Brevet FR2541367A1 — publié le 19840824

Il est connu de réaliser des compresseurs, pompes ou machines d'expansion suivant notamment le brevet français 1 331 998 comportant une vis cylindrique munie de filets coopérant avec un ou de préférence deux pignons symétriques dont les dents balayent les filets et forment avec ceux-ci des chambres de compression ou de détente. Dans ces machines volumétriques, le rendement dépend de façon importante de la façon dont est assurée l'étanchéité de la vis à l'extrémité au contact de la haute pressionet ceci particulièrement dans les compresseurs qui ne bénéficient pas d'une injection d'huile auxiliaire destinée à réaliser cette étanchéité et dont l'intérêt économique est précisément la suppression de cette injection d'huile et des servitudes associées Il se trouve en effet que cette extrémité haute pression est pour la presque totalité du pourtour de la vis au contact avec du gaz sous pression et que cette zone est donc l'une des plus longues lignes de fuite de la machine. Pour préciser les ordres de grandeur, avec des vis de diamètre 140 à 240 tu Ta correspondant à des volumes-balayés de l'ordre de 2500 à 14000 litres par minute à une vitesse de rotation de l'ordre de 3000 tours par minute, il est usuel de réaliser des jeux à l'extrémité haute pression de la vis de l'ordre de 0,1 à 0,15 millimètres et d'obtenir des fuites par ce jeu inférieures à 1 % du volume balayé lorsque le compresseur est muni d'une injection d'huile et comprimu de l'air de O à 7 bars. Lorsqu'on opère au contraire sans injection d'huile, par exemple en compri- mant du frigorigène R 22 et en injectant du frigorigène liquide dans la chambre de compression pour éliminer la chaleur de compression,-les jeux précédents en- traînent des fuites supérieures à 5 % du débit Pour les rendre acceptables et de l'ordre ou inférieures à 1 %, il faut parvenir à réaliser en fonctionnement des jeux inférieurs à 30 microns et de préférence de l'ordre de 10 à 15 microns. L'on-a representé sur la figure 1 un dispositif d'étanchéité conforme au brevet 1 331 998 et permettant d'obtenir un jeu de l'ordre de 0,1 à 0,15 min. On voit sur la figure 1 une coupe par l'axe de la vis et par le plan des pignons d'un compresseur, pompe ou machine de détente connus, notamment par le brevet français 1 331 998 et constitués d'une vis 1 munie de filets 2 tour- nant autour d'un axe 3 à l'intérieur d'un carter 4 et engrenant avec deux pi- gnons symétriques tel que 5 munis de dents 6 Le carter comporte un orifice basse pression 7 et un orifice haute pression 8 figuré en pointillé car si- tué sur le demi carter supérieur qui a été enlevé disposé au voisinage de chaque pignon. 2 2541367 La vis est supportée par un arbre 9 tournant dans des paliers et 11 respectivement disposés du côté basse pression - aspiration dans le cas d'un compresseur et haute pression refoulement dans le cas d'un compresseur -. Les paliers sont normalement centrés dans l'alésage 12 du carter. Comme décrit dans le brevet 1 331 998 la vis comporte au-delà de la zone des filets qui se terminent au niveau de la ligne pointillé 14, une zone pleine 13 qui assure l'étanchéité entre l'extrémité des filets et le volume , lui-même mis en communication avec l'aspiration 16 par des canaux tels aue 17. La partie pleine 13 peut être avantageusement munie d'un labyrinthe visible en 36 qui améliore l'étanchéité. Avec cette disposition il est toutefois difficile d'obtenir des jeux radiaux, entre le labyrinthe 36 et l'alésage 12, qui soient inférieurs au 1/10 de millimètre L'on peut éliminer la plupart des excentricités du labyrinthe 36 par rapport à l'axe du palier 11, en usinant ensemble le labyrinthe 36 et la portée 17, sur l'arbre 9, des roulements 18, c'est-àdire, sans démonter de la broche d'usinage; également en montant les roulements 18 serrés sur leurs cages intérieures et extérieures Mais il est difficile, sans usinage coûteux d'éliminer un jeu de montage entre le palier Il et l'alésage 12 et ce jeu, de l'ordre au moins du dixième de millimètre en raison de la taille des pièces en présence, entraîne un excentrage qui peut être du même ordre. On a représenté sur la figure 2 une vue en coupe schématique semblable à la figure 1 d'une disposition conforme au brevet britannique 1 548 390. bans cette disposition