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DESCRIPTION "Dispositif d'étanchéité" La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité, comportant un élément d'étanchéité constitué d'une matière souple et agencé entre des surfaces d'étanchéité de pièces à relier.
Par le brevet EP-0 049 459, on connaît un dispositif d'étanchéité de ce type. Dans ce cas, un joint étanche plat en une matière souple est agencé entre les surfaces d'étanchéité de pièces à relier. De tels joints étanches plats sont utilisés partout où ce qui importe est de ne pas trop augmenter la longueur des pièces jointes. Dans ce cas, il est prévu que le joint étanche s'étende dans l'état monté sur le bord externe d'au moins une des surfaces d'étanchéité. De plus, la zone du joint étanche s'étendant sur la zone de bord, qui n'est pas déformée lors du montage, doit garantir le joint contre un déplacement.
Si l'on prévoit un tel dispositif d'étanchéité pour des pièces ou des éléments d'appui dans lesquels on doit réaliser une étanchéification vis-à-vis d'un fluide à pression très élevée, il existe le problème que, dans le cas de ce joint plat constitué d'une matière souple, l'épaisseur du joint prévue est cependant toujours telle qu'un fluage du joint est inévitable. Pour empêcher un tel fluage à des pressions élevées, il est par ailleurs connu d'utiliser un joint annulaire étanche (brevet EP-0 058 811), qui est guidé à l'intérieur d'une gorge dans au moins une des surfaces d'étanchéité, de sorte que la bague d'étanchéité ne puisse pas s'échapper.
Cependant, un inconvénient consiste dans ce cas en ce que de tels dispositifs d'étanchéité ne peuvent pas être également prévus pour l'étanchéification de pressions élevées quand, en même temps, une matière d'étanchéification tendre est utilisée. Par ailleurs, il existe l'inconvénient que, selon la matière d'étanchéification choisie, après le montage et un court temps d'utilisation, il se produit un tassement du joint
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étanche, ce qui rend nécessaire un resserrement des éléments de liaison. Par ailleurs, la fabrication d'un agencement comportant une gorge pour le joint d'étanchéité est coûteuse.
A partir de cet état de la technique, l'invention a pour but de fournir un dispositif d'étanchéité qui est réalisé de façon simple et peut être utilisé en particulier à des pressions élevées et à des températures ou des différences de températures élevées.
A cet effet, le dispositif d'étanchéité du type indiqué ci-dessus, est remarquable, selon l'invention, en ce que l'élément d'étanchéité est constitué d'un polymère à l'état solide et présentant des propriétés de fluage et est réalisé sous forme d'une feuille mince, de sorte que l'élément d'étanchéité conserve pratiquement, dans l'état final monté entre les surfaces d'étanchéité, le contour périphérique de l'élément d'étanchéité dans l'état auparavant démonté.
Grâce à la réalisation de l'élément d'étanchéité en tant que feuille mince, qui est constituée d'un polymère à l'état solide et présentant des propriétés de fluage, on obtient un dispositif d'étanchéité qui est extrêmement simple et, en conséquence, économique à fabriquer. De plus, la feuille d'étanchéification présente une minceur telle que l'élément d'étanchéité, dans l'état monté, conserve pratiquement le contour périphérique de l'élément d'étanchéité dans l'état démonté.
Selon les connaissances actuelles, on a délibérément renoncé, de façon usuelle, pour une utilisation en tant que joints étanches à des pressions élevées, à des polymères à l'état solide et présentant des propriétés de fluage, du fait que ceux-ci, lorsque l'élément d'étanchéité présente une épaisseur usuelle, fluent à des pressions élevées. La
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réalisation selon l'invention en tant que feuille mince se base de plus sur la constatation reconnue dans des essais que, pour de très faibles épaisseurs de feuille, le fluage de polymères à l'état solide, par exemple du PTFE, est arrêté par la tension de surface dans ce cas efficace.
Il est en vérité connu de la pratique générale, en particulier pour des liaisons à vis de tubes sur des armatures de pression ou analogues, d'utiliser une mince bande de PTFE dans la zone du filetage et de visser ensuite les tubes.
Dans le cas d'une bande d'étanchéité usuelle de PTFE, il n'existe cependant aucune épaisseur homogène du fait que celle-ci n'est pas nécessaire pour enrober les zones de filetage. Par ailleurs, la bande d'étanchéité de PTFE est déformée lors du vissage des tubes et s'introduit dans tous les défauts d'étanchéité grâce au fluage de la matière, en étanchéifiant ceux-ci. La déformation, voulue lors du montage, de la bande d'étanchéité connue de PTFE rend ainsi inutile la nécessité d'une épaisseur de bande d'étanchéité homogène.
