Brevet FR2568949A1 — publié le 19860214

Mécanisme à manivelle pour machines à piston, en parti culier pour compresseurs à piston pour réfrigérant" L'invention est principalement utilisable pour les mécanismes à manivelle de compresseurs à piston hermétiques. Par ailleurs, cette invention convient pour les compresseurs à piston pour réfrigérant semi-hermétiques et ouverts, ainsi que pour tous les moteurs à piston et machines de travail à piston d'autres domaines d'utilisation, comme des pompes à liquide, des compresseurs d'air et de gaz, des moteurs à essence et des moteurs Diesel et autres semblables. On connait les mécanismes à piston comportant un ou plusieurs cylindres en dispositions en ligne, en V, en W ou en VV, en exécution en piston plongeur ou à crosse. Les bielles y sont disposées sur le maneton de la manivelle ou de l'arbre excentré par l'un des alésages, en général celui ayant le plus grand diamètre. L'autre alésage de la bielle, en général celui ayant le plus petit diamètre, est dirigé vers la crosse ou vers le piston qui court dans le cylindre. Dans la crosse ou dans le piston se trouve l'axe de piston pour réaliser la liaison avec la bielle. On connait également des dispositions à cylindres opposés (cylindres décalés de 1800 comptés sur la manivelle), à course de même sens ou de sens opposé, dans lesquelles chacun des deux pistons est entrainé par une bielle propre, dans le cas de la disposition à course de même sens, à partir d'un maneton commun; dans le cas de la disposition à course de sens opposé, à partir de deux manetons également décalés de 1300, compté sur la manivelle. On connait, en outre,des mécanismes à manivelle à coulisse, dans lesquels, sur le maneton de la manivelle est disposé un coulisseau qui court dans une coulisse solidarisée avec le piston et située transversalement par rapport à la direction de son mouvement et qui reprend ainsi l'entrainement provenant de la manivelle. On connait également l'exécution d'une machine mono-cylindre, dans laquelle le maneton d'une manivelle se loge dans l'alésage excentré d'un disque cylindrique, désigné comme came. Ce disque est disposé dans un alésage cylindrique du piston, à la place de l'axe de piston, et il transmet au mécanisme à piston le mouvement, produit par les manetons de l'arbre, de balancement latéral et, simultanément, de monte.et-baisse. La distance entre l'axe du disque et l'axe de l'alésage pour le maneton doit être un multiple du rayon de manivelle, de façon que le diamètre de la figure produite par le piston en dessous du guidage des segments par le cylindre dépasse sensiblement le diamètre du cylindre. Les compresseurs à piston de tous les types décrits présentent l'avantage de pouvoir, lorsqu'ils sont utilisés comme compresseurs de réfrigérant, travailler aussi bien dans des conditions de pression élevée qu'avec d'importantes différences de pression, sans que le rendement, imposé entre autres par les manques d'étanchéité, ne soit trop mauvais. Mais, c e type de piston dont la longueur minima de la bielle est quatre fois le rayon de la manivelle impose que l'ensemble bielle-piston-cylindre et culasse se trouve au-dessus de l'axe de la machine donné par la manivelle et que les dimensions extérieures de la machine, dans la zone des culasses, dépassent en partie notablement les dimensions que l'on a dans la zone du moteur.Ceci intervient de façon particulièrement défavorable dans le cas des compresseurs hermétiques, dans lesquels, dans le mode de construction habituel décrit, le diamètre de l'enceinte est déterminé par la zone du cylindre, tandis qu'il pourrait être en partie notablement plus faible dans la zone du moteur. Pour des raisons technologiques, on renonce généralement à un diamètre étagé de l'enceinte, de sorte que l'encombrement d'un compresseur de ce type est supérieur à ce qui correspond au volume enveloppe de tous ses composants. Très importantes sont les longueurs dans une direction qui se trouve à 900 de la direction décalée dans ce but, dans le cas de la disposition à cylindres opposés, alors que 1 ' on pourrait utiliser 1 'avantage des soupapes de travail décalées de lao0, comptés sur la manivelle, dans le cas de la disposition à deux cylindres à course de même sens, du fait que les périodes d'admission et d'échappement