Brevet FR2493419A1 — publié le 19820507

La présente invention concerne un compresseur à haute pression et faible capacité, compact et utilisable pour des installations de laboratoire, montées à poste fixe ou transportables. I1 est destiné à être utilisé là où du gaz répondant à de strictes normes de pureté est nécessaire sous haute pression et faible débit. Une.utilisation-type serait de fournir de l'air pour des systèmes cryogéniques appartenant à des dispositifs électroniques. Classiquement, on se procure du gaz sous haute pression chez des embouteilleurs qui fournissent à l'utilisateur du gaz en bouteilles d'acier. On peut aussi comprimer le gaz dans les établissements de l'utilisateur, à l'aide d'un compresseur classique normalement logé dans un local ou une cabane ad hoc, pour des raisons de sécurité ou de bruit. La méthode du gaz en bouteilles suppose un stockage, des manutentions, et pose des problèmes de sécurité et de logistique. Le compresseur en usine exige normalement un entretien par du personnel qualifié, et un personnel utilisateur instruit, il est en général bruyant et peu en faveur pour des raisons d sécurité ou de saleté. Dans un compresseur volumétrique classique, le piston est contraint parcourir le cylindre dans les deux sens, à grande vitesse, par une bielle reliée au maneton d'un vilebrequin, le rapport de compression étant principalement déterminé par le rapport entre les volumes aux deux fins de course. Le volume en tête de cylindre est nécessaire pour garantir qu'il existe un jeu de fonctionnement entre le sommet du piston et la tête du cylindre, le contact entre ces pièces, aux vitesses en jeu, pouvant provoquer des dommages mécaniques.D'autres facteurs tels que des fuites au niveau du piston et l'echauf- fement dû à la vitesse de compression réduisent l'efficacité du système. I1 faut, pour obtenir des rapports de compression élevés, des machines à trois ou quatre étages avec refroidissement entre les étages. Les vitesses élevées utilisées sur ces machines sont nécessaires pour surmonter les effets des fuites au niveau des segments des pistons, car les segments classiques ont une fente axiale, et de plus imposent un graissage pour surmonter les effets des frottements, d'où souillure du gaz. Un des buts de la présente invention est de résoudre ou d'atténuer les difficultés précédemment exposées lorsqu'on exige peu de gaz, mais sous pression élevée. Selon la présente invention, on prévoit un compresseur à gaz comprenant un carter définissant une chambre de compression, un piston pouvant être animé d'un mouvement alternatif dans ladite chambre et relié pour entrainement à une extrémité d'une vis menante cooperant avec un écrou qui fait partie du rotor d'un moteur électrique et mène linéairement ladite vis. Des réalisations de la présente invention vont être décrites à titre d'exemple, en référence au dessin joint dans lequel: la figure 1 est une coupe en élévation d'une premiers réalisation d'un compresseur réalisé selon la présente invention; la figure 2 est une coupe semblable d'une seconde realisation. On voit sur la figure 1 qu'un compresseur 1 comprend un carter de moteur 10 dans lequel sont logés les enroulements statoriques d'un moteur électrique 16, à courant continu. Le rotor du moteur 16 comprend une armature creuse 12, rigidement reliée à un écrou à galets 14 par une cage rigide 13, le rotor étant normalement maintenu dans le carter du moteur par une paire de paliers à butée opposés, 15, du type à rouleaux. Une vis menante 20 est engagée pour entrainement dans l'écrou 14 et est menée axialement quand tourne l'écrou 14. Une des extrémités de la vis est fixée à un premier piston 30, de grand diamètre, qui peut se déplacer dans un premier cylindre 31 définissant une chambre de compression basse-pression. Le cylindre 31 est fixé par une de ses extrémités au carter 10 du moteur et fermé à l'autre par une tête de cylindre 32 ayant une valve anti-retour d'entree 33, et une valve anti-retour de sortie basse-pression, 34. Le piston 30 est muni de joints annulaires 35, autolubrifiants et étanches, et les valves 33 et 34 sont de même pourvues de joints annulaires étanches 33A et 34A respectivement, ces trois joints associés assurant l'étanchéité de la chambre de compression basse-pression. De l'autre côté du carter 10 du moteur se trouve un second cylindre 41, haute-pression, dans lequel peut se déplacer un second piston 40, de petit diamètre. Le second piston 40 est fixé à l'autre extrémité de la vis menante 20 et possède un joint annulaire 45, lui aussi autolubrifiant et étanche. Le cylindre 41 est fermé par une tête de cylindre 42 possédant une valve anti-retour de sortie d'entrêe haute- pression 44 et une valve anti-retourAhaute pression 43 reliée à la valve anti-retour de sortie 34 de l'étage basse pression par une canalisation interétage 50. Les têtes des valves 43, 44 sont munies de joints annulaires étanches, 43A et 44A respectivement, de sorte