Brevet FR2508113A1 — publié le 19821224

La présente invention concerne une machine volumé- trique à vis et pignons, pour comprimer, pomper ou détendre un fluide. Les machines particulièrement visées ici comprennent une vis coopérant de façon sensiblement étanche, par une par- tie au moins des sommets de ses filets, avec un carter, au moins un pignon disposé dans un passage ménagé dans le car- ter, et dont les dents engrènent avec les filets de la vis, au moins un orifice basse pression situé vers une extrémité de la vis et au moins un orifice haute pression situé vers l'autre extrémité de la vis et séparé du passage du pignon par une zone du carter d'une certaine largeur. De telles machines sont décrites notamment dans les brevets français N O 1 268 586, 1 331 998 et 1 586 832. Pour améliorer le rendement et diminuer les fuites de ces machines, il est connu d'injecter à l'intérieur de la machine, un liquide, en général de l'huile, qui assure un refroidissement (lorsque l'appareil travaille en compresseur) mais aussi une étanchéité en créant en sommet du filet un véritable joint liquide Ceci a été décrit particulièrement dans le certificat d'addition no 78 706 au brevet no 1 268 586 précité. Cette possibilité d'étanchéité disparaît lorsque l'on supprime cette injection, par exemple dans le cas de compres- seurs frigorifiques Dans ce cas il suffit par exemple d'in- jecter dans la chambre de compression du condensat du gaz liquéfié qui se vaporise dans la chambre de compression en refroidissant les pièces en présence et le gaz Il en résulte qu'il n'y a plus de liquide disponible pour obturer les jeux entre les sommets des filets et le carter Or l'importance de ces jeux est déterminante pour le rendement de la machine. A titre d'exemple, on a ainsi constaté qu'un compres- seur fonctionnant au frigorigène R 22, d'une cylindrée d'envi- ron 2 500 litres à 3 000 tours minute, voyait son rendement thermodynamique décroître d'environ 1 % chaque fois que le jeu vis-carter s'accroissait de 10 microns. On a cherché à réduire ce jeu mais, invariablement, dès que l'on utilise des jeux radiaux inférieurs à des va- leurs de l'ordre de 70 à 100 microns, les essais aboutissent à un grippage en général définitif de la vis dans le carter, les deux pièces ne pouvant être séparées sans être détruites. La présente invention vise à réaliser une machine volu- métrique o les jeux soient suffisamment réduits pour conser- ver un bon rendement, tout en écartant les risques de grippage. Suivant l'invention, la machine est conforme à la spécification rappelée plus haut et elle est caractérisée en ce que l'une des deux surfaces coopérantes, respectivement du carter et de la vis, présente, au moins sur une partie de sa zone de coopération avec l'autre surface, un certain nombre d'alvéoles séparés les uns des autres par des bords dont la direction est inclinée par rapport à un cercle centré sur l'axe de rotation de la vis, le pourtour de chaque alvéole s'inscrivant à l'intérieur du sommet de filet qui lui fait face ou dans lequel il est pratiqué, ou n'étant coupé que par un seul des deux bords du sommet de filet. On a constaté qu'avec de tels alvéoles il était pos- sible de réduire le jeu vis-carter à des valeurs de l'ordre de 20 à 30 microns sans qu'il apparaisse aucun grippage. Une explication donnée à titre indicatif et sans res- treindre la portée de l'invention est que le grippage peut être causé par des impuretés subsistant dans l'appareil et entraînant un micro-grippage localisé mais qui a tendance à se généraliser dans les zones o les sommets de filet de la vis sont très larges et, à fortiori, à son extrémité haute pression, car le copeau de grippage roule sur lui-même sans trouver de place pour s'évacuer. La présence des alvéoles permet d'arrêter la croissance spontanée du copeau de grippage en formation car, en roulant, il tombe dans l'un des alvéoles, est interrompu et est ulté- rieurement éliminé. Du fait que les bords des alvéoles