L'invention est relative à une pompe à entraînement magnétique comprenant :
La paroi d'étanchéité est particulièrement importante quand le liquide pompé présente un caractère corrosif, ce qui est fréquemment le cas dans la chimie ou 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.
On peut classer les pompes utilisées actuellement en deux grandes catégories :
Sur la figure 1, le moteur 1 est relié à la roue centrifuge 2 par un axe 3 et 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 film liquide entre ces surfaces.
Sur la figure 2, on retrouve le moteur 11, la roue 12, le corps de pompe 15, les tuyauteries d'aspiration 16 et de refoulement 17. L'étanchéité est ici assurée par la cloison continue 18 assemblée rigidement et hermétiquement entre le corps de pompe 15 et l'entretoise 19 assurant la liaison avec la bride du moteur 11. Sur l'axe du moteur 11 est monté rigidement le rotor d'entraînement 20 dans lequel est insérée, par exemple par surmoulage, une série d'aimants 21.
Le rotor entraîné 22 solidaire de la roue 12 est équipé par une série d'aimants 23. Les 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.
Une 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 de la cloison 18 et par les jeux présents de part et d'autre de celle-ci, on voit qu'il faut chercher :
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 :
Cette disposition résout assez bien le problème, mais elle présente deux inconvénients non négligeables :
Pour aborder le second point, à savoir les jeux, le dispositif de positionnement et de guidage en rotation de la roue 12 selon la figure 2, est constitué :
La qualité et la disposition des bagues 24, 25 sont évidemment essentielles pour la tenue de la pompe, avec notamment :
L'examen de la figure 2 montre clairement les inconvénients inhérents au montage de 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 aligné), 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.
Il sera donc très difficile d'obtenir un bon encastrement de l'axe 24. Il a été proposé d'améliorer la tenue mécanique en installant un palier additionnel à l'autre extrémité de la roue, mais cette solution augmente notablement la complexité sans résoudre parfaitement le problème.
Enfin, concernant l'évacuation des calories absorbées par l'axe 24, il faut noter qu'elle doit se faire à travers la cloison 18 qui s'y prête assez mal, toujours du fait de sa minceur.
Le document FR-A-2311201 décrit une pompe à entraînement magnétique, dans laquelle la turbine est équipée d'un noyau magnétique et est entraînée par la couronne magnétique à travers une cloison étanche. La turbine rotative est supportée par un arbre fixe, lequel est guidé par une paire de roulements sur la couronne magnétique en liaison avec l'arbre moteur. La présence des roulements en plus du roulement de sortie de l'arbre moteur confère à l'ensemble un porte à faux important, et un encastrement supplémentaire. L'encombrement axial de la pompe est important, et le positionnement de l'arbre de la turbine ne permet pas d'obtenir un alignement parfait.
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 de cette fonction, et d'autre part en recherchant une évacuation efficace des calories vers un élément de refroidissement.
La pompe selon l'invention est caractérisée en ce que :
L'axe du moteur est prolongé avantageusement d'une longueur suffisante pour lui permettre de s'introduire au coeur du rotor entraîné. Il en résulte que l'axe du moteur englobe l'axe de la roue qui, de fixe, devient tournant. Ce n'est évidemment pas cette rotation qui 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 entraîné comporte une deuxième bague qui tourillonne sur une première bague solidaire de 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 tourillonnement du premier rotor entraîné vers le radiateur formé par 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 2 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.
Il faut toutefois noter que la pièce doit rester capable de supporter la pression du 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 la tenue mécanique suffisante, on peut être ramené à une solution de cloison mixte comportant une enveloppe externe mécaniquement résistante, et une enveloppe interne chimiquement compatible.
On n'est pas 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 :
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 le 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 de l'enveloppe de la cloison.
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 :
Ce mode de réalisation est illustré par la figure 3 dans laquelle on retrouve :
Un embout 42 prolonge l'arbre moteur 41, dont il peut faire partie intégrante, ou sur lequel il peut être assemblé avec rigidité et précision. En plus de sa fonction première, qui est 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 par 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 52 réalisée en matériau mécaniquement résistant, notamment en acier inoxydable. Cette virole permet d'apporter la tenue à la pression interne, dans la mesure où le 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 :
La bague 35 et le fourreau 53 peuvent être avantageusement surmoulés dans l'enveloppe de la cloison 48 lors du moulage de celle-ci.
Le centrage de la 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.
La cloison d'étanchéité est donc totalement déchargée de la fonction de centrage, et n'a 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 42.
En 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 la roue du rotor 32, l'arbre moteur 41 jouant le rôle de radiateur par l'intermédiaire de l' embout 42. Les calories traversent successivement les pièces 35, 48, 53, 54 et 54' mais tous ces transferts mettent en jeu des épaisseurs faibles et des sections importantes, ce qui conduit à un pont thermique suffisamment efficace.
En variante, on peut envisager de remplacer les douilles 54, 54' par des roulements à 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.