Brevet FR2532370A1 — publié le 19840302

- La présente invention concerne une machine de refoulement de fluides qui comporte un corps de re- foulement formé par au moins une nervure en spirale et logé dans un carter ayant des parois en spirale de forme correspondant à celle de la dite nervure, le dit corps de refoulement décrivant un mouvement de refoulement en étant actionné par un mécanisme à manivelle et guidé sur un deuxième élément. Dans les machines de refoulement de ce genre connues, le processus de transport du fluide se dé- roule-dans un seul sens avec une faible vitesse re- lative du corps de refoulement, de sorte que l'emploi de ces machines en tant que compresseurs ou pompes à vide paraît intéressant là o il s'agit d'obtenir des rapports de compression élevés sans lubrification ou avec peu de lubrification. Toutefois, il faut pour cela, dans les zones de contact radial entre la nervure en spirale du corps de refoulement et la cavité de forme correspondante du carter, que les surfaces intéressées se développent avec précision l'une sur l'autre et que l'étanchéité entre elles soient parfaite, ceci afin d'éviter une usure rapide ainsi qu'un échauffement local aux con- tours spiroïdaux, un tel échauffement étant susceptible d'induire un soudage à froid et l'immobilisation du corps de refoulement. Etant donné que dans les machines de refoulement connues basées sur le principe de la spirale un déve- loppement précis du corps de refoulement doit s'effec- tuer par un mouvement circulaire de translation obte- nu par un mécanisme à manivelle double ou multiple, l'imprécision du guidage parallèle du corps de refou- lement (bielle) par rapport au carter (plan fixe de la bielle) constitue un grand problème Le mécanisme à manivelle double correspond à la chaîne cinématique à 4 points articulés (quadrilatère articulé) dans les positions de point mort duquel tous les organes et ar- 2 - ticulations se trouvent sur une droite, de sorte qu' il existe alors deux possibilités de mouvement et qu'aucun sens de rotation n'est plus imposé A cause de la présence d'organes présentant des tolérances de fabrication: bâti (carter), bielle (corps de refou- lement), manivelles oscillantes (manivelle), il s'éta- blit dans ces organes, aux positions de point mort, des efforts produisant des variations de longueur qui soumettent à de fortes contraintes les paliers et les matériaux; Des propositions ont déjà été faites pour résoudre ce problème; par exemple, on a proposé des moyens pour assurer une fabrication de haute précision, des mécanismes à manivelle réglables ou, comme décrit dans la demande de brevet d'invention DE -A 2 831 179, une suspension élastique du corps de refoulement afin de rendre possible un mouvement d'effacement qui admet dans certaines limites une imprécision du guidage pa- rallèle et de l'usinage des contours ainsi qu'une cer- taine déformation thermique, sans que cela ait une in- fluence sur le fonctionnement de la machine. Les propositions émises jusqu'à présent sont coû- teuses du fait des moyens techniques nécessaires pour les mettre en oeuvre La suspension élastique n'est pas applicable dans le cas de machines de refoulement tournant à grande vitesse et à sec munies d'un corps de refoulement formant une fente aux zones de contact du carter qui déterminent les chambres (corps de re- foulement tournant sans contact), car aux vitesses de rotation critiques (système masse-ressort) le corps de refoulement pourrait être amené à vibrer, ce qui causerait la destruction de la machine. Le problème auquel l'invention a apporté une so- lution était alors de concevoir une machine de refou- lement basée sur le principe de la spirale niais modi- fiée de telle sorte qu'elle puisse fonctionner à sec à vitesse élevée tout en évitant que les matériaux et les paliers ne subissent des contraintes dues à des tolérances de fabrication. La solution à laquelle les inventeurs sont parve- nus est caractérisée par le fait que le point