Brevet FR2574869A1 — publié le 19860620

Appareil de déplacement de fluide de type à spirale ". L'invention concerne un appareil de dépla- cement de fluide de type à spirale, et plus particulière- ment une construction de spirale anti-usure destinée à être utilisée dans un compresseur de fluide de type à spirale. Les appareils de déplacement de fluide de type à spirale sont bien connus de l'art antérieur. Par exemple le Brevet U.S.A nO 801 182 déposé par Creux décrit une construction de base d'un tel appareil, comprenant deux spirales munies chacune d'une plaque d'extrémité circulaire et d'un élément spiralé ou enroulé en spirale. Les spirales sont maintenues décalées angulairement et radialement de façon que les deux éléments de spirale s'em- boitent pour former un certain nombre de lignes de contact entre leurs surfaces courbes pour assurer ainsi l'étan- chéité et définir au moins une paire de chambres à fluide. Le mouvement orbital relatif des deux spirales déplace les lignes de contact le long des surfaces courbées en spirale, de façon que le volume des chambres à fluide augmente ou diminue suivant le sens du mouvement orbital. On peut ainsi utiliser l'appareil de déplacement de fluide pour comprimer, détendre ou pomper des fluides. Comparativement aux compresseurs classi- ques de type à piston, le compresseur de type à spirale présente un certain nombre d'avantages tels que notamment l'utilisation d'un plus petit nombre de pièces, et une compression continue du fluide. Cependant, l'un des pro- blèmes posés par les compresseurs de type à spirale est une mauvaise qualité d'étanchéité des chambres à fluide. Il faut conserver une bonne étanchéité axiale et radiale des chambres à fluide pour obtenir un bon rendement de fonctionnement. Les chambres à fluide sont définies par les lignes de contact entre les deux éléments de spirale qui s'emboîtent, et par les contacts axiaux entre la sur- face d'extrémité axiale d'un élément de spirale et la surface d'extrémité intérieure de la plaque d'extrémité venant en face. Différentes techniques ont été utilisées dans l'art antérieur pour résoudre le problème de l'étan- chéité et en particulier de l'étanchéité axiale. Dans le Brevet U.S.A nO 3 334 635, un élément d'étanchéité est monté sur la surface d'extrémité axiale de chaque élément de spirale et pousse celui-ci vers la face d'extrémité antagoniste de la plaque d'extrémité, par un dispositif de poussée destiné à produire une étanchéité axiale suf- fisante entre la surface d'extrémité axiale de l'élément de spirale et la surface d'extrémité antagoniste de la plaque d'extrémité. Cependant, dans le Brevet ci-dessus, l'élément d'étanchéité est poussé vers la face d'extrémité antagoniste de la plaque d'extrémité, par les moyens de poussée, pendant une période de temps longue, de sorte que des abrasions se produisent entre la surface d'extré- mité de l'élément d'étanchéité et la plaque d'extrémité de la spirale, en particulier lorsqu'on utilise des allia- ges légers, tels que des alliages d'aluminium comme maté- riaux de réalisation de la spirale. Lorsque la plaque d'extrémité s'use par abrasion, les éléments d'étanchéité sont également endommagés et le contact axial entre la surface d'extrémité de l'élément de spirale et la surface d'extrémité intérieure des plaques d'extrémité devient imparfait, ce qui diminue le rendement du compresseur. L'une des solutions apportées. aux inconvé- nients ci-dessus est décrite dans notre demande de brevet en cours n 587 871. Cette demande de Brevet décrit une construction de spirale antiusure comprenant une plaque anti-usure disposée sur une face d'extrémité de la pla- que d'extrémité de l'une au moins des spirales, de manière à venir en face de la surface d'extrémité axiale de l'élé- ment de spirale de l'autre spirale, pour empêcher-l'usure et maintenir l'étanchéité axiale. Comme indique sur la figure 1 représentant une coupe verticale d'un compresseur de fluide de type à spirale selon l'art antérieur, des plaques anti-usure 41' sont disposées sur une face d'extrémité axiale de chacune des plaques d'extrémité 271', 281' et un jeu axial est déterminé entre la surface d'extrémité axiale de chacun des éléments de spirale et la plaque anti-usure venant en face, par des cales. 