Brevet FR2720133A1 — publié le 19951124

Pistons épaulés sans segment La présente invention concerne un piston sans segment caractérisé par un épaulement extérieur (5) quand il est destiné à fonctionner dans une pompe et par un épaulement intérieur (18) quand il est destiné à fonctionner dans un moteur. Les pistons traditionnels sont équipés de segments pour obtenir une étanchéité entre les pistons et les cylindres. L'inconvénient majeur de l'emploi de segments est qu'ils sont soumis à des frottements qui engendrent la nécessité d'une lubrification à l'aide d'une huile qui doit être maintenue à un niveau de température tel que, bien souvent, le refroidissement d'une partie de la machine s'impose, exemple: les moteurs alternatifs à combustion interne. Dans d'autres cas, l'emploi de segments complique ou rend impossible l'usage de pistons dans des cylindres, exemple: les pompes à liquides chargés tels que l'eau de rivière sale ou le béton. On s'imagine aisément les conséquences que peut avoir l'absence de refroidissement dans un moteur thermique ou la pénétration de sable entre le piston et le cylindre dans une pompe à liquides chargés. La solution proposée consiste à supprimer les segments et à ajouter un épaulement au piston pour créer une fonction pompe afin de générer une contre-pression agissant dans le sens contraire des fuites provenant du côté de la tette des pistons: il n'y a pas de fuite quand a contre-pression est au moins égale à la pression agissant sur le fond du piston. Les pistons sont alors, suivant le cas, guidés par leur cylindre (figure 10), par une tige concentrique (figure 11) ou par deux ou plusieurs tiges excentriques (figure 12). Ce troisième mode de guidage est décrit dans un texte de brevet antérieur, Les figures représentent: 1: un piston pompe au point mort haut 2: - - - - - - bas 3: ~ - - - - - haut 4: - - - - - - bas 5: - - moteur au point mort haut 6: - - - - - - bas 7: - - - - - - haut 8: - - - - - - bas 9: - - - strié 10: - - pompe guidé par son épaulement 11: un piston pompe guidé par une tige concentrique 12: - - moteur guidé par des tiges excentriques Les repères ont la signification suivante: 1: piston pompe 2: admission du fluide servant à générer la contre-pression 3: volume mort au dessus du piston 4: jeu entre le piston et le cylindre 5: largeur de l'épaulement 6: volume mort au dessus de l'épaulement 7: jeu entre l'épaulement et le cylindre 8: cylindrée de la pompe 9: cylindrée de la chambre de contre-pression 10: piston moteur 11: admission du fluide servant à générer la contre-pression 12: volume mort au dessus du piston 13: jeu entre le piston et le cylindre 14: cylindrée de la chambre de contre-pression 15: jeu entre l'épaulement et le cylindre 16: cylindrée du moteur 17: volume mort sous l'épaulement 18: largeur de l'épaulement 19: stries 20: jupe de l'épaulement 21: piston pompe 22: cylindre 23: tige concentrique 24: guide 25: piston moteur 26: chariot 27: tige excentrique 28: cylindre Explication des figures Figures 1 et 2: Le volume mort (6) est proportionnellement plus petit que le volume mort (3) pour que le taux de compression au dessus de la couronne formée par l'épaulement (5) puisse être progressivement toujours plus élevé que sur la tête du piston. Exemple: La contre-pression dans une pompe à gaz se fait à l'aide de l'air ambiant. Une valve ou un clapet uni-directionnel permet l'as piration de l'air par le conduit (2) dans la chambre (9) en même temps que le cylindre (8) se remplit de gaz. Le clapet se ferme en fin de course. Quand le piston (1) se déplace du PMB au PMH, les volumes (8 et 9) diminuent. Comme la pression de compression est égale à la pression initiale multipliée par le taux de compression affecté de l'expo- sant polytropique des gaz réels et que le taux de compression réalisable est déterminé par le volume des espaces morts, la pression unitaire de l'air est plus élevée que la pression des gaz quand le volume mort (6) est proportionnellement plus petit que le volume mort (3). La surface de l'épaulement (5) doit être plus grande que la surface des jeux (4 et 7) réunis pour que le volume engendré par le déplacement de la couronne soit supérieur aux fuites et que la pression unitaire dans la chambre (9) reste supérieure à la pression unitaire qui agit sur la tête du piston (1). Le jeu (4) pourra hêtre plus grand que le jeu (7) pour que les pertes de charges soient plus grandes en (7) qu'en (4) afin de forcer le fluide de contre-pression à passer de la chambre (9) vers la tête du piston (1) et pour d'éventuelles raisons de température. Figures 3 et 4: L'épaulement est oblique pour que le diamètre du conduit (2) soit entièrement fonctionnel dès le premier mouvement du piston. Figures 5 et 6: I1 n'y a pas de rapport à établir entre les volumes morts (12 et 17) parce qu'ils se situent à chaque extrémité de la course du piston. Cependant, en considérant que ce piston trouve une application dans un moteur thermique selon lequel les différents changements d'état du