Brevet FR2557645A1 — publié le 19850705

La présente invention se rapporte à une pompe rotative à haute pression et faible débit, dans laquelle la partie tournante et la partie fixe ne sont pas en contact. Les pompes conçues pour pomper de petits volumes de liquide sous une pression élevée sont en général du type positif, puisque les pompes centrifuges pour ce type de caractéristiques nécessitent de très grandes vitesses circonférentielles, avec leurs effets de cavitation inhérents, ou bien sont obligatoirement des pompes multiétagées qui sont chères, difficiles à nettoyer et sujettes aux pannes. Les pompes positives pour hautes pressions et faibles débits sont soit des pompes alternatives, par exemple à piston, à plongeur ou à membrane, soit des pompes rotatives à déplacement dont il existe divers modèles. Les principaux inconvénients des pompes alternatives résident dans la nécessité de clapets d'entrée et de sortie et dans l'usure inévitable des parties mobiles en contact de frottement.D'autre part, les pompes à déplacement fonctionnent en général sans avoir besoin de clapets, mais la fuite entre les zones à haute pression et les zones à basse pression est habituellement élevée, de sorte qu'elles ne conviennent pas pour de tortes différences de pression. Un inconvénient commun à toutes les pompes comportant des parties mobiles dont les surfaces sont en contact réside dans le risque d'entrée des particules abrasées dans le fluide. Ceci doit être évité dans toutes les pompes utilisées en chirurgie, par exemple les pompes à sang, et dans celles qui sont utilisées dans des laboratores et usines chimiques ainsi que dans l'industrie ali dentaire, où la pureté des produits doit être maintenue. La présente invention a donc pour objet une pompe à moyenne et forte pression et de débit relativement petit, dans laquelle les parties tournantes et les parties fixes lle sont pas en contact. Elle a également pour objet une pompe de ce type, qui est de conception simple et de faible coût. Elle vise également une pompe de ce type, qui est facile à démonter et à nettoyer. Suivant l'invention, la pompe comprend un corps ou enveloppe fixe comportant un premier et un deuxième orifices, servant respectivement d'entrée de fluide et de sortie de fluide. Un rotor est logé en rotation dans le corps et il comporte une surface lisse, de préférence plane, qui fait face à une surface de stator solidaire du corps, ces deux surfaces étant séparées par un petit intervalle ayant au moins deux largeurs différentes. La surface de stator présente une nervure à sommet plat, en surélévation au-dessus de la partie environnante sensiblement plane du stator, la nervure ayant la forme d'une courbe fermée qui entoure l'un des deux orifices, le deuxième orifice étant situé dans le corps à l'extérieur de la nervure. Dans ce qui suit, l'expression "à l'intérieur" désigne la zone et le volume entourés par la nervure, entre le rotor et le stator, tandis que l'expres- sion "à l'extérieur" désigne toutes les autres parties du corps, à l'exception du dit "intérieur". Lorsque le rotor tourne à une vitesse de rotation prédéterminée, sa surface se déplace devant chaque point de la nervure du stator à une vitesse proportionnelle à la distance de ce point au centre de rotation du rotor et elle croise la nervure, de l'extérieur vers l'intérieur ou inversement, suivant un angle déterminé par la configuration de la courbe. Suivant l'invention, la configuration de la courbe est telle qu'une tangente en un point quelconque de la courbe forme un angle aigu, positif ou négatif, avec le vecteur de vitesse du rotor en ce point.Afin d'obtenir un flux de fluide sous pression, de l'intérieur vers l'extérieur de la nervure, l'intervalle entre le sommet de la nervure et la surface du rotor est d'une largeur minimale à tous les points de la courbe où le vecteur de vitesse du rotor est dirigé de l'extérieur vers l'intérieur, tandis que 1' intervalle est d'une largeur prédéterminée plus grande à tous les points de la courbe où le vecteur de vitesse du rotor est dirigé de l'intérieur vers l'extérieur. Par inversion du sens de rotation du rotor, on obtient un flux de fluide,dans des conditions identiques de pression et de volume, de l'extérieur vers l'intérieur de la nervure, c'est-à-dire que le fluide est aspiré dans la pompe par l'orifice situé à l'extérieur de la nervure et refoulé par l'orifice situé à l'intérieur de la nervure, simulant un