Brevet FR2684140A1 — publié le 19930528

L'invention se place dans le domaine des machines à couples pistons-cylindres destinées à réaliser un échange d'énergie entre un fluide sous pression et un organe mécanique, et plus particulièrement en vue de réaliser un compresseur d'air ou tout autre gaz, sans exclure toutéfois la réalisation d'un moteur actionné par l'énergie d'un fluide généralement gazeux. Les machines avec des pistons reliés à des organes d'énergie mécanique emploient le plus souvent le système classique bielle-manivelle ou parfois un plateau qui oscille autour d'une manivelle oblique en rotation autour d'un axe parallèle au couple piston-cylindre. On connaît aussi des sytèmes à coulisses ou à cames. Tous ces systèmes introduisent des efforts transversaux, c'est-à-dire radiaux sur les pistons relativement à leur axe, ce qui est un facteur de frottement avec usure et création de poussière. Un guidage rectiligne annule les efforts transversaux entre piston et cylindre, mans il nécessite un graissage qui est une source de pollution, et il rend l'ensemble lourd et encombrant. I1 est aussi connu d'annuler l'obliquité d'une bielle relativement au piston, ainsi que les efforts correspondants, par l'emploi d'un cylindre oscillant. Ceci crée cependant des efforts d'inertie transversaux dûs à son oscillation, qui sont la source des mêmes inconvénients que précités. L'invention a pour but d'éviter tout frottement systématique entre cylindre et piston, pour rendre minimale l'usure de ces éléments et permettre leur fonctionnement pendant une longue durée, en particulier pour des machines non lubrifiées et sans joint d'étanchéité entre piston et cylindre donc sans pollution par huile ou particules issues de l'usure de ces éléments. Cette réalisation par exemple pour la compression de gaz, même à de très hautes pressions, est permise par un ajustage très précis des surfaces en regard cylindre et piston, et sur une longueur importante du vis à vis entre ces deux éléments. Par exemple, avec un jeu radial de 1 rm et une longueur utile de piston de 40 mm, on peut réduire la fuite d'un gaz le long de ce jeu à une valeur de moins de 10% du débit pompé. Pour réaliser une machine à piston offrant ces avantages, il convient d'obtenir un mouvement du piston dans le cylindre qui soit rectiligne dans les limites de ce très faible jeu, et ce sans effort radial systématique. On doit donc relier le piston à un organe mécanique qui comporte une pièce mobile animée du même mouvement rectiligne alternatif, pièce elle-même liée au piston ou bien au cylindre si c'est celui-ci qui est mobile. En effet toute liaison oblique telle qu'une bielle liée à une manivelle crée sous l'effort du piston une réaction à composante radiale sur celui-ci. On connaît divers systèmes mécaniques où une pièce est animée d'un mouvement alternatif rectiligne ou quasi-rectiligne. L'un des plus anciens est l'embiellage de WATT, qui comporte une bielle presque parallèle au mouvement rectiligne et portée à chacune de ses extrémités par une manivelle, les axes fixes de ces deux manivelles étant de part et d'autre de la bielle de sorte que les déports des positions des extrémités de la bielle, de part et d'autre du mouvement recherché, se compensent en un des points de la bielle. Dans les applications connues de cet embiellage ou de ses variantes, le dit point supporte une pièce à mouvement quasi rectiligne laquelle est reliée par un axe à une tige qui prolonge rigidement le piston ce qui assure le guidage de celui-ci en même temps que l'entraînement de la bielle. Un autre système connu est un engrenage dit de LA HIRE, constitué par une couronne fixe dentée intérieurement avec un pignon satellite de dimension moitié et dont un point sur le diamètre primitif décrit une droite qui passe par le centre de la couronne. Diverses variantes d'engrenages procurent le même mouvement rectiligne alternatif. Pour entraîner un piston allongé et à très faible jeu relativement à un cylindre il est donc possible de relier l'un ou l'autre de ces deux éléments à une pièce animée d'un mouvement qui soit rectiligne dans les limites de ce jeu. Mais si la liaison est rigide, il est nécessaire soit d'aligner l'organe mécanique avec une tolérance de