Mélangeur de fluides
La présente invention a pour objet un mélangeur de fluides et, plus particulièrement un mélangeur centrifuge servant à mélanger intimement des matières fluides.
Jusqu'ici, il a été effectué de nombreux efforts pour réaliser une tête mélangeuse centrifuge qui soit capable de mélanger, brasser, homogénéiser, dissoudre, émulsifier, disperser ou désintégrer des fluides ayant diverses caractéristiques physiques et chimiques. Toutefois, chacune des constructions connues comporte certains inconvénients intrinsèques. Un grand nombre des constructions connues n'étaient capables que d'une application limitée. Par exemple, une tête capable de disperser dans un liquide une matière plus lourde que le liquide ne pourrait pas mélanger efficacement dans un liquide une matière plus légère que ce liquide, et inversement. On a également remarqué que la viscosité de la matière à mélanger présente un effet défavorable sur l'opération de mélange lorsqu'on utilise les constructions de têtes mélangeuses connues.
On a observé que dans les opérations de mélange utilisant des têtes mélangeuses du type comprenant une chambre de mélange définie par une cloison qui s'étend transversalement entre ses extrémités, il existe une tendance du fluide visqueux animé d'un mouvement tourbillonnaire à l'intérieur de la chambre de mélange de la tête à former une masse qui prend l'état solide ou un état proche de l'état solide. Lorsque cet effet se produit,
I'efficacité de la tête mélangeuse est fortement diminuée. Le temps et la puissance nécessaires pour effectuer le mélange sont par conséquent notablement augmentés. Ceci est dû au fait que la création d'une masse liquide approchant l'état solide à l'intérieur de cette tête cloisonnée rend le liquide difficile à s'écouler à travers cette tête et augmente notablement la charge sur le moteur qui entraîne la tête.
Etant donné qu'en raison de leurs caractéristiques intrinsèques, les têtes connues n' avaient un rendement raisonnable que pour une certaine opération de mélange, l'utilisateur devait nécessairement avoir à sa disposition plusieurs têtes pour être à même d'exécuter les diverses opérations de mélange. Etant donné que le coût initial de ces têtes est considérable, il était jusqu'à présent nécessaire de prévoir une dépense considérable en capital afin d'acquérir diverses têtes nécessaires pour effectuer diverses opérations de mélange, pour mélanger un liquide avec une matière plus légère que le liquide, ou pour mélanger un liquide avec une matière plus lourde que le liquide, ou bien pour mélanger des liquides de diverses viscosités relatives, etc.
Le mélangeur de fluide selon l'invention, est caractérisé en ce qu'il comprend deux éléments tronconiques espacés l'un de l'autre, disposés coaxialement sur un arbre d'entraînement, chacun de ces éléments ayant une partie extrême entièrement ouverte, l'extrémité étroite de chaque élément définissant une entrée de fluide et l'extrémité large une sortie pour le fluide qui a pénétré par l'entrée pendant l'opération de mélange, des moyens interposés ces éléments pour éjecter latéralement vers l'extérieur le fluide qui est refoulé par les sorties de ces éléments pour exercer un effet de cisaillement sur le fluide ainsi éjecté.
Le dessin annexé représente à titre d'exemple, deux modes d'exécution, ainsi que quelques variantes de détail du mélangeur, objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue en coupe verticale d'un mode d'exécution du mélangeur de fluides, la coupe étant prise suivant la ligne 1-1 de la fig. 2
la fig. 2 est une vue en plan du mélangeur à fluides de la fig. 1, une partie de ce mélangeur étant supposée arrachée;
la fig. 3 est une vue en plan d'une variante légèrement modifiée;
la fig. 4 est une vue en coupe suivant la ligne 4¯d de la fig. 3
la fig. 5 est une vue en élévation d'un deuxième mode d'exécution du mélangeur, dont certaines parties sont supposées arrachées
la fig. 5A est une vue en plan suivant la ligne 5A-5A de la fig. 5;
la fig. 6 est une vue en plan d'une entretoise utilisée dans la construction du mélangeur de la fig. 5;
la fig. 7 est une vue en plan d'une variante de réalisation de l'entretoise;
la fig. 8 est une vue de côté de l'entretoise de lafig. 6 delafig. 7 ;
la fig. 9 est une vue en élévation d'une autre variante de réalisation, certaines parties étant représentées en coupe;
la fig. 10 est une vue en élévation d'une autre variante;
la fig. ll¯représente la tête des fig. 1 et 2 en fonctionnement.
