Brevet FR2635830A1 — publié le 19900302

MACHINE VOLUMETRIQUE DE TYPE POMPE OU COMPRESSEUR DEPOURVUE DE LUBRIFICATION DESCRIPTION L'invention est relative à des machines volumétriques, pompes et compresseurs, destinées au pompage de gaz de toutes natures, éventueLLement rares, dangereux, toxiques ou irradiants, sans en modifier la 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, dé limitant 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 pompes par Les lubrifiants et réciproquement d'éviter toute pollution de L'extérieur par les gaz. La pompe doit donc etre totalement sèche, au moins- dans ses parties proches de ta chambre ou le gaz est pompé, et totalement étanche. Ces objectifs ont déjà été atteints dans des conceptions antérieures, mais de manière qui ne donne pas entièrement satisfaction. En particulier, on a déjà proposé des pompes munies d'un soufflet entre Le piston et une chemise de façon à isoler la bielle de la chambre des gaz. La lubrification de la bielle et des pièces voisines est assurée classiquement par de l'huile ou de la graisse.Toutefois, la rupture du souffLet ne peut etre exclue, et la pollution des gaz est alors inévitable, ce qui est tout à fait indésirable lorsqu'ils sont en petite quantité ou coûteux. Il est de toute façon nécessaire de prévoir un frottement sec du piston et de la chemise du cté de la chambre des gaz. On a employé jusqu'à ce jour des constructions classiques, inspirées de L'automobiLe et utilisant des segments. Les segments en Téflon massif chargé en verre donnent satisfaction du point de vue du frottement nais se dégradent très vite sous t'action de certains gaz. Avec un gaz ordinaire, leur durée de vie est supérieure à 4700 heures de fonctionnenent nais seulement entre 500 et 1000 heures dans le cas du tritium. On a également proposé des segments recouverts d'une couche externe en céramique, mais L'ouverture des segnents à l'installation aboutit à la cassure et à L'écaillage de ces couches. La présente invention a plus spécialement pour objet une pompe absolument sèche, au moins du côté de la chambre des gaz, dont Le fonctionnement soit satisfaisant en dépit de conditions de frottement sec et dont l'usure soit pratiquenent nulle. On évite les inconvénients consécutifs à l'enploi des segments en supprimant ceux-ci et en utilisant une chemise et un piston cylindriques, coulissant l'un dans l'autre avec un très faibLe jeu et dont les parois sont recouvertes d'un dépôt métallique dur et à faible coefficient de frottement. De préférence, une partie ou la totalité des surfaces de glissement des pièces situées de l'autre côté du soufflet sont également recouvertes de dépôts semblables ou analogues de façon à réduire autant que possible la lubrification. Aucune pollution n'est à craindre en cas de rupture du soufflet si les dépôts existent sur toutes ces surfaces : on peut alors supprimer le soufflet. 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 globaleen 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, et - La figure 4 est un détail d'un autre type de clapet employé. La pompe ou le compresseur selon L'invention comprend, comme on Le voit sur La figure 1, un moteur d'entraSnement 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 paliers-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 Il formant barrière de confinement.Comme on le verra plus Loin, cette conception permet de parfaire L'étanchéité de La pompe vis-à-vis de L'extérieur. It serait toutefois possible d'utiliser un entratnement classique où le moteur 1 entrainerait directement le vilebrequin 5. 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 pressentent des surfaces circonférentielles respectives 18, 19 et 20 coulissant toutes trois, avec un très faible jeu, de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres, dans des surfaces cylindriques internes respectives 21, 22 et 23 d'une chemise 24 constituée d'un nonbre approprié 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 déliniter un espace dans lequel sont logés le vilebrequin 5, la bielle 12 et le piston 14. Cet espace est subdivise 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 les paliers-butées lisses 6 et 7 et Le tourilLon 13. La chemise 24 et la section médiane 16 du piston 14 délimitent, comme on le 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 ptus 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 ta chemise 24 délimitent une deuxieme 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 deuxième chambre 34 par t'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 La 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 côté de