FR2712657A1 - Couple de disques pour robinet lubrifié. - Google Patents

Abstract

Une paire de disques céramiques pour robinet mitigeur ou mélangeur, comporte un premier disque traversé par au moins une ouverture et comportant une première surface portante, et un deuxième disque en mouvement relatif vis à vis du premier disque et comportant un évidement traversant ou non et une seconde surface portante affrontée à la première surface portante et adaptée à glisser sur celle-ci, caractérisée en ce que: - chacun des disques comporte au moins 90 % d'alumine, - entre les surfaces portantes est disposé un film d'une huile essentiellement formée d'acides gras à longues chaînes avec C >= 12 dans un éventuel solvant organique, en majorité combinés sous forme de glycérides.

Description

L'invention concerne un couple de disques céramiques destiné à être intégré à un robinet tel que robinet mitigeur ou mélangeur.

Ainsi qu'on le sait, un robinet à disques céramiques comporte, à l'intérieur d'un corps, deux disques affrontés l'un contre l'autre, dont l'un est fixe et l'autre est mobile, au moins en rotation, sous l'action d'un élément de manoeuvre.

Dans le cas d'un robinet dit "mélangeur" ("Two handle faucet" en anglais), le disque fixe comporte une ou plusieurs ouvertures communiquant avec une canalisation d'alimentation et le disque mobile, qui reste concentrique au disque fixe, comporte d'autres ouvertures qui, selon la position angulaire des disques, viennent en regard en tout ou partie (robinet plus ou moins ouvert) ou non (robinet fermé), des ouvertures du disque fixe, en sorte de contrôler un éventuel écoulement d'eau au travers de la paire de disques.

Dans le cas d'un robinet dit "mitigeur" ("Single handle faucet" en anglais) le disque fixe comporte trois ouvertures respectivement connectées à deux canalisations d'alimentation (eau chaude et eau froide, en pratique) et à une voie de sortie. Le disque mobile est plus petit que le disque fixe et se déplace non seulement en rotation mais aussi en translation ; il comporte un évidement, généralement non traversant, qui, selon la position relative du disque mobile vis à vis du disque fixe, met la voie de sortie en communication (ou non) avec tout ou partie de l'une et/ou l'autre des ouvertures d'alimentation.

Les surfaces des disques qui sont affrontées l'une à l'autre sont de très faible rugosité (typiquement inférieure à 0,3 pm Ra) en sorte d'assurer à la fois une bonne étanchéité et un glissement relatif aisé des disques.

De manière classique on rajoute de la graisse entre les disques.

Si l'on ajoute de la graisse, le fonctionnement du système est satisfaisant dans un premier temps, le couple de manoeuvre se stabilisant rapidement à un niveau bas.

Cependant avec l'usure due à un grand nombre de manoeuvres, le couple remonte rapidement vers des valeurs élevées (2m.daN pour un mitigeur, ce qui correspond à un coefficient de frottement f > 0,5) qui peuvent rendre le robinet totalement inutilisable. Si l'on supprime la graisse, on observe un pic de frottement lors des 1000 premiers cycles qui peut atteindre des valeurs élevées (f > 0,4), le couple revenant ensuite pendant plusieurs dizaines de milliers de cycles à des valeurs faibles (f < 0,1) pour remonter lentement ensuite (f après 200.000 cycles : environ 0,4).

Diverses tentatives ont déjà été effectuées pour minimiser le pic de départ, repousser le plus loin possible la remontée après le palier bas et/ou minimiser les valeurs après cette remontée ; on peut se référer notamment au document US-4.420.142 qui enseigne de choisir de 3 à 25 % d'oxyde de zirconium ou d'hafnium dans des structures cristallines particulières et avec des caractéristiques particulières d'état de surface, ou encore US-5.032.215 qui porte plus précisément sur un état de surface particulier, ou encore sur le document EP-0.521.782 qui porte sur une géométrie particulière des surfaces en contact des disques.

