Brevet FR2568969A1 — publié le 19860214

e- "Joint d'étanchéité à la manière de brosse" L'invention concerne un joint d'étanchéité à la manière de brosse entre deux parties de machine me- biles l'une par rapport à l'autre, avec au moins une partie rotative. Dans le cas des joints d'étanchéité entre deux parties de machine mobiles l'une par rapport à l'au- tre. il existe le risque que les deux parties de machine se rapprochent trop fortement de sorte qu'un frottement intense entre les éléments en regard l'un de l'autre puisse amener un échauffement excessif et même une des- truction du joint d'étanchéité. Cela est notamment le cas dans les joints d'étanchéité à empilage, les joints d'étanchéité à labyrinthe, etc... Même dans le cas de joints d'étanchéité en manière de brosse réduisant le frottement, le frottement est certes réduit mais encore relativement important. L'avantage de joints d'étanchéi- té à brosses réside toutefois en ce qu'ils s'adaptent mieux aux modifications du jeu radial entre les pièces mobiles l'une par rapport à l'autre et notamment rota- tives. Le but de l'invention est de créer un joint d'étanchéité à brosses, qui conserve l'avantage d'une réduction quasi-élastique du jeu radial sans pré- senter ses inconvénients tels qu'ils résultent entre au- tres du frottement. 2.- Ce but est atteint, conformément à l'inven- tion>en ce que les soies de ce joint d'étanchéité à la manière d'une brosse comportent une âme non conductrice ou bien semi-conductrice et une enveloppe conductrice, et/ou un revêtement conducteur, et/ou un enduit conduc- teur, et que l'âme au moins a des propriétés élastiques. L'âme des soies et/ou la gaine est choisie dans un matériau du groupe: verre, métal, matière plas- tique ou bien des combinaisons de ces matériaux et/ou de céramique. L'enveloppe et/ou le revêtement, et/ou l'enduit des soies, est constitué d'un matériau du grou- pe: or, argent, aluminium, cuivre, silicium, plomb, zinc, indium, nickel, cobalt, chrome, molybdène, ou bien des combinaisons de ces matériaux telles que des oxydes métalliques, des nitrures métalliques, des sulfures métal- liques, des fluorures métalliques, des carbures métalli- ques, des borures métalliques, des siliciures métalliques et/ou du verremétal, du verre-céramique, du carbone, de 20. la matière plastique. L'me des soies a une épaisseur d'environ 1 à 100 t et de préférence, de 5 à 50 p, tandis que l'enveloppe des soies a une épaisseur d'environ 0,1 à 1 ip. L'âme est réalisée par projection à chaud, filature à chaud, ou par atomisation sans fin, sur la pièce (séparément) ou bien sous forme de fibres ou de fils, L'enveloppe est vaporisée physiquement (PVD) sur l'âme, ou bien répartie sur l'âme sous forme de poudre, ou bien déposée électrolytiquement ou encore/ en l'absence du courantpar exemple par dépôt chimique de va- peur (CVD) ou bien déposée selon un procédé par projec- tion ou bien par immersion, notamment par revêtement élec- trostatique. L'enveloppe et l'âme sont reliées l'une à 3.- l'autre à leur interface par alliage. L'enveloppe est alliée, vitrifiée ou bien fondue sur l'àme au moyen d'un laser ou d'une source d ' énergie externe (par rayonnement) analogue. Les soies sont conditionnées individuelle- ment, ou bien en faisceaux ou sous une forme analogue/ et mises sous gaine en étant pressées ensemble, frittées ensemble, scellées ensemble, soudées ensemble, collées ensemble ou au moins partiellement enrobées, fondues ensemble ou bien assemblées d'une manière analogue dans au moins un. élement de maintien en verre, mLeétale cérami- que ou matière plastique. Toutes les combinaisons et sous-combinai- sons des caractéristiques ci-dessus énoncées, aussi bien entre elles qu'également avec d'autres caractéristiques en soi connues, font également partie de l'invention. les avantages essentiels de l'invention sont 9 les soies utilisées pour le joint d'étanchéSité a brosses dans le cas de la solution conforme à llinven- tion, sont constituées de fibres fines mais dune résis- tance elevée qui permettent une réduction importante de lIeffort d'application et donc du frottement engendré. Par rapport aux fils métalliques qui ne peuvent pas 8itre réalisés avec une telle finesse, on a en outre l'avantage q.uil ne se produit pas détincelleso Les fibres peuvent être rassemblées ou eooditionées comme l'eeîge le cas d'application consiî- déré. Cela est égalemeint valable pour la disposition géo- nmètrique des fibres par rapport aux parties de machine. Comme l'indiquent les caractéristiques ci- dessus énoncées, on peut augmenter l'élasticité du joint d'é-anchéité par l'assemblage des composants du matériau des fibres. aini que l'assemblage et le Qonditionnement de celles-ci. Lusure, l'érosion et les phénomènes ana- logies peuvent eAre très fortement réduits et mSme en 4.