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Dokumentenidentifikation EP0795389 08.08.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0795389
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Innenkühlen von Kunststoffrohren
Anmelder Reifenhäuser GmbH & Co Maschinenfabrik, 53844 Troisdorf, DE
Erfinder Pelzer, Rudolf, 52134 Herzogenrath, DE;
Zeller, Manfred, 57072 Aachen, DE;
Kuhlert, Karl, 52074 Aachen, DE
DE-Aktenzeichen 69713645
Vertragsstaaten AT, BE, DE, ES, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 12.03.1997
EP-Aktenzeichen 978700359
EP-Offenlegungsdatum 17.09.1997
EP date of grant 03.07.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.08.2002
IPC-Hauptklasse B29C 47/88

Beschreibung[fr]

La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif pour refroidir la paroi interne d'un tuyau en matière plastique lors de son extrusion, en particulier de tuyaux à paroi épaisse de haute qualité.

La nécessité de coupler, lors de l'extrusion au refroidissement externe classique de tuyaux en plastique à paroi épaisse, un refroidissement interne efficace a déjà été soulignée à maintes reprises. La littérature spécialisée décrit une multitude de procédés et de dispositifs qui n'ont toutefois pas encore fourni à ce jour une solution applicable et satisfaisante sur les plans technique et économique. En général, les procédés suivant l'état de la technique basés sur l'utilisation d'air, eau, gaz tel que azote ou CO2, ont buté sans cesse sur des problèmes divers: effets réfrigérants insuffisants, refroidissement asymétrique, solution inapplicable pour certaines applications, fortes altérations optiques ou gauchissements de la surface interne de la paroi des tubes.

Il est en effet impératif que l'on obtienne lors d'un refroidissement interne efficace d'un tuyau une atténuation maximale et une distribution favorable des contraintes dans la paroi du tube; en outre, il faudra un refroidissement rapide de la surface interne de la paroi, ainsi qu'un refroidissement rapide des couches internes de la paroi.

L'air atmosphérique peut faire figure d'agent ou gaz de refroidissement idéal. En effet, il est disponible partout, techniquement facile à mettre en oeuvre et inoffensif en cas de pannes ou de défectuosités. Toutefois, l'application d'un procédé basé sur l'air atmosphérique sur des tuyaux à parois épaisses n'a pas donné de satisfaction jusqu'à présent.

Ainsi la demande du brevet allemand DT-A-2523975 décrit un système suivant lequel un ventilateur fait circuler de l'air à l'intérieur d'un espace formé par la paroi d'un tuyau en matière plastique fabriqué par extrusion et une enceinte ménagée à l'intérieur de ce tuyau, dans laquelle circule de l'eau de refroidissement. Cette enceinte est alimentée par de l'eau venant de l'extérieur.

La circulation de l'air dans un circuit fermé à l'aide d'un ventilateur ne donne toutefois pas les conditions techniques impératives de vitesse et de débit nécessaires pour un refroidissement efficace.

Pour l'utilisation de l'air atmosphérique comme agent de refroidissement, il est indispensable de tenir compte des conditions techniques suivantes :

  • les quantités d'air de refroidissement à mettre en oeuvre sont importantes, car la chaleur spécifique de l'air est relativement faible.
  • le taux d'utilisation du potentiel de refroidissement du volume d'air amené doit être élevé; autrement dit, il faudrait que la majeure partie de ce volume participe à un échange intensif de chaleur avec la surface interne, très chaude, de la paroi du tube.
  • l'échange de chaleur devrait être aussi intensif que possible, c'est-à-dire qu'il faut s'efforcer d'atteindre le coefficient de la transmission thermique (C.T.T.) le plus élevé possible.
  • le parcours de refroidissement interne devrait être aussi long que possible afin de pouvoir extraire de la paroi du tube la quantité de chaleur nécessaire pour arriver à un refroidissement interne efficace, compte tenu de la mauvaise conduction thermique des matières plastiques et de la forte épaisseur de la paroi des tubes concernés.

