FR3132741A3

FR3132741A3 - Pompe

Info

Publication number: FR3132741A3
Application number: FR2201319A
Authority: FR
Inventors: Guillaume Petitpas; Cyril BENISTAND-HECTOR
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2022-02-15
Filing date: 2022-02-15
Publication date: 2023-08-18
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: FR3132741B3

Abstract

Pompe comprenant une chambre (9) de compression communiquant avec une source de fluide à comprimer et un piston (1) mobile en translation pour assurer la compression du fluide dans la chambre (9) de compression, le piston (1) comprenant une tige (2) de piston s’étendant selon une direction longitudinale et munie à une de ses extrémité d’une tête (3) destinée à assurer la compression de fluide dans la chambre (9) de compression, la tête (3) comprenant au moins un joint (5) ou segment coopérant en contact étanche avec une paroi de la chambre (9) de compression, caractérisée en ce que le au moins un joint (5) est un joint à structure annulaire fermée disposé sur la surface périphérique de la tête (3) et qui est bloqué selon la direction longitudinale respectivement via deux butées longitudinales dont l’une au moins est un anneau (14) de blocage ouvert disposé dans une gorge (4) périphérique formée sur la périphérie de la tête (3 Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Pompe

L’invention concerne une pompe, notamment cryogénique.

L’invention concerne plus particulièrement une pompe comprenant une chambre de compression communiquant avec une source de fluide à comprimer et un piston mobile en translation pour assurer la compression du fluide dans la chambre de compression, le piston comprenant une tige de piston s’étendant selon une direction longitudinale et munie à une de ses extrémité d’une tête destinée à assurer la compression de fluide dans la chambre de compression, la tête comprenant au moins un joint ou segment coopérant en contact étanche avec une paroi de la chambre de compression.

La grande majorité (voir la totalité) des pompes cryogéniques à piston connues utilisent plusieurs rangées de segments (ou joints) pour assurer l’étanchéité.

Ces segments ont généralement une base métal (type bronze) et sont ouverts afin de faciliter leur installation et permettre un bon contact avec la paroi de la chambre de compression. C’est-à-dire que les segments ont une structure annulaire ouverte, où le contour est interrompu par une fente permettant l’écartement du joint et le montage sur le piston (en « C »).

L’utilisation de segments ouverts avec une base de métal pour les pompes cryogéniques est une technologie éprouvée depuis des décennies. Cette technologie représente une solution économique avec une maintenance aisée. Les inconvénients de la technologie, toutefois, sont l’usure importante de ces joints, leur relativement faible étanchéité (d’où la nécessité d’avoir recours à plusieurs rangées de segments) ainsi que l’échauffement local assez important du fait du frottement métal/métal.

Pour l’application à l’hydrogène liquide, les inconvénients évoqués ci-dessus (maintenance, fuite, échauffement) sont particulièrement critiques du fait des propriétés de la molécule (faible densité et taille caractéristique). Ceci provoque des fuites plus importantes. Sa faible enthalpie de vaporisation rend l’hydrogène plus sensible à l’échauffement. Son caractère inflammable et sa faible température nécessitent une procédure assez lourde lors des maintenances (réchauffage, inertage à l’hélium ou à l’azote ou autre gaz inerte…).

De plus, les pompes volumétriques pour l’hydrogène liquide ont pour vocation d’être installées dans des stations-service de remplissage avec une grande disponibilité. Ceci rend les problématiques de maintenance encore plus critiques.

Dans ce contexte, il est nécessaire de développer des nouvelles technologies de joints pour les pompes volumétriques cryogéniques, qui permettent de réduire considérablement l’usure, les fuites et la friction. Il est connu d’utiliser de nouveaux types de joints fermés énergisés présentant, en général, une section de type en C. Cependant, les têtes de piston ne permettent pas l’utilisation de ces joints fermés car ils devraient être déformés au-delà de leur limite élastique lors de leur mise en place dans leurs gorges respectives.

Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.

