Brevet FR2519712A1 — publié le 19830718

Il est connu de réaliser des compresseurs monovis comprenant une vis tournant dans un carter fixe et engrenant avec les dents d'au moins un pignon Ces compresseurs ont été décrits notamment dans les brevets fran- cais 1 331 998, 1 586 832 ou britanniques 1 548 390, 1 555 329. Le rendement de ces compresseurs dépend bien entendu des jeux existants entre les différents organes Certains de ces jeux peuvent être réglables c'est le cas par exemple des jeux entre pignons et carters dans les compres- seurs suivant le brevet 1 331 998 ou du jeu entre pignon et vis dans le cas de pignons cylindriques à dents trapézoïdales du brevet 1 586 832. Dans le cas de vis à profil extérieur cylindrique tels qu'utiliséé par exemple dans les compresseurs suivant les brevets britanniques précités,- le rendement dépend de façon très sensible du jeu entre vis et carter mais du fait du profil cylindrique, ce jeu n'est pas réglable et dépend donc de la précision de construction. Ce jeu est particulièrement critique dans les compresseurs monovis utilisés sans injection d'huile pour-la compression, par exemple, de gaz frigorigène R 22 dans les installations frigorifiques La suppression de l'huile est extrêmement souhaitable pour de multiples raisons, notamment la réduction du coût par élimination du circuit d'huile et l'obtention d'un gaz sans huile qui présente de nombreux avantages au niveau des échan- geurs Mais le rendement du compresseur devient extrêmement sensible à l'importance du jeu vis-carter qui dans les compresseurs à injection d'huile est normalement obturé par de l'huile comme expliqué dans l'addition 78 706 du brevet français 1 268 586. L'on a cherché à réduire ce jeu mais dès qu'il descend en-dessous de jeux radiaux de l'ordre de 5 x 10-4 du diamètre (la limite exacte dépendant de la précision de la construction), l'on a constaté que le compresseur devenait sujet au grippage entre vis et carter; avec les matériaux indus- triellement utilisés pour ces compresseurs, c'est-à-dire, la fonte tant pour la vis que pour le carter, ce grippage est presque toujours fatal et détruit l'appareil. L'on a cherché à résoudre ce problème par la création de nids d'abeille à la surface de la vis ou du carter, nids d'abeille quilimitent les effets du grippage et qui sont décrits dans la demande de brevet français 8 111 906 du 17 Juin 1981 Mais ces nids d'abeille sont extrêmement coûteux à fabriquer. La présente invention a pour objet un compresseur,pompe ou machine d'expansion monovis comprenant une vis tournant autour d'un axe dans un carter fixe et munie de plusieurs filets engrenant avec les dents d'au moins un pignon, ledit carter étant muni d'au moins un orifice basse pression et d'au moins un orifice haute pression disposé au voisinage du pignon précité, ladite vis étant munie à son extrémité située du côté de l'orifice haute pression d'un dispositif assurant une quasi étanchéité entre la vis et le carter, et caractérisé en ce que le jeu entre la vis et le carter va croissant lorsque l'on parcourt une génératrice du carter en allant du côté de l'orifice basse pression au côté de l'orifice haute pression et est maximale au voisi- nage du dispositif d'étanchéité. Dans une disposition préférée particulièrement applicable au cas des vis cylindriques, celles-ci sont cylindriques sur la presque totalité de leur pourtour sauf vers leur extrémité haute pression o elles sont coniques avec un cône de très petit angle au sommet, ce cône ayant son diamètre le plus étroit à l'endroit de la vis o débute le dispositif d'étanchéité. L'on remarquera que ce dispositif est non seulement applicable aux compresseurs sans injection d'huile mais aussi aux machines d'expansion destinées à fournir de l'énergie mécanique à partir de la détente de gaz comprimé et o il est très difficile d'assurer une étanchéité par injection de liquide ou à des pompes à très haut rapport de pressions o les jeux deviennent également critiques. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip- tion ci-après et du dessin annexé, donnés à titre d'exemple non limitatif et o: La figure I montre en coupe un compresseur Pom pe ou machine de détente suivant le brevet français 1 331 998 incorporant l'invention. La figure 2 est une vue schématique de l'invention présentée figure 1. La figure 3 présente l'invention combinée avec un autre dispositif d'étan- chéité à l'extrémité haute pression de la vis. La figure 4 présente l'invention appliquée au cas d'une vis conique. On voit sur la figure I,de façon connue ensoi,une vis} tournant autour d'un axe 2 dans un carter 3 et engrenant avec deux pignons tels que 4 munis de dents 5 Le carter est muni d'un orifice basse pression 6/et d'orifices haute pression tels que 7 figuré en pointillé car disposé dans le demi- carter supérieur supprimé par la coupe -, disposés au voisinage de chaque pignon. La vis comporte des trous destinés à faire communiquer la cavité 9 avec la basse pression et équilibrer les poussées-de part et d'autre, donc à éliminer toute poussée axiale. La vis comporte également à son extrémité haute pression un labyrinthe , connu en soi, constitué de préférence d'une spirale analogue à un file- tage Ce filetage est fabriqué avec un diamètre sensiblement égal au diamètre de l'alésage Il du carter; même si au moment de l'assemblage, il y a contact entre les sommets du filetage et le carter, les sommets s'usent rapidement par frottement et l'on obtient ainsi un jeu extrêmement faible assurant une quasi étanchéité entre la vis et le carter du côté haute pression. L'on