. Le premier segment et le deuxième segment ont une tangente commune à l’endroit de leur jonction sur la première droite intermédiaire G12. Le deuxième segment S2 est circulaire de rayon RS2, autour d’un centre CS2. Le centre CS2 du premier segment est porté par la médiane H. Le troisième segment S3, dit segment sommital, s’étend perpendiculairement à la médiane H, dans le plongement du deuxième segment. Il se répartie de façon égale de part et d’autre de la médiane H. Comme particulièrement illustré à la figure 5, le troisième segment a une longueur LS3 et se trouve à une distance R9 de la base LB. La distance R9 correspond au rayon hors-tout R9 du rotor 1. Un quatrième segment S4 dit segment de fuite, s’étend dans le prolongement du troisième segment, à droite de la médiane H, jusqu’à une deuxième droite intermédiaire G45. Le point de jonction du quatrième segment et du troisième segment est un point de la crête 9. Le quatrième segment S4 est circulaire de rayon RS4. Un cinquième segment S5, dit segment de post-fuite, s’étend dans le prolongement du quatrième segment S4, entre la deuxième droite intermédiaire G45 et la base LB. Le cinquième segment et le quatrième segment ont une tangente commune à l’endroit de leur jonction sur la deuxième droite intermédiaire G45. Le cinquième segment S5 est circulaire de rayon RS5, autour du point central CC. La première droite intermédiaire G12 forme un angle AS1 avec la base LB, à gauche de la médiane H. La deuxième droite intermédiaire forme un angle AS5 avec la base LB, à droite de la médiane H. Le premier segment S1 et le deuxième segment S2 constituent un bord d’attaque pour l’aile ; le quatrième segment S4 et le cinquième segment S5 en constituent un bord de fuite. Pour compléter la description géométrique des ailes, on va maintenant décrire leurs positions relatives, les unes par rapport aux autres et relativement à l’axe longitudinal X1, en référence à la figure 4. La figure 4 est une figure développée schématique du cylindre enveloppe E de rayon R9 autour de l’axe longitudinal X1. Les traces, sur ce cylindre E, des crêtes 92 des petites ailes 2 et crêtes 94 des grandes ailes 4, y sont représentées par des segments. Les petites ailes 2 forment un angle A2 avec la face antérieure 6 et les grandes ailes 4 forment un angle A4 avec la face postérieure 7. L’amorce d’une petite aile 2 est déphasée d’un angle AD, autour de l’axe longitudinal X1, sensiblement égal au parcours angulaire de la grande aile 4 qui la précède. Dans l’exemple illustré, la géométrie des ailes est définie par les dimensions approximatives suivantes : - angle A2 d’une petite aile avec la face antérieure 6 : 55 degrés - angle A3 d’une grande aile avec la face postérieure 7 : 45 degrés - longueur axiale L2 d’une petite aile 2 : 60 millimètres, - longueur axiale L4 d’une petite aile 4 : 90 millimètres, - déphasage AD entre grande et petite aile : - longueur hors-tout L1 du rotor : 150 millimètres, - rayon hors-tout du rotor R9 : 60 millimètres, - angle AS1 de la première ligne intermédiaire G12 : 75 degrés, - angle AS5 de la deuxième ligne intermédiaire G45 : 30 degrés, - rayon RS1 du premier segment S1 : 72 millimètres, - rayon RS2 du deuxième segment S2 : 23 millimètres, - longueur LS3 du troisième segment S3 : 2 millimètres, - rayon RS4 du quatrième segment S4 : 149 millimètres, - rayon RS5 du cinquième segment S5 : 40 millimètres. On va maintenant décrire un système de refroidissement pour le rotor 1. En effet, le mélangeage provoque un fort échauffement de la matière mélangée. Pour éviter une montée trop importante de la température de la matière mélangée, l’invention propose un rotor refroidit, de sorte qu’il puisse suffisamment en évacuer la chaleur. Le rotor comprend un passage axial 20 qui s’étend de la face antérieure 6 à la face postérieure 7 entre elles. Le passage 20 comprend deux paliers cylindrique 21 chacun à proximité d’une face 6, 7 respective et un élargissement 22 entre les paliers. L’élargissement a une longueur L22 sensiblement 60% de la longueur L1 du rotor. L’élargissement 22 est formé de sorte qu’une épaisseur E22, entre l’élargissement et l’extérieur du rotor soit sensiblement constante entre les paliers 21, c’est-à-dire qu’elle varie aussi peu que possible selon une technique de fabrication utilisée. De préférence, sur la longueur de l’élargissement l’épaisseur E22 du rotor varie dans une proportion de plus ou moins 20%. La broche 10 comprend deux contre-paliers cylindriques 23 disposés de sorte que dans la position de montage illustrée au figures 7 à 9, chaque palier 21 du rotor soit en prise glissante sur un contre-palier respectif 23 de la broche 