Les fig. 1 et 2 représentant un mélangeur à fluides 20 caractérisé par deux éléments tronconiques 21, 22 de construction analogue, et une pièce d'écartement ou-entretoise 23 interposée entre ces éléments.
Dans la forme représentée sur la fig. 1, chaque élément tronconique ou partie extrême de la tête, 21, et 22 est formé par un élément tronconique à paroi pleine, dont la petite extrémité 21A ou 22A, respectivement, définit une entrée de fluide et dont l'extrémité large ou extrémité de base 21B ou 22B, définit une sortie de fluide. A l'intérieur de chaque élément 21, 22 est disposé concentriquement un manchon ou moyeu 24, 25, respectivement, par lequel l'élément conique correspondant 21, 22 est fixé sur un arbre d'entraînement 26. Des aubes 24A, 25A diamétralement opposées relient les moyeux 24, 25 à la paroi des éléments coniques. Dans l'exemple d'exécution représenté, les aubes 24A, 25A sont venues de matière avec leurs moyeux respectifs 24, 25 et avec les parois des éléments coniques. Sur la fig. 1, les aubes 24A, 25A sont disposées dans un plan vertical.
Dans-une variante de construction de la tête 27 suivant l'invention, et comme représenté sur la fig. 3, les aubes 27A peuvent être orientées obliquement.
Ainsi qu'on le montre sur la fig. 1, chacune des extrémités 24B, 25B des moyeux 24, 25 qui sont adjacentes aux extrémités étroites de leurs éléments coniques respectifs est munie d'une surface conique qui est destinée à s'appliquer sur une butée 28 ou rondelle d'arrêt 29. Les éléments coniques 21, 22 sont espacés coaxialement le long de l'arbre d'entrainement 26 de façon que les extrémités larges ou extrémités de sortie 21B, 22B soient dirigées l'une vers l'autre ou débitent l'une vers l'autre. Entre les extrémités de sortie 21B, 22B des éléments coniques 21, 22, respectivement, est interposée une entretoise ou pièce d'écartement 23.
Dans la forme d'exécution représentée sur la fig. 1, l'entretoise 23 comprend un corps tubulaire ou cylindrique qui présente des extrémités 23A, 23B entièrement ouvertes, et agencées pour être contiguës aux extrémités de sortie des deux éléments coniques. Pour obtenir un joint étanche entre le cylindre 23 et les éléments coniques 21, 22, des épaulements complémentaires sont formés en 28, 29 sur les éléments correspondants de sorte que ces éléments sont clavetés ou bloqués par friction les uns sur les autres.
On remarquera que les extrémités 23A, 23B entièrement ouvertes de l'entretoise 23 définissent une communication libre avec les extrémités de sortie 21B, 22B des éléments correspondants 21, 22. L'entretoise 23 définit donc en fait une chambre de mélange 30 qui reçoit le flux non étranglé du fluide qui sort des extrémités correspondantes des éléments 21 et 22. Une série d'orifices de sortie 31 sont espacés circonférentiellement sur les parois du cylindre 23.
Dans la forme de réalisation représentée, les orifices 31 sont constitués par une série d'orifices allongés, usinés, qui s'étendent sensiblement sur toute la hauteur de l'élément 23.
Le moyen servant à fixer les éléments 21, 22 et l'entretoise 23 sur l'arbre 26 comprend une vis 22 qui est vissée dans un trou taraudé 33 formé dans l'extrémité de la chambre 26. Une rondelle 29 à surface sphérique ou conique est interposée entre la vis 32 et le moyeu 25 de l'élément conique intérieur 22.
