Brevet FR2503820A1 — publié le 19821015

Piston sphérique pour compresseurs ou machines similaires La présente invention concerne un piston sphérique pour compresseurs ou machines similaires, dont la surface extérieure, réalisée sous forme sphérique, est disposée de façon à pouvoir glisser, en un mouvement de va-et-vient, dans l'alésage cylindrique d'une chambre de compression remplie d'un fluide et formée entre la face frontale du piston sphérique et une paroi de délimitation faisant face, dans le sens de l'axe, à ladite face frontale. On connaît un compresseur du type précédemment mentionné, dans le cas duquel la face frontale du piston sphérique d'une bielle est façonnée et usinée de façon à correspondre à la forme de la chambre de compression et/ou à l'importance du taux de compression spécifié pour le compresseur (brevet britannique NO 1 044 566). Selon le taux de compression demandé et la nature particulière de l'écoulement du fluide dans la chambre de compression, il faut réaliser des pistons-sphériques d'une forme spéciale. De plus, un matériau particulier doit être prévu pour le corps du piston sphérique dans chaque application, pour éviter une attaque chimique du piston par les fluides qui se trouvent dans la chambre de compression, par exemple un mélange de carburant et de gaz.Le piston sphérique du compresseur connu ne peut donc être fabriqué qu'à un petit nombre d'exemplaires, ce qui est relativement peu économique. En outre, le nombre de pistons sphériques qu'il faut tenir en stock pour le compresseur connu est important, ce qui rend donc le stockage compliaue et couteux. Enfin, lorsque l'usure provoquée par le glissement du piston sphérique dans l'alésage cylindrique en arrive à être assez forte, ce piston d'une fabrication difficile doit être remplacé par un autre entièrement neuf, ce qui est particulièrement couteux lorsqu'il est relié d'un seul tenant à une bielle. La présente invention a pour objet de mettre au moint un piston sphérique du type précédemment mentionné et desti né à des compresseurs ou autres machines similaires, qui puisse être fabriqué de façon économique en dépit du fait que les dimensions et la forme de la chambre de compression varient en fonction du domaine d'application. Le piston sphérique doit en outre pouvoir s'adapter aisément à l'agressivité chimique du fluide de la chambre de compression, et il doit enfin présenter une durée d'utilisation relativement longue. La présente invention permet de résoudre ce problème par le fait que le piston sphérique se compose d'un corps de piston, d'un segment ou anneau fermé, logé dans une cavité annulaire du corps de piston et présentant une surface extérieure sphérique, et d'un chapeau fixé sur le corps de piston et qui constitue la face frontale du piston sphérique, ledit chapeau étant en contact hermétique avec le segment, au moins sur la surface frontale de celui-ci, tournée, dans le sens de l'axe, vers la chambre de compression. L'agencement selon la présente invention permet d'éviter absolument tout contact entre le corps de piston et le fluide plus ou moins chimiquement agressif (gaz et/ou liquide) qui est en circulation dans la chambre de compression. Le corps de piston peut donc être fabriqué avec un matériau bon marché ne présentant pas une résistance particulièrement grande à l'attaque chimique (matière plastique, matériau fritté, aluminium). En exploitation, la surface extérieure sphérique du segment glisse sur la paroi de l'alésage cylindrique de la chambre de compression. Par une adaptation appropriée des totérances et des matériaux utilisés pour le segment ou l'anneau et la paroi, en conformité avec le pouvoir lubrifiant du fluide considéré, ainsi qu'avec les températures et forces de contact qui interviennent en exploitation entre le piston sphérique et la paroi de l'alésage, on peut maintenir à de très faibles valeurs l'usure provoquée par le glissement du piston sphérique sur ladite paroi, ce qui confère au compresseur, de façon correspondante, une longue durée d'utilisation. Avec cette adaptation des tolérances et des matériaux, au moment de la fabrication du compresseur ou du piston, il n'est pas nécessaire de modifier le matériau et la forme du corps de piston ni du chapeau. Par l'installation de chapeaux de différentes formes, on peut adapter le piston sphérique au taux de compression spécifié pour le compresseur, sans qu'il soit nécessaire de procéder à une modification spéciale de la construction du corps de piston. De cette mànière, on peut utiliser pour un grand nombre d'applications des corps de piston d'un seul et même modèle, qui peuvent donc faire l'objet d'une fabrication économique en grande série. Une caractéristique additionnelle de