Brevet FR3149935A1 — publié le 20241220

Piston (3) pour une machine (1) à fluide cryogénique ou sous haute pression, tel que l’hydrogène liquide, le piston (3) comprenant un corps (31) destiné à être monté à l’intérieur d’une chemise (2) de la machine (1) à fluide selon un mouvement relatif de va-et-vient, et à former avec ladite chemise (2) une chambre (4) de compression ou de pompage du fluide, le piston (3) comprenant également une pluralité de joints (5) d’étanchéité périphériques disposés en série selon une direction longitudinale (X) du piston (3), les joints (5) délimitant entre eux des étages (6) suivant la direction longitudinale (X) du piston (3), au moins deux parmi la pluralité de joints (5) comprenant chacun une section de passage (51) destinée à permettre un écoulement du fluide entre les étages (6), caractérisé en ce que tout ou partie des sections de passage (51) sont non uniformes selon la direction longitudinale (X) et/ou en ce que tout ou partie des étages (6) présentent des volumes non uniformes selon la direction longitudinale (X). Figure de l’abrégé : Fig. 2 Piston pour une machine à fluide, tel que l’hydrogène, et machine à fluide comprenant un tel piston L’invention concerne un piston pour une machine à fluide. L’invention concerne également une machine à fluide comprenant un tel piston. La machine à fluide peut être une pompe ou un compresseur. Le fluide considéré peut être de l’hydrogène liquide à l’état cryogénique ou sous haute pression. Une machine à fluide comprend une chemise et un piston qui sont montés mobiles l’un par rapport à l’autre. En particulier, le piston comprend un corps destiné à être monté à l’intérieur de la chemise selon un mouvement relatif de va-et-vient, le corps étant destiné à former avec la chemise une chambre de compression ou de pompage du fluide. En outre, le piston comprend une pluralité de joints d’étanchéité périphériques disposés en série le long d’une direction longitudinale du piston. Les joints définissent entre eux des volumes appelés étages. Au moins deux parmi la pluralité de joints comprennent chacun une section de passage destinée à permettre un écoulement du fluide entre les étages. Dans une machine à fluide telle que décrite ci-dessus, l’écoulement du fluide à travers les sections de passage des joints est prévu pour réduire l’écart de pression enregistrée de part et d’autre du joint le plus proche de la chambre de compression (dit joint proximal), et de préserver ainsi la tenue mécanique de ce joint. Toutefois, l’écart de pression enregistré au niveau du joint le plus éloigné de la chambre de compression (dit joint distal) reste très important. Ce joint distal est alors exposé à un état dit sonique dans lequel le débit du fluide à travers sa section de passage dépend principalement de la pression amont du fluide. L’exposition prolongée du joint distal à l’état sonique affecte sa tenue mécanique et accroît le risque d’une rupture précoce. Il en résulte un risque de fuites au niveau de la machine à fluide. Dans le cas d’un fluide cryogénique, les fuites dues à une rupture du joint distal (ou tout autre joint) entraînent une vaporisation et un réchauffement indésirables de ce fluide. Une telle vaporisation (aussi appelé boil-off) représente une perte de fluide qui vient s’ajouter à celle occasionnée par un défaut d’étanchéité de joints. Dès lors, il apparaît un besoin de développer un piston pour machine à fluide et une machine à fluide qui pallient au moins en partie les inconvénients énumérés ci-dessus. A cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un piston conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus. Selon cet aspect de l’invention, tout ou partie des sections de passage des joints sont non uniformes selon la direction longitudinale du piston. De manière alternative ou complémentaire à l’option ci-dessus, tout ou partie des étages présentent des volumes non uniformes selon la direction longitudinale du piston. En prévoyant selon la direction longitudinale du piston des sections de passage non uniformes et/ou des étages inter-joints présentant des volumes non uniformes, l’invention ouvre la possibilité de mieux contrôler la pression et l’écart de pression auquel est exposé chacun des joints d’étanchéité, et en particulier le joint distal et le joint proximal. L’invention ouvre ainsi la voie à une uniformisation de l’écart de pression au niveau des différents étages inter-joints. Les deux options de la solution proposée par l’invention, à savoir des sections de passage non uniformes ou des volumes d’étages non uniformes, contribuent chacune ou en combinaison aux mêmes effets techniques ci-dessus. Des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le