effet centripète. L'invention est basée sur le principe suivant. Un fluide dans un intervalle de largeur h, entre une surface fixe et une surface mobile, est entraîné par la surface mobile dans le sens du vecteur de vitesse v, le débit de fluide Q1 par unité de longueur étant exprimé, par l'é- quation (1) Q1 = v.h/2. Lorsque la surface mobile progresse d'une zone à basse pression à une zone à haute pression (P2 et P1 respectivement), il existe également un flux Q2 induit par la pression, en sens opposé, qui est exprimé par l'équation (2) h3 P1 - P2 Q2 = # 12. L L étant la longueur de l'intervalle dans la direction de la haute à la basse pression et ss étant la viscosité du fluide. Si on considère que la pompe suivant l'invention doit fonctionner comme une pompe aspirante, c'est-à-dire que le fluide doit être pompé de l'extérieur vers l'intérieur de la courbe définie par la nervure à sommet plat, en opposition à une différence de pression, une plus grande quancité de fluide doit donc être déplacée à travers la nervure sur toute sa longueur, vers l'intérieur, par le ro tor en mouvement, qu'il ne passe de fluide vers l'extérieur de la nervure du fait de la différence de pression. En tout point de la courbe, ces conditions sont exprimées par l'équation (3) 22 QT = v.h/2 - h3 h3.(P1 - P2)/12..L. Il est évident qu'd tous les points où le vecteur v est dirigé de l'intérieur à haute pression vers l'extérieur à basse pression, les deux membres de l'équation s'additionnent et on obtient un flux total vers l'extérieur. Afin de réduire à une valeur minimale ce flux vers l'extérieur, la largeur de l'intervalle à tous ces points est maintenue à une valeur minimale mécaniquement possible, par exemple h = 0,01 mm. Par contre, en tous les points où le vecteur v est dirigé de l'extérieur vers l'intérieur de la nervure, la différence entre le premier et le deuxième membres est positive puisque le flux entrant, représenté par le premier membre, est supérieur au flux sortant représenté par le deuxième membre, si le fluide doit être refoulé du côté de la haute pression. Pour cela, on donne à l'intervalle H en ces points une largeur supérieure à l'intervalle minimal. L'équation (3) montre que le vecteur de vitesse v doit être suffisamment grand et cette condition définit la vitesse de rotor nécessaire qui doit augmenter en proportion directe de la différence de pression, tous les autres paramètres étant inchangés. D'autres objets et avantages de l'invention apparaitront aux hommes de l'art à la lecture de la description de ses formes de réalisation, non limitatives, représentées sur les dessins annexés dans lesquels Fig. 1 est une coupe à travers une pompe centripète Fig. 2 est un graphique illustrant la géométrie de l'écoulement entre le rotor et le stator Fig. 3 est une coupe suivant la ligne A-A de la figure 2 Fig. 4 est une vue en plan d'une nervure de stator ayant la forme d'une courbe à axe de symétrie à cinq pointes ; et Fig. 5 est une vue en plan d'une nervure de stator ayant la forme d'une courbe à axe de symétrie à six lobes. La pompe représentée sur la figure 1 comprend une enveloppe ou corps de pompe 1, fermé par un couvercle avant 2, un rotor 3 solidaire d'un arbre 4 et deux roulements à billes 5 supportant l'arbre de rotor dans le corps. Le corps comporte une cavité cylindrique 10 et un orifice d'entrée 11 reliant la cavité à l'extérieur du corps. La partie arrière du corps est usinée pour définir une deuxième cavité cylindrique 12 dans laquelle sont logés les deus. roulements à billes 5 séparés l'un de l'autre par un man chon 6. Un couvercle arrière 7 ferme le logement des roulements à billes et il maintien un dispositif 8 de retenue d'huile autour de l'extrémte de lUarbre. La partie intérieure du couvercle avant, en face du rotor, est profilée de manière à constituer une surface circulaire de stator sous la forme d'une nervure surélevée 21 qui est excentrée par rapport à l'ase de l'arbre et qui est décrite plus loin en détail avec référence ati, figures 2 et 3.Le reste du couvercle avant est sensiblement plan et raccordé étron tement au corps par une pluralité de boulons 20. Le centre du couvercle est percé et taraudé pour constituer un orif i- ce de sortie 22. Le rotor 3 est sous la forme d'un disque plan présentant une surface frontale lisse,espacée du stator 21 par un petit intervalle. Le rotor constitue la partie avant de l'arbre 4 qui est usiné de manière à permettre le montage