Brevet FR2617242A1 — publié le 19881230

COMPRESSEUR A RENDMENT AMEIJORE L'invention concerne un compresseur du type compresseur alternatif à plstons, tel qu'utilisé par exemple pour la réfrigération. L'invention concerne particulièrement des moyens pour améllorer le rendement volumétrique d'un tel compresseur en réduisant la valeur de "l'espace mort". On précise que l'espace mort est le volume résiduel entre un piston et la clapetterie d'un compresseur, lorsque le piston est au point mort haut, ainsi qu'il est davantage explique ci-après. En prenant pour exemple un compresseur hermétique comprenant, une enveloppe hermétique contenant un moteur électrique entraînant, par l'lntermédiaire d'un arbre, un dispositif de compression comportant notamment un cylindre dans lequel un piston est animé d'un mouvement alternatif selon un axe longitudinal du cylindre : une chambre de compression est formée dans le cylindre. Cette chambre est déterminée, d'une part, à une extrémité du cylindre, par une plaque porte-clapets portant des orifices et des clapets d'admission et de refoulement, et, d'autre part, quand le piston est écarté de la plaque porte-clapets, par la face du piston orientée vers cette plaque porte-clapets. Le déplacement cyclique du piston dans le cylindre, selon l'axe de ce dernier, détermine des variations du volume de la chambre. A chaque mouvement du piston qui tend à l'écarter de la plaque porte-clapets, un gaz est aspiré par dépression dans la chambre de compression, en passant par l'orifice d'admission tant que le clapet d'admission est ouvert, c'est-à-dire tant que le mouvement du piston tend à créer une dépression dans la chambre de compression, par rapport au volume situé en amont de l'orifice d'admission. Le clapet - d'admission est généralement constitué par une lame d'acier, montée sur la plaque porte-clapets du côté de la chambre de compression, et qui fléchit sous l'action de la dépression et laisse passer le gaz. Le clapet d'admission se referme à un moment proche de celui ou le piston engendre le plus grand volume possible dans la chambre de compression, en principe légèrement après que le mouvement du piston se soit inversé. Le mouvement du piston étant inversé, ce dernier se rapproche de la plaque porte-clapets : aussi, le volume de la chambre de compression décroît et le gaz prisonnier voit sa pression croître jusqu'à devenir supérieure à la pression qui existe dans l'espace situé en aval du clapet de refoulement par suite, le clapet de refoulement s'ouvre et laisse sortir le gaz de la chambre de compression. Le clapet de refoulement qui est souvent formé d'une simple lame d'acier montée sur la plaque porte-clapets à l'opposé de la chambre de compression, fléchit et laisse sortir le gaz de la chambre de compression. Le gaz est ainsi refoulé jusqu'au moment où le piston arrive au plus près de la plaque porte-clapets, c'est-à-dire à une position appelée "point mort haut" à partir de laquelle le sens du mouvement du piston s'inverse à nouveau. La course du piston est limitée pour que ce dernier ne bute pas sur la plaque porte-clapets, particulièrement sur le clapet d'admission qui est monté à l'intérieur de la chambre; de sorte que quand le piston est au point mort haut, il reste dans la chambre un volume reslduel de gaz qui est appelé "volume mort". La quantité de gaz refoulé par le piston est liée au volume de la chambre : aussi, le volume mort venant en déduction du volume de la chambre, ce volume mort engendre une diminution du rendement volumétrique du compresseur. I1 est à noter que l'action néfaste du volume mort se produit également à l'aspiration, du fait qu'il retarde l'instant d'ouverture du clapet d'admission, et engendre par suite une diminution du volume de gaz introduit dans la chambre à chaque aspiration. Une diminution du volume mort peut être obtenue en réduisant l'espace entre la plaque porte-clapets, et la face supérieure du piston, en creusant par exemple cette dernière en vis-å-vis du clapet d'admission, de sOrte à pouvoir rapprocher au plus près le piston de la plaque porte-clapets. Mais, le volume mort comprend en outre un volume supplémentaire, formé dans l'épaisseur de la plaque porte-clapets par l'orifice de refoulement ; ce volume supplémentaire étant fermé par le clapet de refoulement. Compte tenu de l'épaisseur de la plaque à clapets, l'orifice de refoulement constitue un volume supplémentaire relativement important, supérieur à celui de l'espace compris entre la plaque porte-clapets et la face supérieure du piston, ce qui conduit à une détérioration relativement importante du rendement volumétrique du compresseur. La présente invention, concerne un compresseur agencé de manière à réduire considérablement le volume mort