Au contraire, l'élément d'étanchéité de la présente invention n'est pas déformé lors de la réalisation de la liaison étanche, mais il est réalisé de sorte que l'élément d'étanchéité, dans l'état monté, conserve pratiquement le contour périphérique de l'élément d'étanchéité dans l'état démonté, c'est-à-dire qu'il ne flue pas. Cela signifie que l'élément d'étanchéité selon l'invention, réalisé en tant que feuille mince, en un polymère à l'état solide et présentant des propriétés de fluage n'est pas déformé lors de la liaison étanche. Lors du montage, la feuille d'étanchéité est posée sur une des surfaces d'étanchéité et est "approchée"de l'autre surface d'étanchéité.
Dans une réalisation avantageuse de l'invention, en tant que polymère à l'état solide et présentant des propriétés de fluage, on prévoit une feuille de PTFE, qui présente une épaisseur de feuille inférieure à 0, 15 mm. Cela constitue un domaine d'épaisseur dans lequel la tension de surface est prépondérante et empêche ainsi un fluage de l'élément d'étanchéité à
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des pressions élevées. Ces pressions élevées se rapportent aussi bien aux pressions du fluide de pression guidé dans les parties de l'installation qu'également aux pressions de pressage mécaniques sur les surfaces d'étanchéité. De plus, le choix de la matière d'étanchéité n'est pas limité à du PTFE pur, mais des PTFE modifiés peuvent être également utilisés.
Par ces PTFE modifiés, on pense à des variantes de cette matière qui sont désignées dans la littérature spécialisée par PTFE chargé, PTFE non chargé, etc... Il est de plus important que l'élément d'étanchéité présente, sur toute son étendue de surface, une épaisseur homogène pour que, en chaque point du joint étanche, un effet d'étanchéité optimal puisse être atteint.
Avantageusement, les surfaces d'étanchéité, qui doivent être amenées l'une près de l'autre avec le joint étanche entre elles, présentent, à chaque fois, une planéité telle que les écarts de la planéité absolue sont à chaque fois inférieurs à la moitié de l'épaisseur de feuille. Cela signifie que les surfaces d'étanchéité, en raison de la faible épaisseur de feuille, doivent être planes de sorte que, cependant, des écarts inférieurs à la moitié de l'épaisseur de feuille puissent être compensés par le joint étanche lui-même. Dans la pratique, cela signifie que les surfaces d'étanchéité sont par exemple rodées.
De préférence, les surfaces d'étanchéité présentent, chacune, des profondeurs d'aspérités de surface inférieures à la moitié de l'épaisseur de feuille. Comme il n'existe pas en pratique des surfaces absolument lisses sans aspérités de surface, il existe, dans le cas des feuilles d'étanchéité minces proposées selon l'invention, un engagement de la topologie de surface des surfaces d'étanchéité dans la matière formant le joint. Par usinage correspondant des surfaces d'étanchéité, des aspérités de surface ayant des profondeurs maximales inférieures à la moitié de l'épaisseur
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de feuille à atteindre présentent l'avantage que les aspérités s'engagent dans le joint étanche et, ainsi, empêchent encore un fluage du joint.
Le fait que les profondeurs maximales des aspérités sont plus petites que la moitié de l'épaisseur de feuille entraîne que, en aucun point des surfaces d'étanchéité, dans la mesure où elles sont constituées de métal, il n'existe un contact métal-métal.
Selon une autre réalisation avantageuse de l'invention, est prévue une variante dans laquelle le dispositif d'étanchéité proposé selon l'invention peut être utilisé dans des cas dans lesquels, en raison de réalisations particulières, les surfaces d'étanchéité ne sont pas planes, mais munies d'une structuration en relief. De telles surfaces d'étanchéité structurées peuvent être par exemple utilisées avantageusement là où, en même temps, pour la liaison étanche de deux pièces, une sécurité en torsion correspondante doit être fournie.
Il est important, dans le cas d'une telle structuration et de l'utilisation de la feuille proposée selon l'invention en tant que joint étanche, qu'il n'existe, dans la structuration des surfaces d'étanchéité, aucun bord effilé qui pourrait endommager le joint étanche réalisé en tant que feuille et, ainsi, provoquer des défauts d'étanchéité.
En totalité, il s'est révélé que les dispositifs d'étanchéité du type proposé selon l'invention sont notablement plus étanches, par rapport à des dispositifs d'étanchéité d'un type usuel, dans la plage de pressions faibles et élevées et de plus, lors de l'utilisation de PTFE ou de PTFE modifié, ils sont également appropriés pour être utilisés à des températures élevées. Il est important, pour obtenir un effet optimal d'étanchéité, comme déjà indiqué ci-dessus, que l'épaisseur de feuille soit homogène, c'est-à-dire la plus possible constante sur toute la surface de la feuille.
