Brevet FR2685391A1 — publié le 19930625

"Pompe à piston pour très basses températures en par- ticulier pour liquides cryogéniques " L'invention concerne une pompe à piston pour pomper un liquide dans le domaine des très basses tem- pératures, cette pompe comprenant un boîtier de pompe en forme de boîtier sous vide avec un tube intérieur recevant lui-même un cylindre dans lequel coulisse longitudinalement un piston, une extrémité du cylindre correspondant au côté haute pression et l'autre extré- mité au côté basse pression de la pompe à piston et un guide de tige de piston étant relié au cylindre du côté basse pression pour recevoir de manière coulis- sante longitudinalement, une tige de piston dont une extrémité est reliée au piston et l'autre extrémité à15 un moteur extérieur au boîtier de la pompe. Les pompes à très basses températures, usuelles, sont utilisées pour pomper de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, du dioxyde de carbone et des hydrocarbures, tous à l'état liquide Comme dans ces20 applications, la température la plus basse est d'envi- ron -200 C et que la chaleur de vaporisation est rela- tivement importante, les exigences auxquelles doivent satisfaire les pompes usuelles ne sont pas très stric- tes quant à l'isolation et à l'étanchéité A cela s'a-25 joute que ces gaz liquéfiés sont d'une fabrication re- lativement peu coûteuse. Les pompes à très basses températures, usuelles, ne conviennent toutefois pas pour pomper de l'hydrogène liquide à cause des pertes frigorifiques élevées qui s'y produisent La chaleur de vaporisation de l'hydrogène n'est que de 1/6 ème de celle de l'oxy- gène, la température de l'hydrogène liquide est de l'ordre de -2530 C et sa viscosité est très faible En outre, la fabrication d'hydrogène liquide est très coûteuse Pour ces raisons, les pompes à très basses températures servant à pomper des liquides dans une plage de très basses températures, inférieures, à -2500 C, notamment pour pomper de l'hydrogène liquide, doivent satisfaire à des contraintes particulières. On connaît certes des cas particuliers de pompes supposées convenir au pompage d'hydrogène li- quide (voir DE-36 21 727 et EP O 069 324) mais il s'a- git de pompes dites immergées, qui sont montées par en haut dans un récipient rempli d'hydrogène liquide. Cette disposition peut convenir pour des pompes de la- boratoires soumises à des faibles pressions et ayant de petits débits Mais comme on ne peut monter sur de telles pompes que de petits moteurs légers, elles ne conviennent pas pour fournir de l'hydrogène à haute pression avec des débits importants à cause des puis- sances élevées, nécessaires à cet effet et ainsi du poids du moteur De plus, pour la compression à haute pression d'hydrogène, les pompes doivent satisfaire à des exigences beaucoup plus strictes que pour débiter des quantités plus faibles à des pressions plus rédui- tes Cela est fondé sur les propriétés physiques déli- cates ainsi que la chaleur de vaporisation, la tempé- rature et la viscosité de l'hydrogène liquide. La présente invention a pour but de créer une pompe à piston convenant également pour débiter des quantités importantes de fluides à très basses températures, dont les températures sont inférieures à -250 C et à des pressions et de débit élevés. A cet effet, l'invention concerne une pompe à piston caractérisée en ce que le cylindre et le gui- de de la tige de piston sont glissés dans le tube in- térieur du boîtier, le guide de tige de piston étant fixé au boîtier de la pompe à l'extrémité opposée à celle du cylindre et son étanchéité vis-à-vis de l'am- biance est réalisée par un joint torique le cylindre étant rendu étanche à la fois du côté haute pression et du côté basse pression par des joints en matière plastique vis-à-vis du tube intérieur du boîtier, le joint de matière synthétique étant pressé du côté bas- se pression, à la jonction du cylindre et de la tige de piston, un élément de serrage en un matériau à con- traction thermique plus faible que celle du matériau du boîtier de pompe, contre le tuve intérieur du boî- tier Le joint en matière plastique est de préfé- rence en forme de joint à lèvres en V du de la basse pression, une lèvre (lèvre