L'invention a pour objet un procédé et un dispositif qui remplit les conditions requises, citées ci-dessus, pour obtenir un refroidissement interne efficace à l'air.

Suivant l'invention on refroidit la paroi intérieure du tuyau produit à la sortie de l'extrudeuse avec une tête d'extrusion latérale (off-set), sur sa surface interne par de l'air atmosphérique continuellement renouvelé qui s'écoule à grande vitesse et avec un grand débit près de cette surface. De préférence, cet air qui s'échauffe par contact avec la surface de la paroi du tuyau est refroidi à l'aide d'un réfrigérant qui s'écoule en sens opposé. Le refroidissement de l'air pourra se faire, au moins sur une partie de la zone de refroidissement, sans contact direct entre l'air et le réfrigérant et sera réalisé de préférence à l'aide d'un liquide. L'eau sera dans la plupart des cas le liquide indiqué.

Lorsqu'on utilise l'eau on pourra suivant l'invention prévoir des perméabilités ou passages fins dans la paroi du circuit d'eau, de préférence dans la zone où l'air sera devenu le plus chaud (à partir du mi-parcours), de façon que l'eau rentre en contact avec l'air chaud et s'évapore. La chaleur nécessaire à l'évaporation de l'eau est retirée de l'air qui se refroidit donc et ainsi augmente sa capacité d'échange thermique.

On pourra réaliser ce type de refroidissement en glissant à l'intérieur du tuyau en formation, une structure à double paroi. L'écoulement de l'air se fera le long d'une espace annulaire situé entre la surface interne du tuyau et la paroi extérieure de la structure. L'écoulement du réfrigérant, par exemple de l'eau, pourra se faire par un circuit d'alimentation passant par la partie central de la structure pour ensuite passer à l'intérieure de la structure à double paroi. Ce circuit pourra être pourvu de porosités ou d'autres passages réduits pour l'eau prévus dans une partie de la paroi extérieure de la structure.

Avantageusement l'ensemble de la structure à double paroi permettant le refroidissement de l'air par l'eau peut se déplacer selon une direction axiale à l'intérieur du tuyau formé suivant un mouvement de va et vient. La longueur de ce mouvement d'oscillation peut atteindre plusieurs fois la longueur de l'ensemble de la structure de refroidissement. La fréquence d'oscillation peut atteindre plusieurs mouvements par seconde. De préférence cette fréquence sera de 0,1 à 2 oscillations par seconde. D'autres caractéristiques ressortirons des revendications et la description ci-après.

Avec un refroidissement de ce type on obtient:

  • une amélioration sensible de la résistance à la pression interne ainsi qu'au fluage dans le temps des tuyaux à paroi épaisse communément utilisés comme conduites sous haute pression;
  • une réduction de la valeur de retrait résiduel;
  • une prévention d'excentricités internes ou de variations de l'épaisseur de la paroi qui dans les procédés connus résulte de la gravité agissant sur la masse de matière plastique qui reste en fusion assez longtemps à l'intérieur du tube;
  • une prévention d'une dégradation oxydative des molécules de matière plastique de la face interne de la paroi du tube;
  • un raccourcissement considérable des parcours de refroidissement, en particulier avantageux pour des installations à grand rendement dans des halls existants relativement courts.

L'invention sera décrite ci-après plus en détail à l'aide d'un exemple de mise en application en se référant au dessin annexé, qui représente une coupe transversale schématique d'un dispositif suivant l'invention.

En se référant à la figure unique, elle montre la masse plastifiée 3 de matière plastique acheminée en continu par une extrudeuse à tête latérale (non représentée) et préformée par un moule à injection composé d'un mandrin creux 1 et d'une matrice 2 pour être transformée en tuyau 7.