positionnement meilleure que le jeu piston-cylindre, ce qui est en pratique irréalisable lorsque ce jeu est de quelques gm, d'autant que les dilatations et les déformations en fonctionnement aggravent le problème, soit de laisser à l'organe mécanique une liberté de positionnement transversale, mais alors sa masse se rajoute à celle de l'élément entraîné, d'où des efforts radiaux dus à la pesanteur ou aux vibrations, ce qui crée des frottements entre piston et cylindre. Pour résoudre ce problème l'invention propose de libérer, dans des limites d'alignement et de positionnement mécanique transversal de précision moyenne, l'élément entraîné d'avec la pièce à mouvement rectiligne portée par l'organe mécanique. On peut fixer les limites de positionnement transversal à quelques 1/10e de mm, et donc permettre un débattement transversal de même valeur entre l'élément entraîné et la pièce de l'organe mécanique à laquelle il est relié, sans que la composante radiale des efforts de l'élément mobile devienne gênante. L'invention se caractérise ainsi d'abord par l'emploi d'une articulation à rotule ou une articulation équivalente ayant deux degrés de liberté angulaire entre l'un des éléments d'un couple piston-cylindre et la pièce à mouvement rectiligne d'un organe mécanique à laquelle il est relié. Cet emploi permet l'alignement de cet organe avec le couple piston-cylindre sans créer d'effort oblique sur l'élément relié à lui. Au lieu d'une rotule on peut employer par exemple une articulation de Cardan, à deux axes croisés. En second lieu l'invention se caractérise aussi soit par une bielle interposée entre l'articulation précitée et la pièce à mouvement rectiligne, soit par une articulation qui comporte deux degrés de liberté dans le sens d'un déplacement perpendiculaire au mouvement, c'est à dire dans le sens transversal aux efforts. Ces déplacements transversaux peuvent être assurés par une embase plane de l'articulation, qui s'appuie sur une platine transversale ménagée sur l'élément correspondant, ou bien par des billes interposées entre des surfaces de guidage linéaire coopérantes et perpendiculaires au mouvement alternatif. Les déplacements transversaux sont avantageusement limités à une valeur peu supérieure à la précision du positionnement de l'organe mécanique. De même dans le cas d'une bielle celle-ci est très sensiblement alignée avec le mouvement rectiligne, pour ne créer sur l'élément correspondant qu'une composante radiale d'effort négligeable. Pour la même raison la bielle ou l'articulation doivent être reliées à l'élément correspondant coaxialement à celui-ci, ou bien en symétrie par rapport à lui s'il y a deux ou trois bielles parallèles. Dans ce dernier cas il est avantageux que leurs efforts soient équilibrés par un palonnier relié à l'organe mécanique par une articulation sensiblement coaxiale avec le mouvement rectiligne et avec le couple cylindre-piston. L'utilisation de rotules employées selon l'invention permet de disposer à l'intérieur d'un piston de grand diamètre un conduit cylindrique borgne, c'est à dire fermé à une extrémité, de petit diamètre, parallèle au piston et qui constitue le cylindre d'un deuxième couple à volume variable, avec un circuit de transfert du fluide sous pression à ce deuxième couple. Le piston de ce deuxième couple est alors relié à la culasse du cylindre du premier couple par une rotule ou un dispositif équivalent, ce qui permet une tolérance réalisable du parallélisme des éléments et de l'alignement de leurs axes. Pour bien faire comprendre la machine selon l'invention on en décrira ci-après, à titre d'exemples sans caractère limitatif, deux formes d'exécution préférées en référence au dessin schématique annexé dans lequel la figure 1 est une vue schématique en perspective, avec découpe et arrachement, d'un compresseur appliquant l'invention ; la figure 2 est une vue partielle en coupe montrant une rotule à deux degrés de liberté angulaire et deux degrés de liberté transversale utilisée dans le compresseur de la figure 1 la figure 3 est une vue explosée d'un clapet pneumatique en perspective avec découpe et écartement des pièces la figure 4 est une vue en plan d'une autre machine à piston conforme à l'invention ; et la figure 5 en est une