Le fonctionnement est le suivant: on fixe la tête 20 sous la forme qu'on vient de décrire, à l'extrémité d'un arbre d'entraînement 26. L'arbre 26 est à son tour fixé d'une façon appropriée à l'arbre d'entraînement d'un moteur électrique ou équivalent 34 (voir fig. 11). On immerge ensuite la tête 20 dans le fluide à mélanger et on met le moteur en circuit pour imprimer un effet de rotation ou centrifuge à la tête 20. En raison du mouvement de rotation qui est imprimé à la tête 20 ayant la forme particulière décrite, il se crée un courant de fluide dans lequel le fluide est aspiré par chacune des entrées 21 A et 22A des éléments coniques supérieur et inférieur, 21, 22 respectivement et refoule de ces éléments dans la chambre de mélange 30 qui est définie par l'entretoise 23.
De cette façon, les courants libres de fluide qui pénètrent dans les entrées sont refoulés dans la chambre de mélange 30 et ces deux courants sont mélangés intimement dans cette chambre. Le fluide intimement mélangé à l'intérieur de la chambre de mélange 30 est expulsé latéralement de cette chambre à travers les orifices de sortie 31 en raison de la force centrifuge qui lui est imprimée. En traversant les orifices 31 de la tête 20 en rotation rapide, le fluide est soumis à un effet de cisaillement mécanique qui accentue encore la division du fluide ou des particules en cours de mélange. En outre, la force avec laquelle le fluide est expulsé à travers les orifices 31 et projeté sur le fluide qui entoure la tête 20 exerce encore un nouvel effet de cisaillement hydraulique sur le fluide en cours de mélange.
L'écoulement rapide et libre du fluide à travers la tête mélangeuse 20, suivant la forme représentée sur la fig. 11 et l'effet de cisaillement mécanique et hydraulique qui s'exerce sur ce fluide lorsqu'il est expulsé de la chambre de mélange 30, se traduit par un effet de mélange intense.
Dans la tête 20, décrite ci-dessus, le liquide sort librement des éléments d'extrémité 21 et 22 pour pénétrer directement dans la chambre de mélange 30.
En raison de la construction décrite, l'engorgement de la tête 20 est réduit au minimum lorsqu'on travaille avec des fluides visqueux. Ceci est dû au fait qu'aucun obstacle n'est interposé à l'intérieur de la tête 20 entre les extrémités de cette tête. Par conséquent, la tendance du mélange de fluide contenu dans cet appareil à prendre la nature d'une matière solide est notablement réduite. Le résultat est de réduire notablement la contrepression ou la charge exercée sur le moteur 34. En outre, l'effet de mélange n'est pas affecté comme ce serait le cas si la tête pouvait s'engorger en raison de la présence d'un étranglement ou d'une cloison disposée dans la chambre.
Pour pouvoir agir sur le mouvement tourbillonnaire ou sur l'entraînement d'air, l'arbre d'entraînement porte des moyens pour fermer l'entrée 21A de l'élément 21. Les moyens de commande du mouvement tourbillonnaire comprennent un disque ou une plaque 36 qui est monté coulissant sur l'arbre 26 de façon à pouvoir se rapprocher ou s'éloigner de l'extrémité d'entrée 21A de l'élément conique supérieur 21.
De cette façon, en réglant la position de la plaque A, on peut régler l'ouverture d'entrée 21A. En rapprochant la plaque 36 de l'entrée 21A, on peut réduire dans le même sens la quantité d'air entraînée ou la formation du mouvement tourbillonnaire. Le moyen pour fixer la plaque de réglage 36 dans sa position réglable sur l'arbre 26 peut comprendre une vis d'arrêt 36A qui traverse la collerette 36B du disque 36 pour se serrer sur l'arbre 26 dans la position réglée.
Les fig. 5 à 8 représentent une deuxième forme d'exécution du mélangeur où la tête mélangeuse 40 comprend deux éléments tronconiques 41, 42 qui sont construits de la même façon que ceux décrits plus haut en regard des fig. 1, 2 ou 3, 4. Les éléments tronconiques correspondants 41, 42, sont espacés le long d'un arbre d'entraînement 26 de la façon qu'on a décrite précédemment. Toutefois, dans cette variante, l'entretoise 43 comprend un élément en forme de plaque, de préférence en forme de disque.