des deux roulements à billes. Ces derniers sont bloqués contre un épaulement 40 de l'arbre, au moyen d'un écrou plat 41 vissé sur une partie filetée 42 de l'arbre. L'extrémité arrière de l'arbre (coupée sur le dessin) est accouplée à un moteur électrique, par des moyens d'accouplement ou par un entraînement à courroie. La rotation du rotor oblige le liquide à passer dans l'espace entouré par la nervure surélevée, de sorte que le liquide'est aspiré dans la pompe, à travers l'orifice d'entrée 11, et refoulé hors de la pompe, à travers l'orifice de sortie 22. Le fonctionnement effectif de la pompe est expliqué ci-après, avec référence aux figures 2 et 3. Le rotor 3 est fixé à l'arbre 4 de la machine et il tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, comme indiqué par une flèche f. Il est séparé du stator 21 par un intervalle de largeur h sur une moitié de sa circonférence et de largeur H sur l'autre moitié. Le stator 21 se présente sous la forme d'une surface annulaire de rayon moyen R et de largeur L. L'axe du stator est excentré d'une distance e par rapport à l'axe du rotor, les centres du rotor et du stator étant situés sur une bissectrice A-A.Lorsqu'on regarde la moitié supérieure de la figure 2, c'est-à-dire la partie située au-dessus de la bissectrice A-A,et en particulier un point D sur le stator, il est clair que chaque point du rotor situé à un rayon R a une vitesse v,de l'intérieur vers l'extérieur de la surface de stator. Par suite, le fluide dans l'intervalle se déplace transversalement à la largeur du stator à une vitesse v r qui est la composante de la vitesse v dans la direction du rayon R du stator. On voit également qu'en tout point de la moitié supérieure, au-dessus de la bissectrice, il existe un vecteur de vitesse dirigé vers l'extérieur et qui décroît vers zéro lorsqu'on approche de la bissectrice. De même, dans la partie du graphique contenant un point D', au-dessous de la bissectrice, en tout point du rotor dans la moitié inférieure, le vecteur de vitesse v' est dirigé vers l'intérieur, c 'est-à-dire de l'extérieur vers l'intérieur de la surface de stator. On prévoit l'intervalle H,du côté situé au-dessus de la bissectrice, plus grand que l'intervalle h du côté situé au-dessous de la bissectrice, de sorte que le volume de fluide déplacé vers l'extérieur est plus grand que le volume déplacé vers l'intérieur, pour chaque paire de points correspondants situés symétriquement de part et d' autre de la bissectrice.Ceci peut être démontré analytiquement par examen de l'équation (1), le débit net vers l'extérieur,à deux points symétriques, induit par la vitesse du rotor, étant (3) dQ5 = dQ1 - dQ2 = 2.S .dR.t 2.(H-h)=1T.dR.v,.IH-h) ou,après intégration pour toute la circonférence du stator, (4) Q5 = w.e.R.(H - h) dans laquelle w est la vitesse de rotation du rotor. Dans le cas présent, le fluide doit être pompé de l'intérieur de la nervure surélevée, à une pression P2, vers l'extérieur1 à une pression P1. A l'arrêt, la différence de pression engendrerait un flux entrant de fluide, à travers les intervalles H et h, exprimé par i'équation (2) (5) Qp = Tr.R. (H3 + h3). (P1-P2)/12..L. Le débit sortant total est donc (6) Qt = Q -Q = w.e.R(H-h) -.R.(H3+h3).(P1-P2)/12..L. Afin d'obtenir le débit de pompage requis Qt pour une élévation de pression donnée (P1-P2), la valeur des éléments variables doit être choisie en conséquence. L'examen de l'équation (6) montre que les intervalles H et h doivent être très petits, en fait aussi petits qu'il est possible techniquement, mais que leur différence (H-h) doit être relativement grande. Le rayon de la nervure de stator R doit être aussi grand que le diamètre de rotor le permet et il en est de même pour la distance e entre les centres du rotor et du stator. L'équation montre également que la largeur L de la nervure doit être grande,mdis sans trop, de façon à maintenir à une valeur minimale les pertes par frottement hydraulique. Enfin, le volume pompé Qt augmente en propor tion directe de la vitesse du rotor, de sorte que pour une différence de pression requise élevée, la vitesse de rotation de la pompe doit être élevée proportionnellement. La description ci-dessus se réfère seulement à un mode de réalisation de l'invention comportant un rotor à surface lisse et une surface de stator en forme de courbe fermée. On obtient toutefois le même résultat si on inverse les fonctions de la partie tournante et de la partie