Brevet FR2352239A1 — publié le 19771216

La présente invention concerne des dispositifs d'étant chéité d'arbre et, en particulier, des dispositifs d'étanchéité pour des garnitures d'agitateurs pouvant être utilisés dans de la verrerie de laboratoire et dans des usines chimiques. Suivant l'invention, un élément d'étanchéité destiné à dispositif d'étanchéité d'arbre comprend une partie tubulaire cylindrique encerclée par au moins une bride radiale qui en fait partie intégrante et qui peut maintenir le dispositif d'étanchéité dans un corps environnant et ainsi suspendre la partie tubulaire à l'écart du corps,et au moins une nervure annulaire qui en fait partie intégrante et qui s'étend vers l'intérieur à partir de la surface interne de la partie tubulaire dans un plan décalé du plan de la bride, l'élément d'étanchéité étant fait d'une matière polymère élastiquement flexible, de telle sorte que si l'on monte à coulissement,à travers la partie tubulaire,un arbre dont le diamètre est supérieur au diamètre intérieur de la nervure, la partie tubulaire est étirée vers l'extérieur et sollicite la nervure annulaire contre l'arbre. Des formes d'exécution spécifiques de l'invention seront décrites ci-après, à titre d'exemple, appliquées à des garnitures d'agitateurs et avec référence aux dessins annexés, dans lesquels la Fig. 1 est une vue en coupe d'une garniture d'agitateur installée dans un appareil d'essai; la Fig. 2 est une vue en coupe d'une variante d'élément d7étanchéité; et la Fig. 3 est une vue en coupe d'un autre élément d'étanchéité comportant une bride de maintien supplémentaire. La Fig. 1 représente un ballon en verre 1 comportant un goulot conique en verre rodé 2 et uné tubulure latérale 3 qui y est soudée. Le goulot conique est muni d'un adaptateur vissé 4 portant un chapeau 5 moulé en une matière plastique bleue percée d'un trou central 6 que traverse un arbre d'agitateur en verre 8, tous les éléments que l'on vient de décrire étant courante dans les appareils de laboratoire disponibles actuellement. Un élément d'étanchéité 10 est prévu autour de 1J arbre de l'agitateur et est fait d'une matière polymère flexible, cet élément comprenant une partie tubulaire 11 qui est cylindrique. Une bride 12 qui s'étend radialement vers l'extérieur encercle une extrémité et peut être pincée entre la partie filetée de l'adaptateur 4 et le chapeau bleu 5.A des intervalles déterminés, le long de la partie tubulaire, se trouvent deux nervures 13 et 14 qui s'étendent vers l'intérieur sur la surface interne de la partie tubulaire. Les diamètres intérieurs des deux nervures sont légèrement inférieurs au diamètre de l'arbre de l'agitateur, de sorte que les nervures sont repoussées vers l'extérieur, étirant la partie tubulaire qui sollicite à son tour les nervures contre l'arbre. Ceci est rendu possible par le fait que les nervures se trouvent dans des plans décalés de la bride qui est fermement pincée par le reste de l'appareil et qui ne peut par conséquent pas subir de distension, et par le fait que la partie tubulaire est dégagée de tous les éléments environnants qui pourraient, sinon, empêcher la partie tubulaire de se distendre vers l'exté- rieur.La liberté qu'ont les sections nervurées de lapartie tubulaire de fléchir en se désalignant sans être retenues par le reste de l'appareil, permet également à cette partie tubulaire de s'adapter aux petites irrégularités de l'arbre de l'agitateur, lorsque cet arbre tourne. On éprouve un appareil en substance de la forme représentée sur la Fig. 1 pour vérifier son aptitude à maintenir l'étanchéité à un vide poussé, tout en faisant tourner, à grande vitesse, l'arbre de l'agitateur autour- -duquel le joint d'étanchéité est établi. On raccorde la tubulure latérale 3 à une pompe à vide et à un dispositif classique (non représenté) servant à mesurer le taux de fuite et comprenant un ballon de 1 litre et un manomètre. On usine l'élément d'étanchéité en polytétrafluoroéthylène, sa partIe tubulaire