d'arti- culation du corps de refoulement sur le mécanisme à manivelle se meut suivant une trajectoire circulaire fermée tandis que le point d'articulation sur le dit deuxième élément se meut suivant une trajectoire non fermée, ce deuxième élément pouvant se composer soit d'une manivelle oscillante qui est articulée d'une part au carter, d'autre part au corps de re- foulement et dont la longueur est supérieure à celle de la manivelle tournante, soit d'un guidage axial qui est monté à rotation dans le carter et qui coopère avec une tige de gui- dage disposée dans le carter et d'une fente de gui- dage disposée dans le corps-de refoulement, soit éventuellement d'une nervure disposée sur le corps de refoulement et d'une fente de guidage mé- nagée dans le carter. La nervure en spirale peut être disposée en porte-à- faux axial sur un disque qui présente un moyeu de montage du maneton de manivelle excentré et-qui, selon une forme d'exécution particulière de l'invention, se termine radialement avec la nervure en spirale, auquel cas alors la fente variable engendrée par le mouvement relatif entre le carter et le corps de refoulement est, par configuration du deuxième élément, minimisée sans contact, les fentes axiales étant limitées par des di- mensions appropriées et les fentes longitudinales par chevauchement de surfaces courbes du carter, de la manivelle oscillante et du corps de refoulement. Les avantages obtenus grâce à l'invention rési- dent dans le fait que la machine de refoulement est actionnée au moyen d'une manivelle sans que puissent naltre les contraintes auxquelles, auparavant, étaient soumis les matériaux et les paliers du fait des tolé- rances de fabrication Ainsi, il devient possible que 4 - les pièces qui composent la machine de refoulement soient fabriquées avec des tolérances qui rendent leur fabrication économique, qu'elles aient des di- mensions plus petites et que la machine ait, dans son ensemble, une plus longue durée de service la né- cessité, dans les machines connues, d'équiper le mécanisme de commande d'éléments faisant office de volants d'inertie ou de roues intermédiaires ou de courroies pour accoupler les manivelles, n'existe plus dans la machine selon l'invention, car dans celle-ci le corps de refoulement est me suivant le principe de la manivelle oscillante ou manivelle de poussée dont le mouvement est impose. Les formes de commande qui font usage d'une mani- velle oscillante et d'une manivelle de I sont connues dans les machines à piston rotatif, mais l'application de ces formes aux machines de refoulement selon le prin- cipe de la spirale est nouvelle Ces formes de comman- de motrice permettent, par comparaison aux dispositions connues, de réaliser une construction plus ramassée, c'est-à-dire que la manivelle disposée hors de l'évi- dement du carter déterminé par la trajectoire est, dans la machine selon l'invention, remplacée par un simple palier articulé, ce qui fait que le diamètre peut être réduit d'au moins le double de la longueur de la manivelle et, en liaison avec un disque qui est porté par le corps du moyeu et qui se termine radiale- ment avec la nervure en spirale, également de deux fois la longueur de la manivelle, ce qui a été rendu possible par la fonction d'étanchéité du dit deuxième élément avec le point d'articulation pour le corps de refoulement. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront dans la description d'exemples d'exécution faite ci-après avec référence au dessin; sur ce dernier la figure 1 schématise un principe de commande - motrice d'un type de construction connu, les figures 2 à 4 schématisent des principes de commande motrice selon l'invention, la figure 5 est-une vue en coupe transversale du corps de refoulement et des parois de carter cor- respondantes d'une machine de refoulement selon l'in- vention, la figure 6 est une vue en coupe longitudinale de la machine de refoulement selon la fig 5, la figure 7 est une vue éclatée de l'articula- tion au