Brevet FR2544401A1 — publié le 19841019

La présente invention se rapporte à des perfectionne- ments à des pompes de transfert de fluide, et plus particulièrement à une nouvelle forme de roue de pompe ainsi qu'à son procédé de fabrication. On connaît un certain nombre de typesdifférents de pompes à fluide La présente invention concerne principalement les types de pompes employant des roues rotatives, et en particulier ceux o la roue est pourvue de palettes en élastomère Les pompes à palettes flexibles à déplacement positif sont typique De telles pompes comprennent un carter de pompe et une roue sous la forme d'un rotor monté excentriquement qui est pourvu d'un certain nombre de palettes élastiquement déformables dimensionnées pour contacter la paroi intérieure du carter de pompe La roue est préchargée en flexion dans le carter de la pompe, pour former un jointmobile entre elle et le carter, afin de garantir ainsi un transfert efficace du fluide par action de "balayage": la déformation élastique des palettes par le carter de la pompe a pour résultat un volume excentriquement distribué entre la roue et le carter, et la rotation de la roue produit un déplacement positif du fluide. Par le fait que les palettes de la roue doivent se fléchir (afin de servir de joint entre la roue et le carter), tandis que l'âme de la roue doit être sensiblement rigide (afin de permettre la fixation nécessaire de structure à un arbre), de telles roues fabriquées en un seul matériau sont au mieux un compromis Typiquement par conséquent, les rotors à palettes flexibles sont fabriqués avec un noyau ou une âme en métal, calé, selon la nécessité, pour engager un arbre, o sont liéesun certain nombre de palettes en élastomère. La structure de telles roues pose un certain nombre de problèmes Ainsi, par exemple, la fabrication d'une telle roue nécessite le moulage et la fixation ou autre liaison des palettes sur une âme ou un noyau en métal fabriqué séparément (généralement coulé et usiné). Typiquement, l'âme doit être nettoyée et traitée au moyen d'un conditionneur de liaison avant application des palettes et ces dernières, si elles sont moulées sur le noyau, nécessitent que la température soit contrôlée avec soin pendant tout le cycle de durcissement. En conséquence, ce processus de fabrication nécessite un certain nombre d'étapes différentes, avec un certain impact sur le prix de l'article Il faut reconnaître que si ces étapes ne sont pas bien exécutées, cela peut de plus produire une mauvaise liaison entre le noyau et les palettes De plus, lorsque l'on utilise des pompes avec de telles roues selon l'art antérieur, pour des fluides corrosifs, le noyau en métal, bien qu'il soit fortement isolé du fluide par les palettes en élastomère qui l'entourent, n'est pas totalement isolé, et en conséquence il peut se produire une certaine corrosion de ce noyau. En conséquence, la présente invention a pour objet une roue de pompe ainsi qu'un procédé pour sa fabrication nécessitant peu ou pas d'usinage ou d'assemblage. De plus, la présente invention a pour objet une roue de pompe présentant une liaison supérieure entre l' âme ou le noyau et les palettes. Par ailleurs, la présente invention a pour objet une roue de pompe ayant une résistance supérieure à l'environnement. Ces objets et d'autres encore de l'invention sont atteints en formant la roue en deux matières plastiques synthétiques différentes par un processus de moulage par coinjection Une matière plastique, utilisée pour fabriquer l'âme ou le noyau, est une matière thermo- plastique rigide L'autre matière plastique, utilisée pour fabriquer les palettes, est un élastomère thermo- plastique Ce dernier est injecté après la matière thermo- plastique Cet ordre d'injection est amorcé afin d'obtenir une liaison des deux matières. On peut noter que le procédé de la présente invention permet d'éviter ou de réduire sensiblement la complexité des méthodes antérieures de fabrication, ayant ainsi un impact favorable sur le prix des roues ainsi fabriquées. On peut également noter que le procédé de moulage de l'élastomère tandis que le noyau est encore en train de durcir, forme une liaison entre le noyau et la palette de haute fiabilité sans nécessiterd'étapes supplémentaires, comme un nettoyage et l'application d'un conditionneur à un noyau en métal, et il ne faut pas un contrôle précis des températures et pressions de moulage On peut de plus noter que, par un choix approprié des matières thermo- plastiques, on peut obtenir une meilleure résistance à la corrosion de l'âme, par rapport à une âme en métal. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages descelle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexes donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe d'une pompe ou est incorporéeune roue constituant un mode de réalisation préféré de l'invention; et les figures 2, 3, 4 A, 4 B et 4 C sont des vues en coupe, en divers stades du procédé de fabrication selon l'invention, à travers un mode de réalisation préféré d'un ensemble de moulage par injection et d'une roue, la coupe étant faite suivant une ligne correspondant à la ligne 2 2 de la figure 1. Sur les diverses vues, des chiffres identiques de référence désignent des éléments semblables. En se référant à la figure 1, on peut voir une pompe comprenant un carter 12, relié à un conduit d'entrée 14 et un conduit *de sortie 16, avec lesquels il est en communication de fluide, et une roue 18 La roue 18, comme on le décrira en plus de détail ci-après, comprend une âme ou noyau 20 et un ensemble de palettes 22 En fonctionnement, la roue 18 est montée sur un arbre 24 qui l'entraîne, afin de produire un déplacement positif du fluide 26 entre le conduit d'entrée 14 et le conduit de sortie 16, comme on le sait bien dans la technique des pompes à fluide. En plus de détail, la roue 18 est un article en deux parties comprenant une âme ou noyau 20 et un ensemble de palettes 22 Le noyau 20 est fait d'une matière polymérique thermoplastique sensiblement rigide, tandis que l'ensemble 22 est fait d'un élastomère thermo- plastique (dans le cas présent, le terme "matière polymérique thermoplastique sensiblement rigide' signifie une matière solide sensiblement rigide qui a la propriété de fondre lclest-à-dire de s'anollir au point de devenir un liquidej quand elle est chauffée à une température appropriée et de durcir pour devenir un solide et de nouveau sensiblement rigide lorsqu'elle est refroidie à la température ambiante Ecomme 20 C 3, et le terme "élastomère thermoplastique" signifie une matière solide qui a la propriété de fondre quand elle est chauffée à une température appropriée et de durcir pour devenir un solide qui est élastique et se comporte comme un élastomère lors d'un refroidissement à la température ambiante) Ces matières thermoplastiques peuvent se composer d'une seule substance polymérique ou d'un mélange de ces substances, avec ou sans additif comme des colorants, des agents plastifiants, des agents anti- oxydants, des agents stabilisants et autres ingrédients fonctionnels qui modifient de manière appropriée une ou des propriétés physiques de la substance thermoplastique. On comprendra que le polymère thermoplastique sensiblement rigide peut, partiellement, contenir un élastomère tandis que, de même, l'élastomère peut contenir des polymères qui sont normalement considérés comme étant sensiblement rigides. Selon une autre condition de l'invention, le noyau et l'ensemble des palettes 22 doivent être formés par moulage par injection Par conséquent, la matière thermoplastique sensiblement rigide et l'élastomère thermoplastique doivent être des matières pouvant être moulées par injection Ces matières de moulage peuvent consister en ou être formées, en majorité,d'un ou plusieurs polymères et/ou un ou plusieurs copolymères. De plus, les matières utilisées pour fabriquer le noyau 20 et l'ensemble des palettes 22 doivent être compatibles l'une avec l'autre dans le sens qu'elles puïssent se lier l'une à l'autre par fusion (c'est-à-dire en mettant les matières en contact lorsqu'au moins l'une d'entre el U 1 est à un état fluide puis en refroidissant la matière à l'état fluide jusqu'à ce qu'elle se soit solidifiée et qu'elle aif formé une liaison avec l'autre matière sans nécessiter d'adhésif) ou chimiquement (par exemple par réticulation) De préférence, le noyau 20 est formé d'une matière ayant un module de flexion supérieur à 2758 M Pa tandis que l'ensemble des palettes 22 est formé en un élastomère