Les relations physiques, ainsi que les rapports formels, qui
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rendent déterminables les épaisseurs de feuille à choisir, de façon reproductible, pour les cas d'utilisation individuels sont déduits et décrits en détail ci-après.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.
La figure 1 montre l'agencement d'un élément d'étanchéité avec répartition des forces.
La figure 2 montre l'agencement d'une feuille d'étanchéité, en tant que joint périphérique, lors de son utilisation dans une armature pour fluide de pression.
La figure 1 montre, dans la partie supérieure, l'agencement d'un joint étanche volumineux usuel, qui se trouve entre les surfaces d'étanchéité de deux pièces à joindre. Dans ce cas, on doit expliquer pourquoi les joints étanches de ce type connu fluent. Il existe dans ce cas des zones marginales, dans lesquelles le joint étanche peut s'échapper lors du pressage des surfaces d'étanchéité, c'est-à-dire que le joint étanche commence à fluer. Ce processus de fluage ou cet effet de fluage peut être expliqué par la répartition des forces dans cette zone marginale comme suit. Les tensions de surface, qui agissent elles-mêmes par les forces de cohésion de la matière d'étanchéité, s'étendent tangentiellement à la surface.
Si l'on considère maintenant, dans la partie supérieure de cette figure, un grand rayon sur la zone marginale du joint étanche, il existe, comme cela est représenté à cet endroit, un angle d'ouverture relativement grand entre les deux vecteurs de force représentant les tensions de surface. La direction de force des tensions de surface (en unités force par longueur) est toujours orientée vers l'intérieur et est inversement proportionnelle au rayon r dans la zone marginale du joint étanche. La résultante, c'est-à-dire le vecteur d'addition des deux vecteurs
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représentés à cet endroit, est orientée, dans le cas de la courbure convexe représentée ici du joint étanche, dans la zone marginale vers l'intérieur du joint étanche.
En revanche, il se produit par la pression exercée de l'extérieur sur le joint étanche et du fait que la pression s'exerce de façon isotrope à l'intérieur du joint étanche et que la matière du joint ne peut cependant s'échapper que dans la zone marginale, une action de force sur les zones marginales du joint vers l'extérieur, c'est-à-dire dans la direction de fluage.
On obtient une force de fluage résultante en direction anti-parallèle par rapport à la résultante des tensions de surface. Comme les surfaces marginales, sur lesquelles agissent les tensions de surface ou sur lesquelles agit la pression de fluage orientée vers l'intérieur, sont identiques, il en résulte, pour la pression de fluage et les tensions de surface, le facteur 1/S (surface marginale), de sorte que, à partir des tensions de surface et de la pression de fluage, on obtient alors la force de serrage de surface et la force de fluage. ô = Fô (surface, résultante) : S (zone marginale)
P (joint étanche) = Ff (fluage) :
S (zone marginale) De plus, 6 représente la tension de surface, F g (résultante, surface) représente la force de serrage de surface, et S (zone marginale) représente la surface efficace dans la zone marginale du joint étanche, qui, en raison de la pression exercée, peut fluer.
P représente par ailleurs la pression interne exercée sur le joint étanche par pressage et régulièrement répartie dans toutes les directions dans le joint étanche, et Ff (fluage) représente la force de fluage provoquée par la pression interne du joint étanche.
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Du fait de la coopération décrite ci-dessus, on obtient alors l'égalité suivante : - ô-P
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d'où il résulte : - fro = Ff La valeur des résultantes de la force de fluage, c'est-à- dire Ff, est cependant, comme cela est visible sur cette représentation vectorielle, dans le cas de ce dimensionnement de l'épaisseur du joint étanche, plus grande que la
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valeur de la force de serrage de surface opposée F-.
On obtient ainsi : 1 Fô 1 < 1 Ff 1 La partie inférieure de la figure 1 montre l'agencement d'un joint étanche ayant une épaisseur clairement plus faible que dans la partie supérieure de cette figure. Dans ce cas, il se produit, dans la zone marginale, une courbure convexe plus forte, du fait de quoi les répartitions de forces sont également modifiées. L'angle d'ouverture des deux vecteurs représentant les tensions de surface est de plus clairement plus faible, de sorte qu'il se produit également une force de serrage de surface résultante plus grande vers l'intérieur du joint étanche. Dans ce cas, il est clair qu'il doit exister une zone de transition dans laquelle la courbure est telle que la force de serrage de surface présente une valeur identique à la force de fluage.