ne sont pas, de façon continue, situés sur des cercles centrés sur l'axe de rotation mais sont au contraire inclinés par rapport à ces cercles, tout copeau créé entre ces bords et le carter tombe rapidement en roulant dans un alvéole et s'interrompt. Les alvéoles, dont la profondeur est avantageusement inférieure à 0,2 mm pour minimiser d'éventuels effets de pont de fuite, peuvent en principe être pratiqués indifféremment sur le carter ou sur la vis. Dans ce dernier cas, on donne de préférence aux alvéo- les dans la direction de leur déplacement, une dimension infé- rieure à la largeur de la zone du carter séparant l'orifice haute pression du passage du pignon, afin d'éviter de créer un pont de fuite entre cet orifice haute pression et le pas- sage du pignon, lui-même à la basse pression. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: la figure 1 est une vue longitudinale d'un compres- seur conforme à l'invention, avec un demi-carter enlevé, sui- vant I-I de la figure 2; la figure 2 est une vue en plan suivant II-II de la figure 1; la figure 3 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 1; les figures 4 et 5 sont des vues en coupe respecti- vement suivant IV-IV et V-V de la figure 3; la figure 6 est une vue suivant VI-VI de la figure 2; la figure 7 est une vue en plan avec coupe partielle d'un autre type de compresseur conforme à l'invention. En référence aux figures 1 et 2, le compresseur con- forme à l'invention comprend une vis 1 montée rotative sur des paliers 2 dans un carter 3 en deux parties 3 a, 3 b avec lequel elle coopère de façon relativement étanche par le sommet de ses filets 4. Un moteur (non représenté) est accouplé à la vis 1 pour la faire tourner dans le sens de la flèche. Les filets 4 de la vis 1 engrènent avec les dents 5 de pignons 6 montés à rotation libre sur des paliers 7 fixés respectivement sur les demi-carters 3 a et 3 b. Les pignons 6 sont logés dans des cavités 8 du carter et ils font partiellement saillie dans un cylindre 9 servant de logement à la vis 1 par des passages 11. Un orifice triangulaire 12 (figure 6), dont un côté est sensiblement parallèle à la pente des filets 4, est pra- tiqué dans le cylindre 9 et est en relation avec un orifice d'échappement 13. En fonctionnement, la vis 1 entraine les pignons 6 qui tournent dans le sens des flèches, chaque dent 5 qui vient engrener dans la vis emprisonnant une certaine quantité de gaz admise par l'admission 14 dans l'espace compris entre le car- ter, les deux filets de la vis o engrène cette dent et la face de cette dent. Le volume de cet espace diminue progressivement, com- primant le gaz qui y est contenu L'échappement se produit quand cet espace arrive devant l'orifice 12. Des alvéoles 15 sont pratiqués sur la surface exté- rieure de la vis (figure 3), essentiellement dans la partie de cette vis o la largeur des sommets de filet est la plus grande, c'est-à-dire, pratiquement, sur le tiers inférieur et sur le tiers supérieur de la vis. Ces alvéoles sont pratiqués, non seulement sur les filets mais également sur la bande circulaire 16 qui sépare la fin des filets (côté haute pression) de l'extrémité de la vis. Dans l'exemple décrit, les alvéoles 15 sont des quadri- latères alignés suivant des files dont l'axe 17 fait un certain angle"i (figure 3) avec des cercles 18 centrés sur l'axe de rotation de la vis La valeur précise de cet angle est sans importance, mais il est essentiel qu'il ne soit pas nul, de manière que les bords 19 séparant les alvéoles soient incli- nés sur un tel cercle L'angle L peut sans inconvénient at- teindre 450. Il est également essentiel que chaque alvéole s'ins- crive entièrement dans le sommet de filet o il est pratiqué, ou qu'il ne soit coupé que par un seul des deux bords 21,22 de ce sommet, de manière à éviter tout pont de fuite entre les deux côtés du filet Dans l'exemple décrit, qui s'applique à une vis de 140 mm de diamètre, cette condition est remplie par l'adoption d'un pas