FR3132741A3

FR3132741A3 - Pump

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. 1Pump comprising a compression chamber (9) communicating with a source of fluid to be compressed and a piston (1) movable in translation to ensure the compression of the fluid in the compression chamber (9), the piston (1) comprising a rod ( 2) of a piston extending in a longitudinal direction and provided at one of its ends with a head (3) intended to ensure the compression of fluid in the compression chamber (9), the head (3) comprising at least one joint (5) or segment cooperating in sealed contact with a wall of the compression chamber (9), characterized in that the at least one joint (5) is a joint with a closed annular structure arranged on the peripheral surface of the head ( 3) and which is blocked in the longitudinal direction respectively via two longitudinal stops, at least one of which is an open blocking ring (14) arranged in a peripheral groove (4) formed on the periphery of the head (3 Figure of the abstract: Fig. 1

Description

Pump

L’invention concerne une pompe, notamment cryogénique.The invention relates to a pump, in particular cryogenic.

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.The invention relates more particularly to a pump comprising a compression chamber communicating with a source of fluid to be compressed and a piston movable in translation to ensure the compression of the fluid in the compression chamber, the piston comprising a piston rod extending along a longitudinal direction and provided at one of its ends with a head intended to ensure the compression of fluid in the compression chamber, the head comprising at least one seal or segment cooperating in sealed contact with a wall of the compression chamber.

La grande majorité (voir la totalité) des pompes cryogéniques à piston connues utilisent plusieurs rangées de segments (ou joints) pour assurer l’étanchéité.The vast majority (or all) of known cryogenic piston pumps use several rows of segments (or seals) to ensure sealing.

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 »).These segments generally have a metal base (bronze type) and are open to facilitate their installation and allow good contact with the wall of the compression chamber. That is to say that the segments have an open annular structure, where the contour is interrupted by a slot allowing the spacing of the seal and mounting on the piston (in “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.The use of open segments with a metal base for cryogenic pumps has been a proven technology for decades. This technology represents an economical solution with easy maintenance. The disadvantages of the technology, however, are the significant wear of these joints, their relatively poor tightness (hence the need to use several rows of segments) as well as the fairly significant local heating due to metal friction. /metal.

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…).For the application to liquid hydrogen, the disadvantages mentioned above (maintenance, leakage, heating) are particularly critical due to the properties of the molecule (low density and characteristic size). This causes larger leaks. Its low enthalpy of vaporization makes hydrogen more sensitive to heating. Its flammable nature and low temperature require a fairly cumbersome procedure during maintenance (reheating, inerting with helium or nitrogen or other inert gas, etc.).

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.In addition, positive displacement pumps for liquid hydrogen are intended to be installed in filling service stations with high availability. This makes maintenance issues even more critical.

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.In this context, it is necessary to develop new seal technologies for cryogenic positive displacement pumps, which can significantly reduce wear, leaks and friction. It is known to use new types of energized closed seals having, in general, a C-type section. However, the piston heads do not allow the use of these closed seals because they would have to be deformed beyond their elastic limit when they are placed in their respective grooves.

Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.An aim of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.

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.To this end, the pump according to the invention, moreover conforming to the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that at least one seal is a seal with a closed annular structure placed on the peripheral surface of the head and which is blocked in the longitudinal direction respectively via two longitudinal stops, at least one of which is an open blocking ring disposed in a peripheral groove formed on the periphery of the head.

Ceci permet la mise en place de joints fermés sans que ces derniers subissent une déformation qui dégraderait leurs propriétés mécaniques.This allows the installation of closed joints without them undergoing deformation which would degrade their mechanical properties.

Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :Furthermore, embodiments of the invention may include one or more of the following characteristics:

the pump comprises at least one seal with a closed annular structure which is blocked in the longitudinal direction via two open locking rings arranged on either side of the seal in respectively two peripheral grooves formed on the periphery of the head,
the pump comprises at least one seal with a closed annular structure blocked in the longitudinal direction at one end by an open blocking ring disposed in respectively a peripheral groove formed on the periphery of the head and, at the other end, by a shoulder formed through the head,
the head of the piston is cylindrical and has a peripheral external diameter equal to or substantially equal to the diameter of the compression chamber minus the thickness of the seal and the peripheral external diameter of the head is equal to or substantially equal to the internal diameter of the seal,
the external diameter of the locking ring(s) is less than the diameter of the compression chamber,
the locking ring(s) comprise at least one of: a circlip, a segment,
the pump comprises several seals with a closed annular structure arranged in series in the longitudinal direction,
the pump comprises several seal(s) each blocked in the longitudinal direction between two open blocking rings mounted in respective grooves,
the joint located at one end of the plurality of joints in series is blocked longitudinally at one of its ends by a shoulder of the head,
the plurality of joints in series are blocked longitudinally only by an open locking ring mounted in a groove at one end of a first joint of the plurality of joints and, at one end of a last joint of the plurality of joints, by a shoulder of the head or a second open locking ring mounted in a groove,
the pump is of the cryogenic type,
the pump comprises a sealed enclosure intended to contain a bath of cryogenic fluid and housing the compression chamber, the pump comprising a mechanism for driving the piston in a back and forth movement in a direction of movement.