L'invention a pour objet un couple de disques céramiques conduisant à un couple de manoeuvre aussi constant au cours du temps et aussi faible que possible (couple typiquement inférieur à 1 m.daN pour un mitigeur avec des diamètres de l'ordre de 30 mm, sous une pression d'appui de l'ordre de 6 bars ce qui correspond à un coefficient de frottement f < 0,2) pendant la durée normale de service (estimée à environ 200.000 cycles) pour un coût modéré (notamment en ce qui concerne les matériaux constitutifs des disques.

Elle enseigne pour ce faire un lubrifiant particulier, facilement éliminable, combiné à un couple d'alumines (il s'agit d'une famille de céramiques à coût modéré).

L'invention propose ainsi une paire de disques céramiques pour robinet mitigeur ou mélangeur, comportant un premier disque traversé par au moins une ouverture et comportant une première surface portante, et un deuxième disque en mouvement relatif vis à vis du premier disque et comportant un évidement traversant ou non et une seconde surface portante affrontée à la première surface portante et adaptée à glisser sur celle-ci, caractérisée en ce que
- chacun des disques comporte au moins 90 % d'alumine,
- entre les surfaces portantes est disposé un film d'une huile essentiellement formée d'acides gras à longues chaînes avec C > 12 dans un éventuel solvant organique, en majorité combinés sous forme de glycérides.

En fait l'usage de lubrifiants est connu depuis longtemps sous forme de graisses diverses. De manière très générale, surtout avec des disques d'alumine, on utilisait des graisses silicones choisies comme étant peu solubles dans l'eau à chaud (jusqu'à T = 800C), de viscosité importante (ce ne sont pas des liquides), et inertes chimiquement vis à vis de l'eau ; comme en outre les graisses choisies sont alimentaires, elles sont acceptables sans problème par l'organisme humain. Toutefois, s'il est vrai qu'elles s'éliminent peu au cours du temps, les graisses silicones se dégradent sous l'effet du frottement, de la chaleur et du temps ; elles se décomposent pour former des gels de silice qui augmentent les efforts de frottement et dégradent les surfaces des disques (il faut se rappeler que les gels de silice sont des pâtes à roder) ; ces gels finissent par constituer une sorte de ciment qui bloque les disques.

Cela explique que l'on essaye de se passer de graisses, mais alors on observe de nets pics au départ (au moment du rodage des surfaces de contact) qui peuvent paraître inacceptables. D'autre part, l'absence de graisse n'est envisageable qu'avec des matériaux très particuliers, de coût généralement très élevé. On peut citer à ce propos le couple SiC/al2O3 qui donne de bons résultats mais pour un coût élevé (le carbure de silicium coûte de l'ordre de deux fois plus que l'alumine). Enfin, le couple de frottement reste très souvent supérieur à celui susceptible d'être obtenu avec de la graisse.

Le choix du lubrifiant proposé par l'invention pouvait paraître d'autant plus surprenant que, par exemple, la glycérine se révélait n'avoir aucun effet bénéfique.

D'autre part, l'homme de métier aurait exclu a priori ce choix car un tel lubrifiant était connu comme n'étant pas assez visqueux (c'est un liquide), comme étant légèrement soluble dans l'eau et pas complètement inerte vis à vis de 1' eau.

De manière préférée, l'huile servant de lubrifiant est un triglycéride d'acide gras dont les acides gras comportent avantageusement plus de 70 % d'acides oléiques (acide insaturé à chaîne de carbone C18) les autres acides ayant leurs chaînes comprises entre C12 et C20).

L'éventuel solvant contenant les glycérides peut être notamment du pétrole ou un solvant organique volatile tel que de l'acétone.

De manière avantageuse, le lubrifiant est une huile végétale ou animale de type alimentaire. De manière préférée il s'agit d'huile d'olive, de colza ou de castoréum, mais il peut aussi s'agir d'huile de maïs, de tournesol, de pépin de raisin, de palme ou de coprah.

