Brevet FR2507730A1 — publié le 19821217

La présente invention se rapporte à un dispositif d'étanchéité à fluide magnétique, destiné à assurer une étanchéité entre des surfaces mobiles l'une par rapport à l'autre, telles que les surfaces d'arbres rotatifs et de man- chons, et analogues, afin de maintenir une différence de pression entre les pressions qui règnent de part et d'au- tre du dispositif d'étanchéité ou afin d'empêcher toute fuite de lubrifiant le long des surfaces. Entre des surfaces mobiles l'une par rapport à l'autre, qui doivent être lubrifiées, il est parfois nécessaire d'interposer des joints afin d'empêcher toute fuite d'un lubrifiant ou d'un gaz ou afin de maintenir une différence de pression entre les pressions qui règnent de part et d'autre des joints, lorsque l'une des surfaces, telle que celle d'un arbre rotatif, passe d'un premier milieu, dans lequel règne une première pression, à un second milieu dans lequel règne une autre pression. Afin de réaliser ces joints d'étanchéité, on a déjà suggéré d'employer des fluides magnétiques dans l'intervalle entre les surfaces mobiles l'une par rapport à l'autre Le fluide magnétique comprend un véhicule fluide, tel que de l'eau, un hydrocarbure, un composé fluorocarboné, ou un acide gras, et des particules magné- tiques telles que de la ferrite, mélangées au véhicule fluide, et ce fluide magnétique est emprisonné dans l'en- trefer par un flux magnétique développé par un ou plu- sieurs aimants permanents Dans un tel dispositif d'étanché- ité à fluide magnétique, comme les surfaces mobiles l'une par rapport à l'autre ne viennent pas directement en con- tact l'une avec l'autre, elles sont soumises à une 'usure pratiquement nulle, de sorte que la durée de vie d'un tel joint d'étanchéité est remarquablement longue si on la compare à celle des joints d'étanchéité mécaniques De plus, un tel joint de fluide magnétique constitue un joint maté- riel En conséquence, un joint d'étanchéité à fluide magné- tique est souvent utilisé dans un appareil qui se trouve dans l'environnement d'un vide poussé, tel qu'un appareil équipé d'un tube à rayons X. Des dispositifs d'étanchéité à fluide magnétique de ce type sont décrits dans le brevet britannique n O 783 881 et dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 3 620 584 Sur la figure 5 du brevet britannique pré- cité, un arbre réalisé en un matériau magnétique peut tourner dans un logement Plusieurs aimants permanents annulaires sont fixés à la surface interne du logement, en série, dans la direction longitudinale du logement, avec des pièces polaires annulaires dont chacune est maihtenue entre deux aimants permanents voisins Entre chacune des périphéries internes des pièces polaires et la surface ex- terne de l'arbre sont délimités des entrefers d'étan- chéité, dans lesquels le fluide magnétique est attiré et retenu Les deux aimants permanents voisins sur les côtés opposés de chacune des pièces polaires sont ainsi disposés si bien que leurs polarités sont symétriques par rapport à cette pièce polaire, c'est-à-dire que les aimants permanents sont disposés de sorte que l'on obtienne la séquence sui- vante: "N S-pièce polaire-S N-pièce polaire-N S" Cette disposition des aimants permanents est la même que celle qui est décrite ci-après dans la présente invention De plus, chacune des périphéries internes des pièces polaires est en biseau de façon à délimiter une portion annulaire en saillie dans sa partie centrale dans la direction axiale de la pièce polaire afin d'assurer ainsi la concentration désirée du champ magnétique Le flux magnétique provenant de l'un des aimants passe dans l'une des pièces polaires, traverse l'un des entrefers puis passe dans l'arbrepuis revient en traversant un autre entrefer et passe dans la pièce polaire jusqu'à l'aimant de manière à fermer le cir- cuit de flux magnétique. Les deux boucles de flux magnétique développées par deux aimants permanents voisins dans chaque pièce po- laire traversent dans le même sens chaque entrefer au niveau de la portion en saillie de la pièce polaire, et en conséquence, les deux boucles de flux magnétique se repous- sent et divergent de manière à réaliser un champ magnéti- que relativement large destiné à maintenir le fluide ma- gnétique dans l'entrefer De plus, afin d'éviter toute saturation magnétique des pièces polaires, l'épaisseur de chaque pièce polaire est limitée, et de très fines plaques ne peuvent pas être utilisées comme pièces polaires. En conséquence, comme la densité de flux magnéti- que dans les entrefers délimités entre les périphéries internes des pièces polaires et la surface circonférielle de l'arbre rotatif n'est pas très élevée, la force de