Brevet FR2494381A1 — publié le 19820521

On connaît des dispositifs d'étanchéité de type à ferrofluide utilisables pour rendre étanches les arbres rotatifs et comprenant des joints toriques constitués d'un liquide ferrofluide à un ou plusieurs étages (voir par exemple le brevet américain nO 3 620 584 qui décrit un joint détanchéité à ferrofluide à plusieurs étages pour arbre tournant). On utilise les joints d'étanchéité à ferrofluide à un ou plusieurs étages comme joints d'exclusion, pour protéger un environnement situé d'un côté de l'arbre vis-à-vis de produits de contamination de l'environnement. situé de l'autre côté de l'arbre. Des joints d'étanchéité d'exclusion de type à ferrofluide sont utiles notamment pour protéger les axes d'entraînement de disques d'ordinateur afin d'empêcher les produits de contamination d'un milieu d'atteindre les diques à mémoire. Un joint d'étanchéité d'exclusion à ferrofluide connu, utilisé actuellement dans le domaine des ordinateurs, comprend un aimant permanent annulaire adapté pour entourer l'axe, cet aimant étant intercalé entre deux éléments identiques formant pièces polaires qui sont disposés sur le diamètre extérieur de façon à être en contact par flux magnétique avec l'une et l'autre des extrémités polaires de l'aimant permanent. Le diamètre intérieur des pièces polaires est disposé à proximité de la surface de l'arbre ou de l'axe, sans être mis en contact avec elle, pour ménager un petit espace libre, compris par exemple entre 0,0508 et 0,254 mm, entre le diamètre intérieur des pièces polaires et la surface de l'arbre. On dispose dans cet espace libre un ferrofluide qui est retenu magnétiquement lors de l'insertion de l'arbre ou de l'axe magnétiquement perméable afin de réaliser un ou plusieurs étages de joints toriques liquides, qui constituent un joint d'exclusion à ferrofluide autour de l'arbre. On peut utiliser une grande variété de matériaux magnétiques pour réaliser l'aimant permanent, mais de manière générale ce matériau est un matériau céramique fritté ou lié d'une épaisseur longitudinale comprise entre 2,032 et 3,81 mm environ. Lespièces polaires se composent d'un matériau magnétiquement perméable, tel qu'un acier inoxydable magnétique (par exemple, la série 400), d'une épaisseur comprise entre 0,635 et 2, 032 mm environ. Le joint d'étanchéité d'exclusion connu, en fonction des exigences du client, est réalisé comme on vient de le décrire ou est logé dans un bottier non magnétique, en aluminium ou en acier inoxydable (par exemple de la série 300) par des techniques d'assemblage par collage ou autre. Le joint d'étanchéité d'exclusion est réalisé en introduisant une quantité optimale précise d'un ferrofluide dans les zones de l'espace annulaire situées entre le diamètre intérieur des pièces polaires et l'arbre. De manière typique, le ferrofluide comprend un liquide porteur à faible pression de vapeur, tel qu'un fluorocarbone, un polyphényléther, un hydrocabure, un liquide diester ou d'autres liquides analogues à faible pression de vapeur, pour assurer une très faible perte massique du ferrofluide constituant le joint torique, permettant ainsi d'obtenir un joint d'exclusion de très longue durée. Par exemple, on s'attend à ce qu'un joint d'exclusion à ferrofluide classique dure plusieurs années dans des conditions de température modérées, à la vitesse de 3600 tours par minute utilisée actuellement pour l'entraînement des axes de disques d'ordinateur et pour des diamètres d'arbres pouvant aller jusqu'à 4,572 cm environ. Le ferrofluide peut varier en ce qui concerne sa viscosité et son aimantation de saturation, qui se situent ordinairement entre 20 et 500 cps et entre 100 et 400 gauss respectivement. Il y a lieu de prolonger la durée de vie utile des joints d'exclusion à ferrofluide, notamment dans des conditions de températures ambiantes élevées, supérieures par exemple à 500C, à des vitesses de rotation d'axe dépassant 3600 tours/min et pour des diamètres d'axe plus importants, ou pour une combinaison de ces conditions. L'invention a pour objet un joint d'étanchéité de type à ferro- fluide pour arbre tournant d'une longue durée, son procédé de fabrication et l'utilisation d'un tel dispositif d'étanchéité. Plus particulièrement, l'invention concerne un joint d'étanchéité d'exclusion à ferrofluide utilisable notamment en association avec des axes d'entraînement de disques d'ordinateur pour les rendre étanches pendant de longues périodes de temps. Dans un joint d'exclusion-à ferrofluide classique, on a constaté qu'il existe deux facteurs de base qu'il faut prendre en considération - un facteur