Brevet FR2562164A1 — publié le 19851004

1. La présente invention concerne un joint pour tige de piston de moteur Stirling et, plus particulière- ment, un joint pour tige de piston renvoyant à une cham- bre remplie de fluide,un fluide qui s'est échappé pour entrer dans une chambre intermédiaire. Dans un moteur Stirling, l'intérieur d'un cylin- dre est divisé par un piston de travail en une chambre d'expansion constituant une section à haute température et une chambre de compression définissant une section à basse température.Un gaz de travail est animé d'un mouve- ment de va-et-vient entre la chambre d'expansion et la chambre de compression d'un cylindre voisin, ce qui a pour effet d'animer d'un mouvement alternatif le piston de travail.La puissance motrice est prélevée dans le moteur par l'intermédiaire d'une tige reliée au piston. La tige de piston est à son tour reliée à un piston de guidage qui fonctionne en association avec un mécanisme de prise de force. Le piston de guidage est situé dans un carter ou coté de la chambre à plaque en nutation se trouvant à la pression atmosphérique, et la partie à laquelle la tige de 2. piston et le piston de travail sont reliés, est située du côté compression, o règne une pression élevée. Il en ré- sulte qu'une pression différentielle est produite à la jonction tige de piston - piston de travail, de sorte que le gaz de travail a tendance à passer de la chambre de compression à haute pression à la section motrice à basse pression, telle que le carter. Comme la puissance de sor- tie d'un moteur Stirling est proportionnelle à la pres- sion moyenne du gaz de travail, il y a lieu de prendre en considération les fuites de gaz à partir de la chambre de compression vers,par exemple, le carter, de manière à évi- ter une chute de la puissance développée par le moteur. Plus spécifiquement, dans un moteur Stirling classique, un joint de gaz, une chambre intermédiaire main- tenue à la pression minimum du gaz de travail, un racleur d'huile, une chambre remplie de fluide et un joint d'huile sont disposés entre le cylindre et le carter de manière à rendre étanche la tige de piston. Cependant, pendant le mou- vement de va-et-vient de la tige de piston, le fluide qui pénètre dans la chambre intermédiaire tout en adhérant à la tige de piston ne peut venir frapper le racleur d'huile. Bien qu'il puisse paraître que-le fluide s'écoulant ainsi dans la chambre intermédiaire tout en adhérant à la tige de piston semble ne soulever aucun problème pratique, il y ale risque d'amoncellement du fluide dans le temps à l'intérieur de la chambre intermédiaire. Il est par consé- quent souhaitable de disposer d'un moyen permettant d'ex- traire le fluide d'une manière plus sûre. Un autre problème soulevé par les moteurs Stirling est celui de la chute du rendement de l'échange de chaleur et,par conséquent, de la diminution de la puis- sance développée par le moteur, provoquée lorsque l'huile de lubrification destinée à la tige de piston entre dans la chambre de compression, se mélange au gaz.de travail et adhère elle-même au récupérateur du moteur Stirling. Un objet de la présente invention est de prévoir 2'62164 3. un joint pour tige de piston de moteur Stirling, qui ré- solve les problèmes, exposés ci-dessus, qu'on rencontre dans l'art antérieur. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un joint pour tige de piston pour moteur Stirling destiné à renvoyer de force à une chambre rem- plie de fluide un fluide qui a pénétré dans une chambre intermédiaire par l'intermédiaire d'un racleur d'huile. Selon la présente invention, on atteint les objets précédents avec un joint pour tige de piston qui comprend un joint torique fixé à la tige en un endroit o le joint est situé immédiatement au-dessus d'un ra- cleur d'huile lorsque la tige se trouve à son point mort inférieur. En outre, la chambre intermédiaire comprend un premier espace et un second espace de diamètre plus petit que le précèdent et dimensionné au diamètre extérieur du joint torique, le second espace étant contigu au racleur d'huile,lequel l'est lui-même à la chambre remplie de fluide. Lorsque la tige de piston descend vers le point mort inférieur, le joint torique est ainsi acheminé dans le second espace dans la direction du racleur d'huile. Par suite du contact coulissant sous pression entre la circonférence extérieure du joint torique et-la paroi intérieure du second espace, le second espace est pres- surisé de manière à renvoyer de force un fluide, qui a pénétré dans le second espace de la chambre intermé- diaire via le racleur d'huile ou qui s'est fixé à la tige de piston sous forme de pellicule, du second espa- ce à la chambre remplie de fluide en passant par le ra- cleur d'huile. Bien que le joint torique quitte et, * donc, dépressurise le second espace de la chambre in- termédiaire lorsque la tige à piston exécute sa course ascendante, la chute de pression provoque la venue en contact étanche sous pression de la lèvre