Brevet FR2754570A1 — publié le 19980417

La présente invention concerne les compresseurs à piston à mouvement alternatif rectiligne. Dans de nombreuses applications, ces compresseurs ne sont pas lubrifiés pour éviter tous risques de pollution du gaz comprimé, et le piston est généralement supporté et guidé par un ou plusieurs segments porteurs qui le maintiennent centré dans le cylindre de façon à supprimer tout frottement générateur d'usure entre piston et cylindre. Les segments porteurs sont réalisés en matériaux à faible coefficient de frottement par exemple en polytetrafluorethylène. Ces segments sont évidemment soumis à usure et il est très important de connaître leur durée de vie pour pouvoir les changer en temps utile et éviter d'endommager gravement le compresseur. Malheureusement la durée de vie des segments dépend de nombreux paramètres: vitesse du piston, poids du piston, notamment lorsque le cylindre est à axe horizontal, matériau du cylindre, rugosité et température de la surface du cylindre, nature et caractéristiques thermodynamiques du gaz comprimé, etc..., et il n'est pas possible de la prévoir avec précision. On est donc obligé de prendre des marges de sécurité importantes, ce qui oblige à augmenter la fréquence des arrêts pour entretien. Cet inconvénient est aggravé par le fait que, pour des raisons d'ordre économique, les constructeurs cherchent à limiter le nombre d'étages de compression et à accroître la vitesse des pistons ce qui a pour conséquence l'augmentation de la température dans les cylindres et conduit à utiliser les segments porteurs dans des conditions proches de leurs conditions limites. Le but de la présente invention est de réduire de façon notable l'usure des segments porteurs. Le compresseur objet de l'invention est caractérisé en ce que le piston est en un matériau amagnétique et porte au moins deux aimants permanents à aimantation radiale, angulairement espacés l'un de l'autre sur sa périphérie et en ce que au moins deux barreaux aimantés à aimantation radiale sont montés à la périphérie du cylindre, parallèlement à ses génératrices, chaque barreau se trouvant approximativement dans le même plan radial que l'un des aimants du piston, de telle sorte que lesdits barreaux aimantés exercent sur le piston, tout le long de sa course, des forces de répulsion radiales. Dans le cas où l'axe du cylindre est vertical ou légèrement incliné, on utilisera au moins trois aimants régulièrement répartis sur la périphérie du piston et trois barreaux aimantés dans le cylindre pour maintenir le piston centré sur l'axe du cylindre. Dans le cas où l'axe du cylindre est horizontal ou incliné, on pourra n'utiliser que deux aimants disposés symétriquement par rapport au plan vertical contenant l'axe du piston, au dessous du plan contenant cet axe et perpendiculaire audit plan vertical, et deux barreaux aimantés disposés dans le cylindre, en regard desdits aimants, de façon à exercer sur le piston des forces de répulsion équilibrant au moins partiellement le poids du piston ou la composante du poids perpendiculaire à l'axe du piston, respectivement. Les barreaux aimantés montés sur le cylindre seront, de préférence disposés dans des rainures usinées sur la surface extérieure d'une chemise amovible, suivant ses génératrices ; ils seront fixés, par exemple par collage, dans les rainures. La chemise sera fabriquée en un matériau amagnétique, par exemple en acier inoxydable. Plusieurs barreaux aimantés pourront être disposés côte-àcôte dans des rainures parallèles. La longueur des barreaux aimantés sera supérieure à la course du piston augmentée de la longueur utile, comptée parallèlement à l'axe du piston, des aimants montés sur ce dernier de telle sorte que lorsque le piston se trouve aux deux extrémités de sa course les aimants qu'il porte se trouvent axialement en retrait par rapport aux extrémités des barreaux aimantés respectifs du cylindre. Les barreaux seront avantageusement constitués par une ou plusieurs rangées d'aimants élémentaires parallélépipédiques disposés bout-à-bout ; les rangées pourront être disposées côte-à-côte ou superposées. En variante, les aimants élémentaires pourront avoir la forme de tuiles dont la courbure correspondra à celle de la chemise. Les aimants portés par le piston seront, de préférence, montés dans des pièces support fixées de manière amovible sur le piston de telle sorte que leur surface extérieure constitue une partie de la surface cylindrique du piston. Les aimants seront fixés, par exemple par collage, dans des logements usinés dans la surface intérieure des pièces support. Chaque pièce support pourra porter plusieurs aimants parallélépipédiques élémentaires disposés bout-à-bout ou côte-àcôte ou superposés. Les aimants portés par le piston pourront avoir la forme de barreaux et s'étendre sur la majeure partie de la longueur du piston ; ils se trouveront alors à une distance de la surface du piston supérieure à la profondeur des gorges où sont logés les segments porteur et d'étanchéité du piston et les pièces support seront, de préférence, en acier doux pour constituer des pièces polaires canalisant le champ magnétique. En variante, les