Comme représenté sur le dessin, le disque 43 est monté sur l'arbre 26 et il est maintenu en position entre les deux extrémités de sortie élargies 41B et 42B des éléments coniques correspondants 41 et 42.
Il convient de remarquer que le disque 43 est espacé des extrémités de sortie correspondantes 41B, 42B des éléments 41 et 42. Les moyens servant à maintenir le disque 43 espacé peuvent comprendre, par exemple des manchons séparateurs 44, 45 qui, comme représenté sur la fig. 8 sont rendus solidaires du disque 43. L'agencement est tel que les extrémités des manchons séparateurs correspondants 44, 45 ne butent que les extrémités adjacentes du moyeu 46, 47 des éléments tronconiques correspondants 41 et 42. L'extrémité supérieure du moyeu 46 de l'élément 41 porte sur une butée 48 et les éléments 41, 42 et 43 sont fixés sur l'arbre 26 par une rondelle 49 et une vis 50, cette dernière étant vissée dans l'extrémité de l'arbre d'entraînenîent.
Ainsi qu'on le représente sur la fig. 5, le disque ou la lame 43 s'étend latéralement au-delà de la circonférence ou de la périphérie de chacun des éléments 41 et 42. Dans la forme de réalisation représentée, il va de soi que lorsqu'on fait tourner l'arbre 26 les éléments d'extrémité 41 et 42 et le disque 43 interposé entre ces éléments sont entraînés en rotation. Du fait que le disque 43 s'étend latéralement au-delà de la périphérie des éléments 41, 42, on voit que la vitesse périphérique du disque sera supérieure à celle des éléments coniques 41, 42.
Le bord périphérique extérieur de la lame ou du disque 43 est encoché ou muni de plusieurs dents espacées sur sa circonférence. Dans la forme représentée sur la fig. 6, les dents 43A sont définies par des parties encochées 43B espacées sur la circonférence, inclinées dans le sens de la rotation (indiqué par la flèche 51). Par conséquent, le bord arrière 43C de chaque fente 43B joue le rôle d'une arête coupante pour exercer un effet de cisaillement mécanique sur le fluide en cours de mélange lorsque le disque est entraîné en rotation. Pour améliorer les qualités d'usure de l'arête coupante, on peut rapporter une arête coupante 52 en carbure sur le bord arrière de la fente 43B.
Dans une variante de réalisation du disque, le disque 55 représenté sur la fig. 7, les dents 55A se suivent comme les dents d'une lame de scie circulaire. Le disque peut éventuellement être muni d'une série d'ouvertures 53 qui le traversent comme représenté sur la forme de la fig. 6.
La tête 40 décrite fonctionne de la façon suivante: lorsqu'on fait tourner la tête 40 dans une cuve de fluide à mélanger, les extrémités supérieures et inférieures 41, 42 exercent un effet de pompage dans lequel un courant s'établit de la façon décrite plus haut, c'est-à-dire que le fluide est attiré dans les extrémités d'entrée étroites 41A, 42A des éléments d'extrémités 41 et 42 et refoulé à l'extérieur à travers les extrémités ouvertes larges 41B et 42B respectivement. De cette façon, les courants de sortie sont dirigés vers le disque 43. La rotation du disque 43 tend à son tour à expulser le fluide latéralement vers l'extérieur, les bords extérieurs ou les dents coupantes cisaillant le fluide.
L'agencement est tel que l'effet de l'ouverture totale des extrémités de sortie des éléments d'extrémité 41 et 42 de la tête et l'action périphérique du disque 43 réduisent très notablement toute tendance à l'engorgement de la tête. I1 en résulte que l'on obtient un mélange efficace sans perte de puissance. Cet effet élimine donc toute tendance du fluide à se rassembler en une masse proche de l'état solide. Ceci entraîne l'élimination de l'effet d'une contrepression sur le moteur. La tête 40 a donc une utilité particulière pour travailler des fluides visqueux ou des fluides dans lesquels sont mélangées des particules solides que l'on veut pulvériser.
