Brevet FR2255487A1 — publié le 19750718

La présente invention concerne les compresseurs et a plus particulièrement pour objet un pesage de compresseur à piston. L'étage de compresseur à piston réalisé d'après l'invention est d'utilisation particulièrement efficace dans les compresseurs à haute pression, aussi bien avec graissage des cylindres que sans graissage. On connaSt un étage de compresseur à piston comprenant un cylindre avec un piston sur lequel sont placés successivement, avec un certain écartement entre eux, un joint à labyrinthe et des éléments d'étanchéité. Le Joint à labyrinthe est situé sur la surface latérale du piston, devant les éléments d'étanchéité, du ctté de la face du piston constituant une paroi de la chambre de compression. Le principal inconvénient de l'étage de compresseur à piston décrit consiste en ee que la charge fluctuante due à la pression différentielle relativement élevée agissant, pendant la marche de l'étage, sur les éléments d'étanchéité provoque leur usure de façon accélérée et irrégulière, entraînant une bisse du rendement du compresseur. En outre, l'usure accélérée des éléments d'étanchéité implique leur remplacement fréquent, ce qui nécessite l'arrêt du compresseur et des immobilisations de l'équipement. On connatt aussi un étage de compresseur à piston marchant sous de hautes pressions sans graissage du cylindre. Cet étage comprend un cylindre avec la chambre de compression et un piston placé dans le cylindre. Le piston d'un tel étage comporte nne douille coaxiale fixe à congé. Sur la surface extérieure de cette douille est placée une douille d'étanchéité mobile faisant contact avec le cylindre sur une portion étroite au droit du congé. La douille d'étanchéité est en matériau auto-lubrifiant. Sous l'effet de la différence de pression, elle coulisse sur la douille fixe et se déforme en s'engageant sur son arrondi (conge) ; grtce à cette déformation la douille assure l'étanchéité du piston et de la chambre de compression dans laquelle se déroule le processus du compresseur (voir brevet N0 3 303 757 délivré aux Etats-Unis d'Amérique). toutefois, dans un étage de compresseur à piston ainsi réalisé, la douille d'étanchéité est sollicitée par une charge ondulée apparaissant dans la chambre de compression pendant le sSe de travail, ce qui provoque l'usure rapide de la douille d'étanchéité. Comme la douille d'étanchéité fait contact avec la proi du cylindre sur une portion relativement courte, son usure est encore accélérée par le dégagement de chaleur important. Le haut COefficient de frottement des matériaux auto-lubrifiants travaillant sans graissage du cylindre et le dégagement de chaleur important dans la zone de frottement limitent la durée de service d'un tel joint d'étanchéité, surtout quand la température atteint une valeur critique pour la douille d'étanchéité. L'usure de la douille d'étanchéité se traduit par la diminution de sa longueur, ce qui augmente le volume nuisible, d'où une baisse du débit assuré pqr étage de compresseur à piston. F.n outre, quand la douille d'étanchéité coulisse le long de la surface à profil courbe de la douille fixe, il apparaît des contraintes d'extension dues à l'expansion, ce qui provoque des ruptures de la douille d'étanchéité et sa mise hors d'usage. On connaSt un étage de compresseur à piston comprenant un cylindre avec un piston sur lequel sont placés successivement plusieurs garnitures d'étanchéité. Chaque garniture a la forme d'une coupelle et est serrée contre la surface du cylindre par un extenseur en caoutchouc; Dans cet étage, de même que dans les étages de compresseur à piston décrits plus haut, les garnitures d'étanchéité sont sollicitées par une charge fluctuante due à la pression du gaz dans la chambre de compression, ce qui provoque leur usure accélérée et rend impossible leur utilisation dans les compresseurs à haute pression. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués. On s'est proposé tee créer un étage de compresseur à piston dans lequel le piston serait de conception telle qu'il permettrait de prolonger la durée de service des éléments d'étanchéité et, par conséquent, la durée de service de l'étage et l'accroissement de sen rendement. La solution consiste en ce que, dans un Stage de çompresseurà piston comprenant un cylindre avec un piston sur lequel sont placés successivement un joint à labyrinthe et au moins un élément d'étanchéité, on réalise d'après l'invention, dans la portion du piston sitaée entre le joint à labyrinthe et l'élément d'étanchéité, un évidement qui forme avec la paroi du cylindre une chambre servant à la détente du gaz comprimé fuyant à travers le joint à labyrinthe, ce qui se traduit par un abaissement de la pression sur l'élément d'étanhéité. Le plus avantageux au point de vue réalisation est de réaliser l'évidement sur toute la circonférence du piston. Il est tout aussi avantageux de réaliser dans la masse du piston des canaux et de mettre ces cagaux en communication avec ledit évidement. La réalisation de tels canaux permet d'augmenter le volume de la chambre tout en n'ayant qu'un évidement de faible profondeur dans le piston, ce qui est particulièrement important pour