Brevet FR2556050A1 — publié le 19850607

L'invention se rapporte à une pompe à piston pour hydrogène liquide comprenant une chambre de pompe qu'un piston mobile en translation, formant joint étanche avec la paroi intérieure de la chambre de la pompe, divise en une chambre d'aspiration et une chambre de refoulement, une conduite d'aspiration menant ala chambre d'aspiration et fermée par une soupape d'entrée et une conduite de refoulement qui part de la chambre de refoulement et est fermée par une soupape de sortie. Les pompes à piston pour hydrogène liquide sont utilisées, par exemple, pour acheminer de l'hydrogène liquide d'un réservoir à un moteur à hydrogène liquide de véhicule automobile. Dans ce cas, on observe un fonctionnement intermittent de la pompe, qui ne refoule pas pendant les temps d'arrêt du moteur. Il est connu de monter la pompe dans le réservoir d'hydrogène liquide luimême ; dans ce cas, la pompe se trouve également à la température de l'hydrogène liquide pendant les arrêts de Eonctionnement de sorte qu'il ne se pose pas de problème. D'un autre coté, le fait de placer la pompe dans le réservoir est indésirable pour différentes raisons, par exemple, parce que les travaux d'entretien sur la pompe en sont rendus plus difficiles.Si, au contraire, on dispose une telle pompe à piston à l'extérieur du réservoir d'hydrogène liquide, elle prend la température ambiante pendant les arrsts de fonctionnement et, au moment de la mise en marche, il faut la ramener à la température de l'hydrogène liquide. Il peut alors se presenter des difficultés dans certaines circonstances en raison des va rations thermiques des dimensions auxquelles les différents éléments de la pompe à piston sont soumis ; en particulier, il peut se poser des problèmes dans la région du joint étanche entre le piston et la chambre de la pompe. Le but de l'invention est de donner à une pompe à piston pour hydrogène liquide une configuration telle que,meme dans le cas de pompes présentant d'étroites tolérances dimensionnelles, il ne se pose aucun problème lors des transitions entre la température ambiante et la température de l'hydrogène liquide. Selon l'invention, ce problème est résolu dans une pompe à piston du genre décrit au début par le fait que le piston présente un passage qui relie la chambre d'aspiration à la chambre de refoulement et que, dans cepassage, se trouve un dispositif obturateur qui ferme le passage lorsque le piston se déplace vers la chambre de refoulement tandis qu'il ouvre le passage lorsque le piston se déplace dans le sens de la chambre d'aspiration. Cette conEiguration a pour résultat que l'hydrogène refoulé par la pompe traverse le piston lorsque le piston se déplace de la chambre de refoulement vers la chambre d'aspiration, de sorte que le piston est refroidi plus efficacement que, par exemple, la paroi de la chambre de la pompe avec laquelle le piston doit réaliser un joint étanche. M8me si le piston ne présente qu'une très petite tolérance par rapport à la paroi intérieure de la chambre de la pompe à la température de service, comme c'est le cas, par exemple, lorsque le joint étanche est réalisé sans bague d'étanchéité particu lièvre, on obtient pour résultat qu'au moment de la transition entre la température ambiante et la température de fonctionnement plus basse et inversement, le piston est plus fortement refroidi que la chambre de la pompe, de sorte que la contraction du piston est plus forte que la contraction de la paroi de la chambre de pompe qui l'entoure. Certes, lors du passage d'une température à- l'autre, le joint est légèrement moins efficace mais il n'y a pas de risque que le piston ne soit serré dans la paroi de la pompe. Dans cette constructio, il est parti culiérement avantageux que le piston présente une jupe appuyée contre la paroi intérieure de la chambre de la pompe, jupe qui entoure une cavité qui s'ouvre sur la chambre d'aspiration et est fermée du côté de la chambre de refoulement au moyen d'une paroi radiale, le passage se trouvant dans la paroi radiale.De cette façon, il'y a toujours un grand volume d'hydrogène à basse température à l'intérieur du piston tandis que