Brevet FR2286297A1 — publié le 19760423

La présente invention concerne une pompe munie d'un piston à disque pour fluides liquides et gazeux, et plus particulièrement une pompe capable de refouler des fluides sous une pression de l'ordre de 20 atmosphères. L'état de la technique fournit de nombreux exemples de pompes de divers types. On peut mentionner notamment les pompes hydrauliques ou les pompes à refoulement de combustible produisant des pressions utilisables dans le domaine du bâtiment, ainsi que les pompes à eau pour l'alimentation en eau des habitations ou la compression. On peut également citer à titre d'exemples les compresseurs d'usines ou d'ateliers,notamment dans les stations d'essence où ils servent au gonflage des pneus. Selon la pression de refoulement requise, la quantité et la viscosité du fluide débité, l'homme du métier peut choisir parmi les divers modèles de pompes celui dont la structure convient. Les types de pompes connus sont entre autres les pompes à piston, les pompes centrifuges à compresseur radial ou axial, les pompes à membrane, les pompes à engrenages, les pompes à piston à disque rotatif et les pompes à vis sans fin. Les pompes à piston conviennent bien à la production de pressions élevées, en particulier les pompes multicellulaires. Ces pompes présentent cependant l'inconvénient de comporter un trop grand nombre d'éléments, de ne pouvoir fonctionner sans soupape ou clapet, et de présenter un encombrement trop important pour le volume de fluide débité; en outre le mouvement de va-et-vient du piston limite le nombre de tours si l'on désire assurer une durée de vie suffisante de la pompe. Si l'on veut utiliser une pompe à piston pour débiter de faibles volumes de fluides, il est nécessaire d'apporter à l'installation une grande précision qui s'avère coûteuse. Les pompes du type à compresseur axial ou radial se caractérisent par une construction simple et une bonne durée de vie et peuvent eAtre employées avantageusement pour débiter des volumes de fluides faibles ou importants. Leur Snconvénient réside dans la faiblesse des taux de compression obtenus, et en général la pression ne peut s'élever au-delà de 2 ou 3 atmosphères. Comme autre inconvénient on doit signaler qu'il n'est possible d'obtenir un rendement convenable que par un grand nombre de tours, de telle sorte qu'il faut effectuer des essais aérodynamiques variés, en particulier dans le cas de fluides gazeux, ce qui entrain une dépense importante. Les pompes classiques du type à compresseur axial ou radial présentent encore l'inconvénient qu'elles ne peuvent fonctionner comme pompes aspirantes autonomes quand on les utilise comme pompes de circulation, par exemple dans les installations de chauffage. On peut employer les pompes à membrane comme petites pompes à air, par exemple pour la ventilation d'aquarium ou comme pompes d'appoint. Toutefois elles ne conviennent que pour de faibles taux de compression dans le cas de débits peu importants. Il existe également des compresseurs à membrane procurant des pressions élevées et capables de débiter des quantités élevées de fluides, mais leur emploi se trouve limité, dans le domaine technique considéré ici, où l'absence de presse-étoupe est plus importante que les problèmes de coût. Les pompes à engrenages et les pompes à vis sans fin sont adaptées aux milieux gazeux et aux produits de faible viscosité comme l'eau. On ne les utilise donc que comme pompes à huile et leur domaine d'application se situe essentiellement dans les hautes pressions pour de faibles débits. Il n'existe pratiquement pas de pompe satisfaisante qui puisse être utilisée dans des domaines variés sans exiger d'importantes modifications de structure. De plus on doit constater que très peu de pompes ou de compresseurs possèdent une structure qui permette une inversion du sens de compression. D'autre part on emploie fréquemment des pompes ou des compresseurs pour l'entrainement de moteurs hydrauliques ou pneumatiques, et lorsque l'on peut utiliser de tels ensembles comme pompes ou compresseurs aussi bien que comme moteurs, leur montage se trouve grandement facilité. La présente invention a précisément pour objet un appareil du type pompe ou compresseur susceptible d'être utilisé dans des secteurs techniques variés par des modifications de structure très simples, dont le sens de compression peut être inversé par modification du sens de fonctionnement, et qui peut être utilisé comme moteur. L'invention concerne plus précisément une pompe autoaspirante comportant un piston à disque logé dans une chambre et un arbre tournant, convenant aux fluides liquides et gazeux. La pompe conforme à l'invention se présente sous la forme d'une sphère creuse dans laquelle des troncs de cône se font vis-à-vis; l'arbre tournant passe par le centre d'une sphère, solidaire de 1' arbre, tournantrentre les sommets des troncs de cône et sur la périphérie de laquelle est creusée une gorge formant avec l'arbre un angle différent de 90e. Le piston en forme de disque est placé dans cette