corps du piston comprend une série de rainures périphériques dans lesquelles sont disposés respectivement les joints ; - les joints comprennent des portions en saillie radiale par rapport au corps du piston ; - les sections de passage sont formées au niveau des portions en saillie radiale ; - la section de passage d’un joint médian du piston est moins grande que la section de passage d’un joint proximal du piston ; - la section de passage du joint médian du piston est moins grande que la section de passage d’un joint distal du piston ; - la section de passage du joint distal est plus grande que la section de passage du joint proximal ; - la section de passage des joints varie selon la direction longitudinale selon un profil décroissant puis un profil croissant ; - les sections de passage de deux joints successifs sont disposées avec un décalage angulaire l’une par rapport à l’autre autour de la direction longitudinale ; - le volume d’un étage médian est supérieur au volume d’un étage proximal ; - le volume d’un étage médian est supérieur au volume d’un étage distal ; - le volume des étages varie selon la direction longitudinale selon un profil croissant puis un profil décroissant ; - tout ou partie des étages présentent une hauteur non uniforme selon la direction longitudinale ; - le profil de variation du volume des étages est similaire à un profil de variation de la hauteur des étages ; - le piston comprend une série de gorges périphériques formées le long du corps, dans les étages ; - tout ou partie des gorges présentent une profondeur définie suivant une direction radiale du piston ; - la profondeur des gorges est non uniforme selon la direction longitudinale ; - le profil de variation du volume des étages selon la direction longitudinale est similaire à un profil de variation de la profondeur des gorges selon la direction longitudinale. Selon un deuxième aspect, l’invention concerne une machine à fluide cryogénique ou sous haute pression, comprenant une chemise et un piston décrit selon l’un quelconque des modes de réalisation ci-dessus. D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures suivantes dans lesquelles : est une vue de coupe longitudinale illustrant un premier mode de réalisation de la machine selon l’invention, la machine comprenant une chemise, un piston et des joints délimitant des étages uniformes; est une vue de face représentant un premier exemple de piston de la machine selon le premier mode de réalisation, le piston étant pourvu de joints ayant des sections de passage non uniformes; est une vue de face représentant un deuxième exemple de piston de la machine selon le premier mode de réalisation, le piston étant pourvu en outre d’un premier type de gorges annulaires; est une vue de coupe isométrique représentant un troisième exemple de piston de la machine selon le premier mode de réalisation, le piston étant pourvu d’un deuxième type de gorges annulaires ; est une vue de coupe longitudinale illustrant un deuxième mode de réalisation de la machine selon l’invention, la machine comprenant une chemise, un piston et des joints délimitant des étages non uniformes ; est un graphique illustrant, en relation avec le premier mode de réalisation de la machine, un premier exemple de variation d’un coefficient de débit associé aux sections de passage des joints; est un graphique illustrant, en relation avec le premier mode de réalisation de la machine, un deuxième exemple de variation du coefficient de débit associé aux sections de passage des joints; est un graphique illustrant, en relation avec le premier mode de réalisation de la machine, un deuxième exemple de variation du coefficient de débit associé aux sections de passage des joints ; est un graphique illustrant, en relation avec le deuxième mode de réalisation de la machine, un exemple de variation de la distance inter-étage. Comme illustré aux figures 1 et 5, l’invention concerne une machine 1 à fluide. Il peut s’agir d’une pompe ou d’un compresseur. Le fluide concerné peut être de l’hydrogène à l’état cryogénique ou sous haute pression (20 bar à 400 bar ou plus). La machine 1 comprend une chemise 2 et un piston 3 disposé au moins en partie à l’intérieur de la chemise 2. La chemise 2 et le piston 3 sont montés mobiles en translation relative l’un par rapport à l’autre suivant un axe longitudinal X de la machine 1. Pour ce faire, l’un entre la chemise 2 et le piston 3 est relié à un actionneur (non illustré). Dans le cas d’un piston 3 relié à l’actionneur, le piston 3 peut comprendre une tête 31 (ou un corps) qui est disposée dans la chemise 2, ainsi qu’un bras 32 qui s’étend à l’extérieur de la chemise 2. Le bras 32 est relié à l’actionneur. La chemise 2 et