Le disque 43 en rotation rapide exerce, à l'aide de ses arêtes coupantes, un effet de pulvérisation efficace sur les particules tout en effectuant en même temps un mélange efficace des fluides en solution. La tête de la fig. 5 est particulièrement utile pour mélanger les peintures comportant des pigments de chrome ou équivalent.
Une plaque de commande 36 peut être également utilisée éventuellement en combinaison avec cette tête, comme décrit plus haut.
La fig. 9 représente une variante de réalisation 60, dans laquelle les éléments d'extrémité 61, 62 sont également construits de la façon décrite plus haut.
Toutefois, dans cette variante, les éléments 61 et 62 sont montés coulissants sur l'arbre d'entraînement 63 de façon à pouvoir se rapprocher et à s'éloigner l'un de l'autre. Un disque 64 du type décrit en regard de la fig. 5 est fixé sur cet arbre entre les extrémités
de sortie des éléments 61 et 62. Toutefois, dans cette variante, des éléments séparateurs élastiques 64 sont interposés entre le disque fixe 64 et chacun des éléments mobiles 61 et 62. Dans cette variante représentée, les éléments élastiques 64 comprennent des ressorts hélicoïdaux de compression disposés de part et d'autre de la lame ou du disque 64. Chaque ressort 65 porte sur une face du disque 64 et sur le moyeu 66, 67 de l'un des éléments d'extrémité 61 et 62.
Les éléments de la tête 60 sont fixés à l'arbre entre une butée 68 et une vis 69 qui est vissée dans l'extrémité de l'arbre 63.
Le fonctionnement du mélangeur 60 est identique à celui de la tête 40 décrite plus haut, excepté que les différences de charge imposées aux éléments d'extrémité 61 et 62 peuvent être compensées automatiquement par le mouvement relatif des éléments d'extrémité correspondants 61, 62. On remarquera donc que pendant une opération de mélange, les éléments d'extrémité 61 et 62 peuvent se rapprocher ou s'éloigner l'un de l'autre sur une distance limitée, grâce à l'entretoise élastique 65 pour équilibrer les efforts qui s'exercent sur ces éléments.
La fig. 10 représente une autre variante. Dans
cette variante, la tête 70 est analogue à la tête 40
de la fig. 5, excepté le fait que les extrémités de sortie 71A, 72A des éléments d'extrémité 73 et 74 présentent des sections transversales différentes. Dans la forme représentée, l'ouverture de sortie 71A de l'élément d'extrémité supérieur 71 a une plus grande surface de section que l'ouverture de sortie 72A de l'élément inférieur 72. En fonctionnement, la tête 70 de la fig. 10 est analogue à celle de la tête 40, excepté que la différence relative des sections transversales des extrémités de sortie des éléments crée une différence dans la vitesse d'écoulement du fluide par les extrémités de sortie respective 71A, 72A des éléments 71, 72 pendant une opération de mélange.
De cette façon, la rencontre de différentes particules des fluides en circulation est assurée dans la zone de sortie comprise entre les deux éléments coniques 71, 72 à l'endroit où la matière sort à des vitesses différentes.
La fonction du disque 73 est analogue à celle du disque 43.
Chacune des variantes de mélangeurs ou de têtes mélangeuses peut être utilisée avec autant de facilité pour mélanger à un liquide une matière qui est plus légère et/ou plus lourde que le liquide, ou bien pour mélanger des liquides ayant des viscosités différentes dans le minimum de temps et en absorbant le minimum de puissance. Chacune de ces constructions réduit au minimum l'engorgement de la tête. Chacune de ces têtes crée un effet de mélange intense avec le minimum de circulation excessive. Chaque tête peut être munie de moyens servant à régler la formation du mouvement tourbillonnaire et l'entraînement d'air.
Chaque tête est par ailleurs capable d'exercer un effet de cisaillement mécanique et hydraulique sur la matière qu'on mélange. Chaque tête est munie d'aubes qui sont venues de matières avec les éléments d'extrémité et ceci élimine tout intervalle vide entre les extrémités des aubes et la paroi des éléments d'extrémité, intervalle qui autrement engendrerait un couple, un effet de fouet et des vibrations. Chacune de ces têtes est de construction et de fonctionnement relativement simples.