- partie totalement évités.Les propriétés de glissement et la valeur de résilience sont considérablement améliorées. On peut également améliorer l'évacuation de la chaleur par la réalisation particulière d'un revêtement ou d'une enveloppe rapporté au moins sur les zones partielles des soies en contact avec une partie de machine. D'autres avantages de l'invention décou- lent de la description ci-après d'exemples de réalisa- tion de cette invention. Ces exemples sont représentés schématique- ment sur les dessins ci-joints: - la figure 1 montre un étanchement à bros- ses avec une disposition radiale des soies, - ls figures 2a à 2d montrent différents conditionnements des fibres. - la figure 3 montre un détail de fixation des fibres, - la figure 4 montre un étanchement à bros- ses avec des soies placées obliquement selon les détails 4a à 4d, - les figures 5a à 5d montrent des fibres individuelles revêtues au moins partiellement de façon différente. Sur la figure 1 est indiquée la disposi- tion d'ensemble du joint d'étanchéité à brosses 1 entre deux parties de machine 2 et 3 mobiles l'une par rapport à l'autre. La partie 2 peut alors être la partie tour- nante et la partie 3 la partie fixe, par exemple un bot- tier. Dans ce boitier les soies constituées de fibres 4, comportant des combinaisons de métaux, de bore, de carbo- ne, de matière plastique et de verre, ou bien différents verres, verremétal, verre-céramique, sont visibles en disposition radiale. Les fibres 4 sont alors disposées individuellement ou bien de préférence en étant assemblées en faisceaux et sont maintenues ensemble, de préférence 5.- en groupes individuels de soies (voir figure 2), par exemple par vitrification, soudure, cermets, matériau céramique fritté ou pressé, scellés, collés, enrobés avec de la matière plastique ou des matériaux analogues et ainsi rassemblés. La partie porteuse pour l'élément de maintien ou la masse de gainage ou d'assemblage 5 peut également 9tre un métal, une céramique, une matière plas- tique ou bien un verre ou bien comporter des combinai- sons de ces matériaux. Il en va de même pour le rotor 2. La plupart du temps, on associe des matériaux de même type. Dans de nombreux cas on-souhaite également que l'un des composants (partie de machine) soit plus dur que l'autre. Pour obtenir un recouvrement de surface des brosses aussi optimal que possible, le conditionne- ment ou l'assemblage des différentes fibres doit s'effec- tuer de préférence en groupes et de façon aussi dense que possible. Sur les figures 2a, 2b, des fibres en for- me de plaquettes sont reliées ensemble tout au moins dans une zone terminale, à la manière d'une maçonnerie en briques, la figure 2a montrant un assemblage dans le sens vertical et la figure 2b un assemblage dans le sens horizontal. Chaque plaquette individuelle peut re- vêtir une forme différente, cette forme étant essentiel- lement ovale sur les figures 2a et 2b. La figure 2c mon- tre un assemblage de fibres de forme triangulaire au moins dans leurs zones terminales, en étant notamment composé de triangles équilatéraux, tandis que la figure 2d montre un assemblage en nids d'abeilles Les différen- tes fibres revêtant au moins dans leurs parties termina- les une forme en hexagone ou bien étant renforcées à leurs extrémités selon cette forme. La figure 3 montre un exemple de réalisa- tion dans lequel le joint à brosses est disposé, par exemple dans un anneau 3, de façon que les soies soient 6.- disposées radialement vers l'intérieur de cet anneau ou bien obliquement par rapport à lui, les groupes de fibres assemblés 1 étant introduits dans des perçages 6 munis de biseaux de chanfrein et étant scellés après introduc- tion, par exemple avec une masse de liaison classique en matière plastique et étant ainsi maintenus ensemble ainsi que fixés sur l'anneau 3. On peut également envisager un collage avec une colle 5 en matière plastique. La même possibilité se présente sur la face supérieure de l'an- neau 3 dans la figure 3. Une vitrification à l'aide d'une masse de verre 5 peut être effectuée avantageusement à l'aide d'une source externe d'énergie telle que par exem- pleun rayonnement laser. Une poudre métallique ou bien céramique peut également être utilisée pour la masse 5 et être frittée sur la partie 3 de la machine. Selon le matériau choisi