Brevet FR2635828A1 — publié le 19900302

MACHINE VOLUMETRIQUE DE TYPE POMPE OU COMPRESSEUR ETANCHE AUX PRODUITS POMPES DESCRIPTION L'invention est relative à des nachines volumétriques, pompes et compresseurs, destinées au pompage de gaz de toutes natures, éventuelLement rares, dangereux, toxiques ou irradiants, sans en modifier ta composition Lors du passage par la machine et sans risque pour l'environnement. Les machines volumétriques selon l'invention comprennent des composants déjà connus : un moteur, un arbre tournant et pourvu d'une partie excentrée à laquelle une bielLe est articulée, et un piston mobile dans une chemise, délimitant une chambre à volume variable et articulé à l'autre extrémité de La bielle. Une conduite d'admission du gaz et une conduite de refoulement du gaz débouchent dans La chambre par L'intermédiaire de clapets unidirectionnels. Le piston effectue des mouvements de va-et-vient qui aspirent et refoulent successivement, de manière répétée, Le gaz. Dans la suite de La description, on ne parlera plus que de "pompes" par commodité, car les compresseurs ne s'en distinguent que par des aspects secondaires. Le double probLème rencontré est d'éviter toute pollution des gaz pompés par Les lubrifiants et réciproquement d' & iter toute pollution de L'extérieur par les gaz. La pompe doit donc Entre totalement sèche, au moins dans ses parties proches de La chambre où Le gaz est pompé, et totalement étanche. On contact déjà une machine de ce type dans laquelle un soufflet est incorporé entre le piston et la chemise. Le gaz pompe s'infiltrant entre le piston et la chemise est arrêté par le soufflet et ne-peut se répandre dans le carter où tournent le vilebrequin et la bielle, puis de la vers L'extérieur à travers les joints d'étanchéite de la ligne d'arbres. Toutefois, ce système est mis en défaut par la fragilité du soufflet qui peut toujours fatiguer et crever. C'est pourquoi, à titre de précaution, on a proposé d'utiliser plutt deux soufflets concentriques délimitant une chambre de petit volume en surpression ou en dépression équipée d'un capteur de pression. Quand la pression chute ou monte, c'est la preuve qu'un des soufflets a crevé et qu'il faut procéder à une réparation.Ce système est fiable et a fait ses preuves mais incorpore cependant des soufflets qui restent un point sensible, en particulier lors d'une élévation de pression accidentelle. Selon l'invention, on cherche donc à assurer l'étanchéité de manière beaucoup plus sinple et efficace avec un carter entièrement ferme, contenant le vilebrequin, la bielle et le piston, dont Le gaz pompe ne peut s'échapper meme au cas où il y pénétrerait. D'apres L'invention, la ligne d'arbres est donc discontinue et interrompue par une paroi du carter. L'entraSnement se fait sans contact, par un accouplement magnétique composé de deux parties de part et d'autre du carter. La pompe peut cotre rendue seche en déposant sur les surfaces de glissement de la chemise et du piston une couche métallique dure à faible coefficient de frottement ou en équipant le piston de segments appropriés. L'invention va maintenant être décrite à l'aide des figures suivantes, données à titre illustratif et nullement Limitatif : - la figure 1 est une représentation globale en coupe de L'invention, - la figure 2 est un détail agrandi de la figure 1, - la figure 3 est un détail d'un type de clapet employé, - la figure 4 est un détail d'un autre type de cLapet employé, et - la figure 5, analogue à La figure 2, représente une autre réalisation de l'invention. La pompe ou le compresseur selon l'invention comprend, comme on le voit sur la figure 1, un moteur d'entra5nement 1 pourvu d'un arbre moteur 2 dont L'extrémité s'évase en une couronne magnétique 3. La couronne magnétique 3 est garnie d'aimants permanents 43 et entoure un rotor magnétique 4, également garni d'aimants permanents 44 en face des précédents, qui constitue l'extrémité d'un arbre entrané ou vilebrequin 5 tournant entre deux palicrs-butées lisses 6 et 7 et pourvu d'un excentrique 8. Le rotor 4 est sans contact avec La couronne magnétique 3 : il en est séparé radialement et longitudinalement par une paroi étanche intermédiaire 9 comprenant une face cylindrique 10 et une face d'extrémité plane 11 formant barrière de confinement.Comme on le verra plus loin, cette conception permet de parfaire L'étanchéité de ta pompe vis-å-vis de L'extérieur. Une bielle 12 est articulée par une extrémité à l'excentrique 8. Son autre extrémité est articulée à un tourillon 13 soLidaire d'un piston 14 compose dans le cas présent - d'autres formes de réalisation sont évidemment possibLes - de trois sections cylindriques coaxiales en prolongement 15, 16 et 17, la section médiane 16 étant celle dont le diamètre est Le plus important. Ces trois sections 15, 16 et 17 présentent des surfaces circonférentielles respectives 18, 19 et 20 coulissant toutes trois, avec un très faible jeu, de quelques micrométres à quelques dizaines de micromètres, dans des