Brevet FR2361556A1 — publié le 19780310

La présente invention concerne les compresseurs rotatifs a aubes. Elle a trait particulièrement à des compresseurs de ce type utilisés pour des applications de réfrigération et des applications dans lesquelles le gaz circule en cycle fermé. Les compresseurs rotatifs a aubes pour les systbmes de réfrigération fonctionnent d'une manière similaire aux compresseurs alternatifs par le fait que le gaz est comprimé d'un volume V1 d'admission a un volume V2 réduit jusqu'a ce que la pression dans le cylindre ou les cellules dépasse la pression a laquelle le gaz se condense dans le condenseur. Quand la pression dans la cellule de compression dépasse la pression de condensation, une valve du type a disque ou a lamelle placée dans la tête du cylindre est contrainte de s'ouvrir et le gaz passe du compresseur, a travers l'orifice de refoulement, dans le condenseur par l'intermédiaire de canalisations, La plupart des compresseurs rotatifs a aubes utilisés pour la réfrigération comportent deux ou quatre cellules. Dans ce dernier cas, la valve s'ouvre et se ferme quatre fois par tour et, avec un compresseur fonctionnant a 3000 tours/mn, la valve devrait s'ouvrir et se fermer 12000 fois/mn. Par conséquent, la valve doit nécessairement presen- ter une faible inertie pour pouvoir s'ouvrir et se fermer a la cadence requise et on utilise normalement une lamelle d'acier élastique très mince. Plus la cadence de la pulsation est grande, plus le matériau doit être mince et, par conséquent, plus l'élément constitué par ce matériau est fragile. Un problème commun a tous les compresseurs de réfrigération est l'endommagement de la valve dans le cas d'un bouillonnement du liquide. Le bouillonnement du liquide est un phénomène qui se produit fréquemment et qui est difficile a éviter. Il se produit la suite de la pénétration du fluide réfrigérant sous forme liquide dans le compresseur. Les forces hydrauliques peuvent briser, et fréquemment brisent, la valve de refoulement. Ce phénomène se produit souvent lors du démarrage du compresseur, alors que ce dernier est froid, et provient du fait que le réfrigérant liquide forme une solution avec l'huile présente dans le carter, le réfrigérant ayant migré de l'évaporateur pendant l'inactivité de l'installation.Au démarrage, la pression dans le carter tombe et entraîne un foisonnement de la solution huile/réfrigérant et ceci, a son tour a pour effet de permettre au compresseur de pomper le liquide. Un autre inconvénient est que la pulsation provenant du processus de compression cyclique d'un compresseur rotatif a aubes comprenant deux ou quatre cellules peut être une source sérieuse de bruit et de vibrations se propageant par les canalisations d'interconnexion qui raccordent les diverses parties du système. On peut réduire a un minimum ces pulsations en utilisant un compresseur comprenant plus de quatre cellules.Dans la pratique, ceci se révèle généralement difficile, voire impossible, en raison de la limitation de la cadence a laquelle la valve de refoulement peut s'ouvrir et se fermer.- Il est par conséquent souhaitable de mettre au point un compresseur de réfrigération rotatif a aubes qui puissent (a) fonctionner avec un bon rendement a des rapports de compression compris entre 2:1 et 10:1 de manière à couvrir la gamme générale d'évaporation/condensation rencontrée dans la pratique; (b) fonctionner avec un minimum de pulsations a l'orifice de refoulement; (c) fonctionner sans que la valve de refoulement nécessaire soit obligée de s'ouvrir et de se fermer à chaque pulsation; (d) fonctionner sans être endommagé par la pénétration du fluide sous une forme liquide dans l'admission du compresseur. Selon un premier aspect de la présente invention, la demanderesse a cré un compresseur rotatif à aubes dans lequel les extrémités des aubes balayent une paroi intérieure statorique non circulaire qui est adaptée pour permettre une diminution progressive du taux de compression sur la quasi totalité du cycle de compression. Selon un second aspect de la présente invention, le compresseur rotatif a aubes comprend (a) un stator comportant une paroi intérieure enfermant un volume de section transversale non circulaire, un moyen d'admission pour l'arrivée du fluide compressible jusqu'au volume et un moyen de refoulement a partir de ce volume pour le fluide comprimé;; (b) un rotor adapté pour tourner a I'intérieur du stator, (c) une multiplicité d'aubes montées sur le rotor en vue d'une rotation avec ce dernier et adaptée pour s'étendre radialement à partir du stator de manière a venir en contact avec la paroi intérieure, les aubes, le rotor et la paroi intérieure servant b enclore une série de cellules mobiles destinées au fluide compressible, la configuration