Brevet FR2016344A1 — publié le 19700508

La présente invention se rapporte à un moto compresseur scellé hermétique ou semi-hermétique à pistons, à un ou plusieurs cylindres, destiné à comprimer des gaz ou vapeurs secs ou humides sans y introduire de lubrifiant, en particulier d'huile. On connait des compresseurs à pistons pour fluides gazeux, fonctionnant'à sec, dans lesquels les éléments à'mouve- ment oscillatoire qui servent directement à la compression, en particulier le piston, dont l'étanchéité par rapport à la paroi du cylindre est réalisée au moyen dé labyrinthes ou de joints autolubrifiants à base de matière synthétique ou en graphite artificiel obtenu par voie électrique, sont réalisés de manière à fonctionner à sec tandis que le mécanisme de commande est toujours lubrifié à l'huile de manière classique. Cependant dans ces machines, il est difficile de rendre efficaces les joints et presse-étoupes n cessaires pour réaliser l'étanchéité des tiges à déplacement a ernatif des pistons et de l'arbre d'entralnement qui sort du carter t et par nature ces éléments ne sont pas absolument étanches en particulier en cas de mouvement oscillant ; c'est pourquoi il faut prévoir des moyens pour recueillir et récupérer les fuites de gaz. Par conséquent, on ne peut éviter en général des pertes du fluide gazeux. La nécessité de réaliser 11 étanchéité des pièces mobiles allant à l'extérieur entraîne obligatoirement par ailleurs, outre une plus grande complication de réalisation, un plus grand risque de mauvais fonctionnement, à cause du risque inévitable de défaillance des éléments utilisés, risque auquel on ne'peut obvier que par plus d'entretien. Un moyen connu pour résoudre le problème de l'enlève- ment d'huile sur la tige du piston de ces machines consiste par exemple à écarter assez le coussinet de guidage et le presseétoupe pour que la partie de cette tige recouverte d'une pellicule moléculaire d'huile ne penbtre pas dans la chambre du cylindre lorsque le piston avance. Mais il faut pour cela augmenter l'encombrement du compresseur, ce qui est indésirable dans de nombreux cas. On connatt aussi d'autre part des compresseurs à pis ton hçrmétiques ou semi-hermétiquesà un ou plusieurs cylindres et à un ou plusieurs étages. Ces compresseurs présentent l'avantage que le joint du coussinet de guidage (presse-étoupe de la bielle) est supprimé et que l'on obtient ainsi une parfaite etan- chéité de ces machines par rapport à l'extérieur. Il n'y a f ment pas de perte de gaz pendant un arrêt prolongé. Un inconvenient de ces machines réside dans le iaib que leur mécanisme de commande et leurs pistons sont lubrifiés exclusivement à l'huile et que par conséquent elles ne pe @t être équipées de manière à fonctionner a sec sous cette f- une partie de l'huile qui sert à la; lubrification et à l'@ tion de la chaleur s'écoule toujours par les cylindres, se @u@v rise au-dessus des pistons et parvient ainsi inévitablemenv dAn5 la chambre de compression. La présente invention a pour but de @@ médier aux inconvénients précités de l'état de la technique. Selon une particularité essentielle du motocompresseur du genre précité selon l'invention, aucune pièce mobile ne base à l'extérieur et tout le mécanisme de commande y compris le piston est conçu de façon à fonctionner à sec, ce qui assure que le fluide comprimé est absolument exempt d'huile ou de lubrifiant liquide. Indépendamment du fait qu'en tous cas le piston fonction- ne à sec, une partie au moins des paliers et coussinets du nisme de commande peut avantageusement être réalisée sous la forme de paliers à lubrification faible, ce qui assure trè ment la compression du fluide sans addition de lubrifiant. WeW combinaison caractéristique présente entre autres l'avantage le fonctionnement à sec garantit que le fluide comprimé est @@ d'huile ou de lubrifiant liquide. La construction hermétique empêehe les pertes de gaz vers l'extérieur et permet d'avoir un encombrement particulier ment faible. Etant donné qu'il n'existe aucune pièce mobfl à l'extérieur, une grande liberté d'entretien est assurée. En outre cette cpnception permet aussi d'utilis@@ manivelle d'entraînement simple sans tête ou cross, de sorte l'encombrement et les frais de fabrication sont encore réduits, D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, fai@e en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ces dessins, La figure 1 est une coupe axiale schématique d'un motocompresseur semi-hermétique à moteur incorporé non refroidi par la gaz aspiré La figure la est une coupe de détail à échelle agrandie du moto compresseur de la figure 1. La figure 2 est une coupe d'un motocompresseur semihermétique sans refroidissement par le gaz aspiré, à moteur à tube écran ; et La figure 3 représente un motocompresseur selon les figures 1 ou 2, comportant en plus un échangeur de chaleur afin de mieux éliminer la chaleur de frottement produite par le fonctionnement à sec. Sur la figure 