extérieure) étant fixée par un élément de serrage sur l'extrémité basse pression du cylindre pour être pressée contre le tube intérieur du boîtier pendant que l'autre lèvre (lèvre intérieu- re) s'applique contre le guide de tige de piston adja- cent au cylindre. Pour monter le joint à lèvres en V, on pres- se ce joint dans un manchon de montage lorsque la pom- pe est démontée et on fixe la lèvre extérieure avec pré-contrainte par-dessus le cylindre à l'aide d'un élément de serrage. Pour monter le joint à lèvres en V, on le pousse sur un manchon de montage lorsque la pompe est démontée et on pré-contraint la lèvre extérieure par- dessus le cylindre à l'aide de l'élément de serrage. Lorsqu'on glisse la pompe dans le boîtier, le manchon de montage est poussé par la lèvre d'étanchéité exté- rieure ce qui assure une étanchéité fiable entre la pompe et le boîtier Comme l'élément de serrage est en un matériau (par exemple du titane) dont la contrac- tion est plus faible que celle du matériau du boîtier (par exemple du nickel/chrome), le joint est soumis à une pré-contrainte complémentaire lors du refroidisse- ment Ce dispositif permet ainsi une étanchéité abso- lue au liquide même aux pressions de pompage élevées si bien qu'il importe peu sur le plan de la conduction thermique statistique, que la pompe à piston fonction- ne comme une pompe immergée (c'est-à-dire une pompe verticale avec un entraînement compliqué) ou comme une pompe horizontale. La présente invention crée une pompe à pis- ton, haute pression, pour pomper des fluides à très basse température, et à des pressions de refoulement allant juqu'à 1000 bars, avec un débit important et un excellent rendement Contrairement aux pompes à hydro- gène usuelles, la pompe peut recevoir en position ho- rizontale, un moteur alternatif usuel, et être liée seulement à une conduite d'alimentation, par exemple raccordée à chaque réservoir d'hydrogène liquide. Pour maintenir à un faible niveau la conduc- tion thermique et aussi la vaporisation au repos, le tube intérieur du boîtier a de préférence une faible section En outre, il est avantageux de munir la tige de piston d'un isolant en matière plastique En outre, au moins une partie du guide de tige de piston est de préférence en matière plastique Il s'agit notamment du boîtier enveloppe, c'est-à- dire de la partie du guide de la tige de piston qui constitue le moyen de liaison entre la partie froide et la partie chaude de la pompe En outre, au moins une partie de l'interval- le entre le guide de la tige de piston et le tube in- térieur du boîtier est remplie de tissu de verre. L'enveloppe de tissu de verre du tube du boîtier d'en- veloppe évite la circulation de chaleur par convection dans l'intervalle entre la pompe et le boîtier Pour isoler l'ensemble du boîtier de la pompe avec un sépa- rateur de gaz, intégré, on utilise une super isolation multicouches avec un vide poussé. Etant donné la faible chaleur de vaporisa- tion de l'hydrogène liquide, on réalise la pompe à haute pression avec deux étages, le cylindre ayant un alésage de haute pression de petit diamètre et un alé- sage de basse pression de plus grand diamètre. Au niveau de l'alésage haute pression, la tige de piston est munie, de préférence de segments de piston très étanches, paticuliers, qui n'engendrent qu'un frottement extrêmement faible Il s'agit de seg- ments de piston jumelés en PTFE (polytétrafluoréthylè- ne) comprenant un segment à section rectangulaire et un segment à arête et qui ont chaque fois un interval- le ou rainure, le segment à arête ayant un bec de blo- cage qui pénètre dans la rainure du segment rectangu- laire Des segments de piston jumelés, en deux parties comprenant une partie à arête et une partie rectangu- laire sont connus en soi La dénomination segment à arête ou "segment rectangulaire" concerne la section des segments Les deux segments ont une rainure ou in- tervalle permettant la flexion au moment du montage. De façon connue, à l'aide d'une tige de blocage, on évite que les deux segments ne tournent l'une par rap- port à l'autre Pour améliorer le montage relativement compliqué surtout dans le cas de petits diamètres an- nulaires, à la place d'une tige de blocage dans le cas de la pompe