Brevet FR2260699A1 — publié le 19750905

La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux convertisseurs d'énergie à course libre, c'est-à-dire aux machines comportant un volume variable dont la paroi mobile n'est pas solidarisée avec une machine d'entralnement par l'intermédiaire de pièces mécaniques à course fixe. On sait que dans une pompe ou dans un compresseur à piston libre associé àun élément moteur tel qu'un moteur à combustion interne ou externe ou un moteur à fluide sous pression, ou un moteur électro-magnétique ou électro-dynamique, le point mort du piston le plus rapproché de la culasse (appelé point mort intérieur, en abrégé P.M.I.) s'adapte naturellement pour que 11 énergie reçue et l'énergie de pompage s'équilibrent, aux pertes de frottement près. Â rapport de pression donné, le point mort précité est d'autant plus proche de la culasse que énergie reçue est grande ; un excès de cette énergie peut conduire au choc du piston contre la culasse. Dans une pompe ou un compresseur associé à un moteur électromagnétique ou électro-dynamique, l'énergie reçue dépend, entre autres, du phasage entre course du piston et tension du courant. Ce phasage, comme dans tout résonateur forcé, dépend du rapport entre fréquence d'excitation et fréquence propre de l'ensemble mobile. La tendance naturelle d'un tel ensemble est que ce phasage passe en sous-résonance lorsque le rapport de compression est faible, d'où il résulte une diminution de l'énergie reçué par la pompe ou le compresseur.Mais l'expérience montre que cette diminution d'énergie reçue n'est pas suffisante et qu'il peut y avoir choc mécanique pour les faibles rapports de pression d' autre part le fonctionnement en sous-résonance engendre une diminution de l'impédance du moteur dont2i'intensitéficace croit, d'où une augmentation des pertes par effet Joule. Plutôt que de chercher à diminuer l'énergie reçue par le compresseur, ce qui engendrerait une diminution du débit refoulé, il est préférable de chercher à accroître artificiellement l'énergie de compression afin d'assurer, sans choc, l'équilibre des énergies. Une méthode déjà connue et décrite dans le brevet français n 2 158 583, consiste à placer l'orifice de refoulement, non pas dans la culasse, mais sur le caté du cylindre, afin d'obtenir sur la dernière partie de la course du piston, par obturation dudit orifice, l'interruption de la phase de refoulement avec création d'un matelas pneumatique qui, d'une part apporte l'accroissement d'énergie, et d'autre part procure une importante augmentation de fréquence propre de l'ensemble mobile, qui passe en sur résonance avec augmentation de l'impédance moteur et diminution des pertes par effet Joule. Cette méthode, bien que résolvant les problèmes des chocs mécaniques et de l'accroissement des pertes par effet Joule est limitée dans son application et ne procure pas la loi idéale de phasage de la course par rapport à la tension du courant pour toutes les pressions de refoulement. En effet, le point de la course à partir de laquelle on obture 1' orifice de refoulement est fixé par construction et la position donnée à ce point doit être telle que l'obturation du refoulement n'intervienne que pour les faibles rapports de pression : en particulier, cette obturation ne doit pas avoir lieu lorsque la machine travaille dans ses conditions nominales. Or, il se produit fréquemment, du moins dans certaines applications, telles que les machines frigorifiques, que le com presseur travaille dans des conditions très éloignées de ses conditions nominales. Ainsi, dans les machines frigorifiques, au ddbut d'une période de compression, le rapport des pressions est voisin de l'unit D='autre part, il peut arriver qu'un cristal de glace obture momentanément la tuyère de détente, ce qui entratne une augmentation importante dudit rapport. le fait de prédéterminer à la construction le point de la course du piston à partir duquel s'exerce l'effet matelas n'est donc pas satisfaisant. le but de la présente invention est de réaliser des perfectionnements aux convertisseurs d'énergie à course libre comportant un volume variable tels que l'effet matelas précité soit efficace, ctest-à-dire évite les chocs de fin de course, fasse varier l'énergie de retour comme nécessaire et corrige l'angle de phase dans une très large plage de conditions de fonctionnement de la pompe. Suivant l'invention le convertisseur 'énergie à course libre comporte un volume variable formant chambre de pompage délimité par une paroi mobile en translation