les pistons de petit diamètre I1 est avantageux de doter l'étage de compresseur à piston d'un second joint à labyrinthe placé sur le piston devant le premier joint à labyrinthe, et de réaliser entre ces deux joints-un évidement formant avec la paroi du cylindre une chambre supplémentaire. La pose d'un second joint à labyrinthe et la réalisation d'une chambre supplémentaire permettent d'abaisser encore plus la pression sur l'élément d'étanchéité et d'augmenter sa durée de service. Il est également avantageux, au point de vue de la réalisation, de creuseras moins l'un des évidements du piston sur toute Sa circonférence. Il est avantageux aussi de réaliser dans la masse du piston des canaux mis en communication avec au moins l'un des évidements indiqués. L'étage de compresseur à piston conforme à l'invention permet, grâce à la détente du gaz comprimé dans la chambre que forment l'évidement du piston etxla paroi du cylindre, d'abaisser la pression sur les éléments d'étanchéité et d'augmenter leur durée de service. Etant donné que les éléments d'etanchéité subissent une usure moindre, les fuites de gaz s'abaissent notablement pendant la marche de l'étage de compresseur à piston ; ceci se traduit par une augmentation du rendement de l'étage et, par conséquent, du compresseur. La description d'un exemple concret de réalisation de l'invention va maintenant être fait en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un étage de compresseur à piston conforme à l'invention - la figure 2 représente la coupe faite suivant la ligne 1 j - il de la figure 1 - la figure 3 représente une portion de piston avec un joint à labyrinthe et un évidement circulaire - la figure 4 est une coupe longitudinale d'une portion de piston avec un second joint à labyrinthe - la figure 5 représente une portion de piston avec des canaux dans sa masse mis en communication avec l'évidement, demi-coupe longitudinale ; et, - la figure 6 représente lacoupe faite suivant la ligne VI-VI de la figure 5. L'étage de compresseur à piston comprend un cylindre 1 (figure i) dans lequel est placé un piston 2. Dans l'exemple décrit, le piston 2 dst composite, comprenant trois parties 3, 4, et 5. Ces parties sont assemblées entre elles par un filetage. Sur le piston 2 est placé un joint à labyrinthe 6, en une matière non-métallique auto-lubrifiante telle que par exemple une composition à base de polytétrafluoréthylène. Le joint à labyrinthe 6 est placé sur le piston 2 auprès de sa face constituant une paroi de la chambre de compression 7. Sur le piston 2, derrière le joint à labyrinthe 6 et à une certaine distance de lui, sont placés successivement des éléments d'étsnchéité 8 et 9. Chaque élément d'étanchéité 8, 9 est une garniture sans coupure, à section en L, réalisée en une composition à base de polytétrafluoréthylène. Les éléments d'étanchéité 8, 9 sont serrés contre la surface du cylindre 1 par des extenseurs élastiques 10. Le piston peut entre réalisé monobloc. Dans ce cas les éléments d'étanchéité sont réalisés avec une coupure pour leur pose sur le piston. Dans la portion du piston 2, entre le joint à labyrinthe 6 et l'élément d'étanchéité- 8, sont réalisés deux évidements tl (figures 1, 2) qui forment avec la surface du cylindre 1 (figure 1) une chambre 12 servant à la détente du gaz comprimé fuyant de la chambre de compression 7 à travers le joint à labyrinthe 6. Du fait de la détente du gaz de fuite, la pression agissant sur les éléments d'étanchéité 8 et 9 stabaisse, ce qui permet d'augmenter leur durée de service. Le volume de la chambre 12 est déterminé par les dimensions du piston 2, par ses caractéristiques de résistance et par le nombre nécessaire d'éléments d'étanchéité 8 (9) pour assurer l'étanchéité voulue de l'étage. C'est selon ces facteurs que l'on choisit le nombre et les dimensions des évidements réalisés dans le piston. La chambre 12 aura un volume maximal dans le cas où l'évidement 13 (figure 3) sera réalisé sur toute la circonférence du piston t41 sous la forme d'une gorge circulaire. Un tel évidement est le plus simple à réaliser. Pour abaisser encore plus la pression du gaz agissant sur les éléments d'étanchéité 8 et 9, on place sur le piston t5 (figure 4), devant le joint à labyrinthe 6 et à une certaine distance de lui, un second joint'à labyrinthe 16. Dans la portion du piston t5 située entre les joints à labyrinthe 6 et 16, on réalise un évidement 17 qui forme avec la paroi du cylindre 1 une chambre supplémentaire 18. Dans un étage de compresseur à piston ainsi réalisé, la pression du gaz est abaissée successivement en deux étages, aussi les éléments d'étanchéité 8 et 9 sont-ils soumis à une pression encore plus basse que dans la variante décrite précédemment avec une seule chambre et un seul joint à labyrinthe. L'étage de compresseur à piston avec deux et plus de deux joints à labyrinthe et chambres successifs est d'utilisation particulièrement avantageuse dans les compresseurs à hautes pressions, par exemple de 400 kg/cm2 et au-delà. Dans l'étage de compresseur à piston à deux ou plus de deux joints à labyrinthe successifs, les évidements peuvent être réalisés sur toute la circonférence du piston, comme montré en