Dispositif d'étanchéité destiné à s'opposer au passage d'un fluide sous pression
entre deux éléments dont un se déplace en regard de l'autre
Il est connu depuis fort longtemps d'utiliser des garnitures d'étanchéité à faible coeffecient de frottement, par exemple en feutre ou en Téflon (marque déposée), afin d'obturer des fentes formées entre deux éléments mobiles l'un par rapport à l'autre.
Afin d'éviter le frottement entre de tels éléments, on utilise des dispositifs d'étanchéité à labyrinthe. Ces dispositifs permettent de réduire sensiblement l'échappement de fluide sous pression entre les éléments. Par leur nature même, ces dispositifs connus ne permettent toutefois d'obtenir une étanchéité satisfaisante que lorsque la variation du jeu entre les éléments mobiles est négligeable. Par conséquent, ces dispositifs ne se prêtent qu'aux applications où il s'agit d'éléments à dimensions sensiblement constantes et dont le mouvement relatif est sensiblement uniforme.
On a également proposé d'utiliser des dispositifs d'étanchéité, comprenant un organe d'étanchéité monté sur un élément fixe et capable de se déplacer en direction d'un élément mobile, sous l'effet de la pression du fluide agissant de part et d'autre de cet organe. Ce dernier est destiné à être maintenu en équilibre dans une position oblique par rapport à l'élément mobile, ceci afin de former une fente à section décroissante dans le sens de l'écoulement du fluide sous-pression. Si le bord arrière de l'organe d'étanchéité vient en contact avec l'élément mobile, il se produit un frottement mécanique fort indésirable car il en résulte une usure progressive de ce bord, d'où une diminuition de l'étanchéité.
Lorsque, par contre, le bord arrière est situé à une faible distance de l'élément mobile, la résistance qu'offre la fente décroissante au passage du fluide sous pression est essentiellement à la sortie. Il s'agit donc, dans ce cas, d'un étranglement localisé situé au bord arrière de l'organe d'étanchéité et présentant une résistance restreinte à l'échappement du fluide. De plus, il est difficile de réaliser en pratique l'équilibre nécessaire à maintenir l'organe dans une position oblique avec son bord arrière hors contact avec l'élément mobile mais au voisinage immédiat de ce dernier. Ceci s'explique par le fait que, sous les conditions de marche dynamiques, toute variation momentanée des paramètres, tels la hauteur de la fente, tend à produire des couples provoquant un basculement de l'organe d'étanchéité, d'où le risque de frottement avec l'élément mobile.
De tels dispositifs d'étanchéité ne permettent donc guère de réaliser une réduction notable de l'échappement d'un fluide sous pression et d'éviter, en même temps, le frottement mécanique.
La présente invention a pour objet un dispositif d'étanchéité destiné à s'opposer au passage d'un fluide sous pression entre deux éléments, dont un se déplace en regard de l'autre, et permettant une réduction notable de l'échappement de ce fluide, tout en évitant le frottement mécanique. A cet effet, ce dispositif est caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un organe d'étanchéité mobile monté sur l'un des deux éléments de manière à pouvoir se déplacer en direction de l'autre élément, parallèlement à ce dernier, afin de délimiter une fente de faible hauteur déterminée permettant le passage d'une quantité restreinte de fluide sous pression pour empêcher tout contact entre l'organe et l'autre élément, et des moyens d'application d'une force déterminée sur cet organe,
opposée et égale à la force résultante due à la pression statique régnant dans cette fente.
Le dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, quatre formes d'exécution du dispositif faisant l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe verticale de la première forme d'exécution;
la fig. 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-IT de la fig. 1;
la fig. 3 est une coupe verticale de la deuxième forme d'exécution;
la fig. 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la fig. 3;
la fig. 5 est une coupe de la troisième forme d'exécution;
la fig. 6 est une coupe de la quatrième forme d'exécution.
Dans la première forme d'exécution représentée sur les fig. 1 et 2, le dispositif d'étanchéité est disposé entre les bords inférieurs 4 à 7 des parois 8 à 11 d'une chambre 2 ouverte vers le bas, alimentée en fluide sous pression, et une bande mobile 3 passant continuellement en regard de cette ouverture et séparée de ces bords 4 à 7 par une fente 1 de section sensiblement constante. La bande 3 repose sur une plaque d'appui fixe 12. Le dispositif comprend un organe d'étanchéité constitué par un cadre rectangulaire 13 rigide monté dans la fente 1 au moyen de deux soufflets 14, 15 fixés aux bords 4 à 7 et permettant le déplacement du cadre 13 dans la fente 1.