deuxième élément constitué par une manivelle oscillante, les figures 8 à 10 illustrent d'autres formes d'exécution du dit deuxième élément. On voit à la fig 1 du dessin le schéma de prin- cipe d'une commande motrice connue d'une machine de refoulement selon le principe de la spirale, mettant en oeuvre une chaîne cinématique quadrilatérale (ma- nivelle double) composée d'un bâti 1 (carter), d'une bielle 2 (corps de refoulement) et du mécanisme de commande par manivelle 3, avec lequel peut 9 tre exé- cuté un mouvement de translation circulaire du corps de refoulement. La fig 2 illustre un système de commande motrice conforme à l'invention avec une chaîne cinématique quadrilatérale comportant une manivelle 3 décrivant des rotations complètes et une manivelle oscillante 4 décrivant des mouvements oscillants suivant une ligne non fermée. La fig 3 montre un système de commande motrice conforme à l'invention, avec une chaîne cinématique à manivelle de poussée 3 et un glisseur 5 qui décrit un mouvement rectiligne, la tige de guidage 6 de ce glisseur étant disposée sur le bâti 1, le glisseur 5 sur la bielle 2. La fig 4 montre la disposition inverse de celle selon la fig 3, la tige de guidage 6 étant disposée sur la bielle 2 et le glisseur 5 sur le bâti 1. Les conditions imposées au mécanisme de commande motrice conforme à l'invention qui actionne le corps de refoulement peuvent être satisfaites par tous les systèmes selon les fig 2, 3 et 4. Une machine de refoulement conforme à l'invention est représentée aux fig 5 et 6, respectivement en coupe transversale et en coupe longitudinale Cette machine de refoulement comporte un carter composé de deux demi-carters 7 et 8 Le demi-carter 7 est conçu pour servir de palier à un arbre de manivelle 9 muni d'éléments d'équilibrage 10, 11 et d'une poulie à gorge 12 Ces éléments 10, 11 assurent l'équilibrage sta- tiaue ou également dynamique de la machine Le mane- ton excentré 13 de l'arbrede manivelle 9 est monté dans le moyeu 14 d'un corps de refoulement 15 Ce moyeu est, de même qu'une nervure en spirale 17, disposé en porte-à-faux axial des deux c 8 tés d'un disque 16. Le demi-carter 8 présente en son milieu dans la - direction axiale une tubulure 18 de raccordement à un appareil de consommation Une deuxième tubulure de raccordement 19 pour l'amenée ou l'évacuation pénètre tangentiellement au diamètre extérieur du carter et est formée par les deux demi-carters 7, 8 Dans la région de la tubulure de raccordement 19 est montée, sur un axe fixe 20 reenu dans les demicarters 7, 8, une manivelle oscillante 21 sur laquelle est articulé le corps de refoulement 15 au moyen d'une chape 22 et d'une goupille 23; la chape 22 est disposée hors de la nervure en spirale 17 considérée dans le sens radial. Si l'arbre de manivelle 9 est mis en rotation, le corps de refoulement 15 se meut, au point d'arti- *culation sur le maneton 13, suivant une trajectoire circulaire fermée et, au point d'articulation sur la manivelle oscillante 21, suivant une ligne non fermée. De ce fait, la nervure en spirale 17 qui fait plus d'un tour complet décrit un mouvement relatif de gran- 6 - deur localement variable dont l'enveloppante formant un carter en spirale 25 est entourée par des évidements et des parois des demi-carters 7, 8, de sorte qu'il existe en permanence entre la nervure en spirale 17 du corps de refoulement 15 et la spirale 25 du cafter au moins deux plages radiales de contact linéaire 26, 27 entre lesquelles se forment des es Daces creux 28 en forme de croissants dans lesquels un fluide peut être véhiculé unidirectionnellement par suite du mouvement décrit ci-dessus Etant donné qu'à chaque tour du ma- neton il s'établit temporairement deux plages de contact 26, 27 entre les surfacées intérieure et extérieure de la nervure en spirale 17 et celles de la spirale de carter , il se forme des espaces creux intérieur et exté- rieur 28, de sorte que pendant chaque révolution le fluide se trouve transporté en continu. Le