aimants pourront être placés entre les gorges des segments et/ou entre ces dernières et les extrémités du piston, ils pourront alors se trouver plus près de la surface du piston et les pièces support pourront être en un matériau amagnétique, tel que l'aluminium. Dans le cas où le piston comporte une jupe ou est creux et formé par assemblage d'une bague et de deux têtes de piston (piston à double effet), les aimants peuvent être logés dans des rainures ou des cavités usinées sur la surface intérieure de la jupe ou de la bague. Lorsque les aimants ne sont pas régulièrement répartis sur la périphérie du piston une ou plusieurs masselottes d'équilibrage peuvent être fixées sur le piston on pourra utiliser pour le montage des masselottes le même montage que pour les aimants. Dans ce cas, la ou les masselottes pourront être en acier doux et on pourra monter sur le cylindre un aimant exerçant sur la ou les masselottes une force d'attraction s'ajoutant aux forces de répulsion des barreaux aimantés. Les aimants auront des caractéristiques égales ou supérieures à celles présentées par des aimants en Samarium-cobalt ou Néodyme-Fer-Bore. La description qui suit se réfère aux dessins l'accompagnant qui montrent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation de l'invention et sur lesquels La figure 1 est une vue en coupe d'un compresseur à piston à mouvement alternatif rectiligne réalisé conformément à l'invention; La figure 2 est une coupe transversale, par un plan perpendiculaire à l'axe, de l'ensemble piston-chemise du compresseur de la figure 1, représenté à plus grande échelle La figure 3 est une coupe suivant A-A de l'ensemble de la figure 2 La figure 4 est une vue en perspective de cet ensemble coupé suivant A-B (figure 2); La figure 5 est une vue en perspective de la chemise ; et La figure 6 est une vue agrandie, en perspective, d'une des pièces support d'aimants du piston. Le compresseur représenté sur la figure 1 est un compresseur à piston à axe horizontal et à mouvement rectiligne alternatif. II est composé d'un bâti 10 dans lequel est monté un vilebrequin 12 accouplé par une bielle 14 à une crosse 16 montée coulissante dans un guide rectiligne, et d'un cylindre 18 fixé sur le bâti et dans lequel coulisse un piston 20 fixé par une tige 22 à la crosse 16. Ce compresseur est à double effet, le cylindre étant équipé de deux jeux de clapets d'aspiration et de refoulement permettant au piston de fournir un travail de compression à l'aller et au retour. Le piston est équipé de deux segments d'étanchéité et d'un segment porteur servant à guider le piston. Conformément à l'invention, des aimants permanents à aimantation radiale sont disposés sur le piston et dans le cylindre de telle sorte que les forces de répulsion qui s'exercent entre ces aimants compensent, au moins partiellement, le poids du piston pour réduire l'usure des segments, notamment du segment porteur. Les aimants montés dans le cylindre sont disposés dans des rainures longitudinales 24 usinées sur la surface extérieure d'une chemise 26, qui s'ajuste dans le cylindre, dans deux zones disposées symétriquement par rapport au plan vertical contenant l'axe du cylindre, par exemple à 30 de part et d'autre de ce plan, au dessous du plan horizontal contenant cet axe. Plusieurs aimants élémentaires, de petites dimensions, sont disposés bout-à-bout dans les rainures pour former des barreaux aimantés 28, à aimantation radiale. Dans la forme de réalisation représentée, la chemise 26 porte deux jeux de quatre barreaux aimantés disposés suivant les génératrices de sa surface extérieure. Les aimants qui sont du type Samarium-cobalt ou Néodyme-Fer-Bore sont placés au fond des rainures et fixés par collage ; les rainures sont obturées par de la résine. La chemise est en acier inoxydable amagnétique. Le piston 20 est en aluminium et comporte sur sa surface périphérique trois gorges circulaires dans lesquelles sont logées deux segments d'étanchéité 30 et un segment porteur 32. Trois cavités 34 à section rectangulaire sont également usinées sur le piston. Deux pièces porte-aimants 36 et une pièce porte masselotte 38 en aluminium s'adaptent dans ces cavités et sont fixées sur le piston au moyen de vis. La surface extérieure des pièces 36 et 38 est conformée de façon à reconstituer, sans discontinuité, la surface cylindrique du piston et les gorges où les segments sont logés. Les pièces porte-aimants 36 sont disposées en face des zones de la chemise portant les barreaux aimantés 28 et la pièce porte-masselotte 38 est placée à la partie supérieure du piston, son plan médian coïncidant avec le plan vertical contenant l'axe du piston. La fixation du piston sur la tige 22 qui est solidaire de la crosse 16 empêche la rotation du piston autour de son axe et maintient les barreaux aimantés de la chemise et les aimants du piston en position relative correcte. Comme on le voit sur les figures 2, 4 et 6, des logements 40 sont prévus sur la surface intérieure des pièces 36 pour des aimants 42. Ces logements sont relativement profonds et disposés de part et d'autre des tronçons des gorges circulaires usinés sur la surface extérieure des pièces, ce