A cette fin, la pompe selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce quele au moins un joint est un joint à structure annulaire fermée disposé sur la surface périphérique de la tête et qui est bloqué selon la direction longitudinale respectivement via deux butées longitudinales dont l’une au moins est un anneau de blocage ouvert disposé dans une gorge périphérique formée sur la périphérie de la tête.

Ceci permet la mise en place de joints fermés sans que ces derniers subissent une déformation qui dégraderait leurs propriétés mécaniques.

Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

la pompe comporte au moins un joint à structure annulaire fermée qui est bloqué selon la direction longitudinale via deux anneaux de blocage ouverts disposés de part et d’autre du joint dans respectivement deux gorges périphériques formées sur la périphérie de la tête,
la pompe comporte au moins un joint à structure annulaire fermée bloqué selon la direction longitudinale à une extrémité par un anneau de blocage ouvert disposé dans respectivement une gorge périphérique formée sur la périphérie de la tête et, à l’autre extrémité, par un épaulement formé par la tête,
la tête du piston est cylindrique et a un diamètre externe périphérique égal ou sensiblement égale au diamètre de la chambre de compression moins l’épaisseur du joint et le diamètre externe périphérique de la tête est égal ou sensiblement égal au diamètre interne du joint,
le diamètre externe du ou des anneaux de blocage est inférieur au diamètre de la chambre de compression,
le ou les anneaux de blocage comprennent au moins l’un parmi : un circlips, un segment,
la pompe comprend plusieurs joints à structure annulaire fermée disposés en série selon la direction longitudinale,
la pompe comprend plusieurs joint(s) bloqués chacun selon la direction longitudinale entre deux anneaux de blocage ouverts montés dans des gorges respectives,
le joint situé à une extrémité de la pluralité de joints en série est bloqué longitudinalement à une de ses extrémités par un épaulement de la tête,
la pluralité de joints en série sont bloqués longitudinalement uniquement par un anneau de blocage ouvert monté dans une gorge à une extrémité d’un premier joint de la pluralité de joints et, à une extrémité d’un dernier joint de la pluralité de joints, par un épaulement de la tête ou un second un anneau de blocage ouvert monté dans une gorge,
la pompe est du type cryogénique,
la pompe comprend une enceinte étanche destinée à contenir un bain de fluide cryogénique et abritant la chambre de compression, la pompe comprenant un mécanisme d'entraînement du piston dans un mouvement d’allers-retours selon une direction de mouvement.

L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.

D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :

représente une demi vue, en coupe longitudinale, schématique et partielle, illustrant un exemple de structure et le fonctionnement de l’étanchéité entre un piston et sa chambre de compression selon l’invention.

représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d’un exemple de pompe cryogénique susceptible de mettre en œuvre l’invention,

représente une demi vue, en coupe longitudinale, schématique et partielle, illustrant un exemple de structure et le fonctionnement de l’étanchéité entre un piston et sa chambre de compression selon un second exemple de réalisation de l’invention,

représente une demi vue, en coupe longitudinale, schématique et partielle, illustrant un exemple de structure et le fonctionnement de l’étanchéité entre un piston et sa chambre de compression selon un troisième exemple de réalisation de l’invention.

Le piston 1 illustré partiellement à la (moitié d’une coupe longitudinale) comprend une tige 2 de piston (ou arbre) s’étendant selon une direction longitudinale et munie à une de ses extrémité d’une tête 3 de piston destinée à assurer la compression de fluide dans une chambre 9 de compression. Le piston 1 est déplacé en translation sur un axe par exemple vertical dans la chambre 9 de compression.

La tête 3 est par exemple cylindrique et comprend une pluralité de joints 5 ou segments coopérant en contact étanche avec une paroi 19 cylindrique délimitant la chambre 9 de compression.

Les joints sont des joints 5 à structure annulaire fermée disposés sur la surface périphérique de la tête 3. Les joints sont bloqués selon la direction longitudinale via deux anneaux 14 de blocage ouverts disposés de part et d’autre du joint 5 dans des gorges 4 ou rainures périphériques respectives formées sur la périphérie de la tête 3.