113' disposées entre la plaque d'extrémité avant ll' et le boltier en forme de coupelle 12'. Mëme si l'on choisit convenablement au départ l'épais- seur des cales, le jeu axial entre la surface d'extrémité axiale de chaque élément d'étanchéité et la plaque anti- usure venant en face, peut varier. Comme chaque plaque d'extrémité est courbée par la variation de la pression qui agit, et comme le chemin de roulement de poussée et la bille de poussée finissent par se stabiliser sous l'effet de la compression continue de la charge de gaz, le joint étanche entre la surface d'extrémité axiale de l'élément d'étanchéité et la plaque anti-usure venant en face, se trouve perdu. De plus, l'élément de spirale, et en particulier la partie centrale de cet élément se dilate sous l'effet des variations thermiques du fluide comprimé. Dans ces cas là, pour résoudre le problème de l'étanchéité axiale, on peut facilement résoudre le problème de la courbure de la plaque d'extrémité et de la stabilisation du dispositif de couplage des billes, mais on ne peut résoudre facilement le problème des variations de longueur axiale de l'élément de spirale par suite de la variation thermique. Ainsi, l'étanchéité axiale entre l'élément d'étanchéité et la plaque anti-usure se perd facilement. De plus, dans le compresseur de fluide de type à spirale, l'emboîtement des éléments de spirale s'étend sur plusieurs zones de température, c'est-à-dire que plusieurs paires de chambres à fluide étanches, pour chacune desquelles la température et la pression sont différentes, sont définies par les éléments de spirale emboîtés, de sorte que la partie centrale de chacun des éléments de spirale se situe généralement dans une zone à haute température et à haute pression. Par suite, dans la partie centrale des éléments de spirale, la variation du jeu axial sous l'effet des variations thermiques, doit être réduite au minimum pour maintenir une étanchéité axiale effective. Cependant, si le jeu axial entre l'élé- ment d'étanchéité et la plaque anti-usure est défini de manière à réduire au minimum le jeu dans l'état initial, la partie centrale des deux éléments de spirale vient fortement en contact contre la plaque anti-usure antago- niste. Il en résulte une usure anormale de l'élément de spirale et une force excessive appliquée sur la partie de base de chacun des éléments de spirale. Pour remédier aux inconvénients ci-dessus, l'invention a pour principal but de créer un appareil de déplacement de fluide de type à spirale permettant d'ob- tenir une étanchéité axiale suffisante, sous l'influence des variations thermiques des éléments de spirale. L'invention a également pour but de créer un appareil de déplacement de fluide de type à spirale empêchant l'usure anormale ou la détérioration de la spirale. L'invention a enfin pour but d'atteindre les résultats cu-dessus au moyen d'une construction sim- ple pouvant se fabriquer facilement et à bon marché. A cet effet, l'invention concerne un appareil de déplacement de fluide de type à spirale, com- prenant une paire de spirales munies chacune d'une plaque d'extrémité circulaire et d'un élément enroulé en spirale partant d'une surface d'extrémité axiale de cette plaque d'extrémité circulaire, cette paire de spirales étant maintenues décalées angulairement et radialement de façon que les deux éléments de spirale s'emboîtent pour former un certain nombre de lignes de contact entre leurs surfa- ces courbées en spirale, de manière à assurer l'étanchéité et à définir au moins une paire de chambres à fluide, un mécanisme d'entralnement relié en fonctionnement à l'une des spirales pour produire son mouvement orbital par rapport à l'autre spirale, et une plaque enroulée en spi- rale disposée sur une surface d'extrémité axiale de la plaque d'extrémité circulaire de l'une ou l'autre des spi- rales pour couvrir la zone de contact avec une surface d'extrémité axiale de l'enroulement de spirale venant en face, de manière à faire varier ainsi le volume des