surfaces cylindriques internes respectives 21, 22 et 23 d'une chemise 24 constituée d'un nombre approprie de parties boulonnées entre elles.La chemise 24 fait partie d'un carter 25, dont fait également partie la paroi étanche intermédiaire 9 et auquel le moteur 1 est attaché, de façon à délimiter un espace dans lequel sont logés le vilebrequin 5, la bielle 12 et Le piston 14. Cet espace est subdivisé par un soufflet cylindrique 26 lié à une extrémité au piston 14 et plus précisément à sa section inférieure 15 et à son autre extrémité à une couronne interne du carter 25. Un sous-espace 27, étanche, contient la totalité de la bielle 12 et du vilebrequin 5 et en particulier leurs surfaces de frottement mutuel et avec tes paliers-butées lisses 6 et 7 et te tourillon 13. La chemise 24 et la section médiane 16 du piston 14 délimitent, conne on te voit sur la figure 2, une chambre des gaz 28 dont le volume est variable. Une conduite d'admission 29 et une conduite de refoulement 30 y débouchent, chacune par l'intermédiaire d'un clapet 31, respectivement 32, comprenant un disque mobile et qui sera détaillé plus loin en liaison avec la figure 3. La conduite de refoulement 30 traverse la section médiane 16 du piston 14 de part en part et est prolongée par une conduite de refoulement fixe 31 percée à travers La chemise 24. Dans cette conception, la section médiane 16 du piston 14 et La chemise 24 délimitent une deuxième chambre des gaz 34, également à volume variable, quasi nul sur la figure 2, car le piston 14 est représenté en position basse. Les conduites de refoulement 30 et 31 aboutissent chacune dans cette deuxine chambre 34 par l'intermédiaire d'un clapet, respectivement 35 et 36, dont le premier est encore un clapet à disque mobile et dont Le second est un clapet à lame déformable du type représenté sur la figure 4 décrite plus loin. La conduite de refoulement fixe 31 aboutit à une troisième chambre des gaz 37, toujours à volume variable et délimitée par la troisième section 17 du piston 14 et la chemise 24. Une conduite de refoulement de sortie 39 débouche également dans cette troisième chambre 37 ; deux clapets 40 et 41 semblables au clapet 36 sont disposés à la sortie de la conduite de refoulement fixe 31 et de ta conduite de refoulement de sortie 39 respectivement vers La troisième chambre 37. On passe maintenant au commentaire des figures 3 et 4. Les clapets référencés 31, 32 et 35 comprennent chacun un disque 50 mobile sous l'action de la surpression des gaz entre deux surfaces opposées 51 et 52. La surface 51 est un épaulement au centre duquel une conduite amont 53 aboutit. L'autre surface 52 est une butée surélevée par rapport à un second épaulement 54 qui L'entoure et dans lequel aboutissent des perçages 55 qui se rejoignent ensuite dans une conduite aval 56. Quand La surpression est du côté de la conduite aval 56, le disque 50 est plaqué contre le premier épaulement 51 et interrompt tout écoulement vers la conduite amont 53. Réciproquement, quand la surpression est du caté de cette conduite amont 53, Le disque 50 se plaque contre la butée 52 : le gaz contourne te disque 50 et aboutit dans les perçages 55 puis dans la conduite aval 56. Le clapet de La figure 4 est constitué par une Lame 57 s'étendant au repos sur une surface plane 58 à laquelle elle est rattachée à une extrémité 59 par un rivet ou un encastrement. La surface plane 58 est disposée entre une conduite amont 53' débouchant au milieu de La surface plane 58 et une conduite aval 56'. Quand La surpression des gaz est à la conduite aval 56', la lame 57 reste plaquée contre la surface plane 58 et empêche tout écoulement de gaz. Quand la surpression est du cbté de la conduite amont 53', la lame 57 est soulevée et le gaz la contourne. Le fonctionnement a eté illustre entre une conduite amont et une conduite aval. Il reste le meme entre une conduite quelconque et une chambre. Le clapet de la figure 4 est apte à supporter des pressions sensiblement plus élevées, et ctest donc lui que l'on emploie dans la réalisation de la figure 2 pour les clapets 36, 40 et 41. On revient maintenant aux figures I et 2 pour expliquer plus précisément l'invention. Les surfaces du piston et de la chemise référencées 18 à 23 sont donc en glissement relatif les unes sur les autres, sans aucune lubrification et ne doivent subir aucune usure notable pendant des fonctionnements de longue durée. Ces exigences sont satisfaites tout d'abord par un choix judicieux des ajustements et des matériaux du piston et de la chemise, ensuite et surtout par des dépôts métalliques durs et à faible coefficient de frottement sur ces surfaces. Le jeu entre les couples de surfaces en glissement relatif est de quelques micromêtres ou de quelques dizaines de micromêtres selon la taille des pièces, le type de machine (dans le cas d'un compresseur, le gaz peut Entre porté à une pression élevée) et La rugosité des surfaces. Une réalisation effectivement construite comporte des jeux de 3 à 4 > vm, les surfaces étant