Brevet FR2614370A1 — publié le 19881028

L'invention a- pour objet une machine servant à élever La pression d'un gaz sous pression sans La nécessité d'un apport d'énergie étrangère ctest-à-dire sans apport d'énergie autre que ceLle que possède Le gaz sous pression. Par exemple, à partir d'une source de gaz se trouvant sous une pression de 1,5 MPa La machine de L'invention permet d'obtenir un débit du même gaz à une pression de 3,5 MPa. Pour cette raison et pour La commodité de La rédaction cette machine sera appeLée simpLement surpresseur dans Le texte qui suit. L'utiLisation d'un tel surpresseur est avantageux dans Le domaine de la métaLLurgie, et pLus précisément de La sidérurgie, pour l'exécution d'opérations d'oxycoupage. De L'oxygène sous pression est fourni à partir d'instaLlations de production appropriées par des réseaux d'oxyducs à L'état gazeux sous une pression qui est limitée par les règLements, pour des raisons de sécurite, à une valeur de 1,5 MPa. Les chalumeaux d'oxycoupage sont capables d'exécuter des coupes sur des pièces en acier à une vitesse plus élevée et avec une valeur pLus faible de la largeur de coupe (c'est-à-dire avec une perte moindre d'acier) Lorsque l'oxy- gène arrive au chalumeau à une pression nettement supérieure à 1,5 MPa. Une pression de 3,5 MPa est une valeur satisfaisante. A cette pression de 3,5 MPa la vitesse de coupe par oxycoupage des tôles fines (épaisseur allant jusqu'à quelques millimètres) est multipliée par 2 environ. La Largeur de la saignée de coupe sur des pièces en acier dont l'epaisseur est de 50 mm et pLus est réduite de 20 à 30 % environ. En outre, les surfaces coupées par oxycoupage sont plus nettes et ne nécessitent pas de retouches ou de parachèvement, à la meule par exempLe, quand La pression de l'oxygène atteint 3,5 MPa. Le but principal de l'invention est d'apporter un surpresseur qui éLève à une seconde valeur supérieure la pression d'un gaz qui est déjà sous pression, à une première valeur de La pression, sans apport d'énergie étrangère par l'exploitation de L'énergie que contient Le gaz à ta première valeur de La pression. Bien entendu le volume x du gaz qui est porté 'à a seconde valeur de la pression est une fraction du volume v du gaz qui est à La première valeur de la pression puisque l'énergie nécessaire à la surpression est fournie par la fraction v-x du gaz qui est utilisée à la compression du volume x. Par exemple, quand la première valeur de la pression est 1,5 MPa, le volume x qui est porté de 1,5 MPa à 3,5 MPa représente 43 % environ du volume initial de gaz à 1,5 MPa, La détente jusqu'à la pression atmosphérique de 57 % environ de ce volume initial fournissant L'énergie nécessaire à La marche du surpresseur. Un surpresseur conforme à l'invention pour élever à une seconde pression P2 plus élevée une fraction d'un volume de gaz se trouvant ä une première pression P1 moins élevée, comprend un corps de cylindres ayant un axe géométrique longitudinal avec un premier cylindre de plus grand diamètre D1 et un second cylindre de plus petit diamètre D2 se succédant le long dudit axe et communiquant l'un avec l'autre à une extrémité commune ; deux pistons respectivement de plus grand diamètre D1 et de plus petit diamètre D2 réunis par une tige de piston commune sont montés chacun coulissant librement de manière étanche respectivement dans un cylindre correspondant ; l'extrémité libre du second cylindre de diamètre D2 est obturé hermétiquement et possède une entrée avec un clapet de non retour pour Le gaz à la première pression P1 et une sortie avec un clapet de non retour pour le même gaz devant être comprimé à la seconde pression P2 ; à son extrémité commune avec le cylindre de diamètre D2 le cylindre de diamètre D1 est