Brevet FR2398900A1 — publié le 19790223

Ltinvention concerne une machine tournante à débit gazeux régulé indépendamment de la vitesse de rotation elle peut s'appliquer aux compresseurs, aux machines motrices, ainsi qu'aux machines tournantes reversibles susceptibles de fonctionner en moteur ou en compresseur. On sait que les compresseurs ou moteurs engendrent ou utilisent un débit de fluide proportionnel à leur cylindree et à leur vitesse de rotation. La puissance absorbée par le compresseur ou la puissance fournie par le moteur est proportionnelle à ce débit de fluide. Dans de nombreuses applications, et en particulier dans les cycles avec changement de phase (notamment dans le domaine de la refrigératisn ou du chauffage), il est utile de faire varier le débit à la demande d'une manière indépendante de la vitesse de rotation ; par exemple cette possibilité permet, pour un compresseur, de régler au mieux la puissance absorbée en fonction de la puissance à fournir de façon à assurer un rendement global elevé. Il existe un certain nombre de réalisations utilisant des moyens mecaniques pour faire varier la cylindrée de la machine, en vue d'assurer un réglage du debit gazeux indé- pendamment de la vitesse. Toutefois ces réalisations sont complexes sur le plan mécanique et présentent le défaut d'être d'une utilisation peu souple ; en particulier elles sont mal adaptées pour se plier aux diverses nécessités pratiques de régulation ou pour permettre un fonctionnement réversible en compresseur et en moteur. La présente invention se propose de remédier aux défauts des réalisations existantes et de fournir une machine tournante, compresseur, moteur ou machine réversible, dont le débit gazeux soit régulé indépendamment de la vitesse de rotation. La machine tonte visée par la présente invention comprend au moins un bloc-cylindre pourvu d'un clapet d'admission et d'un clapet de refoulement, au moins un piston mobile disposé dans ledit bloc-cylindre et un arbre de sortie rotatif mécaniquement lié audit piston ; selon le présente invention la machine comprend au moins une bobine électromagnétique associée à un des clapets d'admission ou de refoulement du bloc-cylindre de façon à eh assurer la manoeuvre à ltouverture ou à la fermeture, des moyens de détection de la position du piston à l'intérieur du cylindre, et des moyens d'alimentation électrique, couplés auxdits moyens de détection et adaptés pour exciter à chaque cycle. la ou les bobines électromagnétiques en fonction de la position du piston. Le réglage du débit gazeux est ainsi assuré de façon souple, indépendamment de la vitesse de rotation, par une avance ou un retard à la fermeture ou à l'ouverture d'un clapet ou des clapets, par rapport aux points morts haut ou bas du piston. Cette avance ou ce retard est ajusté à chaque cycle en prenant pour référence la position du piston qui a été détectée par les moyens de détection sus-évoqués. Selon un mode de réalisation préféré, ces moyens de détection comprennent des moyens adaptés pour fournir un signal électrique P représentatif à chaque instant de la position dudit piston, cependant que les moyens d'alimenition électrique comprennent un générateur de signal de consigne adapté pour délivrer un signal électrique C représentatif d'une position de consigne du piston et un comparateur recevant les deux signaux P et C précités et délivrant à chaque cycle un signal de commande S, commandant l'alimentation de la bobine électromagnétique en fonction de la valeur relative des deux signaux P et C. Par exemple, pour une machine tournante appelée à fonctionner en compresseur, le clapet d'admission est de préférence associé à une bobine électromagnétique pour sa manoeuvre dans un sens, les moyens d'alimentation de cette bobine étant adaptés pour engendrer l'excitation de celle-ci de sorte que le clapet d'admission soit ouvert pendant la phase d'admission du gaz et pendant une fraction de la phase de refoulement, en vue de déterminer le refoulement d'une partie du volume de gaz à travers ledit clapet d'admission. Ce retard à la fermeture du clapet d'admission est réglé à chaque cycle en fonction du débit gazeux désiré sans qutil soit nécessaire de faire varier la vitesse à laquelle l'arbre du compresseur est