Brevet FR2538860A1 — publié le 19840706

La présente invention concerne les pompes de type volumétrique. Elle permet l'aspiration et le refoulement de liquides ou de fluides compressibles. Elle peut être construite en version compresseur, et en version moteur à combustion externe à fluide sous pression. Dans les pompes volumétriques et compresseurs à piston, l'utilisation courante de clapets, soupapes, membranes, joints... sont autant de causes d'usure et de pannes. Dans les moteurs à combustion externe - telle la machine à vapeurle tiroir de distribution et l'excentrique qui le commande sont des pièces volumineuses rendues inutiles dans la présente invention. Cette pompe (ou compresseur selon l'invention) ne comporte qu'une partie mobile : le piston actionné par un bras. Une fente le long du piston et la cotbinaison de ses mouvements alternatifs et semi-rotatifs, grâce à- un système automatique, remplacent soupapes et clapets. En version machine à vapeur ou hydraulique à double effet, selon l'invention, ce système remplace le tiroir de distribution et l'excentrique. A ce titre des dessins sont joints la planche 1 présente dans une variante simple une vue schématique en perspective du corps de la machine et du piston, fig. 1, et deux coupes schématiques du fonctionnement. La première coupe fig. 2, montre la position du piston creux 2 , en fin d'aspiration, et la deuxième, fig. 3, montre la position du piston en fin de refoulement. La planche 2 présente dans une variante doublée, deux vues schématiques en perspective du corps de la machine à double effet et du piston, fig. 4. Et deux coupes schématiques avec le même principe de fonctionnement, mais dont le rendement est doublé, fig. 5 et 6, car à chaque course du piston, l'aspiration et le refoulement se font silmutanément, dans le cas d'une pompe ou d'un compresseur. Cette invention devient machine à vapeur à double effet en envoyant de la vapeur en 11. Sur la planche 3, le principe de fonctionnement est le mê mais avec deux pistons à simple effet en lignes, fig. 7 et 8 en La planche 4 présente en plans et/perspectives transparentes, le corps de pompe 1 avec un système automatique sur le piston, constitué d'une gorge 6. Cette gorge permet, grâce à la bille 10, le guidage et la semi-rotation d'un quart de tour du piston sur son axe en fin de chacune de ses courses. Sur les figures 9 et I0, la découpr particulière de la fente 5, 5a et 5b permet l'aspiration, le refoulement, l'ouverture et la fermeture des lumières. La planche 5 présente en perspective transparente le piston doublé fig. 14, pour le cas d'une machine à double effet. Sur la figure 15, le piston doublé est en-place pendant sa course montante dans le corps de pompe ou cylindre. Sur la figure 16, il est en fin de course montante. Dans la version machine à simple effet, la planche 1 permet de comprendre le principe de fonctionnement de l'invention. Pour une pompe ou compresseur, fi g. 2, en remontant le piston 2, la fente 5 se glisse devant la lumière d'admission 3 et aspire. Pendant ce temps, la lumière 4 est fermée. En fin de course, le piston doit tourner sur son axe d'un demi-tour pour positionner la fente 5 devant la lumière 4, fig. 3. Un demi-tour est une valeur donnée à titre d'exemple pour la facilité de la compréhension dans les schémas de principe. Mais un quart de tour est suffisant grâce à un système auto matique présenté planche 4. Ensuite, fig. 3, en descendant, le piston creux refoule en 4 grâce à la fente 5 qui glisse devant, pendant que la lumière 3 est fermée. Il faudra un autre demi-tour au piston ou quart de tour dans l'autre sens pour repositionner la fente 5 devant la lumière 3 pour une nouvelle aspiration. En machine à double effet, planche 2, le corps de la machine et le piston sont doublés en opposition. En version pompe ou compresseur, lorsque le piston remonte, sa partie creuse inférieure aspire par la lumière d'admission 3 devant laquelle glisse la fente 5, pendant que la lumière 4 est fer mée. Simultanément, le contenu de la partie supérieure creu se du piston est refoulé par la lumière 4', grâce à la fente 5' qui glisse devant, pendant que la lumière 3' est fermée. En fin de course montante, le piston tourne sur son axe d'un demi-tour, fig. 6, et positionne la fente 5 devant la lumière 4, et la fente 5' devant la lumière 3'. Pendant ce temps, les lumières 3 et 4' sont fermées. En descendant, le piston aspire en 3' et 5', et refoule en 5 et 4. En version moteur à combustion externe ou moteur hydraulique, dans le cas des planches 2 et 3, il suffit d'envoyer une pression sous forme de vapeur dans le tuyau d'admission Il. Pour la planche 2, machine à double effet, fig. 5, la pression de la vapeur admise en 3 et 5, pousse le piston vers le haut, et la vapeur contenue dans la partie supérieure creuse du piston s'échappe en 5' et 4' pendant que les lumières 4 et 3t sont fermées. En tournant sur son axe en fin de course montante, fig. 6, le piston positionne la fente 5 devant 4, et la fente 5' devant 3' tout en fermant les lumières 3 et 4'. La pression de la vapeur admise en 3' et 5' poussera le piston vers le bas pendant que la vapeur précédemment admise en bas du piston s'échappera en 5 et 4.Les mouvements alternatifs du piston sont transformés en mouvements rotatifs, grâce à une bielle sur rotule et un vilebrequin. Toujours en version moteur.