Brevet FR2652628A1 — publié le 19910405

I 2652628 La présente invention concerne un système de joint dynamique/statique destiné à obtenir une étanchéité entre un cylindre et un piston à mouvement alter- natif ou un axe tournant, et ceci avec des liquides à faible pouvoir lubrifiant. Ce système sera particulièrement efficace, pour des pompes hydrauliques. On connait le problème de l'étanchéité entre un piston de pompe hydraulique et son cylindre. Ce problème est complexe du fait que l'on doit obtenir deux résultats contra.dictoires: [0 - une étanchéité permettant d'obtenir le débit désiré sans fuite, donc avec un rendement optimum. - une fuite contrôlée entre le piston et son système d'étanchéité afin d'assurer la lubrification et le refroidissement de l'ensemble. Afin d'obtenir ces résultats, on est conduit dans des solutions connues à utiliser des matériaux ayant un très bon coefficient de frottement, tels que des bronzes alliés, les diverses pièces devant être réalisées avec des précisions dimensionnelles de l'ordre de quelques microns. Malgré ces dispositions technologiques très coûteuses, ces systèmes présentent de graves inconvénients: d'une part la filtration du liquide pompé doit v0 être très poussée, et d'autre part, la température dufluide doit être relative- ment faible. Si dans certains circuits fermés, destinés à une utilisation hydrostatique, il est relativement facile de filtrer à l'aspiration et de refroidir le liquide circulant, ce n'est pas le cas des circuits ouverts, tels que ceux-permettant le pompage de l'eau dans le sous-sol, ou le ballastage ?5 des navires. Si les eaux sont chargées de particules ou à des températures excédant 28 à 300 C, la détérioration des pompes intervient rapidement, malgré l'utilisation d'aciers inoxydables, de bronzes fortement alliés ou d'autres matériaux métalliques sophistiqués. Le problème s'aggrave encore si l'eau est saline, par l'apparition de couples électrolytiques favorisés par la température Le système selon l'invention a pour but de remédier à ces divers inconvénients et de fournir une solution économique et fiable au problème des pompes à eaux, ou à fluides peu lubrifiants, pouvant transporter des particules, attein- dre aisément des températures de l'ordre de 600 C ou plus. Selon une première caractéristique de l'invention, le piston à mouvement alter- natif rectiligne, entrainé par un dispositif connu (vilebrequin) coulisse dans un cylindre, dont les cotes respectives permettent un guidage axial efficace, mais sans recherche particulière d'étanchéité. Autour de la partie haute du piston se trouve une chambre cylindrique d'un diamètre supérieur à celui du piston, terminée par une face plane formant un épanchement perpendiculaire à l'axe de symétrie du système, et dans laquelle est déposé le système d'étanchéité selon l'invention. Le dispositif d'étanchéité se compose des éléments suivants: - un élément dynamique en forme de tronc de cône mâle, comportant un alésage cylin&ique axial emmanché sur le piston, et une surface de base plane perpen- diculaire à son axe de symétrie. - un élément statique en forme de tronc de cône femelle, de même conicité LO que l'élément mâle, comportant une surface cylindrique externe s'emmanchant dans la chambre cylindrique située autour du piston, et une surface plane perpendiculaire à son axe de symétrie. - un joint racleur de type connu interposé entre la surface plane de l'élément statique et l'épaulement de la chambre. L5 - un élément élastique de type connu, par exemple un ressort spirale ou une ou plusieurs rondelles élastiques exerçant une poussée sur l'élément dynamique de préférence par l'intermédiaire d'une bague. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, l'angle du cône mâle et du cône femelle sont réalisés de façon à ce que les deux surfaces côniques reposent l'une sur l'autre et donc que le total des deux angles soit de 90 . Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention ces deux angles. seront égaux et de 45 . Selon une autre caractéristique de l'invention, le petit diamètre du cône femelle sera supérieur à celui du piston. Selon une autre caractéristique de l'invention, le grand diamètre du cône mâle sera inférieur à celui de la chambre. On comprend que le poussée exercée par l'élément élastique sur les d&x éléments de joint d'étanchéité va permettre grâce à la décomposition de cet effort par l'action des deux troncs de cône d'obtenir les effets suivants: - l'élément dynamique, sous l'action ducône mâle va serrer le piston par son alésage interne. - l'élément statique, sous l'action ducône femelle va étancher par sa paroi extérieure contre la paroi de la chambre. L'avantage essentiel du système est donc le rattrapage de jeu automatique et le réglage de l'effort optimal qui résulte de la conception; les valeurs relatives que l'on désire donner à ces étanchéités vont être déterminées par les angles des cônes. On comprend que le bon fonctionnement de ce système dépend en grande partie des caractéristiques des matériaux composant les éléments d'étanchéité et le piston. En effet: - le coefficient de frottement du matériau composant les éléments du joint d'étanchéité doit être aussi faible que possible sur le matériau formant la paroi extérieure du cylindre.du piston. - son comportement lors d'une élévation de température due soit au fonctionne- ment (frottements) soit à la température du fluide pompé doit être tel que la surface cylindrique enserrant le piston reste en contact avec celui-ci. Afin d'obtenir ces résultats, on a réalisé les divers éléments de préférence avec les matériaux suivants: O - les éléments d'étanchéité en polymères fluorés: en effet, les coefficients de frottement dynamiques et statiques de ces matériaux sont très faibles. Le