Brevet FR2343889A1 — publié le 19771007

La présente invention concerne une machine pour fluide compressible du type à piston oscillant Par "machine" on entend, dans le cadre de la présente invention, tout appareil du type susceptible d'autre utilisé comme compresseur de gaz, détendeur de gaz avec production de travail, pompe à vide, etc. Des appareils connus de ce type comportent un système bielle-manivelle avec tige de piston coulissant dans un presse étoupe et une crosse d'articulation de bielle coulissant entre des glissières. Ces appareils sont donc encombrants, lourds et coûteux. L'invention, notamment, a pour but de remédier d cet inconvénient et de réaliser un appareil permettant une vitesse de fonctionnement élevée. Ce but est atteint conformément l'invention, du fait que la marine comprend un carter fixe et un piston oscillant dans ce carter, le déplacement du piston ê l'intérieur du carter déterminant, entre ses faces latérales et la paroi intérieure laéra- le du carter,deux capacités de volumes variables,alternativement croissant et décroissant entre une valeur nulle et une veur nsunmale. Avantageusement, la paroi intérieure latérale du carter est cylindrique et les faces latérales du piston sont des portions de cylindre de révolution de meme rayon que le rayon de la paroi intérieure du carter. Avantageusement, le piston oscille autour de la géne- ratrice inférieure de la paroi intérieure du carter par l'intermédiaire de moyeux et de roulements encastrés dans des flasques constituant les faces extrêmes de la paroi intérieure du carter. Avantageusement, une fourrure de section en forme de croissant, fixée à l'intérieur du carter, permet à l'arête du piston opposée à l'axe d'oscillation de se déplacer à proximité immédiate de la paroi du carter. Avantageusement, l'étanchéité longitudinale entre le carter et le piston est obtenue le long de l'axe d'oscillation à l'aide d'une bande élastique encastrée dans la paroi du carter et le long de l'ardue du piston opposée à l'axe d'oscillation à l'aide d'une ou plusieurs palettes légères appliquées contre la fourrure en croissant par des ressorts ondulés. Avantageusement, les oscillations du piston sont commandées, à partir d'un arbre moteur, par un cylindre excentré par l'intermédiaire de galets excentrés et de roulements, ce cylindre venant alternativement en contact avec deux rampes rectilignes parallèles prévues à l'intérieur du piston. Avantageusement, le cylindre excentré, dont la surface est revêtue d'une couche de matériau élastique, a un diamètre égal ou très légèrement inférieur à la distance séparant les deux rampes. Avantageusement, l'ensemble des galets, des roulements et du cylindre excentrés est équilibré par rapport à l'arbre moteur par deux contrepoids fixés sur deux disques extérieurs aux flasques de l'appareil et calés sur l'arbre moteur. Avantageusement, les deux disques calés sur l'arbre assurent également une distribution commandée, des lumières pratiquées dans ces disques et dans les flasques assurant l'admission du gaz à comprimer et l'évacuation du gaz comprimé quand eespassent en regard les unes des autres. L'appareil conforme à la présente invention présente, par rapport aux appareils de types connus, de nombreux et importants avantages. 10 - Par rapport aux comPresseurs à piston à double effet. --Suppression du système bielle-manivelle avec tige de piston coulissant dans une presse étoupe et crosse d'articulation de bielle coulissant entre des glissières, d'où gain important sur le poids, l'encombrement et le prix de revient de l'appareil. - Réduction des effets d'inertie en raison de la faible amplitude des déplacements du centre de gravité du piston, ce qui permet d'augmenter la vitesse de rotation. - Dans le cas d'une distribution par clapets automatiques, ces clapets sont disposés sur les parois latérales du cylindre et non sur le fond du cylindre comme dans les compresseurs de type connu. Ils peuvent ainsi être plus nombreux et de dimensions plus importantes. - Dans le cas d'une distribution commandée, les sections et les temps d'ouverture des lumières correspondant au passage du gaz comprimé ou à comprimer sont beaucoup plus grands que ceux donnés par des clapets automatiques. - Dans les deux types de distribution, la vitesse de passage et l'élévation de température du gaz comprimé sont beaucoup moins élevées que dans les compresseurs de type connu, ce qui permet d'augmenter la vitesse de rotation. Toute la surface extérieure du cylindre, à double paroi ou munie d'ailettes, peut être refroidie par eau ou par air. Le refroidissement s'exerce à travers toute la surface du cylindre ; il est beaucoup plus efficace que celui des compresseurs de type connu dans lesquels l'échauffement du gaz comprimé se produit surtout au voisinage des fonds de cylindre. 