main- tien, destinée à retenir le fluide magnétique et développée par le flux magnétique traversant chaque intervalle, n'est pas très importante Afin d'augmenter cette force de rete- nue, il est nécessaire d'utiliser un ou plusieurs aimants ayant un champ magnétique élevé ou de délimiter des entre- fers étroits, par exemple de moins de 20 microns En conséquence, il est difficile d'assembler le dispositif d'étanchéité de sorte que l'on obtienne des entrefers étroits entre l'arbre rotatif et les pièces polaires De plus, si on augmente le nombre d'aimants permanents afin d'augmenter le nombre de barrières destinées au maintien du fluide magnétique, le dispositif d'étanchéité devient long et encombrant. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 626 584, un dispositif d'étanchéité à fluide magné- tique est disposé entre deux roulements à billes, comme cela est représenté sur la figure 5 des dessins de ce bre- vet Le dispositif d'étanchéité à fluide magnétique comprend un aimant permanent annulaire et deux pièces polaires dis- posées sur les côtés opposés de l'aimant La périphérie interne de chaque pièce polaire est concave, et présente, en coupe radiale de chaque pièce polaire annulaire, la forme d'un triangle de façon à délimiter deux bords en lame de couteau aux extrémités opposées de la périphérie interne, dans la direction axiale du dispositif d'étanchéité Un fluide magnétique est maintenu dans chaque entrefer entre la périphérie de forme concave de la pièce polaire corres- pondante et un manchon rotatif Ce dispositif d'étanchéité ne comprend aucun moyen particulier destiné à concentrer le flux magnétique traversant l'entrefer et en consé- quence la densité du flux magnétique dans l'entrefer n'est pas très élevée Ce type de dispositif d'étanchéité ne peut pas assurer une étanchéité complète destinée à maintenir une différence de pression importante entre deux enceintes voisines. Afin d'augmenter la différence de pression effective, plusieurs pièces polaires dont chacune pré- sente un bord en lame de couteau en regard du manchon rotatif, de manière à délimiter un entrefer d'étanchéité- avec ce dernier,peuvent être disposées sur les côtés opposés de l'aimant permanent, comme cela est représenté sur la figure 6 Dans cette réalisation, plusieurs barrièresd'étan- chéité à fluide magnétique sont formées séparément les unes des autres dans la direction axiale du manchon La figure 7 du même brevet représente un manchon rotatif muni de plu- sieurs bords en lame de couteau destinés à former plusieurs barrièresd'étanchéité dans le même but que le dispositif d'étanchéité représenté par la figure 6. Dans ces exemples de réalisation de l'état de la technique, le flux magnétique est modérément concentré au niveau des bords en lame de couteau des pièces polaires ou du manchon Cependant, le degré de concentration du flux magnétique n'est pas suffisant afin que les dispositifs d'étanchéité puissent maintenir une différence de pression importante s'ils ne comprennent qu'un petit nombre de bar- rières d'étanchéité. La présente invention a pour objet un dispositif d'étanchéité à fluide magnétique dans lequel un champ magnétique localement important est développé par une force de répulsion entre deux boucles différentes de flux passant dans la même pièce polaire de manière à augmenter la force destinée à retenir le fluide magnétique et à maintenir une différence de pression élevée alors que le dispositif ne comprend qu'un faible nombre de barrières d'étanchéité. L'invention a également pour objet un dispositif d'étanchéité à fluide magnétique capable de maintenir le fluide magnétique d'une manière assurée en dépit de larges entrefers délimités entre plusieurs pièces polaires et un arbre rotatif de façon à faciliter l'assemblage du dis- positif. Selon l'invention, le dispositif d'étanchéité à fluide magnétique destiné à assurer une étanchéité entre des éléments mobiles l'un par rapport à l'autre comprend un logement, un arbre réalisé en un matériau magnétique entraîné en rotation par rapport au logement et monté dans ce dernier, plusieurs aimants permanents qui pré- sentent chacun un orifice central dans lequel passe l'ar- bre et qui sont disposés dans le logement, coaxialement les uns aux autres, en série, de sorte que la polarité des surfaces opposées de deux aimants permanents voisins soit la même, et au moins une pièce polaire qui présente un orifice central dans lequel passe l'arbre et qui est disposée en général entre deux aimants permanents voisins, et se caractérise en ce que la pièce polaire présente, sur sa périphérie interne, une gorge concave qui délimite l'ori- fice central de manière à former deux bords en lame de couteau auxflancsde la-pièce polaire ou aux extrémités op- posées de sa périphérie interne, dans la direction axiale de l'arbre, de sorte qu'un entrefer d'étanchéité est délimité entre chaque bord en lame de couteau et la sur- face externe de l'arbre, et qu'un fluide magnétique est retenu dans chaque entrefer d'étanchéité afin de former une barrière destinée à maintenir une différence de pres- sion. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale d'un exemple du dispositif selon l'invention; - la figure 2 A est une vue latérale partielle en coupe longitudinale de parties essentielles de la figure 1; la figure 2 B est une vue schématique représentant la distribution du flux magnétique dans chaque partie de la figure 2 A; la figure 2 C est une représentation graphique montrant les densité de flux magnétique dans les parties correspondantes de la figure 2 B; et la figure 3 est une représentation graphique montrant les résultats avantageux obtenus par le dispositif selon l'invention en comparaison avec un dispositif de l'état de la technique. Sur la figure 1, un dispositif d'étanchéité à fluide magnétique M selon l'invention comprend un logement cylindrique 1 et un arbre rotatif 2, réalisé en un matériau magnétique et qui passe dans la partie centrale du logement 1, dans la direction axialede ce dernier Une extrémité de l'arbre 2 est dans une enceinte sous vide tandis que l'autre extrémité de l'arbre 2 est dans une enceinte o règne une pression atmosphérique normale Le logement 1 se prolonge à l'une de ses parois d'extrémités par une partie d'extrémité cylindrique la coaxiale Dans cette partie d'extrémité la, sont montés deux roulements à billes 3 et 4 qui sont espacés l'un de l'autre dans la direction axiale de manière à assurer le montage en rotation de l'arbre 2 dans le logement 1. Plusieurs aimants permanents annulaires 5 et plu- sieurs pièces polaires annulaires 6, 7 et 8 sont disposés dans le logement 1, en alternance et en série dans la direc- tion axiale de ce dernier Chacun des aimants 5 et chacune des pièces polaires 6, 7 et 8 présentent un orifice central respectivement 12 et 13, dans lequel passe l'arbre 2 Les aimants permanents 5 sont ainsi disposés, en général, que les polaritésde deux aimants permanents 5 disposés sur les côtés opposés de chaque pièce polaire 7 sont symétriquespar rapport à cette pièce polaire 7, c'est-à-dire que la pola- rité des surfaces opposées de deux aimants 5 voisins est la même et, plus concrètement, que les aimants 5 et les pièces polaires 6, 7 et 8 sont disposés successivement selon la séquence suivante: "N S-pièce polaire-S N-pièce polaire-N S". Les pièces polaires 6 et 8 disposées aux deux extrémités du logement 1 présentent des bords en lame de couteau 6 a et 8 a respectivement, sur leur périphérie interne Les surfaces internes des parois d'extrémité du logement 1 sont respectivement munies de joints d'étanché- ité 9 et 10 en appui -contre les flancs externes des pièces polaires respectives 6 et 8. Les périphéries internes des pièces polaires 6, 7 et 8 sont respectivement munies de gorges annulaires con- caves de section en forme de V 9, de façon à former des bords en lame de couteau 6 a, 7 a, 7 b et 8 a respectivement aux flancs ou aux extrémités des périphéries internes des pièces polaires, dans la direction axiale du logement 1 ou de l'arbre 2, comme cela est représenté sur les figures 1 et 2 A Des entrefers d'étanchéité gl, g 2 et g 10 sont délimités entre les bords en lame de couteau 6 a, 7 a, 7 b et 8 a et la surface cylindrique de l'arbre 2 Un fluide magné- tique est attiré et retenu en 11 dans ces entrefers afin de former des barrières d'étanchéité destinées à maintenir la différence de pression entre les deux milieux ci-dessus mentionnés, des deux côtés de l'arbre rotatif 2. La distribution du flux magnétique développé par deux aimants permanents 5 voisins est représentée sur la figure 2 B C'est-à-dire que le flux magnétique venant d'un pôle N d'un premier aimant permanent 5 L, sur la gauche de la figure 2 B, passe dans le bord en lame de couteau 7 a d'une seconde pièce polaire 7 C puis traverse l'entrefer g 4 pour s'écouler dans une partie de la surface de l'arbre 2 Puis le flux magnétique sort de l'arbre 2 et traverse l'entrefer g 3 adjacent à l'entrefer g 4 puis passe dans le bord en lame de couteau 7 b de la première pièce polaire 7 L Par ailleurs, le flux magnétique provenant du pôle N d'un second aimant permanent 5 C dans la partie centrale de la figure 2 B passe dans le bord en lame de couteau 7 b de la seconde pièce polaire 7 C puis traverse l'entrefer g 5 et passe dans l'arbre 2 puis traverse l'entrefer g 6 et passe dans le bord en lame de couteau 7 a d'une