thermoplastique mou et à faible module ayant une dureté à l'échelle Shore A sensiblement comprise entre 35 et 85 A titre d'exemple mais sans limitation, le noyau 20 peut être formé en polystyrène ayant un module de flexion d'environ 3206 M Pa et l'ensemble des palettes 22 est fait d'un composé de butadiène-styrène ayant une valeur au duromètre Shore A de 55. Le noyau 20 et l'ensemble des palettes 22 sont illustrés sur les dessins comme ayant des limites nettement définies car, comme on=l'expliquera ciaprès en plus de détail, les interfaces entre ces parties sont sensiblement exemptes de tout mélange ou inter- diffusion des matières thermoplastiques. En se référant aux figures 1 et 4 B, on peut voir que le noyau 20 de la roue 18 a de préférence la forme d'un cylindre circulaire droit avec de plus un perçage cylindrique coaxial 28 et une rainure de clavette 30 dimensionnés et disposés pour un engagement sûr avec un arbre cannelé 24 L'ensemble 22 entoure et s'étend du noyau 20 Dans un mode de réalisation préféré, l'ensemble 22 estsensiblement en forme cylindrique crénelée, ayant des palettes 32 et des gorges 34 périphériquement disposées, en alternance Les faces extrêmes 36 de l'ensemble 22 sont de préférence sensible- ment coplanaires avec les faces extrêmes 38 du noyau 20. L'ensemble 22 est lié au noyau 20 par une surface sensiblement cylindrique 40 Quand la roue 18 est produite par le procédé de moulage décrit ci-après, il n'y a sensiblement pas de diffusion ou de mélange d'une matière dans ou avec l'autre De plus, il n'y a pas de déformation ou seules des déformations mineures d'une matière par l'autre, le long des régions limites On a pu détermirer, par l'inspection de coupestransversales des liaisons faites selon l'invention, que les limites entre l'élastomère thermoplastique de butadiène-styrène (utilisé pour l'ensemble des palettes 22) et le polystyrène (utilisé pour le noyau 20) avaient une région d'interface (la région de diffusion ou de mélange d'une matière dans ou avec l'autre, correspondant à la surface 40) associée à une région de liaison d'une épaisseur de l'ordre de 2, 54 x 10 i 6 cm, seulement Néanmoins, la liaison entre l'élastomère et la matière thermoélastique est suffisamment forte pour que le dispositif fonctionne de manière satisfaisante en tant que roue mobile. En se référant maintenant aux figures 2 à 4, la roue 18 de la figure 1 est produite selon un mode de réalisation préféré de mise en pratique de l'invention par un ensemble de moulage 42 par co-injection qui comprend essentiellement deux éléments relativement mobiles de moule 44 et 46 Comme on peut le voir sur la figure 4 A, l'élément de moule 44 a une surface interne contourée qui comprend trois parties distinctes 47, 48 et 50 et comprend de plus un poteau central attaché 52 La partie 47 est une surface sensiblement plane de la même étendue et de la même configuration qu'un ensemble combiné de faces extrêmes 36 et 38 de la roue 18 La partie 48, agencée sensiblement perpendiculairement à la partie 47, est configurée et dimensionnée pour correspondre aux palettes. 32 et aux gorges 34 de l'ensemble 22 de la roue La partie 50 est un cylindre d'une étendue semblable à la dimension externe de la roue 18, et il est disposé sen- siblement coaxialement à la partie 48 Le poteau 52 est un poteau cylindrique du même diamètre que la diamètre interne du perçage 28, et il est pourvu d'une clavette 54 qui correspond à la rainure 30 Comme ceux qui sont compétentsen la matière le noteront, le poteau 52 et la clavette 54 peuvent être pourvus de conicités appropriées pour faciliter la correspondance avec l'élément de moulage 46 L'élément de moulage 44 est de plus pourvu de deux orifices d'injection 56 et 58 communiquant respectivement avec l'intérieur du moule par la partie 47 à l'intérieur et à l'extérieur d'un rayon correspondant à la surface cylindrique 40 de la roue 18 L'élément de moulage 44 est également de préférence pourvu d'une ou plusieurs broches pilotes 60 afin de garantir un bon alignement de l'ensemble 42 du moule, comme ceux qui sont compétents en la matière le comprendront On peut également comprendre que l'élément 44 peut être pourvu d'un moyen approprié- d'éjection (non représenté) pour faciliter le démoulage