1, l'enveloppe 1 de scellement qui entoure le compresseur et le moteur est en fonte ou en acier étanche aux gaz et résistant à la pression, et comporte des ouvertures de montage qui sont obturées par un couvercle vissé 2, également résistant à la pression et étanche aux gaz. le moteur électrique incorporé 3 d'entrarnement, qui a un fort couple de démarrage, qui peut encore démarrer sûrement même si la différence de pression est grande et peut également travailler en dépression, est introduit à la presse dans l'enveloppe 1, ce qui assure une bonne évacuation vers l'extérieur de l'échauffement par pertes en fonctionnement. Pour isoler ce moteur on utilise avantageusement un isolant uniquement en matière synthétique sans cellulose que l'on choisit particulièrement en fonction de son comportement chimique et thermique. Un polyester d'acide téréphtalique par exemple s'est révélé convenable dans de nombreux cas pour isoler les fils, notamment pour comprimer de l'hexafluorure de soufre (SF6) gazeux. Par conséquent on donne à l'enroulement du stator 4 une grande résistance thermique en renonçant à une matière isolante organique contenant de l'eau dans ses cellules et on lui donne une imprégnation également en résine synthétique, à base de polyuréthane par exemple. Les conducteurs électriques de raccordement 5 du moteur, également isolés au moyen d'une matière à grande résistance thermique exempte d'eau dans ses cellules à base de matière syn- thétique, sont connectés de l'intérieur aux traversées 6 disposes dans la paroi de l'enveloppe 1 ou du couvercle 2. Ces traversées sont montées de manière étanche aux gaz et résitant à la pression dans ces parois, mais en sont isolées. On peut réaliser cette insolation par exemple en les noyant dans du verre ou (comme on le fait déjà pour beaucoup de machines semi-hermétique) en utilisant des matières d'étanchéité élastiques mauvaises conductrices, à base par exemple de caoutchouc siliconé, de néoprène ou dgautres élastomères qui résistent suffisamment en particulier au SF6.Dans ce dernier cas, qui est représenté en détail à plus grandi échelle sur la figure 1, le joint élastique 7 est placé entre deux pièces isolantes 8 rigides en matière synthétique, par exemple en polytétrafluoréthylène, qui sont appliquées contre les traversées métalliques 6 par vissage en sens inverses afin de réaliser l'étanchéité nécessaire. L'arbre-mani velle ou excentrique 10 relié au rotor 9 du moteur incorporé 3 est en fonte grise ou en acier et aux emplacements de frottement sa surface est traitée par nitruration faible ou par un autre procédé lui conférant une grande résistance à l'usure. Ces procédés avec lesquels il faut aussi traiter la tige il du piston, sont connus sous les noms de traitement "Tenifer" et 'tJonifer". Toutes les pièces tournantes et oscillantes sont logées dans des coussinets de coulissement ou des paliers de rotation à sec appropriée, choisis et déterminés spécialement à cet effet en tenant compte de leur contrainte enee qui concerne la pression, la vitesse circonférentielle et la température. On utilise de façon particulièrement avantageuse les paliers à sec qui comportent un coussinet métallique sur la surface intérieure duquel on applique une couche glissante de matière synthétique. Afin de mieux évacuer la chaleur, on peut noyer dans cette couche synthétique dés particules métalliques, de bronze par exemple. On utilise avantageusement comme base synthétique du polytétrafluoréthylène et un polyimide auxquels on peut encore mélanger une charge telle- que du graphite D'autre part, des coussinets en métaux frittés poreux auxquels sont incorporés des lubrifiants solides tels que du nitrure e bore ou du sulfure de molybdène, sont avantageux. Outre les coussinets de coulissement précités, les paliers tournant à sec découverts ces dernières années dans le cadre de la recherche spatiale peuvent aussi être particulièrement avantageux. On peut en trouver des exemples dans un rapport publié par la Climax Nolybdenum Company of Michigan (Détroit Etats-Unis d'Amérique) sous le titre "The Effect cf the Chemical Composition of Metals in Solid lubrication" établi à propos du "Symposium sur la tenue des produits et dérives du pétrole dans l'espace, ayant eu lieu en présence de la Division de la Chimie du Pétrole dans la Société Américaine des Industries Chimiques".Dans un mode de e réalisation donné à titre d'exemple, les cages de ces paliers sont en métal fritté poreux dans lequel un lubrifiant solide est incorporé. les coussinets eux-mêmes peuvent éventuellement comporter un revêtement améliorant leur propriété de glissement. On utilise avantageusement comme paliers à lubrification faible, soit des paliers en métal fritté poreux imbibé de lubrifiant liquide faiblement volatile, à base par exemple d'huile minérale ou à base synthétique, soit des paliers étanches lubrifiés à la graisse, en utilisant avantageusement des graisses entièrement synthétiques