FR2494382A1 - Procede et dispositif d'etancheite a ferrofluide pour arbre tournant - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF D'ETANCHEITE A FERROFLUIDE POUR ARBRE TOURNANT COMPRENANT UN AIMANT PERMANENT ANNULAIRE 14 ENTOURANT L'ARBRE 26 DEVANT ETRE RENDU ETANCHE ET DES PIECES POLAIRES 16, 18 DE LARGEURS INEGALES AFIN QUE LES ESPACES ENTRE ELLES ET L'ARBRE SOIENT DE LARGEURS INEGALES, CE QUI A POUR RESULTAT QUE LE FERROFLUIDE 24 DISPOSE ET RETENU DANS CES ESPACES 20 EN VUE DE REALISER DES JOINTS TORIQUES MAGNETIQUES 30, 32 AUTOUR DE L'ARBRE 26 S'EVAPORE DE PREFERENCE, LORS DE LA ROTATION DE L'ARBRE, DE L'ESPACE LE PLUS PETIT, LAISSANT SUBSISTER UN DISPOSITIF D'ETANCHEITE DE LONGUE DUREE COMPRENANT UN PREMIER ESPACE D'AIR ET UN SECOND ESPACE REMPLI DE FERROFLUIDE. CE DISPOSITIF EST NOTAMMENT UTILISE POUR LES AXES D'ENTRAINEMENT DE DISQUES D'ORDINATEUR.

Description

On connaît des dispositifs d'étannhéité de type à ferrofluide utilisés

pour rendre étanches les axes tournants, comprenant des joints toriques d'un liquide ferrofluide à un seul ou à plusieurs étages disposés autour de l'axe (voir par exemple le brevet américain nO 3 620 584 qui décrit un joint étanche à ferrofluide à plusieurs étages pour axes tournants). On utilise les joints étanches à ferrofluide à plusieurs étages comme joints d'exclusion pour protéger l'environnement situé d'un côté de l'axe vis-àvis de produits contaminants de l'environnement situé de l'autre côté de l'axe. Les joints étanches d'exclusion de type à ferrofluide sont utiles notamment lorsqu'il s'agit d'axes d'entraînement de disques d'ordinateur pour empêcher les produits contaminants d'un environnement d'atteindre la

zone des disques à mémoire.

Un joint étanche d'exclusion à ferrofluide standard utilisé actuellement dans le domaine des ordinateurs comprend un aimant permanent annulaire adapté pour entourer l'axe et disposé en sandwich entre deux pièces polaires identiques qui sont disposées au niveau du diamètre extérieur en contact, par flux magnétique,avec l'une et l'autre des extrémités polaires de l'aimant permanent. Lesdiamètresintérieuisdes pièces polaires sont disposés à proximité de l'arbre ou de l'axe, sans être mis en contact avec lui, pour former un petit espace, compris par exemple entre 0,0508 et 0,254 mm, entre le diamètre intérieur des pièces polaires et la surface de l'axe. On dispose un ferrofluide dans les espaces, fluide qui est retenu magnétiquement lors de l'insertion de l'axe ou de l'arbre magnétiquement perméable pour réaliser un ou plusieurs étages toriques liquides formant un joint étanche d'exclusion

à ferrofluide autour de l'axe.

On peut utiliser divers matériaux magnétiques pour réaliser l'aimant permanent mais de manière générale ce matériau est un matériau céramique fritté ou lié d'une épaisseur dans le sens longitudinal comprise entre 1, 27 et 3,81 mm. Les pièces polaires sont en un matériau magnétiquement perméable, tel que l'acier inoxydable magnétique (par exemple de la série 400) et d'une épaisseur comprise entre 0,635 et 2,032mm. Le joint étanche d'exclusion connu, en fonction des exigences du client, est réalisé comme décrit ou placé dans un boîtier non magnétique, par exemple en aluminium ou acier inoxydable,(de la série 300),

par des techniques d'assemblage par collage ou autre.

