Brevet FR2634253A1 — publié le 19900119

DISPOSITIF DE POMPAGE A PISTONS MULTIPLES ET PISTON POUR CE DISPOSITIF La présente invention concerne un dispositif de pompage du type dit i pistons multiples, c'est-a-dire un dispositif de pompage constitué d'un train de tiges animé d'un mouvement de va et vient a l'intérieur d'une colonne d'exhaure, une pluralité de pistons etant fixée le long du train de tiges. L'invention vise également les pistons utilisés pour la réalisation du dispositif de pompage précité. Le brevet d'invention n 56772 et son certificat d'addition n56773 déposés le 23.3.1979 a L'OKAPI (Organisation Africaine de la Propriété Industrielle) décrivent un dispositif de pompage i pistons multiples du genre mentionné au début. L'inconvénient majeur du dispositif de pompage décrit par les documents précités réside dans la constitution des pistons qui le composent. En effet, dans ces pistons, le clapet de refoulement qui est solidaire du train de tiges est mobile par rapport au corps du piston qui est flottant de sorte que le déplacement relatif de ces deux éléments l'un par rapport i l'autre lors du fonctionnement de la pompe conduit i des frottements entre les éléments immergés de la pompe et le tube d'exhaure, ce qui génèrent une certaine résistance au pompage et une usure des éléments précités. De plus, le joint du piston est également susceptible de s'user rapidement de sorte qu'il doit être changé assez régulièrement. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif de pompage du type mentionne au début du présent préambule dont les pistons ne comportent plus nui joint, ni éléments mobiles les uns par rapport aux autres de sorte qu'il soit d'entretien extrêmement réduit et qu'il présente une moindre résistance au pompage. Ainsi, le dispositif de pompage conforme a l'invention est caractérisé en ce que chaque piston comprend un corps de piston cylindrique solidaire du train de tiges dont l'extrémité orientée vers le bas de la colonne d'exhaure est constituée d'une structure alvéolaire comportant un orifice axial destiné au passage du train de tiges, un clapet de refoulement étant maintenu en appui contre la structure alvéolaire précitée par un élément tubulaire s'étendant dans le corps du piston et traversé par le train de tiges dont il est également rendu solidaire. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le clapet de refoulement est constitué d'une membrane circulaire en matière plastique souple dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre intérieur du corps de piston et comprenant une ouvérture axiale pour le passage du train de tiges. L'absence de joint et de parties mobiles en dehors de la membrane faisant office de clapet, confère au dispositif de pompage précité une robustesse et une efficacité particulières permettant d'assurer des débits exceptionnels tout en supprimant pratiquement les risques d'usure et les besoins d'entretien ce qui désigne le dispositif de pompage conforme å l'invention essentiellement a l'usage des pays où l'obtention de l'eau est une contrainte telle que les pays sahéliens. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, le rebord de l'extrémité du corps de piston opposé à la structure alvéolaire est chanfreiné de façon à ramener vers l'intérieur les grains de sable qui pourraient se trouver à la périphérie du corps de piston en cas de pompage d'eau particulièrement sablonneuse, ces grains de sable étant ainsi éliminés et non amassés entre les parois des corps de piston et de la colonne d'exhaure. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le diamètre extérieur de chaque corps de piston est sensiblement inférieur au diamètre intérieur du corps de pompe. I1 en résulte une réduction très sensible des frottements entre les parties immergées et le tube d'exhaure ainsi qu'une moindre résistance au pompage. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la colonne d'exhaure peut faire office de revêtement de forage. Pour cela, on utilise un tubage unique, renforcé par rapport a celui utilisé simplement pour la pompe, en supprimant le tube de revêtement intermédiaire utilisé d'ordinaire entre le trou foré et la colonne d'exhaure de la pompe, ce qui entraine une économie sensible dans le coût du forage aménagé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs - la fig. 1 est une vue d'ensemble simplifié d'un dispositif de pompage conforme à l'invention, - la fig. 2 est une vue en perspective éclatée d'un piston conforme i l'invention, - la fig. 3 est une vue de dessus d'un piston conforme à l'invention, - la fig. 4 est une vue de dessous du piston de la figure 3 et, - la fig. 5 est une vue en coupe d'une section immergée du dispositif de pompage conforme a l'invention. A la figure 1, on .a représenté une vue d'ensemble schématique d'un dispositif de pompage conforme a l'invention. Ce dispositif de pompage comprend tout d'abord une superstructure extérieure 1 non spécifique à l'invention. Cette superstructure 1 du type tête de cheval, ne sera pas décrite en détail car sa description est donnée dans le brevet OAPI n56772 précité. Ainsi qu'on le voit encore i la figure 1, le dispositif de pompage conforme & l'invention est du type constitué d'un train de tiges 2 animé d'un mouvement de va et vient a l'intérieur d'une colonne d'exhaure ou corps de pompe 3 qui est par exemple constituée d'un tube en PVC ou analogue, une pluralité de pistons 4 étant fixée à égale distance le long du train de tiges 2 d'une manière que l'on décrira plus loin. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, les pistons 4 sont séparés d'une distance d'environ 3 m. La colonne d'exhaure 3 comprend également des manchons de couplage 3a en acier qui permettent l'assemblage des éléments tubulaires constituant cette colonne d'exhaure 3 (voir fig. 1 et 5), et un clapet de pied 9 qui n'est pas spécifique i l'invention. De manière également non spécifique a l'invention, le train de tiges 2 est constitué avec de l'étiré de diamètre 14 mm en longueur de trois mètres, assemblé par filetage au moyen de manchons acier hexagonaux 2a de diamètre 21mm sur plat (voir fig. 5), chaque manchon précité étant vissé et soudé à l'extrémité supérieure de chaque tige. Un contre écrou 2b évite le dévissage des manchons 2a. Chaque manchon 2a précité est protégé par un capuchon en PVC souple non représente. Conformément i l'invention (voir fig. 2 à 4) chaque piston 4 comprend un corps de piston cylindrique 4a rendu solidaire du train de tiges 2 d'une manière que l'on décrira plus loin, dont l'extrémité orientée vers le bas de la colonne d'exhaure 3 est constituée (voir fig. 2 et 4) d'une structure alvéolaire fixe 5 comportant un orifice axial 6 destiné au passage du train de tiges 2. Un clapet de refoulement 7 (voir fig. 2 et 3) qui est constitué d'une membrane circulaire en matière plastique souple est maintenu en appui contre la structure alvéolaire précitée 5 par un élément tubulaire 8 qui s'étend dans le corps du piston 4a et est traversé par le train de tiges 2 dont il est également rendu solidaire. La membrane 7 précitée formant clapet de refoulement dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre intérieur du corps de piston 4 et qui comprend une ouverture axiale 7a pour le passage du train de tiges 2, présente du côté opposé a la structure alvéolaire 5 une collerette 7b qui permet son emmanchement à l'extrémité 8a de l'élément tubulaire 8 adjacente à la structure alvéolaire 5. L'extrémité 8a précitée de l'élément 8 est constituée par une section d'élément tubulaire de diamètre réduit par rapport A celle qui s'étend i l'intérieur du corps du piston 4a, le diamètre de ladite section étant déterminé pour que l'extrémité 8a de l'élément tubulaire 8 vienne se loger dans l'orifice axial 6 de la structure alvéolaire 5.La pénétration de l'extrémité 8a de l'élément tubulaire 8 dans l'orifice 6 du corps de la structure alvéolaire 5 qui est solidaire du corps de piston 4a produit un auto-centrage de l'élément tubulaire 8 a l'intérieur du corps de piston 4a et par conséquent un auto-centrage de la membrane 7 formant clapet de refoulement ainsi que la solidarisation des trois éléments constituant le piston 4, c'est-à-dire l'élément tubulaire 8, la membrane 7 et le corps de piston 4a. Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, le rebord 10 de l'extrémité -du corps de piston 4a opposée a la structure alvéolaire 5 précitée est chanfreiné a 45 de façon i ramener vers l'intérieur du corps de piston 4a les grains de sable qui pourraient se trouver a la périphérie du corps de pompe ou colonne d'exhaure 3 en cas de pompage d'eau trop particulièrement sablonneuse, ces grains de sable étant ainsi éliminés et non amassés entre les parois des pistons 4 et de la colonne d'exhaure 3. Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, l'élément tubulaire 8 présente a son extrémité 8b opposée au clapet de refoulement 7, des ailettes de centrage 11 (trois ailettes decalées angulairement de 1208 l'une par rapport a l'autre dans l'exemple représenté) qui s'étendent radialement entre la surface extérieure de l'élément tubulaire 8 et la surface intérieure 4c du corps de piston 4a. Les ailettes de centrage 11 procurent un autocentrage des pistons 4 i l'intérieur de la colonne d'exhaure 3 lors de l'utilisation du dispositif de pompage conforme a la mention. Par ailleurs, la structure alvéolaire 5 précitée comprend (voir fig. 2 et 4) une multitude de bras 5a qui s'étendent radialement entre la paroi du corps de