entrainé. Pour une machine appelée à présenter un fonctionnement réversible en compresseur ou en moteur, le clapet d'admission est associé à une bobine électromagnétique et le clapet de refoulement à une autre bobine ; les moyens d'alimentation électrique sont adaptés, d'une part, pour engendrer l'excitation de la bobine d'admission de sorte que le clapet d'admission se ferme à un instant choisi du cycle aller-retour du piston, d'autre part, pour engendrer l'excitation de l'autre bobine de sorte que le clapet de refoulement soit fermé pendant chaque déplacement aller du piston et ouvert pendant chaque déplacement retour. Notons que, du coté opposé à la face active du piston, le bloc-cylindre est maintenu à une pression au plus égale à la plus basse des pressions de refoulement ou d'admission. La machine fonctionne en compresseur de la fa çon décrite précédemment : un retard réglable à la fermeture du clapet d'admission permet d'ajuster le débit de gaz comprimé. La machine peut fonctionner en moteur et c'est alors une avance réglable à la fermeture du clapet d'admission qui permet d'ajuster le débit de gaz utilisé grâce à un réglage à chaque cycle du volume de gaz admis dans le cylindre. Une telle machine réversible bénéficie d'une grande souplesse d'utilisation et se prête aux diverses exigences qui peuvent se rencontrer dans les applications pratiques puisque une simple modulation appropriée d'un signal éleetrique de consigne permet d'obtenir une régulation très souple du débit, indépendamment de la vitesse. D'autres caractéristiques de l'invention se dégageront de la description qui suit en référence aux dessins annexés, lesquels en présentent un mode de réalisation ; sur ces dessins - la figure 1 est une coupe axiale d'une machine tournante conforme à l'invention, - la figure 2 schématise des moyens électroniques équipant cette machine, - les figures 3a, 3b, 3c, 4a, 4b, 4c, et 5a, 5b, 5c présentent l'allure de divers signaux générés, en vue d1il- lustrer le fonctionnement de ces moyens La machine tournante représentée schématiquement et partiellement en coupe à la figure 1 est une machine réversible, apte à fonctionner soit en compresseur en engendrant la compression d'un débit gazeux à partir d'énergie mécanique qui lui est fournie, soit en moteur en utilisant l'énergie d'un débit gazeux et en fournissant une énergie mécanique. Cette machine comprend plusieurs blocs-cylindres et lton-aperçoit l'un d'eux schématisé en 1 à la figure 1, pourvu d'un piston 2 lié à une bielle 3 ; les différentes bielles 3 liées aux différents pistons des blocs-cylindres sont articulées de façon classique sur un vilebrequin 4 dont une extrémité 4a joue le rôle d'arbre de sortie. On ne donnera pas plus de détail sur ces organes mécaniques bien connus en eux-memes. Chaque bloc-cylindre 1 comprend un clapet d'admission 5 qui peut s'ouvrir ou se fermer pour permettre ou interdire le passage d'un gaz arrivant par un conduit d'admission 6, et un clapet de refoulement 7 qui peut également permettre ou interdire le pessage-du gaz vers un conduit de refoulement 8. Des clapets anti-retour symbolisés en 21 et 22 établissent au-dessous du piston 2 une pression au plus égale à la plus basse des pressions d'admission ou de refoulement. Le clapet d'admission 5 est associé à une bobine électromagnétique 9 agencée pour manoeuvrer celui-ci dans le sens de la fermeture lorsqu'elle est excitée, et à des moyens de rappel, tels que ressort schématisé en 10, adaptés pour maintenir ce clapet ouvert lorsque la bobine n'est pas excitée. Bien entendu, la figure 1 est seulement destinée à illustrer l'agencement mécanique de l'ensemble et l'invention s'étend à toute disposition ou agencement susceptible d'etre prévu dans la pratique, l'action de la bobine pouvant agir directement sur le clapet (action attractive, repulsive) ou par l'entremise d'un noyau magnétique ou encore par l'entremise de moyens mécaniques (câmes ou autres), euxmêmes commandés par ladite bobine. Le clapet de refoulement 7 est, de façon analogue, associé à une bobine électromagnétique Il agencée pour manoeuvrer celui-ci dans le sens de la fermeture lorsqu'elle est excitée, et à des moyens de rappel 12 adaptés pour maintenir ce clapet ouvert lorsque la bobine n'est pas excitée.Cette