mis en communication avec l'atmosphère ; à son extrémité opposée au cylindre 2, Le cylindre 1 est obturé par une paroi extrême et un canal traverse cette paroi extrême. Selon un aspect général de l'invention ce dernier canal est apte à être alternativement soit raccordé à une arrivée de gaz à La première pression P1 soit ouvert à l'atmosphère, en fonction de la position des pistons dans les cyLindres. Dans un mode préféré de réalisation de l'inven- tion, de part et d'autre de leur extrémité commune, les deux cylindres ont chacun à travers leur paroi latérale une ouver ture latérale éloignée de Ladite extrémité commune d'une distance juste supérieure à L'éraisseur en sens axial du piston correspondant. Le surpresseur comprend encore un distributeur comprenant un cylindre dans lequel est monté libre en coulissement un tiroir de distribution ayant dans le sens de sa longueur trois parties ajustées dans Le cylindre séparées par deux gorges à dimension transversale réduite.Le cylindre a à chacune de ses deux extrémités opposées une ouverture L'une de ces ouvertures est reliée par une tubulure à l'ou- verture latérale du cylindre de diamètre D1 et L'autre ouverture est reliée par une tubulure à L'ouverture Latérale du cylindre de diamètre D2. Dans La paroi latérale du cyLindre du distributeur sont percés deux canaux transversaux qui ont chacun une première extrémité qui St raccordée à l'arrivée du gaz à la première pression P1 pour un canal et ouverte sur l'atmosphère pour L'autre canal. La deuxième extrémité de ces deux canaux transversaux est raccordée à une ouverture ménagée dans la paroi extrême du cylindre de diamètre D2.Les deux canaux transversaux sont espacés l'un de l'autre en sens axial en relation avec l'espacement en sens axial des deux gorges du tiroir de distribution de telle sorte que lorsqu'une des gorges est en coincidence avec L'un des canaux transversaux l'autre canal est obturé par le tiroir et inversement. Un surpresseur conforme à L'invention ne comprend pas de ressort de rappel des pistons ni du tiroir ; il peut fonctionner dans une position quelconque, verticale ou horizontale. Pour sa mise en marche son démarrage se fait simpLement par l'alimentation en gaz à la première pression P1 de l'entrée du cylindre de diamètre D2 et du canal correspondant du distributeur. Pour mieux faire comprendre comment est réalisable un surpresseur conforme à l'invention, on donnera maintenant une description d'un exemple préféré de réalisation en se reportant à La figure unique annexée qui est une vue en coupe LongitudinaLe par l'axe géométrique de ce surpresseur. Un premier cylindre 1 de plus grand diamètre D1 et un second cylindre 2 de plus petit diamètre D2 sont montés coaxialement en prolongement l'un de L'autre avec une paroi transversale commune 3. Cette dernière a une ouverture centrale 4 qui met en communication le volume intérieur des deux cylindres 1, 2 et pLusieurs ouvertures 5 espacées circonférentieLlement dans une zone annulaire autour du second cylin dre 2 pour mettre en communication avec l'atmosphère le voLume du premier cylindre 1 et, par conséquent, celui du second cylindre 2. A son extrémité libre 2A ce second cyLindre 2 a une paroi extrême d'obturation 6 traversée par une entrée 7 munie d'un clapet de non retour et par une sortie 8 munie d'un clapet de non retour.Sur La figure, cette extrémité 2A est équipée d'un bloc de raccordement 9 qui permet. de raccorder l'entrée 7 à une tubulure d'arrivée de gaz à une première pression P1 et La sortie 8 à une tubulure aboutissant à un réservoir (non représenté) du même gaz à une seconde pression P2 plus élevée que P1. Chaque cylindre 1, 2 contient un piston respectif 10, 11 monté coulissant de manière étanche. A cette fin