le piston 3 (et en particulier la tête 31 du piston 3) forment une chambre 4 de compression ou de pompage du fluide. La chemise 2 comprend au moins un orifice d’admission et au moins un orifice de refoulement du fluide dans ou hors de la chambre 4. Les orifices d’admission et de refoulement ne sont pas illustrés. Afin d’assurer une étanchéité de la chambre 4 lors d’une phase de compression ou de pompage du fluide, la machine 1 comprend une pluralité de joints 5 d’étanchéité. Les joints 5 d’étanchéité sont fixés sur une paroi du piston 3, et en particulier sur une paroi de la tête 31 du piston 3. En particulier, les joints 5 d’étanchéité sont disposés autour de la tête 31 du piston 3, et en série le long de la tête 31 du piston 3. Les joints 5 sont ainsi configurés pour être en contact avec une paroi interne de la chemise 2. Par ailleurs, les joints 5 d’étanchéité définissent avec une paroi du piston 3 et une paroi de la chemise 2 des étages 6 successifs. Ces étages 6 communiquent entre eux, et communiquent avec la chambre 4 grâce à des sections 51 de passage prévues au niveau des joints 5. Les étages 6 forment ainsi des réservoirs de stockage du fluide. Les joints 5 sont dits fuyards du fait de la présence des sections 51 de passage. Les sections de passage 51 peuvent être formées par des orifices dans des joints 5 annulaires et/ou des interstices entre deux extrémités de joints en anneau ouvert. En outre, les sections de passage 51 de deux joints successifs sont de préférence en décalage angulaire l’une par rapport à l’autre autour de l’axe longitudinal X de la machine 1. De façon avantageuse, ce décalage angulaire est par exemple de 180°. Enfin, à chaque section de passage 51 est associé un coefficient de perte de charge. On appelle coefficient de débit le produit de la section de passage 51 et du coefficient de perte de charge. Par la suite, on appellera « joint central 5a» l’un des joints 5 positionné au niveau d’une portion centrale de la tête 31 du piston 3. On appellera « joint proximal 5b » un joint situé à une première extrémité du piston 3 et destiné à être le plus proche de la chambre 4 de compression ou de pompage. Enfin, on appellera « joint distal 5c » un joint situé à une deuxième extrémité du piston 3 et destiné à être le plus éloigné de la chambre 4 de compression ou de pompage. Par ailleurs, on appellera « étage central 6a » l’un des étages 6 situés au niveau de la portion centrale du piston 3. On appellera « étage proximal 6b » l’étage destiné à être le plus proche de la chambre 4 de compression ou de pompage. On appellera « étage distal 6c », l’étage destiné à être le plus éloigné de la chambre 4 de compression ou de pompage. Selon l’invention, tout ou partie des sections de passage 51 des joints sont non uniformes le long du piston 3 (ou de la tête 31 du piston 3). En variante ou en complément, tout ou partie des étages 6 présentent des volumes non uniformes le long du piston 3 (ou de la tête 31 de piston 3). Par sections de passage « non uniformes », on entend des sections de passage n’ayant pas toutes la même taille (ou les mêmes dimensions). De façon avantageuse, comme mieux illustré à la et à la en relation avec le premier mode de réalisation de la machine 1, au moins un joint central 5a présente une section de passage 51 moins grande que la section de passage 51 du joint proximal 5b, et moins grande que la section de passage 51 du joint distal 5c. De façon avantageuse, la section 51 de passage des joints 5 varie le long du piston 3 (et plus spécifiquement le long de la tête 31 du piston 3) selon un profil décroissant depuis le joint proximal 5b jusqu’au joint central 5a, puis selon un profil croissant depuis le joint central 5a jusqu’au joint distal 5c. Il est à noter que la section de passage 51 du joint distal 5c peut être supérieure à la section de passage 51 du joint proximal 5b. Comme la section de passage, le coefficient de débit varie le long du piston 3 (et plus spécifiquement le long de la tête 31 du piston 3) selon un profil décroissant depuis le joint proximal 5b jusqu’au joint central 5a, puis selon un profil croissant depuis le joint central 5a jusqu’au joint distal 5c. La et la donnent chacune un exemple de variation du coefficient de débit le long de la tête 31 du piston 3. En particulier, à la , le profil de variation du coefficient de débit est symétrique par rapport au joint central 5a. En revanche, à la , ce profil devient asymétrique en raison d’une section de passage 51 du joint distal 5c largement supérieure à celle du joint proximal 5b. Pour un piston 3 comprenant N joints, l’évolution du coefficient de débit K(i) suivant la direction longitudinale de la machine 1 peut être donnée par la fonction