pour la partie de la machine, il est recommandé d'utiliser une poudre de frittage appropriée ou analogue éventuellement avec adjonction d'un liant. Au lieu du procédé de frittage ou en complément de ce procédé, on peut appliquer un procédé de pressage. Des alliages de soudure métalliques peuvent être fondus à l'aide de sources de chaleur externes connues en soi. On peut également appliquer un scellement ou un enrobage avec des matériaux métalliques ou céramiques, y compris des cermets et des verres céramiques, notamment sous for- me de poudre. La figure 4 montre une disposition analo- gue à celle de la figure 1 dans laquelle l'assemblage de fibres est toutefois disposé sur une partie de ma- chine, non pas radialement comme dans la figure 1, mais sous un angle par rapport à cette partie de machine dans le sens de rotation ou bien en sens inverse. Sur la figure 4a soit représentées la disposition et la fixation du faisceau de fibressur la partie fixe, tandis qu'elles sont représentées sur la figure 4b sur la partie tour- 7,- nante. B3ien entendus deuz parties tournant en sens inverses peuvent tre muni.es individuellement ou bien toutes les deux des joints d'étanohéité à brosses selon l'invention, ces joints pouvant àtre égalemen t disposées l'un derrière l'autlre en direction axiale dans plusieurs arbres, notam- ment lorsque ceux-ci sont co=axizauz Comme le montre la figure 4c, sur un disque de rotor 2 est disposé un faisceau de fibres 1 sous un angle axial en étant mobile, et notamment coulissat, par rapport h ue partie fize 3o Comme l!e montre la figure 4d. dans un an- neau 3 est dispos6 im faisceau de fibres I oblique axiale- ment, c'est-à--dire selon un angle par rapport à 1a:xe mé- dian de la partie tournante 2. Come le montre la figure 5, différentes com- binaisons de fibres individuelles au sens de l'tinvention peuvent àtre utilisées, ces fibres presentant toutes une bomnne conduction de la chaleur au moins sur des zones partielles de leur surface et leur âme au moins ayant des propriétés élastiques. C est ainsi que, par exemple, la figura 5a montre une configuration âme/enveloppe dans laquelle l'enveloppe peut aussi être 'constituée par une couche de revêtement externe qui entoure complètement l1meo Str la figure 5b est représentée une fibre de liaison comportant mun revStement uniquement sur ume partie de sa surface, à savoir ici la moitié supérieiueo Les deux parties en contact l'une avec l'autre peuvent 4tre également resvtues d'une façon appropriées La figure 5c montre une âme équipée d'un rev.tement pour le contact avec lVautre partie de machine seulement dans une zone eminale superficielle (par ez:em- ple a la pointe des soies). Sur la figure 5d, il est prévu une fibre creu- se avec un remplissage faisant saillie en dehors. Il peut, 8. - bien entendu être prévu des combinaisons entre ces diff6- rentes formes de réalisation, l'âme ou bien la gaine pou- vant 8tre constituée d'un matériau conducteur de la cha- leur ou bien non conducteur de la chaleur, et le matériau conduisant (relativement bien) de la chaleur ou bien le matériau non conducteur de la chaleur peut déborder sur des zones superficielles plus ou moins importantes de l'autre partie de la fibre. Le matériau conducteur devra toutefois être disposé au moins à la pointe des soies et comporter un pont vers les éléments de maintien ou les parties de machine en vue de l'évacuation de la chaleur qui se détermine d'après la conductibilité calorifique du matériau et la disponibilité en surface conductrice de la chaleur (section transversale). Ceci bien entendu, lorsque l'évacuation de la chaleur est nécessaire ou bien souhaitable du fait de la conception. Sur le tableau annexé sont indiqués, sans que l'invention soit limitée à ces indications, des maté- riaux pour les &mes et les enveloppes. A ce sujet, on se réfèrera notamment aux revendications oh sont également indiqués les procédés pour la réalisation de l'enveloppe ou du revêtement. Les procédés de fabrication courants dans la technique des fibres de verre y compris des con- ducteurs de lumière, peuvent être appliqués ici, tout comme les techniques de fabrication pour les matériaux constitués de fibres, dans lesquels par exemple des fi- bres de verre, des fibres de bore, des fibres de carbone, des fibres de silicium ou contenant du silicium, sont im- prégnées ou bien liées entre elles par des substances vitreuses, céramiques, métalliques ou bien des matières plastiques (hauts polymères). Des barbes métalliques ou des mono-cristaux métalliques conviennent également comme parties constitutives des fibres de liaison. La combinaison des matériaux pour les fi- bres de liaison respectives s'oriente, selon le cas 9.