10. Des clavettes 24 permettent de maintenir le rotor et la broche solidaires entre eux, en translation comme en rotation. La broche comprend, entre les deux contre-paliers 23, un rétrécissement 26. Dans la position de montage, l’élargissement 22 et le rétrécissement 26 sont en vis-à-vis, de sorte qu’ils forment ensemble, entre les paliers une chambre de refroidissement 27. La broche 10 comprend aussi un alésage axial borgne 30 c’est-à-dire axialement fermé par un fond 31. Le fond 31 est formé à une extrémité antérieure 32 de l’alésage 30. La broche comprend aussi quatre traverses amont 33 et quatre traverses aval 34. Les traverses 33, 34 relient l’alésage axial 30 à la surface extérieure de la broche. Les traverses sont disposées de sorte qu’elles débouchent dans la chambre 27. Les traverses amont 33 sont dirigées d’avant en arrière depuis l’alésage axial 30, de sorte qu’elles débouchent au voisinage du palier 21 antérieur. Les traverses aval 34 sont dirigées d’arrière en avant depuis l’alésage axial 30, de sorte qu’elles débouchent dans la chambre 27, au voisinage du palier 21 postérieur. Le système de refroidissement comprend en outre une canule cylindrique 36, montée coaxialement dans l’alésage 30. Un jeu J36 est formé autour de la canule 36 dans l’alésage 30. Un joint d’étanchéité 37 est monté autour de la canule, entre la canule et la paroi intérieure de l’alésage 30. Ainsi, le joint 37 assure le maintien d’une extrémité antérieure de la canule 36 et la régularité du jeu J36 qui sépare la canule de la paroi de l’alésage. De plus, le joint 37 partage l’alésage 30 en une zone amont 30A, entre le joint 37 et le fond 31, et une zone aval 30B constitué de l’espace annulaire autour de la canule, en-deçà du joint 37. La canule débouche dans la zone amont 30A. Pour refroidir le rotor 1, on introduit un liquide de refroidissement au travers de la canule 36 jusque dans la zone amont 30A. Le liquide poursuit son chemin au travers des traverses amont 33 jusque dans la chambre 37, où il se récupère de la chaleur générée par le mélangeage. Le liquide quitte ensuite de la chambre 27 au travers des traverses aval 34. Le liquide est ensuite évacué par la zone aval 30B. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. Au contraire, l'invention est définie par les revendications qui suivent. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Rotor (1) pour mélangeur d’une matière, notamment pour former un caoutchouc, prévu pour être monté en rotation autour d’un axe longitudinal (X1) et prévu pour être monté sur une broche (10), ledit rotor comprenant un passage axial (20), ledit passage comprenant deux paliers (21), chacun desdits paliers étant prévu pour venir en prise avec un contre-palier respectif de ladite broche, et, un élargissement (22) entre les paliers. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’élargissement (22) est formé de sorte qu’une épaisseur (E22) entre ledit élargissement et l’extérieur dudit rotor (1) varie dans une proportion comprise entre plus ou moins 20%. Système de refroidissement pour un mélangeur de matière comprenant un rotor selon l’une des revendications 1 et 2 et la broche (10), caractérisé en ce que ladite broche (10) forme, avec l’élargissement (22), une chambre de refroidissement (27) et des moyens (30-37) pour faire circuler un liquide de refroidissement dans ladite chambre (27). Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la broche (10) comprend un rétrécissement (26) entre les deux contre-paliers (23), ledit rétrécissement formant la chambre (27) avec l’élargissement (22) du rotor (1). Système selon l’une des revendication 3 et 4, caractérisé en ce que les moyens de circulation (30-37) comprennent un circuit de refroidissement formé dans la broche (10) pour alimenter la chambre de refroidissement en liquide de refroidissement. Système selon l’une des revendication 3 et 4, caractérisé en ce que les moyens de circulation (30-37) comprennent : - un alésage axial (30) et borgne formé dans la broche (10) ; - une canule (36) montée axialement dans ledit alésage ; et, - un joint d’étanchéité (37) monté entre ladite canule et ledit alésage, pour séparer cet alésage en une partie amont (30A), dans laquelle débouche ladite canule, et, une partie aval, autour de la canule, en-deçà dudit joint ; et, - au moins une traverse amont (33) pour relier ladite partie amont (30A) de l’alésage avec le rétrécissement et au moins une traverse aval (34) pour relier ledit rétrécissement avec ladite partie aval (30B) de l’alésage. Mélangeur de matière, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un système de refroidissement selon l’une des revendications 3 à 6.