chaque piston est muni de joints ou de segments ou de moyens équivalents appropriés à cette fonction, de façon connue en soi. Les deux pistons 10, 11 sont réunis par une tige de piston commune 12 qui les oblige à se déplacer simultanémen Chaque piston 10, 11 a une épaisseur déterminée en sens axial et il est prévu dans la paroi Latérale de chaque cylindre 1, 2 une ouverture latérale 13, 14 respectivement éloignée de la paroi transversale commune 3 d'une distance juste supérieure à L'épaisseur du piston correspondant. Ainsi quand le pis ton 10 ou 11 arrive à la paroi transversale commune 3 il dégage L'ouverture 13 ou 14 ; Le même piston dégage à nouveau La meme ouverture dès qu'il s'est déplacé sur une distance peu supérieure à sa propre épaisseur en direction de l'extrémité opposée du cylindre qui le contient. L'extrémité 1A du cylindre 1 opposée à la paroi transversale commune 3 est fermée hermétiquement par une paroi extrême 15. Dans l'exemple décrit ici le surpresseur comprend un distributeur 16 ayant un corps 17 qui est, avantageusement, solidement fixé par une de ses extrémités sur l'extrémité 1A du cylindre 1, dans le prolongement de ce dernier. Dans Le corps 17 du distributeur 16 est foré un cylindre 18 qui contient un tiroir de distribution 1-9. Ce dernier comprend trois parties 19A, 19B, 19C qui sont ajustées pour coulisser de façon étanche dans Le cylindre 18 et qui sont séparées par deux gorges annulaires 20A, 20B à diamètre plus réduit. IL existe donc deux parties extra mes 19A, 19C et une partie médiane 198. A chacune des extrémités opposées du cylindre 18 il est prévu dans le corps 17 une ouverture 21, 22 respectivement. L'ouverture 21 est raccordée par une tubulure 23 à l'ouverture latérale 13 du premier cylindre 1 de plus grand diamètre D1, par l'intermédiaire d'un canal radial 21A. L'ouverture 22 est raccordée par une tubulure 24 à l'ouverture Latérale 14 du second cylindre 2 de plus petit diamètre D2. Deux canaux transversaux 25, 26, espacés en sens axial, sont percés pour traverser Le cylindre 18 et Le corps 17. A une de leurs extrémités ces canaux 25, 26 s'ouvrent sur la face latérale du corps 17, respectivement par des orifices 25A, 26A. L'orifice 25A et le canal radial 25 sont raccordés par une tubulure d'arrivée de gaz à une première pression P1 de La même façon que l'entrée 7 du second cylindre 2. L'orifice 26A du canal radial 26 est ouvert à L'atmos phere. Les canaux transversaux Z5, 26 ne traversent pas totalement le corps 17 à l'opposé des orifices 25A, 26A ; i Ls sont intersectés par un canal longitudinal 27 prolongé par un cana 28 qui traverse la paroi extrême 1 5 du premier cylindre 1 ae sorte que les deux canaux transversaux 25,26 sont mis en communication avec L'intérieur du premier cyLindre 1. L'espacement en sens axial de ces deux canaux 25,26 est déterminé en relation avec L'espacement en sens axial des deux gorges 20A, 208 du tiroir de distribution 19.Quand ce dernier occupe sa position extrême où il est représenté, la plus à droite dans le cylindre 18 quand on regarde La figure, la partie extrême 19A obture le canaL 25 et la gorge 20B La plus à droite est en face du canal diamétral 26 mettant ainsi l'intérieur du premier cylindre 1 sur la droite du piston 10 en communication avec l'atmosphère par L'orifice 26A. Inversement quand Le tiroir de distribution occupe sa position La plus à gauche, la gorge 20A la pLus à gauche se trouve en face du canal transversal 25 et permet l'arrivée du gaz à la première pression P1 dans Le cylindre 1 sur la droite du piston 10, cependant que la partie extrême 19C obture le canal transversal 26. Le fonctionnement du surpresseur de l'invention est le suivant. Quelle que soit la position du tiroir de di- tribution 19 et