Brevet FR2461133A1 — publié le 19810130

L'invention concerne une machine dite volumétrique, fonctionnant par déplacement d'un volume fluide, notamment sous forme d'un compresseur ou d'une pompe à vide, qui utilise le prin- cipe de la spirale et comporte deux éléments de refoulement suscep- tibles d'être animés d'un mouvement relatif de translation circulaire. On connaît depuis longtemps déjà des compresseurs, des pompes à vide et d'autres machines volumétriques utilisant le principe de la spirale (voir, par exemple, les demandes de brevet DE-AS 22 25 327 et DE-OS 26 03 462 de la République Fédérale d'Allemagne). Le proces- sus de refoulement dans une telle machine est assuré par deux éléments de refoulement ou de déplacement qui sont le plus souvent constitués de façon semblable d'une plaque de base sur laquelle sont disposés ou formés des parois ou des évidements en spirale. Les parois et évidements en spirale des deux éléments de refoulement s'emboîtent mutuellement dans le sens axial. Sous l'effet d'un mouvement relatif qui est le plus souvent circulaire (giratoire) mais qui est un mouvement de translation pure (guidage parallèle) des deux éléments de refoulement, les points de contact entre les parois en spirale se déplacent suivant un rayon de l'extérieur vers l'intérieur ou vice versa, selon le sens de rotation du mouvement relatif. On sait que l'entraînement de ces machines volumétriques, ou l'entraînement d'autres organes par de telles machines, peut se faire de deux manières: on peut maintenir fixe un élément de refoulement et animer le deuxième élément du mouvement relatif désiré, le plus souvent circulaire, par une commande à excentrique, généralement une commande à manivelle rotative; ou alors on peut, si le mouvement relatif souhaité est circulaire, monter rotatifs les deux éléments de refoulement et décaler leurs axes de rotation de l'excentricité désirée. Dès que les parois et évidements en spirale s'étendent sur un angle périphérique d'au moins 21V, il existe en permanence un contact radial en au moins un point entre les éléments en spirale. Dès que les parois et évidements s'étendent sur au moins un double embrasse- ment (correspondant à un angle périphérique 471), il existe en perma- nence au moins deux points de contact radial. Dans ce dernier cas, il se crée entre deux points de contact des cavités en forme de croissant, dans lesquelles un fluide peut être transporté en un sens sous l'effet du mouvement relatif mentionné plus haut. 246 1133 - Le transport unidirectionnel sous de faibles vitesses relatives des éléments de refoulement, et au cours duquel des sections de surface déterminées des parois et évidements en spirale appartien- nent toujours à la seule zone d'aspiration ou à la seule zone de refoulement, fait paraître l'emploi de pompes et de compresseurs selon le principe de la spirale intéressant partout o il faudrait obtenir des taux de compression élevés sans ou avec une faible lubri- fication. Les machines volumétriques travaillant sans huile sont préférées parce que leur coût d'entretien et de fonctionnement est moindre et parce qu'elles sont moins polluantes. Il y a aussi des cas o l'huile n'est pas seulement indésirable mais inadmissible, en raison de risques d'explosion par exemple. Il s'avère toutefois que les taux de compression élevés théoriquement réalisables et le mode de fonctionnement simple sont difficiles à obtenir dans la pratique, du fait que le roulement et l'étanchéité sûrs et précis dans les points de contact radial entre les parois en spirale ne peuvent pas être produits de manière simple. Or, si, aux points de contact, les éléments ne roulent pas l'un sur l'autre de façon correcte et sans contraintes, il se produit une usure accélérée et des échauffements localisés aux contours en spi- rale, provoquant des soudures froides et des blocages des paliers. Les causes principales d'un roulement insuffisamment net et dépourvu de contraintes aux points de contact sont les sui- vantes: a) guidage ou maintien parallèle insuffisant des deux éléments de refoulement, b) précision de fabrication insuffisante des contours en spirale et c) variation de contour ou suppression du jeu pour une cause thermique sur les contours en spirale respectivement dans les points de contact. Des solutions connues de ces problèmes utilisent notam- ment des commandes à manivelle ajustables de haute précision comme guide parallèle, la fabrication de haute précision des contours en spirale dans des locaux