cham- bres à fluide, appareil caractérisé en ce que la plaque d'extrémité de la spirale sur laquelle est disposée la plaque enroulée en spirale, est munie d'une partie en creux dans sa partie centrale, de manière à définir un intervalle d'air axial entre une surface d'extrémité in- térieure de la plaque enroulée en spirale, et une surface de fond de la partie en creux. L'invention sera décrite en détail au moyen des dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe ver- ticale d'un compresseur de fluide de type à spirale selon l'art antérieur; - la figure 2 est une vue en coupe ver- ticale d'un compresseur de fluide de type à spirale selon une forme de réalisation de l'invention; - la figure 3(a) est une vue de face de la spirale fixe utilisée dans la figure 2; - la figure 3(b) est une vue en coupe ver- ticale de la spirale fixe de la figure 3(a); - la figure 4(a) est une vue de face d'une spirale fixe munie d'une plaque enroulée enspirale; et - la figure 4(b) est une vue en coupe ver- ticale de la spirale fixe de la figure 4(a). La figure 2 représente un compresseur de réfrigérant selon une forme de réalisation de l'invention, et en particulier un compresseur de réfrigérant de type à spirale. Le compresseur 1 comprend un carter de compres- seur 10 muni d'une plaque d'extrémité avant 11 et d'un bottier en forme de coupelle 12 fixé à une surface d'ex- trémité de la plaque d'extrémité avant 11. Une ouverture 111 est formée au centre de la plaque d'extrémité avant 11 pour permettre la pénétration ou le passage d'un arbre d'entraînement 13. Une projection annulaire 112 est for- mée dans une surface d'extrémité arrière de la plaque d'extrémité avant 11. La projection annulaire 112 vient en face du boltier en forme de coupelle 12 concentriquement avec l'ouverture 111. Une surface périphérique extérieure de la projection annulaire 112 pénètre dans une paroi intérieure de l'ouverture du bottier en forme de coupelle 12. Ainsi, l'ouverture du bottier en forme de coupelle 12 est recouverte par la plaque d'extrémité avant 11. Un joint torique 14 est monté entre la surface périphérique extérieure de la projection annulaire 112 et la paroi intérieure de l'ouverture du bottier en forme de coupelle 12, pour assurer l'étanchéité des surfaces correspondan- tes de la plaque d'extrémité avant 11 et du bottier en forme de coupelle 12. Un manchon annulaire 15 fait saillie sur la surface d'extrémité avant de la plaque d'extrémité avant 11, de manière à entourer l'arbre d'entraînement 13 et à définir une cavité d'étanchéité d'arbre. Dans la forme de réalisation de la figure 2, le manchon 15 est formé séparément de la plaque d'extrémité avant 11. Par suite, le manchon 15 est fixé à la face d'extrémité avant de la plaque d'extrémité avant 11 par des vis (non représentées). Un joint torique 16 est monté entre la surface d'extrémité du manchon 15 et la face d'extrémité avant de la plaque d'extrémité avant 11 pour assurer l'étanchéité des surfaces correspondantes de la plaque d'extrémité avant 11 et du manchon 15. En variante, le manchon 15 peut faire corps avec la plaque d'extrémité 11. L'arbre d'entralnement 13 est supporté en rotation par le manchon 15, par l'intermédiaire d'un palier de roulement 18 placé à l'intérieur de l'extrémité avant du manchon 15. L'arbre d'entraînement 13 comporte à son extrémité intérieure un disque 19 supporté en rota- tion par la plaque d'extrémité avant ll par l'intermédiai- re d'un palier de roulement 20 placé à l'intérieur de l'ouverture 111 de la plaque d'extrémité avant 11. L'en- semble d'étanchéité d'arbre 21 est couplé à l'arbre d'en- trainement 13 à l'intérieur de la cavité d'étanchéité d'arbre du manchon 15. La poulie 22 est supportée en rotation par le palier de roulement 23 monté sur la surface exté- rieure du manchon 15. La bobine électromagnétique 24 est fixée autour de la surface extérieure du manchon 15 par une plaque de support 25, et vient se loger dans une cavité annulaire de la poulie 22. La plaque d'armature 26 est montée élastiquement sur l'extrémité extérieure de l'ar- bre d'entraînement 13 partant du manchon 15. La poulie 22, la