Brevet FR2514836A1 — publié le 19830422

L'invention concerne d'une manière générale les machines volumétriques du type à volute, et plus particu- lièrement une machine à volute comportant une biellette oscillante destinée à transformer le mouvement de rotation d'un arbre de commande en un mouvement orbital de spires de volute. Un appareil volumétrique du type à volute com- prend généralement des plaques parallèles portant des éléments à spires en développante fixés de manière à entrer en prise suivant une relation angulaire Les axes des éléments à spires sont normalement parallèles et déportés de façon que leur mouvement orbital relatif provoque la formation de poches de fluide définies par les surfaces des flancs des éléments et les plaques extrê- mes, ces poches se déplaçant entre un orifice d'entrée et un orifice de sortie. Suivant la configuration des éléments à spires en développante et le sens relatif de leur mouvement orbi- tal, une machine à volute peut fonctionner comme détendeur (pompe a vide), compresseur ou pompe à liquide Lorsqu'elle est utilisée comme détendeur, les poches de fluide se déplaçant à travers la machine prennent naissance à proxi- mité du centre des spires en développante et augmentent de volume en se déplaçant vers l'extérieur autour des spires. Inversement, dans un compresseur à volute, les poches de fluide se déplacent vers l'intérieur, autour des spires de la volute, vers un orifice central de décharge, en subissant une réduction sensible de leur volume en cours de mouvement Dans une pompe à liquide, chacune des spires en développante n'effectue qu'une boucle autour de l'axe central de sorte que les poches de liquide ne sont pas soumises à une variation notable de volume, mais sont simplement entraînées à force autour de la volute, entre un orifice d'entrée et un orifice de décharge, sortant à une pression supérieure. Le rendement du travail d'une machine à volute dépend notamment de l'efficacité de l'étanchéité entre les surfaces des flancs des spires endéveloppante dans la direction radiale, et entre le bout des spires et de la plaque extrême opposée dans la direction axiale Dans les applications o une étanchéité radiale efficace est moins importante, un petit jeu peut être maintenu entre les surfaces des flancs des volutes en prise afin qu'elles ne soient pas en contact Cette conception correspond à la machine à volute du type à "manivelle fixe" dont un exemple est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Améri- que N O 4 082 484 Dans une forme de réalisation courante, présentant généralement un rendement de travail supérieur, les surfaces des flancs des éléments à spires en prise sont placées en contact les unes avec-les autres sous une force suffisante pour assurer l'étanchéité radiale Une machine à volute ainsi configurée est donc convenablement désignée comme étant du type à "souplesse radiale". Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 924 977 décrit une tringlerie à souplesse radiale destinée à lier un mécanisme d'entraînement à un élément à volute à mouve- ment orbital Ce brevet décrit deux formes de réalisation présentant la souplesse radiale, à savoir une biellette oscillante et une tringlerie à coulisseau Dans la pre- mière forme de réalisation, l'axe de la biellette oscil- lante est perpendiculaire au rayoncdexcentricité de la volute à mouvement orbital et on utilise une bielle montée sur un maneton de manivelle de l'arbre d'entraînement, un ensemble à palier et un ensemble soumis à la force d'un ressort et agencé pour compenser partiellement la force centrifuge exercée sur l'élément à volute à mouvement orbital lorsque le mécanisme d'entraînement tourne à sa vitesse normale de travail Au démarrage, la force centri- fuge exercée sur l'élément à volute est nulle et la force centripète appliquée par le ressort fait orbiter l'élément à volute à un rayon d'excentricité inférieur au rayon normal Le mécanisme d'entraînement, par exemple un moteur électrique, n'a pas à développer un couple important