sont régulièrement réparties sur un tour. Les mécanismes à manivelle à coulisse réduisent certes un peu les dimensions du cylindre, du fait qu'il n'y a pas de longueur de bielle, nais, par suite des efforts angulaires exercés sur le piston, il faut un guidage de piston particulièrement long. De ce fait,on ne peut pas gagner en longueur de construction la totalité de la longueur de la bielle. En outre,les conditions de graissage et d'usure aussi bien dans le guidage du coulisseau par la coulisse que dans le guidage du piston par le cylindre sont plus difficiles à maitriser que dans l'exécution habituelle à bielle. Ce sont tous ces désavantages, soit de dimensions trop grandes en direction radiale, soit de conditions trop défavorables de graissage et d'usure, qu'évite la solution à entrainement à came oscillante, qui toutefois doit rester limitée aux machines mono-cylindre du fait que le diamètre de la came est inévitablement grand et du fait des dimensions plus importantes du piston dans la zone de la came imposées en conséquence. La longueur du piston dans le sens axial, dans la zone inférieure, apparait comme un autre désavantage pour la longueur hors-tout du compresseur mono-cylindre. Comme uniques solutions connues jusqu'ici pour la fabrication de compresseurs hermétiques, dans lesquels le diamètre de la partie compresseur n'est pas supérieur à celui de la partie moteur, on connait les différents types de compresseurs à piston rotatif et à palettes. Par contre,ces types de construction nécessitent des précisions de fabrication très élevées de tous les composants du mécanisme et du volume étanche.Du fait de la fente radiale ouverte existant dans les compresseurs à palettes, entre palettes et carter, et du fait des fentes axiales existant dans tous les types, fentes par lesquelles le gaz déjà comprimé peut refluer depuis le côté compression vers le côté admission, l'utilisation de ces types de compresseur reste limitée aux débits importants avec des valeurs de la pression et des différences de pression les plus faibles possibles, c'est-à-dire à l'utilisation dans les appareils de climatisation. Des solutions relatives à la technique du froid ne sont possibles avec ces types qu'avec des rendements beaucoup plus mauvais qu'avec les compresseurs à piston. L'objet de l'invention consiste à créer, pour un compresseur à piston, un mécanisme à manivelle qui autorise la même faible extension radiale de la partie cnlin- drique que dans le cas d mécanisme à came oscillante, et qui autorise donc une construction de compresseur hermétique dans laquelle le diamètre de la partie cylindrique n'est pas supérieur à celui de la partie moteur, pour pouvoir utiliser des enceintes cylindriques élancées, pour diminuer la dépense relative au matériau et pour réduire les dimensions du produit fini comme,par exemple,des appareils de climatisation et des groupes réfrigérants. L'invention a pour objet de réaliser un mécanisme à manivelle qui permette de concilier les avantages des variantes mentionnées de mécanisme, tout en évitant leurs désavantages, ce mécanisme à manivelle représentant en même temps une solution optimale au point de vue économie de matériau et technique de fabrication. Selon l'invention, cet objet est atteint par le moyen que la came oscillante de la solution qui se rapproche le plus de l'invention est remplacée par une bielle. I1 apparait alors une disposition dans laquelle la bielle, en partant du maneton de la manivelle, ne se dirige pas comme habituellement vers la portion du cylindre correspondant à la course du piston, en s'éloignant de l'axe de 12 manivelle, mais se dirige dans la direction opposée. Le piston, comportant un évidement correspondant au passage du maneton, est prolongé jusqu'à-peu-près l'extrémité de la bielle et présente,dans sa partie inférieure, l'axe de piston pour liaison avec la bielle.Lors du mouvement de rotation du maneton, la bielle entraine le piston par sa partie infé rieure,également conçue comme guidage, et, par 1 'intermé- diaire des entretoises de liaison avec la partie supérieure, qui court dans le cylindre avec les segments de piston, l'ensemble du piston se déplace de la même façon que dans le mode de construction traditionnel. La plus grande dimension radiale de l'ensemble y est