comportement du joint dynamique sur le piston sera donc très bon, même en présence de fluide peu lubrifiant, de même que le comportement des deux éléments de joints entre eux. - le piston en polymère fluoré également: les coefficients de frottement sont réduits au minimum et lors des variations de température les variations dimensionnelles du piston et des éléments de joint sont identiques. Selon une autre variante, le piston peut être réalisé en résine avec une chemi- se extérieure en polymère fluoré ou en bronze. O Il faut noter que la très bonne usinabilité des polymères fluorés permet d'obtenir l'ensemble des composants avec des cotes précises nécessaires à ce genre de technologie. Tous ces modes de réalisation permettent d'éviter totalement la formation de couples électrolytiques. De même, les coefficients de dilatation voisins du piston et des éléments du joint permettent d'obtenir l'étanchéité dans une large gamme de températures. Néanmoins, l'inconvénient de ce type de produits est d'absorber, principalement à chaud (T>20 C), des particules dont le liquide pompé peut être chargé, et de devenir ainsi extrêmement abrasif, conduisant à une détérioration extrê- O mement rapide de l'ensemble joint-piston. C'est la raison pour laquelle on interpose entre la chambre d'aspiration- refoulement et le joint d'étanchéité, un joint de type connu, en matériau fibreux ou autre, destiné uniquement à arrêter et à fixer les particules, afin de les empêcher de parvenir jusqu'à la zone de contact entre le piston 3 et l'élément de joint dynamique. Les dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif permettront de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention précédemment décrite. La figure I est une vue en coupe d'un cylindre de pompe avec le dispositif d'étanchéité selon l'invention dans un premier mode de réalisation. ) On a représenté sur la figure I un corps de cylindre de pompe I à l'intérieur duquel coulisse un piston 2 selon un mouvement rectiligne alternatif. Celui- ci coulisse dans la chambre de refoulement 3. Au-dessus de celle-ci se trouve une chambre cylindrique 4 terminée par un épaulement plan 5. En appui sur cet épaulement 5 se trouve la face plane d'un des éléments du dispositif d'étan- chéité. Dans le cas présent, il s'agit de l'élément statique 6 dont la paroi extérieure 7 est emmanchée dans la chambre 4. Cet élément statique 6 comporte une face troai cônique femelle 8 dont le petit diamètre 9 est de dimension,-supérieure à celui du piston 2. Sur cet élément statique 6 vient s'appuyer l'élément dynamique IO par sa face tronc c6nique mâle II. La face cylindrique interne I2 enserre sur la surface cylindrique du piston 2 le diamètre externe I3 de la base cet élément dynamique IO est inférieur à celui de la chambre 4. La face tronc conique II et la face tronc c6nique 8 ont le même angle. Sur la base plane I4 de l'élément dynamique IO vient s'appuyer une bague I5 qui reçoit la poussée d'un dispositif élastique, par exemple un ressort spirale I6, de telle sorte que grâce à la décomposition de l'effort: - la face externe 7 de l'élément statique 6 soit plaquée contre la chambre 4, - la face interne I2 de l'élément dynamique vienne serrerle piston 2. - un joint plan I7 est interposé entre l'élément statique 6 et l'épaulement plan 5 de telle sorte qu'il vienne frotter sur la paroi du piston 2 dans une zone qui ne vient pas au contact de l'élément dynamique IO, mais qui soit située entre celui-ci et la chambre de refoulement 3. On conçoit aisément que l'invention s'applique également à un axe tournant dans un alésage, bien que la description soit faite, par commodité, pour un piston alternatif. La réalisation et les avantages du dispositif selon l'inven- tion sont identiques. REVENDICATIONS I - Système de joint d'étanchéité pour piston cylindrique à mouvement recti- ligne alternatif ou axe tournant, disposé dans une chambre autour de la partie à étancher, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison: - un élément dynamique IO, pourvu d'une surface tronc conique mâle II et d'un alésage central I2 coulissant sur le diamètre extérieur du piston 2. - un élément statique 6 pourvu d'une surface tronc cônique femelle 8 recevant la surface tronc cônique mâle II et dont la paroi cylindrique extérieu- re 7 est emmanchée dans le chambre 4 située autour du piston 2. - un dispositif élastique I6 à. action co-axiale au piston 2 et appliquant l'une contre l'autre les surfaces tronc côniques 8 et 11 des éléments statiques 6 et dynamiques IO. II - Système de joint d'étanchéité selon la revendication 1 caractérisé en ce que un joint racleur I7 du piston 2 est intercalé entre l'élément dynamique TO et la chambre de refoulement 3 du liquide. III- Système de joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications i et 2 caractérisé en ce que le joint racleur I7 est comprimé entre l'élément statique 6 et l'épaulement 5 de la chambre 4 située autour du piston 2. IV - Système de joint d'étanchéité selon la revendication I caractérisé en ce que la somme des angles des troncs de cone mâle II et femelle 8 soit égale à 90, de telle sorte que les deux surfaces soient en contact sur toute leur superficie. V - Système de joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications I et 4 caractérisé en ce que les angles des troncs de cone mâle II et femelle 8 seront égaux à 45 . VI - Système de joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications I, 4 et 5 caractérisé en ce que les éléments statique 6 et dynamique 10 sont réalisés en polymèresfluorés. VII- Système de joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications I à 6 caractérisé en ce qu'une bague I5 est intercalée entre l'élément élasti- que I6 et l'élément du joint recevant sa poussée.