remarquera qu'il n'y a pas grippage malgré le jeu réduit parce que les copeaux formés par le frottement des sommets du filetage contre le carter peuvent se loger dans les creux du filetage et que tout copeau qui débute en roulant entre sommet de filet et carter est rapidement interrompu, du fait de la spirale, par le creux du filetage. Un tel filetage ne peut toutefois se poursuivre jusque dans la zone de la vis occupée par les filets de la vis et les creux de ces filets car il en résulterait des fuites par le creux du filetage. Entre la fin des filets de la vis visible en 12 sur la figure 2 et le filetage 10 on laisse donc usuellement une zone 14 lisse et sans disconti- nuité. Comme visible sur la figure I et de façon plus nette sur la figure 2, la vis suivant l'invention comporte un jeu maximal au voisinage du dispositif d'étanchéité et qui se réduit en se rapprochant de l'orifice basse pression en suivant une génératrice de la vis. Une solution préférentielle parce que simple à réaliser est de donner à la vis une forme de cône 13, ce cône s'étendant du dispositif d'étanchéité jusque sur la partie cylindrique. A titre d'exemple numérique un compresseur utilisant une vis de diamètre millimètres engrenant avec 2 pignons symétriques de diamètre 140 également, ayant un volume balayé d'environ 2500 litres par minute à 3000 tours par minute, utilisé pour comprimer du frigorigène R 22 de 4 bars à 12 bars et refroidi par une injection du même frigorigène liquide a un rendement isen- tropique de l'ordre de 65 % lorsque la vis est cylindrique sur toute sa longueur et que le jeu radial vis-carter est de l'ordre de 0,1 mm. Avec un tel jeu, l'on n'a jamais observé de grippage. Si l'on réduit le jeu radial à 25 microns le grippage est en général instantané. Si par contre, conformément à l'invention, l'on garde un jeu radial de microns sauf vers l'extrémité haute pression de la vis et si par exemple l'on débute le cône 13 à 15 millimètres de la fin des filets 12 avec une zone 14 de 2 millimètres de large et que le jeu radial vis-carter à l'endroit o le cône 13 rejoint le dispositif d'étanchéité 10 soit de 0,1 millimètre, l'on constate que le rendement isentropique du compresseur atteint 72 % - soit relativement 10 % de mieux et qu'il n'y a pas grippage Le rendement obtenu rend cette machine compétitive avec les meilleures machines à piston connues alors qu'un rendement de 65 % la rend difficilement utilisable à une époque o les rendements énergétiques sont essentiels. Ce gain de rendement, considérable, se décompose de façon approximative- ment égale sur le plan énergétique, en une amélioration du rendement volu- métrique et une réduction de la puissance imputable à la réduction de la fuite-de gaz d'un filet en cours de compression au filet suivant. Mais ce qui est encore plus remarquable, c'est que l'amélioration de rendement ainsi obtenue est pratiquement égale à celle que l'on obtiendrait avec une vis complètement cylindrique, qu'en d'autres termes le cône n'apporte aucune pénalité sur le plan du rendement. L'on a en effet utilisé une vis munie d'un nid d'abeille en surface permettant de tourner sans grippage avec des jeux radiaux de 25 microns. L'on a ensuite pratiqué sur cette vis un cône conforme aux valeurs pré- cédentes. L'écart de rendement mesuré est inférieur à 0,5 %, l'écart de débit étant nul et l'augmentation de puissance étant de l'ordre de 0,4 %. Une raison qui peut en partie expliquer ce résultat inattendu est que le cône pratiqué sur la vis crée un jeu donc une fuite mais que ce jeu étant situé à l'endroit o les sommets de filet sont les plus larges, cette fuite reste limitée. L'on a représenté figure 3 une autre forme de dispositif d'étanchéité conforme au brevet britannique 1 548 390 et donnant des résultats similaires, et sur la figure 4 une application de l'invention au cas d'une vis conique connue conforme par exemple au brevet français 2 286 958 o la vis est formée d'une partie conique 15 de même angle que le cône 16 du carter et est montée avec un très faible jeu suivi d'un cône 13 permettant un jeu croissant jusqu'audispositif d'étanchéité 10 b. La présente invention décrite dans le cadre de compresseurs à pignons plans ne serait pas modifiée si elle était appliquée à des compresseurs avec pignons cylindriques tels que décrits dans le brevet français 1 586 832 ou à des pompes, ou à des machines d'expansion. 19712 REVENDICATIONS I Compresseur, pompe ou machine d'expansion comprenant une vis tournant autour d'un axe dans un carter fixe et munie de plusieurs filets engrenant avec les dents d'au moins un pignon, ledit carter étant muni d'au moins un orifice basse pression et d'au moins un orifice haute pression disposé au voisinage du pignon précité, ladite vis étant munie à son extrémité située du côté de l'orifice haute pression d'un dispositif assurant une quasi étanchéité entre la vis et le carter, et caractérisé en ce que le jeu entre la vis et le carter va croissant lorsque l'on parcourt une génératrice du carter en allant du côté de l'orifice basse pression au côté de l'orifice haute pression et est maximale au voisinage du dispositif d'étanchéité. 2 Compresseur, pompe ou machine d'expansion suivant la revendication I o la zone du carter coopérant avec les filets de la vis est cylindrique et caractérisé en ce que l'enveloppe des sommets des filets de la vis est constituée d'un cylindre pour la partie de la vis en contact avec la basse pression prolongé par un cône de faible pente ayant son diamètre le plus faible à l'endroit o débute le dispositif d'étanchéité.