celle des deux pistons 10,11 réunis par La tige de piston commune 12, la mise en marche se fait par l'ar- rivée du gaz à La première pression P1 simultanément à l'entrée 7 du second cylindre 2 et à L'orifice 25A du canal 25. Le gaz à pression P1 qui pénètre dans Le cylindre 2 par l'entrée 7 pousse les pistons 10,11 vers la droite jusqu'à ce que le piston 10 rencontre la paroi extrême 15. A ce moment, le piston 11 se trouve à droite de L'ouverture latérale 14 qu'il dégage. Le gaz à pression P1 emprunte La tubulure 24 et entre par L'ouverture 22 dans le cylindre 18 du distributeur.Ce gaz pousse le tiroir de distribution 19 jusqu'à la position la plus à gauche que peut prendre ce dernier et à laquelle la gorge 20A est en face du canal transversal 25, si bien que le gaz à pression P1 qui arrive par l'orifice 25A et le canal 25 peut pénétrer par Le canal Longitudinal 27 dans le cylindre 1, sur la droite du piston 10. Par conséquent, le gaz à pression P1 crée sur le piston'10 à plus grand diamètre D1 une force qui repousse Les deux pistons vers la gauche ; pendant ce déplacement le piston 11 refoule par la sortie 8le gaz à pression P1 contenu dans Le cylindre 2. Le clapet anti-retour de cette sortie 8 laisse passer le gaz qui est conduit dans un réservoir (non représenté) où la pression s'élève progressivement à la valeur P2. Le rapport des sections droites des pistons 10, 11 est choisi en relation avec Le rapport des pressions P1, P2. Pendant le déplacement des pistons 10, 11 vers la paroi extrême 3, c'est-à-dire vers la gauche quand on regarde la figure, l'air contenu dans Le volume annulaire, dans le cylindre 1 autour de la tige commune 12, s'échappe librement par les ouvertures 5. Quand Les deux pistons 10,11 arrivent à proximité des parois extrêmes 3, 6, dès que le piston 10 a dépassé et dégagé l'ouverture latérale 13 le gaz à pression P1 emprunte cette ouverture et la tubulure 23 pour arriver dans le cylindre 18 par l'ouverture 21 de sorte que le tiroir 19 est poussé par ce gaz pour revenir à la position extrême où il est représenté sur la figure. A ce moment, le volume compris entre la face extrême de La partie extrême 19C et La paroi dans Laquelle se trouve L'ouverture 22 est mis en communication par la tubulure 24 avec L'ouverture latérale 14 du second cylindre 2 et, à partir de là, avec les ouvertures 5. Quand le tiroir 19 occupe cette position, il obture L'arrivée du gaz à pression P1 par le canal 25 et il met Le volume du cylindre 1 à droite du piston 10 en communication avec l'atmosphère par les canaux 28, 27, 26 et l'orifice 26A. Par conséquent, le gaz à pression P1 qui arrive à l'en- trée 7 pénètre à nouveau dans le second cylindre 2 et pousse vers La droite les deux pistons 11, 10. Quand Le piston 11 passe au-delå de L'ouverture latérale 14 et dégage celle-ci Le gaz à pression P1 emprunte à nouveau la tubulure 24 et déplace à nouveau le tiroir de distribution 19 jusqu'à La position la plus à gauche de ce dernier. Le cycle se répète tant que du gaz à pression P1 est fourni au surpresseur. L'incorporation du distributéur 16 aux cylindres accouplés 1, 2 est un mode de réalisation préféré qui procure un surpresseur particulièrement compact. Les ouvertures Latérales 13, 14 et Les tubulures 23,24 qui en partent respectivement servent à La commande du distributeur 16 par le gaz à pression P1, en fonction des mouvements des pistons 10, 11, ce qui rend le surpresseur indépendant de toute intervention et de toute énergie extérieures autres que celles du gaz lui-même. Mais cet agencement n'est pas obligatoire. La commande de l'entrée et de la sortie du gaz à pression P1 par rapport au cylindre 1 peut être réalisée par tous autres moyens convenables ; par exemple, par des électrovannes