gorge dans laquelle il peut tourner, son diamètre étant égal à celui de la chambre de la pompe, et comporte une encoche radiale dans laquelle s'engage une plaque de séparation fixée dans la partie supérieure de la chambre de la pompe; la partie inférieure de cette plaque est découpée en arc de cercle et s'engage dans l'encoche du disque-piston jusqu'à proximité de la sphère fixée sur l'arbre. De part et d'autre de la plaque de séparation, dans sa partie supérieure, la chambre de la pompe comporte des ouvertures pour le raccordement des conduits d'aspiration et de refoulement. Les dimensions des troncs de cône sont telles que les faces latérales du disque-piston puissent rouler contre la surface des troncs de clone. Il est avantageux de prévoir un galet de guidage cylindrique, mis en place dans l'encoche radiale pratiquée dans le disque-piston, et comportant une encoche parallèle dont les parois latérales glissent contre les parois de la plaque de séparation. Lorsque 1arbre se met à tourner, la sphère sur laquelle est creusée la gorge se trouve entrainée; par contre le disque-piston ne suit pas le mouvement car il se trouve maintenu par son encoche radiale et son galet de guidage glissant contre la plaque de séparation. Il en résulte que le disque-piston suit un mouvement complexe qui lui permet de--- refouler le fluide de l'aspiration vers l'échappement. Ainsi, lorsque 1 'on regarde la pompe dans l'axe de l'arbre tournant et que celui-ci se met à tourner dans le sens des aiguilles d'une montre, le fluide est aspiré dans la partie gauche de la chambre de la pompe et est refoulé dans la partie droite. On peut donc facilement modifier le sens de compression de la pompe en inversant simplement le sens de rotation de l'arbre. Il n'est pas nécessaire de prévoir des soupapes ou des clapets car le bord extérieur du disque-piston glisse contre la surface sphérique interne de la chambre de la pompe tandis que les faces du disque-piston roulent sur les parois des troncs de cône. Dans le cas de milieux gazeux il se forme sur les surfaces de glissement et de roulement, entre le disque-piston et la chambre de la pompe de minces couches de fluide qui permettent d'assurer la lubrification d'un côté et l'étanchéité de l'autre, de telle sorte qu'il n'est pas nécessaire de prévoir d'autres dispositifs pour assumer ces deux fonctions. Le cas échéant il est possible de munir le bord du disque-piston d'une bride ou d'un segment, ou encore d'un joint à labyrinthe. Une des caractéristiques principales de la pompe conforme à l'invention est que le rapport de la quantité de fluide débitée, à la pression de refoulement (pour la puissance de commande et le diamètre du disque-piston prévus) peut être modifié de façon simple. Il suffit de modifier l'inclinaison de la gorge sur la sphère dans laquelle glisse le disque-piston, le fabricant fournissant des sphères munies de plusieurs gorges d'inclinaisons différentes ainsi que des troncs de cône correspondants. Tous les autres éléments de la pompe peuvent être maintenus sans modification. L'adaptation à des fluides de viscosités différentes est également possible de la même façon. Un autre avantage de la pompe conforme à la présente invention réside dans le fait que le nombre de tours de l'arbre n'est pas critique. On peut par exemple faire tourner l'arbre à 300C tours/minute, ce qui n'est pas possible avec les pompes à piston ordinaires. On peut donc pour la commande faire appel à des moteurs électriques simples et bon marché et éviter d'utiliser des démultiplicateurs, le rendement de la pompe conforme à l'invention restant suffisamment élevé même pour une faible vitesse de rotation. Dans la description qui suit, ainsi que sur les figures annexées, on a esséntiellement insisté sur la géométrie et sur le fonctionnement de la pompe conforme à l'invention, et l'homme du métier pourra aisément transposer ces éléments à la pratique. Les figures annexées représentent respectivement: Figures 1 et 2 : géométrie de la pompe Figure 3 : l'arbre tournant, sa sphère et son disque-piston. Figure 4 : le disque-piston et son galet cylindrique de guidage. Figure 5 : vue en perspective d'une pompe conforme à l'invention. Figure 6 : quatre positions différentes du piston. Sur les figures 1 et 2, le cercle 1 représente la paroi interne de la chambre sphérique de la pompe. Les secteurs circulaires 2 et 3 représentent les éléments tronconiques dont la grande et la petite base sont respectivement les cercles en pointillé 4 et 5. La plaque de séparation 6 est fixée dans le corps de la pompe. L'arbre tournant pénètre par les orifices 7 et 8. Le mode dtassemblage de la pompe n'a pas été représenté et la technique classique de construction des pompes de ce type fournit diverses possibilités permettant d'obtenir la géométrie des figures i et 2. Sur la figure 3 l'arbre 10 est solidarisé avec une sphère 11. Sur un grand cercle de cette sphère 11 est creusée une gorge 12 faisant avec l'arbre 10 un angle différent de 90 , et de préférence supérieur à 60 . Un piston en forme