à-peu-près réduite de la valeur de longueur de la bielle, puisqu'il est possible de prévoirque le maneton de la manivelle, en position supérieure, c'est-à-dire au point mort haut, se trouve à-peuprès à la position du tourillon de la construction habituelle de la bielle. Ce raccourcissement décisif de dimension entre l'axe de I-a manivelle et le bord supérieur du piston, dans la position correspondant au point mort haut, permet des solutions constructives telles que le groupe des soupapes et la culasse, disposés par dessus, se trouve généralement encore à l'intérieur du diamètre extérieur du moteur de l'ensemble hermétique, ou ne le dépasse que de peu. Du côté opposé, où se décale maintenant la 1 ongueur de la bielle, cette dimension peut être respectée du fait qu'il ne s'y trouve pas de soupape, ni de culasse. Les dimensions nécessaires imposées par la résistance pour le maneton et la bielle permettent d'avoir des pistons de diamètre homogène pour les machines dites à faible course, dans lesquelles la course atteint au maximum 1/3 à 1/2 du diamètre du cylindre. Si l'on veut réaliser des rapports course-alésage qui vont au-delà, il faut agrandir le diamètre du piston en.dessous du guidage dans le cylindre de façon que le maneton de la manivelle, avec le pied de bielle monté sur lui, puisse tourner librement à l'intérieur du piston. Dans la partie inférieure du piston, qui sert à recevoir l'axe de piston et la suite du guidage du piston, on peut abandonner à nouveau cet agran dissement du diamètre, ou bien on peut le conserver. D'autres variantes peuvent dérlver de cette solution de principe. Tout d'abord des compresseurs multi-cylindre en disposition en ligne sont possibles, principalement dans le cas de l'exécution avec le diamètre extérieur de piston homogène. La limite du nombre de cylindres est donnée par les conditions de résistance de la manivelle.-Sont possibles, par ailleurs, des compresseurs bicylindres à cylindres décalés de 900, dans lesquels les pistons se croisent dans la zone des évidements latéraux et se rapprochent donc plus tard que dans la disposition en ligne. Dans ce cas,les deux bielles tourillonnent sur un maneton commun.Une autre solution réside en l'exécution d'u., bicylindre de façon que la partie Inférieure du piston soit également fermée par une tête de piston et qu'il s'y trouve,en outre,un ensemble de soupapes et une culasse. I1 apparait alors un compresseur à pistons opposés à course de même sens dans lequel un seul côté, à savoir le côté de l'axe de piston, dépasse au-delà de la dimension du diamètre du moteur hermétique. On peut obtenir une exécution en 4 cylindres par combinaison de ces 2 variantes décrites en bicylindre. I1 apparait une autre possibilité si l'exécution avec le piston de diamètre agrandi est fermée de l'autre côté avec un axe de piston.A partir des deux cylindres, de diamètres différents, qui apparaissent de ce fait, on peut concevoir un compresseur biétagé dans lequel le cylindre de plus grand diamètre constitue le premier étage. Au lieu du maneton,on peut également utiliser l'excentrique d'un arbre excentré. L'arbre excentré, qui présente une portée des deux côtés du piston, ce qui est particulièrement approprié dans le cas de la disposition de 2 pistons, doit alors être assemblé lors du montage (arbre dit-"bâti"). On va maintenant expliquer en détail l'in vention sur les exemples d'exécutiono Dans les dessins joints: a figure l représente un mécanisme ?' manivelle mono-cylindre, à diamètre de piston non modifié, en vue de devant sur la face frontale; .la figure 2 représente une coupe de la représentation selon la figure 1; .la figure 3 représente un mécanisme à manivelle bicylindre pour l'exécution à pistons opposés à course de même sens, dans la représentation correspondant à celle de la figure 1; la figure 4 représente 2 pistons d'une machine bicylindre à 90" en V, selon figure 1 - représentée sans la manivelle,ni la bielle. La vue selon la figure 1 et la figure 2 représente un mécanisme à manivelle conforme à l'invention avec une manivelle 1, à l'extrémité de laquelle est usiné le maneton 2. La bielle 3 porte par un alésage sur le maneton 2 et sa direction va en s'éloignant de la tête de piston. Le deuxième alésage de la bielle est relié au piston 5 par l'intermédiaire