la présente invention prévoit que le segment soit maintenu, par sa surface frontale tournée vers la chambre de compression, sur le corps de piston, par une surface annulaire du chapeau, laquelle est en contact hermétique avec ladite surface frontale du segment. Grâce à ce mode de réalisation, le segment peut être inséré, dans le sens de l'axe, à partir du côté de la chambre de compression, dans la cavité annulaire du corps de piston, laquelle est, par exemple, réalisée sous forme de gradin. Par le chapeau à fixer sur le corps de piston, le segment est ensuite maintenu sur sa surface frontale tournée, dans le sens de l'axe, vers la chambre de compression. Une autre caractéristique de la présente invention propose que le chapeau présente une proéminence centrale, disposée de façon à pénétrer, avec ajustement des formes, dans une cavité axiale correspondante ménagée dans la face frontale du corps de piston, ceci afin d'assurer la fixation du chapeau. Ce mode de réalisation offre une possibilité simple pour fixer le chapeau sur le corps de piston. Une autre caractéristique de la présente invention propose, de plus, que la cavité axiale du corps de piston présente, sur sa paroi, un évidement en forme de gorge annulaire dans lequel pénètre la proéminence centrale du chapeau. Grâce à cette disposition supplémentaire on obtient, pour assujettir le chapeau sur le corps de piston, un mode de fixation qui bloque le chapeau et empêche que celui-ci ne soit retiré du corps de piston. Un autre mode de réalisation de la présente invention prévoit que le matériau du corps de piston et/ou du chapeau présente un coefficient de dilatation thermique plus grand que le matériau du segment qui est immobilisé, dans le sens radial, dans la cavité annulaire du corps de piston, ce qui a pour résultat que la dilatation thermique radiale du piston sphérique, ainsi obtenue, est au maximum égale à la dilatation thermique correspondante que subit la paroi cylindrique de la chambre de compression en exploitation. L'avantage offert par ce mode de réalisation est que le piston sphérique est adapté, en ce qui concerne ses dimens ions qui sont fonction de la température (dilatation thermique), aux dimensions de la paroi cylindrique de la chambre de compression, par un choix approprié des matériaux du segment et/ou du chapeau. En exploitation, le piston ne peut donc pas gripper ou se coincer et le segment ne peut pas non plus se détacher de sa surface d'appui sur le corps de piston.En introduisant des charges appropriées dans le matériau (matière plastique) du chapeau, dont la proéminence centrale pénètre, au-dessous de la surface d'appui du segment, dans la cavitéaxiale du corps de piston, et supporte ledit corps de piston, dans le sens radial, audessous de cette surface d'appui, on peut régler à des valeurs bien définies la dilatation thermique radiale qui intervient alors pour le diamètre efficace du piston sphérique, sans avoir à modifier la forme ni le matériau du corps de piston et du segment. Une caractéristique additionnelle de la présente invention prévoit que le corps de piston soit réalise avec un matériau de faible densité, tel que la matière plastique ou un matériau similaire. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de trois modes de réalisation du piston sphérique pour compresseurs ou machines similaires, du type précédemment mentionné, qui sont pris comme exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel les figures 1, 2 et 3 sont chacune une vue en coupe longitudinale du piston sphérique, selon différents modes de réalisation, avec la chemise de cylindre du compresseur. Sur la figure 1, la référence numérique 1 désigne la chemise de cylindre d'un compresseur 2, laquelle présente l'alésage cylindrique 3. Sur l'extrémité supérieure (sur la figure) de la chemise 1, le couvercle de fermeture 4, comportant la paroi de délimitation 5, est fixé par des vis ou des éléments équivalents (non représentés). L'espace intérieur de la chemise 1 contient le piston sphérique 6, qui se compose d'un corps de piston 7, relié d'un seul tenant à une bielle (non représenté), d'un segment ou anneau 9, réalisé en un matériau résistant à l'usure, par exemple un métal anti-friction, et logé dans une cavité annulaire 8 du corps de piston 7, et d'un chapeau 10. Le corps de piston 7 est fabriqué en un matériau de faible densité, par exemple une matière plastique renforcée de fibres de verre ou de fibres de carbone. Le chapeau 10 est réalisé avec une matière plastique élastique additionnée de charges, telles que, par exemple, du graphite, du sulfure de molybdène, et/ou des copeaux de métal, de sorte qu'il présente, en exploitation, la dilatation thermique et la conductibilité thermique