cycle se produisent chacun dans des composants séparés: compresseur, chambre de combustion, moteur, reliés entre eux par des éléments de guidage du flux, penser à la turbine à gaz, voir texte de brevet F 94 00100, il faut que la pression unitaire d'admission de l'air en (11) soit supérieure à la pression unitaire de refoulement des gaz bullés; cet air peut venir d'un réservoir tampon. En phase travail, donc quand le piston est poussé du PITi au PMBs la pression unitaire dans la chambre (14) sera supérieure à celle qui règne sur le piston pour garder les gaz en combustion dans le cylindre (16) et donc isoler le reste de la machine. La surface de l'épaulement (18) doit être plus grande que la surface des jeux (13 et 15) réunis pour que le volume engendré par le dé- placement de la couronne soit supérieur aux fuites et que la pression unitaire dans la chambre (14) reste supérieure à la pression unitaire qui agit sur la tête du piston (10). Le jeu (13) pourra être plus grand que le jeu (15) pour que les pertes de charge soient plus grandes en (15) qu'en (13) afin de forcer l'air de contre-pression à passer de la chambre (14) vers la tette du piston (10) et pour des raisons certaines de température. La température de l'air admis en (11) aura une influence sur le comportement thermique du piston et du cylindre. Il faudra donc en tenir compte et éventuellement réchauffer l'air de contre-pression pour éviter les chocs thermiques. Figures 7 et 8: L'épaulement est oblique pour que la surface du conduit (11) soit entièrement dégagée quand le piston se met en mouvement. Figure 9: Le piston moteur de cette figure est recouvert d'un grand nombre de stries (19) peu profondes pour provoquer un maximum de pertes de charge. Ces stries, assimilables à des micro-sillons ou à des micro-gorges doivent se situer hors du champ de mesure de la rugosité de surface. Exemple: Le jeu diamétral entre un piston et son cylindre s'élève à 0,4 mm et le jeu diamétral entre la jupe de l'épaulement et son cylindre à 0,2 mm. L'écart des tolérances d'usinage s'élève à 0,04 mm. Les stries sont espacées de 1 mm, profondes et larges de 0,4 mm. Une rugosité Ra de 1,6 um pourra être demandée sans que l'efficacité des stries soit annulée, tout en cherchant à obtenir le jeu le plus faible possible entre le piston et son cylindre, car plus petit est le jeu réel et plus grande est l'étanchéité. Figure 10: Ce piston pompe est guidé par la jupe (20) de son épaulement qui garde sa fonction pompe pour créer la contre-pression. Cette option n'est valable que dans la mesure où le fluide de contre-pression est un liquide non-agressif servant également à la lubrification du guidage et où les matériaux du piston et du cylindre sont choisis en conséquence. Figure 11: Ce piston pompe (21) est guidé par une tige concentrique (23) logée dans le guide (24). Les mesures habituelles seront prises pour permettre la lubrification du guidage. Ce mode de guidage est aussi valable pour les pistons moteur. Figure 12: Ce piston moteur (25) est porté et guidé par un chariot (26) qui coulisse le long de tiges (27) fixées dans le bloc (28). Cette méthode permet de disposer les tiges (27) assez loin du cylindre pour que la lubrification du guidage se fasse sans problème. Ce mode de guidage est aussi valable pour les pistons pompe. Remarques d'ordre général Quand les fluides sont de même nature, les volumes morts (3 et 6) peuvent avoir des valeurs qui ne sont pas interdépendantes. Quand les fluides sont des liquides peu compressibles, la largeur de l'épaulement (5) est plutôt gérée par la notion d'écoulement par une fente d'étanchéité excentrique. La pression d'admission en (2) peut être supérieure à la pression atmosphérique. I1 faut veiller à ce que le taux de remplissage de la chambre (9) soit au moins égal sinon supérieur au taux de remplissage du cylindre. Les stries (19) peuvent aussi être usinées dans les pistons pompe ou ne l'être que sur une partie de la jupe ou aussi ou uniquement dans le cylindre. La jupe de l'épaulement du piston représenté par la figure 10 peut être équipée de joints ou de segments choisis en fonction du fluide servant à générer la contre-pression et non pas en fonction du fluide à pomper: dans une pompe à béton, la contre-pression se fait avec de l'eau claire; les joints subissent la qualité de l'eau et l'usure due aux frottements, mais ils ne souffrent pas le béton puisqu'il y a une garniture d'eau entre le béton et les joints. La distribution peut se faire à l'aide de soupapes, de clapets, d'un disque de distribution ou par tout autre moyen jugé utile. Un piston guidé par une tige concentrique (figure 11) peut être commandé par un piston hydraulique à double effet situé à l'autre extré- mité de la tige. Cette configuration permet d'obtenir de très fortes poussées. La transformation du mouvement alternatif en mouvement rotatif et inversément peut se faire à l'aide d'un vilebrequin, d'un arbre à cames, d'un plateau à inclinaison fixe ou variable ou par tout autre moyen à la