disque 16 présente des ouvertures de passage 36- disposées de telle sorte que pendant la révolution elles ne se trouvent jamais, dans le sens radial, au-delà de l'espace intérieur formé par la nervure 29 de la spirale du carter. Etant donné qu'il existe dans le champ de cette nervure 29 une solution de continuité axiale 30 pour recevoir sans contact le disque 16 du corps de refoule- ment 15, il faut que la fente longitudinale qui varie en fonction du mouvement soit rendue étanche entre le carter et le disque 16 dans la région entre le début 44 et la fin 45 de la spirale, sinon il y aurait commu- nication, par l'intermédiaire de cette fente, entre l'espace creux 28 qui refoule et celui qui aspire. Cette étanchéité ne serait pas-nécessaire au cas o le disque-16 s'étendrait radialement au-delà de la nervure en spirale 17 au moins sur la distance qui se- rait nécessaire pour, dans toute position du corps de refoulement 15, chevaucher l'espace creux 28 du carter, car dans ce cas l'étanchéité serait assurée par les fentes axiales minimisées entre le disque 16 et le 7 - carter Ceci impliquerait toutefois un agrandissement considérable du corps de refoulement 15 et du carter. Dans la forme d'exécution décrite et illustrée l'étan- chéité est assurée en donnant à la manivelle oscillante 21, aux demicarters 7, 8 dans la région de la tubulure de raccordement 19 et au corps de refoulement 15 dans le champ de la chape de palier 22 une configuration adaptée à la formation de fentes minimisées; en d'autres termes, toutes les fentes longitudinales sont minimi- sées par la formation de surfaces courbes se chevauchant, ce qui fait que toutes les fentes axiales, étant cons- tantes, sont déterminées par des dimensions. Ce qui vient d'être exposé conduit à munir la manivelle oscillante 21 d'un appendice en forme de crochet 31 qui pénètre partiellement dans l'évidement du carter. Les endroits énumérés ci-après présentent une fente longitudinale minimisée par formation d'une surface in- curvée: les parois longitudinales 33, 34 de la percée 37 qui, en regard de l'appendice 31 de la manivelle oscillante 21, sont exécutées radiales par rap- port au palier de cette manivelle; l'oeillet de palier 24 de la manivelle oscillante 21 en regard de la nervure en spirale de refoule- ment 17, et la région du disque 16 dans la fente-35 en regard de l'oeillet de palier 24. La fig 7 montre, par une représentation éclatée, les parties suivantes de la-machine de refoulement: les demi-carters 7, 8 vus en arraché, avec les bossages 32 pour les alésages de palier 38 pour l'axe 20 et la percée 37 pour l'appendice 31 de la manivelle oscillante; l'axe 20; la manivelle oscillante 21 avec la fente 35 et les rayons de courbure correspondants 46 à 50 pour la minimalisation de la fente longitudinale; 8 - 9 _ 2532370 le corps de refoulement 15 avec la chape de palier 22; la région du disque 16 qui, dans la zone entre le début 44 et la fin 45 de la spirale, est in- troduite dans la fente 35; et la goupille 23. La fig 8 illustre une exécution du deuxième élé- ment selon le principe de commande motrice schématisé la fig 4 Dans cet élément un palier concave 39 as- sure le guidage axial dans la spirale 25 du carter, et une tige de guidage 40 est solidaire du corps de refou- lement 15 Cette disposition pourrait d'ailleurs être inversée, le palier concave 39 étant alors solidaire du corps de refoulement 15 et la tire de guidage 40 dans la spirale 25 du carter, la minimalisation de la fente longitudinale étant obtenue par un rayon 51 sur la spi- rale 25 du carter et, sur le corps de refoulement 15, par une surface 41 parallèle à la tige de guidage 40. La fig 9 montre, dans une variante dexécution de la disposition selon la fig 8, uniquement le gui- dage du corps de refoulement 15 dans une fente de gui- dage 42 dans la spirale 25 du carter et une nervure 43 s'étendant axialement de part et d'autre du disque 16 et qui, pour la minimalisation de la fente longitudi- nale, a une forme