ayant une tension de vapeur inférieure à 1.10-6 millibar à-250 C et stables thermiquement de 600 à 2000 C. En outre, il est avantageux d'utiliser des coussinets coulissants en matière synthétique lubrifiés à la graisse. Cette graisse est en général contenue dans des poches qui sont réparties sur la surface de glissement. Dans leschoix des lubrifiants, il faut veiller à ce que ceux-ci n'aient pas de réaction nuisible avec le fluide à comprimer ni avec les matières constitutives du compresseur, et d'autre part, à ce que ce fluide n'influe pas de manière nuisible sur leurs propriétés physiques. Tl est 'Dien entendu possible et également convenable dans des cas déterminés d'utiliser simultanément et -de combiner des coussinets coulissant-s et des paliers tournante. En-outre, dans de nombreuses applications une partie des paliers du mécanis- me de commande peut être réalisée de façon à être peu lubrimée. II n t est pas toujours nécessaire que tous les paliers de @e@é niame fonctionnent à sec. Les bielles 13 de transmission de la puissance réalisées de manière connue. Les pistons 14 néeessaires à le compression sont de préférence en-alliage léger. On réalise l'étanchéité entre-piston et cylindre et le guidage sans ment du piston de manière correspondant à l'état valable de technique, par exemple en utilisant des segments d'étanchéité 15 e de guidage 16 en matière plastique appropriée. Le piston du compresseur, qui est par exemple entraîné tar un moteur a curant alternatif, aspire le gaz par la soupape d'aspiration 17 et le refoule dans la chambre de compressnon 19 par la soupape de refoulement 18. Pour récupérer les fuites de gaz produites par la compression et passant dans le carter 20 de la manivelle, un canal 21 communique avec la chambre d'aspiration 22. Un trou de communication 24 sert à équilibrer la pression gazeuse entre la chambre 20 et le carter 23 du moteur. Le moteur 3 qui se trouve à la pression d'aspiratio@ est par conséquent toujours soumis à l'influence du fluide d'all- mentation et donc est entièrement réalisé de façon à résister t SF6 Pour mieux évacuer les chaleurs de frottement et de compression dégagées en service, ainsi que la chaleur par perQes du moteur, un ventilateur 25 de dimensions correspondantes peu@ envoyer de l'air sur le compresseur depuis l'extérieur. tes moto compresseurs ayant la forme de réalisation décrite en relation avec la figure 1 peuvent aussi tre refr@idis par le gaz aspiré, ce gaz entrant dans la machine du côté du m@- teur ie manier conforme à l'état de la technique, balayant c tête de ses enroulements et passant à la chambre d'astlration par des @anaux du bobinage du stator. ta figure 2 représente un compresseur de même consti- tution de principe que celui décrit en regard de la figure 1 contrairement--à ce dèrnier on utilise pour l'entrainer un moteur à tube écran de type connu. Cela présente l'avantage qu'avec des fluides fortement corrosifs, l'enroulement 27 de ce moteur n'a pas à avoir un isolement résistant à ces fluides. D'autre part le dégagement de chaleur est plus faible parce que la chaleur perdue par 11 enroulement extérieur n'est plus cédée directement au fluide. Enfin, en cas de détérioration causée par exemple par manque d'isolation ou surcharge du moteur, les réparations peuvent être exécutées de manière plus simple parce qu'on na pas besoin d'intervenir dans la machine hermétiquement scellée, le tube écran 29 qui entoure le rot or 28 peut par exemple entre vissé de manière hermétique aux gaz et résistant à la pression à l'enveloppe proprement dite du compresseur. les compresseurs des figures 1 et 2 sont de préférence alimentés par courant alternatif; il est possible en principe d'en régler la puissance et de les réaliser à un ou plusieurs étages. On peut déterminer le trajet d'aspiration de façon que le moteur, et notamment l'enroulement de son stator, soit refroidi en service par le gaz aspiré, ou bien travaille sans être refroidi par ce gaz. les deux variantes peuvent être avantageuses suivant l'application. Il est aussi possible en principe d'alimenter le moteur du compresseur par courant continu. Ces compresseurs peuvent par exemple être utilisés avantageusement comme pompe de groupe auxiliaire pour comprimer sans y mélanger d'huile de l'hexafluorure de soufre (SF6) en association avec des installations de commutation sous haute tension au SF6 scellées hermétiquement, ainsi que pour comprimer d'autres gaz ou vapeurs techniques, surtout à poids moléculaire élevé, tels qu'on en utilise en particulier dans la technique du froid. Une autre variante de réalisation des motocompresseurs décrits en relation avec les figures 1 et 2 consiste à améliorer leur comportement thermique grâce à des mesures appropriées d'e'va- cation de la chaleur par échange de chaleur intérieur et extérieur. Cela agit aussi favorablement, notamment sur leur durée de service ta figure 3 montre une solution possible à cet effet. le gaz qui se