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.The invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the characteristics above or below within the scope of the claims.

D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :Other features and advantages will appear on reading the description below, made with reference to the figures in which:

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. represents a half view, in longitudinal section, schematic and partial, illustrating an example of structure and the operation of the seal between a piston and its compression chamber according to the 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, represents a schematic and partial view illustrating the structure and operation of an example of a cryogenic pump capable of implementing the 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, represents a half view, in longitudinal section, schematic and partial, illustrating an example of structure and the operation of the seal between a piston and its compression chamber according to a second example of embodiment of the 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. represents a half view, in longitudinal section, schematic and partial, illustrating an example of structure and the operation of the seal between a piston and its compression chamber according to a third example of embodiment of the 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.Piston 1 partially illustrated in the (half of a longitudinal section) comprises a piston rod 2 (or shaft) extending in a longitudinal direction and provided at one of its ends with a piston head 3 intended to ensure the compression of fluid in a chamber 9 compression. The piston 1 is moved in translation on an axis, for example vertical, in the compression chamber 9.

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.The head 3 is for example cylindrical and comprises a plurality of joints 5 or segments cooperating in sealed contact with a cylindrical wall 19 delimiting the compression chamber 9.

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.The seals are seals 5 with a closed annular structure arranged on the peripheral surface of the head 3. The seals are blocked in the longitudinal direction via two open locking rings 14 arranged on either side of the seal 5 in grooves 4 or respective peripheral grooves formed on the periphery of the head 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.That is to say that the diameter of the head 3 measured at the bottom of the grooves 4 is less than the diameter of the peripheral surface of the head 3 on which the seals 5 are mounted. The locking rings form longitudinal stops projecting perpendicular to the longitudinal direction relative to the peripheral surface of the head 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.The external diameter of the head 3 of the piston can be approximately equal to the diameter of the compression chamber 9 minus the thickness of the seal 5 to be installed. Indeed, depending on the elasticity of the seal 5, the contact will be more or less significant between the seals 5 of the head 3 of the piston and the chamber 9.

Le diamètre de la tête 3 du piston correspond de préférence au diamètre interne du joint 5.The diameter of the head 3 of the piston preferably corresponds to the internal diameter of the seal 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.The grooves 4 (or notches) can be machined along the axis of the head 3 of the piston 1 in order to allow the installation of stops formed by open rings 14. These rings can be circlips or open segments. These locking rings 14 are arranged in the longitudinal direction alternating with the 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…).The number of rows or stages (groove 4 + stop 14 + seal 5) can vary between one, two and ten or more depending on the application (pressure, lifespan, etc.).

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.The seals 5 can therefore be closed seals and of the energized type and can be installed alternately with stop rings 4, by sliding them along the piston and in particular the head 3. The seal 5 which will be furthest from the terminal end of the head 3 can be mounted (threaded) first. This does not require deforming the joints 5 to put them on.

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.The grooves 4 preferably have sufficiently machined edges so as not to damage the seals 5 during their installation. The dimensions of seals 5 are preferably adjusted according to the diameter of the head 3 and the chamber 9 in order to allow easy installation while ensuring the desired seal.

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.In the alternative embodiment of the the head 3 of the piston 1 comprises several (three) seals 5 in series, the seal 5 of which located at one terminal end of the head 3 is held at one end by a ring 14 in its groove 4 and at its other end by a shoulder 12 formed on the periphery of the head 3. The other joints 5 are blocked on either side each by a ring 14 in its groove 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 :In the alternative embodiment of the , the head 3 of the piston 1 comprises several (four) seals 5 in series blocked longitudinally only by two blocking systems:

a ring 14 in its groove 4 at one end of the series of joints 5 and
a shoulder 12 formed on the periphery of the head 3 at the other end of the series of 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.That is to say, between these two longitudinal blockings, two or more joints 5 may not be separated by a longitudinal blocking system (such as a ring in its groove). The joints 5 can be stacked without spacing between these two stops.