bobine magnétique 24 et la plaque d'armature 26 forment un embrayage magnétique. En cours de fonctionne- ment, l'arbre d'entrainement 13 est entraîne par une source de puissance extérieure constituée par exemple par le moteur d'une automobile, par l'intermédiaire d'un dispositif de transmission de rotation tel que l'embrayage magnétique décrit ci-dessus. Un certain nombre d'éléments sont logés dans la chambre intérieure du boltier en forme de cou- pelle 12, parmi lesquels la spirale fixe 27, la spirale orbitale 28, un mécanisme d'entraînement de la spirale orbitale 28 et un dispositif antirotation/-palier en butée 35 de la spirale orbitale 28. La chambre intérieure du boîtier en forme de coupelle 12 est formée entre la paroi intérieure du bottier en forme de coupelle 12 et la surface d'extrémité arrière de la-plaque d'extrémité avant 11. La spirale fixe 27 comprend une plaque d'extrémité circulaire 271, un élément spirale ou enroulé en spirale 272 se fixant ou faisant saillie sur une sur- face d'extrémité de la plaque d'extrémité 271, et des bossages filetés intérieurs 273 faisant saillie akialement sur l'autre surface d'extrémité de la plaque d'extrémité 271. Une face d'extrémité axiale de chacun des bossages 273 est scellée sur la face d'extrémité intérieure d'une partie de plaque de fond 121 du boîtier en forme de cou- pelle 12 et se fixe par des vis 37 se vissant dans les bossages 273 par l'extérieur-de la partie de plaque de fond 121. La spirale fixe 27 se trouve ainsi fixée à l'intérieur de la chambre intérieure du boîtier en forme de coupelle 12. La plaque d'extrémité circulaire 271 de la spirale fixe 27 sépare-la chambre intérieure du bol- tier en forme de coupelle 12, en une chambre avant 29 et une chambre arrière 30. L'anneau d'étanchéité 31 est placé dans une rainure circulaire de la plaque d'extrémité circulaire 271 pour former un joint étanche entre la paroi intérieure du boîtier en forme de coupelle 12 et la surface extérieure de la plaque d'extrémité circulaire 271. L'élément de spirale 272 de la spirale fixe 27 est logé dans la chambre avant 29. Le bottier en forme de coupelle 12 est muni d'un orifice d'entrée de fluide 36 et d'un orifice de sortie de fluide 37 reliés respectivement à la cham- bre arrière 29 et à la chambre avant 30. Un trou ou ori- fice de déchargement 274 est percé dans la plaque d'ex- trémité circulaire 271 dans une position voisine du cen- tre de l'élément de spirale 272. Une soupape à anche 38 ferme l'orifice de déchargement 274. La spirale orbitale 28 logée dans la chambre avant 29 comprend une plaque d'extrémité circu- laire 281 et un élément spiralé ou enroulé en spirale 282 se fixant ou faisant saillie sur une face d'extrémité de la plaque d'extrémité circulaire 281. Les éléments de spirale 272 et 282 s'emboîtent avec un décalage angulaire de 180 et un décalage radial prédéterminé. Les éléments de spirale 272 et 282 définissent au moins une paire de chambres à fluide étanches entre leurs surfaces d'emboîte- ment. La spirale orbitale 28 est supportée en rotation par le coussinet 33, par l'intermédiaire du palier de roulement 34 monté entre la surface périphérique extérieu- re du coussinet 33 et la surface intérieure d'un bossage annulaire 283 faisant saillie axialement sur la face d'extrémité de la plaque d'extrémité circulaire 281 de la spirale orbitale 28. Le coussinet 33 est relié à une extrémité intérieure du disque 19 en un point décalé radialement ou excentré par rapport à l'axe de l'arbre d'entraînement 13. Le dispositif anti-rotation/palier en butée 35 est placé autour de la surface périphérique extérieure du bossage 282, et entre la surface d'extré- mité intérieure de la plaque d'extrémité avant 11 et la surface d'extrémité de la plaque d'extrémité circulaire 281 venant en face de la surface d'extrémité intérieure i0 de la plaque d'extrémité avant 11. Le dispositif anti- rotation/palier en butée 35 comprend un anneau fixe 351 fixé à la surface d'extrémité intérieure de l'élément de plaque d'extrémité avant 11, un anneau orbital 352 fixé à la surface d'extrémité de la plaque d'extrémité circulaire 281, et un certain