trouve dans la chambre de la manivelle, qui n'est mis en mouvement que modérément et qui provient essentiellement de la position en coin inévitable du piston pendant la compression, est chauffé de manière indésirable par la chaleur de frottement et de compression produite en service et par les pertes du moteur. On s'oppose à cet échauffement par échange interne en abaissant le niveau total de température, avec les avantages qui en résultent, gracie à un échangeur de chaleur extérieur supplémentaire. On peut le faire par exemple en raccordant à des emplacements opposés du carter 20 de la manivelle une conduite annulaire 30 dans laquelle est monté un échangeur de chaleur 52 simple sur lequel un ventilateur extérieur 31 envoie de l'air en le refroidissant, un ventilateur 35 de circulation, qui fonctionne également à sec et est scellé. hermétiquement, étant monté en aval de l'échangeur 32. il va de soi que la présente invention n'a eté décrite ci-dessus qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif et que l'on pourra y apporter toutes variantes sans sortir de son cadre. R E V E N D T C A T I O N S 1. Motocompresseur à enveloppe scellée hermétique ou semihermétique, à pistons et à un ou plusieurs cylindres, destiné à comprimer sans y introduire de lubrifiant liquide, en particulier d' huile, des gaz ou vapeurs secs ou humides, caractérisé par le fait qu'il ne comporte pas de pièce mobile sortant de son enveloppe et tout le mécanisme de commande y compris le piston est réalisé de manière à fonctionner à sec. 2. Motocompresseur selon la revendic tion 1, caractérisé par le fait qu'il comporte des coussinets de glissement à sec, dont la surface active est complètement ou partiellement en polytétra fluoréthylone 3. otocompresseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte des coussinets de glissement à sec dont la surface active est complètement ou partiellement en polyamide. 4. =otocompresseur selon l'une de revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que du graphite ou du sulfure de molybdène est ajouté à la matière de glissement des surfaces actives. 5. Motocompresseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on utilise des coussinets de glissement à sec en métaux frittés poreux auxquels est incorporé un lubrifiant solide. 6. Motocompresseur selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'on utilise des paliers de glissement à sec en métaux frittés poreux auxquels est incorporé du nitrure de bore ou bisulfure de molybdène. 7. Motocompresseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu1il comporte des paliers dans lesquels les pièces tournent à sec. 8. Motocompresseur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les cages des paliers de rotation sont en métaux frittés poreux dans lesquels sont incorporés des lubrifiants solides. 9. nIotocompresseur selon la revendication 1, caractérisé par le ait que tous les paliers du mécanisme de commande, à l'ex- ception des pistons qui fonctionnent à sec, sont des paliers à lubrification faible. ?0. Motocompresseur selon l'une quelconque des revendications t à 8, caractérisé par le fait qu'une partie des paliers du mécanisme de commande sont des paliers à lubrification faible. 11. Motocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que les paliers à lubrifi cette faible son des paliers de rotation étanches, lubrifiés à la graisse notamment à une graisse entièrement synthétique. 12. Motocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que les coussinets à lubrification faible sont en métal fritté poreux imprégné d'un lufiant liquide peu volatile. 13. Motocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'on utilise comme coussinets à lubrification faible des coussinets coulissants étanches e matière synthétique lubrifiés à la graisse, celle-ci étant place par exemple dans des poches. 14. Motocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13. caractérisé par le fait qu'au moins l'isolant du @@@ moteur électrique/se trouve à l'intérieur de l'enveloppe scellée es eemtt de cellulose. 15. Motocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait qu'il comporte un entraî ement à manivelle sans crosse. 16. Motocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que le moteur électrique d'entraînement est un moteur à te écran. 17. Motocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que son moteur peut démarrer en contre-pression. 18. Motocompresseur selon l'une quelconque des revendi cations 1 à 17. caractérisé par le fait que son moteur peut tra @ailler en dépression. 19. Motocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 18. caractérisé par le fait que son moteur d'entraînement est à po@@ant alternatif. 20. Motocompresseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé par le fait que le carter de manivelle est eduipé d'une conduite annulaire dans laquelle sont montes un @@@@ de chaleur échangeur/et une pompe ou ventilateur de circulation.