lors du démarrage, car les flancs des éléments à spires en développante ne sont initialement pas en contact d'étan- chéité. La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique no 195 289 décrit une machine du type à volute comportant une biellette oscillante assurant la souplesse radiale, un contrepoids étant utilisé pour exercer une force cen- tripète compensant la force centrifuge exercée sur l'élé- ment à volute à mouvement orbital A la différence de l'ensemble à rappel par ressort du brevet N O 3 924 977 précité, la biellette oscillante à contrepoids décrite dans la demande précitée assure une étanchéité radiale convenable entre les flancs des éléments à volute, indé- pendamment de la vitesse de rotation de la machine La demande précitée mentionne la présence d'un ressort à boudin logé à l'intérieur de la biellette oscillante et agissant contre un axe situé à l'extrémité de l'arbre de commande pour tendre à écarter légèrement les unes des autres les surfaces des flancs des spires en développante lorsque l'appareil est à l'arrêt, ce qui réduit le couple de démarrage demandé au mécanisme de commande. Un problème risque d'apparaître dans les formes de réalisation à biellette oscillante de l'art antérieur telles que décrites ci-dessus Le palier de l'axe d'arti- culation de la bielletteoscillante peut être soumis à un grippage en raison des charges relativement élevées et des mouvements relativement faibles auxquels il est exposé. Le mouvement limité de la biellette oscillante autour de son axe d'articulation conduit à un grippage, car des particules libérées par l'effet d'usure tendent à rester bloquées dans la zone d'appui du palier plutôt que d'être entraînées vers l'extérieur, comme ce serait le cas s'il se produisait un mouvement important entre la biellette oscillante et l'axe, par exemple si le biellette oscillante tournait sur l'axe. Compte tenu de ces problèmes potentiels posés par la biellette oscillante de conception décrite dans l'art antérieur, l'invention a pour objet une autre biellette oscillante présentant une souplesse radiale, les moyens destinés à accoupler l'arbre de commande à la biellette oscillante et à tendre à écarter l'un de l'au- tre les éléments à spires, étant placés dans un seul élé- ment L'invention a également pour objet d'éliminer l'axe d'articulation et le palier afin d'éviter les risques de grippage L'invention a pour autre objet de simplifier la biellette oscillante à souplesse radiale. L'invention concerne donc un appareil volumétri- que du type à volute Cet appareil comprend deux plaques sensiblement parallèles portant chacune un élément à spi- res en développante, les éléments à spires en développante étant fixés sur les surfaces opposéesdes deux plaques. Ces éléments à spires sont en prise angulaire fixe l'un avec l'autre, des poches de fluide étant définies entre les surfaces en contact des plaques et des éléments à spi- res. L'appareil comprend également un arbre de com- mande monté de manière à pouvoir tourner autour de son axe longitudinal et comportant, à une extrémité, un doigt de manivelle qui est déporté par rapport à l'axe longitu- dinal Une biellette oscillante accouple l'arbre de com- mande, avec une certaine souplesse radiale, à une des deux plaques parallèles afin qu'une rotation de l'arbre de commande provoque un mouvement orbital de la spire en développante associée à cette plaque, à l'intérieur de la spire en développante de l'autre plaque, obligeant ainsi des poches de fluide à se déplacer entre une entrée et une sortie. Un élément flexible en matière élastique relie le doigt de manivelle à une surface parallèle adjacente de la biellette oscillante L'élément flexible est rigide en traction, mais déformable en flexion afin que sa force de rappel élastique tende à écarter légèrement l'un de l'autre les éléments à spires en développante lorsque l'arbre de commande ne tourne pas Ceci réduit le couple d'entraînement demandé à l'arbre de commande lors de la mise en marche de l'appareil à volute. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limi- tatif et sur lequel: la figure 1 est une élévation, avec arrache- ment partiel, d'une machine à volute dans laquelle les éléments à volutes, l'arbre de commande et l'élément flexible sont représentés en coupe; la figure 2 est une vue en plan, avec coupe partielle, de la biellette oscillante à souplesse radiale et des éléments associés par lesquels elle est reliée à l'arbre de commande; la figure 3 est une coupe partielle suivant la ligne 3-3 de la figure 2, montrant la biellette oscillante, une partie de la plaque à volute à mouvement orbital, le doigt de manivelle et l'élément flexible; et la figure 4 est une élévation partielle du tronçon de l'arbre de commande comportant le doigt de manivelle, les éléments entourant ce tronçon n'étant pas représentéspour plus de clarté. La figure 1 représente une forme préférée de réalisation de l'invention constituant un compresseur 10 de fluide de réfrigération, du type à volute Le compres- seur 10 à volute comprend une enveloppe hermétique 11 qui comprend un raccord 12 d'orifice d'aspiration et un rac- cord 13 d'orifice de décharge, ces raccords étant fixés à l'enveloppe Pendant le fonctionnement du compresseur à volute, un fluide de réfrigération est aspiré par l'orifice 12, passe dans l'entrefer du rotor d'un moteur électrique (non représenté) pour refroidir les bobinages, est entraîné à l'intérieur de l'appareil à volute entre des plaques 14 et 15 et est comprimé par le mouvement orbital relatif des spires en développante 16 et 17 avant d'être déchargé par l'orifice 13. Dans cette forme de réalisation préférée de l'invention, la plaque 14 à volute est fixe, tandis que la plaque 15 à volute est animée d'un mouvement orbital par la rotation d'un arbre 18 de commande La rotation de l'arbre 18 de commande est transmise à la plaque 15 à volute à mouvement orbital par une biellette oscillante 19 qui convertit ce mouvement de rotation en un mouvement orbital et sert également à assurer une certaine souplesse radiale, tandis que la masse de la partie lobulaire de la biellette oscillante 19 constitue un contrepoids qui com- pense la force centrifuge exercée sur la plaque 15 à volute à mouvement orbital. L'extrémité supérieure de l'arbre 18 de commande comporte une manivelle de laquelle fait saillie vers le haut un doigt 20 qui est déporté par rapport à l'axe longitudinal de l'arbre 18 Le doigt 20 de manivelle est relié à la biellette oscillante 19 par l'intermédiaire d'un élément flexible 25 qui présente une caractéristique élastique telle qu'il résiste aux déformations par flexion Un palier à rouleaux 26 positionne l'arbre 18 de commande centralement dans l'enveloppe hermétique 11 du compresseur 10. Une relation angulaire fixe entre les plaques 14 et 15 à volute et leurs spires respectives 16 et 17 en développante est maintenue par un accouplement d'Oldham 27, ainsi qu'il est bien connu dans l'art antérieur (voir, par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 065 279). La plaque fixe 14 à volute est maintenue en position par des colonnettes 28 q'ti sont placées en quatre points espa- cés sur la périphérie des plaques 14 et 15 à volute et qui sont maintenues en-place par des boulons 29 La plaque fixe 14 à volute est ainsi fixée à un carter 20 de mani- velle. La relation fonctionnelle entre le doigt 20 de manivelle, l'élément flexible 25 et la biellette oscil- lante 19 sera décrite plus clairement en regard des figu- res 2 à 4 Par exemple, la figure 2 montre comment des boulons 35 sont utilisés pour fixer un côté de l'élément flexible 25 au doigt 20 de manivelle, l'autre côté s'é- tendant jusqu'à la biellette oscillante 19 o il est fixé par des boulons 36 Comme représenté, dans la florme préfé- rée de réalisation (figure 2), l'élément flexible 25 est logé dans une rainure 37 de la biellette oscillante 19; cependant, il est également prévu de pouvoir éliminer la rainure 37 et de fixer simplement l'élément flexible 25 à une surface plane de la biellette oscillante 19 Le