concave des deux côtés. Dans la variante d'exécution selon la fig 10, le corps de refoulement 15 présente une fente de guidage 52 à surfaces parallèles qui, par une tige de guidage disposée en direction axiale dans-le carter, guide ce corps Dans cette région le disque 16 comporte également un contour concave pour la minimalisation de la fente longitudinale par rapport à la spirale 25 du barter. D'autres formes d'exécution basées sur les prin- cipes de commande motrice selon les fig 2 à 4 sont bien entendu concevables; elles ne peuvent être toutes détaillées ici. 1 ^ 2532370 La machine de refoulement conforme à l'invention comporte un corps de refoulement 15 qui, en ce qui concerne la formation d'espaces creux, tourne sans contact et dont les fentes sont déterminées par des dimensions des pièces qui la composent Il est en outre tout à fait possible, pour minimiser encore plus les fentes, de faire usage de pâtes de glissement, de revêtements de matière synthétique, etc. Cette machine de refoulement peut opérer dans l'une ou l'autre direction; il suffit pour cela de choisir le sens de rotation convenable ou de modifier son raccordement Elle peut être mise en oeuvre pour véhiculer aussi bien des gaz-que des liquides ou encore des mélanges gaz+liauide. il - REVENDICATIONS 1 Mlachine de refoulement de fluides comportant un corps de refoulement formé par au moins une nervure en spirale et logé dans un carter ayant des parois en spirale de forme correspondant à celle de la dite ner- vure, le dit corps de refoulement décrivant dans ce carter un mouvement de refoulement en étant commandé par un mécanisme à manivelle et guidé sur un deuxième élément, cette machine de refoulement étant remarquable en ce que le point d'articulation du corps de refoulement ( 15) sur le mécanisme à manivelle se meut suivant une trajectoire circulaire fermée tandis que le point d'ar- ticulation sur le deuxième élément ( 4, 5, 6) se meut suivant une trajectoire non fermée. 2 Machine de refoulement selon la revendication 1, remarquable en ce que le deuxième élément ( 4) se com- pose d'une manivelle oscillante ( 21) articulée sur le carter ( 7,8) et sur le corps de refoulement ( 15) et dont la longueur excède celle de la manivelle ( 3). 3 Machine de refoulement selon la revendication 1, remarquable en ce que le deuxième élément ( 5) se compose d'un guidage axial ( 39) qui est monté à rotation dans lé carter ( 7, 8) et qui coopère avec une tige de gui- dage ( 40) disposée dans le corps de refoulement ( 15)o 4 Machine de refoulement selon la revendication 19 remarquable en ce que le deuxième élément ( 5) se compose d'une tige de guidage ( 40) disposée dans le carter ( 7,8) et d'une fente de guidage ( 52) disposée dans le corps de refoulement ( 15). Machine de refoulement selon la revendication 1, remarquable en ce que le deuxième élément ( 6) se compose d'une nervure ( 43) disposée sur le corps de refoulement ( 15) et d'une fente de guidage ( 42)-ménagée dans le carter ( 7, 8). 6 Machine de refoulement selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, remarquable en ce que la 12 - nervure en spirale ( 17) est disposée en porte-à-faux axial sur un disque ( 16) présentant un moyeu ( 14) de montage du maneton de manivelle excentré ( 13). 7 Machine de refoulement selon la revendication 6, remarquable en ce que le disque ( 16) se termine ra- dialement avec la nervure en spirale ( 17). 8 Machine de refoulement selon la-revendication 7, remarquable en ce que la fente variable engendrée par le mouvement relatif entre le carter ( 7, 8) et le corps de refoulement ( 15) est, par configuration du deuxibma élément ( 4, 5, 6), minimisée sans contact. 9 Machine de refoulement selon les revendications 2 et 8 ensemble, remarquable en ce que les fentes axia- les sont limitées par des dimensions appropriées et les fentes longitudinales par chevoa uchement de sur- faces courbes du carter ( 7, 8), de la manivelle oscil- lante ( 21) et du corps de refoulement ( 15).