ayant une longueur de 25 mm et une épaisseur constante de 1,5 mm. Les deux nervures font saillie d'environ 0,5 mm sur la surface et ont un diamètre intérieur de 6,5 mm avant d'être distendues vers l'extérieur par l'arbre dont le diamètre est de 6,8 mm. On introduit une goutte de graisse dans l'extrémité ouverte de l'espace 15 entre l'arbre et la partie tubulaire, au-dessus de la nervure externe 13. On abaisse la pression dans l'appareil jusqu'à 10-4 mm de mereure, puis on l'isole de manière étanche Qe la pompe. Tout en faisant tourner l'agitateur à 1.000 tours/minute, on mesure l'augmentation très lente de la pression. On constate que le taux de fuite n'est que de 1 x 10 5 torr s 1, et on maintient ce-très faible taux de fuite avec une variation minime tout en poursuivant l'agitation pendant 4 heures environ. On peut, en variante, retourner l'élément d'étanchéité de manière qu'il s'étende vers le bas dans l'adaptateur 4, pourvu qu'il ne soit pas alors ajusté étroitement dans le goulot de l'adaptateur au point d'émpecher toute dilatation de la partie tubulaire ou toute modification mineure de son orientation à l'intervention de l'arbre. Cependant, lorsque le joint d'étanchéité doit résister à une différence de pression très importante, il est préférable d'utiliser la différence de pression pour augmenter la force d'étanchéité au lieu de la diminuer.Ainsi, lorsqu'on scelle de façon étanche un ballon - sous vide, il est préférable de suspendre la partie tubulaire de manière qu'elle fasse saillie à l'extérieur du récipient sous vide, comme sur la Fig. 1, tandis que lorsqu'on scelle un récipient dans lequel règne une pression largement supérieure à la pression atmosphérique, Jil est préférable de suspendre 1'élément d'étanchéité de manière que la partie tubulaire s'étende dans le récipient sous pression. Cependant, lorsque la pression supérieure à la pression atmosphérique n'est pas excessive, il est -en général préférable d'exposer la partie tubulaire(comme sur la Fig. 1) lors d'une agitation à des vitesses élevées, de manière à faciliter le refroidissement. Ceci peut s'avérer important pour la longévité du dispositif d'étanchéité, même lorsqu'on utilise des matières telles que du polytétrafluoroéthylène dont les coefficients de friction sont très bas. Le refroidissement peut avantageusement être assisté, par exemple, en soufflant de l'air froid contre le dispositif d'étanchéité, lorsque ce dispo -sitif d'étanchéité doit être utilisé dans des conditions excessivement rigoureuses. On peut modifier la forme de l'élément d'étanchéité de diverses manières. Par exemple, on peut modifier le nombre de nervures, une seule nervure convenant en général pour de nombreuses applications lorsque les différences de pression ne sont pas excessives. Dans une autre-variante éventuelle la bride de cerclage est disposée ailleurs qu'à une extrémité de la partie tubulaire. Ainsi, par exemple, comme le montre la Fig. 2, la bride 21 peut entre placée dans un plan situé à mi-distance entre les deux nervures 22 et 23 qui s'étendent vers l'intérieur depuis la partie tubulaire 24 On utilise deux nervures dans les éléments d'etancbeité représentés sur les Fig. 1 et 2.Quoique ces deux nervures puis- sent contribuer à la diminution du taux de fuite total s lorsqu'on les utilise comme décrit plus haùt, elles remplissent des fonctions principales différentes. Ainsi, la nervure superiellre 13 maintient ie ballon sous vide en empêchant toute rentrée d'air et, comme telle, elle doit etre sollicitée feneeent contre l'arbre. Même du polytétrafluoroéthylène peut s'échauffer lorsqu'il est pressé fermement contre un arbre qui tourne rapidement et cet échauffement accélère l'usure. On peut réduire l'usure en appliquant de la graisse comme décrit plus haut.La nervure inférieure est prévue pour retenir la graisse qui pourrait franchir le joint d'étanchéité supérieur et elle ne doit par conséquent pas être sollicitée aussi fermement contre l'arbre. En fait, comme