Le tuyau 7 en formation est introduit dans un calibre 4 d'un bassin de calibrage sous dépression 5 dans lequel il reçoit son diamètre extérieur exact. La surface externe du tuyau 7 est alors aspergée intensivement d'eau de refroidissement à l'aide de moyens de pulvérisation 6 disposés les uns derrière les autres dans le sens longitudinal le long de la zone de refroidissement.

La surface externe du tuyau étant refroidie graduellement, le tuyau 7 est ainsi rendu indéformable. Ce refroidissement externe est poursuivi tout au long du bassin 5, donc également le long de la zone qui suit la partie de calibrage à l'aide du calibre 4.

La tête d'extrusion latérale (off-set) est équipée d'un mandrin creux 1 ou d'un mandrin présentant une ouverture centrale. Cette ouverture est nécessaire pour pouvoir insérer le dispositif de refroidissement interne dans le tuyau à refroidir par l'amont, c'est-à-dire du côté extrudeuse. Le dispositif de refroidissement interne comprend un corps cylindrique à double paroi 8, maintenu en place à l'intérieur du tuyau 7 en formation par une structure tubulaire 9 formant l'alimentation du (des) réfrigérant(s). A l'intérieur du mandrin 1, la structure 9 est supportée et centrée par des anneaux 10.

Près de l'extrudeuse, le corps cylindrique à double paroi 8 comporte une partie conique 18 dont la pointe est orientée vers l'extrudeuse et qui a pour but de guider l'air de refroidissement et de réduire la résistance d'écoulement de cette air.

Cet air de refroidissement, qui est fourni par une soufflerie à haute pression, entre par la structure tubulaire 9 et est guidé par la partie conique 18 vers la zone 12 en forme d'espace annulaire délimité par la surface interne du tuyau 7 et la paroi extérieure 13 du corps cylindrique 8. Dans cette espace annulaire 12 l'air de refroidissement s'écoule à grande vitesse, par exemple à des vitesses se situant entre 50 m/s et 120 m/s.

Pour le passage de l'air de la structure tubulaire 9 vers l'espace annulaire 12, on prévoit, à proximité de la partie conique 18, des ouvertures 15 de forme allongée réparties uniformément sur le contour de la structure 9.

Avantageusement, la paroi externe 13 du corps cylindrique 8 comporte des fils tendus 26, enroulés, dans le but de créer une turbulence du flux d'air dans l'espace annulaire 12 et donc d'augmenter l'échange thermique entre l'air de refroidissement et la surface interne du tuyau 7 en formation.

Sur son parcours, entre l'entrée de l'espace annulaire 12 jusqu'à l'extrémité 21 du corps cylindrique 8, l'air, qui s'écoule en turbulence, refroidit la paroi interne du tuyau 7 et s'échauffe. Plus l'air s'échauffe moins sera la différence de température entre l'air et la paroi à refroidir et plus faible sera l'échange thermique.

Pour éviter un échauffement trop important de l'air de refroidissement, le corps cylindrique 8 comporte un circuit de réfrigérant, tel que de l'eau, ayant une entrée 24 de l'eau par la structure tubulaire 9, qui se prolonge, en substance, dans la partie centrale 17 du corps 8 et qui s'étend jusqu'à l'extrémité 21 de ce corps, où le circuit forme une chambre 22.d'écoulement radial pour l'eau de refroidissement.

Cette eau de refroidissement continue son circuit par le passage 16, situé entre les parois double du corps cylindrique 8 pour retourner vers la partie conique 18 près de l'extrudeuse.

L'eau froide circulant dans ce circuit 24, 17, 22 et 16 s'écoule donc à contresens par rapport à l'air de refroidissement qui s'écoule dans l'espace annulaire 12 afin de refroidir l'air qui s'échauffe le long de son parcours dans la zone de refroidissement.