Comme ces deux forces résultantes sont par ailleurs anti-parallèles, c'est-à-dire orientées de façon opposée l'une à l'autre, elles s'annulent mutuellement. En d'autres termes, l'action de la force de serrage de surface est telle, dans cette zone, qu'elle s'oppose à la force de fluage et stoppe, de façon
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correspondante, l'effet de fluage. Cela signifie que, dans cet état, l'égalité suivante est atteinte : - F = F Si l'on amincit encore le joint étanche, on obtient alors : 1 Fô 1 > 1 Ff 1 Cela signifie que, lorsque l'on est en dessous d'une certaine épaisseur de feuille, l'effet de fluage est annulé et, lorsqu'une pression est exercée de l'extérieur, aucune déformation importante du joint étanche ne peut plus avoir lieu.
A partir de ce fait, il apparaît que, lors d'une réalisation du joint étanche en tant que feuille mince, la matière d'étanchéité présentant en vérité des propriétés de fluage, aucune déformation, une fois le montage effectué, ne peut plus avoir lieu. Cela signifie que le joint étanche, dans l'état monté, conserve pratiquement la forme du joint étanche dans l'état démonté. L'épaisseur de feuille vaut alors 2 r. De plus, il apparaît que, dans le cas d'un tel joint étanche mince, réalisé en tant que feuille, aucun"tassement"du joint étanche n'a lieu et, ainsi, un resserrement des éléments de liaison, qui pressent les surfaces d'étanchéité sur le joint étanche, est superflu.
De ce fait, il est également possible que des polymères présentant des propriétés de fluage soient réalisés de sorte qu'ils ne fluent plus et, ainsi, sont également utilisables pour des pressions élevées. Cela est particulièrement avantageux dans le cas où l'élément d'étanchéité est réalisé à partir de PTFE, du fait que, en particulier, la résistance à la température de la matière peut être en plus exploitée.
Par ailleurs, on obtient, en totalité, un dispositif d'étanchéité extrêmement économique. Il reste maintenant à trouver une dépendance entre la pression de pressage exercée sur le joint étanche et l'épaisseur qui doit être choisie du joint
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étanche, pour laquelle un fluage pour une pression de pressage définie n'a plus lieu. A ce propos, on doit indiqué qu'on ne trouve pas de valeurs, ou très difficilement, pour la tension de surface de corps solides dans la littérature actuelle. Cela vaut au demeurant en particulier pour la matière PTFE à l'état de corps solide à température ambiante.
Toutefois, le fluage de ce polymère est connu, de sorte que, à partir de cette propriété de fluage de l'état de corps solide à température ambiante, une tension de surface peut être également définie qui, comme cela sera décrit ci-après, peut être déterminée expérimentalement. On considère encore une fois la partie supérieure de la figure 1, dans laquelle la force de pressage, la surface, les rapports des forces, ainsi que le rayon, sont indiqués, et l'on voit que le joint étanche ne peut s'échapper que dans la zone marginale, c'est-à-dire là où sont les courbures convexes. Cette courbure peut être décrite par le rayon r qui est représenté là.
Si on veut maintenant régler l'état qui correspond au dispositif selon l'invention, on doit obtenir un équilibre entre la force de fluage et la force de serrage de surface, comme cela est représenté sur la partie inférieure de la figure 1.
Selon le principe des déséquilibres virtuels, à l'équilibre, pour une modification du rayon de dr, la variation d'énergie totale doit être nulle. Le travail effectué par la pression p (p = F/A surface d'étanchéité) pour une dilatation de dr s'exprime ainsi comme suit : dWl = p. dV La surface de la zone marginale est caractérisée ici par S et ne concerne, comme déjà représenté ci-dessus, que la surface de la partie courbée du joint étanche, c'est-à-dire dans la zone marginale, qui peut s'échapper.
Le travail effectué par la pression de pressage est, à l'équilibre,
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dans lequel un fluage est arrêté, ainsi tout à fait compensé par le travail nécessaire pour augmenter la surface de dS : dW2 = ô. dS Sur la figure 1, le joint étanche présente une section transversale rectangulaire ayant des bords cintrés de façon convexe circulaire, et il est admis que le joint étanche s'étend dans l'espace de sorte que l'on obtient un corps d'étanchéité en forme de galette présentant un contour périphérique circulaire. Si l'on considère maintenant le volume pouvant fluer d'un tel corps d'étanchéité, on obtient le long du contour périphérique un volume approché pour l'effet de fluage, lequel constitue un demi-tore.