On réalise le joint étanche d'exclusion en introduisant une quantité

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précise optimale d'un ferrofluide dans les régions de l'espace annulaire situé entre le diamètre intérieur des pièces polaires et l'axe. De manière typique, le ferrofluide comprend un liquide porteur à faible pression de vapeur, tel qu'un fluorocarbone, un polyphényléther, un hydrocarbure, un liquide diester et des liquides analogues à faible pression de vapeur, afin d'assurer une très faible perte massique du ferrofluide constituant le joint torique, réalisant ainsi un joint étanche d'exclusion d'une très longue durée de vie utile. Par exemple, on s'attend à ce que le joint étanche d'exclusion

à ferrofluide standard dure plusieurs années dans des conditions de tempéra-

ture modérée et à une vitesse de rotation d'axe de 3600 tours/min, vitesse courante pour l'entraînement des disques d'ordinateur, et pour des diamètres d'axe pouvant aller jusqu'à 4,572cm. La viscosité et l'aimantation de saturation du ferrofluide peut varier, se situant en général respectivement

entre 20 et 500 cps et 100 et 400 gauss.

Il y a donc lieu de prolonger la vie utile des joints étanches d'exclusion à ferrofluide, notamment dans des conditions de températures ambiantes plus élevées, supérieures par exemple à 500C, à des vitesses de rotation d'axe pouvant dépasser 3600 tours par minute et pour des diamètres

d'axe plus importants, ou une combinaison de ces conditions.

La présente invention a donc pour objet un joint étanche de type à ferrofluide pour axe tournant, d'une longue durée de vie et également un procédé de fabrication et l'utilisation d'un tel dispositif d'étanchéité. En particulier, l'invention concerne un joint d'exclusion à ferrofluide pouvant être utilisé notamment avec les axes d'entraînement de disques d'ordinateur

pour rendre ces axes étanches pendant de longues périodes de temps.

On a constaté que, pour un joint étanche d'exclusion à ferrofluide, il faut prendre en considération deux facteurs fondamentaux, un facteur magnétique, qui détermine la pression du joint et l'autre concernant la

génération de chaleur, qui détermine lalongévité du joint.

De manière générale, la capacité totale en pression des joints étanches d'exclusion à ferrofluide actuels se situe entre 76,2 et 152,4 cm

d'eau, pression répartie sensiblement également entre les deux pièces polaires.

La pression requise pour une application normale d'entraînement de disques n'est que de 12,7 cm d'eau; ainsi, les joints assurent une grande marge de sécurité lorsqu'il s'agit de la pression. En effet, un seul joint torique à ferrofluide suffit amplement pour assurer la capacité nécessaire en pression; toutefois, la réalisation courante actuelle comprend deux pièces polaires,

afin de compléter le circuit du flux magnétique.

Il est bien connu qu'il se produit un gradient de température sur le joint torique à ferrofluide, par suite de la chaleur dégagée par le cisaillement visqueux du ferrofluide entre l'axe en rotation et le diamètre intérieur des pièces polaires fixes. Une partie de cette chaleur est éliminée

à travers lespièces polaires et l'axe. Ainsi, la température de fonctionne-

ment du ferrofluide dépend des capacités de transmission thermique des matériaux formant le joint et de sa structure, ce qui détermine, à son tour, la vitesse d'évaporation du ferrofluide et, par conséquent, la durée du joint. La température de fonctionnement du fluide est plus élevée lorsque le fernofluide remplit les deux zones de l'espace, que lorsqu'un seul étage est activé par le ferrofluide et qu'un espace d'air se trouve sous l'autre étage. La raison en est que chaque zone de l'espace remplie de ferrofluide joue le r8le de source de chaleur indépendanb et porte la température de la structure du joint à une valeur plus élevée que si un seul étage avait été

activé par le ferrofluide.

Par conséquent, à la différence de la pression du joint qui double lorsque les deux étages sont activés, par opposition à un seul, la durée du joint augmente lorsqu'une seule zone de l'espace est remplie de ferrofluide et non pas les deux ou plusieurs zones de l'espace. Dans ces conditions, la situation idéale serait celle o une seule pièce polaire est activée par le ferrofluide. Une seconde pièce polaire, qui fonctionnerait avec une espace d'air, servirait uniquement à compléter le circuit magnétique. L'espace d'air

aide à permettre le déplacement d'air de la cavité entre les pièces polaires.