fixe, puisque les effets décrits plus haut sont dûs aux vitesses relatives du stator et du rotor. Par conséquent, dans la variante de construction, le stator présente une surface plane et lisse tandis que le rotor comporte une nervure fermée surélevée. La description précédente et le graphique montrent que, par inversion du sens de rotation,la zone à haute pression se trouve à l'intérieur de la nervure de stator, tandis que la zone à basse pression est à l'extérieur de la nervure de stator. Par conséquent,le fluide est aspiré dans la pompe à travers l'orifice 11 et refoulé à l'extérieur à travers l'orifice 22 (voir la figure 1). Dans ce qui précède, on a décrit seulement une configuration de la surface de stator mais il est entendu que de nombreux autres types de courbes peuvent être utilisés pour le même résultat, la condition, conformément à l'invention, étant de présenter des parties alternées dans lesquelles des vecteurs de vitesse sont dirigés respectivement vers l'extérieur et l'intérieur de la courbe. La courbe n'est pas nécessairement symétrique par rapport à l'axe du rotor mais il est évident qu'une courbe symétrique engendre une charge symétrique du rotor, ce qui est avantageux pour l'équilibrage des parties tournantes. Des exemples de telles courbes sont illustrés par les figures 5 et 6. Au lieu de prévoir des largeurs uniformes d'inter valles H et h, le long d'un arc complet de la courbe fermée, la largeur peut augmenter et diminuer progressivement en fonction des variations de la composante v r du vecteur de vitesse (figure 2). Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Revendications 1. Pompe hydraulique rotative, permettant de transférer un fluide d'une zone à basse pression à une zone à haute pression, qui comprend un corps fixe /1) dans lequel peut tourner un rotor (3 > comportant une surface circulaire lisse, de préférence plane ; le corps présentant une surface de stator, qui sépare la zone à haute pression de la zone à basse pression, sous la forme d'une nervure (21) à sommet plat surélevée au-dessus de la surface environnante du corps, cette nervure ayant une configuration de courbe fermée, à faible distance en face de la surface de rotor, et étant continue en largeur et en hauteur et délimitant une région intérieure et une région extérieure, le corps comportant un premier orifice de fluide (22) situé à l'intérieur de la surface de stator (21) et un deuxième orifice de fluide (11) situé à l'extérieur de la surface de stator ; la surface de stator étant caractérisée en ce qu'une tangente en tout point de la courbe fermée forme un angle aigu, positif ou négatif, avec le vecteur de vitesse relative (v) passant par ce point, ou coincide avec lui, et en ce qu'à tous les points de la courbe où le vecteur (v) de vitesse relative est dirigé de la zone de haute pression vers la zone de basse pression la largeur (h) de l'intervalle entre les surfaces opposées est plus petite que la largeur (H) de l'intervalle aux points où le vecteur de vitesse est dirigé de la zone de basse pression vers la zone de haute pression. 2. Pompe suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la surface du rotor est lisse et plane. 3. Pompe suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la surface de stator présente une configuration de courbe circulaire de largeur constante (L), le centre de ce cercle étant situé à une distance (e) de l'axe de la surface de rotor, la surface de stator étant séparée de la surface de rotor par un intervalle étroit de largeur (h) en tout point situé d'un côté d'une ligne imaginaire (A-A) pas sant par les centres du rotor et du cercle, et par un intervalle plus grand de largeur (H) en tout point situé de l'autre côté de cette ligne imaginaire. 4. Pompe suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le rotor (3) est sous la forme d'un disque plat. 5. Pompe suivant la revendication 4, caractérisée en ce que le rotor est solidaire de l'arbre de pompe (4). 6. Pompe suivant la revendication 4, caractérisée en ce que le corps fixe (1) comporte une cavité (10) dans laquelle est enfermé le disque de rotor, un couvercle plat (2) servant à clore cette cavité, l'intérieur de ce couvercle étant profilé pour constituer la nervure surélevée (21). 7. Pompe suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface de stator présente une confIguration de courbe à axe de symétrie,com- portant une pluralité de lobes dirigés vers l'extérieur.