Au-delà de l'extrémité 21 du corps cylindrique 8, on peut avantageusement prévoir des ailettes 20 pour guider et orienter l'évacuation de l'air de refroidissement selon un tourbillon hélicoïdal. Ces ailettes 20 sont de préférence montées sur un tube conique 23 dont le diamètre diminue en s'écartant de l'extrémité 21 du corps cylindrique 8. Le diamètre extérieur des ailettes 20 correspond en substance au diamètre extérieur du corps 8 afin de maintenir un espace de refroidissement annulaire Sz constant.

Dans un but d'obtenir encore un échange de chaleur complémentaire, on prévoit à l'extrémité des ailettes 20 au moins une tête de vaporisation 19, qui peut être alimenté en direct par l'alimentation central 17 du circuit d'eau de refroidissement.

Cette vaporisation par la tête 19 humidifie l'air circulant dans la partie aval du corps cylindrique 8. Par le mouvement de tourbillon de cet air, provoqué par les ailettes 20, les gouttelettes d'eau sont projeté contre la surface interne, encore chaude, du tuyau 7.

L'eau qui vient en contact direct avec l'air de refroidissement échauffé, relativement sec, s'évapore au moins partiellement et la chaleur nécessaire à cette évaporation est retirée de l'air qui se refroidit . La différence de température entre l'air et la paroi du tuyau reste donc importante d'où un bon échange de chaleur complémentaire.

Outre l'évaporation directe des goulettes en contact avec l'air de refroidissement échauffé, venant de l'espace annulaire 12, on obtient également une évaporation des gouttelettes projetées contre la surface interne encore chaude du tuyau 7 en retirant encore des calories des zones internes de la paroi en matière plastique formant le tuyau 7.

En utilisant un circuit d'eau de refroidissement, on peut également prévoir des perméabilités où passages fins dans la paroi extérieure du corps cylindrique 8, de préférence répartis dans la partie 26 où l'air sera devenu le plus chaud, c'est à dire vers la mi-parcours de la zone de refroidissement du tuyau 7.

Suivant l'invention, la structure tubulaire 9 comprenant le corps cylindrique 8, le tube conique 23 et la tête de vaporisation 19 peut se déplacer selon une direction axiale à l'intérieur du tuyau 7 suivant un mouvement de va et vient (flèche 25) à l'aide d'un système classique, par exemple à l'aide d'une crémaillère telle que décrite dans la demande de brevet de la Demanderesse EP 0 614 749.

La longueur du mouvement d'oscillation peut atteindre en substance deux à trois fois la longueur de l'ensemble des éléments 9, 8, 23 et 19.

La fréquence d'oscillation peut atteindre plusieurs mouvements par seconde, elle variera suivant l'exemple de 0,1 à 2 mouvements par seconde et de préférence entre 0,1 et 0,5 mouvements par seconde.

Sur le plan thermodynamique, l'oscillation axiale se justifie parce qu'elle permet de dissiper par unité de temps une quantité de chaleur plus grande que lorsque le dispositif de refroidissement est fixe.

Ce phénomène s'explique par l'écart de température moyen plus grand qui existe entre l'air de refroidissement et la surface interne de la paroi du tuyau 7.

Il est clair que l'invention n'est pas limitée par l'exemple de mise en application décrite ci-dessus et que de nombreuses variantes peuvent y être apportées par l'homme du métier. Ainsi par exemple, il n'est pas indispensable de prévoir un contact entre l'eau et l'air. Pour des tuyaux de relativement faible diamètre, par exemple moins de 10 cm, ce contact air/eau est superflu lorsque la vitesse d'air est suffisamment grande.