souhaitées. La surface extérieure sphérique 11 du piston sphérique 6 est constituée par la surface latérale ou enveloppe du segment 9. Ce dernier est, par exemple, estampé et cintré à partir du matériau en feuillard, et est soudé pour former un anneau complet. La surface extérieure ll du segment ou de l'anneau 9 glisse sur la paroi cylindrique 3 de la chemise 1, pendant le fonctionnement du compresseur. Le chapeau 10 comporte une face frontale 12, laquelle, dans le cas considéré, est sphérique et se trouve, à peu de distance, face à la paroi de délimitation 5 du couvercle de fermeture 4, lorsque le piston sphérique 6 se trouve à son point mort haut (voir figure 1). La chambre de compression 13, qui est délimitée, radialement à l'extérieur, par l'alésage cylindrique 3 de la chemise 1, est ménagée entre la face frontale 12 du chapeau 10 et la paroi de délimitation 5 qui fait face à celle-ci dans le sens de l'axe. Lorsque le compresseur 2 fonctionne, le fluide, qui est, par exemple, un mélange de carburant et d'air, se trouve dans la chambre de compression 13. Par le mouvement axial du corps de piston 7 avec la bielle (non représentée) à laquelle il est relié d'un seul tenant, mouvement qui le mène, dans le sens de l'axe, vers la paroi de délimitation 5 du couvercle de fermeture 4, le fluide est comprimé dans la chambre de compression 13. La surface extérieure sphérique 11 du piston sphérique 6 glisse, de façon étanche, en un mouvement de va-et-vient, dans l'alésage cylindrique 3. Du fait que la surface extérieure sphérique 11 est orientable, le piston sphérique 6 peut, au cours de son mouvement de va-et-vient, prendre une position légèrement inclinée dans l'alésage cylindrique 3. Le chapeau 10 fixé sur le corps de piston 7 présente, dans sa section radialement extérieure, une surface annulaire frontale 14, qui est axialement tournée à l'opposé de la chambre de compression 13. Cette surface annulaire 14 du chapeau 10 est en contact avec la surface frontale 15 du segment 9, laquelle est tournée vers la chambre de compression 13, dans le sens de l'axe, et elle assure l'étanchéité du corps de piston 7 Par rapport à la chambre de compression 13, de façon à empêcher le fluide de la chambre de compression 13 de s'échapper vers le-corps de piston 7. Dans le cas considéré, le segment 9 est maintenu axialement sur le corps de piston 7 par la surface annulaire 14 du chapeau 10, laquelle est en contact hermétique avec ledit segment ou anneau 9, de sorte que ce dernier ne peut pas être retiré du corps de piston 7 en direction de la chambre de compression 13. Pour que le chapeau 10 puisse être fixé sur le corps de piston 7, ledit chapeau 10 présente une proéminence centrale 16, laquelle pénètre, avec ajustement des formes, dans une cavité axiale 17 correspondante ménagée dans la face frontale du corps de piston 7. Dans sa paroi, cette cavité 17 comporte un évidement en forme de gorge annulaire 18, dans lequel pénètre la proéminence centrale 16 du chapeau 10. Ledit chapeau 10 est réalisé en un matériau qui peut se comprimer élastiquement, de sorte qu'on peut le faire encliqueter en enfonçant la proéminence 16 dans la cavité 17, dans le sens de l'axe. Après encliquetage, la surface annulaire 14 est en contact hermétique avec la surface frontale 15 du segment 9. Pour changer le chapeau 10 et/ou le segment 9 lorsqu'ils sont usés, on peut à nouveau retirer le chapeau 10, en le saisissant par des outils (non représentés), avec sa proéminence 16, de la cavité 17 du corps de piston 7. Le matériau du corps de piston 7 présente un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui du matériau de segment 9, lequel est par exemple en acier. Lorsque le piston sphérique 6 s'échauffe en exploitation, le segment 9 ne peut donc pas se détacher de sa surface d'appui située au fond de la cavité annulaire 8 ménagée dans le corps de piston 7. Dans le cas considéré, la proéminence centrale 16 du chapeau 10 pénètre dans la cavité axiale 17 du corps de piston 7, de sorte que cette proéminence 16 vient se placer dans la cavité annulaire 8, sous la surface d'appui du segment 9, et provoque une expansion, dans le sens radial, de l'appendice annulaire correspondant du corps de piston 7, en le supportant en même temps. En conséquence, l'importance de la dilatation thermique radiale de la -surface d'appui du segment 9 est, pour l'essentiel, fonction de l'importance de la contrainte élastique radiale et de la dilatation thermique de la proéminence axiale 16 qui fait office de support dans le sens radial.Grâce au fait que le matériau du chapeau 10, par exemple de la matière plastique, renferme des charges appropriées, telles que, par exemple, du graphite, la dilatation thermique radiale