bobine Il est nécessaire pour permettre un fonctionnement réversible de la machine du fait que, en phase motrice, la pression d'aspiration est supérieure à la pression de refoulement alors que c'est l'inverse en phase de fonctionne:nt en compresseur : cette inversion exige une commande controlée du clapet de refoulement qui ne peut être dans les deux cas simplement commandé par le jeu naturel des pressions ; par contre pour une machine non réversible, ce clapet de refoulement peut, le cas échéant, être agencé de façon traditionnelle sans commande électromagnétique, ses manoeuvres sreffec- tuant par le jeu naturel des différences de pressions. Par ailleurs, comme le représente symboliquement la figure 2, l'arbre de sortie 4a porte un élément de repérage 12, en l'exemple un ergot en saillie, qui permet à une sonde de détection de position 13 de générer à chacun de ses passages une impulsion électrique ; cet élément de repérage est positionné de façon à correspondre au point mort haut (PMH) du piston 2, de sorte que l'impulsion est délivrée à chaque cycle à l'instant du PPilS. Il est mécaniquement plus simple de lier l'élément de repérage 12 à l'arbre de sortie 4a ; toutefois cet élément pourrait tre solidaire de n'importe quelle pièce liée au piston et dont la position est représentative de la position de celui-ci (piston lui-même, embiellage, etc...).Plusieurs types de sondes de détection de position sont connus et la sonde 13 peut être de nature quelconque (électromagnétique, photoélectrique, sonde de détection de proximité, etc...). Pour fournir un signal P représentatif à chaque instant de la position du piston, un convertisseur fréquence/ tension 14 est prevu en aval de la sonde 13 pour délivrer une ten sion proportionnellle à la fréquence des impulsions reçues ; un intégrateur 15 reçoit, d'une part, cette tenson en vue de fournir un signal de pente proportionnelle à celle-ci, d'autre part, les impulsions sus-évoquées en vue d'être recalé à zéro à chaque impulsion. Cet intégrateur délivre ainsi un signal P dont la tension représente à tout instant de chaque cycle la position du piston 2. Pour illustrer le Dnctionnement de ces moyens de détection, on a représenté aux figures 3a, 3b et 3c respectivement en i l'allure des impulsions délivrées par la sonde 13, en p l'allure du signal délivré par le convertisseur 14 et en P l'allure du signal délivré par l'intégrateur 15 et représentatif de la position du piston 2 Ce signal P sert à commander l'excitation des bobines électromagnétiques d'admission 9 et de refoulement 11. Pour la bobine 11, l'excitation est commandée par la seule action du signal P grâce å un circuit comportant un transistor 16 dont le blocage ou le déblpcage détermine le passage du courant dans la bobine ; ce circuit est adapté de sorte que la bobine Il soit alimentée pendant la première moitié du cycle et ne le soit plus pendant la seconde moitié . la bobine Il excitée pendant le déplacement aller du piston du PMH au PMB (point mort bas) ferme le clapet de refoulement 7 pendant ce déplacement et laisse celui-ci ouvert pendant le déplacement retour du PMB au PMH. La bobine d'admission 9 est commandée par ltentremise d'un comparateur 17 qui reçoit le signal P et un signal de consigne C engendré par un générateur de signal de consigne 20 ; ce signal c est représentatif à chaque cycle d'une position de consigne du piston. Le comparateur 17 délivreur signal de commande S qui engendre à chaque cycle le déblocage d1un transistor 18 lorsque la tension du signal P devient supérieure à la tension du signal de consigne C. On a représenté aux figures 4a, 4b et 4c, respectivement le signal de position P, le signal de consigne C, et les différences de potentiel TR et TA aux bornes des bobine de refoulement 11 et bobine d'admission 9 dans le cas d'un fonctionnement en compresseur. Le signal de consigne engendre une excitation de la bobine d'admission un laps de temps-r-après que le piston soit parvenu au PMB et ce retard à la fermeture du clapet d'admission 5 détermine le refoulement d'une fraction du volume de gaz par-ce clapet 5 (la pression d'admission étant inférieure à la pression de refoulement après compression).Une modulation appropriée du signal de consigne entrain un ajustement