coupe selon la ligne V-V de la figure 4. Le compresseur schématisé en figure 1 comporte un carter 1 cylindrique portant avec étanchéité une culasse 2. L'alésage du carter, lequel est représenté coupé dans un plan de symétrie, constitue un premier cylindre dans lequel se déplace un premier piston 3 qui est lui-même alésé concentriquement pour constituer un deuxième cylindre portant lui aussi avec étanchéité une deuxième culasse 4. Les périphéries de la culasse 4 et de la majeure partie du piston 3 sont ajustées au même diamètre et à très faible jeu dans le cylindre 1. Les surfaces en vis à vis de ces éléments portent des traitements de surface ou bien des matériaux aptes à permettre le frottement sans lubrification. L'extrémité 5 du piston 3, à l'opposé de la deuxième culasse 4, comporte une entrée de gaz 6, en relation avec l'intérieur du carter 1 et supporte deux articulations à rotule telles que 7. Un arrachement, figuré pour le premier piston 3 et la première culasse 4, permet de voir la rotule 7, une bielle 8 articulée sur le piston 3 par cette rotule et une seconde bielle 8' symétrique à la bielle 8 par rapport à l'axe du piston 3. L'arrachement découvre en outre un deuxième piston 9 qui coopère avec l'alésage du premier piston 3, pour constituer un deuxième étage de compression, de la même façon que le piston 3 et l'alésage du carter 1 constituent un premier étage de compression, et avec les mêmes ajustements à très faible jeu des surfaces en vis à vis de ces couples d'éléments. Le piston 9 est fixe, étant retenu par une rotule 10 articulée dans une paroi transversale 11 du carter 1. Cette paroi 11 comporte deux orifices tels que 12 pour permettre le coulissement avec jeu, donc sans guidage, des bielles 8 et 8'. Celles-ci sont entraînées au moyen d'un organe mécanique 13 qui comporte une pièce mobile 14 ayant un mouvement rectiligne alternatif, et par l'intermédiaire d'un palonnier 15 d'équilibrage des efforts des bielles, celles-ci lui étant reliées par des rotules 16 et 16' symétriques par rapport au milieu du palonnier. Ce dernier est relié par une rotule 17 à la pièce mobile 14. Ainsi le piston 3 est entraîné en mouvement alternatif sans transmission d'effort radial donc avec le minimum de frottement et d'usure, conformément au but de l'invention. Le piston 3 comporte en outre deux conduits identiques 18 et 18' symétriques par rapport à son axe, parallèles à celui-ci et chacun fermé du côté de l'extrémité 5. Ces conduits constituent des cylindres recevant respectivement des pistons 19 et 19' avec des ajustements à très faible jeu pour former ensemble un troisième étage de compression. Les deux couples à volume variable qu'ils constituent sont reliés en parallèle par un circuit d'admission de gaz 20 et par un circuit de refoulement 21, ce dernier étant foré dans la culasse 2. Ainsi les pressions variables sont identiques dans chacun de ces volumes, ce qui équilibre les efforts sur le piston 3.Les pistons 19 et 19' sont retenus sur la culasse fixe 2 par des rotules 22 et 22', avec deux degrés de liberté angulaire et en outre deux degrés de liberté transversale, dont un exemple de réalisation est dessiné en figure 2 et qui équipe aussi le piston 9 à sa retenue sur la paroi 11 par la rotule 10. De ce fait les pistons 9, 19 et 19' sont alignés dans les cylindres en vis à vis uniquement par leurs ajustements respectifs, leurs appuis sur les pièces fixes 11 et 2 prenant d'eux-même la position qui minimise les efforts radiaux entre pistons et cylindres, même en cas d'usinage relativement médiocre entraînant une incertitude sur les positions des rotules sur ces pièces fixes. Un quatrième étage de compression existe en outre à l'intérieur du piston 9. A cet effet la culasse 4 porte en son axe une rotule analogue aux trois précédentes, laquelle retient un quatrième piston 23, de petit diamètre, lequel coopère avec un cylindre ajusté qui est constitué par un alésage du piston fixe 9 de deuxième étage. Ce piston 23 est donc mobile comme le piston 3, et entralné par lui. Les circuits reliant les quatre étages de compression sont susceptibles de diverses variantes. Ici l'aspiration du premier étage se fait par l'orifice 6 avec un conduit à l'intérieur du piston 3 pour alimenter un clapet