Brevet FR2385920A1 — publié le 19781027

La présente invention concerne un appareil à volutes pour fluide pouvant servir de compresseur pour augmenter la pression de l'air ou d'autres gaz, de compresseur de réfrigération adapté pour être utilisé avec des congélateurs, des vitrines ou présentoirs réfrigérés ou encore des appareils de réfrigération, de compresseur de réfrigération adapté pour être utilisé avec des systèmes climatiseurs ou des appareils pour refroidir un local, ou bien de dispositif à détente adapté pour permettre l'exécution du cycle de Rankine ou pour détendre un gaz d'une pression élevée jusqu'à un niveau de pression préaéterminé en vue d'en extraire de I'énergie. Les brevets U.S. n, 3 884 599 et 3 924 977 décrivent un moyen assurant l'étanchéité axiale d'une paire de volutes en maintenant l'extrémité avant de l'enroulement d'une des volutes en contact avec la plaque d'extrémité de l'autre volute pour empocher la fuite du gaz entre les deux volutes. Dans le moyen décrit dans ces brevets, le gaz s'échappant de la région de décharge délimitée par les deux volutes est appliqué au dos (la surface opposée à la surface à partir de laquelle s'étend l'enroulement) d'une des volutes, de manière à pousser l'une des volutes étroitement contre autre volute. Le gaz ap pliqué au dos de la volute est dirigé vers une partie du dos qui a une superficie très faible. Dans l'agencement structural repré- senté dans ces brevets, une poussée dont la valeur correspond à la force de déplacement axiale exercée par le gaz est amenée à s'exercer sur un roulement 47 (voir figure 8 et 34 du brevet U.S. n- 3 884 899) et sur les roulements d'arbres principaux 122, 293 et 343 (voir figures 8, 34 et 38 du même brevet) de sorte qu'une très forte poussée est appliquée à chacun de ces roulements. Les brevets U.S. n0 3 994 633 et 3 994 636 décrivent des volutes entourées par une enveloppe comportant une chambre délimitée par ladite enveloppe et dans laquelle un fluide est introduit à partir d'une source de pression située à l'extérieur de l'appareil à volutes de telle manière que le fluide puisse être appliqué au dos (la surface opposée à la surface à partir de laquelle s'étend l'enroulement) d'une des volutes de manière à pousser ainsi cette volute étroitement contre l'autre volute. L'agencement mentionné ci-dessus permet de supprimer la force de poussée appliquée à chacun des roulements. Toutefois, certains inconvénients sont associés à ce type d'appareil à volutes. Un de ces inconvénients est qu'il faut prévoir une source de pression distincte extérieure à l'appareil.Un autre inconvénient est que, si l'appareil à volutes est utilisé comme compresseur de réfrigération exigeant que des précautions soient prises pour éviter qu'un gaz ne se condensant pas s'incorpore au réfrigérant, des moyens doivent être prévus pour assurer une étanchéité parfaite des deux volutes afin d'empêcher que le gaz pénétrant dans la chambre délimitée par l'enveloppe vienne s'incorporer dans le gaz devant être comprimé par les volutes. Un objet de la présente invention est la réalisation d'un appareil à volutes pour fluide qui peut assurer une bonne étan chéité axiale de ses volutes. Un autre objet de la présente invention est la réalisation d'un appareil à volutes pour fluide qui peut assurer une bonne étanchéité axiale de ses volutes au moyen d'un agencement structural simple. Un autre objet de la présente invention est la réalisation d'un appareil à volutes pour fluide qui n'exige pas de source de pression extérieure à l'appareil pour assurer l'étanchéité axiale des volutes de l'appareil. Un autre objet encore de la présente invention est la réalisation d'un appareil à volutes pour fluide dans lequel il n'est plus nécessaire de prévoir un moyen pour éviter l'incorporation d'un gaz utilisé pour effectuer l'étanchéité axiale dans un gaz devant être comprimé par les volutes. Pour atteindre les objectifs mentionnés ci-dessus, la présente invention utilise l'introduction d'une partie d'un gaz de l'appareil à volutes, ledit gaz se trouvant à un niveau de pression fluide intermédiaire, dans une chambre formée dans l'enve- loppe ou corps fixé à la volute fixe, l'agencement étant tel que ce gaz fournit une force agissant sur la volute tournante de mani ère à pousser celle-ci étroitement contre la volute fixe. Le gaz se trouvant au stade de pression intermédiaire