20 - Par rapport aux compresseurs rotatifs d palettes. L'étanchéité entre cylindre et piston est assurée par un petit nombre, voire même par une seule palette dont les déplacements sont de faible amplitude, alors que dans un compresseur rotatif å palettes toutes les palettes décrivent chaque tour la surface entière du cylindre. I1 en résulte une importante réduction des frottements. En résumé, par rapport à tous les compresseurs précédemment cités, l'appareil décrit ci-après offre d'importants avantages de - Facilité de construction - Réduction de poids et d'encombrement - Grandes vitesses de rotation - Abaissement de température du gaz comprimé - Rendement élevé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation en se référant aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une coupe transversale suivant le plan I-I de la figure 2 à travers un compresseur selon un mode de réalisation de l'invention La figure 2 est une coupe axiale longitudinale suivant le plan Il-I I de la figure 1 La figure 3 montre un flasque muni des ouvertures d'aspiration du compresseur représenté aux figures 1 et 2 La figure 4 est une vue d'un disque distributeur du compresseur selon l'invention : et La figure 5 est une coupe axiale suivant V-V de la figure 3. L'appareil comprend (figures 1 et 2), deux flasques fixes 1 et 1' reliés d un socle 2, entre lesquels est fixé un carter en forme de cylindre de révolution 3, et un piston en forme de fuseau 4, de même longueur que le cylindre 3, limité par deux faces latérales symétriques 5 et 6 dont le profil est un arc de cercle de rayon égal au rayon intérieur du cylindre 3 (figure 1). Ce piston 4 peut osciller,suivant la double flèche f, autour de la génératrice inférieure 7 du cylindre 3 (figure 1). Pour cela le piston 4 est fixé par des vis 8 à deux moyeux 9 et 10 oscillant grace a des roulements 11 et 12 encastrés dans les flasques 1 et 1' (figure 2). Les faces 5 et 6 du piston 4 peuvent ainsi venir alternativement-en contact avec la paroi intérieure du cylindre 3.(Figure 1). L'arete supérieure 13 du piston 4 décrit ainsi une surface cylindrique 14 dont le centre est au droit de la génératrice inférieure 7 et dont le rayon est la distance séparant les génératrices ou arènes 7 et 13. Une fourrure cylindrique 15 dont la surface convexe est appliquée contre l'intérieur du cylindre 3 et dont le profil concave est un arc de cercle de centre (7) et de rayon (distance 7-13) , est fixée à l'intérieur du cylindre 3, de telle sorte que l'arête 13 du piston 4 se déplace à proximité immédiate de la surface concave de ladite fourrure 15 et cela sans frottement. L'étanchéité longitudinale entre le cylindre 3 et le piston 4 est assurée - le long de la génératrice inférieure 7 de la surface intérieure du cylindre 3 par une bande de caoutchouc synthétique 16 résistant à une température élevée, encastrée et collée dans l'épaisseur du cylindre 3. - entre l'arSte supérieure 13 du piston 4 et la fourrure 15 par une ou plusieurs palettes 100, 100' qui coulissent dans des rainures longitudinales pratiquées dans le piston 4 et qui sont appliquées contre la fourrure 15 par des ressorts ondulés 110 (figures 1 et 2). Latéralement, l'étanchéité entre le piston 4 et les flasques 1, l' est assurée par un film d'huile de graissage et, si nécessaire, par des segments en arc de cercle 17, 17' appuyés sur les flasques 1 et 1' par des ressorts ondulés non représentés. L'oscillation du piston 4 permet ainsi de créer entre le cylindre 3, le piston 4 et les flasques l,l',deux capacités de volume variable 18, 18', l'une croissant tandis que l'autre décrott,entre une valeur nulle et un maximum. L'oscillation du piston 4 est commandée par un arbre moteur 19 parallèle à l'axe du cylindre 3, relié à un moteur non représenté par un plateau d'accouplement direct 20 ou par poulies et transmission par courroie. Cet arbre 19, tournant dans des paliers 21, 21' encas trés dans les flasques l et 1' par l'intermédiaire de roulements 22 et 22',porte des galets excentrés 23 et 23' munis de roulements à rouleaux ou à aiguilles 24 et 24' (figures 1 et 2). Les bagues extérieures de ces roulements 24, 24' sont bloquées à l'intérieur d'un manchon cylindrique formant entretoise 25 revêtu extérieurement d'une couche de caoutchouc synthétique ou de matière