Brevet FR2315044A1 — publié le 19770114

L'invention concerne un joint destiné à assurer ltétanchéité aux fluides pour des pressions pouvant atteindre de 3500 à 7000 bars. La présence d'un joint pour haute pression dans un appareil tel qu'un multiplicateur de pression soulève un certain nombre de problèmes. Par exemple, un piston qui exécute un mouvement alternatif dans la chambre à haute pression d'un tel appareil tend à entre comprimé légèrement sur sa face soumise à la pression, alors que le bati de l'appareil tend à subir une certaine expansion. Par conséquent, bien que les tolérances de fabrication soient très étroites, l'espace compris entre le piston et le bati varie légèrement (par exemple de l'ordre de quelques centièmes de millimètres) entre ltétat à haute pression et ltétat à basse pression.Par conséquent, les éléments du joint doivent entre disposés de manière à compenser ces variations sans permettre à la matière formant le joint entre refoule vers le cSté à basse pression. Ce problème se complique lorsque le joint doit entre également utilisé à des pressions relativement faibles, car il est alors nécessaire qu'au moins une certaine partie de ce joint soit réalisée dans une matière de limite élastiquevinferieure à celle de la partie du joint destinée à résister aux hautes pressions. Par conséquent, cette partie dont la limite d'élasticité est faible et qui convient à un joint pour basses pressions, peut entre aisément refoulée dans le cas de pressions élevées.Un autre problème associé à ces joints pour haute pression est que les pressions aux interfaces sont élevées et tendent à provoquer une usure excessive des faces de glissement du joint. Il est également très souhaitable de réduire au maximum les dimensions globales du joint et, notamment, les dimensions radiales. Dans un multiplicateur de pressions élevées, le joint est généralement logé dans une gorge réalisée dans un bSti pour haute pression. Si les dimensions du joint sont sensiblement supérieures à celles minimales souhaitées, la cavité réelle présentée par le bai augmente de manière correspondante. Lorsque lton considère que chaque augmentation du diamètre de la cavité pour haute pression implique une augmentation corres pondante de l'épaisseur des parois du bati pour permettre à ce dernier de supporter les importantes forces de tension dues à l'augmentation de la surface sur laquelle la pression s'exerce dans la cavité, et que cette augmentation de diamètre implique également une augmentation de la dimension circonférentielle du bats, il apparatt clairement que le maintien des dimensions du joint à une valeur minimale souhaitée peut entratner une diminution importante des dimensions hors tout et du poids de l'appareil.Par exemple,lorsque le diamètre de la cavité est doublé, le poids du bati doit entre multiplié par quatre.De plus, il est souhaitable que le joint soit conçu de manière à ne pas nécessiter des tolérances de fabrication extremement étroites pour ses pièces et pour celles de l'appareil dans lequel il doit titre monté. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique m0 2 905 489, N0 3 003 797, 'NO 3 071 389, N0 3 210 087, N0 3 300 225, N0 3351 350, NO 3 469 853, NO 3 521 893, NO 3606356 et NO 3 718 338 décrivent des joints de ce type. Le joint selon l'invention est destiné à réaliser une étanchéité pour haute pression à une interface comprise entre des premier et second éléments mobiles l'un par rapport à l'autre, par exemple un piston et un bats. Le joint selon l'invention présente une face avant destinée à entre soumise à une haute pression, et une face arrière destinée à etre soumise à une basse pression.Il comprend une première bague arrière sensiblement rigide de support, fixée au second élément, une deuxième bague d'étanchéité, de limite élastique relativement élevée et située en avant de la bague de support, une troisième bague d'étanchéité, de limite d'élasticité relativement faible et située en avant de la deuxième bague, et une bague compressible de charge, logée dans un évidement de la troisième bague et destinée à exercer une certaine pression d'étanchéité sur cette dernière. Dans une forme avantageuse de réalisation selon l'invention, la bague de support est placée entre deux tronçons du second élément destinés à être reliés l'un à l'autre, de manière qu'au cours de l'assemblage initial, lorsque les deux tronçons sont espacés l'un de l'autre, la position latérale de cette bague puisse titre réglée en fonction de tout défaut d'alignement entre les éléments. Il est ainsi possible d'obtenir un emboftement étroit entre l'ouverture centrale de la bague de support et le premier élément (ctest-à-dire le piston) sans qui soit nécessaire d'aligner avec précision la circonférence de la bague de support sur les autres éléments.Une bague anti-fluage entoure la deuxième bague et empoche toute extrusion entre cette dernière et la bague de support. L'évidement présenté par la troisième bague et destiné à loger la bague de charge est avantageusement réalisé dans le bord avant extérieur de la troisième bague, de manière que la bague compressible de charge porte sur le second élément et fasse entrer en contact étanche avec force la partie avant de la troisième bague et le premier élément, de manière à assurer une étanchéité convenable aux basses pressions. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure 1 est une coupe axiale partielle d'un multiplicateur de pressions comportant le joint selon l'invention et la figure 2 est une coupe axiale partielle du joint selon l'invention. Le joint selon ltinvention convient notamment à un multiplicateur de hautes pressions, tel que celui représenté sur la figure 1. Ce multiplicateur 10 comprend un bati principal 12 constitué d'un cylindre principal 14 et de deux autres cylindres opposés, dont l'un est représenté en 16 et vissé én 18 dans une extrémité du cylindre principal 14. Un ensemble 20 à pistons exécute un mouvement alternatif dans le bAati 12. Il comprend un piston central 22 de grand diamètre et de travail, monté dans le cylindre principal 14, et des pistons droit 24 et gauche 26 pour hautes pressions, dépassant de part et d'autre du pistoncentral 22. Ce dernier divise le cylindre principal 14 en chambres droite 28 et gauche 30 de travail. Le piston droit 24 exécute un mouvement alternatif dans une chambre droite 32 à haute pression, délimitée par le cylindre droit 16, alors que le piston gauche 26 exécute un mouvement alternatif dans une chambre gauche correspondante à haute pression (non représentée pour plus de clarté). Le joint 34 selon l'invention est placé à l'interface entre le piston droit 24 et le bati 12, dans la forme de réalisation décrite, de manière à assurer l'étanchéité entre la chambre 32'à haute pression et la chambre 28 de travail. Le terme "avant" utilisé dans la description du joint 34 désigne le cEté orienté vers la chambre 32, alors que le terme "arrière" désigne le ceté orienté vers la chambre 28. L'axe longitudinal du joint 34 est considéré comme coïncidant avec l'axe longitudi nal et la direction du mouvement du piston 24 à haute pression, alors que l'axe transversal de ce meme joint est considéré comme appartenant à un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du piston 24. Les éléments principaux du joint 34 comprennent une bague arrière 36 de support, une bague 38 d'étanchéité, de limite élastique relativement élevée et située en avant de la bague 36 et à proximité immédiate de cette dernière, une bague 40 d'étanchéité, de limite d'élasticité relativement faible, située en avant de la bague 38,et contre celle-ci, une bague avant 42 le se- tenue, une bague torique et compressible 44 et une bague antifluage 46 entourant la bague g8. La bague 36 de support, sensiblement rigide, est destinée à retenir le joint 34 contre la force exercée par le fluide dans la chambre 32 à haute pression. La bague 36 est avantageusement réalisée en métal ne tendant pas à s'user par frottement sur le piston d'acier, par exemple en alliage de cuivre et de béryllium. La partie extérieure de la bague 36 est placée entre la face transversale 48, orientée vers 11 arrière, du cylindre 16 et une face transversale et opposée 50, présentée par le bai. Par conséquent, lorsque le cylindre 16 est vissé dans le cylindre principal 14, il fixe la bague 36 de support dans le bati 12, entre les faces 48 et 50.Le diamètre intérieur de la bague 36 est très voisin ou très légèrement supérieur au dia- mètre extérieur du piston 24, dans des tolérances étroites (par exemple comprises entre 0 et 0,050 mm). Au début du montage, la bague 36 est placée sur le piston 24, puis le cylindre 16 est totalement vissé dans le bati 12, de manière à bloquer la bague 36 en place. Par conséquent, en cas d'un défaut d'ali gnement des cylindres 14 et 16 du bati par rapport au piston 24 et au trou central délimité par la face interne 52 de la bague 36, cette dernière peut être légèrement déplacée latéralement avant d'entre bloquée, de manière à éliminer ce défaut. Les figures représentent l'espace compris entre la surface interne 52 de la bague 36 et le piston 24 dans des dimensions très supérieures aux dimensions réelles, car la bague 36 entoure étroitement le piston. La face 48 du bati peut présenter une légère inclinaison radiale vers l'avant, de manière à entrer convenablement en contact avec la bague 36 à l'emplacement du joint. L'angle d'inclinaison de cette surface 48 est indiqué par la lettre "a" sur la figure 1. L'angle représenté est supé- rieur à l'angle réel qui est de l'ordre de 10. La deuxième bague ou bague 38 d'étanchéité, à limite d'élasticité relativement élevée, est réalisée dans une matière d'étanchéité dont la déformation élastique aux pressions élevées n'est que modérée et qui peut assurer une étanchéité convenable avec une surface voisine sous une pression élevée. Cette matière peut être une matière plastique à limite d'élasticité élevée, telle qu'un polycarbonate convenable, par exemple du type "Lexan". Le diamètre interne de la bague 36 est approximativement égal au diamètre extérieur du piston 24, de manière que la surface interne 54 d'appui de la bague 38 porte très étroitement sur le piston 24 ou serre légèrement ce dernier. La bague anti-fluage 46 est sensiblement rigide et réalisée en acier ou en tout autre métal convenable. Les pressions élevées régnant dans la chambre 32 tendent à provoquer certaines fuites