polies. Avec des jeux aussi faibles, les débits de fuite du gaz à travers Les couples de surfaces sont tout à fait négligeables, meme avec des gaz aussi diffusants que le tritium. Les dépôts dont la composition est variable (jusqu' 5 composants) suivant les applications, en fonction des vitesses, charges et températures sont principalement réalisés avec une base d'oxyde de chrome (au moins 80X de L'alliage). Après traitement des surfaces du substrat, les dépôts sont effectués par projection au chalumeau plasma, à l'aide d'installation industrielle automatique ou semi-automatique afin de ma1triser L'ensemble des paramètres pour garantir la parfaite reproductibilité. La chemise 24 et le piston 14 sont normalement constitués du même matériau ou du moins de matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique analogues ou compatibles. Dans le cas de pompes, on peut préconiser l'aluminium ou l'acier inoxydable pour les deux. Dans le cas de compresseurs, les pressions élevées atteintes, plusieurs dizaines de bars, rendent préférable L'emploi de matériaux à faibles coefficients de dilatation. Dans le cas du tritium, L'aluminium et l'acier inoxydable sont couramment utilisés. Pour limiter la transmission de chaleur à partir du gaz comprimé, La face supérieure 49 du piston 14, qui donne sur la première chambre à volume variable 28, peut être recouverte d'un dépôt Isolant thermique. Avantageusement, encore que facultativement, d'autres surfaces en glissement relatif, situées audelà du piston 26, peuvent également être recouvertes de ce dépôt métallique dur à faible coefficient de frottement. fL peut s'agir notamment des couples de surfaces cylindriques et planes 60 et 61 entre les paliers-butes Lisses 6 et 7 et le vilebrequin 5, des couples de surfaces 62 entre l'excentrique 8 et la bielle 12 et des couples de surfaces 63 entre la bielle 12 et le tourillon 13. Dans ce dernier cas, on suppose bien entendu que le tourillon 13 est lié en rotation au piston 14.Dans le cas contraire, où le tourillon 13 serait lié en rotation à la bielle 12 et libre en rotation par rapport au piston 14, ce seraient les couples de surfaces 64 entre le tourillon 13 et le piston 14 qui seraient recouvertes de ce dépôt. Si ces dispositions sont adoptées pour toutes les couples de surfaces en glissement relatif,-on peut se dispenser de toute lubrification par bain d'huile ou par graisse : le soufflet 26 devient donc inutile et peut être omis. Une telle disposition, sans aucune lubrification, est évidemment précieuse pour des pompes susceptibles de travailler en apesanteur. Des essais effectués sur des pompes n'ont révélé aucune usure mesurable après plusieurs milliers d'heures de fonctionnement. Si on éprouve le besoin de vérifier L'état du soufflet 26, il est intéressant de disposer le volume étanche 27 en surpression par rapport à L'extérieur et d'y installer un capteur de pression non représenté ici. Quand la pression décrott, le soufflet 26 est sans doute crevé. L'accouplement magnétique peut également être employé sans aucun dépôt sur les surfaces de glissement 18 à 23 et 60 à 64. Comme on le voit sur la figure 5, L'étanchéité des chambres de gaz 28, 34 et 37 peut être assurée par des segments 70, 71 et 72 installés dans des gorges respectives des sections 15, 16 et 17 du piston 14. Les segments 70, 71 et 72 sont en Téflon massif, chargés en verre et équipés d'un expandeur élastique à leur circonférence Intérieure qui Les repousse vers l'extérieur. Les surfaces du piston 14 et de la chemise 24 sont ici référencées 18' à 23' ; leurs jeux sont sensiblement plus importants que dans la réalisation précédente puisque L'étanchéité est assurée par les segments 70, 71, et 72. Les segments 70, 71 et 72 sont normalement soumis à une très faible usure, sauf avec certains gaz pompés qui peuvent les corroder à une vitesse variable suivant leur concentration. REVENDICATIONS 1. Machine volumétrique de type pompe ou compresseur comprenant un moteur (1), un arbre (5) ayant une section excentrée (8) entre deux paliers (6, 7) et tournant sous L'action du moteur (1), une bielle (12) articulée à la section excentrée (8) et à un tourillon (13) d'un piston (14), le piston (14) se déplaçant dans une chemise (24) faisant partie d'un carter (25) contenant L'arbre (5), la bielle (12) et le piston (14) délimitant avec la chemise (24) une chambre à volume variable (28) dans laquelle débouchent une conduite d'admission de fluide (29) et une conduite de refoulement du fluide (30), caractérisée en ce que le moteur fait tourner l'arbre par l'intermédiaire d'un accouplement magnétique composé de deux parties (3, 4) dont l'une (3) est solidaire du moteur (1) et l'autre (4) de L'arbre (5), une paroi étanche (9) séparant les deux parties. 2. Machine volumétrique suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'une des parties (3) de l'accouplement magnétique entoure L'autre (4) et en ce que la paroi étanche comprend une face cylindrique (10) terminée par une face plane (11).