Anspruch[fr]
  1. Procédé pour refroidir la surface intérieure de la paroi d'un tuyau en matière plastique lors de sa fabrication par extrusion suivant lequel on fait circuler de l'air axialement le long de cette paroi intérieure et qu'on refroidit cet air à l'aide d'un réfrigérant circulant dans un circuit en sens opposé de l'air caractérisé en ce qu'on souffle de l'air continuellement renouvelé qui s'écoule à grande vitesse et avec un grand débit sur la surface de la paroi intérieure du tuyau en formation.
  2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le réfrigérant est un liquide, de préférence de l'eau.
  3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le réfrigérant circule dans un circuit pouvant se déplacer à l'intérieur du tuyau en formation suivant un mouvement de va et vient.
  4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le réfrigérant circule, au moins sur la moitié de la zone de refroidissement, dans un circuit en substance sans contact direct avec l'air
  5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le réfrigérant circule, en substance à partir de la moitié de la zone de refroidissement, dans un circuit qui comporte des perméabilités de façon que le réfrigérant puisse se mélanger avec le gaz de refroidissement réchauffé.
  6. Dispositif de refroidissement de la paroi d'un tuyau (7) en matière plastique lors de sa fabrication par extrusion à l'aide d'une tête d'extrusion latérale (1, 2), comportant un corps (8) à double paroi, qui s'étend axialement à l'intérieur du tuyau (7) en formation, de manière à créer une espace annulaire (zone 12) située entre la paroi intérieure du tuyau et la surface extérieure du corps (8) et des moyens pour faire circuler un réfrigérant à l'intérieur de la paroi double du corps (8) caractérisé par une soufflerie pouvant faire circuler à grande vitesse et avec un grand débit de l'air continuellement renouvelé dans l'espace annulaire (zone 12) et des moyens pouvant refroidir en même temps la surface extérieure de la paroi du tuyau.
  7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le corps (8) à double paroi est maintenu en place par une structure tubulaire (9) qui s'étend au travers du mandrin (1) de l'extrudeuse à tête latérale et qui comporte des passages (15) pour le gaz de refroidissement et une canalisation (24) pour le réfrigérant.
  8. Dispositif suivant la revendication 7 caractérisé par des moyens pouvant faire déplacer la structure tubulaire (9) et le corps à double paroi à l'intérieur du tuyau (7) suivant un mouvement de va et vient.
  9. Dispositif suivant la revendication 7 ou 8 , caractérisé en ce que le corps (8) à double paroi présente une forme cylindrique qui se termine, du côté de la structure tubulaire (9), en forme de cône (18) et à l'extrémité (21), du côté opposé à la structure tubulaire (9), par une chambre (22) formant une espace d'écoulement radiale pour le réfrigérant.
  10. Dispositif suivant une ou plusieurs des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que de la paroi extérieure du corps (8) formant partie du circuit du réfrigérant comporte, sur une partie située entre la chambre (22) et en substance la moitié de la zone de refroidissement, des porosités ou passages fins pour un contact direct entre le réfrigérant et le gaz de refroidissement circulant dans l'espace annulaire (12) entre le corps (8) et la paroi intérieure du tuyau (7).
  11. Dispositif suivant une ou plusieurs des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que la surface externe de la paroi double du corps (8) comporte des fils tendus, enroulés, (26) provoquant des turbulences dans l'écoulement du gaz de refroidissement à l'intérieur de l'espace annulaire (zone 12).
  12. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que au-delà de l'extrémité libre (21) du corps cylindrique (8) sont prévu des ailettes (20) pour guider et orienter l'écoulement du gaz de refroidissement selon un tourbillon hélicoïdal.
  13. Dispositif suivant la revendication 12, caractérisé en ce que les ailettes (20) sont montées sur un tube conique (23) dont le diamètre diminue en s'écartant de l'extrémité (21) du corps (8).
  14. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que au-delà de l'extrémité libre (21) du corps cylindrique (8) sont prévus des moyens de vaporisation (19) alimenté par un réfrigérant provenant de l'intérieur du corps cylindrique (8).
  15. Dispositif suivant la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens de vaporisation (19) sont alimentés par le circuit de réfrigérant (17) circulant dans le corps cylindrique (8) pour refroidir le gaz circulant dans l'espace annulaire (12) entre le corps (8) et la surface interne du tuyau (7) en formation.






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