C’est-à-dire que le diamètre de la tête 3 mesuré au fond des gorges 4 est inférieur au diamètre de la surface périphérique de la tête 3 sur laquelle sont montés les joints 5. Les anneaux de blocage forment des butées longitudinales faisant saillie perpendiculairement à la direction longitudinale par rapport à la surface périphérique de la tête 3.

Le diamètre externe de la tête 3 du piston peut être égal environ au diamètre de la chambre 9 de compression moins l’épaisseur du joint 5 à installer. En effet, en fonction de l’élasticité du joint 5, le contact sera plus ou moins important entre les joints 5 de la tête 3 du piston et la chambre 9.

Le diamètre de la tête 3 du piston correspond de préférence au diamètre interne du joint 5.

Les gorges 4 (ou encoches) peuvent être usinées le long de l’axe de la tête 3 du piston 1 afin de permettre l’installation de butées formées par des anneaux 14 ouverts. Ces anneaux peuvent être des circlips ou bien des segments ouverts. Ces anneaux 14 de blocage sont disposés selon la direction longitudinale en alternance avec les joints 5.

Le nombre de rangées ou étages (gorge 4 + butée 14 + joint 5) peut varier entre un, deux et dix ou plus en fonction de l’application (pression, durée de vie…).

Les joints 5 peuvent donc être des joints fermés et du type énergisé et peuvent être installés en alternance avec des anneaux 4 de butées, en les faisant coulisser le long du piston et notamment de la tête 3. Le joint 5 qui sera le plus éloigné de l’extrémité terminale de la tête 3 peut être monté (enfilé) en premier. Ceci ne nécessite pas de déformer les joints 5 pour les enfiler.

Les gorges 4 ont de préférence des arêtes suffisamment usinées afin de ne pas détériorer les joints 5 lors de leur installation. Les dimensions de joints 5 sont de préférence ajustées en fonction du diamètre de la tête 3 et de la chambre 9 afin de permettre une installation aisée tout en assurant l’étanchéité recherchée.

Dans la variante de réalisation de la la tête 3 du piston 1 comporte plusieurs (trois) joints 5 en série dont le joint 5 situé à une extrémité terminale de la tête 3 est maintenu à une extrémité par un anneau 14 dans sa gorge 4 et à son autre extrémité par un épaulement 12 formé sur la périphérie de la tête 3. Les autres joints 5 sont bloqués de part et d’autre chacun par un anneau 14 dans sa gorge 4.

Dans la variante de réalisation de la , la tête 3 du piston 1 comporte plusieurs (quatre) joints 5 en série bloqués longitudinalement uniquement par deux systèmes de blocage :

un anneau 14 dans sa gorge 4 à une extrémité de la série de joints 5 et
un épaulement 12 formé sur la périphérie de la tête 3 à l’autre extrémité de la série de joints 5.

C’est-à-dire que, entre ces deux blocages longitudinaux, deux ou plusieurs joints 5 peuvent ne pas être séparés par un système de blocage longitudinal (tel qu’un anneau dans sa gorge). Les joints 5 peuvent être empilés sans espacement entre ces deux butées.

Ces architectures de piston 1 permettent l’utilisation de plusieurs joints 5 fermés partageant le même alignement, et dont l’installation ne nécessite pas une déformation qui endommagerait leurs propriétés mécaniques.

De plus, cette architecture permet une utilisation de joints 5 fermés à haute pression car il devient possible d’en disposer plusieurs en série contrairement à l’art antérieur (cf. US5810870 par exemple).

L’invention présente de nombreux avantages. Ainsi, par exemple : une installation de joints 5 fermés sans déformation de ces derniers, un alignement parfait entre les différents joints 5, la possibilité de prévoir une seule pièce pour la tête 3 de piston (facilité d’usinage, de maintenance et de suivi).

La maintenance est également aisée: les pièces usées du piston 1 peuvent être aisément remplacées.