l'étanchéité est assurée par une partie circulaire et plate 19 solidaire du palier 11 qui peut être éventuellement munie d'un labyrinthe L'étanchéité haute pression est donc assurée entre cette partie 19 et l'extrémité 20 de la vis. Cette solution présente divers avantages: elle élimine les problèmes de concentricité présentés par la solution de la figure 1; elle permet l'utilisation de dispositifs de règlage de capacité du compresseur par glissières tels que décrits dans le brevet britannique 1 555 329; enfin l'on peut règler le jeu entre la face 20 et le labyrinthe 19 à volonté, au moment de l'assemblage Le principal inconvénient de cette disposition est que, pour obtenir une étanchéité acceptable la zone de contact entre les faces 19 et 20 doit se prolonger assez loin vers le centre de la vis et qu'il en résulte une poussée axiale inacceptable pour les roulements puisqu'il y a pression entre les faces 19 et 20 notamment dans les compresseurs frigorifiques dont les pressions de refoulement atteignent couramment 15 à 25 bars. 3 - La présente invention a pour objet un perfectionnement aux machines volumétriques du type comportant une vis cylindrique munie de filets tournant à l'intérieur d'un carter fixe et 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 comgortant un arbre tournent dans au moins un palier, ce palier étant disposé dans le carter du càté de l'orifice haute pression, ce perfectionnement étant caractérisé en ce que ledit palier porte un anneau cylindrique dans un métal différent de celui de la vis et a plus haut coefficient de dilatation, en ce que ledit anneau comporte un alésage enveloppant avec un jeu très faible une protubérance cylindric prolongeant la vis au-delà de la zone de la vis comportant des filets. Cette solution permet en effet d'obtenir de façon simple Ies jeux souhait( sans les inconvénients des solutions précitées. En effet cet anneau peut être réalisé par une bague montée sur le palier et parfaitement concentrique avec celui-ci et donc avec le contour extéri E de la vis Mais étant en outre d'un métal différent et d'us métal à plus fort coefficient de dilatation que la vis, toute possibilité de grippage est pratiquement éie'mne d'une part par la différence de métal, d'autre part parce que en cas de début de grippage, la bague s'expanse plus vite que la vis Dans le cas o la bague porte un labyrinthe, un filetage par exemple, ceci permet un ajustage extrêamement fin En outre, cette disposit permet de réduire à des valeurs faib Ies, voire même d'annuler toute pouss axiale sur la vis - Dans une disposition préférentielle permettant en outre:l'utilisation de glissières; le diamètre extérieur dudit anneau est légerement inférieur au diamètre de l'alésage du carter o turne la vis et la vis ponte & son extrémité haute pression après la xmone des filets un évidement circulaire rempli par L'anneau. Dans cette disposition il subsit une poussée axiale cair l bague a une étanchéité frontale du type déc= 2 & propos de la figure Z mais cette poussée peut être réduite car l D bague peut être mince, l'essentiel de l'étanchéité ayant lieu de fait sur la partie-cylindrique. La présente invention sera maeur comprise à la lecture d la description ci-après et du dessin annexé, donés à titre d'exemples non limitatifs et o la figure 3 est une coupe simplifiée similaire à celle des figures 1 et d'une disposition préférentielle de l'invention, la figure 4 est une coupe presentant une variante de la figure 3. 4 - On voit sur la figure 3 que le palier 11 porte une bague 21; cette bague peut être assemblée sur le palier par tout procédé tel que pressage, montage à chaud de façon à être sans jeu au niveau de l'alésage 22. Cette bague comporte préférentiellement un labyrinthe 32 formé par exemple par un filetage, le diamètre intérieur 23 des sommets du filetage présentant au moment du montage un jeu très faible ou même un peu de serrage par rapport à-une protubérance cylindrique 34 de la vis. L'extrémité 19 a est assemblée avec un jeu faible par rapport à la face a de l'évidement pratiqué sur la vis. On remarquera que le diamètre 24 est plus petit que l'alésage 12 du carter, le jeu diamétral pouvant atteindre un à deux dizièmes (de milli- mètre) et que la bague est dans un métal différent de la vis et à coefficient de dilatation plus