convenance du constructeur. Les pistons peuvent être montés en ligne, en carré, en V, en opposition ou dans un barillet, verticalement ou horizontalement. Avantage s Les pistons et les cylindres ne s'usent pas gr ce à l'absence de frottement, ce qui ouvre la voie à l'emploi de céramiques. Longue périodicité d'entretien parce que la qualité de l'huile de lubrification des guidages (figures 11 et 12) ne peut pas être altérée par les gaz en combustion ou par les fluides pompés, quelle que soient leurs agressivités, meme quand il faut refroidir l'huile. Les pistons de ce brevet permettent d'associer les avantages des machines à pistons et des turbines, sans en subir les inconvénients: rendement volumétrique et hautes pressions à bas régimes + absence de frottement. La contre-pression, obtenue par la pompe solidaire du piston permet d'obtenir une bonne étanchéité, donc aussi un bon frein moteur, ce qui n'est pas le cas dans les turbines à gaz. La fonction pompe est moins chère à fabriquer et consomme moins d'énergie que le pot catalytique n'en gaspille. Valeurs d'émissions favorables sans équipement grâce à l'absence de refroidissement des moteurs thermiques, ce qui permet d'obtenir des températures de fonctionnement élevées, donc un bon taux de combustion, ce qui n'est pas le cas dans les moteurs alternatifs traditionnels. Domaines d'applications Compresseurs d'air moyenne et haute pression, ils ne doivent pas obligatoirement être refroidis. Pompes à oxygène et à hydrogène, elles ne craignent pas le froid. Pompes hydrauliques, nombres d'hypothèses sont permises. Pompes pour l'industrie chimique, l'absence de frottement diminue, voire supprime les problèmes liés à l'agressivité des fluides. Pompes à liquides chargés, un fluide propre est introduit dans la chambre de contre-pression et refoulé le long du piston pour garder la jupe du piston et la chemise propres. Pompes alimentaires et médicales, la partie cylindre peut être isolée de la partie mécanique et fonctionner sans frottement, ce qui permet d'accéder à un très haut niveau d'hygiène. Moteurs hydrauliques dans les retenues d'eau et les centrales nucléaires, les rendements sont importants, puisqu'il est possible d'atteindre des pressions moyennes, donc des couples très élevés. Moteurs thermiques, ils allient les avantages des moteurs à combustion interne et des turbines à gaz sans en subir les inconvénients. Revendications 1- Piston épaulé sans segment, caractérisé par un épaulement extérieur (5) perpendiculaire ou oblique quand il est destiné à fonctionner dans une pompe ou par un épaulement intérieur (18) perpendiculaire ou oblique quand il est destiné à fonctionner dans un moteur, les épaulements servant à générer une contre-pression agissant dans le sens contraire des fuites provenant du côté de la tette des pistons. 2- Piston épaulé sans segment selon la première revendication, caractérisé en ce qu'il est destiné à fonctionner dans une pompe à fluides compressibles et pour celà conçu de manière à ce que le volume mort (6) de la chambre de contre-pression (9) soit proportionnellement plus petit que le volume mort au dessus du piston (1) afin que la pression unitaire dans la chambre (9) soit progressivement toujours plus élevée que la pression unitaire dans le cylindre (8) dans le bit de contrer les fuites provenant du côté de la tête du piston par le seul déplacement du piston. 3- Piston épaulé sans segment selon la première revendication, caractérisé en ce qu'il est destiné à fonctionner dans un moteur thermique selon lequel les différents changements d'état du cycle se produisent chacun dans des composants séparés reliés entre eux par des éléments de guidage du flux, la pression unitaire de l'air de contrepression admise en (11) étant supérieure à la pression unitaire de refoulement des gaz brillées et la pression unitaire dans la chambre (14) restant supérieure en phase travail à la pression unitaire agissant sur le piston (10) par la diminution du volume de la chambre (14). 4- Piston épaulé sans segment selon une revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est recouvert, en entier ou en partie, de stries assimilables à des micro-sillons ou des micro-gorges pour provoquer un maximum de pertes de charge, les stries étant situées hors du champ de mesure de la rugosité de surface afin de maîtriser le jeu réel entre le piston et le cylindre. 5- Piston épaulé sans segment selon une revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est guidé par la jupe (20) de son épaulement qui garde sa fonction pompe pour créer la contre-pression. 6- Piston épaulé sans segment selon une revendication précédente caractérisé en ce qu'il est guidé par une tige concentrique (23) logée dans un guide (24), les mesures habituelles étant prises pour permettre la lubrification du guidage. 7- Piston épaulé sans segment selon une revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est porté et guidé par un chariot (26) qui coulisse le long de tiges (27) fixées dans le bloc (28).