elle n'est pas spécifiquement graissée, une force de sollicitation moindre est préférable (par exemple en utilisant un diamètre intérieur légèrement supérieur à celui de la nervure supérieure). La nervure inférieure peut même être rplacée par un simple joint d'étanchéité à lèvre classique, qui fait partie intégrante de l'élément d'étanchéité ou qui en est sépare, Lorsqu'on utilise ainsi deux ou plusieurs nervures d'étanchéité, on peut prévoir un cu plusieurs trous de respiration ou évents- travers la partie tubulaire, entre les nervures. La Fig. 3 illustre une autre variante dans laquelle l'élément d'étanchéité comprend une partie tubulaire 31 encerclée par deux brides radiales qui en font partie intégrante, 32 et 33, et,sur la surface interne de l'élément d'étanchéité: à ml-distan- ce entre les plans des deux brides, se trouve une seule nervure annulaire 34 qui en fait partie intégrante. L'élément d'étanchéité est représenté monte dans un adaptateur 35 semblable à l'adaptateur 4 de la Fig. 1, sauf qu'un épaulement 36 est prévu sur sa surface interne. L'élément d'étanchéité est solidement ajusté dans l'adaptateur, ses brides étant d'un diamètre supérieur par exemple dssenviron 0,4 mm au diamètre intérieur de l'adaptateur. Lorsque l'élément d'étanchéité et l'adaptateur sont montés dans un appareil sous vide, semblable à celui représenté sur la Fig. 1, l'épaulement 36 empêche l'élément d'étanchéité d'être aspiré dans le ballon. Un arbre 37, d'un diamètre légèrement supérieur par exemple d'environ 0,25 au diamètre de la nervure 34, traverse l'élément d'étanchéité. La nervure et la partie tubulaire adjacente sont donc distendues vers l'extérieur par l'arbre et la nervure est sollicite contre l'arbre par la distension de la partie tubulaire. D'autres nervures diétanchéité peuvent être prévues de long de la partie tubulaire dans des plans décalés des plans des brides. De même, des brides supplémentaires peuvent être prévues pour fournir un soutien supplémentaire pour des élé- ments d'étanchéité particulièrement longs. Les matières préférées pour l'élément d'étanchéité sont des compositions de polytétrafluoroéthylène, comme des homopolymères du tétrafluoroéthylène et des copolymères du tétrafluoro éthylène avec une faible quantité (par exemple jusqu'à à 1C%, en poids du polymère) d'un ou de plusieurs comonomères, comme lJéthy iène ou l'hexafluoropropène. La composition peut également contenir une ou plusieurs charges. On peut également utiliser l'élément d'étanchéité pour maintenir et sceller des thermomètres. L'invention est illustrée ci-après par les résultats d'expériences effectuées pour comparer l'efficacité de ces éléments d'étanchéité avec celle d'autres éléments d'étanchéitédeformes différentes sortant du cadre de l'invention. L'élément d'étanchéité conforme à l'invention a une forme semblable à celle représentée sur la Fig. 1 des dessins, sauf qu'une seule nervure d'étanchéité est prévue. Cet élément d'étanchéité, qui sera appelé ci-après- "élément A",comprend un tube cylindrique en polytétrafluoroéthylène d'une longueur totale de 14 mm et d'un diamètre extérieur de 11 mm.Une bride dont le diamètre extérieur est de 16 mm, s'étend radialement vers l'extérieur-à partir de la surface du tube et à une extrémité de nelui-ci. L'épaisseur de la bride est de 3 mm et la longueur du reste du tube est par conséquent de 11 mm. Une nervure d'étanchéité annulaire de 1 mm de largeur est prévue sur la surface interne du tube à la mi-longueur du reste de ce tube. La nervure est donc décalée du plan de la bride, du fait qu'elle est à 5 mm de la bride et à 5 min de l'extrémité éloignée de cette bride. La nervure annulaire fait saillie de 0,5 mm sur la surface du tube et le diamètre intérieur de la nervure est de 6,35 rin. Le premier élément détanchéiité comparatif, appelé ci-après "élément B", est en substance identique à l'élément A, sauf que la surface interne du tube n'a pas été entaillée pour former une nervure d'étanchéité. L'élément