approprié du temps dere,tard-r-et, en conséquence, une régulation com rimu du débit de gaengen par le compresseur, ccest à dire effec- tivement refoulé par le clapet de refoulement 7. On a représenté aux figures 5a, 5b et 5c les mêmes signaux dans le cas d'un fonctionnement en moteur. Le clapet de refoulement est commandé de façon identique. Le clapet d'admission est commandé avec une avance - a - par rapport au PMB, et le volume de gaz admis, et donc utilisé par le moteur, est régulé par un ajustement approprié de cette avance grâce à une modulation du signal de consigne C. Par ailleurs dans le cas déjà évoqué d'une machine tournante comprenant plusieurs blocs-cylindres dont les pistons sont accouplés à l'arbre de sortie avec des déphasages déterminés, un clapet au moins de chaque bloc-cylindre est pourvu d'une bobine électromagnétique excitée par des moyens d'alimentation ; les moyens de détection du type sus-évoqué sont associés à l'un des blocs-cylindres pour détecter la position de son piston qui devient le piston de référence ; ces moyens de détection sont couplés aux moyens d'alimentation de chaque bobine pour exciter la bobine considérée en fonction de la position du piston de référence et du déphasage entre le piston correspondant et ce piston de référence. On a représenté à titre d'exemple à la figure 2 un ensemble 19 pour la commande des bobines 9' et 11t associées respectivement aux clapet d'admission et clapet de refoulement d'un deuxième bloc-cylindre. Cette commande s'effectue à partir d'un intégrateur 19a, recevant le signal p issu du convertisseur 14 et dont la remise a zéro est réalisée au moyen d'impulsions générées dans un comparateur 19b par comparaison entre, d'une part une tension de déphasage D représentative du déphasage théorique du 2ème piston par rapport au ler (piston de référence) et, d'autre part, la tension P délivrée par l'intégrateur 15. Les moyens d'alimentation prévus à la sortie de l'intégrateur 19a sont identiques à ceux décrits déjà pour le ler bloc-cylindre. Il est ainsi possible de commander plusieurs séries de bobines électromagnétiques associées aux clapets de plusieurs blocs-cylindres. L'invention peut être appliquée dans tous les cas où il est utile de disposer d'un réglage du débit gazeux engendre ou utilisé, indépendant de la vitesse de rotation et, en particulier, dans les installations dites pompes à chaleur, où le cycle à changement de phase peut etre apte,grâce à la machine conforme à l'invention, à produire du froid, de la chaleur ou de l'énergie (machines reversibles) avec un rendement global élevé. Bien entendu l'invention ntest pas limitée aux termes de la description précédente, mais en comprend toutes les variantes. En particulier, il est possible d'assurer la régulation du débit gazeux par une commande du clapet de refoulement avec ouverture ou fermeture de celui-ci en fonction d'une consigne, le clapet d'admission étant manoeuvré de la façon habituelle pour la machine concernée, soit par le jeu naturel des différences de pression et forces de rappel, seit par l'action d'une bobine électromagnétique d'une façon analogue à celle décrite plus haut. REVENDICATIONS 1/ - Machine tournante à débit gazeux régulé indépendamment de la vitesse de rotation, comprenant au moins un bloc-cylindre pourvu d'un clapet d'admission et d'un clapet de refoulement, au moins un piston mobile disposé dans ledit bloccylindre et un arbre de sortie rotatif mécaniquement lié audit piston, ladite machine tournante étant caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une bobine électromagnétique associée % un des clapets d'admission ou de refoulement du bloc-cylindre de façon à en assurer la manoeuvre à l'ouverture ou à la fermeture, des moyens de détection de la position du piston à l'intérieur du bloccylindre, et des moyens d'alimentation électrique, couplés auxdits moyens de détection et adaptés pour exciter à chaque cycle la ou les bobines électromagnétiques en fonction de la position du piston. 