qu'avec le joint 45 ils assurent l'étanchéité de la chambre haute pression. Un ensemble de commande (non représenté) commande la vitesse et le sens de rotation du moteur électrique 16 et le compresseur 10 fonctionne de la façon suivante: Lorsque le moteur 16 tourne dans un certain sens, le gros piston 30 est mené de façon à se rapprocher de la tête de cylindre 32, ce qui force le gaz contenu dans le gros cylindre 31 à être comprimé et chassé dans le petit cylindre 41 par la canalisation externe de liaison 10, un écoulement de retour étant interdit par les vannes anti-retour 34, 43 des deux têtes de cylindres. Le gros piston 30 est mené jusqu'à ce qu'il touche mécaniquement sa tête de cylindre 32, Ce point atteint, le sens de rotation du moteur 16 est inverse et le petit piston est mené vers la tête du petit cylindre, 42, à partir de sa position arriere représentée sur la figure. Ceci fait que le gaz précédemment comprimé à basse pression dans le petit cylindre 41 subit une seconde compression, de niveau élevé, déterminée par l'ouverture de la valve de sortie 44 et par l'appareillage en aval de la valve 44. Du fait que les pistons sont menés au contact mécanique des têtes de cylindres on peut réaliser des rapports de compression très élevés et donc obtenir en deux étages un rapport de compression de 200:1, dans une machine de dimensiors relativement faibles. Pour maximiser le rapport de compression de chaque chambre de compression la tête de piston et la tête de cylindre qui se correspondent ont des formes semblables, sensiblement planes comme sur la figure, de sorte que le volume de chaque chambre, quand le piston est au haut de sa course, est réduit à un minimum, et approche de zéro dans les limites des réalisations pratiques. Le compresseur 1 travaille relativement lentement du fait des caractéristiques opérationnelles du moteur à courant continu 16, qui est de préférence bobiné en série de sorte que, quand il est associé à un piston qui entreprend une course de compression, la vitesse maximale du mouvement du piston s'obtient au début, quand la pression dans la chambre est au plus bas niveau; quand la course se poursuit et la pression dans la chambre augmente, la vitesse du moteur 16 diminue jusqu a ce qu'en fin de course il tende à caler. A la fin de la course le moteur 16 atteint le calage (car la tête du piston vient buter sur la tête du cylindre) et c'est à ce moment que l'ensemble de commande inverse le sens de rotation du moteur. Cependant, comme la vitesse du piston tend progressivement vers zéro en raison de la charge imposée au moteur par l'augmentation de la pression dans les chambres de compression, le contact du piston avec la tête de cylindre ne crée aucune charge mécanique de percussion. Comme la compression se fait lentement, le gaz ne s'échauffe pratiquement pas par compression; une lubrification supplémentaire des joints annulaires de piston n'est plus nécessaire et le compresseur est pratiquement silencieux quand il fonctionne. De préférence, les joints annulaires des pistons sont faits de matière plastique, leur forme annulaire ne comporte aucune fente, de façon qu'ils soient à la fois autolubrifiants et étanches. Dans la realisation de la figure 1, l'écrou 14 est du type "vis a galets à centrage automatique de sorte que les paliers 15 n'ont à supporter que des poussées. Dans la réalisation de la figure 2, le compresseur 1 est sensiblement conforme à la description de la figure 1, mais certains détails sont illustres avec plus de précision; le moteur 16 comporte une modification utile qui va être décrite et la surface du piston haute pression 40 est accrue (ce qui reduit en conséquence le rapport de compression du compresseur 1), afin de permettre de monter côte à côte les valves 43, 44, à la différence de la disposition représentée sur la figure 1. Pour le piston basse pression 30, cn voit que le joint 35 comprend une bague glissante en PTFE (polytétrafluoréthylène) 36 elastiquement rappelée vers l'exte- rieur, de façon à s'appliquer sur la paroi du cylindre 31, par une bague toxique 37, en caoutchouc, et une bague glissante d'usure en PTFE 38, située axialement en arrière de la bague glissante 36. Pour le piston haute pression 40, on voit que le joint 45 comprend une paire de bagues glissantes 46, 47, en PTFE, respectivement rappelées vers l'extérieur, de façon à s'appliquer sur la paroi du cylindre 41, par des bagues toriques en caoutchouc 48, 49 et une bague d'usure en pTFE, t51, située axialement en arrière des bagues glissantes 46, 47. Sur la figure 2, le rotor du moteur 16 comprend une armature creuse 12 reliée pour entraînement à l'écrou 14 par la cage 13 mais, dans cette réalisation, la cage 13 comprend une partie semi-rigide 17, en forme de soufflet, faite de bronze au béryllium ou d'acier à ressort, qui est destinée à absorber toute charge percussionnelle qui pourrait provenir de l'arrivée en butée d'un des pistons 30, 40 avec la tête 32, 42 de son