de la paroi intérieure étant telle que, lors de la rotation du rotor, le taux de compression a l'intérieur de chaque cellule diminue progressivement au fur et a mesure que la cellule passe du voisinage du moyen d'admission au voisinage du moyen de refoulement. De façon caractéristique, dans un compresseur selon le second aspect de la présente invention, la configuration de la paroi intérieure est telle que la cellule la plus vaste a un volume qui est égal a au moins 2,6 fois celui d'une cellule immédiatement adjacente au moyen de-refoulement mais avant que ladite cellule entre en communication avec ce dernier. Selon un troisième aspect de la présente invention, un compresseur rotatif a aubes selon les second et troisième aspects comporte un moyen de refoulement muni dlun agencement formant un orifice a capacité variable qui est adapté pour varier de dimension en fonction de la pression du fluide à l'intérieur d'une cellule communiquant avec le moyen de refoulement. De tels compresseurs peuvent comporter un nombre considérablement plus grand que le nombre classique de deux ou quatre aubes et une version a huit aubes convient. Pour une meilleure compréhension de l'invention, on va décrire maintenant quelques modes de réalisation, a titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, sur lequel la fig. l est un schéma synoptique d'un système de réfrigération par compression; la fig. 2 est une coupe transversale d'un compresseur à aubes multiples selon la présente invention; la fig. 3(a) représente un compresseur à aubes multiples comprenant un stator circulaire; la fig. 3(b) représente un autre compresseur pourvu d'un stator profilé suivant une forme préférée; et la fig. 4 est une coupe transversale d'un autre compresseur à aubes multiples. Le système de réfrigération par compression représenté sur la fig, 1 est bien connu et ne sera pas décrit en détail. La fig. 2 montre un compresseur réalise selon la présente invention et qui peut être inclus dans un tel système de réfrigération. I1 comprend un stator 1 dans lequel un rotor 2, monté de façon excentrée, supporte des aubes 3 qui coupe rent avec la paroi intérieure du stator pour délimiter des cellules C. La paroi intérieure a de préférence une section transversale non circulaire, comme on va le décrire de façon plus détaillée ci-après. Le rotor est entraîné en rotation en sens inverse des aiguilles d'une montre, par rapport à la figure, et les aubes forment des cellules d'aspiration et de compression, la cellule finale étant pourvue d'une série d'orifices de refoulement 4 couvrant un arc d'environ 480, cet arc étant sensiblement égal à celui compris entre les aubes adjacentes du rotor à huit aubes.Une lamelle 5 formant valve coopère avec les côtEs de sortie des orifices de refoulement 4 et est poussée contre ces derniers par un ressort de maintien 6 assujetti au coté d'amont. La disposition est telle que l'orifice d'aval 4a s'ouvre plus facilement que l'orifice adjacent 4b, et ainsi de suite, lorsqu'apparait une différence de pression. Cet agencement de valve est contenu dans un collecteur de refoulement 7 a partir duquel le gaz de réfrigération comprimé est dirigé vers le condenseur, Le profil de la paroi intérieure du stator a une forme telle que la compression, en face des orifices 4, a lieu d'une façon plus importante au début du cycle de pression qu'à la fin et diminue progressivement pendant ce cycle. Le gaz est complétement comprimé à sa pression de condensation une cellule avant la cellule finale et, de ce fait, la pression du gaz à la position de refoulement est toujours supérieure à la pression de condensation existant à l'extr6- mité d'aval des orifices de refoulement. Un écoulement continu dans un seul sens est par conséquent assuré. Pendant le fonctionnement, le rotor tourne à grande vitesse en créant à l'endroit des orifices de refoulement une pression qui fluctue rapidement, la fluctuation ayant une fréquence qui est fonction du nombre de cellules et du nombre de tours du moteur. Cette fluctuation est supprimée par la série d'orifices de refoulement et la vulve de retenue qui reste soit ouverte, soit fermée à chaque trou selon la différence moyenne de pression agissant sur la lamelle 5. La pression régnant sur le coté d'aval de ces orifices ne fluctue pas sauf en ce qui concerne sa variation en fonction de la pression de condensation. On comprendra que l'on peut utiliser d'autres formes de valve que celle représentée. Par exemple, on peut utiliser une soupape de retenue individuelle à chaque orifice. Toutefois, dans tous les cas, l'inertie de la ou des valves de retenue sera suffisante pour empêcher la valve de répondre en harmonie avec la fluctuation de la pression de refoulement qui peut atteindre 6000 pulsations par minute. En