nombre d'éléments de sup- port tels que des billes 353 placés entre les chambres formées par les anneaux 351 et 352. La rotation de la spirale orbitale 28 pendant son mouvement orbital, est empêchée par l'interaction des billes 353 avec les anneaux 351, 352. La charge de poussée axiale produite par la spirale orbitale 28 est supportée par la plaque d'extré- mité avant 11 par l'intermédiaire des billes 353. Dans cette disposition, le fluide prove- nant du circuit de fluide extérieur est introduit dans les chambres à fluide du bloc de compresseur par l'ori- fice d'entrée 36. Les chambres à fluide sont constituées par les espaces ouverts formés entre les éléments de spi- rale 272 et 282. Lorsque la spirale orbitale 282 effectue son mouvement orbital, le fluide contenu dans les cham- bres à fluide se déplace vers le centre des éléments de spirale et se trouve comprimé. Le fluide comprimé prove- nant des chambres à fluide est déchargé dans la chambre arrière 30 par le trou de déchargement 274. Le fluide comprimé est ensuite déchargé dans le circuit de fluide extérieur par l'orifice de sortie 37. Comme indiqué sur les figures 2 et 3, les deux éléments de spirale 272, 282 comportent une rainure 275, 285 sur leur surface d'extrémité axiale, et un élé- ment d'étanchéité 40 est disposé dans les rainures pour former respectivement un joint d'étanchéité entre la surface d'extrémité de chaque plaque d'extrémité circulai- re 271, 281 et la surface d'extrémité axiale de chaque élément d'étanchéité 40. Une plaque enroulée en spirale 41, réalisée dans un matériau dur tel que de l'acier l1 trempé, s'adapte sur la surface d'extrémité des deux pla- ques d'extrémité circulaires 271, 281 pour réduire au minimum l'abrasion et l'usure des spirales. La partie centrale de chacune des plaques d'extrémité circulaires 271, 281 comporte une partie en-creux 42 représentée par la zone pointillée de la figure 3(a). Cette partie en creux 42 part de la partie centrale de la plaque d'extré- mité circulaire 271 pour atteindre une position arbitrai- re le long de la surface courbée en spirale. La partie en creux 42 peut être formée par une machine outil telle qu'une fraise, et sa profondeur "t" est facilement déter- minée par le processus d'usinage. Dans la disposition ci-dessus, lorsque la plaque enroulée en spirale 41 s'adapte sur la plaque d'extrémité circulaire 271 pour recouvrir la surface d'extrémité à l'endroit o la surface d'extrémité axiale de l'élément d'étanchéité 40 forme un contact glissant pendant le mouvement orbital de la spirale orbitale 28, un intervalle d'air axial est défini entre la surface d'extrémité intérieure de la plaque enroulée en spirale 41 et la surface de fond de la partie en creux 42, comme indiqué sur la figure 4(b). Par suite, les variations de longueur axiale de l'élément de spirale 282 provoquée par les variations de température de la partie centrale des éléments de spirale, sont absorbées par la déformation de la plaque enroulée en spirale 41. Cette déformation de la plaque 41, consistant par exemple en une courbure, est absorbée par la variation de l'intervalle d'air axial entre la partie en creux et la plaque enroulée en spirale. La profondeur "t" de la partie en creux 42 doit être déterminée par la dilatation maximum de l'élément de spirale pour permettre l'absorption des variations de longueur axiale de l'élément de spirale. Pendant le fonctionnement, la force de réaction provoquée par la déformation et agissant sur l'élément de spirale -12 venant en face, est si petite que la force agissant sur la partie de base de l'élément de spirale est réduite. De plus, l'intervalle d'air axial entre la surface d'ex- trémité intérieure de la plaque enroulée en spirale 41, et la surface de fond de la partie en creux 42, pourrait être complètement rempli par de l'huile de lubrification, car la profondeur "t" présente de petites dimensions. Cela permet de supprimer le phénomène de soufflage. Sur la figure 2, la plaque enroulée en spirale 41 est disposée sur les deux faces d'extrémité des plaques d'extrémité 271, 281, et la partie en creux 42 est formée sur les deux plaques d'extrémité 27I, 281. Cependant, la plaque enroulée en spirale 41 pourrait être disposée sur l'une ou l'autre des plaques d'extrémité, et la partie en creux pourrait être formée sur la plaque d'extrémité portant la plaque enroulée en spirale, pour tenir compte des objections attendues. 