recevant des impulsions motrices, ladite chambre présentant un orifice d'admission et un orifice de refoulement et ménageant, pour une partie de la course de la paroi mobile précitée, un espace clos formant matelas-ressort et contenant un fluide sous pression dont l'énergie accumulée influe sur les conditions de fonctionnement et il est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour asservir le volume du matelas précité,au moment de la fermeture dudit orifice de refoulement, à au moins une condition de fonctionnement dudit convertisseur d'énergie. Ainsi, quelles que soient les conditions de fonctionnement du convertisseur, du moins dans une très large plage, l'effet spécifique du matelas ressort pneumatique est assure, par asservissement aux conditions de fonctionnement. Suivant une variante préférée de l'invention, plus particulièrement destinée à des machines dont la paroi mobile reçoit des impulsions motrices de période fixe dont 11 angle de phase avec les déplacements de la paroi est variable et dont 2.e volume du matelas conditionne l'angle de phase précité, la machine comprend des moyens pour asservir l'angle de phase précité a au moins une condition de fonctionnement de la machine telle que la pression dè refoulement. Suivant une autre variante les moyens d'asservissement de 11 angle de phase précité répondent à la différence entre les pressions du fluide à l'admission et au refoulement, et assurent l'avance des déplacements du piston par rapport aux impulsions motrices quand la différence de pression diminue. Suivant une réalisation préférée de l'invention, les moyens d'asservissement précités comprennent des moyens pour faire varier automatiquement le point de la course de la paroi mobile où se produit l'obturation de l'orifice de refoulement. On élimine ainsi l'inconvénient mentionné plus haut des réalisations connues, où l'obturation de l'orifice de refoulement se produit en un point de la course du piston fixé par construction. D'autres particularités de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs : la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un compresseur conforme à l'invention, dans une position moyenne du piston, la figure 2 est une vue en coupe axiale du même compresseur, dans la position de point mort intérieur (dit PXI) du piston, les figures 3 et 4 sont des diagrammes destinés à faire comprendre le fonctionnement du compresseur, la figure 5 est une coupe axiale d' une deuxième réalisation du compresseur, la figure 6 est une coupe axiale d'une troisième réalisation du compresseur, la figure 7 est une coupe axiale d'une quatrième réalisation du compresseur, la figure 8 est une coupe axiale d'une cinquième réalisation du compresseur. En référence à la figure 1, le compresseur comprend un cylindre 1 fermé par une culasse 2 et coopérant avec la face avant 3a d'un piston principal 3 constituant une paroi mobile pour former une chambre de compression 4, par l'intermédiaire de dispositifs d'étanchéité connus non représentés. Le piston 3 est libre et actionné par des moyens non représentés qui peuvent 8trie, par exemple, du type électro-magnétique. La culasse 2 comprend un clapet d'admission 5, le fluide étant admis suivant la flèche FA , et un clapet de refoulement 6 sensiblement coaxial-au piston 3, obturant un orifice 6a et prenant appui sur un épaulement 7 sous l'effet d'un ressort taré 8, le fluide comprimé étant évacué suivant la flèche FR. Un piston auxiliaire 9 coulisse librement dans un tube il faisant corps avec le piston 3, sensiblement coaxial à ce dernier et disposé sur sa face arrière 3b. Une collerette 12 du piston 9 peut venir prendre appui sur une collerette t3 du tube 11, sous l'effet d'un ressort 14 prenant appui par ailleurs sur une tige épaulée 15 solidaire d'une cloche 16 fixée au piston 3 par un circlip 17 et percée diu moins un trou 18 La raideur du ressort 14 est choisie de préférence de manière que la fréquence propre d'oscillation du piston 9 soit au moins égale à quatre fois la fréquence d'oscillation du piston principal 3. le piston auxiliaire 9 comprend, à son extrémité opposée à la collerette 12, un bourrelet 19 sensiblement circulaire situé à ltextr8me périphérie dudit piston et qui peut coopérer avec une rondelle 21 en matière résiliente disposée autour de l'orifice de refoulement 6a pour obturer ledit orifice. On comprend que le piston auxiliaire 9 fait saillie dans la chambre 4 sur une longueur A mesurée à partir de la face avant 3a du piston 3, cette longueur A étant maximale