Les techniques actuelles d'installation de joints, toutefois, ne permettent pas de réaliser ce but parce que le ferrofluide est injecté dans la zone de l'aimant, ce qui a pour conséquence la migration du ferrofluide dans les deux

zones de l'espace lors de l'insertion de l'axe.

On a constaté que la durée du joint étanche d'un dispositif d'étanchéité à ferrofluide pour axe tournant peut être prolongée en utilisant un joint étanche à ferrofluide à un seul étage. Un joint étanche à un seul étage comprend deux pièces polaires conçues et disposées de façon à laisser subsister un seul espace commun rempli de ferrofluide, sous le-diamètre

intérieur des pièces polaires afin de former un seul joint torique à ferro-

fluide autour de la surface de l'axe devant être rendu étanche. Le joint à un seul étage aurait une plus longue durée de vie utile, du fait qu'il ne comprend qu'un seul étage à. ferrofluide, que le même joint ou un joint standard présentant un étage de même largeur d'espace sous chaque pièce polaire. Un joint étanche à un seul étage comprend deux pièces polaires de même largeur, de section transversale sensiblement en L. Le diamètre intérieur des pièces polaires est disposé à proximité de la surface de l'axe, mais sans être mis en contact avec elle, pour former entre eux un espace compris en général entre 0,0508 et 0,1524mm ou une plus grande largeur d'espace comprise par exemple entre 0,3048 et 0, 6096mm ou plus, comme décrit dans la demande de brevet nO, déposée le même jour que la présente demande et incorporée à celle-ci par référence. On peut faire varier, selon le besoin, l'espace radial entre le diamètre intérieur des pièces polaires et la surface de l'axe, mais cet espace doit être suffisamment petit pour permettre de concentrer le flux magnétique dans l'espace compris entre le diamètre intérieur des pièces polaires et la surface de l'axe, espace compris en général entre 0,0508 et 0,2540 mm; par exemple entre 0,1524 et 0,2032mm. La forme en L des pièces polaires permet un flux magnétique dans la zone située entre les

étages des pièces polaires pour réaliser un seul joint étanche à ferrofluide.

Le ferrofluide, lorsqu'il est introduit dans le dispositif d'étanchéité, se concentre au niveau de l'espace entre les étages et est maintenu dans cet espace avant l'insertion de l'axe magnétiquement perméable. Lors de l'insertion de l'axe dans le dispositif d'étanchéité contenant du ferrofluide, le diagramme du flux magnétique est modifié et une grande partie du flux magnétique est déviée vers la zone de l'espace radial située au-dessous des extrémités des pièces polaires, en raison de la formation d'un parcours de moindre réluctance du flux magnétique. Le ferrofluide forme alors, lors de la rotation de l'axe, un seul joint torique à ferrofluide sur la surface de l'axe. Le joint torique est réalisé par le ferrofluide présent entre la zone située entre les étages

et les pièces polaires et l'axe.

Un joint étanche à un seul étage garde sa propriété d'étanchéité plus longtemps, parce qu'un seul joint torique à ferrofluide produit de la chaleur qui est éliminée par les pièces polaires pour permettre une plus longue durée du joint. On a constaté qu'un joint étanche à un seul étage assure une étanchéité durant trois à quatre fois plus longtemps qu'un joint étanche à deux étages standard présentant le même espace radial. On a observé deux genres distincts de défaillances des joints à un seul étage. On croit que ces défaillances sont dues à la séparation dujoint étanche à ferrofluide à un seul étage de départ en deux joints toriques distincts sous l'extrémité de chaque pièce polaire, lorsque le volume du ferrofluide d'un joint étanche à un seul étage a diminué par évaporation. Il en résulte l'évaporation rapide

des deux joints toriques ainsi formés et la défaillance totale du joint.

Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique est une vue schématique en coupe transversale représentant un joint étanche d'exclusion à ferrofluide conforme à l'invention, au début de sa mise en fonctionnement.

