Brevet FR2798169A1 — publié le 20010309

POMPE A ENTRAINEMENT MAGNETIQUE Domaine technique de l'invention L'invention est relative à une pompe à entraînement magnétique comprenant -un élément de pompe pourvu d'un premier rotor entraîné en forme de roue montée rotation dans un corps associé à des tuyauteries d'aspiration et de refoulement - première série d'aimants solidaires du premier rotor, moteur d'entraînement doté d'un arbre de transmission sur lequel est monté un deuxième rotor d'entraînement portant une deuxième série d'aimants, les deux séries d'aimants étant disposées concentriquement pour réaliser un couplage magnétique en rotation, -et un dispositif d'étanchéité ayant une cloison fixe s'étendant dans l'entrefer entre les deux séries d'aimants en assurant une séparation étanche entre l'élément de pompe et le moteur. La paroi d'étanchéité est particulièrement importante quand le liquide pompé présente un caractère corrosif, ce qui est fréquemment le cas dans la chimie la galvanoplastie. Pour ces applications, qui supportent mal les arrêts, il est par ailleurs important que les interventions de maintenance soient aussi réduites que possible, voire supprimées. Etat de la technique On peut classer les pompes utilisées actuellement en deux grandes catégories les pompes à garniture d'étanchéité ( figure 1), comportant des pièces en frottement montées en partie fixe d'une part, et en partie tournante d'autre la nature des matériaux en présence et la qualité de leur état de surface permettant d'obtenir une étanchéité satisfaisante ; - les pompes à entraînement magnétique (figure 2), qui ont été conçues pour remédier aux inconvénients précités, assurant l'étanchéité, non plus par des ièces frottement, mais par une cloison continue. De part et d'autre de cette cloison se trouvent un rotor d'entraînement lié au moteur, et un rotor entraîné lié à la roue la pompe. Les deux rotors portent des aimants disposés de telle sorte qu'ils assurent un couplage magnétique entre les deux rotors. Sur la figure 1, le moteur 1 est relié à 1a roue centrifuge 2 par un axe 3 un dispositif d'accouplement rigide 4. La roue 2 tourne dans le corps de pompe 5 qui communique avec les tuyauteries d'aspiration 6 et de refoulement 7. L'étanchéité du corps de pompe au passage de l'axe 3 est assurée par le joint à frottement 8. Le premier défaut qu'on peut reprocher à ce type de pompe est que les pièces en frottement constituant ce joint sont sujettes à usure, et qu'il faut donc les remplacer périodiquement, ce qui donne lieu à des arrêts pour maintenance. Cette opération de remplacement est d'autant plus délicate que le joint 8 est localisé dans une zone peu accessible. Un second défaut potentiel concerne l'étanchéité elle-même qui ne peut être garantie de façon parfaite, en raison des petits défauts de surface qu'on peut rencontrer sur les faces d'appui en frottement, et de la création inévitable d'un fi liquide entre ces surfaces. la figure 2, on retrouve le moteur 11, la roue 12, le corps de pompe 15, tuyauteries d'aspiration 16 et de refoulement 17. L'étanchéité est ici assurée par ison continue 18 assemblée rigidement et hermétiquement entre le corps pompe 15 et l'entretoise 19 assurant la liaison avec la bride du moteur 11. Sur l'axe moteur 11 est monté rigidement le rotor d'entraînement 20 dans lequel insérée, par exemple par surmoulage, une série d'aimants 21. rotor entraîné 22 solidaire de la roue 12 est équipé par une série d'aimants aimants 21, 23 sont organisés pour qu'un pôle nord côté entraînement soit en face d'un pôle sud côté entraîné, et inversement. On obtient ainsi un couplage magnétique sans contact mécanique, couplage qui doit donc être suffisant pour supporter sans décrochage le couple maximum absorbé par la roue. bonne efficacité du couplage exige que l'entrefer entre les deux familles d'aimants soit aussi réduit que possible. Cet entrefer étant constitué par l'épaisseur la cloison 18 et par les jeux présents de part et d'autre de celle-ci, on voit faut chercher - ' minimiser l'épaisseur de la cloison, ce qui suppose qu'on ne la sollicite pas trop le plan mécanique, et/ou qu'on la réalise dans un matériau présentant bonne rigidité ; - à réduire les jeux, ce qui suppose une bonne maîtrise dimensionnelle des pièces concernées, ainsi que de leur positionnement. Sur le premier point, il peut y avoir contradiction entre la tenue mécanique de la cloison et sa compatibilité chimique avec le liquide pompé, avec lequel elle est en contact par sa face interne. Une solution couramment utilisée consiste à réaliser cette cloison par juxtaposition de deux matériaux -extérieurement, une partie