à combustion externe - ou moteur hydraulique - pour la planche 3, il s'agit d'une machine à vapeur à deux pistons dont chacun est à simple effet. Fig. 7, la vapeur envoyée dans le tuyau Il et passant par la lumière 3 et la fente 5 provoque la montée du piston de gauche 2, pendant que le vilebrequin fait descendre le piston de droite 2', lequel refoule la vapeur par 5' et 4'. Pendant ce temps, les lumières .4 et 3' sont fermées. En bout de course, les deux pistons tournent simultanément sur leurs axes fermant la lumière d'admission 3 pour le piston de gauche 2, et la lumière 4' pour le piston de droite 2'. Après ce positionnement, fig. 8, la vapeur admise par la lumière 3' etla fente 5' provoque la montée du piston de droite 2', pendant que le vilebrequin pousse le piston de gauche 2 vers le bas.L'échappement s'effectue par la lumière 4 et la fente 5. Les manivelles du vilebrequin représentées à 1800sur les fig. 7 et 8, peuvent être disposées à 45o. Dans ce cas, les deux pistons tournent alternativement sur leurs axes. La planche 4 montre le système de guidage du piston qui fait décrire à celui-ci des mouvements semi-rotatifs qui, dans l'exemple illustré sont d'un quart de tour sur son axe, à chaque fin de course. Ce système de guidage est commun aux versions pompe, compresseur et moteur. Sur les figures 9 et 10, la partie supérieure du corps de pompe-l, figure en pointillé pour montrer en place le piston en position haute. La fig. 11 montre la section creuse de la gorge 6 qui peut être semi-circulaire, pour épouser-la forme de la moitié de la bille 10. La forme du circuit de la gorge 6 est celle d'un parallélogramme dont les deux angles ouverts sont arrondis pour réduire les contraintes mécaniques provoquées par le déplacement de la gorge 6 sur la bille. Les extrémités des petits côtés du parallélogramme qui rejoignent les angles fermés sont arrondies en sens inverse et se terminent en prolongeant les grands côtés du parallélogramme, en 9 et 9'. Cela par sécurité pour empêcher les chocs sur la bille 10, à chaque fin de course du piston. Aux angles fermés du parallélogramme, sur les bords intérieurs.de la gorge 6, les enlèvements en biseaux 8 et 8' sont également des sécurités pour que le piston reprenne bien son mouvement rectiligne après chaque fin de course. A chaque mouvement alternatif du piston, fig. 10, 11, 12 et 13, la gorge 6 glisse sur la bille 10 dont la position est fixe par rapport au cylindre, mais libre en rotation dans son emplacement. La forme inférieure du circuit de la gorge 6 autour de 7 oblige le piston en fin de course montante, à tourner sur son axe d'un quart de tour dans le sens anti-horaire. En fin de course descendante, le piston tourne d'un quart de tour dans le sens horaire. Les fig. 9 et 10 montrent la forme géométrique de découpe et des fentes 5, 5a/5b, qui sont communes aux versions pompe, compresseur et moteur. Cette découpe est constituée d'une fente longitudinale 5. -Sa longueur correspond à la course du piston. Avant la fin de chacune de ses extrémités, un embranchement bifurque en s 1y écartant. Deux fourches sont ainsi formées dont les embranchements 5a et 5b sont diamétralement opposés et symétriques. Les angles formés par caque embranchement par rapport à la fente longitudinale 5, correspondent à ceux des angles de la forme en parallélogramme de la gorge 6. La largeur des fentes 5, 5a, 5b correspond au diamètre des lumières 3 et 4. Dans les versions pompe et compresseur, les fentes 5, 5a et 5b permettent l'aspiration par une lumière et le refoulement par l'autre. Lorsque le piston monte, la fente 5 glisse devant la lumière d'aspiration 3, pendant que la lumière 4 est fermée. En fin de course montante commandé par la forme inférieure de la gorge 6, fig. 10 et 11, le piston tourne sur son axe d'un quart de tour dans le sens anti-horaire et la fente 5a glisse devant la lumière 3. Finalement, fig. 9 et 10 la partie inférieure de la fente 5 se positionne devant la lumière 4 de refoulement. Mais la longueur de la fente 5a doit être suffisamment courte pour assurer une bonne fermeture de la lumière 3. Ensuite, le piston redescend et la fente 5 glisse devant la lumière 4 pour le refoulement pendant que la lumière 3 est fermée.En fin de course descendante, le piston, grâce à la forme de la partie supérieure de la gorge 6, tourne dans le sens horaire, et c'est la fente 5b qui glisse devant 4. Finalement, la partie supérieure de la fente 5 se positionne devant la lumière 