Des ressorts à compression 16 sont disposés entre les bords 4 à 7 et le cadre 13 afin que ce dernier soit soumis à l'action d'une force élastique en direction de la bande mobile 3.
La chambre 2 est alimentée en fluide sous pression, par exemple de l'air à une pression absolue de 10 kg/cm2, par un conduit 17 relié à une source 18.
Le dispositif décrit fonctionne de la manière suivante:
Du fluide sous pression provenant de la chambre 2 pénètre entre la bande 3 et le cadre 13 et exerce ainsi une pression statique sur la face inférieure 19 de ce dernier en s'échappant vers l'extérieur. Le fluide agit donc sur ce cadre 13 à l'encontre de la force exercée par les ressorts 16, ces derniers étant choisis de manière à pouvoir maintenir le cadre 13 dans une position d'équi iibre pour laquelle sa face inférieure 19 est située à une faible distance de la face supérieure 20 de la bande 3.
Etant donné que la pression statique agissant sur le cadre 13 diminue progressivement de l'intérieur vers l'extérieur, la force résultante de cette pression statique n'est pas située au milieu de la fente, mais est décalée vers l'intérieur (entrée du fluide), c'est-à-dire vers l'extrérnité à pression plus élevée. Cette résultante se situe généralement à environ un tiers de la distance parcourue par le fluide dans la fente. Ainsi, comme on le voit sur les fig. 1 et 2, les ressorts 16 servant à exercer une force déterminée opposée à cette résultante, sont décalés en conséquence vers l'entrée du fluide.
De cette manière, le dispositif obture en majeure partie la fente 1 en laissant un passage 21, sous forme d'une fente de très faible hauteur h, à travers lequel une quantité restreinte de fluide peut s'écouler de la chambre 2 vers l'extérieur. Cet écoulement permet d'éviter le contact et, par conséquent, le frottement entre la face inférieure 19 du cadre 13 et la face supérieure 20 de la bande mobile 3 et cela même dans le cas où cette face 20 se déplacerait vers le haut à cause d'irrégularités dans l'épaisseur de la bande 3 et/ou de faibles mouvements verticaux de cette dernière. En effet, grâce à la mobilité du cadre 13 soumis à l'action des ressorts 16, ce cadre peut se déplacer dans la fente 1 d'une position d'équilibre à l'autre, tout en maintenant un écart h sensiblement constant et de faible valeur, de l'ordre du centième de millimètre.
Le cadre mobile 13 est agencé de manière que sa face inférieure 19 présente un faible coefficient de frottement avec la bande 3. A cet effet, le cadre 13 peut être soit constitué soit revêtu d'une matière à faible coefficient de frottement, par exemple le Téflon (marque déposée); la surface 19 doit être plane et lisse.
L'ensemble des quatre branches du cadre 13 et des soufflets 14 et 15 auxquels elles sont fixées, constitue un cadre rectangulaire rigide capable de résister à toute flexion sensible pouvant résulter de la force latérale due à la différence plus ou moins grande des pressions agissant sur les surfaces latérales du cadre 13. Ceci permet de maintenir ce dernier sensiblement parallèle à la bande 3 tout en permettant son déplacement perpendiculairement à cette dernière.
Le dispositif décrit ci-dessus permet de maintenir une pression constante dans la chambre 2 lorsqu'on y introduit du fluide sous pression pour remplacer la quantité limitée de fluide s'échappant vers l'extérieur. I1 est ainsi possible d'exercer une pression constante sur la bande mobile à la manière d'une presse continue. Le cas échéant, le fluide sous pression venant au contact direct de la bande peut être utilisé pour le traitement chimique et/ou thermique de cette dernière et cela par le choix approprié de ce fluide, d'une part, et par le conditionnement préalable de ce fluide, d'autre part.
Les fig. 3 et 4 montrent deux dispositifs d'étanchéité disposés entre chacune des faces d'une bande 22 à section rectangulaire, constante, coulissant longitudinalement dans une ouverture rectangulaire 23 ménagée dans une paroi verticale 24 d'une enceinte 25 contenant un fluide solls pression, et le bord correspondant de l'ouverture 23.