Si l'on égalise alors à l'équilibre, les deux énergies, on obtient :
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dWl = dW2 De cela, il résulte : p. dV = 6. dS La surface sur laquelle agit le travail correspondant résulte du rayon x n-x approximativement la ligne périphérique L du contour du corps d'étanchéité.
On obtient ainsi la modification de volume :
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dV = L. "/2. r. dr et la modification de surface : dS = L. n. dr Pour respecter l'exactitude mathématique, les grandeurs infinitésimales devraient être transformées en modifications de grandeur réelles :
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dr-Ar dV AV dS AS On obtient ainsi la relation suivante :
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Les grandeurs utilisées ci-dessus fournissent la relation entre la pression de pressage, la tension de surface et le rayon de courbure r dans la zone marginale du joint étanche.
Du fait que, comme déjà indiqué, il est très difficile d'extraire de la littérature des valeurs de tension de surface de corps solides, en particulier du PTFE à l'état solide, celles-ci peuvent être déterminées expérimentalement, par l'intermédiaire de la relation ci-dessus, pour le polymère correspondant spécifiquement choisi. Par ailleurs, on obtient déjà de façon purement empirique qu'il existe, pour cette matière, une dépendance de température de la tension de surface qui, de même, peut être déterminée expérimentalement. De façon à être complet, on doit indiquer ici quelques cas d'application. Pour une surface de section transversale A de la feuille d'étanchéité de 700 mm2 et une force de pressage de 100 kN à 170 kN, on n'obtient, pour une épaisseur de feuille de 0,05 mm, pratiquement plus aucun fluage du corps d'étanchéité.
Ces valeurs sont considérées à température ambiante. En d'autres termes, cela signifie que, dans un exemple pour une force de pressage de 170 kN sur une surface de section transversale de 700 mm2, aucune déformation et aucun fluage du joint étanche n'ont plus lieu, ainsi que pour des forces de pressage plus faibles, par exemple 100 kN. L'épaisseur de feuille du joint étanche de 0,05 mm peut être obtenue de façon reproductible en choisissant un PTFE homogène. Pour des forces de pressage qui sont plus petites que les forces indiquées, on peut utiliser également de plus grandes épaisseurs de feuille de façon correspondant à la relation indiquée.
L'épaisseur de feuille que l'on doit
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choisir pour une force ou une pression de pressage correspondante, qui ne flue plus de façon correspondant aux caractéristiques de l'invention, peut ainsi être déterminée de façon simple pour chaque cas individuel d'utilisation.
A l'aide de la formule ci-dessus, l'épaisseur de feuille à chaque fois nécessaire ou l'épaisseur de feuille maximale, égale à 2 x r, peut être alors déterminée après détermination expérimentale de la tension de surface correspondant à des conditions d'utilisation spéciales (température, etc...) de la matière d'étanchéité, épaisseur pour laquelle le joint étanche ne flue plus. La valeur ainsi déterminée expérimentalement de la tension de surface est plus fiable que peut être une valeur tabularisée retirée de la littérature, du fait que la valeur déterminée expérimentalement n'est pas idéalisée, mais prend en compte toutes les conditions correspondant au cas d'utilisation.
La figure 2 montre un exemple d'utilisation d'une telle feuille d'étanchéité pour des armatures de fluide de pression. En pratique, les surfaces d'étanchéité l'et 2'des pièces 1 et 2 sont usinées et préparées de façon correspondant aux réalisations indiquées ci-dessus, le joint étanche 3 devant être alors mis en place entre elles et les surfaces l'et 2'à étanchéifier amenées l'une sur l'autre. Un vissage ultérieur le plus régulier possible des deux pièces 1 et 2 amenées l'une sur l'autre par l'intermédiaire des éléments de vissage 4 représente alors déjà la fin du montage. Comme le joint étanche est réalisé en étant aussi mince qu'une feuille et que l'épaisseur est choisie de façon qu'aucun fluage sous l'influence de la pression n'a plus lieu, il ne se produit plus de tassement du joint étanche après le premier montage.
Cela rend ainsi inutile un resserrement des éléments de vissage, qui sont formés dans ce cas de boulons.
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En totalité, on obtient ainsi un dispositif d'étanchéité sûr et en même temps économique qui, par ailleurs, est très simple à monter.
L'utilisation d'un tel dispositif d'étanchéité s'étend bien au-delà de la possibilité d'utilisation pour des armatures de fluide de pression, à d'autres domaines de la technique. Des pièces de construction, par exemple lors de la mise en place de sous-groupes électroniques dans des zones menacées par le feu ou une explosion, peuvent être dans ce cas tout à fait avantageusement étanchéifiées.