climatisés, le maintien des éléments de refoulement pendant le service à une température constante par une circulation d'huile de refroidissement sophistiquée et ainsi de suite (voir, par exemple, la demande de brevet DE-AS 22 26 327 de la République Fédérale d'Allemagne). Ces solutions entraînent cependant un coût de. fabrication qui est un multiple de celuide pompes et de compresseurs utilisant un joint d'huile, par exemple de pompes à vide à palettes et de machines analogues. C'est pourquoi les machines volumétriques à spirale ont seulement été adoptées, jusqu'à présent, dans lescas os, à défaut de solutions alternatives, les coûts élevés ont dû être acceptés. L'invention vise à créer une machine volumétrique comme défini au début mais dans laquelle le mouvement désiré des élé- ments de refoulement l'un par rapport à l'autre puisse Etre garanti de façon simple. Selon une caractéristique essentielle de l'inven- tion, pour garantir un mouvement relatif avec maintien du parallélisme, c'est-à-dire avec maintien d'une droite liée à un élément de refou- lement parallèlement à une droite liée à l'autre élément de refoule- ment, la machine comporte au moins un guide sous forme d'un parallé- logramme ou, de préférence, deux guides sous formes de deux parallé- logrammes disposés à peu près à angle droit l'un par rapport à l'autre. Il est particulièrement avantageux que les parallélogrammes soient constitués par des paires de ressorts à lame. Dans une machine volumétrique à spirale ainsi réalisée, les éléments de refoulement sont guidés sans aucun jeu l'un par rapport à l'autre. Un autre avantage est que, lorsque les deux éléments se touchent, le système de guidage selon l'invention est capable de compenser des différences de forme et de dimensions, résultant de tolérances de fabrication, de défauts de précision dans l'assemblage ou de dilatations thermiques. Dans l'ensemble, une machine volumétrique selon l'invention peut ainsi être fabriquée beaucoup plus économiquement puisque les exigences de précision peuvent être réduites considérablement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que du dessin annexé, sur lequel: - les figures 1 et 2 sont des représentations schématiques pour illustrer le principe utilisé par l'invention; et - la figure 3 est une coupe axiale d'une machine volumétrique selon l'invention, La figure 1 représente un corps circulaire 1 d'une machine volumétrique. Dans ce corps pénètre, au centre, un arbre d'entraînement 2 dont l'axe de rotation est désigné par 3 (voir également la figure 3). A son extrémité située dans le corps 1, - l'arbre 2 porte une commande à manivelle ou excentrique 4, lequel anime l'élément de refoulement 5 - représenté seulement par un cercle en pointillé sur la figure 1 - d'un mouvement circulaire. Pour garantir que le mouvement relatif soit un mouvement de translation pure, sans aucune composante rotative, c'est-à-dire avec maintien du corps 1 et de l'élément de refoulement 5 parfaitement parallèles l'un à l'autre, la machine de l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1 comporte deux bras 6 et 7 disposés à peu près à angle droit l'un par rapport à l'autre et formant chacun un parallélogramme. Sur le corps 1 est fixé à cet effet un socle 8, auquel sont articulées, par l'une de leurs extrémités, de façon à pouvoir pivoter autour d'axes parallèles à l'axe de rotation 3, deux verges de parallélo- gramme 9 et 10. Leurs autres extrémités sont articulées sur un élé- ment d'accouplement 11, également de façon à pouvoir pivoter autour d'axes parallèles à l'axe de rotation 3. Le bras 7 comporte également deux verges de parallélogramme 12 et 13, lesquelles sont disposées à peu près à angle droit par rapport au bras 6 et sont articulées par l'une de leurs extrémités sur l'élément d'accouplement 1l et par leur autre extrémité sur un socle 14, de nouveau de manière qu'elles puissent pivoter autour d'axes parallèles à l'axe de rotation 3. Le socle 14 est solidarisé du disque de refoulement 5. Par suite de ce guidage par deux parallélogrammes, le disque de refoulement 5 peut effectuer un mouvement circulaire à l'intérieur du corps 1, dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation 3 (et aux axes d'articula- tion des verges de parallélogramme), tout en conservant exactement la même orientation par rapport au corps 1. La figure 2 montre un exemple de réalisation o le guidage désiré est assuré par un parallélogramme constitué de deux 24 6 1133 paires de ressorts à lame 16, 