figure 3. Un tel piston se prête mieux à la fabrication et, en outre, le volume des chambres est accru. S'il est nécessaire d'augmenter encore plus le volume de la chambre 19 (figure 5) pour la détente du gaz comprimé de fuite tout en conservant l'encombrement fixé pour le piston, on réalise dans la masse du piston des canaux 21 et 22 dans les directions axiale et radiale respectivement, mis en communication entre eux et avec l'évidemént 23 du piston 20. Le nombre et les dimensions des canaux sont déterminés par le volume fixé pour la chambre 19. Dans le cas où pour la réalisation des canaux dans la masse du piston il faut que ces canaux débouchent du c8té de la chambre de compression, après leur uéalisation on les obture avec des tampons 24. Les canaux pour l'augmentation du volume des chambres de détente du gaz, dans le cas de joints à labyrinthe successifs, peuvent être réalisés d'une manière analogue à ceux décrit plus haut. L'étage de compresseur à piston fonctionne de la façon suivante. Quand le piston 2 (figure t) se déplace vers son point mort bas, le gaz passant à travers le clapet d'aspiration (non représenté) entre dans la chambre de compression 7 du cylindre 1. Pendant la course inverse dupiston 2, vers le point mort-haut, le clapet d'aspiration se ferme et le gaz est comprimé dans la chambre 7 jusqu'à une pression dépassant la pression en aval du clapet de refoulement (non représenté), après quoi ce clapet s'ouvre et le gaz comprimé va à l'utilisation Une partie du gaz comprimé fuit en permanence à travers le joint à labyrinthe 6 dans lequel se produit une perte dé charge. Dans la chambre 12, la pression du gaz de fuite s'abaisse encore plus par suite de sa détente.De la sorte, le gaz arrive aux éléments d'étanchéité 8 et 9 sous une pression bien plus basse que dans un étage de compresseur n'ayant qu'un joint à- labyrinthe et des éléments d'étanchéité. L'abaissement de la pression en amont des éléments d'étanchéité 8 et 9 réduit les forces de serrage de ces éléments contre la surface du cylindre 1, ce qui se traduit par une diminution des forces de frottement des éléments d'étanchéité 8 et 9 contre la surface du cylindre 1, ainsi que de l'usure des surfaces frottantes et, par conséquent, par une amélioration de l'étanchéité de l'étage du compresseur, ainsi que de son rendement. si chambre 12, de pair avec l'abaissement de la pression du gaz,-atténue les pulsations du gaz en amont des éléments d'étanchéité, et, par conséquent, contribue à un chargement plus régulier de chaque élément d'étanchéité et à leur usure plus uniforme. Ceci, à son tour, se traduit~aussi par un accroissement de la durée de service de tout l'étage. Xes autres variantes de réalisation des étages de compresseur à piston fonctionnent d'une manière analogue à celle venant d'être décrite. L'étage de compresseur à piston conforme à l'invention est d'utilisation particulièrement avantageuse dans les compresseurs à haute pression, aussi bien pour l'air que pour les gaz rares ou dangereux, exigeant une étanchéité accrue de l'étage. Des prototypes de compresseurs à piston pour le gaz carbonique et l'ogygene, réalisés d'après l'invention et ayant une pression à l'aspiration de 60 kgZem?, une pression au refoulement de 180 kg/cm2 avec une température du gaz comprimé atteignant t50 C, ont travaillé pendant plus de 2000 heures sans changement des éléments d'étanchéité et avaient une étanchéité relativement élevée et un haut rendement. Après les essais indiqués, les éléments d'étanchSité étaient en bon état et pouvaient encore être utilisés. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrites ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutés suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REYENDICADIO7NS 1. Etage de compresseur à piston du type comprenant un cylindre avec un piston sur lequel sont placés successivement un joint à labyrinthe et au moins un élément d'étanchéité, caractérisé en ce que dans la portion du piston située entre le joint à labyrinthe et l'élément d'étanchéité est réalisé un évidement qui forme avec la paroi du cylindre une chambre servant à la détente du gaz comprimé fuyant à travers le joint à labyrinthe, abaissant ainsi la pression sur l'élément d'étanchéité. 2. Etage selon la revendication 1, caractérisé én ce que l'évidement du piston est réalisé sur toute sa circonférence. 3. Etage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des canaux mis en communication avec ledit évidement sont réalisés dans la masse du piston. 4. Stage de compresseur à piston selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un second joint à labyrinthe placé sur le piston devant le premier joint à labyrinthe, et que dans la portion du piston entre ces joints est réalisé un évidement formant avec la paroi du cylindre une chambre supplémentaire. 5.~étage de compresseur à piston selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins un évidement du piston est réalisé sur toute sa circonférence. 6. Stage de compresseur à piston selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que des canaux mis en communication avec au moins l'un desdits évidements sonX réalisés dans la masse du piston.