De manière préférée, les disques contiennent soit de l'alumine à plus de 90 % et des additifs de frittage à base de silicates ou à base de titane (de préférence titane + manganèse), soit de l'alumine à plus de 99 %. Les disques sont avantageusement en des matériaux différents, par exemple (alumine + silicates) et (alumine + additifs à base de titane (de préférence manganèse)).

Les surfaces en contact ont de préférence les caractéristiques suivantes
- rugosité : < 0,2 um.Ra
- planéité : < 2 franges d'interférence de la
raie D du sodium.

D'autre part les disques sont de préférence affrontés par une surface de contact (ou surface portante) de forme massive ou pleine ménagée sur l'un des disques et par une surface de contact formée de bandes étroites (mais suffisamment larges pour entourer de manière étanche la (ou les) ouverture(s) de l'autre disque) ménagée sur cet autre disque (de préférence le disque fixe), comme cela est par exemple décrit dans le document EP-0.521.782 précité.

Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue de dessus d'un disque de mitigeur à surface portante massive,
- la figure 2A est une vue de dessus d'un disque fixe de mitigeur à surface portante en bandes, adapté à coopérer avec le disque de la figure 1,
- la figure 2B est une vue de dessus d'un disque analogue à celui de la figure 2A, mais à surface portante massive,
- la figure 3 est un graphique montrant les évolutions, en fonction du nombre de cycles, des couples de manoeuvre plus plusieurs paires de disques de mitigeur,
- la figure 4 est une vue de dessus d'un disque fixe de mélangeur conforme à l'invention,
- la figure 5 en est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 4,
- la figure 6 en est une vue de dessous,
- la figure 7 est une vue de dessous d'un disque mobile adapté à coopérer avec le disque des figures 4 à 6,
- la figure 8 en est une vue en coupe selon la ligne VIII-VIII de la figure 7,
- la figure 9 en est une vue de dessus, et
- la figure 10 en est une vue en coupe selon la ligne X-X de la figure 9.

Les figures 1 et 2A représentent les deux disques 10 et 20 d'un robinet mitigeur de géométrie conforme aux enseignements du document EP-0.521.782.

Le disque 10 de la figure 1 a une forme globalement circulaire avec toutefois des méplats 11 destinés à leur positionnement. Ce disque est muni, sur une partie seulement de son épaisseur, d'un évidement oblong 12 destiné à venir en regard de l'autre disque.

Cet autre disque 20 comporte trois lumières 21, 22 et 23 qui le traversent sur toute son épaisseur. Deux de ces lumières (ici les lumières 21 et 22) sont destinées à être mises en communication avec deux lignes d'arrivée (par exemple eau froide et eau chaude) tandis que la troisième lumière (ici la lumière 23) est destinée à être mise en communication avec une ligne de sortie.

Les figures 1 et 2A montrent les faces par lesquelles les disques 10 et 20 sont destinés à être affrontés.

Le disque 10 comporte ainsi une surface portante 13 massive tandis que le fond 14 de l'évidement 12 est sensiblement en retrait.

Par contre, le disque 20 présente une surface portante d'aire bien plus faible (zone hachurée de la figure 2A), constituée de bandes étroites ou liserés d'épaisseur typiquement de l'ordre de quelques millimètres) isolant de façon étanche chacune des lumières vis à vis des autres. Dans l'exemple considéré, conformément au document EP-0.521.782, il y a un liseré principal 24 entourant l'ensemble des lumières et des liserés 25, 26 et 27 autour de chaque lumière, respectivement.

Ces liserés sont longés par une zone en dépression, ici unique et repérée 28, de faible profondeur (typiquement de l'ordre de 0,5 à 1 mm) et adaptée à former une réserve d'eau très plate.