la paroi du piston isole la chambre de la pompe de l'effet de l'hydrogène et la met ainsi à l'abri d'un refroidissement trop rapide. Dans une forme préférée de réalisation, le passage forme un siège de soupape dirigé vers la chambre d'aspiration et, 9 ce sihge,est associé un élément mobile de soupape qui peut être soulevé de ce siège en se dirigeant vers la chambre d'aspiration en surmontant la force d'un accumulateur de force élastique. Le passage peut être ouvert et fermé de la façon décrite plus haut au moyen de cet élément mobile de soupape. Dans cette construction, il est particulièrement avantageux que l'élément mobile de -soupape soit actionné par une tige de commande qui déplace le piston en translation. Sous l'effet d'un mouvement alternatif de l'élément mobile de soupape, cet élément ferme le passage lorsque le piston se déplace vers la chambre de refoulement tandis que la tige de commande soulève I1 élément mobile de la soupape de son siège pendant le mouvement inverse et ouvre alors le passage, le piston s'éloignant alors de l'élément mobile de soupape en se dirigeant vers la chambre d'aspiration sous l'action de l'åccumula- teur de Eorce élastique. Selon une construction préférée, l'élément mobile de la soupape est disposé dans la cavité et possède un diamètre extérieur qui est plus petit que le diamètre intérieur de la jupe. Par ailleurs, l'accumulateur de force élastique prend de préférence appui- d'une part sur l'élément mobile de la soupape et, d'autre part, sur le piston. Grâce à cette configuration, il est possible que l'hydrogène gazeux qui se forme dans une capacité de réserve placée en amont de la pompe traverse la totalité de la pompe lorsque la pression excède une valeur prédéterminée, l'hydrogène ouvrant alors la soupape d'entrée et la soupape de sortie et cependant qu'il repousse également le piston vers la chambre de refoulement par rapport à l'élément mobile de la soupape et que, de cette façon il ouvre le passage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels, la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une pompe à hydrogène à piston alors que le passage est fermé ; et la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 alors que le passage est ouvert. La pompe à hydrogène à piston décrite dans la suite est intercalée, par exemple, dans une conduite d'alimentation dun-véhicule automobile alimenté à l'hydrogène, dans laquelle l'hydrogène liquide est acheminé d'un réservoir cryogénique au cylindre du moteur. Sur le dessin, on a exclusivement représenté la pompe à piston intercalée dans cette conduite de transport et la description qui va suivre se limite à cette pompe à piston. La pompe à piston comprend un corps qui est es sentiellement composé d'une partie cylindrique 1, d'une partie centrale 2 également cylindrique et d'une partie de sortie 3. La partie d'entrée est fermée au droit de sa face radiale au moyen d'un fond 4 à travers lequel une conduite d'aspiration 5 pénètre en position centrale à l1in- térieur de la partie d'entrée, le bord de cette conduite qui se trouve à l'intérieur formant un siège de soupape 6. Sur la face opposée, est prévue une plaque d'appui 7 vissée dans un filetage intérieur de la parte A'rtroc., et qui ferme la cavité cylindrique 9 de la partie d'en- trée sur le côté qui est à l'opposé du fond 4.Sur la plaque d'appui 7 s'appuie, à l'intérieur d'un manchon de guidage 10 qui fait saillie vers l'intérieur, parallèlement à l'axe, un ressort hélicoïdal ll dont l'autre extrémité est appuyée contre un élément mobile de soupape 12, lequel est. guidé télescopiquement dans le manchon de guidage 6 au moyen d'un manchon 13 qui entoure le ressort hélicoidal ll et qui s'ouvre vers la plaque d'appui 7. Normalement, le ressort hélicoidal 11 pousse l'élément mobile 12 de la soupape contre le siège 6 de la soupape et ferme ainsi la conduite d'aspiration 5. La partie centrale est ouverte sur les deux côtés et elle est emmanchée par une première extrémité dans la partie d'entrée l et est assemblée à joint étanche à cette partie d'entrée, par exemple par soudage. A l'intérieur de la partie d'entrée, qui est cylindrique sur toute sa