On voit sur la figure un dispositif d'étanchéité d'exclusion à ferro-

fluide à un seul étage.de longue durée 10 qui comprend un aimant permanent annulaire 14 comprenant des pôles opposés de chaque c8té, l'aimant étant disposé dans un bottier non magnétique 12, en aluminium ou en acier inoxydable par exemple, et comprenant des pièces polaires magnétiquement perméabales 16 et 18 disposées en contact avec un côté respectif de l'aimant 14, pour ménager uw petite cavité 22 entre elles. L'aimant 14 et les pièces polâires 16 et 18 dans le bottier 12 sont disposés autour d'un axe magnétiquement perméable 26, tel que l'axe d'entraînement de disques d'ordinateur. Les pièces polaires 16 et 18, de m9me largeur comprise par exemple entre 0,635 et 1,016mm, mais entre 1, 016 et 1,778mm à une extrémité, présentent en général une configuration en L en section transversale pour réaliser, à ladite extrémité de chaque pièce polaire, un espace radial déterminé 20 d'une largeur comprise par exemple entre 0,0508 et 0,254mPi,entre ladite extrénité de la pièce polaire et la surface de l'axe 26, tandis que les extrémités des pièces polaires 28 et 30 s'étendant vers l'intérieur forment, entre les étages, un espace 34 entre les diamètres intérieurs des extrémités, compris par exemple entre

0,254 et 0,635mm, de préférence entre 0,381 et 0,508mm.

Comme on le voit, un ferrofluide 24, tel qu'un ferrofluide diester d'une viscosité comprise entre 50 et 500 cps et d'une saturation magnétique comprise entre 100 et 450 gauss est retenu dans la zone 34, située entre les étages, et dans l'espace radial 20 situé sous lesdites extrémités des deux pièces polaires 16 et 18, sous l'effet du flux magnétique, pour réaliser un seul joint torique à ferrofluide 32, représenté en traits interrompus, autour de la surface de l'axe lors de la rotation de celuici. Le joint étanche à

un seul étage 10 assure l'étanchéité pendant plus longtemps.

On a effectué-des expériences pour comparer un joint étanche d'exclu-

sion à deux étages standard comprenant des pièces polaires rectangu ires identiques d'une largeur de 1,016mm et un joint d'exclusion à un seul étage conforme à l'invention comprenant des pièces polaires de la même largeur de 1,524mm à ladite extrémité, mais en forme de L. On a effectué ces essais avec un ferrofluide à base de diester d'une viscosité de 50 cps et d'une aimantation de saturation de 200 gauss, avec un espace radial de 0,1524mm et un espace entre les étages de 0,508mm à 1000C, en utilisant un axe d'entraînement de disques d'ordinateur d'un diamètre de 4,572cm tournant à une vitesse de 3600 tours/min. Les résultats de ces essais ont démontré une défaillance du joint standard après 180 heures, tandis que le joint à un seul étage n'est tombé en panne totalement qu'après 760 heures, ce qui

apporte la preuve de la longue durée d'un joint étanche 'a un seul étage.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'étanchéité à ferrofluide à un seul étage de longue durée pour arbre tournant, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un aimant permanent annulaire (14) adapté pour entourer l'arbre ou l'axe tournant (26) devant gtrerendu étanche et comprenant despales de polarités opposées à chaque extrémité plate, et b) des première et seconde pièces polaires magnétiquement perméables (16,18) en relation par flux magnétique avec l'une et l'autre des extrémités respectivement de l'aimant permanent (14), chaque pièce polaire présentant un diamètre extérieur et un diamètre intérieur et étant adaptéepour entourer l'arbre tournant (26) devant être rendu étanche, le diamètre intérieur de chaque- pièce polaire (16,18) étant disposé à proximité de la surface de l'arbre (26) devant être rendu étanche, sans être mis en contact avec elle, pour réaliser entre eux un espace radial (20), chaque pièce polaire présentant une configuration sensiblement en L en section transversale avec une partie saillante (30,28) auxdites extrémités, les parties saillantes étant disposées en regard et à une certaine distance l'une de l'autre pour ménager une zone (34),entre les étages, entre elles; du ferrofluide étant disposé et retenu dans l'espace radial (20) et dans la zone sitée entre étages (34) pour former un seul joint torique magnétique autour de l'arbre, afin de réaliser un dispositif d'étanchéité

de longue durée.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que

l'espace radial (20) est compris entre 0,0508 et 0,254mm.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que

l'espace radial (20) est compris entre 0,3048 et 0,6096mm.