quand la collerette 12 vient prendre appui sur la collerette 13, et devenant pratiquement nulle quand le piston principal 3 vient affleurer la culasse 2, la hauteur axiale de la cloche 16 étant prévue pour permettre un tel déplacement du piston 9, la collerette 12 venant prendre appui sur ladite cloche lorsque la longueur A est sensiblement nulle. En fonctionnement, le piston principal 3 est toujours soumis sur sa face arrière 3b à la pression d'admission Pa. Si la pression d'admission Pa ntest pas égale à la pression atmosphérique, cette condition est réalisée par la constitution du compresseur en unité hermétique. le piston auxiliaire 9 est donc soumis d'une part à l'faction du ressort 14 et d'autre part, grâce au trou 18, à la différence entre la pression Pc dans la chambre 4 et la pression d'admission Pa. La distance A varie alors en fonction de la pression Pc comme indiqué sur la figure 3, la pression d'admission Pa étant supposée constante. Dans une course de compression du piston principal 3, la pression Pc dans la chambre 4 varie en fonction du temps comme indiqué sur la figure 4. A partir de l'instant zéro, correspondant au début de la course, la pression Pc augmente à partir de la pression d'admission Pa, provoquant une diminution progressive de la longueur saillante A La pression de refoulement Pr est atteinte au temps t1 (figure 4), provoquant l'ouverture du clapet de refoulement 6 par où s'échappe le fluide comprimé. La pression dans la chambre 4 reste alors constante et égale à Pr , à quelques légères fluctuations près.De ce fait, la longueur A reste constante, et, la distance X de la face avant 3a du piston principal 3 à la culasse 2 continuant de diminuer, il arrive un instant t2 où le bourrelet 19 du piston auxiliaire 9 vient s'appliquer sur la rondelle 21, obturant ainsi l'orifice de refoulement 6a (figure 2). Dès lors, la chambre 4 demeure sans aucune communication avec l'extérieur et l'effet de matelas-ressort pneumatique se produit, la pression montant rapidement dans la chambre (figure 4) jusqu'à l'instant t3 où le piston 3 atteint son point mort intérieur PMI. Pendant tout le temps que le piston 9 est en contact avec la rondelle 21, il est appliqué sur ladite rondelle par la seule force du ressort 14, puisque, le bourrelet 19 étant exactement périphérique, la pression dans la chambre 4 n'exerce aucune poussée axiale sur le piston 9. Au retour du piston 3, la pression décroît, les distances X et A restant égales jusqu'au moment où la collerette 13 prenant appui sur la collerette 12, provoque la séparation du piston 9 d'avec la rondelle 21. Puis la pression continue de décrotte jusqu'à atteindre la pression d'admission Pa, ce qui laisse le fluide pénétrer dans la chambre 4 dans le clapet d'admission 5. L'accroissement d'énergie de compression recherché est obtenu par la compression du matelas-ressort, et sans aucune perte énergétique, puisque cet accroissement est entièrement récupéré à la décompression dudit matelas-ressort. On élimine ainsi tout choc éventuel avec la culasse quelles que soient les pressions de refoulement et d'aspiration, même pour une large zone de fonctionnement englobant des rapports de pression élevés. On obtient également une énergie de retour qui est très largement modulée en fonction de la course et des conditions de fonctionnement de la machine, ce qui permet d'obtenir un fonctionnement optimum dans une large zone. D'autre part, l'accroissement de raideur des moyens de retour résultant dé l'effet matelas engendre un accroissement de la fréquence propre de l'équipage mobile qui conduit à une réduction très importante des pertes par effet Joule. les trois buts recherchés sont entièrement atteints. le réglage de la position du point d'obturation du refoulement 6a s' effectue en aménageant de façon convenable la loi de levée du piston 9 (figure 3). Cette loi dépend elle-même de la section dudit piston et de la raideur du ressort 14. La figure 3 montre que le point de fermeture de l'orifice de refoulement 6a est d'autant plus éloigné du PSI que le rapport des pressions Pr/Pa est faible . Si ce rapport est voisin de l'unité, la longueur A correspondant au début de la fermeture de l'orifice de refoulement 6a est choisie pour atteindre une pression maximale modérée avec néanmoins une course de refoulement satisfai santé. Pour un rapport Pr/Pa correspondant aux conditions nominales de la machine, et pour lesquelles il n'y a ni problème de choc ni problème d'échauffement du moteur, on aura interet à ce que la phase