à piston selon l'invention, on prévoit un bec de blocage solidaire du segment à arête et qui vient s'appuyer exactement dans la rainure ou fente du segment rectangulaire Le diamètre du segment à arête est augmenté au niveau du bec pour arriver à une étan- chéité certaine même au niveau du bec et de l'inter- valle des deux segments Comme le segment rectangulai- re est de préférence monté sur le côté opposé à la pression, il assure le travail principal et le segment à arête ne possède que le diamètre nominal du segment rectangulaire au niveau du bec de blocage (avec che- vauchement) Ce moyen ainsi que le choix d'une varian- te appropriée de PTFE aboutissent à un frottement ré- duit au minimum Ces segments de piston, particuliers, permettent d'obtenir une étanchéité remarquable avec un frottement réduit d'environ 40 % par rapport aux segments de piston, jumelés, connus. Dans la zone de l'alésage basse pression du cylindre, la tige de piston comporte trois entretoises et, du côté de la haute pression, il y a un épaulement rectangulaire contre lequel s'appuie un limiteur de pression de charge Dans l'intervalle intermédiaire on a de préférence un segment de piston très étanche, maintenu dans un organe favorisant l'écoulement et guidé dans un manchon de charge. Selon un mode de réalisation préféretiel de l'invention, la pompe comporte un séparateur de gaz auquel est intégré un capteur optoélectronique distin- guant le liquide du gaz Le capteur actionne une élec- trovanne par l'intermédiaire d'un amplificateur de commutation et cette électrovanne évacue le gaz dégagé par le refroidissement et par le fonctionnement De ce fait, il n'est pas nécessaire de prévoir une conduite de retour de vide, communiquant avec le réservoir d'a- limentation. Comme l'ensemble de la pompe se glisse dans le boîtier sous vide et qu'il n'existe qu'un point de liaison entre la pompe et le boîtier et que celle-ci se trouve en outre dans la partie chaude à l'exté- rieur, on réalise une isolation remarquable pour la pompe à piston à très basse température Grâce à la matière plastique dans une partie de la tige de piston et du boîtier d'emballage ainsi que du fait de l'enve- loppe de tissu de verre pour le tube du boîtier d'em- ballage, la conduction thermique est réduite au mini- mum En outre, les segments de piston à frottement extrêment faible n'entraînent qu'un dégagement de cha- leur extrêmement réduit En outre, les joints en ma- tière plastique de la zone haute pression et de la zone basse pression de la pompe participent de manière importante à l'étanchéité absolue aux liquides, ce qui permet également de n'avoir que de très faibles pertes calorifiques. Le concept de la pompe ainsi exposé peut être adapté suivant les besoins aux débits et pres- sions de refoulement nécessaires On peut également l'utiliser comme pompe de procédé ou comme pompe de conditionnement. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté sché- matiquement aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue d'ensemble de la pompe à très basses températures avec son boîtier, sa conduite d'aspiration et sa conduite haute pression. la figure 2 est une vue de détail en coupe longitudinale de la pompe à très basses températures. La figure 1 montre l'ensemble de la pompe avec le boîtier 4 auquel est raccordée la conduite d'aspiration 16 pour le fluide à très basse températu- re, à pomper, une conduite haute pression 17 pour le fluide comprimé, une conduite d'évacuation de gaz 18 et un séparateur de gaz 20 avec un capteur de gaz 19. La coupe longitudinale de la moitié supérieure du boî- tier 4 de la pompe montre uniquement le tube intérieur 3, 25 du boîtier, tube dans lequel on n'a pas encore glissé la pompe proprement dite (les détails de la pompe glissée dans le tube intérieur 3, 25 sont repré- sentés à plus grande échelle à la figure 2) La liai- son entre la conduite de vide 16 arrivant d'un réser- voir d'alimentation non représenté et de la pompe se fait par une liaison dont la partie intérieure est re- liée à la chambre sous vide poussée 21 du boîtier 4 de la pompe En ouvrant une électrovanne non représentée équipant la conduite de gaz 18 (en actionnant un com- mutateur manuel), le liquide à très basse température pénètre dans la pompe et refroidit celle-ci Après avoir refroidi la pompe, ce qui devient perceptible par le fonctionnement rythmé de l'électrovanne, on peut démarrer la pompe Le fonctionnement rythmé de l'électrovanne est commandé par le capteur 19 intégré au séparateur de gaz 20, horizontal Le capteur permet de distinguer le liquide et le gaz et en cas de pré- sence de liquide, il fournit un signal à un amplifica- teur de commutation qui ferme l'électrovanne; en cas d'arrivée de gaz, il ouvre de nouveau l'électrovanne. La figure 2 montre le boîtier de pompe 4 dans lequel on a glissé la pompe, suivant une repré- sentation détaillée Pour faciliter la compréhension, on décrira ci-après les différentes parties de l'appa- reillage en même temps que leur fonctionnement. La pompe proprement dite, glissée dans le tube intérieur 3, 25 du boîtier, se compose essentiel- lement du cylindre 1, du guide de tige de piston 2, du piston 13 et de la tige de piston 9 Ce tube est relié par des vis 22 au boîtier de pompe 4 et son étanchéité vis-à-vis de l'atmosphère est assurée par un joint to- rique 8 Le joint à lèvres V, 5 permet le fonctionne- ment de la pompe en position horizontale Ce joint est enfoncé dans le manchon de montage 23 lorsque la pompe est démontée et la lèvre extérieure du joint 5 est serrée par-dessus le cylindre 1 avec l'élément de ser- rage 7 Lorsqu'on glisse la pompe dans le boîtier, le manchon de montage 23 est poussé par la lèvre exté- rieure d'étanchéité assurant ainsi une étanchéité fia- ble entre la pompe et le boîtier 4 Comme l'élément de serrage 7 est réalisé en un matériau (par exemple le titane) dont la contraction est plus faible que celle du matériau du boîtier (qui est par exemple en nic- kel/chrome), par refroidissement, le joint 5 subit une pré-contrainte supplémentaire On atteint ainsi une étanchéité absolue au liquide même aux pressions de refoulement importantes Pour maintenir la conduction thermique et ainsi la vaporisation au repos à un ni- veau faible, le tube intérieur 25 du boîtier possède une faible section La tige de piston 9 est munie d'un isolant 10 en matière synthétique pour réduire la con- duction thermique dans la tige de piston 9 En outre, le boîtier enveloppe 11, c'est-à-dire la jonction en- tre la partie froide et la partie chaude de la pompe, est en matière plastique L'intervalle entre le guide 2 de la tige de piston et le tube intérieur 25 du boî- tier est rempli de tissu de verre pour réduire au mi- nimum l'échange calorifique par convection dans le vo- lume intermédiaire 12 entre la pompe et le boîtier. On réalise la pompe haute pression à deux étages à cause de la faible chaleur de vaporisation. Le cylindre 2 comporte un alésage haute pression 24 de petit dimaètre et un alésage basse pression 33 de plus grand diamètre Le piston 13 est garni de segment de piston 14 très étanches, particulier, dans l'alésage haute pression 24 et qui n'engendre qu'un très faible frottement Au niveau de l'alésage basse pression 33, on a trois entretoises 26 et du côté haute pression on a un épaulement rectangulaire 27 contre lequel s'ap- puie un limitateur de pression de charge 28 Dans le volume annulaire intermédiaire, il y a également un segment de piston 29 à haute pression maintenu dans un organe à profil d'écoulement 30 et guidé dans une fourrure de charge 31 Lorsque la tige de piston 9 passe de son point mort arrière pour effectuer un mou- vement dans la direction de la poussée, l'organe 30 vient en appui contre l'entretoise 26 et il se forme une fente 32 entre le limiteur de pression de charge 28 et l'organe 30. Lorsque la tige de piston 9 continue à se i 5 déplacer dans le sens de la course de pression, le segment de piston 29 tire la fourrure de charge 31 jusque contre la butée (commande forcée) Au cours de cette opération, du liquide basse pression pénètre sans perte de charge dans la chambre basse pression 33 sans qu'il lui soit nécessaire d'ouvrir une soupape à ressort, ce qui constitue un avantage tout particu- lier Du fait du mouvement d'ouverture de la fourrure de charge 31, la chambre basse pression 33 se dégaze par les perçages 34 dans le cylindre 1 Lors du mouve- ment d'inversion de course, l'intervalle 