piston 4a et l'orifice 6 de passage du train de tiges 2. Les bras 5a qui présentent suivant les génératrices du corps de piston 4a une hauteur non négligeable par rapport i la longueur du corps de piston 4a forment avec le corps 6a de l'orifice 6 de même hauteur un support approprié pour la membrane 7 formant clapet de refoulement tout en constituant une structure alvéolaire qui permet de régidifier le corps de piston 4a et le passage de l'eau lors de l'utilisation du dispositif de pompage conforme a l'invention en phase de refoulement. Comme on le voit a la figure 5 le diamètre extérieur de chaque corps de piston 4a est sensiblement inférieur au diamètre intérieur du corps de pompe ou colonne d'exhaure 3. I1 en résulte une réduction très sensible des frottements entre les parties immergées de la pompe et le tube d'exhaure 3 ainsi qu'une moindre résistance au pompage. Les pistons 4 sont répartis et fixés sur toute la longueur du train de tiges 2 a égale distance les uns des autres de la façon suivante. Du côté de l'élément tubulaire 8 présentant les ailettes 11 une rondelle en acier 12 est soudée sur le train de tiges 2 (voir figure 5). Le piston 4 est maintenu en appui contre la rondelle en acier 12 précitée par un ensemble écrou contre-écrou 13 vissé sur le train de tiges 2 en appui contre l'extrémité du corps de piston 4a opposée aux ailettes 11. Un autre avantage de l'invention consiste dans la possibilité d'utiliser la colonne d'exhaure ou corps de pompe 3 comme revêtement de forage. Pour cela, on utilise un tubage 3 unique d'épaisseur renforcée par rapport a celle du revêtement utilisé simplement pour la pompe ce qui permet de supprimer le tube de revêtement intermédiaire utilisé habituellement entre le trou foré et la colonne d'exhaure 3 de la pompe. Une telle disposition procure une économie sensible dans le coût du forage aménagé. On notera que les pistons 4 décrits sont dépourvus de tout joint. Ce dernier indispensable en cas de piston unique pour assurer l'étanchéité et dont l'usure souvent rapide entrassne irrémédiablement la panne du dispositif de pompage, devient inutile en cas de pluralité des pistons. Cette absence de joint et de parties mobiles en dehors de la membrane 7 faisant office de clapet, ainsi que les matériaux employés pour la réalisation des pistons 4, matériaux qui présentent une grande résistance å la corrosion, confèrent une robustesse et une efficacité particulières permettant d'assurer des débits exceptionnels tout en supprimant pratiquement le risque d'usure et les besoins d'entretien, ce qui destine le dispositif de pompage conforme a l'invention essentiellement å l'usage des pays où l'obtention de l'eau est une contrainte, tels que les pays sahéliens. Les diamètres du tube d'exhaure 3 et des pistons 4 peuvent varier selon la profondeur du forage, son débit et les besoins en eau des utilisateurs, de 50 millimètres (diamètre extérieur de la colonne d'exhaure 3) jusqu'd 160 millimètres et éventuellement au-del & en cas de pompe motorisée a grande profondeur. Une des caractéristiques de -ce type de dispositif de pompage réside en effet dans la possibilité d'obtenir des débits importants h grande profondeur, la multiplicité des pistons assurant une pression constante par piston quelle que soit la profondeur. Les caractéristiques de 1'ensemble tube de revêtement-colonne d'exhaure 3 (identiques sur toute la hauteur du forage), train de tiges 2, pistons 4 répartis comme indiqué ci-avant et clapet de pied 9 anti-retour placé à la base inférieure de la pompe permettent sa mise en place dans un forage jusqu'a une profondeur suffisante pour atteindre la zone aquifère quelle que soit la profondeur de cette zone, tout en préservant le rendement maximal de la pompe.Il importe seulement de prevoir, le tube de revêtement-colonne d'exhaure étant désormais fixe, un dispositif spé-cial pour que le clapet de pied anti-retour 9 logé dans la partie inférieure de ce tube puisse être retiré à volonté pour examen. I1 suffira de pourvoir le clapet de pied 9 a son extrémité supérieure d'un taraudage permettant d'y engager l'extrèmité inférieure filetée du train de tiges 2 pour le ramener vers la surface du puits. Le fonctionnement du dispositif de pompage décrit est le suivant. Lorsque le train de tiges monte, il entraîne avec lui les pistons 4. La membrane 7 de chaque piston 4 est maintenue en appui contre la structure alvéolaire 5 du piston 4 correspondant, de sorte que l'ensemble devient relativement étanche et fait le vide au-dessous, ce qui fait se lever le clapet de pied 9 de sorte que de l'eau entre dans le corps de pompe 4. Lorsque le train de tiges est abaissé, il entraine avec lui vers le bas les pistons 4. L'eau contenue dans le bas du corps de pompe 4 par