montées sur les canaux 25 et 26 afin de permettre alternativement d'une part l'entrée du gaz à pression P1 dans le cylindre 1 pour Le déplacement des pistons 10, 11 vers la gauche et le refoulement sous pression par la sortie 8 du gaz contenu dans le cylindre 2, d'autre part l'évacuation du même gaz hors du cylindre 1 pendant que le gaz entrant dans le cylindre 2 par l'entrée 7 repousse les pistons 11, 10 vers La droite. REVENDICATIONS 1. Surpresseur pour élever une fraction d'un volume de gaz ayant une première pression (P1) à une seconde pression (P2) plus élevée caractérisé en ce qutil comprend un corps de cylindres (1,2) ayant un axe géométrique longitudinal avec un premier cylindre (1) dc plus grand diamètre (D1) et un second cylindre (2) de plus petit diamètre (D2) se sccédant le long dudit axe et communiquant L'un avec L'autre par une ouverture (4) à une extrémité commune ; deux pistons (10, 11) respectivement de plus grand diamètre (D1) et de plus petit diamètre (D2) réunis par une tige de piston commune (12) montés chacun coulissant de manière étanche respectivement dans un cylindre correspondant ;L'extrémité libre du second cylindre (2) étant obturée hermétiquement et ayant une entrée (7) avec un clapet de non-retour pou r raccordement à une 'arrivée de gaz à la première pression (P (P1) et une sortie (8) avec un clapet de non-retour pour raccordement à un réservoir de gaz à la seconde pression (P2) ; le cylindre (1) de plus grand diamètre (D1) ayant à son extrémité commune avec Le second cylindre (2? une ouverture (5) sur l'atmosphère et à son extrémité opposée une paroi extrême (15) d'obturation avec un canal (28) apte à être alternativement soit raccordé à une arrivée de gaz à la première pression (P1) soit ouvert à l'atmosphère en fonction dé La position des pistons (10, 11) dans Les cyLindres (1, 2). 2. Surpresseur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux cylindres (1, 2) ont chacun à travers leur paroi latérale une ouverture latérale (13,14) éloignée de ladite extrémité commune d'une distance juste supérieure à L'épaisseur en sens axial du piston (10, 11) correspondant et il existe un distributeur (16) comprenant un cylindre (18) dans Lequel un tiroir de distribution (19) est monté libre en coulissement, ce tiroir (19) ayant dans le sens de sa Longueur trois parties (19A, 19B, 19C) ajustées dans le cylindre (18) séparées par deux gorges (20A, 20B) à dimension transversale cependant que le cylindre (18) a à ses extrémités opposées des ouvertures (21,22) dont l'une est reliée par une tubulure (23) à l'ouverture latérale (13) du premier cylindre (1) et l'autre est reliée par une tubulure (24) à L'ouverture laté- rale (14) du second cylindre (2), la paroi latérale dudit cylindre (18) étant traversée par deux canaux transversaux (25, 26) dont l'un a une première extrémité (25A) raccordée à une arrivée du gaz à la première pression (P1) et L'autre a une première extrémité (26A) ouverte sur l'atmosphère, les deuxièmes extrémités de ces canaux (25,26) étant raccordées toutes deux audit canal (28), l'espacement de ces canaux (25,26) dans Le sens axial du cylindre (18) étant en relation avec l'espa- cement des deux gorges (20A, 20B) du tiroir de distribution (19) de tel le sorte que L'une des gorges est en coincidence avec l'un des- canaux transversaux, l'autre canal est obturé, par le tiroir, et inversement. 3. Surpresseur selon la revendication 2 caractérisé en ce que Le distributeur (16) a un corps (17) qui est monté et fixé par une de ses extrémités sur l'extrémité (1A) du premier cylindre (1), le canal (28) de La paroi extrême (15) étant en prolongement d'un canal longitudinal (27) prévu dans le corps (17) et intersectant les deux canaux transversaux (25,26).