d'une pièce finie. En se référant maintenant à la figure 4 C, on peut y voir l'élément de moulage 46 L'élément 46 a une partie interne qui défint une cavité cylindrique 62 et un perçage 64 La cavité cylindrique 62 a sensiblement les mêmes dimensions que les dimensions externes de l'âme de la roue 18 Le perçage 64 est dimensionné pour recevoir le poteau 52 de l'élément de moulage 44, et il présente de plus une fente 66 dimensionnée pour recevoir la clavette 54 L'élément 46 est également pourvu d'une surface externe contourée 68, configurée et dimensionnée pour un ajustement à glissement précis avec la partie de surface interne 48 de l'élément 44 et une surface externe cylindrique 70, dimensionnée pour un ajustement -à glissement précis avec la partie de surface interne 50. La surface supérieure 72 de l'élément 46 a un fini sensi- blement plan De préférence, l'élément 46 est de plus pourvu d'éléments appropriés 74 disposés et dimensionnés pour recevoir les broches pilotes 60 de l'élément 44. Les éléments de moulage ou de moule 44 et 46 sont adaptés (par des-moyens conventionnels non représentés mais connus de toute personne compétente en la technique du moulage par injection) à-se déplacer l'un par rapport à l'autre le long de l'axe du poteau 52 de façon que, comme on le décrira ci-après, les éléments puissent être placés l'un par rapport à l'autre en des positions choisiesle long de cet axe. La roue 18 est fabriquée en utilisant l'ensemble des figures 2 à 4 selon le procédé qui suit D'abord, les éléments de moule 44 et 46 sont placés en position totalement fermée montrée sur la figure 2 (la première position d'injection) et une matière liquide thermoplastique appro- priée de moulage par injection, pouvant se solidifier en un solide rigide ou presque rigide (comme du polystyrène) est injectée, par l'orifice d'injection 56, dans la cavité définie par la cavité 62 de la partie de moule 46 et la partie 47 et le poteau 52 de la partie de moule 44 De cette façon est formé le noyau 20. Ensuite, les parties 44 et 46 sont séparées jusqu'à ce que le bord externe de la partie de surface 48 de la partie 44 du moule soit à fleur avec la surface 72 de la partie 46 du moule, pour ainsi former une seconde cavité 76, comme on peut le voir sur la figure 3 (la seconde position d'injection) Une matière liquide thermoplastique appropriée de moulage par injection, pouvant se solidifier en une matière solide, ayant les propriétés d'un élastomère (coime du butadiène-styrène) est injectée dans la cavité 76 par un ou plusieurs orifices d'injection 58 afin de former l'ensemble des palettes 22 Cette étape d'injection est entreprise après solidification de la matière injectée dans la cavité 62 pour former l'âme 20 ou bien après que celle-ci soit devenue suffisamment visqueuse pour ne pas être déplacée ou détendue par la matière injectée par l'orifice 58, tout en étant cependant suffisamment molle pour se lier à la matière élastomère par fusion Ainsi, la seconde étape d'injection est effectuée tandis que la matière formant le noyau 20 est encore chaude mais après sa prise comme un solide Par un choix approprié des matières de moulage, il est possible à la seconde cavité 76 d'être remplieen un court temps tel qu'une à trois secondes après remplissage de la cavité 62, permettant ainsi d'obtenir une jonction satisfaisante entre les pièces en élastomère et non en élastomère le long d'une surface limite mince et non détendue 40. Enfin, quand l'ensemble des palettes 22 a pris en un solide dans la cavité 76, les éléments 44 et 46 sont totalement séparés comme le =entrent les figures 4 A et 4 C, et ensuite la roue finie 18 (figure 4 B) peut être démoulée et mise de côté pour refroidir Ensuite, les éléments du moule peuvent être ramenés à la position montrée sur la figure 2 pour le cycle suivant de moulage. Dans le mode préféré de mise en pratique de l'invention, le noyau 20 est moulé en polystyrène qui se solidifie afin d'avoir un module de flexion d'environ 3206 M Pa et l'ensemble des palettes 22 est formé d'un copolymère de butadiène styrène qui se solidifie afin d'avoir une valeur au duromètre, en mesurant à l'échelle Shore A, compriseentre environ 35 et 85 (selon la flexion souhaitée pour les palettes de la roue), le