métallique amagnétique fournissant précision et rigidité. -intérieurement, une partie en matériau synthétique chimiquement compatible. Cette disposition résout assez bien le problème, mais elle présente deux inconvénients non négligeables -augmentati de l'épaisseur, et donc de l'entrefer. -présence courants de Foucault dans la paroi métallique, ces courants étant induits par rotation du flux des aimants. Ces courants de Foucault constituent source d'échauffement qui peut devenir prohibitive, notamment pour de grosses unités. Pour aborder le second point, à savoir les jeux, le dispositif de positionnement et guidage en rotation de la roue 12 selon la figure 2, est constitué -d'un axe fixe 24, monté avec rigidité et précision sur la cloison 18, -d'une bague i 25 solidaire de l'axe 24, -et d'une bague tournante 26 solidaire de la roue 12. La qualité disposition des bagues 24, 25 sont évidemment essentielles pour tenue de la pompe, avec notamment -un dimensionnement aussi large que possible des surfaces en contact. -un choix judicieux des matériaux (céramique, carbure de silicium, graphite....) et de leur état de surface. -une utilisation judicieuse du liquide pompé pour assurer la lubrification -une évacuati aussi bonne que possible des calories générées par le frottement. L'examen de la figure 2 montre clairement les inconvénients inhérents au montage l'axe 24 en ce qui concerne la précision, donc la maîtrise des jeux. Son positionnement par rapport à l'axe du moteur (avec lequel il doit théoriquement être igné), passe en effet par deux pièces dont la précision et la rigidité peuvent poser problème : l'entretoise 19 et surtout la cloison 18. On a vu en effet que cette dernière doit être mince pour passer dans l'entrefer et ne pas produire trop de courants de Foucault. sera donc très difficile d'obtenir un bon encastrement de l'axe 24. a été proposé d'améliorer la tenue mécanique en installant un palier additionnel à l'autre extrémité la roue, mais cette solution augmente notablement la complexi sans résoudre parfaitement le problème. Enfin, concernant l'évacuation des calories absorbées par l'axe il faut noter 'elle doit se faire à travers la cloison 18 qui s'y prête assez mal, toujours du fait de sa minceur. Objet de l'invention L'objet du présent brevet est de proposer une solution permettant de remédier aux inconvénients ci-dessus, c'est-à-dire d'assurer d'une part un centrage parfait de l'axe de rotation de la roue de la pompe, tout en déchargeant la cloison d'étanchéité cette fonction, et d'autre part en recherchant une évacuation efficace des calories vers un élément de refroidissement. pompe selon l'invention est caractérisée en ce que # le premier rotor entraîné tourillonne sur une portée cylindrique dont le positionnement et le soutien sont assurés par un embout axial s'étendant dans le prolongement de l'arbre du moteur, # un palier cylindrique femelle sert de logement concentrique à l'embout pour obtenir un soutien mécanique et un centrage précis de la cloison et du premier rotor entraîné. L'axe du moteur prolongé avantageusement d'une longueur suffisante pour lui permettre de s'introduire au coeur du rotor entraîné. II en résulte que l'axe du moteur englobe l'axe la roue qui, de fixe, devient tournant. Ce n'est évidemment pas cette rotation est recherchée, mais le fait de disposer pour le premier rotor entraîné, d'un support rigide et parfaitement aligné avec l'axe moteur. Selon un mode de réalisation préférentiel,. le premier rotor entrainé comporte une deuxième bague qui tourillonne sur une première bague solidaire la cloison fixe. Le palier intégré à la cloison comprend au moins une bague autolubrifiante constituant un pont thermique pour l'évacuation des calories générées par le tourïllonnement du premier rotor entraîné vers le radiateur formé l'arbre moteur. La cloison d'étanchéité ne devant pas être interrompue, il faut donc compliquer un peu sa forme pour lui faire contourner l'embout prolongé, qui appartient à la zone externe au circuit de pompage, alors que l'axe 24 selon la figure de l'art antérieur appartenait à la zone interne. En plus de la partie cylindrique présente dans l'entrefer, la cloison devra donc présenter une seconde partie cylindrique venant s'engager sur l'extrémité de l'axe moteur, avec interposition d'une douille de frottement, réalisée par exemple en matériau autolubrifiant. Cet axe assurant maintenant le positionnement du rotor entraîné avec la précision et la rigidité voulues, cette fonction n'a plus à être assurée par la cloison d'étanchéité, qui peut donc être sensiblement allégée. Dans le mode de réalisation le plus simple, cette