élevé, par exemple de l'aluminium si la vis est en fonte. L'on laisse un jeu petit mais suffisant pour qu'il n'y ait pas contact entre les faces 19 a et 20 a (qui peuvent d'ailleurs comporter l'une ou l'autre une spirale pour limiter les risques de grippage en cas de contact accidentel) Si le labyrinthe 32 touche la protubérance 34, la bague s'expanse plus vite que la vis, le jeu ménagé entre le diamètre 24 et l'alésage 12 permettant cette expansion et le début de grippage est alors arrêté Le jeu entre le diamètre 24 et l'alésage 12, bien qu'im- portant, n'a aucun effet pratique sur le rendement du compresseur car le gaz sous pression ne peut trouver aucune issue axiale; il peut seulement tourner autour de la bague pour s'échapper vers les filets de la vis o la pression est moindre mais la section de cette fente circulaire reste faible et les trajets à parcourir par le gaz dans cette fente sont très longs et cette-fuite est donc négligeable. L'on remarquera que cette disposition permet, comme dans la disposition décrite figure 2, l'utilisation de glissières conformes au brevet britannique 1 555 329 mais qu'à la différence de ce brevet la poussée axiale peut être très faible car la bague peut être mince, l'étanchéité entre les faces 19 a et 20 a n'ayant qu'une incidence analogue au jeu entre le diamètre-extérieur 24 et l'alésage 12, l'essentiel de l'étanchéité étant en fait assuré entre l'alésage 23 et la protubérance cylindrique 34. L'on remarquera enfin que cet alésage 23 et cette protubérance 34 peuvent être parfaitement concentrique, à la précision de concentricité des roulements près, dans la mesure o la zone de serrage 22 peut, sur la bague, être usinée en même temps rue l'alésage 23, et sur le palier 11, en même temps que l'alésage 25 qui centre les roulements. 2541367 L'on a représenté figure 4 une disposition d'effet similaire à celle de la figure 3 à ceci près que cette disposition ne permet plus l'utilisation de glissières conformes au brevet britannique 1 555 329 mais supprime par contre toute poussée axiale Dans cette disposition, la bague est montée avec un jeu faible, axialement, entre les faces 19 b de la bague et 26 du carter Elle est montée avec un jeu très réduit, voire même un serrage, avec le diamètre 27 extérieur de la vis qui,lui, présente un jeu important de l'ordre du dixième ou même plus avec l'alésage 12 du carter. L'on notera que les dispositions précédentes décrites avec des vis cylindriques coopérant avec des pignons plans peuvent être appliquées, sans changer l'invention, à des vis cylindriques, conformes au brevet français 1 586 832. L'on notera également que si la machine a été décrite avec deux paliers 10 et Il situés de part et d'autre de la vis, il est bien entendu possible de n'avoir qu'un palier 11, la vis étant alors tenue en porte à faux. L'on notera enfin qu'on a présenté l'anneau 21 comme étant une bague rapportée sur le palier 11; ce peut être le cas si le carter, la vis et le palier sont tous en fonte Mais l'anneau peut être partie inté- grante du palier, si par exemple celui-ci de par les conditions de fonctionnement peut être dans un métal différent de la vis, et de plus for coefficient de dilatation, par exemple, être tout en aluminium. REVENDICATIONS 1 Perfectionnement aux machines volumétriques du type comportant une vis cylindrique munie de filets tournant à l'intérieur d'un carter fixe et 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 comportant un arbre tournant dans au moins un palier, ce palier étant disposé dans le carter du côté de l'orifice haute pression, ce perfectionnement étant caractérisé en ce que ledit palier porte un anneau cylindrique dans un métal différent de celui de la vis et à plus haut coefficient de dilatation, en ce que ledit anneau comporte un alésage enveloppant avec un jeu très faible une protubérance cylin- drique prolongeant la vis au-delà de la zone de la vis comportant des filets. 2 Perfectionnement suivant la revendication 1 et caractérisé en outre en ce que la vis comporte à son extrémité haute pression un évidement formant dans le prolongement de la vis une protubérance cylindrique, que ledit évidement est rempli par l'anneau cylindrique du palier, que le diamètre extérieur de cet anneau présente un léger jeu avec l'alésage du carter o tourne la vis.