plastique 26 pouvant supporter une température élevée. Le manchon 25, pendant la rotation de l'arbre moteur 19, vient alternativement en contact avec l'une ou l'autre de rampes rectilignes parallèles 27 et 28 prévues à l'intérieur du piston 4 et constituant deux faces latérales planes opposées d'un évidement central 29 dudit piston 4. La distance entre les rampes 27 et 28 est égale ou très légèrement supérieure au diamètre extérieur du manchon 25 qui, tournant toujours dans le meme sens, vient s'appuyer successivement sur chacune des rampes 27 et 28, le frottement entre manchon 25 et rampes 27, 28 étant un frottement de roulement. L'ensemble des galets 23, 23', des roulements 24, 24' et du cylindre 25, 26 est équilibre par rapport à l'arbre 19 par des contrepoids 30 et 30' portés, respectivement, par des disques 31 et 3i' situés à l'extérieur du cylindre 3 et bloqués sur l'arbre moteur 19 (figure 2). Le piston oscillant 4 est à double effet, l'une de ses faces 5 ou 6 assurant la compression, tandis que l'autre 6 ou 5 est en phase d'aspiration. La distribution (entrée du gaz à comprimer, évacuation du gaz comprimé) peut être réalisée au moyen de clapets automatiques de type connu (clapets d'aspiration s'ouvrant sur l'intérieur du cylindre 3, clapets de refoulement s'ouvrant vers l'extérieur) ; ces clapets1 de type classique, sont répartis sur toute la surface des parois latérales droite et gauche du cylindre. On peut en variante réaliser une distribution commandée à l'aide des disques distributeurs 31 et 31' calés sur l'arbre moteur 19 (figures 2, 3, 4 et 5). Le gaz à comprimer, admis par une ouverture d'aspiration 32 dans une chambre d'entrée 33, traverse la lumière 34 du disque distributeur 31, puis des orifices 35 pratiqués dans le flasque 1, ces lumière et orifices étant disposés comme suit (figures 3, 4 et 5). La surface du flasque 1, comprise à l'intérieur du cylindre 3, est divisée en quatre quadrants égaux Q1, Q2, Q3, Q4 dont les bords sont à 45 de l'horizontale 36 (figure 3). Les quadrants supérieur et inférieur Q1 et Q3 restent pleins ; les quadrants latéraux Q2 et Q4 sont percés d'ouvertures circulaires de même diamètre (35 dans le quadrant Q2, 37 dans le quadrant 04) Ces ouvertures, au nombre de trois par exemple pour chacun des quadrants Q2 et Q4, sont disposées symétriquement par rapport aux axes horizontal 36 et vertical 38 du flasque 1-. Ils sont tangents à la circonférence intérieure du cylindre 3. Les orifices 35 permettent l'admission du gaz pendant l'aspiration par la face 6 du piston 4 ; les orifices 37 remplissent le meme office pendant la phase d'aspiration par la face opposée 5 du piston 4. L'admission du gaz à comprimer est assurée par la lumière 34 pratiquée dans un quadrant du disque tournant 3 ; cette lumière est limitée par deux arcs de cercle ab et cd et deux portions de rayons ac et bd. Le rayon moyen r de cette zone est égal au rayon du cercle sur lequel se trouvent les centres des orifices 35 et 37 du flasque 1. Les longueurs ac et bd sont légèrement inférieures au diamètre des orifices 35 et 37. Pendant la rotation du disque 31, la lumière 34 passe en regard des orifices 35,tandis que la face 6 du piston 4 s'éloigne de la paroi du cylindre 3. Quand la phase d'aspiration par la face 6 est ter minée, le disque distributeur 31 vient obturer les orifices 35, ce qui permet à la face 6 du piston 4 d'assurer la phase de compression. La face 5 du piston 4 entre alors en phase d'aspira tion, la lumière 34 du disque 31 passant en regard des orifices 37 du flasque 1 A l'autre extrémité du cylindre 3,le disque distributeur 3l',muni également d'une lumière, assure de la même façon l'évacua tion du gaz comprimé à travers des orifices pratiqués dans le flasque 1', puis à travers une chambre de sortie 39. La disposition de ces lumière et orifices est la même que celle précédemment décrite ; des orifices pratiqués dans le flasque 1' sont toujours tangents à la paroi intérieure du cylindre, mais leurs diamètres sont inférieurs à ceux des orifices 35 et 37,etd'autant plus petits que la pression du gaz comprimé doit être plus élevée. De même, la largeur de la lumière du disque 31' est inférieure au diamètre des orifices pratiqués dans le flasque 1'. L'étanchéité entre flasques et disques distributeurs peut être assurée, par exemple, à l'aide de garnitures élastiques telles que 40 enfoncées à force dans les orifices du flasque et venant s'appuyer par un bord libre 40a sur le disque distribu teur 31,31' correspondant (figure 5). L'extérieur du cylindre, muni d'ailettes ou