32 se ferme et par l'entraînement de la fourrure de charge 31 par le segment de piston 29, cela ferme également les per- çages 34 Comme le volume de la chambre basse pression 33 est un multiple de celui de la chambre haute pres- sion 24, il y a augmentation de la pression du liquide basse pression Cette augmentation de pression évite en sécurité toute vaporisation du liquide pompé, qui est à l'état d'ébullition et assure ainsi un remplis- sage optimum, sans gaz, de la chambre haute pression 24 L'amplitude de l'augmentation de pression est as- il surée par la pré-contrainte du limiteur de pression de charge 28 en forme de ressort Belleville Lorsqu'on atteint la pression de charge, le limiteur de pression de charge 28 est poussé par l'organe 30 et la pression s'exerçant sur sa surface, par l'arête de l'épaulement rectangulaire 27 du piston 13 et ainsi la surpression est transférée par les perçages limiteurs de pression de charge au liquide basse pression. R E V E N D I C A T I O N S 1-) Pompe à piston pour pomper un liquide dans le domaine des très basses températures, cette pompe comprenant un boîtier de pompe en forme de bol- tier sous vide avec un tube intérieur recevant lui- même un cylindre dans lequel coulisse longitudinale- ment un piston, une extrémité du cylindre correspon- dant au côté haute pression et l'autre extrémité au côté basse pression de la pompe à piston et un guide de tige de piston étant relié au cylindre du côté bas- se pression pour recevoir de manière coulissante lon- gitudinalement, une tige de piston dont une extrémité est reliée au piston et l'autre extrémité à un moteur extérieur au boîtier de la pompe, pompe à piston caractérisée en ce que le cylindre ( 1) et le guide ( 2) de la tige de piston sont glissés dans le tube intérieur ( 3, 25) du boîtier, le guide ( 2) de la tige de piston étant fixé au boîtier ( 4) de la pom- pe à l'extrémité ( 22) opposée à celle du cylindre ( 1) et son étanchéité vis-à-vis de l'ambiance est réalisée par un joint torique ( 8), le cylindre ( 1) étant rendu étanche à la fois du côté haute pression et du côté basse pression par des joints en matière plastique ( 5, 6) vis-à-vis du tube intérieur ( 3) du boîtier, le joint de matière plastique ( 5) étant pressé du côté basse pression, à la jonction du cylindre ( 1) et de la tige de piston ( 9), par un élément de serrage ( 7) en un matériau à contraction thermique plus faible que celle du matériau du boîtier de pompe, contre le tube intérieur ( 3) du boîtier. 2-) Pompe à piston selon la revendication 1, caractérisée en ce que le joint de matière plastique ( 5) du côté basse pression, est un joint à lèvres en V, dont une lèvre (lèvre extérieure) est pressée par l'élément de serrage ( 7) contre le tube intérieur ( 3) du boîtier, cet élément de serrage étant fixé du côté basse pression du cylindre ( 1) et dont l'autre lèvre (lèvre intérieure) s'applique contre le guide de tige de piston ( 2) adjacent au cylindre ( 1). 3-) Pompe à piston selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la tige de piston ( 9) est munie d'un isolant en matière plastique ( 10). 4-) Pompe à piston selon l'une des revendi- cations 1 à 3, caractérisée en ce qu'au moins une par- tie ( 11) du guide ( 2) de tige de piston est en matière plastique. ) Pompe à piston selon l'une des revendi- cations 1 à 4, caractérisée en ce qu'une partie de l'intervalle ( 12) entre le guide ( 2) de tige de piston et le tube intérieur du boîtier ( 25) est remplie de tissu de verre. ) Pompe à piston selon l'une des revendi- cations 1 à 5, caractérisée en ce que la tige de pis- ton ( 9) et la chemise du piston ( 13) comportent des segments de piston jumelées ( 14) en polytétrafluoré- thylène comprenant un segment à section rectangulaire et un segment avec arête, et qui sont chaque fois di- rigés sur un intervalle, le segment avec arête ayant un bec de blocage qui pénètre dans l'intervalle du segment de section rectangulaire. 7-) Pompe à piston selon l'une des revendi- cations 1 à 6, caractérisée en ce qu'au côté haute pression est associée une chambre haute pression ( 24) et au côté basse pression, une chambre basse pression ( 33) de volume plus important que celui de la chambre haute pression ( 24).