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que

la zone située entre étages (34) est comprise entre 0,254 et 0,762mm.

5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les

pièces polaires (16,18) sont de même largeur à ladite extrémité.

6. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1 en combinaison avecun arbre tournant, caractérisé en ce que le dispositif d'étanchéité comprend du ferrofluide dans l'espace radial (20) et dans la zone située entre

étages (34) pour rendre étanche ledit arbre tournant.

7. Dispositif selai la revendication 6, caractérisé en ce que

l'arbre est un axe d'entraînement de disques d'ordinateur.

8. Dispositif d'étanchéité à ferrofluide de longue durée pour arbre ou axe tournant, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un aimant permanent annulaire (14) adapté pour entourer l'axe tournant devant 9tre rendu étanche et comprenant des pâles de polarités opposées à chaque extrémité plate; et

b) des première et seconde pièces polaires magnétiquement permé-

ables (16,18) en relation par flux magnétique avec l'une et l'autre respectivement des extrémités de l'aimant permanent (14), chaque pièce polaire présentant un diamètre intérieur et un diamètre extérieur et étant adaptée pour entourer l'arbre tournant (26) devant être rendu étanche, le diamètre intérieur de chaque pièce polaire (16,18) étant disposé à, proximité de la surface de l'axe (26) devant 9tre rendu étanche, sans être mis en contact avec elle, afin de former entre eux un espace radial (20) compris entre 0,0508 et 0,254mm, chaque pièce polaire (16,18) étant de même largeur à ladite extrémité et présentant une configuration en L en section transversale avec une partie saillante (28, 30) à ladite extrémité, ces parties saillantes étant disposées en regard à une certaine distance l'une de l'autre pour former entre elles une zone (34) située entre les étages, du ferrofluide étant disposé et retenu dans l'espace radial (20) et dans la zone (34), située entre les étages, pour former un seul joint torique magnétique autour de l'axe, obtenant ainsi un dispositif d'étanchéité

de longue durée.

9. Procédé permettant de prolonger la durée de vie utile d'un dispositif d'étanchéité à ferrofluide pour arbre tournant, qui, en vue de rendre étanche un arbre tournant, consiste: a) à entourer l'arbre tournant (26) d'un aimant permanent annulaire (14) comprenant une première et une seconde extrémités et des poles de polarités opposées à chaque extrémité: b) à entourer l'arbre tournant (26) d'une première et d'une seconde pièces polaires magnétiquement perméables (16,18) en relation par flux magnétique avec la première et la seconde extrémités de l'aimant permanent (14), chaque pièce polaire comprenant une première extrémité et une seconde extrémité; c) à disposer le diamètre intérieur de chaque pièce polaire (16,18) à proximité de la surface de l'arbre tournant (26), sans les mettre en contact avec elle, pour former entre eux des premier et second espaces (20, 34) de largeur déterminée; et d) à retenir magnétiquement,'dans les premier et second espaces (20,34), un ferrofluide (24) pour former au moins deux joints toriques

liquides sur la surface de l'arbre tournant (26) afin de rendre celui-

ci étanche, caractérisé en ce qu'il consiste en outre: à réaliser un seul joint torique à ferrofluide en prévoyant des parties saillantes (28,30) sur la première extrémité de chaque pièce polaire, ces parties saillantes s'étendant l'une vers l'autre pour ménager entre elles une zone (34) située entresles étages, le ferrofluide étant retenu en position d'étanchéité sous forme d'un seul joint torique dans les espaces et dans la

zone située entre les étages pour obtenir un joint étanche de longue durée.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le ferrofluide présente une viscosité comprise entre 50 cps et 500 cps et une

saturation magnétique comprise entre 100 et 450 gauss.

11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend l'utilisation, comme arbre tournant,d'un axe d'entratnement de disques d'ordinateur.

12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la

zone située entre les étages est comprise entre 0,254 et 0,762mm.

13. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il

consiste à prévoir des pièces polaires de m9me largeur.