p de 2 mm. Dans cet exemple, le jeu J (figures 4 et 5) entre la vis et le carter est très réduit, de l'ordre de quelques di- zaines de microns La profondeur des alvéoles est de l'ordre de 0,1 à 0, 15 mm et l'épaisseur e des bords 19 est de l'ordre de 0,5 mm. On a représenté sur la figure 6 une vue de la paroi cylindrique 9 du carter qui coopère avec la vis, dans la région o sont pratiqués l'orifice d'échappement 12 et le passage de pignon 11 On a également représenté, en traits mixtes, les alvéoles 15 de la vis qui défilent devant cette partie du carter Il résulte du principe même du fonction- nement du compresseur que la zone 23 séparant ces deux orifi- ces doit avoir une largeur L aussi faible que possible, afin d'éviter de maintenir emprisonné dans le filet un certain volume de gaz qui ne pourrait s'échapper Par ailleurs, pour éviter un pont de fuite entre l'orifice 12, qui est à la haute pression, et le passage 11, qui est à la basse pression, il est nécessaire que la dimension 1 des alvéoles dans la di- rection F de leur déplacement soit inférieure à la largeur L. Afin d'éviter d'avoir à pratiquer des alvéoles très petits, dont la fabrication serait onéreuse, on a conservé une largeur L relativement importante sur la majeure partie de la zone 23, mais on a agrandi l'orifice 12 par une gorge 24 qui s'étend sur une partie de cette zone La fuite qui s'ensuit est ainsi très localisée Elle est en outre rendue très faible par la faible profondeur des alvéoles, qui rend également négligeable le volume de gaz haute pression trans- féré par l'alvéole dans sa rotation de l'orifice haute pres- sion vers le passage pignon. L'alvéole a été décrit comme un quadrilatère mais d'autres formes peuvent donner des résultats équivalents, par exemple des cercles ou des polygones Le quadrilatère est par- ticulièrement facile à réaliser lorsque ces alvéoles sont usinés par électro-érosion car l'électrode d'électro-érosion est alors obtenue simplement par deux fraisages croisés. Mais des profils plus complexes peuvent être réalisés si l'on opère par d'autres procédés, par exemple moletage ou par dépôt électro-chimique d'un métal d'apport destiné à cons- tituer les bords, les alvéoles étant alors obtenus par dépôt préalable d'un masque, en vernis par exemple, que l'on retire par la suite. L'utilisation des alvéoles a permis de réaliser des jeux très faibles, de quelques dizaines de microns, sans don- ner lieu à grippage, même lorsque le métal de la vis et celui du carter sont de même nature, par exemple de la fonte. Or, cet avantage est une condition essentielle pour réussir à construire des compresseurs monovis de réfrigération et de conditionnement d'air sans injection d'huile (avec tous les avantages de coût, de non-pollution des circuits que la suppression de l'huile entraîne) tout en obtenant des rende- ments thermodynamiques qui placent cette machine parmi les ma- chines ayant les meilleurs rendements C'est ainsi que, sur un compresseur équipé d'une vis de 140 mm de diamètre tournant dansun carter avec un jeu radial de 30 microns à 3 000 tours, on a mesuré avec du frigorigène R 22 et des taux de compression de l'ordre de 3 des rendements isentropiques de l'ordre de 77 % qui se situent en moyenne 10 à 20 % au-delà des meilleures ma- chines de cylindrée comparable connues. Avec des jeux de l'ordre de 0,1 mm connus jusqu'alors, les rendements ne dépassent pas 70 %. Suivant une variante de réalisation de l'invention, les alvéoles sont pratiqués sur la paroi du carter qui coopère avec les sommets des filets de la vis Cette disposition est particulièrement avantageuse lorsque la forme du carter s'y prête, par exemple dans le cas d'un carter plan ou conique, ou l'approche d'une électrode d'électro-érosion est facile. En référence à la figure 7, une vis plane 101 est mon- tée rotative dans un carter 103 comportant une-entrée basse pression 114 Par vis plane, il faut entendre que les sommets des filets 104 sont dans un plan et