Des languettes 29 s'étendent radialement à partir du liseré principal pour assurer une portance à l'extérieur de celui-ci.

Ces liserés et languettes ont typiquement une largeur de 1,5 à 3 mm.

La figure 2B représente un disque 20' similaire à celui de la figure 2A, à ceci près que sa surface portante est une surface massive, pleine et continue 28', entre sa périphérie et les lumières 21', 22', 23'.

En fait les lumières ne sont pas de section constante et sont au contraire évasées vers le plan des figures 2A et 2B, avec des surfaces inclinées 21A, 22A et 23A à la figure 2A et 21A', 22A' et 23A' à la figure 2B.

Chacun des disques 10 et 20 (ou 20') comporte au moins 90 % d'alumine. En outre, selon l'invention, on dispose entre les surfaces portantes de ces disques un film d'une huile essentiellement formée d'acides gras à longues chaînes avec C s 12 dans un éventuel solvant, en majorité combinés sous forme de glycérides.

De manière préférée, l'huile est formée de triglycérides d'acides gras dont les acides gras comportent plus de 70 % d'acides oléiques, les autres acides gras ayant leurs chaînes comprises entre C12 et C20.

Cette huile peut être végétale ou animale ; elle est alimentaire lorsque les disques sont destinés à un robinet de canalisation d'eau potable.

Il peut s'agir notamment d'huile d'olive, de colza ou de castoréum, ou encore d'huile de maïs, de tournesol, de pépin de raison, de palme, de coprah ...

Les disques dont il a été précisé qu'ils contiennent au moins 90 % d'alumine, peuvent être dans des matériaux identiques.

L'invention recommande toutefois que les matériaux constitutifs des deux disques soient différents, en sorte que l'un des matériaux a une meilleure résistance à l'usure tandis que l'autre matériau a un coefficient de frottement à sec plus bas, ces avantages se combinant au sein du couple de matériaux.

En effet, une telle combinaison a l'avantage de conduire à une faible usure (c'est-à-dire conduisant à une faible émission de débris) ainsi qu'à un bas coefficient de frottement.

Le coefficient de frottement à sec est une propriété intrinsèque au matériau ; il est indépendant de la géométrie et ne fait pas intervenir de lubrifiant (sauf l'éventuelle humidité de l'atmosphère ambiante). Il est déterminé de façon classique en faisant frotter, à sec, deux disques constitués du matériau considéré, et en divisant le couple de manoeuvre ainsi mesuré par un rayon effectif, caractérisant la géométrie des surfaces portantes des disques contact ; à titre d'exemple, ce rayon effectif vaut 2R/3 pour un couple de deux disques pleins de rayon R.

A titre d'ordre de grandeur, on peut par exemple qualifier la différence de matériaux en disant qu'il y a une différence de coefficient de frottement à sec d'au moins 10 à 20 % entre les deux alumines.

A titre d'exemple, on choisit d'associer une alumine contenant de la silice et des alcalino-terreux (Ca,
Mg) sous forme d'une phase vitreuse (coefficient f de frottement à sec de l'ordre de 0,77) à une alumine contenant de l'oxyde de titane (plus de 0,5 % en masse) de préférence du titane et du manganèse (f = 0,55). Des disques de géomé trie standardisée VAMAS (Versailles Project ou Advanced
Materials And Standards), avec un diamètre interne de 11 mm et un diamètre extérieur de 50 mm, réalisés dans le couple de matériaux précité, a conduit à une perte relative de masse de moins de 100.10-4 sur un essai de 9.000 cycles ; à la fin de l'essai le coefficient de frottement était inférieur à 0,6.

Plus généralement, il est apparu avantageux de choisir les matériaux constitutifs des disques dans les groupes suivants - alumines pures ou alumines contenant des silicates de calcium et/ou de magnésium, - alumine contenant du titane ainsi qu'un autre élément métallique, notamment du manganèse ou, le cas échéant, Ca,
Cu, Mg, La....