de refoulement se poursuive jusqu'au PtE, c'est-à-dire que le piston 9 ne vienne jamais obturer l'orifice de refoulement 6a. Cette condition est obtenue de façnn évidente en adaptant la pente de la courbe de la figure 3 ainsi qu'il a été dit plus haut. Sur la réalisation représentée figure 5, le piston 9 est remplacé par un poussoir 22 soumis d'une part à l'action du ressort 14 qui prend appui sur la cloche 16 et sur une embase 23 solidaire dudit poussoir 22, et d'autre part à la différence entre la pression Pc dans la chambre 4 et la pression d'admission Pa, suivant le même phénomène que celui qui affectait le piston 9. Une lame flexible 24 fixée à la culasse 2 est disposée vis-à -vis de l'orifice de refoulement 6a, de manière à obturer de façon étanche lorsqu'elle s'applique dessus. En position de repos, la lame 24 est maintenue éloignée dudit orifice 6a par un ressort 25 prenant appui sur la culasse 2, de manière que la distance entre l'orifice 6a et la lame 24 soit telle que ladite lame ne puisse venir s'appliquer sur ledit orifice sous le seul effet de la perte de charge provoquée par ladite lame au passage du fluide suivant la flèche F. Le fonctionnement est analogue à celui de la réalisation représentée figure 1. En particulier, le poussoir 22 se comporte comme le piston 9, en faisant saillie d'une longueur A dans la chambre 4. Lorsque ce poussoir vient pousser la lame 24, il provoque la fermeture par cette dernière de l'orifice 6a. Mais ici le poussoir 22 reste soumis à la pression Pc dans la chambre, la longueur saillante diminue donc rapidement et le poussoir 22 abandonne la lame 24 qui reste appliquée sur l'orifice 6a par effet d'autoclave et ne s'en décollera qu'au cours de la phase de décompression. Au prix d'une technologie un peu plus complexe, cette réalisation offre une obturation plus étanche de l'orifice 6a et permet égalemént que l'orifice 6a ne soit pas coaxial au poussoir 22, ce qui peut présenter un avantage pour le tracé de la culasse. La réalisation de la figure 6 est analogue à la précédente, sauf en ce qui concerne le dispositif d'obturation du refoulement la lame 24 est remplacée par un second clapet 26 applicable sur une portée 6b, avec un ressort 27 interposé entre les clapets 6 et 26. Au repos, le clapet 26 est maintenu éloigné de la portée 6b par le ressort 27 et permet le passage du fluide suivant la flèche F vers le clapet 6. Actionné par le poussoir 22, le clapet 26 vient s'appliquèr sur la portée 6b avec effet d'autoclave, obturant l'orifice de refoulement. Puis le poussoir 22 abandonne le clapet 26 qui ne quitte la portée 6b qu'ultérieurement, au cours de la phase de décompression. Cette réalisation améliore encore l'étanchéité mais nécessite que le poussoir 22 soit sensiblement coaxial à l'orifice de refoulement 6a. Les réalisations des figures 7 et 8 correspondent respectivement à celles des figures 1 et 5 où l'on a placé les éléments auxiliaires mobiles sur la culasse 2 au lieu de les placer sur le piston 3. Ainsi, le piston 9 (figure 7) et le poussoir 22 (figure 8) coulissent dans la culasse 2, en étant soumis à l'action du ressort 14 et à la différence entre la pression Pc dans la chambre 4 et la pression Pa d'admission. En conséquence, les orifices de refoulement 6a sont situés sur le piston 3 et sont mis en relation avec l'enceinte de refoulement par l'intermédiaire d'un canal 28 foré dans le piston 3, d'une chambre circulaire 29 pratiquée dans le cylindre 1 et d'un canal 31 foré dans ledit cylindre. Les dispositifs contribuant à l'obturation tels que la rondelle 21 et la lame 24 sont également reportés sur le piston 3. L'avantage de ces deux réalisations par rapport à celles des figures 1 et 5 réside dans le fait que le piston 9 et le poussoir 22 se déplacent par rapport à une pièce fixe (la culasse 2) et non plus par rapport à un élément lui-meme en déplacement rapide (le piston 3), ce qui assure une meilleure sécurité de fonctionnement. La complication de construction qui en résulte pour le piston 3 et le cylindre 1 est faible, surtout si l'on emploie des méthodes appropriées. L'invention ainsi décrite permet, comme on l'a vu, d'asservir la raideur du ressort pneumatique constitué dans la chambre de compression à la différence entre la pression de refoulement et la pression d'admission. Cette raideur conditionnant directement la fréquence propre de l'équipage mobile et, par conséquent, l'angle de phase entre les déplacements dudit équipage et les impulsions motrices qu'il reçoit, on obtient un fonctionnement optimal du compresseur dans des conditions très variables qui peuvent être relativement très éloignées des conditions nominales. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux réalisations décrites, et l'on peut envisager de nombreuses variantes constructives sans sortir de son domaine. Ainsi, le piston principal 3 peut etre ou non libre en rotation : s'il est libre le piston 9 ou le poussoir 22 devra lui être coaxial; sinon, ces éléments pourront être excentrés. De même, l'éloignement de la lame 24 de l'orifice de refoulement 6a peut être obtenu sans le secours de ce ressort 25, par cambrure préalable de la lame 24. REVENDICATIONS 1. Convertisseur d'énergie à course libre, comportant un volume variable formant chambre de pompage délimité par une paroi mobi-le en translation recevant des impulsions motrices, ladite chambre présentant un orifice d'admission et un orifice de refoulement et ménageant, pour une partie de la course de la paroi mobile précitée, un espace clos formant matelas-ressort et contenant un fluide sous pression dont énergie accumulée influe sur les conditions de fonctionnement, ledit convertisseur comprenant des moyens pour asservir au cours du fonctionnement normal le volume du matelas précité, au moment de la fermeture de l'orifice de refoulement précité, à au moins une condition de fonctionnement dudit convertisseur d'énergie, caractérisé en ce que ces moyens sont situés en amont du clapet de refoulement et en ce qu'ils sont agencés pour fermer hermétiquement, prématurément et temporairement le clapet de refoulement avant la fin de chaque course du piston. 2. Convertisseur d'énergie conforme à la-revendication 1, dont la paroi mobile reçoit des impulsions motrices de période fixe dont l'angle de-phase avec les déplacements de ladite paroi mobile est variable, et dont le volume du matelas-ressort au moment de la fermeture de l'orifice de refoulement conditionne ledit angle de phase, caractérisé en ce que les dimensions et la masse de l'équipage mobile, ainsi que la raideur du ressort associé sont déterminées pour que la fréquence propre de l'équipage mobile au point nominal de fonctionnement soit voisine de la fréquence sd'excitation et en ce que ce convertisseur comprend des moyens pour asservir l'angle de phase variable obtenu dans ces conditions à une des conditions de fonctionnement du convertisseur. 3. Convertisseur d'énergie conforme à la revendication 1, dont la paroi mobile reçoit des impulsions motrices de période fixe dont l'angle de phase avec les déplacements de ladite paroi mobile est variable, et dont le volume du matelas-ressort au moment de la fermeture de l'orifice de refoulement conditionne ledit angle de phase, caractérisé en ce que les dimensions et la masse de l'équipage mobile, ainsi que la raideur du ressort associé sont déterminées pour que la fréquence propre de l'équipage mobile au point' nominal de fonctionnement soit voisine de la fréquence d'excitation et en ce que ce convertisseur comprend des moyens pour asservir l'angle de phase variable obtenu dans ces conditions à la différence entre les pressions d'admission et de refoulement. 4, Convertisseur d'énergie conforme la revendication 3, dans lequel les moyens d'asservissement précités comprennent un piston auxiliaire équilibré par un ressort, soumis sur l'une de ses faces à la pression d'admission et sur l'autre face à la pression de refoulement, caractérisé en ce que ce piston auxiliaire forme une saillie de longueur variable dans la chambre de compression en-regard de l'orifice d'échappement et est disposé pour venir obturer ledit orifice lorsque la hauteur résiduelle du matelas ressort précité est égale à la longueur de la saillie-précitée. 5. Convertisseur d'énergie conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le piston auxiliaire est agencé pour actionner un dispositif d'obturation de l'orifice de refoulement. 6. Convertisseur d'énergie conforme à l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le piston auxiliaire est monté à coulissement dans la paroi mobile, et en ce que l'orifice de refoulement est situé dans la culasse du cylindre. 7. Convertisseur d'énergie conforme à l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le piston auxiliaire est monté à coulissement dans la culasse du cylindre et en ce que l'orifice d'échappement est situé sur la paroi mobile et communique, par une canalisation ménagée dans ladite paroi, avec une gorge annulaire pratiquée dans le cylindre et communiquant avec 1' enceinte d'échappement.