Chaque dispositif comprend un corps rigide 26a et 26b, respectivement, à section rectangulaire, monté sur un piston à section rectangulaire 27a, 27b, coulissant perpendiculairement à la bande 22, dans une rainure 28a et 28b, respectivement, ménagée dans la paroi 24. Chaque rainure communique avec l'enceinte 25 par un passage 29 de manière que la pression régnant dans cette enceinte soit appliquée sur les pistons 27a et 27b et par conséquent sur les corps 26a et 26b, en direction de la bande 22. Du fluide sous pression provenant de l'enceinte 25 pénètre entre la bande 22 et les faces 30a et 30b (voir fig. 4) des corps 26a et 26b et agit sur ces faces de sorte que les corps 26a et 26b s'écartent en formant des passages 31a, 31b sous forme de fentes de faible hauteur h permettant le passage de fluide vers l'extérieur.
Les pistons 27a et 27b sont dimensionnés de manière qu'ils exercent une force déterminée, sensiblement égale à la force résultante due à la pression statique du fluide agissant en sens opposé sur les corps 26a et 26b. Des garnitures 32a, 32b, respectivement 33a, 33b, sont disposées dans des cavités ménagées dans la paroi 24, de part et d'autre des pistons 27a, 27b afin d'empêcher le passage vers l'extérieur de fluide sous pression provenant des rainures 28a, 28b.
Comme il ressort de la fig. 3, les pistons 27 sont décalés par rapport aux corps respectifs 26 auxquels ils sont associés, ceci afin que les forces qu'ils exercent soient sensiblement aligne'es aux forces résultantes dues à la pression statique du fluide s'échappant vers l'extérieur entre ces corps 26 et la bande 22. De plus, un guidage précis des pistons 27 dans les rainures respectives 28 permet de maintenir les corps 26 sensiblement parallèles à l'élément coulissant 22 et cela malgré la force latérale due à la différence des pressions agissant, dans les fentes 31, sur les surfaces latérales des corps 26 et des pistons 27.
Les corps mobiles 26 sont ainsi maintenus en équilibre, parallèlement à la bande 22, sous l'effet, d'une part, de la pression statique agissant sur les têtes des pistons 27 et, d'autre part, de la pression statique du fluide se trouvant dans les passages 31. Les corps 26 flottent ainsi dans une position d'équilibre dans laquelle leurs faces 30 sont maintenues à une faible distance h de la bande 22 de manière à éviter tout frottement avec ce dernier lors de son coulissement. La quantité restreinte du fluide sous pression, qui s'échappe vers l'extérieur à travers les passages 31 est remplacée par du fluide sous pression fourni par une source 34, par l'intermédiaire d'un conduit 35, de manière à maintenir une pression constante dans l'enceinte 25.
Le dispositif décrit ci-dessus permet donc d'obturer en majeure partie les fentes 21, tout en permettant de tenir compte de faibles mouvements verticaux de la bande 22 dans l'ouverture 23. L'étanchnité latérale est en outre assurée par deux garnitures élastiques 36 et 37 disposées dans l'ouverture 23 et dans les cavités latérales de la paroi 24, de chaque côté de la bande 22, de manière à permettre à cette dernière un faible déplacement latéral lors de son coulissement dans l'orifice 23.
La fig. 5 montre deux dispositifs d'étanchéité selon la troisième forme d'exécution qui sont disposés chacun.
comme dans la deuxième forme, entre l'une des deux faces d'une bande 22 et le bord correspondant d'une ouverture rectangulaire 23 à travers laquelle coulisse cette bande. Les éléments similaires portent les mêmes chiffres de référence sur les fig. 3 et 5.
Dans cette troisième forme d'exécution, chaque dispositif d'Ctanchéité comprend un corps rigide, mobile 38a et o8b, respectivement, monté de manière étanche sur la paroi 24, au moyen de deux lames d'acier ressort, res pectivement 39a, 40a et 39b, 40b, de manière à former une chambre de pression, respectivement 41a et 41b. Ces chambres communiquent chacune avec l'enceinte 25 au moyen de passages, respectivement 42a, 43a et 42b, 43b de manière que la pression régnant dans cette enceinte agisse sur les faces 44a et 44b de ces corps, dont les aires sont inférieures à celles des faces, respectivement 45a et 45b, disposées en regard de l'élément coulissant 22.