- d'application et les caractéristiques exigées dans ce cas, telles que les caractéristiques de résistance méca- nique, d'élasticité, de conductibilité ou bien d'isola- tion (propriétés magnétique, électrique thermique), les caractéristiques d'élasticité, la résistance à la tem- pérature et à la corrosion chimique. Bien entendu, lors du choix du matériau, il y a lieu de veiller à ce que les matériaux devant être combinés pour une fibre ou bien la fibre ellemême soient facilement réalisables et/ou faciles à revêtir et que l'on ait la qualité et la durée de vie exigées. Il y a lieu de veiller égale- ment à une bonne liaison entre l'ne et l'enveloppe, Les procédés de dép8t par vaporisation physique ou chimique de revêtement sur un support tel que ltâme ont fait leurs preuves, mais également un procédé par projection ou immersion. L'âme peut être réalisée par filature à chaud, projection à chaud, extrusion ou bien atomisation, et prendre des formes de fibres, de fils, rigides ou souples, soit en grandes longueurs ou en longueurs limitées. L'enveloppe peut être également reliée avec l'âme à l'interface éventuellement par al- liage ou d'une autre façon. La couche limite peut éga- lement être obtenue, selon les moyens classiques dans le cas des fibres conductrices de la lumière, par gar- nissage interne d'une fibre creuse auquel cas;après ré- treint de cette fibre creuse la couche elle-même cons- titue une âme. L'Ame ou le revêtement ou l'enveloppe peut également être constitué de métaux amorphes (ap- pelés également métaux vitreux). De même des terres ra- res, des métaux nobles peuvent être utilisés comme ajouts. Des matériaux combinés aluminium-verre, des combinaisons de soudure de verre avec des métaux, des céramiques et différents types de verres conviennent également. Comme verres de soudure, les verres au borate contenant du plomb et du zinc conviennent particulièrement. - Pour le revêtement avec une couche mince de surfaces de verre, le procédé sol/gel convient parti- culièremento En règle générale, la couche enveloppe doit être épaisse de quelques micromètres. Il en va de même pour l'âme qui doit être également aussi fine que possi- ble, et dont le diamètre doit être d'environ 5 microme- tres mais ne doit, autant que possible, pas dépasser 50 micromètres. Il en va de même pour les fibres de bore et de carbone, mais également pour les fibres de matière plastique. L'invention n'est pas limitée à une cons- titution avec une âme et une enveloppe, non plus à une substance de liaison en couches intermédiaires, mais on peut, bien entendu, combiner plusieurs couches de maté- riaux différents les unes au-dessus des autres, selon les possibilités offertes par le cas d'application et selon la rentabilité de la méthode de fabrication (sans perte de qualité). Par exemple, on peut combiner une âme en fibres de verre et une gaine en fibres de verre ainsi qu'un revêtement pour l'ensemble de la fibre (dans ce cas des verres de modules E différents seront avanta- geusement combinés). Ce revêtement peut, dans ce cas, être remplacé par un dopage approprié de la gaine. De façon idéale, la fibre combinée doit,autant que possi- ble, être réalisée en une seule opération, comme cela estpar exemple. possible dans le cas de la filature à chaud ou de l'atomisation à l'aide de buses pour le noyau et pour l'enveloppe. Mais on peut également met- tre en oeuvre avec de bons résultats, un procédé d'éti- rage sans fin pour la fibre avec formation simultanée de l'enveloppe ou du revêtement (par rapport à la sor- tie de l'outil d'étirage) par exemple selon un procédé électrolytique ou bien selon un autre procédé par immer- sion, par compression ou bien par pulvérisation, y com- pris par revêtement électro-statique. 11.