formé dans l'orifice de refoulement, grâce à des moyens simples et de mise en oeuvre aisée, tout en permettant l'utilisation d'un clapet de refoulement constitué, par exemple, par une simple lame métallique comme il a été ci-dessus décrit. Selon l'invention, un compresseur comportant au moins un cylindre dans lequel un piston est animé d'un mouvement alternatif selon un axe longitudinal du cylindre, le cylindre étant fermé par une plaque à clapets portant au moins un clapet de refoulement, le clapet de refoulement fermant un orifice de refoulement réalisé dans la plaque à clapets, l'orifice de refoulement communiquant avec une chambre formée dans le cylindre entre la plaque à clapets et une face supérieure du piston, un volume mort étant constitué entre le clapet de refoulement et le piston quand ce dernier est à une position de point mort haut, est caractérisé en ce que le piston comporte sur sa face supérieure des moyens pour réduire le volume mort. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif, et aux deux figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 montre de manière schématique, par une vue en coupe, un compresseur conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue schématique en coupe représentant particullèrement un piston montré à la figure 1, dans une version préférée de l'invention. La figure 1 montre un compresseur 1 conforme à l'invention. Le compresseur 1 est représenté partiellement par ses organes utiles à comprendre l'invention. Le compresseur 1 représenté est du type motocompresseur hermétique, à un seul cylindre et un seul piston, mais il pourrait tout aussi bien, dans l'esprit de l'invention, être d'un type différent, ayant par exemple plusieurs cylindres et plusieurs clapets d'admission et de refoulement. Le compresseur comporte une enceinte étanche symbolisée sur la figure 1 par un cadre 4. L'enceinte 4 contient de manière classique un cylindre 2, un piston 3 et un moteur formé d'un stator 5 et d'un rotor 6. Le rotor 6 est disposé selon un axe de rotation 7 autour duquel, en fonctionnement, il est mis en rotation comme il est symbolisé par une flèche 8. Le rotor 6 est couplé en rotation à un vilebrequin 9 disposé selon l'axe de rotation 7, et qui tourne dans des paliers 10. Les paliers 10, le stator 5 et le cylindre 2 étant portés de manière conventionnelle (non représentée) dans l'enceinte 4. Le vilebrequin 9 est mécaniquement relié au piston 3 par l'intermédiaire d'une bielle 11, d'une manière en elle-même classique, et la rotation du vilebrequin 9 engendre un mouvement alternatif du piston 3, selon un axe longitudinal 12 du cylindre 2. Une extrémité 13 du cylindre 2, opposée au vilebrequin 9, est fermée par une plaque à clapets 15. La plaque à clapets 15 comporte au moins un orifice d'admission 16 et au moins un orifice de refoulement 14 réalisé dans l'épaisseur E de la plaque à clapets 15. L'orifice d'adrnission 16 communique avec un circuit d'aspiration 17 en lui-même classique (partiellement représenté) et communlquant lui-même avec l'intérieur de l'enceinte 4. Une tubulure d'entrée 23 permet d'introduire un gaz frigorigène dans l'enceinte 4. La communication entre l'intérieur du cylindre 2 et l'orifice d'admission 16 est ouverte ou fermée à l'aide d'un clapet d'admission 18.L'orifice de refoulement 14 communique, d'une part, avec l'intérieur du cylindre 12, et, d'autre part, avec un circuit de refoulement 79 en lui-même classique (partiellement représenté) et qui communique lui-même avec une tubulure de refoulement 29 permettant de sortir hors de l'enceinte 4, le gaz comprimé; la communication entre l'orifice de refoulement 14 et le circuit de refoulement 19 étant ouverte ou fermée à l'aide d'un clapet de refoulement 20. Le mouvement du piston 3 selon l'axe longitudinal 12 s'effectue par exemple, dans un premier sens 21, ctest-à-dire dans le sens de la plaque à clapets 15 vers le vilebrequin 9, puis s'effectue ensuite dans le second sens 22, c'est-à-dire dans le sens du vilebrequin 9 vers -la plaque à clapets 15. La position du piston 3 varie ainsi depuis une première position P1 appelée point mort haut dans laquelle le piston 3 est représenté en traits pleins sur la figure 1, et une position basse P2 écartée de la plaque à clapets, dans laquelle le piston est montré sur la figure 1 par un piston repéré 3a représenté en traits pointillés.Une chambre 24, dont le volume varie avec la position du piston 3, est formée entre la plaque à clapets 15 et une face supérieure 25 du piston 3, la face supérieure du piston 3 en position P2 basse étant repérée 25a sur la figure. Dans le mouvement du piston 3, dans le sens 21 de la plaque à clapets 15 vers le vilebrequin 9, une dépression est créée dans la chambre 24 par rapport