polystyrène étant de préférence la matière vendoe par Shell sous la dénomination commerciale Shell DP-203 et le butadiène styrène étant la matière vendue par Shell sous la dénomination commerciale de caoutchouc thermoplastique KRATON série 3000. Les températures et pressions appropriées sont déter- minées par les caractéristiques des matières utilisées par exemple la matière ci-dessus de moulage de polystyrène est injectée à une pression d'environ 350 bars et à une température d'environ 1500 C et la matière de moulage de butadiène styrène ci-dessus est injectée dans la cavité 76 à une pression d'environ 420 bars et à une température d'environ 1500 C Cette dernière étape d'injection doit se produire environ une à trois secondes après la fin de l'injection du composé de moulage de polystyrène dans la cavité 62. Les matières d'injection sont maintenues à une température d'environ 1500 C pendant les deux étapes d'injection, mais le moule est maintenu à une température d'environ 40 à 650 C pendant le processus de moulage Le moule est ouvert et la pièce finieest retirée environ une minute après la fin de la seconde étape d'injection La pièce moulée est alors mise de côté et on la laisse refroidir à la température ambiante avant de l'emballer Les produits finis présentent une résistance de la jonction en cisaillement entre le noyau et l'ensemble des palettes 22 d'au moins 2758 à 3447 k Pa et usuellement entre environ 4137 et 5516 k Pa, en comparaison à la résistance typique de la liaison d'environ 3447 k Pa entre le noyau en métal et les ensembles de palettes en élastomère des roues conventionnelles métal-élastomère. Il faut noter que l'injection de la matière élastomère après celle de la matière rigide est critique On a déterminé que si,1 'élastomère est injecté en même temps ou avant la matière rigide, on ne peut obtenir une roue satisfaisante car l'élastomère est incapable de résister à la déformation dans la cavité 76 aux pressions requises pour injecter la matière plastique rigide dans la cavité 62 Cela est vrai même si l'élastomère s'est totalement - durci avant injection de la matière non élastomère Il n'est possible d'obtenir une liaison suffisamment forte entre l'élastomère et la partie thermoplastique et d'avoir des pièces de la roue se conformant exactement à la forme des deux cavités du moule que si l'injection de l'élastomère est retarde jusqu'après que la matière plastique rigide a pris suffisamment pour résister à la déformation aux pressions requises pour injecter la matière élastomère. Les roues fabriquées selon la présente invention présentent un certain nombre d'avantage par rapport à celles fabriquées selon l'art antérieur Ainsi, le présent procédé permet d'accomplir la fabrication d'une roue à moins d'étapes que l'art antérieur ou un noyau en métal est coulé, usiné, nettoyé puis traité avec un conditionneur de jonction avant que l'ensemble des palettes ne soit coulé Par ailleurs, comme on l'a indiqué précédemment, on peut obtenir une liaison supérieure entre l'ensemble des palettes et le noyau de la roue, par la présente invention, en comparaison aux roues en métal et élastomère selon l'art antérieur En conséquence, on peut obtenir à la fois un produit moins coûteux et plus fiable De même, par un choix approprié des matières, les roues produites par le présent procédé peuvent être plus résistantes auxfacteursde l'environnement. On peut comprendre que diverses modifications peuvent être apportées à la fois au procédé et au produit sans s'écarter du-cadre de l'invention Ainsi, par exemple, le noyau 20 ne doit pas nécessairement être cylindrique et peut par exemple être de section polygonale ou bien il peut être pourvu d'un pourtour godronné pour améliorer la jonction entre le noyau et l'ensemble des palettes De même, les palettes 32 ne doivent être forcément de forme crénelée comme cela est représenté, mais elles peuvent présenter une grande variété de formes(comme en forme d'ailette, en forme de coupe ou analogues) De nouveau, la configuration de la roue 18 peut-avoir des surfaces extrêmes 38 et 36 effilées plutôt que plane. L'ensemble 22 peut également être fabriqué en une série graduée d'élastomers, injectés en succession dans un moule à plusieurs étages On peut également