La paroi 24 comprend en outre deux saillies 46a et 46b, disposées, respectivement, dans les chambres de pression 41a et 41b et formant chacune une butée limitant le mouvement latéral des lames, et, par conséquent, celui des corps 38a et 38b montés sur ces lames.
Comme on le voit à la fig. 5, les chambres de pression 41 sont décalées vers l'intérieur par rapport aux corps mobiles 38 et cela, comme dans les cas précédents, afin que la force agissant sur chaque corps mobile, en direction de l'élément coulissant 22, soit sensiblement ligne avec la résultante de la pression statique du fluide agissant en sens opposé. De plus, les surfaces 44 et 45 sur lesquelles agissent les pressions de part et d'autre du corps 38 sont dimensionnées de manière à permettre l'équilibre de ce dernier. En outre, si nécessaire, on peut prévoir des moyens additionnels tels que des butées ou des moyens d'ancrage permettant d'empêcher toute déformation indésirable des lames 39, 40.
Le fonctionnement de ce dispositif d'étanchéité est le même que celui du dispositif représenté à la fig. 3. Les corps 38 sont maintenus dans une position d'équilibre, à une distance très faible de l'élément 22, par la pression différentielle agissant sur les deux faces 44, 45 de chacun des corps 38.
La quatrième forme d'exécution représentre sur la fig. 6 consiste en un dispositif d'étanchéité disposé autour d'un arbre rotatif 50 traversant un orifice circulaire 51 ménagé dans une paroi 52. Cette paroi fait partie d'une enceinte 25 contenant un fluide sous pression provenant d'une source 34 par l'intermédiaire d'un conduit 35. Ce dispositif comprend une membrane annulaire souple 53, par exemple en Téflon (marque déposée), fixée de part et d'autre à la paroi 52 de manière à former une chambre de pression annulaire 54. Cette dernière est reliée par un conduit 55 à une source 56 de fluide dont la pression est inférieure à celle qui règne dans l'enceinte 25, cette pression étant choisie de manière que les forces dues aux pressions statiques agissant de part et d'autre de la membrane 53 soient égales.
La membrane 53 est en outre solidaire d'une série de segments annulaires 57, disposés dans la chambre de pression 54 et servant à rendre plus rigide la partie m- diane de cette membrane et par conséquent à limiter sa déformation latérale. Grâce à la rigidité, à l'exclusion dans la direction radiale, de l'ensemble formé de la membrane 53 et des segments 57, la partie médiane de cette membrane est maintenue coaxialement à l'arbre 50 malgré la pression statique agissant axialement du côté de l'enceinte 25 et tendant à la déformer.
Lors de la rotation de l'arbre 50 la pression du fluide provenant de l'enceinte 25 agit radialement sur la membrane 53 à l'encontre de la pression qui règne dans la chambre de pression 54 de manière que sa partie médiane nortant les segments 57 soit maintenue dans une position d'équilibre, à une faible distance de l'arbre 50.
Cette quatrième forme d'exécution du dispositif d'étanchéité se prête à l'emploi dans toute machine comprenant une enceinte sous pression séparée de l'extérieur par une paroi traversée par un arbre mobile, cela toutefois pour autant qu'une faible fuite de fluide vers l'extérieur soit permise.
Il convient de noter que les dispositifs décrits peuvent être utilisés avantageusement dans diverses applications où l'on désire empêcher le passage d'un fluide sous pression entre deux éléments mobiles l'un par rapport à l'autre. Ainsi, par exemple, ce dispositif d'étanchéité trouvera une application importante dans les presses continues destinées à la fabrication et au traitement de produits continus, par exemple en matière plastique. Il est évident que ce dispositif d'étanchéité se prête également à rendre sensiblement étanche une enceinte maintenue sous vide dont une paroi est traversée par un élément mobile passant vers l'extérieur.
Le dispositif d'ltanchéité décrit se prête aussi bien à l'utilisation avec un gaz qu'avec un liquide. Les pertes de puissance dues aux fuites sont toutefois bien plus importantes pour un gaz que pour un liquide. Pour une même fente et une même différence de pression, la puissance de compression nécessaire à compenser les fuites d'air est, par exemple, d'environ cent fois la puissance de pompage nécessaire à compenser les fuites d'eau.