au circuit d'aspiration 17. Sous l'action de cette dépression, le clapet d'admission 18 s'ouvre et laisse pénétrer le gaz (non représenté) provenant du circuit d'aspiration 17, dans la chambre 24.Dans l'exemple non limitatif décrit, le clapet d'admission 18 est constitué de manière connue, par une lame, métallique par exemple, ayant une extrémité 31 fixée par des moyens classiques (non représentés) à une face intérieure 32 de la plaque à clapets 15, de sorte que le clapet d'admission 18 soit monté à l'intérieur de la chambre 24 et obture orifice d'admission 16; la lame dont est constitué le clapet d'admission 18 étant suffisamment souple pour permettre à une partie libre 19 de cette lame de s'infléchir sous l'action de la dépression, en s'écartant de la plaque à clapets 15 vers l'intérieur de la chambre 24, dans une position ouverte où elle est représentée sur la figure 1 par une ligne en traits pointillés repérée 19a Quand le mouvement du piston 3 s'inverse et s'effectue dans le second sens 22, c'est-à-dlre du vilebrequin 9 vers la plaque à clapets 15, le gai contenu dans la chambre 24 est comprimé, et la pression dans la chambre 24 tend à être plus grande que dans le circuit de refoulement 79.Dans l'exemple non limitatif de la description, le clapet de refoulement 20 est constitué comme le clapet d'admission par une simple lame souple, dont une extrémité 36 est fixée à la plaque à clapets 15 ; le clapet de refoulement 20 étant fixé sur une face extérieure 34 de la plaque à clapets 15, de manière à obturer l'orifice de refoulement 14 en étant à l'extérieur de la chambre 24. Une partie libre 37 du clapet de refoulement 20 s'écarte de la plaque à clapets 15 sous l'effet de la pression existant dans la chambre 24 et occupe une position ouverte telle que symbolisée par une ligne en traits pointillés repérée 37a' dans laquelle la lame ou clapet de refoulement 20 laisse sortir le gaz sous pression contenu dans la chambre 24.Quand la soupape 3 tend à arriver en fin de course, c'est-à-dire au point mort haut P1, à une distance D entre la face intérieure 32 de la plaque à clapets 15 et la face supérieure 25 du piston 3, les pressions dans la chambre 24 et dans le circuit de refoulement 17 tendent à s'équilibrer et, le clapet de refoulement se ferme après avoir accompli de manière classique un mouvement de battement autour d'une position d'équilibre (non représentée). Selon une caractéristique de l'invention, le piston 3 comporte sur sa face supérieure 25, une partie saillante ou bossage 40, dont la forme est sensiblement complémentaire de celle de l'orifice de refoulement 14. Le bossage 40 est disposé selon sensiblement un même troisième axe 41 de l'orifice derefoulement 14, de sorte que quand le piston 3 est au point mort haut, le bossage 40 est engagé dans l'orifice de refoulement 14 et ne laisse subsister dans ce dernier qu'un espace libre ayant un volume très faible, d'oû il résulte une réduction importante du volume mort. En effet, en pratique on trouve couramment les dimensions suivantes - le cylindre 2 a un diamètre intérieur d1 de l'ordre de 16 mm ; la distance D (fortement exagérée sur le dessin de la figure 1) entre la face supérieure 25 du piston 3 et la face intérieure 32 de la plaque à clapets 15, est couramment de l'ordre de 0,05 mm, compte tenu de ce qu'il est possible de creuser le face supérieure 25 du piston 3 en vis-à-vis du clapet d'admission 18, en vue de diminuer cette distance D ; la plaque à clapets 15, constituée en fonte par exemple, a couramment une épaisseur E de l'ordre de 3 mm; l'orifice de refoulement 14 pouvant avoir un second diamètre d2 de l'ordre de 3 mm Dans ces conditions, dans l'art antérieur, le volume mort constitué, d'une part, par 1 espace situé entre le piston 3 et la plaque à clapet 15, et, d'autre part, dans l'orifice de refoulement 14, est de l'ordre de 30 à 35 mm3 dont une part prépondérante est donnée par le volume de l'orifice de refoulement 14. Avec le compresseur selon l'invention, en supposant que le bossage 40 ait, d'une part, une hauteur H au-dessus du piston 3 telle, que quand le piston 3 est au point mort haut, un sommet 51 du bossage 40 soit à une distance (non représentée) du clapet d'échappement de l'ordre de 0,1 mm, et que le bossage 40 ait, d'autre part, un diamètre (non représenté) inférieur de 0,1 ou 0,2 mm au second diamètre d2 de l'orifice d'échappement 14, l'espace occupé par le bossage 40 représente un volume de 17 à 18 mm3, d'où il résulte une diminution du volume mort meilleure que 50 8. Les indications de dimensions qui précèdent sont données à titre d'exemple non 'Imitatif, afin d'illustrer l'intérêt que présente le bossage 40, qui en lui-même est une pièce simple, dont la mise en oeuvre est aisée et n'exige