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.These piston architectures 1 allow the use of several closed seals 5 sharing the same alignment, and whose installation does not require deformation which would damage their mechanical properties.

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).In addition, this architecture allows the use of closed seals 5 at high pressure because it becomes possible to arrange several of them in series unlike the prior art (see US5810870 for example).

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).The invention has many advantages. Thus, for example: an installation of closed seals 5 without deformation of the latter, perfect alignment between the different seals 5, the possibility of providing a single part for the piston head 3 (ease of machining, maintenance and monitoring ).

La maintenance est également aisée: les pièces usées du piston 1 peuvent être aisément remplacées.Maintenance is also easy: worn parts of piston 1 can be easily replaced.

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.This structure can advantageously be applied to the piston 3 of a cryogenic pump as shown schematically in (configured for example to operate at temperatures below -100°C). Such a pump may include, for example, a sealed enclosure 8 intended to contain a bath of cryogenic fluid. Enclosure 8 houses a compression chamber 9 communicating with the bath. The movable piston 1 ensures the compression of the fluid in the compression chamber 9 via a motorized drive mechanism 10 of the rod 2 of the piston 1 in a back and forth movement in a direction of movement. An admission system 11, 12 of the fluid to be compressed and discharge 13, 15 of the compressed fluid communicates with the compression chamber 9.

L’invention peut s’appliquer à tout autre type de pompe ou compresseur à piston.
The invention can be applied to any other type of piston pump or compressor.

Claims

Pump comprising a compression chamber (9) communicating with a source of fluid to be compressed and a piston (1) movable in translation to ensure the compression of the fluid in the compression chamber (9), the piston (1) comprising a rod ( 2) of a piston extending in a longitudinal direction and provided at one of its ends with a head (3) intended to ensure the compression of fluid in the compression chamber (9), the head (3) comprising at least one seal (5) or segment cooperating in sealed contact with a wall of the compression chamber (9), characterized in that the at least one seal (5) is a seal with a closed annular structure arranged on the peripheral surface of the head ( 3) and which is blocked in the longitudinal direction respectively via two longitudinal stops, at least one of which is an open locking ring (14) disposed in a peripheral groove (4) formed on the periphery of the head (3).

Pump according to claim 1, characterized in that it comprises at least one seal (5) with a closed annular structure which is blocked in the longitudinal direction via two open locking rings (14) arranged on either side of the seal ( 5) in respectively two peripheral grooves (4) formed on the periphery of the head (3).

Pump according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises at least one seal (5) with a closed annular structure blocked in the longitudinal direction at one end by an open blocking ring (14) disposed in respectively a groove (4 ) peripheral formed on the periphery of the head (3) and, at the other end, by a shoulder (12) formed by the head (3).

Pump according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the head (3) of the piston is cylindrical and has a peripheral external diameter equal or substantially equal to the diameter of the compression chamber minus the thickness of the seal (5 ) and the peripheral external diameter of the head (3) is equal to or substantially equal to the internal diameter of the seal (5).

Pump according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the external diameter of the locking ring(s) (14) is less than the diameter of the compression chamber (9).

Pump according to any one of Claims 1 to 5, characterized in that the locking ring(s) (14) comprise at least one of: a circlip, a segment.

Pump according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that it comprises several seals (5) with a closed annular structure arranged in series in the longitudinal direction.

Pump according to claim 7 characterized in that it comprises several seal(s) each blocked in the longitudinal direction between two open blocking rings (14) mounted in respective grooves (4).

Pump according to claim 6 or 7 characterized in that the seal (5) located at one end of the plurality of seals in series is blocked longitudinally at one of its ends by a shoulder (12) of the head (3).

Pump according to claim 7, characterized in that the plurality of seals (5) in series are blocked longitudinally only by an open locking ring (14) mounted in a groove (4) at one end of a first seal (5). of the plurality of seals and, at one end of a last seal (5) of the plurality of seals (5), by a shoulder (12) of the head (3) or a second an open locking ring (14) mounted in a groove (4).

Pump according to any one of claims 1 to 10, characterized in that it is of the cryogenic type.

Pump according to claim 11, characterized in that it comprises a sealed enclosure (8) intended to contain a bath of cryogenic fluid and housing the compression chamber (9), the pump (1) comprising a mechanism (10) for driving the piston (1) in a back and forth movement in a direction of movement.