d'une double paroi (non représentées) est refroidi par air ou par eau. Le piston 4 étant à double effet, le couple moteur correspond à deux compressions par tour. Pour augmenter la ré gularité du couple, donc permettre des vitesses de rotation plus élevées, on peut, selon une variante d'exécution, réaliser des ensembles polycylindriques comparables aux compresseurs connus de type polycylindrique en équerres, en V ou en double V On dispose pour cela le long d'un même arbre moteur deux ou plusieurs ensembles cylindre et piston du type précédemment décrit, décalés angulairement, de manière à décaler de l'angle voulu les phases de compression. Selon une deuxième variante, la longueur du cylindre étant réduite par rapport à son diamètre, l'appareil est réalisé avec un seul roulement 21 encastré dans le flasque 1 et un seul ensemble galet excentré 23 et roulement 24. Ce mode de construction convient en particulier pour la réalisation de ventilateurs haute pression qui peuvent fonctionner à vitesse relativement faible et par conséquent être silencieux. L'appareil, objet de l'invention, se prête à de nombreuses applications, en particulier les suivantes - Compresseurs à moyenne ou haute pression, pour air ou gaz divers dans une gamme étendue de débits et de pressions. - Déplaçeurs d'air ou de gaz à grand débit et faible pression. - Ventilateurs à haute pression à faible vitesse de rotation. - Compresseurs et détendeurs d'air avec production de travail pour installations de conditionnement d'air. - Pompes à vide et aspirateurs d'air ou de gaz. REVENDICATIONS 1. Machine pour fluide compressible, caractérisée en ce qu'elle comprend un carter fixe et un piston oscillant dans ce carter, le déplacement du piston à l'intérieur du carter déterminant,entre ses faces latérales et la paroi intérieure latérale du carter,deux capacités de volumes variables, alternativement croissant et décroissant entre une valeur nulle et une valeur maximale. 2. Machine pour fluidé compressible selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi intérieure latérale du carter est cylindrique et les faces latérales du piston sont des portions de cylindre de révolution de même rayon que le rayon de la paroi intérieure du carter. 3. Machine pour fluide compressible selon la revendication 2, caractérisée en ce que le piston oscille autour de la génératrice inférieure de la paroi intérieure du carter par l'intermédiaire de moyeux et de roulements encastrés dans des flasques constituant les faces extrêmes de la paroi intérieure du carter 4. Machine pour fluide compressible selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce qu'une fourrure de section en forme de croissant, fixée à l'intérieur du carter, permet à l'arête du piston opposée à l'axe d'oscillation de se déplacer à proximité immédiate de la paroi du carter. 5. Machine pour fluide compressible selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que l'étanchéité longitudinale entre le carter et piston est obtenue le long de l'axe d'oscillation à l'aide d'une bande élastique encastrée dans la paroi du carter et le long de l'arête du piston opposée à l'axe d'oscillation,à l'aide d'une ou plusieurs palettes légères appliquées contre la paroi du carter par des ressorts ondulés. 6. Machine pour fluide compressible selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les oscillations du piston sont commandées, à partir d'un arbre moteur, par un cylindre excentré intérieur au piston, par l'intermédiaire d e g a 1 e t s excentrés et de roulements, ce cylindre venant alternativement en contact avec deux rampes rectilignes parallèles prévues à l'intérieur du piston. 7.Machine pour fluide compressible selon la revendication 6, caractérisée en ce que le cylindre excentré dont la surface est revêtue d'une couche de matériau élastique a un diamètre égal ou très légèrement inferieur à la distance séparant les deux rampes. 8.Machine pour fluide compressible selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que l'ensemble des galets, des roulements et du cylindre excentrés est équilibré par rapport à l'arbre moteur par deux contrepoids fixés sur deux disques extérieurs au carter de l'appareil et calés sur l'arbre moteur. 9.Machine pour fluide compressible selon la revendication 8, caractérisé en ce que les deux disques calés sur l'arbre assurent également une distribution commandée, des lumières pratiquées dans ces disques et dans les flasques assurant l'admission du gaz à comprimer et l'évacuation du gaz comprimé quand ils passent en regard les uns des autres.