longueur, est monté coulissant dans une direction parallèle à l'axe, un piston 14 qui comprend une jupe 15 appuyée par sa paroi extdrieure contre la paroi intérieure de la partie centrale 2 ainsi qu'une paroi radiale 16 qui ferme la cavité 17 entourée par la jupe 15 sur le côté qui est à l'opposé de la partie d'entrée 1, cette cavité s'ouvrant vers ladite partie d'entrée 1. Dans la paroi radiale 16, est ménagé un passage central 18 dont le bord dirigé vers la cavité constitue un siège de soupape 19 prévu- pour un élément mobile de soupape 20 qui se trouve à l'intérieur de la cavité 17 et est engagé par un téton 21 dans un ressort spiroconique 22 dont l'extrémité opposée s'appuie contre une bague d'arrêt 23 fixée dans la paroi intérieure de la jupe 15. De cette façon, l'élément mobile 20 de la soupape est nbrmalement appliqué élastiquement contre le siège 19 de la soupape et ferai donc normalement le passage 18. Dans la direction axiale, le piston 14 ne s'6tend que sur une partie de la longueur de la partie centrale 2, de sorte que le piston 14 divise le volume intérieur de la partie centrale 2 en deux chambres partielles séparées l'une de l'autre, à savoir une chambre d'aspiration 24, qui est en communication avec la cavité 9 de la partie d'entrée par l'intermédiaire de canaux 25 ménagés dans la plaque d'appui 7, et une chambre de reroulement 26 qui se trouve sur le côté opposé du piston. La chambre d'aspiration 24 et la chambre de refoulement 26 sont en communication entre elles par le passage 18. Le piston 14 forme un joint étanche sur la paroi intérieure de la partie centrale grâce à un ajustement précis ; on peut prévoir des bagues d'étanchéité en supplément mais, normalement, on en n'utilise pas. La chambre de refoulement 26 est fermée par la partie de sortie 3 qui est vissée dans un filetage intérieur 27 de la partie centrale 2, avec interposition d'une bague d'étanchéité 28. De la chambre de refoulement 26, part un canal 29 parallèle à l'axe1 qui s 'élargit en formant un épaulement et traverse la partie de sortie 3.Ce canal 29 forme, au droit de l'élargissement en épaulement, un siège de soupape 30 coopérant avec un élément mobile de soupape 31 de forme sphérique, qui se trouve dans la partie élargie du canal 29 et est pressé contre le siège de soupape 30 au moyen d'un ressort hélicoïdal 32 qui prend appui sur une vis 33 formant bouchon étanche qui est vissée dans la partie élargie du canal 29. La partie élargie du canal 29 est reliée, par l'intermédiaire d'une conduite s'étendant transversalement dans la partie de sortie 3, à une conduite de refoulement 34 qui mènerpar par exemple, au moteur d'un véhicule automobile dune façon qui n'est pas visible sur le dessin. A travers un perçage de passage central 35, ménagé dans la partie de sortie, passe à joint étanche une tige de commande 36 dont l'extrémité libre traverse le passage 18 et est fixée à l'élément mobile 2o de la sou--- pape, par exemple par yissage. Cette tige de commande 3Q est reliée d'une façon non représentée sur le dessin à un mécanisme d'entratnement oscillant qui déplace la tige de commande 36 en mouvement alternatif dans le perçage traversant 35 Au début d'une course de travail, le piston se trouve dans sa position proche de la chambre d'aspiration, ltélément mobile de soupape 12 ferme la conduite d'aspiration, l'élément mobile de soupape 31 ferme la conduite de refoulement.Lorsque la tige de commande est déplacée vers la chambre de refoulement (vers la droite sur la figure 1), elle applique l'élément mobile de soupape 20 contre le siège de soupape 19 et ferme ainsi le passage 18. Dans la suite du déplacement, le piston est donc entraîné vers la chambre de refoulement. Il sléta- blit alors dans la chambre d'aspiration une dépression qui provoque le soulèvement de l'élément mobile de soupape 12 de son siège 6 et, par conséquent, l'ouverture de la conduite d'aspiration 5.En même temps, la pression s'élève suffisamment dans la chambre de refoulement 26 pour que l'élément mobile de soupape 31 soit soulevé de son siège 30 ; de cette façon, le piston refoule de l'hy drogène de la chambre de refoulement 26 dans la conduite de refoulement 340. Lorsqu'on a atteint le point final du mouvement et après l'inversion du sens de mouvement de la tige de commande 36, les éléments mobiles de soupapes 12 et 31 sont pressés contre leurs sièges de soupapes 6 et 30 respectivement par leurs ressorts respectifs ll et 32, de sorte que la soupape d'entrée et la soupape de sortie sont fermées. Au contraire, l'élément mobile de soupape 20 est soulevé de son siège de soupape 19 à l'encontre de la force-du ressort spiroconique 22 , de sorte que, maintenant, de l'hydrogène parvient de la chambre d'aspiration 24 dans la chambre de refoulement 26 en passant à travers la cavité 17 et le passage 18 (figure 2). Pendant ce déplacement de l'élément de soupape 20, le piston 14 est également entraîné par l'intermédiaire du ressort spiroconique 22, jusqu'd ce que la tige de commande ait atteint son point d'inversion. Au moment de l'inversion du mouvement, l'élément mobile de soupape 20ferme le passage 18 et le processus décrit ci-dessus se répète. Une caractéristique essentielle consiste en ce que, pendant la course de retour, l'hydrogène traverse entièrement le piston et refroidit ainsi préf érentielle ment ce dernier tandis que la paroi inté-rieure de la partie centrale; sur laquelle se produit le joint étanche entre le piston et. le corps de la pompe, est abritée par la jupe 15 et que, de cette façon, elle est moins efficacement refroidie. Au cours du refroidissement et du réchauffement, la partie centrale subit donc une dilatation thermique plus forte que celle du piston de sorte que l'étanchéité du joint entre la partie centrale et le piston est certes détériorée mais qu'il ne peut pas se produire de coincement du piston dans la partie centrale. Bien entendu, diverses modifications pourront être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS l - Pompe à piston pour hydrogène liquide comprenant une chambre de pompe qu'un piston mobile en translation, formant joint étanche avec la paroi intérieure de la chambre de la pompe divise en une chambre d'aspiration et une chambre de refoulement, une conduite d'aspiration menant à la chambre d'aspiration et fermée par une soupape -d'entrée et une conduite de refoulement qui part de la chambre de refoulement et est fermée par une soupape de sortie, cette pompe étant caractérisée en ce-que le piston (14) présente un passage (18) qui relie la chambre d'aspiration (X4) à la chambre de refoulement (26) et que, dans ce passage, se trouve un dispositif obturateur (un élément mobile de soupape 20) qui ferme le passage (18) lorsque le piston (14) se déplace vers la chambre de refoulement (26) tandis qu'il ouvre le passage (18) lorsque le piston (14) se déplace vers la chambre d'aspiration (24). 2 - Pompe à piston selon la revendication 1, caractérisée en ce que le piston (14) présente une jupe (15) appuyée contre la paroi intérieure de la chambre de pompe, jupe qui entoure une cavité (17) qui s'ouvre vers la chambre d'aspiration (2a) et est fermée du côté, de la chambre de refoulement (26) au moyen d'une paroi radiale (16), et en ce que le passage (18) se trouve dans la paroi radiale (16). 3 - Pompe d piston selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le passage (18) forme un-siège de soupape (19-) dirigé vers la chambre d'as- piration (24) et en ce qu'à ce siège est associé un élément mobile de soupape (20) qui peut être soulevé; de ce siège en se déplagant vers la chambre d'aspiration (24) à l'encontre de la force d'un accumulateur de force élas- tique (22). 4 - Pompe à piston selon la revendication 3, ca ractérisée en ce que l'élément mobile de soupape (20) est actionné par une tige de commande (36) qui déplace le piston (14) en translation. 5 - Pompe à piston selon l'une quelconque des revendications 2, 3 et 4, caractérisée en ce que l'élément mobile de soupape (20) est disposé dans la cavité (17) et possède un diamètre extérieur qui est plus petit que le diamètre intérieur de la jupe (15). 6 - Pompe à piston selon la revendication 5, ca ractérisée en ce que l'accumulateur de force élastique t22) prend appui d'une part, sur lldlément mobile de soupape (20) et, d'autre part, sur le piston (14).