17, respectivement 18, 19. La paire de ressorts à lame 16, 17 est à cet effet fixéepar des socles 20 et 21 sur un plateau 22, lequel porte un premier élément de refoulement (non représenté pour les besoins de la clarté du dessin). Par leurs extrémités libres, les lames 16 et 17 sont fixées à un cadre carré 23, par l'intermédiaire des socles 24 et 25. Les lames 18 et 19 sont dis- posées à peu près à angle droit par rapport aux lames 16 et 17 et sont fixées par les socles 26 et 27 au cadre 23 et par les socles 28 et 29 au second élément de refoulement (qui n'est pas davantage re- présenté pour la clarté du dessin). Comme les lames 16 à 19 sont dis- posées latéralement à l'extérieur du cadre 23, on obtient une cons- truction très courte. Les axes longitudinaux des lames et leurs courses élastiques sont parallèles au plan dans lequel s'effectue le mouvement de translation circulaire désiré. La figure 3 représente un exemple de réalisation d'une machine volumétrique comportant un guidage par pallêlogramme du type représenté sur la figure 2. Le premier élément de refoulement, fixe, est formé par le corps 1 lui-même et présente des saillies 31 qui sont à peu près en spirale. Par rapport à ce corps et ces sail- lies, l'élément de refoulement 5, présentant les saillies 32, effec- tue un mouvement de translation circulaire, sous la commande de l'ex- centrique 4. Ce mouvement produit le transport désiré du fluide d'une des deux tubulures 33, 34 à l'autre (suivant le sens giratoire du mouvement circulaire de l'élément de refoulement 5). L'excentrique 4 est monté élastiquement par son maneton dans l'élément de refoule- ment 5, ce qui permet déjà une certaine compensation de différences de forme et de dimensions résultant de tolérances de fabrication. La machine comporte en outre, au niveau de l'excentrique 4, un paral- lélogramme comme celui représenté sur la figure 2. On ne voit de ce parallélogramme que les socles 20 et 21, représentés en pointillé, par lesquels les lames 16 et 17 sont reliées au corps 1, c'est-à- dire à l'élément de refoulement fixe. On voit également les socles 24 et 25 qui relient les lames 16 et 17 au cadre 23, de même que le socle 28 qui relie la lame 19 à l'élément de refoulement 5 effectuant le mouvement circulaire. Le montage élastique du maneton de l'excentrique 4 dans l'élément de refoulement 5 est réalisé par une bague élastique 36 entourant un coussinet 37. Au lieu de ce montage élastique du côté de leélément mené, l'excentrique pourrait également être montée élas- tiquement du coté de son entratnément, c'est-à-dire dans le corps 1. Les ressorts à lame passent par un cycle de charge pendant chaque tour de l'élément de refoulement 5. La lon- gueur des lames et/ou leur matériau constitutif doit être choisie de manière que les sollicitations à la flexion produites par les cycles de charge restent nettement au-dessous de la résistance à la fatigue des ressorts. Les ressorts à lame peuvent en plus être pré- contraints de manière que les deux saillies 31 et 32 restent en per- manence appliquées l'une contre l'autre aux points de contact désirés, pour éviter qu'elles ne s'écartent l'une de l'autre, ce qui présente le risque, sous certaines conditions, que l'étanchéité soit sérieu- sement compromise. Les moyens prévus par l'invention pour guider les deux éléments de refoulement peuvent être appliqués aussi bien aux machines volumétriques comportant un élément de refoulement fixe et un élément de refoulement effectuant un mouvement circulaire qu'aux machines volumétriques comportant deux éléments de refoulement montés de façon à pouvoir tourner. Dans le premier cas, l'élément mobile, le cadre 23 par exemple, effectue seulement un mouvement de trans- lation. Dans le deuxième cas, il effectue également un mouvement rotatif. 246 1133 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Machine volumétrique, fonctionnant par déplacement d'un volume fluide, qui utilise le principe de la spirale et comporte deux éléments de refoulement susceptibles d'être animés d'un mouve- ment relatif de translationcirculaire, caractérisée en ce que, pour garantir un mouvement relatif avec maintien du parallélisme, la machine comporte deux guides (6 respectivement 16, 17 et 7 respecti- vement 18, 19) disposés à peu près à angle droit l'un par rapport à l'autre, dont l'un au moins est réalisé sous forme d'un parallélogramme 1.0 (6 respectivement 16, 17). 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les parallélogrammes sont formés par des paires de ressorts à lame C6, 17 respectivement 18, 19). 