cloison peut être réalisée en une seule pièce, dans un matériau chimiquement compatible avec le liquide pompé. II faut toutefois noter que la pièce doit rester capable de supporter la pression liquide présent autour du rotor entraîné, pression non négligeable puisqu'elle peut être voisine de la pression de refoulement de la pompe. Dans les cas où cette pression est élevée, et où il n'existe pas de matériau chimiquement compatible présentant tenue mécanique suffisante, on peut être ramené à une solution cloison mixte comportant une enveloppe externe mécaniquement résistante, et une enveloppe interne chimiquement compatible. On n'est pour autant ramené aux mêmes contraintes qu'avec les pompes classiques correspondant à la figure 2. En effet, la tenue à la pression interne est bien plus facile à assurer que la rigidité et la précision. L'enveloppe externe pourra donc être beaucoup plus mince, ce qui permet d'envisager de la réaliser -soit en métal amagnétique, comme dans la solution classique, mais en adoptant une épaisseur très faible, ce qui ramène les pertes par courants de Foucault à valeur admissible ; -soit en matériau synthétique (polyamide ou polycarbonate chargés par exemple), ce qui impose une augmentation modérée de l'entrefer, mais supprime totalement les courants de Foucault. Concernant l'évacuation des calories générées par la rotation, la configuration décrite ci-dessus présente un avantage évident, dans la mesure où elle fait apparaître un pont thermique de forte section et de faible épaisseur entre le palier du rotor entraîné et l'arbre du moteur. Bien entendu, cet avantage est atténué par fait qu'il faut évacuer en plus les calories produites par la rotation de l'embout additionnel de l'arbre du moteur dans son propre palier, mais on se trouve là hors d'atteinte du liquide pompé, ce qui permet de faire appel à des composants mécaniques classiques, dont le rendement est excellent. Selon une autre caractéristique de l'invention, la cloison d'étanchéité est conformée pour la compatibilité chimique, tandis que la précision et la tenue mécanique sont assurées par une pièce additionnelle épousant partiellement la forme de la cloison et réalisée dans un matériau ayant une bonne tenue mécanique. La pièce additionnelle peut être réalisée en alliage métallique, notamment en acier inoxydable, et comprend une virole s'insérant dans l'entrefer ménagé entre les deux séries d'aimants. L'épaisseur de la virole est inférieure à celle l'enveloppe de la cloison. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre à travers les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et dans lesquels -la figure 1 représente une vue en élévation schématique d'un ensemble motopompe classique avec garniture d'étanchéité à frottement. -la figure 2 représente une vue en élévation schématique d'un ensemble motopompe classique à entraînement magnétique, -la figure 3 représente une vue en élévation et en coupe entraînement magnétique selon l'invention. Description d'un mode de réalisation préférentiel Ce mode de réalisation est illustré par la figure 3 dans laquelle on retrouve -le moteur d'entraînement 29, -la roue premier rotor entraîné 32, équipée de la première série d'aimants 33 et d'un tube acier 37, -le deuxième rotor d'entraînement 30, équipé de la deuxième série d'aimants 31 et d'un tube en acier 38, les tubes 37 et 38 ayant pour fonction d'assurer le bouclage du flux magnétique des aimants permanents 31, 33. Les tubes 37, 38 et les aimants 31, 33 sont fixés respectivement sur le deuxième rotor 30 et sur la roue 32 par tout moyen approprié, notamment par surmoulage, -la bague fixe et la bague tournante 36 constituant le palier de rotation de roue, -le corps de pompe 45, -et l'entretoise assurant la liaison entre le moteur 29 et le corps de pompe 45. Un embout 42 prolonge l'arbre moteur 41, dont il peut faire partie intégrante, ou lequel il peut etre assemblé avec rigidité et précision. En plus de sa fonction première, qui de supporter et de centrer la roue de la pompe, l'embout 42 est agencé pour recevoir la fixation du deuxième rotor d'entraînement 30, cette fixation étant assurée tout moyen mécanique approprié. La cloison d'étanchéité se compose d'une enveloppe 48 réalisée en matériau chimiquement compatible avec le liquide pompé, et d'une virole cylindrique réalisée en matériau mécaniquement résistant, notamment en acier inoxydable. Cette virole permet d'apporter la tenue à la pression interne, dans la mesure où matériau constitutif de l'enveloppe 48 peut être insuffisamment résistant. L'enveloppe 48 se prolonge vers l'intérieur par une partie formant fourreau, dans laquelle