de la surface d'appui du segment 9 peut être adaptée au domaine d'utilisation du compresseur 2 (avec des températures de fonctionnement déterminées), ce qui empêche le piston de gripper ou de se coincer en exploitation. La figure 2 représente un piston sphérique modifié, destiné au compresseur , et dont la construction est similaire à celle du piston sphérique représenté sur la figure 1. La proéminence centrale 16 du chapeau 10, lequel est réalisé en un matériau élastique, est à nouveau encliquetée dans la cavité axiale 17 du corps de piston 7. Cependant, le chapeau 10 présente une face frontale plane 19 qui, lorsque le piston sphérique 6 se trouve à son point mort haut, fait face, à peu de distance, à la paroi de délimitation 20 du couvercle de fermeture 4, laquelle est également plane. En remplaçant le chapeau 10,. avec sa face frontale sphérique 12,-qui est représenté sur la figure 1, par le chapeau 10, à face frontale plane 19, représenté sur la figure 2, on adapte le piston sphérique 6 à la forme de la paroi de délimitation 20.Par sa surface annulaire 14, le chapeau 10 est en contact hermétique avec la surface frontale 15 du segment.9, laquelle est tournée vers la champ bre de compression 13, dans le sens de l'axe, de sorte qu'aucun fluide ne peut s'échapper de la chambre de compression 13 vers le corps de piston 7. La figure 3 représente un autre piston sphérique d'un compresseur 21, dont la construction est similaire à celle des pistons sphériques 6 représentés sur les figures 1 et 2. Cependant, le chapeau 10 présente, dans ce cas, une face frontale sphérique 22 qui est concave et qui fait vis-à-vis à la paroi de délimitation 23 du couvercle de fermeture 4, laquelle est sphérique et convexe. Le bord extérieur 24 du chapeau 10 présente une surface annulaire 14 qui est en contact hermétique avec la surface frontale 15 du segment 9. Le bord 24 du chapeau 10 est réalisé de façon à être élastique en flexion, de sorte qu'un contact hermétique de la surface annulaire 14 du chapeau 10 est assuré, avec pré- contrainte élastique. REVENDICATIONS 1.- Piston sphérique pour compresseurs ou machines similaires, dont la surface extérieure, réalisée sous forme sphérique, est disposée de façon à pouvoir glisser, en un mouvement de va-et-vient, dans l'alésage cylindrique d'une chambre de compression remplie de fluide formée entre la face frontale du piston sphérique et une paroi de délimitation faisant face, dans le sens de l'axe, à ladite face frontale, caractérisé en ce que le piston sphérique (6) se compose d'un corps de piston (7), d'un segment ou anneau fermé (9), logé dans une cavité annulaire (8) du corps de piston (7) et présentant une surface extérieure sphérique (11), et d'un chapeau (10) fixé sur le corps de piston (7) et qui constitue la face frontale (12, 19, 22) du piston sphérique (6), ledit chapeau (10) étant en contact hermétique avec le segment (9), au moines sur la surface frontale (15) de celui-ci, tournée, dans le sens de l'axe, vers la -chambre de compression (13). 2.- Piston sphérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le segment (9) est maintenu, par sa surface frontale (15) tournée vers la chambre de compression (13) sur le corps de piston (7), par une surface annulaire (14) du chapeau (10), laquelle est en contact hermétique avec ladite surface frontale (15) du segment (9). 3.- Piston sphérique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le chapeau (10) présente une proéminence centrale (16), disposée de façon à pénétrer, avec ajustement des formes, dans une cavité axiale (17) correspondante ménagée dans la face frontale du corps de piston (7), ceci afin d'assurer la fixation du chapeau (10). 4.- Piston sphérique selon la revendication 3, caractrissé en ce que la cavité axiale (17) du corps de piston (7) présente, sur sa paroi extérieure, un évidement.en forme de gorge annulaire (18) dans lequel pénètre la proéminence centrale (16) du chapeau (10). 5.- Piston sphérique selon l'une quelconque des reven dications précédentes, caractérisé en ce que le matériau du corps de piston (7) et/ou du chapeau (10) présente un coefficient de dilatation thermique plus grand que le matériau du segment (9) qui est immobilisé, dans le sens radial, dans la cavité annulaire (8) du corps de piston (7), ce qui a pour résultat que la dilatation thermique radiale du piston sphérique (6), ainsi obtenue, est au maximum égale à la dilatation thermique correspondante que subit la paroi cylindrique (3) de la chambre de compression (13) en exploitation. 6.- Piston sphérique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps de piston (7) est réalisé avec un matériau de faible densité, tel que la matière plastique ou un matériau similaire.