suivante : Où C représente un coefficient de décharge de référence ; A représente une section de passage de référence ; i le rang du joint 5 ; et un facteur arbitraire, avec . Il est à noter que le coefficient de débit associé à la section 51 de passage du joint distal 5c peut prendre une valeur supérieure à celle prévue par la fonction K(i) ci-dessus. Cette valeur peut être comprise dans l’intervalle ci-dessous: En prévoyant une évolution du coefficient de débit (et de la section de passage des joints) selon une fonction sinusoïdale telle que celle décrite ci-dessus, et en fixant la section de passage du joint distale 5c à une valeur comprise dans l’intervalle ci-dessus, l’invention permet d’accélérer le remplissage des premiers et des derniers étages 6 de la machine 1. Ainsi, l’invention permet de réduire l’écart de pression auquel sont exposés les premiers joints et derniers joints, et de limiter le temps d’exposition de ces joints à l’état sonique. Il s’ensuit une amélioration de la durée de vie des premiers joints et des derniers joints et une diminution du risque des fuites à travers ces joints. Le coefficient de débit peut varier le long du piston 3 (et plus spécifiquement le long de la tête 31 du piston 3) selon un profil croissant depuis le joint proximal 5b jusqu’au joint distal 5c. La illustre une telle évolution. Pour un piston 3 comprenant N joints, l’évolution du coefficient de débit K(i) suivant la direction longitudinale de la machine 1 peut ainsi être donnée par la fonction suivante : Où : ; e 1 (i’), e 2 (i’) et F A (i’) sont des fonctions qui dépendent de l’état thermodynamique du fluide dans l’étage i. La distribution du coefficient de débit K(i) telle que donnée ci-dessus est valable sous la condition suivante: où : f : la fréquence du piston ; X : un coefficient ; Q(i) : une fonction qui dépend de l’état thermodynamique du fluide à l’étage i De façon avantageuse, en référence de nouveau à la , le piston 3 est pourvu de rainures 33 annulaires destinées à recevoir les joints 5 d’étanchéité. Ces rainures 33 sont régulièrement réparties le long de la tête 31 du piston 3. Ainsi, les joints 5 d’étanchéité sont également régulièrement répartis le long de la tête 31 du piston 3. Il est à noter que sur la machine 1 illustrée à la , les joints 5 présentent des portions qui s’étendent en saillie radialement par rapport à la tête 31 du piston 3. Le volume de chaque étage 6 de la machine 1 est délimité par une paroi de la tête 31 du piston 3, une paroi de la chemise 2 ainsi que par des portions saillantes des joints 5 adjacents. Dans les exemples illustrés aux et , la tête 31 du piston 3 est pourvue d’une série de gorges 34 annulaires. En particulier, les gorges 34 sont disposées en série le long de la tête 31 du piston 3. Les gorges 34 présentent une profondeur définie selon la direction radiale du piston 3. Les gorges 34 alternent avec les joints 5. Pour une machine 1 à fluide comprenant un piston 3 selon les ou , les étages 6 inter-joints présentent chacun un volume plus important par comparaison avec une machine 1 comprenant un piston 3 selon la . Ces volumes augmentés permettent de stocker une plus grande quantité de fluide au niveau des étages 6, et de limiter ainsi la pression et l’écart de pression auxquels sont exposés le joint proximal 5b et le joint distal 5c. De la sorte, la pression du fluide peut être répartie de manière uniforme entre les différents joints 51 d’étanchéité. Il est à noter que les gorges 34 du piston 3 selon la sont plus profondes que les gorges 34 du piston 3 selon la . La machine 1 comprenant le piston 3 selon la permet ainsi de stocker aux étages 6 inter-joints une quantité de fluide plus importante. De façon avantageuse, comme illustré à la en relation avec le deuxième mode de réalisation de la machine 1 à fluide, au moins un étage central 6a présente un volume supérieur au volume de l’étage proximal 6b, et supérieur au volume de l’étage distal 6c. De façon avantageuse, le volume des étages 6 varie le long du piston 3 selon un profil croissant depuis l’étage proximal 6b jusqu’à l’étage central 6a, puis selon un profil décroissant depuis l’étage central 6a jusqu’à l’étage distal 6c. Dans l’exemple illustré à la , chaque étage 6 présente une hauteur (distance inter-étage) différente, mais un rayon intérieur et un rayon extérieur identique à ceux des autres étages 6. Le rayon intérieur et le rayon extérieur d’un étage 6 sont définis par rapport à l’axe longitudinal X de la machine 1 et sont associés respectivement à une paroi de la tête 31 du piston 3 et à une paroi de la chemise 2. Ainsi, la variation de la hauteur (ou distance) des étages 6 est proportionnelle à la variation du volume de ces étages 