peut être déchargé dans la chambre de ltenveloppe à travers au moins une petite ouverture formée dans la plaque d'extrémité d'une des deux volutes. On va maintenant décrire la présente invention en se référant au dessin annexé sur lequel : - les figures la à ld sont des vues expliquant le principe de fonctionnement d'un compresseur à volutes - la figure 2 est une vue en coupe verticale de l'appareil à volutes pour fluide correspondant à un troisième mode de réalisation de l'invention; et - la figure 3 est une vue en coupe suivant IIT-III de la figure 2. Avant de décrire en détail un mode de réalisation préféré de l'invention, on va exposer brièvement le principe de fonctionnement d'un appareil à volutes pour fluide en prenant un compresseur comme exemple typique d'un tel appareil et en se référant aux figures la à ld. Sur ces figures, les plaques d'extrémité ont été omises et les enroulements seuls sont représentés. La figure la montre les positions relatives de l'enroulement lb de la volute tournante 1 et l'enroulement 2b de la volute fixe 2 au moment où le compresseur à volutes commence à comprimer un fluide à la fin de l'aspiration du fluide.Les figures lb, lc et ld montrent les positions relatives des enroulements lb et 2b après que la volute tournante 1 a tourné en sens inverse des aiguilles d'une montre de 90' à partir des positions représentées sur les figures la, lb et lc respectivement. Au fur et à mesure que le compresseur à volutes passe de l'état représenté sur les figures la aux états représentés sur les figures lb et Ic, les espaces étanches formés par les enroulements lb et ld des deux volutes 1 et 2 respectives diminuent progressivement de dimension et le fluide qui s'y trouve est comprimé.Le fluide comprimé s'échappe des espaces étanches par un orifice de sortie lorsque la communication est établie entre ces espaces et cet orifice quand les deux volutes i et 2 se trouvent dans une certaine disposition mutuelle angulaire entre les positions représentées sur les figures Ic et ld. Du fait que la volute tournante 1 tourne de 90' en sens inverse des aiguilles dune montre depuis la position représentée sur la figure ld, les deux volutes 1 et 2 reprennent leurs positions relatives initiales représentés sur la figure la. Sur les figures la à ld, les espaces étanches sont formés par les lignes de contact radiales des deux volutes 1 et 2. La formation des espaces étanches sera considérée dans le présent exposé comme résultant d'une étanchéité radiale. La description ci-dessus a trait à un compresseur. Toutefois, on comprendra que si un gaz sous pression était envoyé dans l'espace étanche par l'orifice de sortie 3, la volute tournante 1 tournerait dans un sens opposé au sens de sa rotation décrite à propos du compresseur et l'appareil fonctionnerait alors comme un dispositif à détente. Les figures 2 et 3 montrent un premier mode de réalisation, sous une forme concrète, de la présente invention. La figure 2 est une vue en coupe verticale de l'appareil à volutespour fluide et la figure 3 est une vue en coupe selon I}I-III de la figure 2. Comme on peut le voir, la volute fixe 2 comprend une plaque d'extrémité 2a et un enroulement 2b s'étendant de la plaque d'extrémité 2a et disposé dans une position orientée vers le haut. La volute tournante 1 qui a une structure similaire, comprend une plaque d'extrémité la et un enroulement lb s'étendant depuis la plaque d'extrémit la et disposé dans une position orientée vers le haut. Les deux enroulements lb et 2b sont sensiblement iden- tiques l'un à l'autre en ce qui concerne leur épaisseur et leur hauteur et sont disposées sous la forme d'une développante ou autre courbe étroitement apparentée. La volute fixe 2 colporte en son centre un orifice de sortie 3 et sur son bord un orifice d'aspiration 5. La volute fixe 2 et la volute tournante i sont placées l'une contre l'autre de manière telle que les enroulements 2b et lb sont orientés vers l'intérieur et que les points d'extrémité 2b' et 1D' des enroulements 2b et lb respectifs sont décalés de 180' c'est-à-dire placés dans des positions diamétralement opposées. Une enveloppe ou corps 6 est assujeti à la volute 2 à l'aide d'une multiplicité de vis 7 disposées de façon angulairement équidistante les unes par rapport aux autres. L'enveloppe 6 comprend une partie cylindrique 6a dans laquelle sont montés deux roulements 8 et 9 