s'introduit axialement l'embout 42. Dans cette zone centrale, l'enveloppe 48 porte # extérieurement, la bague fixe 35, sur laquelle vient tourillonner la roue 32, par l'intermédiaire sa bague solidaire 36. # intérieurement, un fourreau en acier 53, dans lequel viendront s'emmancher les bagues autolubrifiantes 54, 54' qui s'engagent elles-mêmes sur l'embout 42. La bague 35 le fourreau 53 peuvent être avantageusement surmoulés dans l'enveloppe de cloison 48 lors du moulage de celle-ci. Le centrage de bague 35, et de la roue du rotor 32, est maintenant assuré avec précision par l'embout 42. Il en résulte une bonne concentricité des pièces 35, 53, 54, 54', et le jeu entre l'embout 42 et les douilles 54, 54' est très réduit. cloison d'étanchéité est donc totalement déchargée de la fonction de centrage, et donc plus à être très rigide. Il est au contraire souhaitable qu'elle présente un minimum de souplesse, afin de ne pas contrarier le centrage imposé par l'embout plus de la fonction de centrage, le dispositif de la figure 3 permet une bonne évacuation vers l'extérieur des calories générées par la rotation de roue du rotor l'arbre moteur 41 jouant le rôle de radiateur par l'intermédiaire l' embout 42. calories traversent successivement les pièces 35, 48, 53, 54 54' mais tous ces transferts mettent en jeu des épaisseurs faibles et des sections importantes, ce conduit à un pont thermique suffisamment efficace. variante, on peut envisager de remplacer les douilles 54, 54' par des roulements aiguilles. Cette solution sera particulièrement intéressante si une grande résistance et une grande longévité sont recherchées. Par contre, elle sera moins efficace sous l'aspect pont thermique. Des solutions mixtes combinant douilles à frottement et roulements à aiguilles sont également envisageables. REVENDICATIONS 1. Pompe à entraînement magnétique comprenant -un élément de pompe pourvu d'un premier rotor entraîné (32) en forme de roue montée à rotation dans un corps (45) associé à des tuyauteries d'aspiration et refoulement, -une première série d'aimants (33) solidaires du premier rotor (32), -un moteur d'entraînement (29) doté d'un arbre (41) de transmission sur lequel monté un deuxième rotor d'entraînement (30) portant une deuxième série d'aimants (31), les deux séries d'aimants (33, 31) étant disposées concentriquement pour réaliser un couplage magnétique en rotation, -et un dispositif d'étanchéité ayant une cloison (48) fixe s'étendant dans l'entrefer entre les deux séries d'aimants (33, 31) en assurant une séparation étanche entre l'élément de pompe et le moteur (29), caractérisée en ce que # le premier rotor entraîné (32) tourillonne sur une portée cylindrique dont le positionnement et le soutien sont assurés par un embout (42) axial s'étendant dans le prolongement de l'arbre (41) du moteur (29), # un palier cylindrique femelle sert de logement concentrique à l'embout (42) pour obtenir un soutien mécanique et un centrage précis de la cloison (48) et du premier rotor entraîné (32). 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce le premier rotor entraîné (32) comporte une deuxième bague (36) qui tourillonne sur une première bague (35) solidaire de la cloison fixe (48). Pompe selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce le palier intégré à cloison (48) comprend au moins une bague autolubrifiante 54') constituant un pont thermique pour l'évacuation des calories générées par tourillonnement du premier rotor entraîné (32) vers le radiateur formé par l'arbre moteur (41). Pompe selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce palier comporte des roulements à aiguilles prenant appui sur l'embout (42). Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que cloison (48) est une pièce monobloc réalisée dans un matériau à la fois chimiquement compatible avec liquide pompé, et possédant une tenue mécanique suffisante pour supporter notamment la pression du liquide pompé. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que cloison (48) est conformée pour la compatibilité chimique, tandis que la précision et la tenue mécanique sont assurées par une pièce additionnelle épousant partiellement la forme de la cloison (48) et réalisée dans un matériau ayant bonne tenue mécanique. Pompe selon la revendication 6, caractérisée en ce que la pièce additionnelle réalisée en alliage métallique, notamment en acier inoxydable, et comprend une virole (52) s'insérant dans l'entrefer ménagé entre les deux séries d'aimants (31, 33). 8. Pompe selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'épaisseur de la virole (52) est inférieure à celle de l'enveloppe la cloison (48).