La figure 3 représente plusieurs courbes montrant, pour divers matériaux, diverses géométries et divers régimes de lubrification, l'évolution du coefficient de frottement (valeurs entre parenthèses) et du couple de manoeuvre (ces deux grandeurs sont dans un rapport 20).

Les essais ont été conduits avec des disques de géométrie conforme au disque 10 et au disque 20 ou 20', avec une pression d'appui de 40 daN et un débattement en rotation de 700, avec de l'eau chaude à 550C. La planéité des disques était inférieure à deux franges d'interférence du sodium.

Deux matériaux ont été considérés - un matériau noté A qui a la composition suivante
Alumine 96 %
. SiO2 2 %
Mgo 1 %
Autres 1 % - un matériau noté B qui a la composition suivante (en poids)
Alumine 94 %
. MnO 3 %
TiO2 3 %
La rugosité Ra était de 0,15 pm sur A et de 0,25 ire sur B.

Lorsqu'il y avait un lubrifiant, c'était soit de l'huile d'olive du commerce, soit une graisse silicone alimentaire classique.

La courbe 1 correspond à un couple A/A (c'est un produit classique) avec une géométrie pleine (figure 2B) et une lubrification par graisse. Le couple de disque fonctionne bien au début, puis quand la graisse s'élimine (ce qui est figuré au bout de 100.000 cycles ici, mais dépend en fait des conditions de fonctionnement), il devient très dur et le frottement atteint un niveau rédhibitoire.

Le même genre de courbe a été obtenu en prenant soit un couple B/A, soit la géométrie à liseré, mais avec une lubrification classique par graisse.

La courbe 2 correspond au même couple A/A, sans graisse, avec la géométrie à liserés (figure 2A). Le couple est plus constant et ne monte pas vers des valeurs trop élevées, mais il y a un pic important au démarrage et on reste toujours proche de la limite pour le couple de blocage (2mN).

La courbe 3 correspond au couple de matériaux
B/A, sans graisse, avec la géométrie à liserés (figure 2A).

Le fait que ce soit l'un ou l'autre des disques qui soit en
A ou en B s'est révélé indifférent. La différence de matériau semble conduire à une diminution du pic de démarrage cependant, après 100.000 cycles, le couple devient identique au cas de la figure 2.

La courbe 4 correspond au couple de matériaux
B/A, avec des surfaces portantes pleines (figure 2B) et sans graisse. On obtient de moins bons résultats que selon la courbe 3. En effet, il y a un couple de démarrage important (non visible à cette échelle - 1,2mN) bien que légèrement inférieur au cas de la courbe 3, puis le couple chute de manière importante pour remonter ensuite progressivement à des valeurs supérieures au cas de cette courbe 3.

La courbe 5 correspond au couple de matériaux
B/A, avec la géométrie à liserés, avec lubrification par huile d'olive.

Il n'y a plus de pic de démarrage. Le début est très doux. L'augmentation progressive du couple nous amène à des valeurs modérées ( < 1,5mN).

C'est de loin le meilleur résultat. Par ailleurs, on a arrêté un essai, nettoyé les glaces à l'acétone puis redémarré pour 50.000 cycles. Le couple s'est établi à la valeur du plateau observé précédemment soit 1,0 < C < 1,SmdaN. Le système est donc stable vis à vis de l'élimination de l'huile d'olive, contrairement au cas de la solution actuelle, qui n'est pas stable vis à vis de l'élimination de la graisse.

Il ressort de la comparaison de ces courbes que - la présence de l'huile d'olive se révèle meilleure qu'une absence de lubrification ou qu'une lubrification par graisse, - le choix d'une géométrie à liserés pour l'une des surfaces portantes conduit à une bonne stabilisation de la courbe (moindres fluctuations) ; à cela se rajoute l'avantage que la géométrie à liserés conduit à une moindre surface à polir, - le choix de deux alumines différentes conduit à une courbe à la fois plus basse et plus stable.