257486,9 R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Appareil de déplacement de fluide de type à spirale, comprenant une paire de spirales munies chacune d'une plaque d'extrémité circulaire et d'un élé- ment enroulé en spirale partant d'une surface d'extrémité axiale de cette plaque d'extrémité circulaire, cette paire de spirales étant maintenues décalées angulairement et radialement de façon que les deux éléments de spirale s'emboîtent pour former un certain nombre de lignes de contact entre leurs surfaces courbées en spirale, de manière à assurer l'étanchéité et à définir au moins une paire de chambres à fluide, un mécanisme d'entraînement relié en fonctionnement à l'une des spirales pour produi- re son mouvement orbital par rapport à l'autre spirale, et une plaque enroulée en spirale disposée sur une surfa- ce d'extrémité axiale de la plaque d'extrémité circulaire de l'une ou l'autre des spirales pour couvrir la zone de contact avec une surface d'extrémité axiale de l'enroule- ment de spirale venant en face, de manière à faire varier ainsi le volume des chambres à fluide, appareil caracté- risé en ce que la plaque d'extrémité de la spirale sur laquelle est disposée la plaque enroulée en spirale, est munie d'une partie en creux (42) dans sa partie centrale, de manière à définir un intervalle d'air axial entre une surface d'extrémité intérieure de la plaque enroulée en spirale (41), et une surface de fond de la partie en creux (42). 2 ) Appareil de déplacement de fluide de type à spirale selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux enroulements de spirale comportent une rainure (275, 285) sur une surface d'extrémité axiale, et en ce qu'un élément d'étanchéité est respectivement placé dans ces rainures. 3 ) Appareil de déplacement de fluide de type à spirale selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque enroulée en spirale est disposée sur les deux plaques d'extrémité, et en ce que la partie en creux est formée sur ces deux plaques d'extrémité. 4 ) Appareil de déplacement de fluide de type à spirale selon la revendication 1, comprenant un carter muni d'un orifice d'entrée de fluide et d'un ori- fice de sortie de fluide, une spirale fixe (27) montée de façon fixe à l'intérieur du carter et comportant une plaque d'extrémité circulaire (271) d'o part un premier enroulement de spirale, une spirale orbitale (28) compor- tant une plaque d'extrémité circulaire (281) d'o part un second enroulement de spirale, ce premier et second enroulement de spirale s'embolitant avec un décalage angu- laire et radial pour former un certain nombre de lignes de contact permettant de définir au moins une paire de cham- bres à fluide étanches, un mécanisme d'entrainement relié en fonctionnement à la spirale orbitale (28) pour produire le mouvement orbital de celle-ci, et un dispositif anti- rotation destiné à empêcher la rotation de la spirale orbitale pendant son mouvement orbital, de manière à modi- fier ainsi le volume des chambres à fluide, appareil caractérisé en ce qu'il comprend une plaque enroulée en spirale (28> sur l'une ou l'autre plaque d'extrémité de la spirale fixe (27) et de la spirale orbitale, pour couvrir la zone de contact avec une surface d'extrémité axiale de l'enroulement de spirale venant en face, et une partie en creux (42) formée au centre de la plaque d'extrémité sur laquelle est disposée la plaque enroulée en spirale, de manière à définir un intervalle d'air axial entre la surface intérieure de la plaque enroulée en spirale et la surface, venant en face, de la plaque d'extrémité. ) Appareil de déplacement de fluide de type à spirale selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque enroulée en spirale (28) est disposée sur les deux plaques d'extrémité e.t en ce que la partie en creux (42) est formée sur ces deux plaques d'extrémité.