magnétique qui détermine la pression d'étanchéité tandis que l'autre facteur concerne la génération de chaleur qui détermine la durée du joint. De manière générale, la capacité totale en pression des joints étanches d'exclusion à ferrofluide actuels se situe entre 76,2 et 152,4 cm d'eau, pression répartie sensiblement également entre les deux pièces polaires. La pression que nécessite une application normale à l'entraînement de disques n'est que de 12,7 cm d'eau. Ainsi, ces joints assurent une grande marge de sécurité en ce qui concerne la pression. En effet, un seul joint torique à ferrofluide suffit largement pour assurer la capacité nécessaire en pression toutefois, dans les réalisations actuelles connues, on prévoit deux pièces polaires pour que le circuit du flux magnétique soit complet. Il est bien connu qu'il se produit un gradient de température sur le joint torique à ferrofluide, gradient dé à la chaleur dégagé par le cisaille- ment visqueux du ferrofluide entre l'axe en rotation et le diamètre intérieur des pièces polaires fixes. Une partie de cette chaleur est éliminée à travers les pièces polaires et l'axe. Ainsi, la température de fonctionnement du ferrofluide dépend des capacités de transmission thermique des matériaux formant le joint et de sa structure, ce qui détermine, à son tour, la vitesse d'évaporation du ferrofluide et, par conséquent, la durée du joint. La temp- érature de fonctionnement du fluide est plus élevée lorsque le ferrofluide remplit les deux zones de l'espace, que lorsqu'un seul étage est activé par le ferrofluide et qu'un espace d'air se trouve sous l'autre étage. La raison en est que chaque zone de l'espace remplie de ferrofluide sert de source de chaleur indépendante, et porte la température de la structure du joint à une valeur plus élevée que si un seul étage avait été activé par le ferrofluide. Par conséquent, à la différence de la pression du joint qui double lorsque les deux étages sont activés, par opposition à un seul, la durée du joint augmente lorsqu'un seul zone de l'espace est remplie de ferrofluide et non pas les deux ou plusieurs zones de l'espace. Dans ces conditions, la situation idéale serait celle o un_-seule pièce polaire est activée par le ferrofluide. Une seconde pièce polaire, qui fonctionnerait avec un espace d'air,servzrat uniquenent à compléter le circuit magnétique. L'espace d'air aide à permettre le déplacement d'air de la cavité entre les pièces polaires. Les techniques actuelles d'installation de joints, toutefois, ne permettent pas de réaliser ce but parce que le ferrofluide est injecté dans la zone de l'aimant, ce qui a pour conséquence la migration du ferrofluide dans les deux zones de l'espace, lors de l'insertion de l'axe. On a constaté que la durée du joint d'un dispositif d'étanchéité tournant à' ferrofluide peut 9tre prolongée en prévoyant des largeurs des pièces polaires plus importantes que la normale et de préférence inégales. Les joints d'exclusion à ferrofluide standard actuels à un seul ou à plusieurs étages, sont réalisés avec des pièces polaires de largeur identique, par exemple de 0,762 à 1,143 mm. On a constaté que les pièces polaires de largeur plus importante assurent une plus grande durée du joint, du fait qu'il y a une plus grande quantité de ferrofluide dans l'espace réalisé, ce dont il résulte un plus grand intervalle d'évaporation, et également en raison de la plus grande surface en section transversale permettant de faire disparatre la chaleur du ferrofluide. Les épaisseurs optimales des pièces polaires, comprises entre 1,27 et 2,032 mm et plus assurent une augmentation de la longévité du joint pouvant aller jusqu'à 905b. En particulier, on a constaté qu'un joint d'exclusion comprenant des pièces polaires de largeurs inégales s'avèrent avantageux notamment en ce qui concerne la prolongation de la durée de vie du joint. Un joint d'exclusion bipolaire à ferrofluide à deux étages classique présente l'inconvénient que la durée du joint est essentiellement la même que celle d'un seul étage. En outre, en raison de la présence de ferrofluide sous le second étage, ce dont il résulte deux générateurs de chaleur indépendants, la durée de chaque étage individuel est moins avantageuse que celle obtenue lorsqu'il n'y a pas de ferrofluide sous le second étage mais seulement un espace d'air. Les techniques d'assemblage pour l'installation de joints ne permettent pas l'activation d'un seul étage avec du ferrofluide. On a découvert qu'il est possible de supprimer la migration du fluide vers un étage tout en la permettant dans l'autre. Lorsqu'il s'agit d'un joint ayant des