- lors du choix des matériaux du faisceau de fibres, leuspossibilitéde combi.naisons en groupes pour une fixation ou bien pou- un élément de fixation doivent être prises en compteo De tels éléments de fixation (corps de brosses ou bien sLupport de soies) doivent à leur tour pouvoir. tre reliée à la partie de machine et gtre fixés sur elleo Les éléments de maintien sont également suscep- tibles d'gtre fabriqués séparément. Si on souhaite de bonnes propriétés de glissement ou bien mime des proprié- 1O tés de lubiification, on peut également utiliser dans l sme ou bien au moins sur des zones partielles de la r ace, du g-raphite, du MoS2 ou bien une matière plas- tique appropriée. Cwrtaines fibres de matière plastique qui (par exemple après dopage) peuvent recevoir dans de bonnes conditionsun revtement métallique, conviennent également pour des fibres. Par exemple, par addition d iode,. une matieère plastique polymérisée d'une combinai- son organique Si peut Mtre rendue électriquement conduc- trice. Des alliages NiFe peuvent Ètre déposés en couches minces, par exemple par l'intermédiaire d'une couche Ti/Au, sur une Ame en verre ou en matière plas- tique et constituent ainsi une fibre susceptible deetre magnétisee.de l'extérieur. TABLEAU DANS DES MATERIAUX CONTENUS Les fibres: mono-cristaux (par exemple Si), barbe métallique : métaux: Au, Ag, AIl, Cu, Ni, Co, Cr, Ti, Mo, Si ou leurs : alliages. : matériaux contenant des oxydes métalliques: (PIbO, ZnO, 1flo3) Les fils: matériaux céramiques: AI203, TiO2, ZrO2, B40, SiC (Ame): matériaux vitreux: Si02, B, 0 : (matériaux métallisés) matibre plastique FEP (Kevlar) Remplissage: C, Graphite, MoS2, Pb, Zn céramique (frittée) (des fibres creuses) couche intermédiaire: Ti, Ni, Or, Co, Au, Ag, Al, Si,Ou et leurs alliages, (gaine): Poly-Si, polyimide g?_2, ZnS, in20, sno2 (extérieur) * Au. Ag,'Al, Si, Cu, Pb, Zn, In, Ni, Co, Or, Mo, ainsi que Rev9tement: leurs alliages et combinaisons laque noire (noir de car- (enveloppe): bone) enduit SiC, TiC, TiSi2, Ti B2, Mo Si2, TiN, Ig, Ti02, oxyde d'in- : dium. à___________________v____ _________--__-_____________ -________________--N vi Cw R E V E N D I C A T I O N S 1.- Joint d'étanchéité entre deux parties de machine mobiles l'une par rapport à l'autre, notamment avec au moins une partie rotative, joint d'étanchéité à la manière d'une brosse, caractérisée en ce que les soies de ce joint d'étanchéité à la manière d'une brosse com- portent une ime non conductrice ou bien semi-conductrice et une enveloppe conductrice, et/ou un revêtement con- ducteur, et/ou un enduit conducteur, et que l'fime au moins a des propriétés élastiques. 2.- Joint d'étanchéité selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'âme des soies eWou la gaine est choisie dans un matériau du groupe s verre, métal, matière plastique ou bien des combinai- sons de ces matériaux et/ou de céramique. 3.- Joint d'étanchéité selon l'une quel- conque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enveloppe et/ou le revêtement, et/ou l'enduit des soies, est constitué d'un matériau du groupe: or, ar- gent, aluminium, cuivre, silicium, plomb, zinc, indium, nickel, cobalt, chrome, molybdène, ou bien des combinai- sons de ces matériaux telles que des oxydes métalliques, des nitrures métalliques, des sulfures métalliques, des fluorures métalliques, des carbures métalliques, des bo- rures métalliques, des siliciures métalliques et/ou du verre-métal, du verre-céramique, du carbone, de la ma- tière plastique. 4.- Joint d'étanchéité selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'âme des soies a une épaisseur d'environ 1 à 100 /et de préférence de 5 à 50 p, tandis que l'enveloppe des soies a une épaisseur d'environ 0,1 à 1 f. 5.- Joint d'étanchéité selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'âme est réalisée par projection à chaud, filature à 14.- chaud, ou par atomisation sans fin, sur la pièce (séparé- ment) ou bien sous forme de fibres, ou de fils. 6.- Joint d'étanchéité selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'en- veloppe est vaporisée physiquement (PVD) sur l'âme, ou bien répartie sur l'âme sous forme de poudre, ou bien déposée électrolytiquement ou encore en l'absence du courant par exemple par dépôt chimique de vapeur (CVD) ou bien déposée selon un procédé par projection ou bien par immersion, notamment par revêtement électrostatique. 7.- Joint d'étanchéité selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'en- veloppe et lâme sont reliées l'une à l'autre à leur in- face par alliage. 8.- Joint d'étanchéité selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'en- veloppe est alliée, vitrifiée, ou bien fondue sur l'âme au moyen d'un laser ou d'une source d'énergie externe (par rayonnement) analogue. 9.- Joint d'étanchéité selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les soies sont conditionnéesindividuellement ou bien en faisceaux,ou sous une forme analogueet mises sous gaine en étant pressées ensemble, frittées ensemble, scellées ensemble, soudées ensemble, collées ensemble ou au moins partiellement enrobées, fondues ensemble ou bien assem- blées d'une manière analogue dans au moins un élément de maintien en verre, métal, céramique ou matière plastique.