doigt de manivelle comporte une partie arrondie adjacente à l'élément flexible 25 de manière que, pendant l'accéléra- tion de l'arbre 18 de commande dans le sens des aiguilles d'une montre, comme vu de dessus, l'élément flexible 25 puisse être légèrement déformé autour de cette partie arrondie du doigt 20 de manivelle, sans être soumis à l'action d'un bord vif Sur les figures, l'élément flexi- ble 25 n'est pratiquement pas déforme par flexion, cet état existant notamment lorsque le compresseur à volute est arrêté et que l'arbre 18 de commande ne tourne pas. Pendant le fonctionnement du compresseur 10, l'arbre 18 de commande tourne autour d'un axe longitudinal central, représenté par un point imaginaire 38 Le point 38 constitue donc également le centre de rotation du doigt 20 de manivelle La rotation du doigt 20 de mani- velle autour du point 38 est transmise par l'élément flexible 25 à la biellette oscillante 19 de façon à la faire tourner, elle-même, autour d'un point imaginaire 39 qui est légèrement espacé du point 38 L'écartement rela- tif des points 38 et 39 constitue le rayon d'excentricité des spires 16 et 17 en développante La biellette oscil- lante 19 présente un alésage 40 centré sur le point 39 et un coussinet 41 de tourillon logé dans cet alésage pour recevoir le tourillon 42 d'entraînement de la plaque à volute à mouvement orbital Il apparaît que, lorsque la biellette oscillante 19 tourne autour du point imaginaire 39, ce dernier et le tourillon 42 d'entralnement de la plaque à volute à mouvement orbital orbitent autour de l'axe longitudinal de l'arbre 18 de commande qui passe par le point 38 Le tourillon 42 d'entraînement est fixé à la plaque 15 à volute à mouvement orbital de manière que la spire 17 en développante exécute un mouvement orbi- tal par rapport à la spire 16 en développante de la plaque fixe à volute Ce mouvement orbital provoque un déplacement des poches de fluide autour des spires en développante 16 et 17, radialement vers l'intérieur, tandis que le volume de ces poches diminue et que leur pression augmente Le fluide comprimé est ensuite déchargé du compresseur 10 par l'orifice 13 comme décrit précédemment. Lorsque l'arbre 18 de commande ne tourne pas, l'élasticité de l'élément flexible 25 ramène ce dernier dans sa forme plane et non déformée, afin qu'il soit paral- lèle a l'axe longitudinal du compresseur 10 Cette élasti- cité ou force de rappel par ressort est transmise par la biellette oscillante 19 à la plaque 15 à volute à mouve- ment orbital qui est au repos, et elle agit de façon à réduire le rayon d'excentricité des spires en développante 16 et 17 d'une très faible valeur, réduisant en fait légè- rement la distance comprise entre les centres 38 et 39. En outre, du fait de la relation entre la biellette oscil- lante 19 et la plaque 15 à volute à mouvement orbital, décrite ci-dessus, il en résulte un léger écartement entre les surfaces des flancs des spires endeveloppante 16 et 17, ce qui réduit l'efficacité de l'étanchéité aux fluides entre ces surfaces, normalement assurée par la souplesse radiale lorsque le compresseur 10 fonctionne Lorsque l'ar- bre 18 de commande commence à tourner après la mise en marche du compresseur 10, l'élément flexible 25 est déformé autour du doigt 20 de manivelle de manière que, en moins d'un tour de l'arbre 18 de commande, les surfa- ces des flancs des spires en développante 16 et 17 soient amenées en contact suivant une ligne mobile de contact et sous une force suffisante due à la souplesse radiale de la biellette oscillante 19, de façon à assurer l'étanchéité aux fluides Le manque initial d'étanchéité entre les sur- faces des flancs des spires 16 et 17 permet au mécanisme de commande, par exemple un moteur électrique, de démarrer sous un couple d'entraînement réduit. Bien que l'élément flexible 25 soit mince et présente une certaine souplesse en flexion, il est prévu qu'il puisse être réalisé en acier à ressort relativement dur, ayant une résistance importante et une grande rigi- dité en traction