noter que le noyau 20 peut être fait en une matière autre que du polystyrène comme de l'acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS), du polyméthyl méthacrylate (comme du plexiglas), un polymère de polypropylêne ou analogue De même, l'ensemble des palettes 22 peut être fait d'une grande variété de matières autre que du butadiène-styrène De ce point-de vue, il faut noter que le terme "élastomère thermoplastique" est un terme déjà connu des personnes compétentes en la matière, comme cela est mis en évidence, par Tobolsky et autres, dans "Polymer Science and Materials", page 277, Wiley- Interscience ( 1971), et qu'il existe une grande variété de tels matériaux comme cela est révélé par B A Walker, "Handbook of Thermoplastic Elastomers," ( 1979) Par ailleurs, comme on l'a noté précédemment, les matières utilisées, pour fabriquer l'âme 20 et l'ensemble des palettes 22 pouvant être formées de mélanges de matières (par exemple la matière polymérique thermoplastique du noyau ou de l'âme peut être un mélange de matières contenant l'élastomère). Le choix réel des paires de matières compatibles, pouvant être liées par fusion ou par voie chimique, dépendra des considérations de fabrication. R E V E N D I C A T I O N S 1 Roue de pompe caractérisée en ce qu'elle comprend une section de noyau ( 20) en une matière polymérique thermoplastique rigide; et une section de palettes( 22) entourant et fixée à ladite section de noyau,ladite section de palettes comprenant un certain nombre de palettes et étant faite d'une matière élastomère thermoplastique et étant fixée à ladite section de noyau par liaison directe entre ladite matière polymérique thermoplastique rigide et ladite O matière élastomère thermoplastique. 2 Roue selon la revendication 1 caractérisée en ce que la section de palettes est liée à la section de noyau en conséquence d'une fusion directe de la matière élastomère thermoplastique à la matière polymérique thermoplastique rigide. 3 Roue selon la revendication 1 caractérisée en ce que la section de palettes est liée à la section de noyau en conséquence d'une liaison chimique de la matière élastomère thermoplastique à la matière polymérique thermoplastique rigide. 4 Roue selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle a au moins une interface de liaison entre la section de noyau et la section de palettes, ladite interface ayant une profondeur de l'ordre de 2,5 x 10 6 cm. 5 Roue selon la revendication 1 caractérisée en ce que la section de noyau est produite en polystyrène ayant un module de flexion supérieur à 2 758 M Pa. 6 Roue selon la revendication 1 caractérisée en ce que la section de palettes est faite d'un matériau mou à faible module ayant une valeur au duromètre à l'échelle Shore A comprise entre 35 et environ 85. 7 Roue selon la revendication 6 caractérisée en ce que la section de palettes est faite d'un copolymère de styrène et de butadiène. 8 Roue selon la revendication 1 caractérisée en ce que la-section de noyau est de forme tubulaire. 9 Roue selon la revendication 1 caractérisée en ce que la section de palettes est de forme cylindrique crenelée. Procédé de production d'une roue de pompe ayant une section de noyau en une matière polymérique thermoplastique sensiblement rigide et une section de palettes en une matière élastomère thermoplastique entourant et liée à ladite section de noyau, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: (a) mouler par injection ladite section de noyau dans une première cavité d'un moule; et (b) muler par injection ladite section de palettes dans une seconde cavité du moule disposée autour de ladite section du noyau de façon que la matière élastomère thermoplastique se lie directement à la matière polymérique thermoplastique rigide constituant la section de noyau il Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que la section de palettes est moulée après prise de la matière polymérique thermoplastique rigide mais avant qu'elle n' ait atteint sa dureté maximale. 12 Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que la matière thermoplastique rigide est du polystyrène. 13 Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que la matière thermoplastique élastomère est un copolymère de styrène et de butadiène.