cette conduite amont 53, le disque 50 se plaque contre la butée 52 : le gaz contourne le 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 empoche tout écoulement de gaz. Quand la surpression est du côté de la conduite amont 53', la lame 57 est soulevée et le gaz la contourne. Le fonctionnement a été illustré entre une conduite amont et une conduite aval. Il reste le mene entre une conduite quelconque et une chambre. Le clapet de la figure 4 est apte à supporter des pressions sensiblement plus élevées, et c'est 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 1 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 microètres ou de quelques dizaines de micromètres selon la taille des pieces, le type de machine (dans le cas d'un compresseur, Le gaz peut etre porté à une pression élevée) et La rugosité des surfaces. Une réalisation effectivement construite comporte des jeux de 3 à 4,us, 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'à 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). Apres traitement des surfaces du substrat, Les dépôts sont effectués par projection au chalumeau plasma, à l'aide d'installation industrielle automatique ou sem;-automatique afin de maltriser l'ensemble des paramètres pour garantir la parfaite reproductibi Lité. 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 te 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 de tritium, l'aluminium et t'acier inoxydable sont couramment utiLises. Pour Limiter la transmission de chaleur à partir du gaz comprimé, la face supérieure 49 du piston 14,- qui donne sur la premiere 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. Il peut s'agir notamment des couples de surfaces cylindriques et planes 60 et 61 entre les paliers-butées 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 avec ces pompes n'ont révélé aucune usure mesurable après plusieurs milliers d'heures de fonctionnement. Si on éprouve Le besoin de vérifier l'état du scufflet 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. 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), le carter (25) et le piston (14) étant reliés par une membrane souple (26) séparant la chambre (28) de la bielle (12) et du tourillon (13), caractérisée en ce que la chemise (24) et le piston (14) présentent des surfaces de glissement (18 à 23) recouvertes d'un dépôt métallique dur et à faible coefficient de frottement. 2. Machine volumétrique suivant la revendication 1, dans laquelle le tourillon (13) est lié en rotation, soit à la bielle (12), soit au piston (14), et libre en rotation par rapport à L'autre de ces pièces, caractérisée en ce que le tourillon (13) et Ladite autre pièce présentent des surfaces de glissement (63 ou 64) recouvertes d'un dépôt métallique dur et à faible coefficient de frottement. 3. Machine volumétrique suivant l'une quelconque des revendications i ou 2, dans laquelle les paliers (6, 7) sont des paliers lisses, caractérisée en ce que lesdits paliers (6, 7) et L'arbre (5) présentent des surfaces de glissement (60, 61) recouvertes d'un dépôt métallique dur et à faible coefficient de frottement. 4. Machine volumétrique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la section excentrée (8) de l'arbre (5) et la bielle (12) présentent des surfaces de glissement (62) recouvertes- d'un dépôt métallique dur et à faible coefficient de frottement. 5. Machine volumétrique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le piston (14) est recouvert, sur une surface (49) donnant sur la chambre, d'un dépôt isolant thermique. 6. Machine volumétrique de type pompe ou compresseur comprenant un moteur, un arbre ayant une section excentrée entre deux paliers lisses et tournant sous l'action du moteur, une bielle articulée à la section excentrée et à un tourillon d'un piston, le piston se déplaçant dans une chemise faisant partie d'un carter étanche contenant L'arbre, la bielle et le piston, et le piston délimitant avec la chemise une chambre à volume variable dans laquelle débouchent une conduite d'admission de fluide et une conduite de refoulement du fluide, caractérisée en ce que la chemise et le piston, le tourillon et la bielle et/ou le piston, la bielle et la section excentrée de l'arbre, les paliers lisses et L'arbre, pressentent des surfaces de glissement recouvertes d'un. dépôt métallique dur et à faible coefficient de frottement, L'arbre - (5) étant entrané par le moteur (?) par L'intermédiaire d'un accouplement magnétique composé de deux parties sans contact matériel (3, 4) dont l'une (3) est solidaire du moteur t1) et L'autre (4) de l'arbre (5), une paroi étanche (9) séparant Les deux parties.