Cette structure peut s’appliquer avantageusement au piston 3 d’une pompe cryogénique telle que représentée schématiquement à la (configurée par exemple pour opérer à des températures inférieures à -100°C). Une telle pompe peut comporter par exemple une enceinte 8 étanche destinée à contenir un bain de fluide cryogénique. L’enceinte 8 abrite une chambre 9 de compression communiquant avec le bain. Le piston 1 mobile assure la compression du fluide dans la chambre 9 de compression via un mécanisme 10 d'entraînement motorisé de la tige 2 du piston 1 dans un mouvement d’allers-retours selon une direction de mouvement. Un système d’admission 11, 12 du fluide à comprimer et de refoulement 13, 15 du fluide comprimé communique avec la chambre 9 de compression.

L’invention peut s’appliquer à tout autre type de pompe ou compresseur à piston.

Claims

Pompe comprenant une chambre (9) de compression communiquant avec une source de fluide à comprimer et un piston (1) mobile en translation pour assurer la compression du fluide dans la chambre (9) de compression, le piston (1) comprenant une tige (2) de piston s’étendant selon une direction longitudinale et munie à une de ses extrémité d’une tête (3) destinée à assurer la compression de fluide dans la chambre (9) de compression, la tête (3) comprenant au moins un joint (5) ou segment coopérant en contact étanche avec une paroi de la chambre (9) de compression, caractérisée en ce que le au moins un joint (5) est un joint à structure annulaire fermée disposé sur la surface périphérique de la tête (3) et qui est bloqué selon la direction longitudinale respectivement via deux butées longitudinales dont l’une au moins est un anneau (14) de blocage ouvert disposé dans une gorge (4) périphérique formée sur la périphérie de la tête (3).
Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comporte au moins un joint (5) à structure annulaire fermée qui est bloqué selon la direction longitudinale via deux anneaux (14) de blocage ouverts disposés de part et d’autre du joint (5) dans respectivement deux gorges (4) périphériques formées sur la périphérie de la tête (3).
Pompe selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu’elle comporte au moins un joint (5) à structure annulaire fermée bloqué selon la direction longitudinale à une extrémité par un anneau (14) de blocage ouvert disposé dans respectivement une gorge (4) périphérique formée sur la périphérie de la tête (3) et, à l’autre extrémité, par un épaulement (12) formé par la tête (3).
Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la tête (3) du piston est cylindrique et a un diamètre externe périphérique égal ou sensiblement égale au diamètre de la chambre de compression moins l’épaisseur du joint (5) et le diamètre externe périphérique de la tête (3) est égal ou sensiblement égal au diamètre interne du joint (5).
Pompe selon l’une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisée en ce que le diamètre externe du ou des anneaux (14) de blocage est inférieur au diamètre de la chambre (9) de compression.
Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le ou les anneaux (14) de blocage comprennent au moins l’un parmi : un circlips, un segment.
Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu’elle comprend plusieurs joints (5) à structure annulaire fermée disposés en série selon la direction longitudinale.
Pompe selon la revendication 7 caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs joint(s) bloqués chacun selon la direction longitudinale entre deux anneaux (14) de blocage ouverts montés dans des gorges (4) respectives.
Pompe selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que le joint (5) situé à une extrémité de la pluralité de joints en série est bloqué longitudinalement à une de ses extrémités par un épaulement (12) de la tête (3).
Pompe selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pluralité de joints (5) en série sont bloqués longitudinalement uniquement par un anneau (14) de blocage ouvert monté dans une gorge (4) à une extrémité d’un premier joint (5) de la pluralité de joints et, à une extrémité d’un dernier joint (5) de la pluralité de joints (5), par un épaulement (12) de la tête (3) ou un second un anneau (14) de blocage ouvert monté dans une gorge (4).
Pompe selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu’elle est du type cryogénique.
Pompe selon la revendication 11, caractérisée en ce qu’elle comprend une enceinte (8) étanche destinée à contenir un bain de fluide cryogénique et abritant la chambre (9) de compression, la pompe (1) comprenant un mécanisme (10) d'entraînement du piston (1) dans un mouvement d’allers-retours selon une direction de mouvement.