qui permet de placer les aimants très près de la surface périphérique du piston et augmenter leur efficacité. Les aimants sont du même type que ceux utilisés pour la constitution des barreaux aimantés 28, à aimantation radiale, et fixés par collage au fond des logements 40 après mise en place des aimants, les logements sont obturés par de la résine. Un logement est prévu sur la surface intérieure de la pièce 38 pour une masselotte d'équilibrage en acier 44. Un ou plusieurs barreaux aimantés pourront être montés sur la chemise 26, en face de la pièce porte-masselotte 38 de façon à exercer sur la masselotte 44 une force d'attraction qui s'ajoute aux forces de répulsion exercées par les barreaux aimantés situés sous le piston. La longueur des barreaux aimantés 28 est au moins égale et de préférence supérieure à la longueur axiale du piston augmentée de la longueur de sa course de telle sorte que les forces de répulsion s'exerçant sur le piston restent pratiquement constante quelle que soit sa position dans le cylindre. De nombreuses modifications peuvent être apportées à la forme de réalisation décrite par l'emploi de moyens techniques équivalents, notamment en ce qui concerne le mode de montage des barreaux aimantés et des aimants dans le cylindre et sur le piston, respectivement, et leur disposition autour de l'axe du cylindre, et il doit être entendu que ces modifications entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Compresseur comportant un piston déplaçable suivant un mouvement alternatif rectiligne dans un cylindre, caractérisé en ce que le piston (20) est en un matériau amagnétique et porte au moins deux aimants permanents (42) à aimantation radiale, angulairement espacés l'un de l'autre sur sa périphérie, et en ce que au moins deux barreaux aimantés (28) sont montés à la périphérie du cylindre (18), parallèlement aux génératrices, chaque barreau aimanté se trouvant approximativement dans le même plan radial que l'un des aimants du piston de telle sorte que lesdits barreaux aimantés exercent sur le piston, tout le long de sa course, des forces de répulsion approximativement radiales. 2. Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe du cylindre est vertical ou légèrement incliné et le piston porte au moins trois aimants régulièrement répartis sur sa périphérie et le cylindre au moins trois barreaux aimantés situés approximativement dans les mêmes plans radiaux que les aimants du piston. 3. Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe du cylindre (18) est horizontal ou incliné et le piston (20) porte au moins deux aimants (42) disposés symétriquement par rapport au plan vertical contenant l'axe du piston, au-dessous du plan contenant cet axe et perpendiculaire audit plan vertical, et au moins deux barreaux aimantés (28) sont montés dans le cylindre, en face desdits aimants, de façon à exercer sur le piston des forces de répulsion équilibrant au moins partiellement le poids du piston ou la composante du poids perpendiculaire à l'axe du cylindre. 4. Compresseur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les barreaux aimantés (28) sont disposés dans des rainures longitudinales (24) usinées sur la surface extérieure d'une chemise amovible (26) en un matériau amagnétique. 5. Compresseur selon la revendication 4 caractérisé en ce que lesdits barreaux aimantés (28) sont fixés par collage dans lesdites rainures (24). 6. Compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la longueur desdits barreaux aimantés (28) est supérieure à la course du piston (20) augmentée de la longueur utile des aimants (42) portés par le piston. 7. Compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits barreaux aimantés (28) sont constitués par une ou plusieurs rangées d'aimants élémentaires parallélépipédiques disposés bout-àbout. 8. Compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les aimants (42) portés par le piston (20) sont montés dans des pièces support (36) fixés de manière amovible sur le piston. 9. Compresseur selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits aimants (42) sont fixés dans des logements (40) usinés dans la surface intérieure desdites pièces support (36). 10. Compresseur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que lesdites pièces support sont en un matériau amagnétique. 11. Compresseur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que lesdites pièces support sont en acier doux. 12. Compresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le piston (20) porte une ou plusieurs masselottes d'équilibrage (44). 13. Compresseur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la ou les masselottes d'équilibrage (44) sont montées dans des pièces support (38) fixées de manière amovible sur le piston. 14. Compresseur selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que la ou les masselottes d'équilibrage sont en acier doux ou en matériau amagnétique et le cylindre (18) porte un ou plusieurs barreaux aimantés supplémentaires exerçant sur la ou les masselottes des forces d'attraction s'ajoutant aux forces de répulsion entre les aimants (42) du piston et les barreaux aimantés (28) avec lesquels ils coopèrent.