d'aspiration 24 porté par celui-ci. Le gaz comprimé est évacué par un clapet de refoulement 25 puis dans un circuit traversant d'abord la culasse fixe 2, ensuite un échangeur thermique 26 et un filtre 27, pour être introduit dans une canalisation 28 du piston fixe 9 jusqu'à un clapet d'aspiration 29 du deuxième étage. Sur la figure le piston 9 est découpé pour montrer cette canalisation et ce clapet, ainsi que toute la longueur du piston mobile 23. Le refoulement du deuxième étage traverse un clapet 30 porté par la culasse 4 mobile puis un circuit traversant cette culasse puis le piston 3 pour rejoindre en 31 le circuit 20 d'alimentation en parallèle des volumes variables du troisième étage, avec pour chacun de ceux-ci des clapets d'aspiration 32 et 32' logés à l'intérieur du piston 3 dans les fonds des cylindres recevant les pistons 19 et 19'. Les refoulements de ces volumes variables traversent ces pistons fixes 19 et 19', qui sont forés sur toute leur longueur, avec de préférence de petits clapets de refoulement à l'extrémité de ceux-ci et non figurés et éventuellement des clapets de sécurité 33 et 33' redondant les précédents à la sortie des rotules 22 et 22', elles-mêmes forées pour communiquer avec le circuit de refoulement 21. Ensuite le gaz traverse un échangeur thermique 34 et un filtre 35, est introduit dans le piston fixe 9 et dans le volume variable du quatrième étage par un clapet d'aspiration 36 au niveau du fond de l'alésage de ce piston. Le refoulement traverse un clapet contigu 37 et il est évacué vers l'utilisation par la canalisation 38. Un échange thermique supplémentaire existe en outre entre le deuxième et le troisième étages, du fait du montage extérieur des canalisations 20 et 31. Etant animées du mouvement alternatif et dans l'ambiance d'aspiration du premier étage, elles ont un bon échange thermique avec cette ambiance. En outre on peut les doter d'ailettes et les allonger selon besoin En variante le circuit d'aspiration peut traverser la culasse 2 qui porte alors le clapet 24, l'orifice 6 étant supprimé. Ceci permet d'introduire le refoulement du premier étage, après le filtre 27 par exemple, directement à l'intérieur du carter 1 entre le piston 3 et la cloison fixe 11, et d'alimenter le deuxième étage par sa canalisation 28 débouchant alors directement dans ce carter. Ceci renverse le sens des fuites du premier étage de compression, et diminue beaucoup celles du deuxième étage, au bénéfice du rendement volumétrique si les débits de fuite sont importants relativement au volume finalement disponible à la canalisation 38. Dans ce cas par contre il y a un effort de poussée important sur le piston 3, dû à la pression du deuxième étage sur presque toute sa surface, ce qui rend très dissymétrique le cycle des efforts alternatifs à fournir par l'organe mécanique 13. Dans la version figurée au contraire les efforts aller et retour sont sensiblement identiques. Pour éviter cet inconvénient, on peut compléter le montage de la variante par le montage d'un second ensemble de compression identique, mais monté symétriquement en bout du premier, de l'autre côté de l'organe 13. Ceci compense l'effort sur le piston 3 par un effort sur le piston symétrique entralné par le même organe 13, ou par un organe mécanique indépendant. Un autre mode de compensation consiste à rendre étanche le palonnier mobile 15 relativement à un alésage du carter fixe 1, au moyen d'un joint entre ces deux pièces, sur un diamètre tel que l'effort de pression de deuxième étage sur ce palonnier compense celui sur le cylindre 3. Ce joint peut être un joint coulissant, par exemple en élastomère antifriction, ou bien un soufflet métallique à ondulations circulaires, de débattement adapté au mouvement alternatif. De tels composants sont bien connus dans la technique. A la figure 2 on a représenté une coupe diamétrale d'une rotule telle qu'utilisée aux emplacements 22 et 22' de la figure 1. La rotule est maintenue entre la culasse 2 et une pièce de retenue 70 qui est appliquée contre celle-ci et retenue dans cette position par des moyens non figurés, pouvant être des vis par exemple.Elle est constituée par un empilement de pièces comprenant - une rondelles élastique 71 précontrainte par la pièce de