Le module de section de l'élément flexible 25 doit être choisi comme nécessaire pour éta- blir le manque d'étanchéité minimisant le couple de démarrage, tout en évitant l'établissement d'une condi- tion dans laquelle les spires en développante 16 et 17 plaquent l'une contre l'autre brusquement lorsque l'arbre 18 de commande atteint une trop grande vitesse de rotation, ce qui peut entraîner une détérioration du mécanisme de commande De même, l'intervalle entre les surfaces des flancs des spires 16 et 17 au moment du démarrage peut également affecter cette condition et il doit être choisi avec soin. Bien que la forme préférée de réalisation de l'invention telle que décrite ci-dessus soit appliquée à un compresseur de fluide de réfrigération, il convient de noter qu'elle s'applique également à des détendeurs ou à des pompes du type à volute Il va de soi que de nom- breuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention - 14836 REVENDICATIONS 1 Appareil volumétrique du type à volute, caractérisé en ce qu'il comporte deux plaques sensible- ment parallèles ( 14, 15) sur les surfaces desquelles, tournées face à face, sont fixés des éléments ( 16,17) à spires en développante qui sont en prise suivant une relation angulaire fixe l'un avec l'autre, des surfaces de contact des plaques et des éléments à spires délimi- tant des poches de fluide, l'appareil comportant égale- ment un arbre ( 18) de commande monté de manière à pouvoir tourner autour de son axe longitudinal ( 38), cet arbre comportant, à une extrémité, un doigt ( 20) de manivelle déporté par rapport à l'axe longitudinal dudit arbre, une biellette oscillante ( 19) destinée à accoupler l'arbre de commande, avec une certaine souplesse radiale, à l'une ( 15) des deux plaques parallèles afin qu'une rotation de l'arbre de commande provoque un mouvement orbital de la spire en développante associée à ladite plaque ( 15) dans la spire en développante de l'autre plaque, ce qui provo- que un déplacement des poches de fluide entre une entrée et une sortie, et un élément flexible ( 25) en matière élastique reliant le doigt de manivelle de l'arbre de commande à une surface parallèle adjacente de la biellette oscillante, cet élément flexible étant rigide en traction, mais souple en flexion de manière que sa force de ressort tende à écarter légèrement l'un de l'autre les éléments à spires en développante lorsque l'arbre de commande ne tourne pas, de façon à réduire le couple d'entraînement demandé au démarrage de l'appareil à volute. 2 Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ladite plaque ( 15) comporte, sur sa face opposée à celle portant l'élément à spire en développante, un tourillon ( 42) d'entraînement qui est logé dans un alésage circulaire ( 40) de la biellette oscillante et qui présente un axe ( 39) parallèle, mais déporté, par rapport à l'axe longitudinal de l'arbre de commande. 3 Appareil selon la revendication 2, caracté- risé en ce que l'élément flexible est sensiblement plat et est monté de manière que sa surface soit comprise dans un plan qui est parallèle à l'axe longitudinal de l'arbre de commande. 4 Appareil selon la revendication 3, caracté- risé en ce que ledit plan est sensiblement perpendiculaire à un plan passant par l'axe du tourillon et par l'axe longitudinal de l'arbre de commande. 5 Appareil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'élément flexible est relié au doigt de manivelle de l'arbre de commande par un ou plusieurs bou- lons ( 35). 6 Appareil selon la revendication 5, caracté- risé en ce que l'élément flexible est logé dans une rai- nure ( 37) formée dans la biellette oscillante et est maintenu en place par un ou plusieurs boulons ( 36). 