3. Machine selon la revendication 1 ou 2, comportant un élément de refoulement disposé fixe dans un corps et un autre élément de refoulement susceptible d'être animé d'un mouvement circulaire par rapport au premier élément, caractérisée en ce qu'un premier parallélogramme (6 respectivement 16, 17) est fixé par l'une de ses extrémités au corps (1) ou à l'élément de refoulement fixe de manière que la course de l'extrémité du parallélogramme soit parallèle au plan dans lequel s'effectue le mouvement circulaire, en ce que l'ex- trémité libre du premier parallélogramme est reliée directement ou indirectement à une extrémité d'un autre parallélogramme (7 respec- tivement 18, 19) disposé à peu près à angle droit par rapport au premier parallélogramme, de manière que la course de l'extrémité libre de cet autre parallélogramme soit également parallèle au plan dans lequel s'effectue le mouvement circulaire et en ce que l'ex- trémité libre de cet autre ou deuxième parallélogramme est reliée à l'élément de refoulement (5) effectuant le mouvement circulaire. 4. Machine selon la revendication 1 ou 2, comportant deux éléments de refoulement tournants, effectuant l'un par rapport à l'autre un mouvement de translation circulaire, caractérisée en ce qu'un premier parallélogramme (6 respectivement 16, 17) est fixé par l'une de ses extrémités à l'un des éléments de refoulement, de manière que la course de son extrémité libre soit parallèle au plan dans lequel s'effectue le mouvement circulaire, en ce que l'extré- m'ié libre du premier parallélogramme est reliée directement ou iridsrecrement à une extrémité d'un autre parallélogramme (7 respec- tLvement 18, 19) disposé à peu près a angle droit par rapport au pre- micr parallélogramme, de manière que la course de l'extrémité libre de cet autre parallélogramme soit également parallèle au plan dans lequel s'effectue le mouvement circulaire et en ce que l'extrémité libre de cet autre parallélogramme est reliée a l'autre élément de refoulement. 5. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 - à 4, caractérisée en ce que les parallélogrammes sont constitués par deux paires de ressorts à lame (16, 17 et 18, 19). 6. Machine selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce qu'un élément d'accouplement (11, 23) particulier est prévu pour relier le premier parallélogramme au deuxième parallélogramme. 7. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'élément d'accouplement est un cadre (23) rectangulaire, de pré- férence carré. 8. Machine selon la revendication 7, caractériséeen ce que les paires de ressorts à lame (16, 17 et 18, 19) formant les paral- lélogrammes sont disposées latéralement à l'extérieur du cadre (23). 9. Machine selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que le cadre (23) est disposé au niveau et autour de saillies (31, 32) des éléments de refoulement. 10. Machine selon la revendication 3, 7 ou 8, caracté- risée en ce que le cadre (23) est disposé au niveau et autour d'une commande a manivelle ou excentrique (4) pour l'élément de refoulement (5) effectuant le mouvement circulaire. il. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 'a 10, caractérisée en ce qu'un montage élastique (36) est prévu pour l'un au moins des deux éléments de refoulement. I2. Machine selon la revendication 11, 3 ou 10, comportant une commande à manivelle pour un élémenc de refoulement effectuant un mouvemient relatif sous forme d'un disque, caractérisée en ce que la commande à manivelle (4) est montée élastiquement du cSté de l'entraînement et/ou du côté de l'élément mené. 24 6 1 13 3 13. Machine selon la revendication 4 ou 11, caractérisée en ce que le palier ou les paliers d'un ou des deux éléments de re- foulement est ou sont monté(s) élastiquement. 14. Machine selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisée en ce que la longueur et/ou le matériau constitutif des ressorts à lame formant les parallélogrammes est ou sont choisi(s) de manière que les sollicitations à la flexion produites par les cycles de charge restent nettement au-dessous de la résis- tance à la fatigue des ressorts. 15. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un ressort à lame ou plusieurs ressorts à lame est ou sont précontraint(s) de manière que la force exercée par ce ressort ou ces ressorts sur les éléments de refoule- ment assure un contact permanent entre des saillies (31, 32) des éléments de refoulement.