le clapet de pied 9 remonte vers le haut de la colonne d'exhaure 3 en passant par les alvéoles de la structure alvéolaire 5 de chaque piston 4 et en repoussant la membrane 7 due chaque piston 4. Le dispositif de pompage conforme a l'invention peut être adapté a des superstructures diverses selon qu'il est actionné soit par un simple levier de commande manuelle prévu pour 1 à 4 personnes (une femme ou un enfant pouvant l'actionner sans effort pour des besoins familiaux), soit par traction animale au moyen d'un manège, soit par une quelconque motorisation et un mécanisme de transmission provoquant le mouvement alternatif des pistons 4. Plusieurs pompes peuvent en outre être installés dans le même ouvrage. Le dispositif de pompage conforme à l'invention peut être également utilisé pour l'extraction du pétrole. Dans ce cas, seuls les matériaux utilisés pour la colonne d'exhaure et les pistons seront à adapter. I1 pourront par exemple être en métal, la viscosité des produits pétroliers les mettant a l'abri des risques de grippage qui se produiraient rapidement en cas d'extraction d'eau sablonneuse et parfois saumâtre. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Les ailettes de guidage 11 de chaque piston 4 pourraient par exemple être hélicoïdales de sorte que l'eau serait amenée à tourbillonner dans un sens ou dans l'autre tout en ramenant le sable vers le centre de la colonne d'exhaure. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de pompage du type constitué d'un train de tiges (2) animé d'un mouvement de va et vient a l'intérieur d'une colonne d'exhaure ou corps de pompe (3), une pluralité de pistons (4) étant fixée le long du train de tiges (2), caractérisé en ce que chaque piston (4) comprend un corps de piston cylindrique (4a) solidaire du train dé tiges (2) dont l'extrémité orientée vers le bas de la colonne d'exhaure (3) est constituée d'une structure alvéolaire (5) comportant un orifice axial (6) destiné au passage du train de tiges (2), un clapet de refoulement (7) étant maintenu en appui contre la structure alvéolaire (5) précitée par un élément tubulaire (8) s'étendant dans le corps (4a) du piston (4) et traversé par le train de tiges (2) dont il est également rendu solidaire. 2 - Dispositif de pompage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le clapet de refoulement est constitué d'une membrane circulaire (7) en matière plastique souple dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre intérieur du corps du piston (4a) et comprenant une ouverture axiale (7a) pour le passage du train de tiges (2). 3 - Dispositif de pompage conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane (7) précitée présente une collerette (7b) qui permet son emmanchement a l'extrémité (8a) de l'élément tubulaire (8) adjacente i la structure alvéolaire (5). 4 - Dispositif de pompage conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément tubulaire (8) présente a son extrémité (8b) opposée au clapet de refoulement (7), des ailettes de centrage (11) s'étendant radialement entre la surface de cet élement tubulaire (8) et la surface intérieure du corps du piston (4a). 5 - Dispositif de pompage conforme i l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rebord (10) de l'extrémité (8a) du corps de piston (4a) opposée i la structure alvéolaire (5) est chanfreinée. 6 - Dispositif de pompage conforme i l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure alvéolaire (5) comprend une multitude de bras (5a) qui s'étendent radialement entre la paroi du corps de piston (4c) et l'orifice de passage (6) du train de tiges (2). 7 - Dispositif de pompage conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre extérieur de chaque corps de piston (4a) est sensiblement inférieur au diamètre intérieur du corps de pompe (3). 8 - Dispositif de pompage conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pistons (4) sont répartis et fixés sur toute la longueur du train de tiges (2) i égale distance les uns des autres. 9 - Dispositif de pompage conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la colonne d'exhaure (3) peut faire office de revêtement de forage. 10 - Piston (4) pour un dispositif de pompage conforme i l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un corps de piston cylindrique (4a) solidaire du train de tiges (2) dont l'extrémité orientée vers le bas de la colonne d'exhaure est constituée d'une structure alvéolaire (5) comportant un orifice axial (6) destiné au passage du train de tiges (2), un clapet de refoulement (7) étant maintenu en appui contre la structure alvéolaire (5) précitée par un élément tubulaire (8) s'étendant dans le corps (4a) du piston (4) et traversé par le train de tiges (2) dont il est également rendu solidaire