de l'axe de piston 4. L'évidement 6 dans le piston sert au passage du maneton 2. La valeur de ltévi- dement 6 est définie par le cercle circonscrit au maneton 2, comme dimension minimale. La dimension du volume interne libre du piston se déduit de la courbe enveloppe du mouvement de la bielle. La partie supérieure du guidage du piston doit au moins garantir la course du piston 5 sans que le segment de piston 7 ne sorte du guidage. La figure 3, qui correspond à la vue de la figure 1, représente un piston 5 pour le cas où, du fait d'un rapport course-alésage plus grand, il n'est plus possible de loger le volume libre 6, pour la traversée du maneton 2, dans un piston de diamètre homogène.Alors il faut, en dessous du diamètre défini par le cylindre, agrandir le diamètre du piston 5, sur la longueur de guidage donnée par la course, jusqu la cote nécessaire. Sur la figure 3,on peut, en outre,voir la solution dans laquelle la partie inférieure du piston est également fermée par une tête de piston, ce qui permet la disposition d'un deuxième cylindre. Ce deuxième cylindre peut travailler soit parallèlement au premier, soit comme premier étage d'un compresseur biétagé, si le plus petit cylindre sert de deuxième étage. La figure 4 représente comment il est possible de disposer deux pistons 1 et 2 d'un compresseur bicylindre l'un à côté de l'autre, faisant entre eux un angle de 90o. Le piston 1 y est représenté comme cela est nécessaire pour un compresseur à 4 cylindres,-ctest-à-dire avec la partie inférieure du piston fermée. Le mécanisme à manivelle avec la bielle dirigée côté opposé au cylindre de travail présente les avantages technico-économiques suivants: Dans toutes les variantes d'exécution décriteS les dimensions extérieures de la partie cylindre d'un compresseur sont plus petites que dans la disposition habituelle à bielle; dans le cas des compresseurs hermétiques, il en résulte la diminution du diamètre de l'enceinte, dans les autres constructions, il en résulte la diminution des dimensions du carter, avec l'utilisation plus faible de matière qui en résulte. L'exécution en bicylindre selon la figure 3 se contente d'une seule bielle, ce qui divise donc par deux le nombre de cette pièce d 'usure. Dans l'exé cuti con selon la figure 1, il appariait en outre l'avantage cinématique que le piston se rapproche plus lentement de la soupape de Tefoulement, ce qui réduit les pertes d'écoulemenL, généralement plus importantes que dans le cas de la soupape d'admission. REVENDICATIONS 10) Mécanisme à manivelle pour machines à pistons, en particulier pour compresseurs à piston pour réfrigérant, de type hermétique, caractérisé en ce que la bielle (3), reliée au moyen de l'axe de piston (4), est disposée, avec toute sa longueur dans le piston (5), dans la partie inférieure du piston (5), prolongé au-delà du volume étanche et muni d'évidements (6), l'un des alésages de la bielle étant sur le maneton (2) de la manivelle (1) et l'autre alésage étant dans la direction opposée à la tête de piston. 2O) Mécanisme à manivelle selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux pistons (5), avec leurs évidements (6), sont disposés l'un à côté de l'autre, décalés axialement de façon telle qu'il apparait une disposition de cylindres à 900 en V et que les bielles (3) des pistons (5) sont disposées sur un maneton (2) commun. 30) Mécanisme à manivelle selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie inférieure du piston (5) est également ferméeet pénètre dans un deuxième volume étanche. ABREGE DESCRIPTIF Mécanisme à manivelle pour machines à pistons, en particulier pour compresseurs à piston pour réfrigérant ". a) Mécanisme à manivelle pour machines à pistons, en particulier pour compresseurs à piston pour réfrigérant. b) caractérisé en ce que la bielle (3), reliée au moyen de l'axe de piston (4), est disposée avec toute sa longueur dans le piston (5), dans la partie inférieure du piston (5), prolongé au-delå du volume étanche et muni d' évidements (6) l'un des alésages de la bielle étant sur le maneton (2) de la manivelle (1) et l'autre alésage étant dans la direction opposée à la tête de piston. c) L'invention concerne un mécanisme à manivelle pour machines à pistons, en particulier pour compresseurs à pis- ton pour réfrigérant.