de disque 13 est placé dans cette gorge; des stries sont pratiquées sur la périphérie du disque-piston 13 afin de constituer un joint à labyrinthe. Pour réaliser la pompe conforme à l'invention les éléments tels que l'arbre, la sphère et le disque-piston peuvent être fabriqués indépendamment. On peut par exemple réaliser le disque-piston 13 en une seule pièce, puis la sphère 11 en deux parties afin de faciliter le montage. Mais on peut aussi fabriquer la sphère Il en une seule pièce et utiliser un piston constitué de deux demi-disques. L'homme du métier pourra facilement choisir parmi les matériaux usuels ceux pouvant constituer le disque-piston 13 et la sphère Il afin de procurer'tout à la fois une bonne résistance à l'usure et un coefficient de frottement approprié. On peut par exemple utiliser une sphère il en acier dont la surface aura été nitrurée, et un disque-piston 13 en alliage. Le choix parmi les diverses qualités d'aciers susceptibles de constituer la sphère 11 et le disque-piston 13 ne présente aucune diffi -culté, Un grand nombre de produits peuvent également convenir, comme le Teflon, certaines polyoléfines ou encore le nylon 6 ou le nylon 12. La figure 4 représente le disque-piston 13 muni de son galet de guidage cylindrique 14 qui est glissé dans l'encoche 15 dont les parois sont cylindriques. Ce galet de guidage 14 comporte une encoche 17 possèdant deux parois parallèles qui enserrent la plaque de séparation 6 lorsque la pompe est montée. Le bord extérieur 16 du disque-piston 13 peut être strié afin de constituer un joint à labyrinthe. On peut galet ment le munir d'une bride ou d'un segment, ou tout autre joint, non représenté sur la figure. La figure 5 est une vue perspective par-dessus schématique d'une pompe conforme à l'invention. Les références sont les mêmes que dans les figures décrites ci-dessus. On remarque que le disque-piston 13 est logé dans la gorge pratiquée sur la sphère 11 fixée sur l'arbre 10 qui traverse les éléments tronconiques 2 et 3 dans la chambre sphérique 1 de la pompe. Le galet cylindrique de guidage 14 enserre la plaque de séparation 6. Sur l'élément tronconique 3 a été ménagé un évidement 20 dans lequel vient s'appuyer le galet de guidage 14 en bout de roulement du disque-piston sur la surface tronconique. De même, l'élément tronconique 2 est pourvu d'un évidement identique. Surla figure 6 sont représentées les positions du disque-piston 13 dans la chambre de la pompe correspondant à des rotations de l'arbre 10 de 00, 900 , 1800 , et 2700. Pour un angle de 00, le disque-piston 13 est dans une position telle que le galet de guidage 14 se trouve dans l'évidement 20 pratiqué dans l'élément tronconique 2. On voit que pour des angles de 900 et 270 le galet de guidage 14 se trouve au milieu de la plaque de séparation 6 et seul le bord extérieur du disque-piston est alors visible. Pour des angles de OQ et 1800 on voit chacune des faces du disque-piston en biais. La figure 6 est vue sous le même angle que la fig.5 et les mêmes références ont été utilisées. Il est bien entendu que l'on s'est contenté de représenter l'essentiel c'est-à-dire la géométrie de la pompe et le mouvement du piston dans la chambre de la pompe, sans décrire les éléments de construction accessoires que 1'homme du métier est à même de déterminer aisément selon ses besoins pour réaliser une pompe conforme à l'invention. REVEWD ICAT IOiS 1. Pompe munie d'un piston à disque monté sur un arbre tournant dans la chambre de la pompe, caractérisée par une chambre en forme de sphère creuse comportant: - deux éléments tronconiques de même axe que l'arbre, disposés en vis-à-vis; - une sphère fixée sur l'arbre touchant les sommets des deux éléments tronconiques et comportant une gorge le long d'un grand cercle non perpendiculaire à l'arbre; - un piston en forme de disque glissant dans la gorge de la sphère, de diamètre correspondant à celui de la chambre, dans lequel est pratiquée une encoche radiale; - une plaque de séparation dont le bord inférieur en arc de cercle pénètre dans l'encoche du disque jusqu'à la sphère, fixée dans la partie supérieure de la chambre; - des orifices d'admission et de refoulement ménagés dans la partie supérieure de la chambre de part et d'autre de la plaque de séparation; ; - la dimension des éléments tronconiques étant déterminée de façon à permettre que les faces du piston en forme de disque puissent rouler sur les surfaces tronconiques. 2. Pompe selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'encoche radiale porte un galet de guidage cylindrique comportant une encoche parallèle dont les parois enserrent la plaque de séparation. 3. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisée en ce que la gorge pratiquée dans la sphère fait avec l'arbre un angle d'environ 600. 4. Pompe selon la revendication 2 caractérisée en ce qu'un évidement est pratiqué dans chaque élément tronconique pour recevoir le galet de guidage du piston. 5. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est utilisable comme moteur hydraulique.