entre la bague 36 de support et le cylindre 16. La pression élevée régnant dans la chambre 32 fait porter la bague 46 contre la bague 36 par l'intermédiaire de la bague 40, de manière à empêcher tout fluage de la bague 38 d'étanchéité dans 11 espace compris entre la bague 36 de support et la sur- face 48 du cylindre. De plus, la pression exercée par la bague 40 contre la bague 38 applique cette dernière vers l'extérieur contre la bague 46 de manière à loger étroitement celle-ci dans une zone évidée 56 de la- surface du cylindre 16. Cette zone 56 délimite une cavité qui loge les éléments 38 à 46 du joint 34. La bague 40 d'étanchéité et de faible limite élastique présente une section transversale approximativement rectangulaire ou carrée dont le bord situé radialement vers 1 'exté- rieur et vers l'avant comporte une entaille ou évidement annulaire 58 qui loge la bague torique 44. La bague 40 présente également une surface interne 60 d'étanchéité qui porte sur le piston 24,- et une surface externe 62 d'étanchéité qui porte sur la zone 56 de la surface du cylindre 16. La bague 40 est réalisée dans une matière qui, aux basses pressions, se déforme élastiquement de manière suffisante pour porter hermétiquement sur les surfaces voisines. Une matière convenant à la bague 40 est le polytétrafluoréthylène (c'est-à-dire "Teflon"), armé d'une charge de graphite ou de poudre de métal.Le terme "limite élastique" se rapporte à une aptitude de la matière à se déformer élastiquement sous l'effet' de la pression, plutôt qu'à subir des déformations permanentes. La bague torique 44 est d'un type classique et compressible en caoutchouc de limite élastique relativement faible. Elle est comprimée dans l'espace délimité par la cavité 58 de la bague 40 et par la surface 56 d'étanchéité du cylindre 16. Par conséquent, cette bague 44 applique une certaine pression vers l'intérieur sur la partie 64, située radialement vers l'intérieur et vers l'avant, de la bague 40, de manière que la zone avant de la surface 60 de cette dernière porte avec une certaine force sur le piston 24. Cette compression ou charge exercée par la bague torique 44 donne à l'interface entre la surface 60 et le piston 24 une certaine étanchéité aux basses pressions apparaissant initialement dans la chambre 32. Dans certaines appli cations, il est souhaitable que les dimensions de la bague torique 44 par rapport à celles la bague 40 soient supérieures à celles représentées. Comme mentionné précédemment, la partie 66 de la bague 40, située en arrière de la bague torique 44, est comprise entre le piston 24 et la surface 56 d'étanchéité du bati, de manière que la bague 40 résiste convenablement arrx forces très importantes développées par le piston 24 lorsqu'il exécute son mouvement alternatif sous les pressions très élevées régnant dans la chambre 32. La bague avant 42 de retenue est essentiellement destinée à maintenir les éléments 38, 40, 44 et 46 en position convenable. Elle est réalisée en métal convenable. En variante, le diamètre interne du cylindre 16 peut 8tre légèrement agrandi, de manière que ce cylindre puisse loger un manchon retenant le joint 34 en place. Lorsque le multiplicateur 10 de hautes pressions fonctionne, l'ensemble 20 à pistons se déplace vers la droite lors de chaque demi-cycle, de manière que le piston 24 à haute pression avance dans la chambre 32 et y fasse apparaître des pressions très élevées (de llordre de 3500 à 7000 bars). Au commencement de cette course de pression, pendant la fraction de seconde -au cours de laquelle la pression régnant dans la chambre 32 commence à croître, la bague torique 44, qui porte sur la partie avant 64 de la bague 40, assure l'étanchéité entre la surface 56 du bEti et la surface latérale 68 du piston 24. Lorsque la pression de la chambre 32 augmente, la pression exercée sur la face avant de la bague avant 40 d'étanchéité tend à comprimer axialement cette dernière.- Il en résulte 11 apparition d'une pression latérale des surfaces 60 et 62 contre les surfaces 56 et 68 qui forment alors un joint convenable. La compression axiale de la bague 38 provoque l'application de cette dernière radialement vers l'extérieur contre la bague 46 qui est ainsi maintenue étroitement contre la surface 56 du cylindre 16. Cette bague 46 empêche ainsi tout fluage de la matière de la bague 40 entre ladite bague 46 et le cylindre 16, et elle em pêche également tout fluage de la matière de la bague 40 entre la bague 38 et cette même bague 46. La bague 38 étant réalisée en matière à limite d'élasticité relativement élevée, elle ne subit aucun fluage vers l'espace très étroit compris entre la bague 36 de support et le piston 24. Comme mentionné précédemment, la bague 36-pouvant entre réglée latéralement pour compenser tout défaut d'alignement entre le piston 24, cette même bague 36 et les cylindres 14 et 16, il est possible de maintenir une tolérance très étroite entre la surface interne 52 de la bague 36 et le piston 24, contrairement aux autres éléments du joint. Un joint classique 70 (figure'-1) peut être monté en arrière du joint 34 selon l'invention, de manière à empêcher toute fuite du fluide de a chambre 28 de travail le long du piston 24. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au joint décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDU CAS IONS 1. Joint pour haute pression, destiné à assurer l'étanchéité à une interface entre deux éléments mobiles ltun par rapport à autre, par exemple un piston et un bàti pour hautes pressions, le premier élément présentant une première surface de glissement et d'étanchéité destinée à porter sur le joint et mobile par rapport à ce dernier, le second élément présentant une seconde surface fixe d'étanchéité destinée à porter sur le joint et immobile par rapport à ce dernier, ledit joint, qui présente un caté avant soumis à une haute pression et un c8té arrière soumis à une basse pression, étant caractérisé en ce qutil comporte une première bague arrière et sensiblement rigide de support, fixée au second élément, une deuxième bague d'étanchéité, de limite élastique relativement élevée, placée entre lesdites première et seconde surfaces, en avant de la bague de support, et appliquée étroitement sur ladite première surface, une troisième bague d'étanchéité, de limite d'élasticité relativement faible, placée entre les première et seconde surfaces, en avant de la deuxième bague, et présentant une première surface de glissement, et d'étanchéité destinée à porter sur ladite première surface du premier élément, et une seconde surface fixe d'étanchéité portant sur la seconde surface du second élément, la troisième bague présentant également un évidement annulaire dans laquelle se loge une quatrième bague compressible qui porte avec force sur au moins une partie de la troisième bague pour la faire porter latéralement sur la première surface du premier élément afin d'assurer l'étanchéité avec ce dernier lorsque le côté à haute pression du joint est soumis à une basse pression. 2. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague de support peut être réglée latéralement par rapport au second élément, de manière qu'un réglage latéral de ladite première bague de support puisse compenser tout défaut d'alignement entre les pièces du joint et les éléments tout en maintenant une tolérance étroite entre cette bague de support et le premier élément. 3. Joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second élément comprend des premier et second tronçons destinés à entre reliés l'un à l'autre pour délimiter un évidement annulaire qui loge la bague de support, les premier et second tronçons pouvant prendre une position de pré-assemblage qui permet .un réglage latéral de la bague de support, et une position d'assemblage final dans laquelle cette bague de support est fixée en position dans le joint. 4. Joint selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte également une bague anti-fluage, sensiblement rigide, située radialement à l'extérieur de la deuxième bague et destinée à empêcher cette dernière de fluer dans une zone comprise entre la bague de support et le second élément. 5. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comporte un élément avant de retenue destiné à porter sur l'extrémité avant du joint pour maintenir les pièces de ce dernier convenablement en place. 6. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évidement annulaire est réalisé dans une partie avant de la troisième bague, la bague compressible appliquant à force et de manière étanche ladite partie avant de la troisième bague contre le premier élément. 7. Joint selon la revendication 6, caractérisé tn ce que ltévidement annulaire est situé à proximité du second élément, de manière que la bague compressible prenne appui sur ce second élément pour exercer une certaine pression vers l'intérieur contre une partie de la troisième bague située vers l'intérieur et orientée radialement vers l'avant. 8. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second élément comprend des première et seconde parties destinées à s'eclencher l'une avec l'autre pour délimiter un évidement annulaire logeant ladite bague de support, ces première et seconde parties pouvant prendre une position de pré-assemblage dans laquelle il est possible de régler latéralement la bague de support, et une position d'assemblage final dans laquelle la bague de support est fixée en position dans le joint, le réglage latéral de la bague de support permettant de compenser tout défaut d'alignement entre les pièces du joint et les éléments tout en maintenant une tolérance étroite entre la bague de support et le premier élément, le joint comportant également une bague anti-fluage en matière sensiblement rigide, placée radialement à l'extérieur de la deuxième bague et destinée à empêcher cette dernière de fluer dans une zone comprise entre la bague de support et le second élément, le joint comportant également un élément avant de retenue destiné à porter sur l'extrémité avant dudit joint pour maintenir les pièces de ce dernier convenablement en place, la troisième bague présentant un bord avant, situé radialement vers l'extérieur et dans lequel ledit évidement annulaire est réalisé, de manière que la bague compressible prenne appui sur le second élément et porte avec force vers l'intérieur contre une partie de la troisième bague orientée radialement vers l'intérieur et vers l'avant.