retenue 70, - une pièce d'appui 72 présentant une portée plane qui supporte la rondelle 71 et, sur son autre face, une portée sphérique, - une sphère 73 terminée par une partie cylindrique et emmanchée à force, ou bien avec soudure ou collage, sur l'extrémité du piston 19 et recevant la portée sphérique de la pièce d'appui 72, - une pièce de poussée 74 recevant la sphère 73 par une portée sphérique, - une rondelle plane antifriction 75 en contact avec une face plane de la pièce de poussée 74, cette rondelle pouvant toutefois être supprimée si le fond de la culasse 2 et la pièce de poussée 74 sont compatibles en frottement. Le fond de la culasse 2, perpendiculaire à l'axe du piston 19, est d'un diamètre un peu supérieur à celui de la pièce de poussée 74, de sorte que celle-ci peut se déplacer transversalement avec deux degrés de liberté et ainsi ajuster l'axe du piston 23 avec celui de l'autre élément du couple, c'est-à-dire le conduit 18. Dans cet exemple les différentes pièces sont percées axialement pour constituer un canal de circulation du fluide pompé, canal qui peut conduire à un clapet antiretour. La figure 3 est une vue éclatée d'un tel clapet antiretour, dont les pièces représentées sont ensuite logées dans un alésage non figuré. Le clapet antiretour comprend de façon connue un siège 80, un disque mobile 81 pouvant obturer le siège, et un couvercle de retenue 82. Ce dernier, qui peut être emmanché à force dans l'alésage, se particularise par quatre perçages pour le passage du fluide, tels que les perçages 84,85 et 86, le quatrième se trouvant dans la partie figurée arrachée. Sur sa demi-longueur le couvercle 82 porte un alésage recevant et guidant le disque 81 avec des embrèvements dûs aux perçages de passage du fluide autour du disque 81. Aux figures 4 et 5, on a représenté une machine avec un piston 40 qui peut coulisser avec un jeu très faible dans un cylindre 41, lequel est maintenu dans un fourreau 42 entre un épaulement de ce fourreau et un écrou 43. Un raccord 44 porte les clapets d'aspiration et de refoulement, non figurés, qui peuvent être contigus comme ceux désignés en 36 et 37 sur la figure 1. Le fourreau 42 est suspendu dans une console fixe 45 au moyen d'une suspension dite de Cardan. Celle-ci comporte de façon connue un anneau mobile 46 relié au fourreau par deux tourillons diamétralement opposés tels que 47 et à la console par deux autres tourillons diamétralement opposés dans un plan perpendiculaire, tels que 48. Ce montage équivaut à une rotule avec deux degrés de liberté angulaire pour le cylindre 41. Le piston 40 porte une queue 49 enserrée dans une pince 50 avec des vis de serrage 51 et 52, la pince constituant un prolongement d'une tige 53. Un roulement à billes 54 coopère sans jeu longitudinal avec un trou 55 de la tige 53. Ce roulement est entraîné par un embiellage de Watt d'un type connu, embiellage constitué ici d'une bielle 56 presque parallèle au mouvement longitudinal et dont chacune des extrémités est portée par une manivelle 57 ou 58. Chacune de ces manivelles est articulée par un roulement à billes à l'une des dites extrémités de la bielle 56 et par un autre roulement à un axe fixe 59 ou 60, ces axes fixes étant de part et d'autre de la bielle 56, de sorte que les déports des positions des extrémités mobiles des manivelles, relativement à l'axe du mouvement rectiligne, se compensent au milieu de la bielle.En ce milieu un téton 61 porte le roulement 54, lequel est ainsi animé d'un mouvement longitudinal très sensiblement rectiligne. Ce mouvement est en échange d'énergie avec un organe mécanique constitué ici d'une courroie 62 reliée à un moteur non figuré et qui entraîne une poulie 63 portant un maneton excentré 64 pour actionner en oscillation alternative la manivelle 58 par l'intermédiaire d'une bielle 65 articulée sur le maneton 64 et sur le prolongement de la manivelle 58. Le roulement 54 peut être monté sans jeu dans la tige 53, ce qui guide celle-ci avec précision dans un mouvement rectiligne compatible avec celui du piston 40 dans le cylindre 41, même en cas de mauvais alignement du fait du montage de Cardan du cylindre 41. En variante la tige 53 peut actionner un second couple piston-cylindre au moyen d'une seconde pince 66. Dans ce