D'aussi bons résultats ont été obtenus notamment avec de l'huile de castoréum.

Les figures 4 à 10 représentent un couple de disques conforme à l'invention.

L'un 50 des disques comporte une lumière 51 entourée par un liseré 52 fermé sur lui-même. Un second liseré 53 est prévu à distance du premier pour bien répartir la portance sur l'ensemble du disque. Entre ces liserés est ménagée une dépression 54, ici débouchant radialement entre ces liserés. La faible profondeur de cet évidement permet toutefois l'obtention d'une réserve d'eau en film.

L'autre disque, 60, est plein sauf sur un secteur 61 adapté à contrôler, par sa superposition (ou non) avec la lumière 51, le débit d'écoulement au travers de la paires de disques. Ce disque a une surface portante 52 pleine.

Une telle géométrie est avantageusement combinée à une lubrification par huile d'olive et au choix d'un couple de matériaux différents (par exemple B/A).

En fait, il apparaît que la géométrie à liserés a avantageusement les particularités suivantes - cordons portants minces mais suffisamment larges pour être étanches (typiquement 2 mm), - réserve d'eau fermée ou non, - découplage étanchéité globale (anneau extérieur)/étanchéité locale (anneau autour des orifices), dans le cas d'un robinet mitigeur, - surface portante substantiellement inférieure au cas d'un disque plein (rapport conseillé environ 1/2), - existence d'une surface portante proche de l'axe de rotation.

Il va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Paire de disques céramiques pour robinet mitigeur ou mélangeur, comportant un premier disque (20, 20') traversé par au moins une ouverture (21-23 ; 21'-23') et comportant une première surface portante (24-27 ; 28'), et un deuxième disque (10) en mouvement relatif vis à vis du premier disque et comportant un évidement (12) traversant ou non et une seconde surface portante (13) affrontée à la première surface portante et adaptée à glisser sur celle-ci, caractérisée en ce que

- chacun des disques comporte au moins 90 % d'alumine,

- entre les surfaces portantes est disposé un film d'une huile essentiellement formée d'acides gras à longues chaînes avec C 2 12 dans un éventuel solvant organique, en majorité combinés sous forme de glycérides.

2. Paire de disques selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'huile est formée de triglycérides d'acides gras dont les acides gras comportent plus de 70 % d'acides oléiques, les autres acides gras ayant leurs chaînes comprises entre C12 et C20.

3. Paire de disques selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'huile est végétale ou animale, choisie dans le groupe formé des huiles d'olive, de maïs, de colza, de castoréum, de tournesol, de pépin de raisin, de palme ou de coprah.

4. Paire de disques selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'huile est choisie dans le groupe formé des huiles d'olive, de castoréum, de colza ou de coprah.

5. Paire de disques selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'huile est de l'huile d'olive.

6. Paire de disques selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que

- le matériau, constitutif d'un disque est choisi dans le groupe d'alumines constitué d'alumines pures, et d'alumines contenant des silicates d'alcalino-terreux.

- le matériau constitutif de l'autre disque est choisi dans le groupe des alumines contenant au moins du titane et du manganèse.

7. Paire de disques selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'un des matériaux contient 96 % d'alumine, 2 % de silice et 1 % MgO, et l'autre matériau contient 94 % d'alumine, 3 % MnO et 3 % TiO2.

8. Paire de disques selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les disques fixe et mobile sont en des alumines différentes.

9. Paire de disques selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les disques (10, 20') sont affrontés par deux surfaces portantes (13, 28') pleines et continues.

10. Paire de disques selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les disques (10, 20 ; 50, 60) sont affrontés par deux surfaces portantes dont l'une est pleine (13, 62) et l'autre est formée de liserés, avec au moins un liseré autour de chaque lumière traversant ce dit autre disque.