7 Appareil volumétrique du type à volute, caractérisé en ce qu'il comporte une première plaque extrême ( 15) sur une surface plane de laquelle est fixé un premier élément à spire en developpante ( 17) qui défi- nit des surfaces de flancs intérieure et extérieure for- mant une spirale autour d'un premier axe, une seconde plaque extrême ( 14) qui présente une surface plane sensi- blement parallèle à la surface plane de la première plaque extrême et vesà laquelle elle est tournée, un second élément à spire en développante ( 16) étant fixé à cette surface plane de la seconde plaque et ce second élément définissant également des surfaces intérieure et exté- rieure de flancs formant une spirale autour d'un second axe, les premier et second éléments à spires en dévelop- pante étant disposés en prise l'un avec l'autre, suivant une relation angulaire décalée afin que des poches de fluide étanches soient définies entre les surfaces de flancs intérieure et extérieure des premier et second éléments à spires en développante et les surfaces planes des plaques extrêmes, l'appareil comportant également un arbre ( 18) de commande monté de manière à pouvoir tourner autour d'un axe longitudinal ( 38) qui est sensiblement parallèle, mais déporté, par rapport aux premier et second axes des premier et second éléments à spires, l'ar- bre de commande comportant un doigt ( 20) de manivelle *décalé de son axe longitudinal et adjacent aux plaques extrêmes, une biellette oscillante ( 19) accouplant l'ar- bre de commande, avec une certaine souplesse radiale, à la première plaque extrême ( 15) afin qu'une rotation de l'arbre de commande provoque un mouvement orbital du pre- mier élément à spire en développante par rapport au second élément à spire en développante et à la plaque extrême afin que les points auxquels les surfaces des flancs des éléments à spires portent les unes contre les autres se déplacent sur des trajets en spirale, faisant varier ainsi la pression et le volume des poches de fluide pendant qu'elles se déplacent entre une entrée et une sortie, l'appareil comportant en outre un élément flexible ( 25) qui est réalisé en une matière élastique et relativement mince et qui relie le doigt de manivelle de l'arbre de commande à une surface adjacente de la biellette oscil- lante, le doigt de manivelle, l'élément flexible et la surface de la biellette oscillante étant parallèles a l'axe longitudinal de l'arbre de commande, et l'élément flexible étant rigide en traction, mais souple en flexion autour du doigt de manivelle afin que sa force de ressort tende à écarter légèrement l'un de l'autre les premier et second éléments à spires en développante lorsque l'arbre de commande ne tourne pas afin de réduire le couple d'en- trainement demandé au démarrage de l'appareil à volute. 8 Appareil selon la revendication 7, caracté- risé en ce que la première plaque extrême comporte un tourillon ( 42) d'entraînement opposé au premier élément à spire en volute, ce tourillon étant engagé dans un alé- sage circulaire ( 40) de la biellette oscillante, le tourillon et l'alésage possédant un axe ( 39) de rotation parallèle, mais déporté, par rapport à l'axe longitudinal ( 38) de l'arbre de commande, et l'alésage présentant une surface d'appui ( 41) qui permet à la biellette oscillante de tourner librement autour du tourillon. 9 Appareil selon la revendication 8, caracté- risé en ce que l'élément flexible comprend un ressort plat de forme sensiblement rectangulaire, qui s'étend du doigt de manivelle de l'arbre de commande jusqu'à la surface adjacente de la biellette oscillante, dans un plan sensi- blement parallèle à l'axe longitudinal de l'arbre de com- mande. Appareil selon la revendication 9, caracté- risé en ce que ledit plan est sensiblement perpendiculaire à un plan passant par l'axe du tourillon d'entraînement et par l'axe longitudinal de l'arbre de commande. 11 Appareil selon la revendication 7, caracté- risé en ce que l'élément flexible est logé dans une rai- nure ( 37) formée par la biellette oscillante et s'étend entravers d'un intervalle intermédiaire jusqu'à une sur- face aplatie du doigt de manivelle de l'arbre de commande. 12 Appareil selon la revendication 7, caracté-i risé en ce que l'élément flexible est relié au doigt de manivelle de l'arbre de commande et à la biellette oscil- lante par des boulons ( 35, 36).