ce qui concerne la fig. 3, le stator avec la paroi intérieure circulaire représentée en (a) assure un cycle de compression dans lequel il existera une différence de pression considérable entre les deux cellules finales 8a et 9a. La pression dans la cellule finale 8a sera considérablement plus grande que celle régnant dans la cellule suivante 9a et, chaque fois qu'une aube dépassera les orifices de refoulement, un contre courant de gaz apparaîtra. Ce phénomène est nuisible au processus thermodynamique et est la cause de bruit et de vibration.On peut y remédier dans une large mesure grace a la structure représentée sur la fig. 3(b) od la paroi intérieure du stator n'est pas cylindrique et a pour effet de réduire la différence de dimension et par conséquent de pression entre les cellules 8b et 9b. La cellule 9b est considérablement moins profonde que la cellule 9a et n'est pas aussi "triangulaire" tandis que la cellule 8b est plus grande que la cellule 8a. La fig. 4 montre un compresseur similaire dans son ensemble à celui de la. fig. 2 ou de la fig. 3(b) mais, ici, les orifices de refoulement sont inclinés et n'ont pas une dimension uniforme, L'alignement des orifices se rapproche davantage de la direction générale de l'écoulement du gaz autour du rotor et la dimension de ces orifices, qui s'accroit progressivement de l'amont vers l'aval, peut donner un refoulement plus uniforme sur une certaine plage de pression. On comprendra que la dimension axiale de ces compresseurs peut être augmentée et, dans ce cas, les orifices de refoulement peuvent être des fentes qui s'étendent dans la direction axialement parallèle ou bien se présenter sous la forme d'une série d'ouvertures constituant des rangées d'orifices s'étendant dans cette direction. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'a titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention dont l'eten- due est définie par les revendications ci-annexées. REVENDICATIONS 1. Compresseur rotatif à aubes caractérisé par le fait que les extrémités des aubes balayent une paroi intérieure statorique non circulaire quiet adaptée pour permettre une diminution progressive du taux de compression, cela pratiquement sur la totalité du cycle de compression. 2 Compresseur rotatif à aubes caractérisé par le fait qu'il comprend (a) un stator comportant une paroi intérieure enfermant un volume de section transversale non circulaire, un moyen d'admission pour l'arrivée du fluide compressible jusqu'audit volume et un moyen de refoulement s'étendant à partir de ce volume pour le fluide comprimé; (b) un rotor adapté pour tourner à l'intérieur du stator;; (c) une multiplicité d'aubes vannes montées sur le rotor en vue de leur rotation avec ce dernier et adaptées de maniere à s'étendre radialement depuis le stator jusqu'à ce qu'elles viennent en contact avec la paroi intérieure, les aubes, le rotor et la paroi intérieure servant à enclore une série de cellules mobiles pour le fluide compressible, la configuration de la paroi intérieure étant telle que, lors de la rotation du rotor, le taux de impression dans chaque cellule diminue progressivement au fur et à mesure que la cellule passe du voisinage du moyen d'entrée au voisinage du moyen de refoulement. 3. Compresseur rotatif à aubes suivant la revendication 2, caractérise par le fait que la configuration de la paroi intérieure est telle que la cellule la plus vaste a un volume égal à au moins 2,6 fois celui d'une cellule immédiatement adjacente au moyen de refoulement mais cela avant d'entrer en communication avec ce dernier. 4e Compresseur rotatif à aubes suivant les revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que le moyen de refoulement est pourvu d'un agencement formant orifice de capacité variable qui est adapté pour varier de dimension en fonction de la pression du fluide à l'intérieur d'une cellule communiquant avec ledit moyen de refoulement. 5 Compresseur rotatif à aubes suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que l'agencement formant orifice de capacité variable comprend une série d'orifices espacés les uns des autres dans la direction de rotation du rotor et au moins un élément de fermeture sollicité de façon élastique et adapté pour ouvrir des orifices progressivement à mesure qu'augmente la pression du fluide. 7. Système de réfrigération par compression comprenant un compresseur rotatif à aubes suivant i'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait que le taux de compression diminue progressivement sur la totalité du cycle dans une mesure telle que dans la derniere cellule immédiatement adjacente au moyen de refeulemert, cela avant que ladite cellule ne rentre en communication avec ce dernier, le gaz est comprimé pratiquement à sa pression de condenstation