pièces polaires de largeurs inégales, le joint de la pièce polaire étroite fait défaut plus rapidement, permettant au joint de la pièce polaire plus épaisse de fonctionner seul en joint à un seul étage pendant le reste de la durée de vie du joint. La conception du circuit magnétique de la pièce polaire la plus épaisse fait que celle-ci suffit largement, à elle seule, pour satis- faire certaines exigences concernant la pression des joints. En cours de réalisation d'un joint, tels qu'un joint pour ordinateur, on injecte le ferrofluide dans la zone de l'aimant du joint à pièces polaires inégales, avant son installation dans le système d'entrain- ment de disques d'ordinateur. Lors de l'insertion de l'axe, le fluide est expulsé et réparti de manière inégale entre les deux étages, en général proportionnellement aux largeurs des espaces situés sous l'extrémité de chaque pièce polaire. Des expériences effectuées sur des axes ayant des diamètres allant jusqu'à 4,572 cm et fonctionnant à une vitesse de 3600 tours/ min. avec un espace radial de 0,1524 mm ont démontré que la température du ferrofluide, en ce qui concerne la pièce polaire étroite, est plus élevée que celle de la pièce polaire la plus épaisse. La différence est plus grande, plus la viscosité du ferrofluide est élevée. La largeur de la pièce polaire la plus étroite est en général de 0,635 mm, par exemple comprise entre 0,508 et 1,016 mm, largeur déterminée essentiellement en fonction de considérations liées à la résistance mécanique. La pièce polaire la plus épaisse devrait avoir un épaisseur minimale de 1,27 mm. La durée du joint, déterminée par la défaillance de la pièce polaire la plus épaisse, est de 25%' à 100%io plus longue que la durée d'un joint standard. En outre, pour un joint à pièces polaires inégales, le joint torique à ferrofluide situé au-dessous la pièce polaire la plus épaisse peut durer jusqu'à cinq fois plus longtemps que celle de la pièce polaire plus étroite, prolongeant ainsi la durée du joint par rapport à celle des joints à ferrofluide comprenant des pièces polaires étroites ou standard. Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci- après à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue schématique en coupe transversale d'un joint d'exclusion à' ferrofluide conforme à la présente invention au début de son fonctionnement; et - la figure 2 représente le joint d'exclusion de la figure 1 après évaporation du ferrofluide sous une pièce polaire. On voit sur la figure 1 un joint à ferrofluide de longue durée qui comprend un aimant permanent en anneau 14 situé à l'intérieur d'un bottier non magnétique 12, en aluminium ou en acier inoxydable non magnétique par exemple, et comprenant des pièces polaires 16 et 18 disposées en sandwich de part et d'autre de l'aimant 14 et à proximité des p8les opposés afin de réaliser entre elles une cavité fermée annulaire 22. L'aimant 14 et les pièces polaires 16 et 18 dans le bottier 12 sont disposés sur un arbre magnétique- ment perméable 26, tel que l'axe d'entraînement de disques d'ordinateur. Une extrémité de chaque pièce polaire 16 et 18 est disposée à proximité de la surface de l'arbre 26, mais sans être mis en contact avec elle, pour réaliser des premier et second espaces 20 d'une largeur comprise typiquement entre 0,0508 et 0,1524 mm ou plus; par exemple entre 0,3048 et 0,762 mm, comme cela est décrit dans la demande de brevet n0 déposée le même jour que la présente demande et incorporée dans celle-ci par référence. Du ferrofluide 24, par exemple un ferrofluide diester, d'une viscosité comprise entre 50 et 500 ceps et d'une saturation magnétique comprise entre 100 et 400 gauss est retenu dans les espaces 20 situés à l'extrémité de chaque pièce polaire pour former deux joints toriques 30 et 32, représentés en traits interrompus sur la surface de l'arbre, lors de la rotation de l'arbre 26. Le parcours fermé du flux magnétique est représenté en traits interrompus 34. Le bottier 12 peut avoir, en variante, un prolongement constitué d'une plaque plate d'un matériau non magnétique et thermiquement conducteur, par exemple de l'aluminium d'une longueur extérieure comprise entre 0,127 et 0,508 mm et s'étendant jusqu'à une extrémité de la pièce polaire 18 pour faire disparaître la chaleur du ferrofluide 24 disposé dans l'espace 20 sous la pièce polaire 18, comme décrit dans la demande de brevet nO, déposée le même jour que la présente demande et incorporée par référence à celle-ci. La pièce polaire 18 a une plus grande largeur, par exemple entre 1,27 et 2,032 mm, que la pièce polaire 16 d'une largeur par exemple comprise entre 0,635 