troisième pièce polaire 7 R Les deux boucles de flux magnétique engendrées par les deux aimants différents 5 L et 5 C dans la seconde pièce polaire 7 C présentent les mêmes polarités positives, et en conséquence, elles se repoussent de façon à s'écarter vers les bords en lame de couteau 7 a et 7 b res- pectivement et se concentrent dans ces derniers La con- centration de la circulation de flux magnétique provoque une augmentation de la force de maintien destinée à retenir le fluide magnétique dans les entrefers g 4 et g 5 ' Dans la troisième pièce polaire 7 R, le flux magné- tique engendré par le second aimant permanent 5 C et le flux magnétique engendré par le troisième aimant permanent 5 R se repoussent de manière à s'écarter et à se concentrer dans les bords en lame de couteau respectifs 7 a et 7 b de la troisième pièce polaire 7 R En conséquence, la densité du flux magnétique qui traverse chaque entrefer devient très élevée et augmente considérablement la force de re- tenue du fluide magnétique, de sorte que le vide est com- plètement maintenu d'un côté de l'arbre 2 De plus, même si le dispositif est monté de sorte que les entrefers sont relativement larges, par exemple compris entre 30 et microns, il est possible de maintenir une différence de pression relativement grande de part et d'autre du disposi- tif, de sorte que le montage de l'arbre 2 et des pièces polaires 7 s'en trouve facilité De plus, même si l'on diminue le nombre des aimants permanents utilisés, il est possible de maintenir une différence de pression relative- ment importante, et en conséquence, on peut fabriquer des dispositifs efficaces de faible encombrement. La figure 2 C représente la distribution de la densité de flux magnétique dans chaque partie du dispositif. Sur la figure 2 C, on constate que la densité augmente avec une forte pente aux abscisses qui correspondent aux positions des entrefers et que la polarité des flux magnétiques qui traversent les entrefers g 4 et g 5 est opposée à celle des flux magnétiques qui traversent les entrefers g 6 et g 7. La considération de la figure 3 fait apparaître le résultat avantageux obtenu grâce à l'invention Sur la figure 3, on a représenté en ordonnées l'amplitudè de la différence de pression maintenue respectivement grâce au dispositif selon l'invention et à un dispositif de l'état de la technique, et on a représenté en abscisses le nombre d'aimants permanents ou de barrières d'étanchéité du dispo- sitif L'efficacité de ces dispositifs,en général, est pro- portionnelle au nombre d'aimants permanents L'aptitude du dispositif selon l'invention à maintenir une différence de pression de part et d'autre du dispositif est indiquée par la droite B, alors que celle du dispositif de l'état de la technique (brevet britannique N O 783 881) est donnée par la droite A Sur ces droites A et B,on constate que la performance du dispositif d'étanchéité selon l'invention, mesurée en termes d'aptitude à maintenir une différence de pression, est plus d'une fois et demie celle du dispositif de l'état de la technique, pour un même nombre de barrières d'étanchéité. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'étanchéité à fluide magnétique, destiné à assurer une étanchéité entre des éléments mobiles l'un par rapport à l'autre, qui comprend un logement ( 1), un arbre ( 2) réalisé en un matériau magnétique, entraîné en rotation par rapport au logement ( 1) et monté dans ce dernier, plusieurs aimants permanents ( 5) qui présentent chacun un orifice central ( 12) dans lequel passe l'arbre ( 2) et qui sont disposés dans le logement ( 1), coaxialement les uns aux autres, en série, de sorte que la polarité des surfaces opposées de deux aimants permanents voisins ( 5) soit la même, et au moins une pièce polaire ( 7), qui présente un orifice central ( 13) dans lequel passe l'arbre ( 2) et qui est disposée entre deux aimants permanents voisins ( 5), caractérisé en ce que la pièce polaire ( 7) présente, sur sa périphérie interne, une gorge concave ( 9) qui délimite l'orifice central ( 13) de manière à former deux bords en lame de couteau ( 7 a, 7 b) aux flancs de la pièce polaire ( 7) ou aux extrémités opposées de sa périphérie interne, dans la direction axiale de l'arbre ( 2), de sorte qu'un entrefer d'étanchéité est délimité entre chaque bord en lame de cou- teau ( 7 a, 7 b) et la surface extérieure de l'arbre ( 2), et qu'un fluide magnétique ( 11) est retenu dans chaque entre- fer d'étanchéité afin de former une barrière destinée à maintenir une différence de pression. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la périphérie interne de chaque pièce polaire ( 7) présente une gorge de section en forme de V ( 9).