<Desc/Clms Page number 1>
Machine à piston à gaz chaud comportant un ou plusieurs cylindres munis de pistons à mouvement rectiligne alternatif.
Dans les machines à piston à gaz chaud, tels que les moteurs à gaz chaud ou les machines frigorifiques fonctionnant suivant le principe inverse de celui du moteur à gaz chaud, la lubrification de la paroi du cylindre constitue un problème délicat. Pour obtenir une séparation hermétique entre la partie supérieure et la partie inférieure des cylindres, les pistons qui balaient ces cylindres, comportent en général des segments.
Il peut alors être indispensable de lubrifier les parois du cylindre. Dans un moteur à gaz chaud, sur une partie de la paroi du cylindre, le lubrifiant est exposé à une température de 600 C, voire plus, ce qui peut provoquer sa carbonisation et sa décom-
<Desc/Clms Page number 2>
position. En outre, le fluide moteur peut entraîner des particules de lubrifiant: celles-ci peuvent parvenir dans le réchauffeur et contribuer ainsi à l'encrassement ou à l'obstruction de cet organe. L'huile carbonisée peut aussi s'accumuler sur le couvercle de piston de sorte que celui-ci pourrait cogner le côté supérieur du cylindre.
Dans une telle machine à piston à gaz chaud, le canal qui relie la chambre chaude à la chambre froide et qui est traversé par le fluide, peut comporter un récupérateur. Un récupérateur est un appareil qui absorbe au passage une partie de la chaleur du fluide chaud, qui emmagasine cette chaleur et qui la cède lors du passage du fluide froid. Le récupérateur doit opposer une résistance aussi faible que possible au passage du fluide.
En outre, pour assurer un contact aussi intime que possible entre le fluide et le matériau du récupérateur et pour que la surface léchée par le fluide soit maximum, le récupérateur doit comporter un grand nombre d'étroites ouvertures de passage. Il s'est avéré possible de construire des récupérateurs qui satisfont pratiquement à ces conditions. Cependant,pour qu'un tel récupérateur donne satisfaction, il faut que le fluide qui le traverse ne soit pas encrassé par des particules qui pourraient obstruer les étroits passages.
Or, le fluide qui traverse le récupérateur peut toujours entraîner des particules de lubrifiant. Celles-ci peuvent donc parvenir dans le récupérateur et sous l'influence de la température élevée qui y règne, elles peuvent s'y carboniser et obstruer cet organe ou du moins porter la résistance aérodynamique à une valeur trop élevée.
Une paroi de cylindre balayé par un piston à segments normaux, doit être lubrifiée et peut donc susciter les difficultés précitées; la machine à piston et à segments présente encore un 1\ autre inconvénient: une grande partie des pertes par frottement
<Desc/Clms Page number 3>
est due au frottement des segments sur la paroi du cylindre.
Dans le cas d'un rendement mécanique de 80%, près de la moitié des pertes (20%) sont dues au frottement des segments sur les parois du cylindre.
Il est possible de faire en sorte que le piston passe à frottement doux dans le cylindre. Si le jeu ne dépasse pas 10 à 15 microns, ce piston constitue, sans l'intervention de joints additionnels, une séparation hermétique entre le côté supérieur et le côté inférieur du cylindre. Lorsque ces pistons ont un guide rectiligne propre, la lubrification n'est pas néces- saire, mais un tel piston est difficile à réaliser et donc coû- teux ; de plus, comme le matériau du piston et celui du cylindre, ont, en général, des coefficients de dilatation différents, en régime, ce piston n'assure plus une séparation hermétique. En outre, des traces d'usure nécessitent le remplacement de l'ensemble du piston.
L'invention obvie aux inconvénients précités. Suivant l'invention, dans une machine à piston à gaz chaud, comportant un ou plusieurs cylindres balayés par des pistons à guidage droit, ces pistons comportent, à leur périphérie, un certain nombre de rainures, nombre (Z) qui est déterminé par l'expression z= (5.102)2 la profondeur et la largeur des rainures étant au n. s. moins égales ou supérieures à 3d/2000, expressions dans lesquelles: n = le nombre de tours par minute s = la course du piston exprimée en mètres; d = le diamètre du piston exprimé en millimètres.
La Demanderesse a constaté que, lorsqu'un piston com- porte des rainures dont le nombre, la profondeur et la largeur satisfont aux expressions précitées, les fuites sont assez fai- bles; de plus, la paroi du cylindre ne doit pas être lubrifiée, de sorte que les inconvénients inhérents à cette lubrification
<Desc/Clms Page number 4>
sont supprimes.