cas un second montage à Cardan supporte le second couple et il définit avec précision l'axe du mouvement rectiligne alternatif des deux pistons. Pour le rendre compatible avec celui du roulement 54, il est alors nécessaire soit de rendre oblong dans le sens transversal le trou 55, comme indiqué sur la figure 4, soit de donner aux quatre tourillons de l'anneau 46 une possibilité de déplacement selon leurs axes, qui sont perpendiculaires au mouvement rectiligne alternatif ce qui donne alors au couple cylindre 40 - piston 41 deux degrés de liberté de déplacement perpendiculaires à ce mouvement. On comprendra que la description ci-dessus a été donnée à simple titre d'exemple, sans caractère limitatif, et que des adjonctions ou des modifications constructives pourraient y être apportées sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Machine pour échanger de l'énergie entre d'une part un organe mécanique (13, 56) qui comporte une pièce mobile ayant un mouvement rectiligne alternatif et d 'autre part un couple à volume variable (1,3 - 3,9 40,41) véhiculant un fluide sous pression entre deux éléments dont l'un est un cylindre (1,3,40) fermé par une culasse (2,5,43) et l'autre est un piston (3,9,41) coulissant dans le cylindre avec un jeu radial très faible qui assure leur guidage relatif dans un mouvement rectiligne alternatif avec alignement précis de leurs axes dans les limites de ce jeu, ainsi qu'une faible fuite du fluide hors du volume variable du couple lequel comporte en outre des orifices de transfert du fluide et dont un (3,41) des deux éléments est relié à la pièce mobile, l'autre (1,40) étant relié à une pièce fixe, caractérisée par une articulation ayant deux degrés de liberté angulaire, telle qu'une articulation à rotule (7, 7') ou une articulation de Cardan (46) disposée entre un des éléments du couple et la pièce à laquelle il est relié. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'un et l'autre (3, 9) des éléments du couple à volume variable sont reliés chacun à la pièce correspondante au moyen d'une articulation ayant deux degrés de liberté angulaire. 3. Machine selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'une articulation d'un des deux éléments comporte en outre deux degrés de liberté de déplacement perpendiculaire au mouvement rectiligne, au moyen de surfaces perpendiculaires à ce mouvement et en appui mutuel, portées l'une par l'articulation, l'autre par la pièce à laquelle est relié l'élément. 4. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'articulation est sensiblement coaxiale à l'élément qu'elle relie. 5. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par une bielle (8, 8') entre l'articulation (7) de l'élément en mouvement (3) et l'organe mécanique (13). 6. Machine selon la revendication 5, caractérisée par plusieurs bielles parallèles (8, 8') articulées sur l'élément en mouvement (3) et symétriques autour de l'axe de celui-ci. 7. Machine selon la revendication 6, caractérisée par un palonnier (15) d'équilibrage des efforts des bielles (8, 8'), palonnier relié par une articulation (17) à l'organe mécanique (13). 8. Machine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'intérieur d'un piston de grand diamètre (3) d'un premier couple à volume variable contient un conduit cylindrique borgne de petit diamètre qui est parallèle au cylindre (1) du premier couple, et qui constitue le cylindre d'un deuxième couple à volume variable avec un circuit de transfert du fluide sous pression entre des orifices des éléments du premier (1,3) et du deuxième couple (3,9). 9. Machine selon la revendication 8, caractérisée en ce que le circuit de transfert comprend un échangeur thermique (26, 34). 10. Machine selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que le circuit de transfert comporte un dispositif d'épuration du fluide (27, 35). 11. Machine selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que le piston de grand diamètre (3) contient plusieurs conduits identiques et symétriques (18, 18'), reliés entre eux par des circuits internes (20, 21) pour constituer ensemble un deuxième couple à volume variable, chacun de ces conduits (18, 18') recevant des pistons identiques (19, 19') et recevant le même mouvement alternatif.