et 1,016 mm, de sorte que la surface du joint torique 32 situé au-dessous de la pièce polaire 18 est plus large et que la quantité de ferro- fluide 24 est plus importante en volume dans l'espace 20 que si les espaces situés au-dessous des pièces polaires 16 et18 étaient inégales.Le dispositif d'étanchéité, comme représenté, assure une plus longue durée du joint et, en cas d'une défaillance d'abord de l'étage étanche sous la pi.ce polaire 16, permet l'ouverture de la cavité 22 et la formation d'un joint à un seul étage, le ferrofluide 24 situé sous la pièce polaire 18 constituant le joint de plus longue durée. On peut en outre prévoir un prolongement conducteur de chaleur 36 et une plus grande largeur de l'espace pour prolonger davantage la durée du joint. La figure 2 représente l'état du dispositif d'étanchéité 10 après la défaillance du ferrofluide 24 situé dans l'espace 20 sous la pièce polaire 16 et après la conversion, par suite de cette défaillance du joint en un joint à un seul étage, le joint à ferrofluide situé sous la pièce polaire la plus large 18 permettant un prolongement de la durée du joint. On a effectué des expériences permettant de comparer un joint d'exclusion standard ayant des pièces polaires de même épaisseur, par exemple de 1, 016, à un joint d'exclusion dont une pièce polaire a une épaisseur de 0, 635 mm tandis que l'autre a une épaisseur de 1,397 mm. On a effectué les essais avec un ferrofluide à base d'hydrocarbure d'une viscosité de 50 cps et d'une saturation magnétique de 200 gauss, avec une largeur d'espace de 0,1524 mm à l'intérieur du joint à 1000C, en utilisant un arbre d'entraînement de disques d'ordinateur d'un diamètre de 4,572 cm tournant àa une vitesse de 3600 tours/min. Les résultats des essais ont mis en évidence une défaillance du joint standard après 180 heures environ, tandis que le joint torique situé sous la pièce polaire la plus étroite, a fait défaut après 155 heures mais le joint torique situé sous la pièce polaire d'une largeur de 1,397 mm n'a fait défaut qu'après 260 heures. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité à ferrofluide pour arbre tournant assurant une longue durée du joint, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un aimant permanent annulaire (14) adapté pour entourer l'arbre tournant (26) devant être rendu étanche et comprenant des pôles de polarités opposées à chaque extrémité; et b) des première et seconde pièces polaires magnétiquement perméables (16,18) en relation par flux magnétique avec l'une et l'autre, respectivement, des extrémités de l'aimant permanent- (14), chaque pièce polaire présentant une première et une seconde extrémité et étant adaptée pour entourer l'arbre tournant (26) devant être rendu étanche, la première extrémité de chaque pièce polaire étant disposée à proximité de la surface de l'arbre devant être rendue étanche, sans être mise en contact avec elle pour former entre elles un espace (20) , les pièces polaires (16,18) ayant des largeurs inégales afin de réaliser un premier espace d'une largeur inférieure à celle du second espace, ce qui a pour résultat que le ferrofluide (24), disposé et retenu dans les premier et second espaces (20) en vue de réaliser des joints toriques magnétiques (30,32) autour de l'arbre (26), s'évapore de préférence, lors de la rotation de l'arbre, du premier espace, laissant subsister un dispositif d'étanchéité d'une longue durée comprenant un premier espace d'air et un second espace d'étanchéité rempli de ferrofluide. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur de la première pièce polaire (16) se situe entre 0,762 et 1,143 mm environ. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur de la seconde pièce polaire (18) se situe entre 1,27 et 2,032 mm environ. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un matériau non magnétique thermiquement conducteur en relation de conduction thermique avec la seconde pièce polaire (18) pour faire baisser la température du ferrofluide au niveau du second espace (20). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau thermiquement conducteur est une plaque de matériau en contact avec la paroi extérieure de la seconde pièce polaire (18) et comprenant une extrémité qui s'étend en relation étroite avec la première extrémité de la seconde pièce polaire (18). 6. Dispositif selon la revendication 1, en combinaison avec un arbre tournant, caractérisé en ce que le dispositif d'étanchéité comprend du ferrofluide dans au moins un espace pour rendre étanche l'arbre tournant (26). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'arbre est constitué de l'axe d'entraînement de disques d'ordinateur. 