espacés verticalement et destinés à supporter un arbre d'entrainement 10 qui comporte une partie terminale lOa associée à la volute tournante 1 par l'intermédiaire d'un roulement à aiguilles 11. L'arbre d'entrainement 10 et la volute tournante 1 sont placés l'un par rapport à l'autre de manière telle que le centre de rotation 010 de ce premier et le centre O1 de cette seconde sont espacés l'un de l'autre d'une dis- tance #. La distance i est considérée comme étant le rayon de rotation. Entre le dos Ic de la volute tournante 1, et une surface 6b de l'enveloppe 6 se trouve un joint Oldham 12 dont le rôle est d'empêcher la volute tournante 1 de tourner sur sona propre axe ou autour de son centre 01. Au moins une petite ouverture 13 est formée dans la plaque d'extrémité la de la volute tournante 1, le long de l'enroulement lb. Dans le mode de réalisation représenté et décrit, quatre (4) petites ouvertures 13, 14, 15 et 16 sont formées mais l1inven- tion n'est pas limitée à ce nombre spécifique de petites ouvertures. Les petites ouvertures 13, 14, 15 et 16 ont pour rôle de faire communiquer la chambre 17 formée par l'enveloppe avec les chambres 21 et 22 dans lesquelles la compression du fluide a lieu. Un gaz comprimé se trouvant àun niveau de pression intermédiaire entre la pression d'aspiration et la pression de décharge s'écoule à travers les petites ouvertures 13, 14, 15 et 16 dans la chambre 17 de l'enveloppe de maniere à maintenir la pression à l'intérieur de cette chambre 17 au niveau de pression intermédiaire précité.Les dimensions des petites ouvertures 13, 14, 15 et 16 sont choisies en fonction du volume de la chambre 17 de l'enveloppe et de la capacité du compresseur à volutes. Un joint d'étanchéité mécanique 18 est monté dans une partie de ltenveloppe 6 à travers laquelle s'étend l'arbre d'entraine- ment 10. Un joint torique 19 est monté entre les surfaces adjacentes de l'enveloppe 6 et la volute fixe 2 et un autre joint torique 20 est monté entre les éléments constitutifs 6a et 6c de l'enveloppe 6 de manière à assurer l'étanchéité de la chambre 17 de l'enveloppe vis-à-vis de l'air. La chambre 17 de l'enveloppe et les chambres de compression 21 et 22 sont fermées de façon étanche par les plaques d'extrémité la et 2a des deux volutes 1 et 2 respectives qui sont maintenues en contact l'une avec l'autre. On va maintenant décrire le fonctionnement de l'appareil à volutes pour fluide réalisé tel que décrit ci-dessus. La rotation est transmise à partir d'un dispositif d'entraSnement, comme par exemple un moteur électrique (non représente), à l'arbre d'en tratnement 10 dont la rotation est transmise, par l'intermédiaire du roulement à aiguilles 11, à la volute tournante 1 qui décrit un cercle ayant pour rayon C et pour centre 010' Pendant son mouvement tournant, la volute I'ne peut tourner autour de son propre axe par suite de la présence du joint Oldham 12. De ce fait, la volute tournante 1 tourne autour du centre 010 sans modifier sa disposition par rapport à la volute fixe. Du fait que la volute tournante 1 tourne autour du centre 010 de l'arbre d'entrainement 10, ainsi qu'on l'a mentionné, les lignes de contact 4 entre la volute tournante 1 et la volute fixe 2 se déplacent des points finaux lb' et 2b' des enroulements lb et 2b respectifs en direction des points initiaux lb" et 2b" de ces enroulements avec, pour résultat, que les chambres de compression 21 et 22 délimitées par les plaques d'extrémité la et 2a et les enroulements lb et 2b de la volute tournante 1 et de la volute fixe 2 respectives diminuent de volume et que la compression du fluide a lieu. Un gaz comprimé se trouvant à un niveau de pression inter médiaire s'écoule à travers les petites ouvertures 13, 14, 15 et 16 dans la chambre 17 de l'enveloppe, à partir des chambres de compression 21 et 22, tandis que le gaz est comprimé dans ces chambres et la pression régnant à l'intérieur de la chambre 17 est Maintenue au niveau de pression intermédiaire. Le gaz se trouvant au niveau de pression intermédiaire à l'intérieur de la chambre 17 pousse la volute tournante 1 étroitement contre la volute fixe 2 de manière à assurer l'étanchéité axiale des deux volutes 1 et 2. Les avantages offerts par la présente invention peuvent etre résumés comme suit. Du fait que le gaz se trouvant au niveau de pression intermédiaire agit sur la volute tournante 1, cette dernière