du racleur d'huile avec la surface de la tige de piston de manière 4. à éviter les fuites de fluide vers la chambre inter- médiaire. Ainsi, selon la présente invention, la chambre intermédiaire comporte le second espace de diamètre réduit, le joint torique est fixé à la-tige de piston comme on vient de le décrire, et le joint torique procè- de à une action de pompage à l'intérieur de la chambre intermédiaire pendant le mouvement de va-et-vient de la tige de piston, le pompage servant à expulser le fluide de la chambre intermédiaire, et à éviter l'entrée de fluide dans cette chambre,en coopération avec le racleur d'huile. Ainsi, grâce à une construction simple et peu coûteuse, le joint de la présente invention réalise une opération d'étanchéité active, et non passive,- laquelle assure à tout instant une étanchéité fiable. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les des- sins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique d'un joint de l'art antérieur pour la tige de piston d'un moteur Stirling et; La figure 2 est une vue schématique, partielle, d'un joint pour la tige à piston d'un moteur Stirling selon la présente invention. Comme représenté en figure 1, et décrit dans le brevet japonais publié n0 58-104347, un moteur Stirling 1 comprend un cylindre 2, dont l'intérieur est séparé en une chambre d'expansion 4 à haute température et une cham- bre de compression 5 à basse température par un cylindre de travail 3. La chambre d'expansion 4 communique avec la chambre de compression d'un cylindre voisin (non repré- sentée) par l'intermédiaire d'un dispositif de chauffa- ge, d'un récupérateur et d'un dispositif de refroidisse- ment, non représentés.Un gaz de travail tel que l'hélium ou l'hydrogène est animé d'un mouvement de va-et-vient entre la chambre d'expansion 4 et la chambre de compression 5. du cylindre voisin, au cours duquel il y a répétition de cyclesde compression isotherme, de changement isovolumé- trique, d'expansion isotherme et de changement isovolumétrique,de ma- nière à animer le piston de travail d'un mouvement de va-et-vient. Une tige de piston 8 comporte une extrémité re- liée au piston de travail 3 et son autre extrémité est con- nectée à un piston de guidage 7. Le piston de guidage 7 est associé fonctionnellement à un mécanisme de prise de force 6 tel qu'un mécanisme à manivelle.Le mouvement de va-et-vient du piston de travail 3 peut trouver ainsi son origine dans le moteur via la tige de piston 8 dans le but d'effectuer un travail mécanique à l'extérieur du motelur. Des moyens permettant de rendre étanche la tige de piston 8 sont montés entre le cylindre 2 et un carter 9. Ces moyens,disposés dans l'ordre suivant en partant de la chambre de compression 5, comprennent un joint à gaz 10, une chambre intermédiaire 11 qui est maintenue à la pres- sion minimum du gaz de travail, un racleur d'huile 12, une chambre 13 remplie à tout instant d'huile de lubrification, d'eau ou analogue, et un joint à huile 14. La chambre in- termédiaire communique avec la chambre de compression 5 via un orifice fixe 15, un bottier 17 comportant un fil- tre à huile 16, et une soupape de retenue 18. La soupape de retenue 18 sert à maintenir la chambre intermédiaire 11 à la pression minimum du gaz de travail. Le filtre 16 per- 23 met de filtrer l'huile présente dans le gaz de travail, le- quel va de la chambre intermédiaire 11 à la chambre de compression5. L'orifice fixe 15 situé entre le boîtier 17 du filtre à huile et la chambre intermédiaire 11 execute une action de tampon, lorsqu'il y a fluctuation de la pres- sion régnant dans l'espace de travail, par exemple au moment o il y a commande de la puissance développée par le moteur, et évite une circulation inverse du fluide, tel que l'huile ou l'eau, à l'intérieur de la chambre 13. Une valve 19 de retour de fluide est montée entre le carter 9 et la chambre 13 remplie de fluide dans le but de ramener le fluide en excès de la chambre 13 au carter 9. Une pompe 6. non représentée, est prévue entre le carter 9 et la cham- bre 13. Il est également possible de prévoir un circuit de fluide, non représenté, pour fournir du fluide à la chambre 13. Bien que l'agencement précédent de l'art anté- rieur, proposé antérieurement par la demanderesse, présen- te en pratique des perfonnances satisfaisantes en ce qui concerne l'étanchéité du piston, un problème s'est trouvé soulevé, qu'on a vérifié dans des essais, à savoir que, pendant le mouvement de va-et-vient de la tige de piston 8, il est impossible que le racleur d'huile 12 blo- que le fluide entrant dans la chambre intermédiaire 12 lorsqu'il est fixé à la tige de piston. Le fluide entrant dans la chambre intermédiaire 11 tout en adhérant à la tige de piston 8 ne semble pas soulever de problèmes en termes pratiques avec un moteur Stirling ayant la cons- truction décrite ci-dessus. Néanmoins, il y a le risque que le fluide entrant dans la chambre intermédiaire 11 s'y accumule dans le temps. La présente