pas ou peu de modification des autres organes du compresseur 1, notamment du clapet de refoulement 20 qui peut être constitué uniquement par une simple lame classique. Le bossage 40 peut être constitué par une pièce rapportée par exemple, fixée sur le piston 3 par des moyens classiques (non représentés). Le bossage 40 peut également être obtenu d'une manière simple lors de la réalisation du piston 3, par usinage par exemple. La figure 2 est une vue en coupe qui montre des éléments représentés dans un encadré 50 de la figure 1 contenant notamment une partie du piston 3, afin de représenter une version préférée de l'invention. Dans l'exemple non limitatif décrit, le bossage 40 a une forme tronconique, mais il peut avoir une forme différente, l'essentiel étant que son sommet 51, orienté vers le clapet de refoulement 20, ait une surface (non représentée) inférieure à la surface de sa base 52 par laquelle il fait corps avec le piston 3. Cette disposition facilite l'écoulement des gaz lors de la phase ascendante du mouvement du piston 3, c'est-à-dire quand ce dernier se déplace selon le second sens 22. Dans cette version de l'invention, l'orifice de refoulement 14 peut conserver une forme cylindrique, comme dans l'exemple précédent. Mais d'une manière préférée, l'orifice de refoulement comporte une forme complémentaire à celle du bossage 40, c'est-à-dire tronconique également dans l'exemple représenté à la figure 2, et qui permet, d'une part, un bon écoulement des gaz lors de la phase ascendante du piston 3 et favorise un écoulement du type convergent, et qui permet, d'autre part, une réduction du volume mort aussi importante que dans la version montrée à la figure 1. Il est à remarquer en outre que dans le cas de cette seconde version, la forme de l'orifice de refoulement 14 telle qu'une première extrémité 53 de ce dernier, située vers le piston 3, a une section plus grande que sa seconde extrémité 54, évite un éventuel coincement du bossage 40 dans l'orifice de refoulement. L'invention est applicable à tout type de compresseur dans lequel on cherche à réduire le volume mort, et particulièrement dans le cas des compresseurs du type comportant au moins un cylindre ou alésage dans lequel le piston en mouvement ne comporte pas de segment, comme c'est le cas dans les exemples non limitatif s décrits en référence aux figures 1 et 2. REVENDICATIONS 1. Compresseur comportant au moins un cylindre (2) dans lequel un piston (3) est animé d'un mouvement alternatif selon un axe longitudinal (12) du cylindre (2-), le cylindre étant fermé par une plaque à clapets (15) portant au moins un clapet de refoulement (20), le clapet de refoulement (20) étant monté sur un orifice de refoulement (14) formé dans l'épaisseur (E) de la plaque à clapets (15), l'orifice de refoulement (14) communiquant avec une chambre (24) formée dans le cylindre (2) entre la plaque à clapets (15) et une face supérieure (25) du piston (3), un volume mort étant constitué entre le clapet de refoulement (20) et le piston (3) quand ce dernier est à une position de point mort haut (P1), caractérisé en ce que le piston (3) comporte sur sa face supérieure (25) des moyens (40) pour réduire le volume mort. 2. Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour réduire le volume mort comportent un bossage (40) disposé sur la face supérieure (25) du piston (3), le bossage (40) étant engagé dans l'orifice de refoulement (14) quand le piston (3) est à la position (P1) de point mort haut. 3. Compresseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bossage (40) a la forme d'un cylindre. 4. Compresseur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le bossage (40) a une base (52) en contact avec le piston (3) et un sommet (-51) orienté vers le clapet de refoulement (20), le sommet (51) ayant une surface plus faible que la surface de la base (52). 5. Compresseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bossage (40) a la forme.d'un tronc de cône. 6. Compresseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'orifice de refoulement (14) et le bossage (40) ont des formes complémentaires. 7. Compresseur selon- la revendication 5, caractérisé en ce que l'orifice de refoulement (14) a la forme d'un tronc de cône. 8. Compresseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le clapet de refoulement (20) est constitué uniquement par une lame. 9. Compresseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est du type motocompresseur hermétique. 10. Compresseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bossage (40) est formé d'une pièce rapportée fixée sur le piston (3). 11. Compresseur selon l'une des revendications 1 å 9, caractérisé en ce que le bossage (40) est réalisé simultanément avec le piston (3).