B comprend donc un tube cylindrique en polytétrafluoroéthylène de 11 min de diamètre extérieur et de 6,35 mm de diamètre intérieur, la longueur totale de ce tube étant de 14 mm. A une extrémité, se trouve une bride de mêmes dimensions que la bride de l'élément A. Le second élément d'étanchéité comparatif qui sera appelé ci-après "élément ct., est simplement une rondelle en polytétrafluoroéthylène de 3 mm d'épaisseur, ayant un diamètre intérieur de 6,35 mm et un diamètre extérieur de 16 mm. On éprouve chacun des trois éléments d'étanchéité en le pinçant sur l'embouchure d'un récipient au moyen de sa bride. On introduit une tige surcalibrée à travers l'élément d'étanchéité, de manière à fermer l'embouchure du récipient et on fait ensuite le vide dans le récipient. On contrôle alors la pression régnant dans le récipient. La tige est surcalibrée de 0,25 mm, e'est-à-dire que son diamètre extérieur est de 6,6 mm, et les trois éléments d'étanchéité sont à même de maintenir un bon vide à l'intérieur du récipient, tandis que la tige est immobile. On fait alors tourner la tige à 300 tours/minute. Dans chaque cas, le dispositif d'étanchéité entourant la tige qui tourne, maintien un bon vide jusqu'a ce qu'une perte de l'effet d'étanchéité se produise, cette perte survenant assez brtalement. Les durées pendant lesquelles les trois éléments d'étanchéité sont efficaces sont les suivantes Elément A 5,5 heures Elément B 4 minutes Flément C 23 minutes L'élément B s'échauffe également suffisamment pour carboniser le polytétrafluoroéthylène qui a été éliminé par usure de l'élément d'étanchéité. Lorsqu'on répète cet essai avec des éléments d'étanchéité frais ayant la forme de l'élément A, on obtient un étalement des durées allant de 4 heures à 6 heures environ. On compare également les éléments d'étanchéité conformes à l'invention à des joints d'étanchéité à lèvre de diverses dimensions, faits de la meme matière. Ces joints d'étanchéité à lèvre comprennent des éléments minces, en substance tronconiques, emboutis dans un anneau plat et sont utilisés par exemple comme joints d'étanchéité à l'huile. Cependant, lorsqu'on les éprouve pour vérifier leur aptitude à retenir des gaz (de l'air) contre un vide poussé ou à des pressions élevées, les gaz étant soumis à des différences de pression pour lesquelles les éléments d'étanchéité conformes à l'invention (élément A) ne permettraient qu'un taux de fuite négligeable avec un arbre qui tourne, on observe que les joints d'étanchéité à lèvre -accu- sent un taux de fuite appréciable, même lorsque l'arbre est immobile. Le contraste est très sensible. R E V E N D I C A T I O DJ S 1.- Elément d'étanchéité pour un dispositif d'étant chéité d'arbre, caractérisé en ce qu'il comprend une partie tubulaire cylindrique encerclée par au moins une bride radiale qui en fait partie intégrante,propre à supporter le dispositif d'étanchéité dans un corps environnant, et ainsi à suspendre la partie tubulaire à l'écart du corps, au moins une nervure annulaire qui en fait partie intégrante et qui s'étend wm l'intérieursurlastSace interne de la partie-tubulaire dans un plan décalé du ptan de la bride, l'élément d'étanchéité étant fait d'une matière polymère élastiquement flexible, de sorte que, si l'on monte à coulissement,à travers la partie tubulaire,un arbre dont le diamètre est supe- rieur au diamètre intérieur de la nervure, la partie tubulaire est étirée vers l'extérieur et sollicite la nervure annulaire contre l'arbre. 2.- Elément d'étanchéité suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement une partie tubulaire cylindrique comportant deux nervures d'étanchéité annulai- res qui s'étendent vers l'intérieur et une bride de maintien qui s'étend radialement vers l'extérieur sur la partie tubulaire. 3.- Elément d'étanchéité suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux brides de maintien. 4.- Elément d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est en polytétrafluoroéthylène.