3, pour une nouvelle aspire ration, pendant que la lumière de refoulement 4 est fermée. Dans la version machine à vapeur à simple effet (planche 3, fig. 7 et 8), cette même forme géométrique de découpe a les mêmes fonctions avec admission par la lumière 3 et l'échappement par la lumière 4. Mais un système automatique de guidage est nécessaire sur chaque piston ainsi qutune bille dans chaque cylindre. La planche 5 présente un système à double effet, utilisa -ble pour une pompe, compresseur, machine à vapeur et moteur hydraulique. En version machine à vapeur à double effet, la pression de la vapeur fait mouvoir alternativement le piston. Fig. 14, le piston double est représenté seul en perspective transparente, avec, visible sur une face, le système automatique de semi-rotation du piston 6, 7, 8, 8', 9 et 9', ainsi que la forme géométrique de découpe 5', 5'a et 5'b de la partie supérieure du piston 2'. Celle de la partie inférieure du piston : 5, 5a et 5b se trouvant sur la face cachée est représentée en pointillé. Fig. 15, la pression introduite en 11 et passant par la lumière 3 et la fente 5, remplit la partie creuse inférieure du piston et le fait monter. Les lumières 4 et 3' sont fermées pendant que 4' ouvert laisse ê- chapper la pression contenue dans la partie supérieure du piston, grâce à la fente 5'. En fin de course montante du pis ton, la partie inférieure de la gorge 6 l'oblige à tourner d'un quart de tour dans le sens anti-horaire, grâce à la bille 10 qui reste fixe.Pendant ce temps, la fente 5'a glisse d' e'chappment devant la 'ierhe lumière/4 et la fente 5a, devant la lumière dtad- mission 3. Finalement, fig. 16, la partie inférieure de la fente 5' se positionne devant la lumière d'admission 3' et la partie inférieure de la fente 5, devant la lumière d'échappement 4. En même temps, les lumières 4' et 3 sont fermées. Ainsi, la pression nouvellement admise par la lumière 3' s'exercera dans la partie creuse supérieure du piston pour le faire descendre, pendant que la lumière 4, ouverte, permet l'échappement de la pression précédemment admise dans la par creuse tieinférieure du piston. En fin de course descendante du piston, la partie supérieure de la gorge 6 obligera le piston à tourner d'un quart de tour dans le sens horaire, etc. Ce système, par la réduction du nombre de pièces permet de réduire le coût de fabrication des pompes, compresseurs et moteurs tout en augmentant leur fiabilité. L'invention telle que décrite, n'est pas limitative. Il en est ainsi de l'angle de semi-rotation du piston qui peut être compris entre 300 et 1800. puant au système automatique de guidage du piston, il peut être placé dans le corps de la machine 1. Dans ce cas, la bille 10 est solidaire du piston 2. Des applications particulièrement intéressantes peuvent se trouver dans le pompage des eaux souterraines par éolienne, grâce à la pompe à double effet, planches 2 et 5. Application également en pompe à huile. En version moteur, des applications se trouvent là où est utilisée la vapeur pour la fabrication ou le chauffage, et se trouveraient, en cas de retour à la vapeur pour la locomotion de véhicules. Application également intéressante pour les gros engins de travaux, en utilisant l'invention comme moteur hydraulique. REVENDICATIONS 1. Machine volumétrique telle que : pompe, compresseur, moteur à fluide à simple ou double effet, du type comportant au moins un piston se déplaçant dans un cylindre, suivant un mouvement alternatif. Elle est caractérisée en ce que le dit piston est creux, monté libre en rotation sur son axe, et associé à un système d'entrainement en semi-rotation. Le piston étant pourvu d'une fente longitudinale venant en vis-à-vis des lumières (3) et (4) du cylindre. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée par un système de guidage automatique du piston, constitué sur lui-même d'une gorge (6) en circuit fermé, qui glisse sur une bille fixe (10) à l'intérieur du corps de la machine. Ce système de guidage du piston commande, lorsque ce dernier est en mouvement, les semi-rotations sur son axe. 3. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la fente (5) du piston (2) comporte, disposée vers chacune des extrémités de son ouverture longitudinale, une découpe (5a et gb) formant deux embranchements en "y". Cette ouverture longitudinale avec ses deux découpes en "y" permettent d'après leurs déplacements devant les lumières (3) et (4), l'aspiration et le refoulement, l'ouverture et la fermeture des lumières, dans le cas d'une machine à simple effet. 4. Machine selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le piston est un double piston creux (2 et 2') en forme de cylindre fermé dans la zone centrale. 5. Machine selon les revendications 3 et 4, caractérisée en ce que le piston double -comporte une deuxième ouverture longitudinale (5t) et deux embranchements en"y"(5'a et 5'b) pour le cas d'une machine à double effet.