2/ - Machine tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de détection de la position du piston comprennent des moyens adaptés pour fournir un signal électrique P représentatif à chaque instant de la position dudit piston, cependant que les moyens d'alimentation électrique comprennent un générateur de signal de consigne adapté pour délivrer un signal électrique C représentatif d'une position de consigne du piston et un comparateur recevant les deux signaux P et C précités et délivrant à chaque cycle un signal de commande S commandant l'alimentation de la bobine électromagnétique en fonction de la valeur relative des deux signaux P et- C. 3/ - Machine tournante selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de détection délivrant le Si- gnal électrique P comprennent une sonde de détection de position adaptée pour délivrer une impulsion électrique à chaque passage d'un élément de repérage lié au piston ou à son arbre de sortie, un convertisser fréquence/tension apte à délivrer une tension proportionnelle à la fréquence des impulsions sus-évoquées, et un intégrateur recevant, d'une part, cette tension pour fournir un signal de pente proportionnelle à ladite tension et, d'autre part, les impulsions sus-évoquées en vue d'être recalé à zéro à chaque impulsion, cet intégrateur délivrant à sa sortie le signal électrique P représentatif de la position du piston. 4/ - Machine tournante selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, adaptée pour pouvoir fonctionner en compres seur, ladite machine étant caractérisée en ce que le clapet d'admission est associé a une bobine électromagnétique pour sa manoeuvre dans un sens, les moyens d'alimantation électrique de ladite bobine étant adaptés pour engendrer l'excitation de celle-ci de sorte que le clapet d'admission soit ouvert pendant la phase dtadmission de gaz et pendant une fraction de la phase de refoulement en vue de déterminer le refoulement d'une partie du volume de gaz à travers ledit clapet d'admission. 5/ - Machine tournante selon la revendication 4, caractérisée en ce que la bobine -électromagnétique du clapet d'admission est agencée pour manoeuvrer celui-ci dans le sens de la fermeture lorsqu'elle est excitée, ce clapet étant associé à des moyens de rappel adaptés pour le maintenir ouvert lorsque la bobine nrest pas excitée. 6/ - Machine tournante selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, adaptée pour pouvoir présenter un fonctionnement réversible en compresseur ou en moteurS ladite machine étant caractérisée en ce que le clapet d'admission est associé à une bobine électromagnétique pour sa manoeuvre dans un sens, cependant que le clapet de refoulement est associé à une autre bobine électromagnétique pour sa manoeuvre dans un sens, les moyens d'alimentation électrique desdites bobines étant adaptés, d'une part, pour engendrer l'excitation de la bobine d'admission de sorte que le clapet d'admission se ferme à un instant déterminé du cycle aller-retour du piston, d'autre part, pour engendrer l'excitation de la bobine de refoulement de sorte que le clapet de refoulement soit fermé pendant chaque déplacement aller du piston et ouvert pendant chaque déplacement retour. 7/ - Machine tournante selon la revendication 6, caractérisée en ce que la bobine du clapet d'admission est agencée pour manoeuvrer celui-ci dans le sens de la fermeture lorsqu'elle est excitée, ce clapet étant associé à des moyens de rappel adaptés pour le maintenir ouvert lorsque la bobine n'est pas excitée, cependant que la bobine du clapet de refoulement est agencée pour manoeuvrer ce dernier dans le sens de la fermeture lorsqu'elle est excitées ce clapet étant associé à des moyens de rappel adaptés pour le maintenir ouvert lorsque la bobine n'est pas excitée. 8/ - Machine tournante selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, comprenant plusieurs blocs*cylin dres dont les pistons sont accouplés à l'arbre de sortie rotatif avec des déphasages déterminés, ladite machine étant caractérisée en ce qu'un clapet au moins de chaque bloc-cylindre est pourvu d'une bobine électromagnétique excitée par des moyens d1alimenta- tion électrique, les moyens de détection étant associés à l'un des blocs-cylindres pour détecter la position de son piston dit "piston de références', et étant couplés aux moyens d'alimentation de chaque bobine pour exciter la bobine considérée en fonction de la position du piston de référence et du déphasage entre le piston correspondant et ledit piston de référence.