coopèrent avec une partie plane du carter Un pignon non représenté est situé dans un plan perpendiculaire au plan de la vis et ses dents engrènent dans le creux des filets qui est conformé en conséquence Un tel compresseur est décrit plus en détail dans le brevet fran- çais N O 1 331 998. L'ajustement entre le sommet des filets et le carter est du même ordre que dans la réalisation précédente et la surface coopérante du carter est munie d'alvéoles 115 non visibles sur le dessin, et dont on a seulement indiqué les axes d'alignement en traits mixtes Ces axes sont légèrement courbes et remplissent la condition de n'être jamais parallè- les à un cercle centré sur l'axe de rotation de la vis. Dans cette forme de réalisation, il est important que la profondeur des alvéoles soit réduite au minimum et ne dépasse pas, si possible, des valeurs de l'ordre de 0,10 à 0,15 pour des machines de cylindrée de l'ordre du litre par tour. En effet lors du passage des filets, chaque alvéole se remplit de gaz sous pression qui se détend à l'arrivée du filet suivant et le travail ainsi dépensé inutilement peut atteindre rapidement des valeurs considérables faisant disparaître tout le bénéfice des alvéoles. Si la disposition selon l'invention est avantageuse pour des machines sans liquide d'étanchéité, elle est également fort intéressante lorsque le liquide d'étanchéité (pour un compresseur ou une machine de détente) est de très faible viscosité, par exemple lorsque de l'huile est remplacée par de l'eau qui constitue un joint d'étanchéité de résistance bien moindre, ou dans le cas d'utilisation de l'appareil en pompe ou moteur hydraulique lorsque le liquide utilisé est également de faible viscosité. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exem- ples décrits mais couvre toute variante ou toute application accessible à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 Machine volumétrique pour comprimer, pomper ou détendre un fluide, comprenant une vis ( 1) coopérant de façon sensiblement étanche, par une partie au moins des som- mets de ses filets ( 4) avec un carter ( 3), au moins un pignon ( 6) disposé dans un passage ( 11) ménagé dans le carter ( 3) et dont les dents engrènent avec les filets ( 4) de la vis ( 1), au moins un orifice basse pression ( 14) situé vers une extré- mité de la vis et au moins un orifice haute pression ( 12) situé vers l'autre extrémité de la vis et séparé du passage du pignon par une zone ( 23) du carter d'une certaine largeur (L), caractérisée en ce que l'une des deux surfaces coopéran- tes, respectivement du carter ( 3) et de la vis ( 1), présente, au rmains sur une partie de sa zone de coopération avec l'autre surface, un certain nombre d'alvéoles ( 15) séparés les uns des autres par des bords ( 19) dont la direction ( 17) est inclinée par rapport à un cercle ( 18) centré sur l'axe de rotation de la vis, le pourtour de chaque alvéole ( 15) s'ins- crivant à l'intérieur du sommet de filet ( 4) qui lui fait face ou dans lequel il est pratiqué, ou n'étant coupé que par un seul des deux bords ( 21,22) du sommet de filet. 2 Machine conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que laprofondeur des alvéoles ( 15) est inférieure à 0,2 rm 3 Machine conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les alvéoles ( 115) sont pratiqués sur le carter ( 103). 4 Machine conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les alvéoles ( 15) sont pratiqués sur la vis ( 1). 5 Machine conforme à la revendication 4, caractérisée en ce que, dans la direction (F) de leur déplacement, les alvéoles ( 15) ont une dimension ( 1) inférieure à la largeur (L) de la zone ( 23) du carter ( 3) séparant l'orifice haute pression ( 12) du passage du pignon ( 11). 6 Machine conforme à la revendication 5, caractérisée en ce que l'orifice haute pression ( 12) est agrandi suivant une gorge ( 24) s'étendant sur une partie de la zone ( 23) séparant l'orifice haute pression ( 12) du passage ( 11) du pignon ( 6).