8. Dispositif d'étanchéité tournant à ferrofluide d'une durée de vie prolongée, caractérisé en ce qu'il comprend; a) un aimant permanent annulaire (14) adapté pour entourer l'arbre tournant (26) devant être rendu étanche et comprenant des p8les de polarités opposées à chaque extrémité; b) des première et seconde pièce polaires magnétiquement perméables (16,18) en relation par flux magnétique avec l'une et l'autre extrémités, respectivement, de l'aimant permanent (14), chaque pièce polaire comprenant une première et une seconde extrémité et étant adaptée pour entourer l'arbre tournant (26) devant être rendu étanche, la première extrémité de chaque pièce polaire étant disposée à proximité de la surface de l'arbre (26) devant être rendu étanche, sans être mise en contact avec elle, pour réaliser entre elles un espace (20), les pièces polaires (16,18) ayant des largeurs inégales la largeur de la seconde pièce polaire étant comprise entre 1,27 et 2,032 mm environ, afin de réaliser un premier espace qui est d'une largeur inférieure à celle du second espace; et c) un matériau non magnétique thermiquement conducteur en relation de conduction de chaleur avec la seconde pièce polaire (18) pour réduire la température du ferrofluide au niveau du second espace, ce qui a pour résultat que le ferrofluide (24), disposé et retenu dans les premier et second espaces (20) pour former des joints toriques magnétiques (30,32) autour de l'arbre (26), s'évapore de préférence, lors de la rotation de l'arbre, du premier espace, en laissant subsister un dispositif d'étanchéité d'une durée de vie prolongée comprenant un premier espace d'air et une second espace d'étanchéité rempli de ferrofluide. 9. Procédé permettant de prolonger la durée de vie d'un dispositif d'étanchéité à ferrofluide pour arbre tournant, procédé qui consiste, afin de rendre étanche un arbre tournant a) à entourer l'arbre tournant (26) d'un aimant permanent annulaire (14) présentant une extrémité et une autre extrémité et comprenant des pôles de polarités opposées à chaque extrémité; b) à entourer l'arbre tournant (26) d'une première et d'une seconde pièces polaires magnétiquement perméables (16,18) en relation par flux magnétique avec l'une et l'autre des extrémités de l'aimant permanent (14), chaque pièce polaire (16,18) comprenant une première et une seconde extrémité c) à disposer la première extrémité de chaque pièce polaire (16, 18) à proximité de la surface de l'arbre tournant (26), sans la mettre en contact avec elle, pour former entre elles des premier et second espaces (20) d'une largeur déterminée; et d) à retenir magnétiquement, dans les premier et second espaces (20) un ferrofluide (24) afin de réaliser au moins deux joints toriques liquides (30,32) sur la surface de l'arbre tournant (26), en vue d'assurer l'étanchéité de l'arbre tournant, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à faire en sorte que le ferrofluide s'évapore de préférence d'un des espaces en modifiantles largeurs des premier et second espaces pour qu'elles soient inégales, afin que le ferrofluide (24) s'évapore de préférence de l'espace de faible largeur tandis que le ferrofluide situé dans l'espace de plus grande largeur assure un joint étanche d'une durée de vie prolongée par rapport à un joint pour lequel les largeurs des espaces sont plus petites et égales. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il consist en outre à prévoir une pluralité de largeurs d'espaces différentes dans un joint à étages multiples. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il consiste à faire disparaître la chaleur du ferrofluide (24) situé dans l'espace de plus grande largeur (20) afin de réduire la vitesse d'évaporation du ferro- fluide au niveau de l'espace de plus grande largeur et de prolonger davantage la durée du joint. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la chaleur est éliminée à l'aide d'un matériau non magnétique thermiquement conducteur en contact avec la pièce polaire formant l'espace le plus large. 13. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le ferrofluide présente une viscosité comprise entre 50 Cps et 500 cps environ et une saturation magnétique comprise entre 100 et 400 gauss environ. 14. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'arbre tournant (26) est constitué de l'axe d'entraînement de disques d'ordinateur. 15. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les première et seconde pièces polaires ont des largeurs inégales, la seconde pièce polaire ayant une largeur comprise entre 1,27 et 2,032 mm environ.