Des calculs prouvent, que, lorsque, par suite d'une usure du guide rectiligne, le piston, à surface lisse, est légérement excentré par rapport au cylindre, les fuites le long du piston sont beaucoup plus grandes que lorsque le déplacement du piston dans le cylindre est coaxial, bien que la surface de fuite totale reste inchangée; par contre, pour un piston rainuré conforme à l'invention, les fuites sont essentiellement déterminées par la surface totale de l'ouverture de passage,quelle que soit la forme de cette ouverture. De plus, le dernier piston mentionné a tendance à rester centré par rapport au cylindre, même lorsque le guide rectiligne présente déjà une certaine usure.
Suivant l'invention, une machine à gaz chaud dont les pistons comportent, à leur périphérie, un certain nombre de rainures, est, de préférence, équipée d'un ou de plusieurs récupé- rateurs.
Dans une forme d'exécution avantageuse de l'invention, les rainures sont constituées par un filet à entrée simple ou double, taillé dans le corps de piston. Dans ce cas, une coupe du piston, passant par l'axe de celui-ci, montre un certain nombre de rainures.
Pour réduire les fuites,on fera évidemment en sorte que le jeu du piston dans le cylindre soit minimum. Ceci est par- ticulièrement important pour faciliter le démarrage de la machine, lorsque cette opération s'effectue, comme d'usage, à l'aide de gaz comprimé. Cependant, un faible jeu à l'état froid, présente un danger. En général, le cylindre et le piston sont en des matériaux dont les coefficients de dilatation différent. Si le coefficient de dilatation du matériau du piston est plus grand que celui du matériau du cylindre, à l'état froid le jeu du piston doit être plus grand que ne l'exige un bon fonctionnement, pour qu'il ne
<Desc/Clms Page number 5>
soit pas trop petit à la température de régime.
Il faut encore tenir compte d'un autre facteur. Lorsque la machine comporte un piston normal à segments, une- grande partie de la chaleur qu'il absorbe est évacuée par ces segments de sorte qu'en régime, le piston se trouve approximativement à la température moyenne de la paroi du cylindre. Pour un piston rainuré conformément à l'invention, la chaleur doit être évacuée à travers le guide rectiligne du piston et/ou la tige de piston; cette évacuation est très faible, de sorte que le piston chauffe, pendant le fonctionnement, et sa,température dépasse la température moyenne de la paroi du cylindre. Pour éviter le danger de grippage, cet échauffement pourrait aussi inciter à choisir le jeu du piston, à l'état froid, plus grand que désirable.
Dans une forme d'exécution avantageuse de l'invention, les pistons rainurés conformément à l'invention, sont réalisés en un matériau dont le coefficient de dilatation est plus petit que celui du matériau de la surface que balaient les pistons.
De préférence, les pistons sont, aussi conformément à l'invention, réalisés en invar.
L'invar est constitué par exemple par 64% de fer et 36% de nickel et son coefficient de dilatation est pratiquement égal à zéro. Ce métal permet donc de réduire au minimum le jeu du piston à l'état froid et d'éliminer le risque de grippage en régime.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.,
La figure montre schématiquement un cylindre 1 d'une machine à piston à gaz chaud comportant une bride 2. Le piston 3 à guide rectiligne 4 et à tige 5 peut balayer le cylindre 1. Pour
<Desc/Clms Page number 6>
les raisons précitées, le cylindre ne peut être lubrifié, et le piston 3 doit constituer une séparation hermétique entre la partie supérieure et la partie inférieure du cylindre 1. A cet effet, le piston 3 comporte, conformément à l'invention, un certain nom- bre de rainures 6 constituées par des filets sur le corps du piston.
Le cylindre 1 est en fonte et - conformément à l'invention- le piston 3 est en invar de sorte qu'on peut réduire au minimum le jeu entre le piston et le cylindre à l'état froid sans danger que le piston ne grippe dans le cylindre à l'état chaud.
Lorsque le diamètre du piston est d = 100 mm, que la course s = 100 mm et que la machine tourne à 1500 tours par minute,le nombre de rainures doit être égal ou supérieur à (5.102) )2= 11; la largeur et la profondeur des rainures est
0,1. 1500 alors égale ou supérieure à 3x100mm- 0,15 mm.