invention permet d'éliminer cet in- convénient ainsi que d'autres problèmes rencontrés avec les joints de tige de piston de l'art antérieur, dont un exemple a été décrit en liaison avec la figure 1. On procèderaci-après, à la description d'un mode de réalisation d'un joint pour tige à piston de mo- teur Stirling selon la présente invention. En liaison avec la figure 2, un joint pour tige de piston de moteur Stirling selon la présente invention comprend un joint torique 22 qui coopère avec la tige de piston 8 et la paroi intérieure d'une chambre intermé- diaire 111'. Comme la chambre intermédiaire de la figure 1, la chambre intermédiaire 11' est disposée, suivant un agen- cement similaire, entre le cylindre 2 et le carter 9, est maintenue à la pression minimum du gaz de travail et re- liée à la chambre de compression 5 de la manière décri- te ci-dessus. La chambre intermédiaire 11' présente une 7. partie 20 ayant un premier diamètre, et une partie 21 ayant un second diamètre, plus petit, égal au diamètre extérieur du joint torique 22, et contigué au racleur d'huile 12. Le racleur d'huile 12 est à son tour disposé en un endroit contigu à la chambre 13 remplie de fluide. Le joint torique 22 est fixé à la tige de piston 8 qui, comme décrit précédemment, est animée d'un mouve- ment de va-et-vient.Le joint torique sera par conséquent déplacé vers le haut et vers le bas à l'intérieur de la chambre intermédiaire 11' pendant le mouvement de va-et- vient de la tige 8. Le joint torique 22 est fixé à-la tige de piston 8, immédiatement au-dessus du racleur d'huile 12, par conséquent à l'intérieur de la partie 21 à diamètre réduit de la chambre intermédiaire ll', lorsque la tige de piston 8 se trouve à son point mort inférieur. Lorsque la tige de piston 8 descend vers le point mort inférieur de sa course, le joint torique 22 se trouve entraîné dans la partie à diamètre réduit 21 de la chambre 11' de sorte que sa partie circonférentielle extérieure vient en contact coulissant de sous pression avec la paroi' périphérique intérieure de la partie à dia- mètre réduit. Pendant la descente de la tige de piston 8 et le déplacement du joint torique 22 vers le racleur d'huile 12, le volume délimité à l'intérieur de la par- tie 21 à diamètre réduit de la chambre intermédiaire 11' par le joint torique 22 et le racleur d'huile 12 diminue progressivementce qui a pour effet d'augmenter la pres- sion régnant à l'intérieur de la partie 21. La pression plus élevée entraîne le fluide, entré dans la partie à diamètre réduit de la chambre intermédiaire 11', dans la chambre 13 sous-jacente par l'intermédiaire du ra- cleur d'huile 12. Lorsque la tige à piston 8 exécute sa course ascendante, le joint torique 22 qui est fixé est extrait de l'intérieur de la partie 21 à diamètre réduit, tout 25621-64 8. en restant en contact coulissant sous pression avec elle, et s'éloigne du racleur d'huile 12. Cela a pour effet d'augmenter le volume de la partie 21 à diamètre réduit de la chambre intermédiairell' et donc de provoquer sa dépressurisation. La chute de pression a pour effet d'amener la lèvre du racleur d'huile 12 en contact plus-étroit avec la tige de piston 8, rendant extrêmement difficile la fuite de fluide vers la chambre intermédiaire à partir de la chambre 13 remplie de fluide. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de varian- tes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 9. REVENDICATIONS 1 - Joint pour tige à piston de moteur Stirling comportant une tige (8) de piston animée d'un mouvement de va-et-vient, une chambre intermédiaire (11') entourant la tige de piston et maintenue à la pression minimum d'un gaz de travail, une chambre (13) remplie de fluide entou- rant la tige de piston pour lubrifier cette tige, et un racleur d'huile (12) monté entre la chambre intermédiaire et la chambre remplie de fluide pour bloquer la circula- tion du fluide entre la chambre de fluide et la chambre intermédiaire, caractérisé en ce qu'il comprend un élé- ment annulaire d'étanchéité (22) fixé à la tige de piston à un endroit o il se trouve immédiatement au-dessus du racleur d'huile lorsque la tige de piston se trouve au i5 point mort inférieur de son mouvement de va-etvient, la chambre intermédiaire (11') comportant un premier espa- ce (20) ayant un premier diamètre et un second espace (21) ayant un second diamètre inférieur au premier, le second espace ayant son diamètre égal à la cote du diamètre ex- térieur de l'élément annulaire d'étanchéité, et étant con- tigu au racleur d'huile, d'o il résulte que lorsque la tige à piston descend vers le point mort inférieur, l'élé- ment annulaire d'étanchéité se trouve entraîne dans le second espace vers le racleur d'huile de manière à pressu- riser ce second espace et renvoyer de force le fluide du second espace à la chambre remplie de fluide par l'inter- médiaire du racleur d'huile. 2 - Joint selon la revendication 1, o l'élé- ment annulaire d'étanchéité est un joint torique (22).