ntest pas soumise à une force de sollicitation exagérément élevée du gaz même si la pression du gaz est appliquée à la totalité de la superficie du dos de la volute tournante. On peut donc obtenir une étanchéité axiale des volutes tournantes et fixes 1 et 2. Dans les compresseurs pour réfrigération ou dans les dispositifs à détente, il est essentiel que l'enveloppe du corps soit réalisée de manière que le gaz ne puisse pas fuir de l'appareil à volutes vers l'extérieur ou que l'appareil à volutes soit envahi par un gaz venant de l'extérieur. La présente invention satisfait à cette exigence, étant donné qu'elle permet assurer aux deux volutes une bonne étanchéité axiale simplement grâce à la formation d'au moins une petite ouverture dans la plaque d'extrémité la. En d'autres termes, on peut obtenir une étanchéité axiale par un agencewJf L inule. Le gaz comprimé ou détendu par l'appareil à volutes est utilisé lui-mEme pour assurer l'étanchéité axiale des deux volutes de sorte que le besoin d'utiliser une source de pression distincte extérieure à appareil est éliminée. En outre, il n'existe aucun danger qu'un gaz différent vienne s'incorporer au gaz traité par l'appareil à volutes et il suffit simplement d'em- pecher le gaz de s'échapper de l'appareil en direction de ltex- térieur. En ce qui concerne la fuite du gaz, on peut empêcher cette fuite facilement car le gaz introduit dans la chambre statique se trouve au niveau de pression intermédiaire. I1 est bien entendu que la description qui précède n1a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention laquelle est définie par les revendications ci-annexées. REVENDICATIONS 1.- Appareil à volutes pour fluide comprenant : un agencement de volutes comprenant une volute tournante et une volute fixe, chacune desdites volutes tournante et fixe comportant une plaque d'ex trémité et un enroulement s'étendant depuis ladite plaque d'extrémité et disposé dans une position orientée vers le haut; un arbre d'entrainement monté en vue de sa rotation autour de son axe longitudinal qui est excentré par rapport au centre de ladite volute tournante de manière que ladite volute tournante soit amenée à tourner autour dudit arbre d'entraSnement; une enveloppe dans laquelle est formée une chambre; un joint Oldham empêchant la volute tournante de tourner autour de son centre et amenant cette volute tournante à tourner autour dudit arbre d'entrainement sans modifier sa disposition; un orifice d'aspiration; et un orifice de sortie, l'appareil susvisé étant caractérisé par le fait qu'il comprend un joint d'étanchéité mécanique qui est monté dans une partie de ladite enveloppe à travers laquelle s'étend ledit arbre d'entraineient pour assurer l'étanchéité de ladite chambre statique, et au moins une petite ouverture formée dans la plaque d'extrémité d'un. des deux volutes psicitçes en vue de fPire-coruni- quer ladite chambre de l'enveloppe avec des chambres de compres- sion de l'appareil à volutes pendant l'opération de compression ou de détente d'un fluide de manière k maintenir la pression interne de ladite chambre de l'enveloppe à un niveau de pression interné- faire à la pression à laquelle le fluide est aspiré dans lesdites chambres dynamique et la pression à laquelle le fluide est déchargé de ces chambres, grive à quoi le fluide se trouvant-au niveau de pression intermédiaire peut reiouler une des volutes étroitement contre l'autre volute pour assurer l'étanchéité axiale de ces volutes. 2.- Appareil à volutes pour un fluide suivant la revendication l, caractérisé par le fait que ladite petite ouverture destinée à faire communiquer ladite chambre de l'enveloppe avec lesdites chambres de compression pendant l'opération de compression ou de détente de fluide est formée dans la plaque d'extrémité de ladite volute tournante. 3.- Appareil à volutes suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite petite ouverture destinée à faire comsu- niquer ladite chambre de l'enveloppe avec lesdites chambres de compression pendant l'opération de compression ou de détente d'un fluide est formée le long dudit enroulement. 4.- Appareil à volutes suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le nombre de petites ouvertures est égal à deux et que chacune desdites chambres de compression communique avec ladite chambre de l'enveloppe par l'intermédiaire d'une desdites petites ouvertures.