cylindre 31, 41. Le degré d'élasticité de la partie 17 est tel qu'elle ne se comprime pas sous l'effet de la seule pression régnant dans une chambre de compression ou dans l'autre. De plus l'écrou 14 est du type "vis à recirculation de billes", qui ne se centre pas de lui-même, ce qui fait que le rotor est supporté à rotation par un roulement à billes 19, à gorge profonde, qui remplace les paliers de poussée 15. On voit qu'en choisissant avec soin les dimensions, les jeux et les matériaux on peut obtenir que les fuites soient très faibles au niveau des pistons et des soupapes des deux réalisations décrites, et comme chacun de ces compresseurs, par sa conception même, travaille relativement lentement, l'échauffement et la lubrification ne créent pas de diicultés. Le gaz n'est ainsi pas souillé dans le compresseur et il n'est pas besoin d'installations importantes pour éliminer des souillures du gaz. L'envoi d'énergie au moteur peut être établi, interrompu ou modulé par un système capteur de pression, l'utilisation d'une commande modulée pouvant éliminer le besoin de valves régulatrices de pression. L'ensemble de commande du moteur, bien qu'il ne soit pas représenté, peut comporter un système servant à percevoir l'établissement du contact entre piston et tête de cylindre et reposant sur un circuit tachymétrique ou un circuit capteur d'intensité, vu que l'intensité dans le stator augmente significativement quand on approche des conditions de calage, la sortie de ce dispositif étant utilisée pour régler l'énergie envoyée au moteur entraînant l'écrou. Sous sa forme la plus simple, ce moteur est un moteur continu à aimant permanent, soit du type classique à balais, soit du type sans balais; il pourrait aussi être un moteur à courant alternatif muni d'une régulation propre à lui donner les caractéristiques d'un moteur à courant continu, du type précédemment décrit, caractéristiques qui en particulier fournissent une plage de vitesses relativement large, ce qui est utile pour maximiser le rendement du compresseur. A titre d'exemple des compresseurs selon la présente invention peuvent fournir des débits de gaz de l'ordre de 2 litres/minute sous des pressions de l'ordre de 2000 - 3000 psi (1380 à 2070 bar), la période de fonctionnement est de l'ordre de 5 s et la consommation d'énergie de l'ordre de 30 W, fournis par une source de courant continu sous 24 V. REVENDICATIONS 1. Compresseur à gaz caractérisé par un carter (10,31,32) définissant une chambre de compression (31), un piston (30) pouvant être animé d'un mouvement alternatif à l'intérieur de ladite chambre (31) et relié pour entraînement à une extrémité d'une vis menante (20) qui coopère avec un écrou (14) qui la mène linéairement et fait partie de l'ensemble rotor (12) d'un moteur électrique (16). 2. Compresseur selon la revendication 1, carac térisé par un second carter (10,41,42) définissant une seconde chambre de compression (41), un second piston (40) pouvant être animé d'un mouvement alternatif à l'intérieur de ladite seconde chambre (41) et étant relié à entraine- ment à l'autre extrémité de ladite vis menante (20), un conduit (50) mettant en intercommunication les deux chambres de compression (31,41) l'ensemble étant agencé de façon que le compresseur soit un compresseur à deux étages. 3. Compresseur selon l'une ou l'autre des revendications précédentes, caracterise en ce que le piston, ou chaque piston, comporte un joint annulaire autolubrifiant et étanche (35,45). 4. Compresseur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit moteur électrique (16) a les caractéristiques d'un moteur électrique à courant continu. 5. Compresseur selon la revendication 4, carac térisé en ce que le moteur électrique (16) est commandé par un ensemble de contrôle à l'effet d'inverser le sens dans lequel il entraîne la vis lorsque l'un ou l'autre des pistons (30,40) vient en butée sur la tete de son cylindre (32,42). 6. Compresseur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre de compression, ou chaque chambre de compression (31,41) présente une tête de cylindre (32,42) dont la forme générale est complémentaire de celle de la tête du piston correspondant (30,40), de sorte que le volume de la chambre ou de chaque chambre (31,41) est rendu minimal lorsque le piston correspondant (30,40) est au haut de sa course. 7. Compresseur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble rotor (12) dudit moteur électrique (16) comporte une cage rigide (13) reliant ledit écrou (14) à l'armature dudit moteur (16). 8. Compresseur selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rotor (12) dudit moteur électrique (16) comporte une cage semi-rigide liant ledit écrou (14) à l'armature dudit moteur (16). 9. Compresseur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit écrou (14) est du type "à recirculation de billes". 10. Compresseur selon une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit écrou (14) est du type pour vis à galets.