6. Par conséquent, la variation de la hauteur (ou distance) des étages 6 peut suivre un profil similaire à celui décrit ci-dessus en relation avec la variation du volume. La illustre une évolution de la hauteur des étages 6. De façon avantageuse, la variation de la hauteur des étages 6 le long d’un piston 3 comprenant N joints peut s’écrire à l’aide de la fonction suivante : Où: représente une hauteur de référence ; i représente le rang du joint 5 le long du piston 3 ; et représente un facteur arbitraire, avec . En variante non illustrée, la tête 31 du piston 3 peut comprendre des gorges 34 ayant des profondeurs radiales non uniformes le long de la tête 31 du piston 3, tandis que la distance inter-joints reste constante le long de la tête 31 du piston 3. La profondeur des gorges 34 peut varier le long de la tête du piston 3 suivant une fonction sinusoïdale similaire à celle décrite ci-dessus en relation avec la variation de la hauteur des étages 6. Piston (3) pour une machine (1) à fluide cryogénique ou sous haute pression, tel que l’hydrogène liquide, le piston (3) comprenant un corps (31) destiné à être monté à l’intérieur d’une chemise (2) de la machine (1) à fluide selon un mouvement relatif de va-et-vient, et à former avec ladite chemise (2) une chambre (4) de compression ou de pompage du fluide, le piston (3) comprenant également une pluralité de joints (5) d’étanchéité périphériques disposés en série selon une direction longitudinale (X) du piston (3), les joints (5) délimitant entre eux des étages (6) suivant la direction longitudinale (X) du piston (3), au moins deux parmi la pluralité de joints comprenant chacun une section de passage (51) destinée à permettre un écoulement du fluide entre les étages (6), caractérisé en ce que tout ou partie des sections de passage (51) sont non uniformes selon la direction longitudinale (X) et/ou en ce que tout ou partie des étages (6) présentent des volumes non uniformes selon la direction longitudinale (X). Piston (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps (31) du piston (3) comprend une série de rainures (33) périphériques dans lesquelles sont disposés respectivement les joints (5), les joints (5) comprenant des portions en saillie radiale par rapport au corps (31) du piston (3), les sections de passage (51) étant formées au niveau des portions en saillie radiale. Piston (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section de passage (51) d’un joint médian (5a) du piston (3) est moins grande que la section de passage (51) d’un joint proximal (5b) du piston (3), et moins grande que la section de passage (51) d’un joint distal (5c) du piston (3). Piston (3) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la section de passage (51) du joint distal (5c) est plus grande que la section de passage (51) du joint proximal (5b). Piston (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section de passage (51) des joints (5) varie selon la direction longitudinale (X) selon un profil décroissant puis un profil croissant. Piston (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sections de passage (51) de deux joints (5) successifs sont disposées avec un décalage angulaire l’une par rapport à l’autre autour de la direction longitudinale (X). Piston (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume d’un étage (6a) médian est supérieur au volume d’un étage (6b) proximal, et supérieur au volume d’un étage (6c) distal. Piston (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume des étages (6) varie selon la direction longitudinale (X) selon un profil croissant puis un profil décroissant. Piston (3) selon la revendication 8, caractérisé en ce que tout ou partie des étages (6) présentent une hauteur non uniforme selon la direction longitudinale (X), le profil de variation du volume des étages (6) étant similaire à un profil de variation de la hauteur des étages (6). Piston (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps (31) du piston (3) comprend une série de gorges (34) périphériques formées le long du corps (31), dans les étages (6). Piston (3) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que tout ou partie des gorges (34) présentent une profondeur définie suivant une direction radiale du piston (3), ladite profondeur étant non uniforme selon la direction longitudinale (X), le profil de variation du volume des étages (6) selon la direction longitudinale (X) étant similaire à un profil de variation de la profondeur des gorges (34) selon la direction longitudinale (X). Machine (1) à fluide cryogénique ou sous haute pression, tel que l’hydrogène liquide, comprenant une chemise (2) et un piston (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes.