Brevet FR2718493A1 — publié le 19951013

" Rondelle de butée pour compresseur rotatif " La présente invention concerne un compresseur ro- tatif comprenant: un carter; un ensemble de bloc cylindre monté à l'intérieur du carter, cet ensemble de bloc cylin- dre comportant une paroi d'extrémité et un alésage formant une paroi latérale; un rouleau monté à l'intérieur de cet alésage pour comprimer du fluide; un mécanisme d'entraîne- ment disposé à l'intérieur du carter pour actionner le rou- leau, ce mécanisme d'entraînement comprenant un vilebrequin fixé au rouleau et se trouvant logé au moins partiellement à l'intérieur de l'alésage, ce vilebrequin comportant une partie d'excentrique munie d'une face axiale, le rouleau étant disposé autour de la partie d'excentrique Ainsi, l'invention concerne les compresseurs ro- tatifs hermétiques pour comprimer du réfrigérant dans des systèmes de réfrigération tels que des réfrigérateurs, des congélateurs, des conditionneurs d'air et analogues. En particulier, la présente invention concerne la réduction de la charge de frottement du vilebrequin et de l'excentrique. En général, les compresseurs rotatifs hermétiques de l'art antérieur comprennent un carter dans lequel sont montés un moteur et un bloc cylindre de compresseur. Le moteur entraîne un vilebrequin pour faire tourner un rotor ou un rouleau (piston) à l'intérieur du cylindre. Une ou plusieurs ailettes sont montées en glissement dans des fen- tes placées à travers les parois du cylindre pour séparer des zones à la pression d'aspiration et à la pression de décharge à l'intérieur de l'alésage du cylindre. Les ailet- tes, coopérant avec le rotor et la paroi du cylindre, for- ment la structure de compression du réfrigérant à l'intérieur de l'alésage du cylindre. Les pièces actives des compresseurs rotatifs her- métiques sont usinées avec des tolérances extrêmement pré- cises et les surfaces de ces pièces sont soumises à un haut degré de finition pour éviter les fuites et fournir ainsi un compresseur à très haut rendement. Le fait d'éviter les fuites de réfrigérant des zones haute pression vers les zo- nes basse pression, est d'importance primordiale pour aug- menter le rendement du compresseur. L'un des problèmes rencontrés dans les disposi- tifs de compresseurs hermétiques de l'art antérieur, a été la charge de frottement élevée entre le bout de l'ailette et le piston de roulement, et entre le piston et la paroi du cylindre. L'ailette doit nécessairement être fortement chargée contre le piston pour éviter les fuites de réfrigé- rant comprimé. Parfois, une quantité d'huile insuffisante atteint les zones d'usure critique du bout de l'ailette et du piston, ce qui augmente le taux d'usure de chacune de ces zones. Une réduction de la charge de frottement sur le bout de l'ailette devrait réduire l'usure et augmenter le rendement du compresseur. Des sources supplémentaires d'usure et de frottement se situent à l'interface entre le palier intérieur et l'excentrique à l'intérieur du bloc cy- lindre. Le brevet U.S. No. 3 343 782 décrit un rotor muni d'éléments en forme de rondelles fixés à chaque extrémité du rotor par des plaques d'extrémités. Ces éléments en forme de rondelles sont des rondelles flexibles en carbone qui forment des surfaces d'appui entre les parois d'extré- mités du rotor et le carter. Un problème posé par cette structure est qu'elle nécessite de meuler les faces des rondelles pour supprimer les barbes. De plus, les éléments de rondelles ne facilitent pas le passage de l'huile entre le rotor et les parois d'extrémités du carter, ce qui peut éventuellement augmenter le bruit du compresseur. Le brevet U.S. No. 2 864 552 décrit une plaque de support d'arbre comportant une rainure en spirale à départs multiples s'étendant en travers de la partie centrale de la plaque. Cette rainure sert à maintenir une charge d'air comprimé sur les paliers, mais n'est pas spécialement uti- lisée pour transférer l'huile aux surfaces de glissement. Un problème potentiel posé par cette plaque d'extrémité, est que sa forme ne contrôle pas le jeu d'extrémité de l'arbre. Un problème supplémentaire rencontré dans les compresseurs rotatifs à arbre vertical, est une charge axiale propre au vilebrequin qui est due à l'orientation verticale de ce vilebrequin. Un défaut d'alignement de la position axiale du rotor par rapport au stator, est la principale source de charge du tourillon côté excentrique. Le stator, lorsqu'il est excité, a tendance à centrer le rotor dans le fer du stator. Suivant la position du rotor, cette force nette peut être dirigée vers le haut ou vers le bas. Cette charge provoque une augmentation du frottement entre les parties du vilebrequin et des paliers qui glis- sent les unes contre les autres, en particulier sur les tourillons côté excentrique de l'excentrique du vilebre- quin, qui glissent contre les parois d'extrémités du bloc cylindre. Cette augmentation de l'usure de frottement ré- duit le rendement du compresseur. La présente invention remédie aux inconvénients des compresseurs rotatifs selon l'art antérieur décrits ci- dessus, en créant une rondelle de butée en polymère dispo- sée entre la face de l'excentrique du vilebrequin et la face du bloc cylindre, de manière à répartir ainsi la charge axiale du vilebrequin et à simplifier l'usinage de ce vilebrequin. Plus précisément, l'invention fournit deux ron- delles de polymère en forme de croissant adaptées aux sur- faces de face de l'excentrique du vilebrequin. Chaque rondelle de polymère s'engage à la fois contre l'excentri- que du vilebrequin et contre une paroi d'extrémité du bloc cylindre. Les faces des rondelles sont munies de rainures spiralées ou courbées pour répartir l'huile et réduire la surface de contact de frottement. En contrôlant l'épaisseur des rondelles, on peut en outre contrôler le jeu d'extrémi- té du vilebrequin. Un avantage du compresseur rotatif de la présente invention est que les deux rondelles de polymère en forme de croissant répartissent uniformément la charge du vile- brequin en réduisant ainsi les surfaces de contraintes éle- vées localisées et en conduisant à une plus longue durée de vie du compresseur. Un autre avantage du compresseur rota- tif de la présente invention est que les rondelles de poly- mère réduisent le son émis par le compresseur en supprimant le son de l'excentrique se déplaçant contre les parois d'extrémités du bloc cylindre. Un autre avantage encore du compresseur rotatif de la présente invention est que les rondelles de polymère simplifient l'usinage du vilebrequin en supprimant la né- cessité de meuler la face de la surface de butée intermit- tente du vilebrequin (surface de la face d'excentrique), et l'évacuation des barbes formées par le processus de meu- lage. L'invention, sous une forme de celle-ci, fournit un compresseur rotatif comportant un ensemble de bloc cy- lindre monté à l'intérieur d'un carter. L'ensemble de bloc cylindre comprend un alésage muni d'une paroi latérale et d'une paroi d'extrémité. Un piston à rouleau destiné à com- primer le fluide est placé à l'intérieur de l'alésage en étant relié à un mécanisme d'entraînement par un vilebre- quin monté à l'intérieur de l'alésage. Le vilebrequin com- prend en outre une partie d'excentrique présentant une face axiale, le piston à rouleau étant disposé autour de la par- tie d'excentrique. Une rondelle en forme de croissant est disposée entre la face axiale de l'excentrique et la paroi d'extrémité de l'ensemble de bloc cylindre, de façon que cette rondelle réduise le frottement et le jeu d'extrémité entre le vilebrequin et la paroi d'extrémité. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un compresseur rotatif typique incorporant une forme de réalisation de la présente invention; - la figure 2 est une vue en coupe agrandie du vilebrequin et du bloc cylindre du compresseur de la fi- gure 1; - la figure 3 est une vue en coupe du bloc cylin- dre, la coupe étant effectuée suivant la ligne 3-3 de la figure 2 et vue dans la direction des flèches; - la figure 4 est une vue en plan de la rondelle de butée de la présente invention placée autour d'un vile- brequin; - la figure 5 est une vue en plan de l'excentri- que auquel s'applique la présente invention; et - la figure 6 est une vue en coupe de la rondelle de butée de la présente invention, la coupe étant effectuée suivant la ligne 6-6 de la figure 4 et vue dans la direc- tion des flèches. Dans un exemple de réalisation de l'invention tel que représenté sur les dessins, et en se référant plus par- ticulièrement à la figure 1, on a représenté un compresseur muni d'un carter 12. Le carter 12 comprend une partie supérieure 11, une partie centrale 13 et une partie infé- rieure 15. Les trois parties du carter sont fixées herméti- quement les unes aux autres, par exemple par soudure ou par brasure. A l'intérieur du carter hermétiquement étanche 12 est placé un moteur désigné d'une façon générale par la ré- férence 14, ce moteur comportant un stator 16 et un rotor 18. Le stator 16 est muni d'enroulements 17. Le stator 16 est fixé au carter 12 par un emboîtement en force, par exemple par un ajustage à contraction. Le rotor 18 comporte dans celui-ci une ouverture centrale 22 dans laquelle un vilebrequin 24 est fixé par un emboîtement en force, tandis qu'un contrepoids 19 est fixé au rotor 18. Une boîte à bor- nes 26 est montée sur la partie supérieure 11 du compres- seur 10 pour le branchement du moteur 14 à une source d'alimentation électrique. Un support ou élément de châssis intérieur 28 est fixé au carter 12, au-dessous du moteur 14, par un emboîtement en force ou par soudure. Un carter d'huile 29 est placé dans une partie du carter 12 de ma- nière à fournir une alimentation de lubrifiant au mécanisme de compresseur 30 monté sur le support intérieur 28. Le mécanisme de compresseur 30 est fixé à la fois au support intérieur 28 et au carter 12. Bien qu'il soit représenté au-dessous du moteur 14, le mécanisme de com- presseur 30 peut, en variante, être placé au-dessus du mo- teur 14. Un tube de décharge de réfrigérant 32 traverse la partie supérieure 11 du carter, et une extrémité de ce tube de décharge pénètre à l'intérieur 34 du carter de compres- seur 12, comme représenté sur la figure 1. Le tube de dé- charge 32 est fixé de manière étanche au carter 12 par soudure. De la même manière, un tube d'aspiration 33 pénè- tre à l'intérieur du carter de compresseur 12 (figure 1) pour passer dans un orifice d'aspiration 56. Comme représenté sur la figure 2, le mécanisme de compresseur 30 comprend un bloc cylindre 36 muni d'un alé- sage 38 dans lequel est disposé un piston ou rouleau 40. Un support extérieur 37 formant une paroi d'extrémité 39, est fixé axialement vers l'extérieur sur un côté du bloc cylin- dre 36, tandis que l'autre côté est constitué par le pa- lier intérieur 28 formant une autre paroi d'extrémité 41. Le support intérieur 28, le bloc cylindre 36 et le support extérieur 37 forment ensemble un dispositif de bloc cylin- dre 49. L'alésage 38 et les parois d'extrémités 39 et 41 définissent l'espace de compression du mécanisme de com- presseur 30. La paroi d'extrémité 39 du support extérieur 37 supporte en rotation le vilebrequin 24 par son extrémité distale, comme cela sera décrit plus en détails ci-après. Le bloc cylindre de compresseur 36, le support intérieur 28 et le support extérieur 37 sont fixés ensemble par des boulons 43 dont l'un est représenté à la figure 1. En se référant à la figure 3, on peut voir qu'une pluralité de trous de dégagement 45 sont percés dans le bloc cylindre 36 pour fixer ensemble les supports 28, 37 et le bloc cy- lindre 36. Une plaque de silencieux de décharge 47 est fixée au support intérieur 28 par des boulons 43, comme in- diqué à la figure 1. Le vilebrequin 24 est muni d'un excentrique 42 qui tourne autour de l'axe du vilebrequin lorsque ce vile- brequin 24 est entraîiné en rotation par le moteur 14. L'ex- centrique 42 placé à l'intérieur du piston 40, est réalisé sous la forme d'une partie du vilebrequin 24. En variante, l'excentrique 42 peut être constitué par un élément séparé qu'on boulonne ou qu'on fixe sur le vilebrequin 24. L'ex- centrique 42 comprend une surface de face axiale supérieure essentiellement plane 44, et une surface de face axiale in- férieure essentiellement plane 46, ces deux surfaces venant chacune en face des parois d'extrémités 39 et 41 du méca- nisme 30. Dans les compresseurs rotatifs antérieurs, la surface inférieure 46 devait parfois glisser contre la pa- roi d'extrémité 39 en créant un frottement à l'intérieur du compresseur 10. Comme représenté aux figures 2 et 3, à l'inté- rieur du bloc cylindre 36 se trouve un orifice d'aspira- tion 52 se reliant à l'alésage de cylindre 38, et un orifice de décharge 54 communiquant également avec l'alé- sage 38. L'orifice d'aspiration 52 est emboîté en force sur un tube d'aspiration 33 qui pompe le réfrigérant de l'éva- porateur d'un système de réfrigération (non représenté). L'orifice de décharge 54 est en communication avec l'inté- rieur 34 du compresseur 10 au-delà d'une soupape de dé- charge (non représentée). L'intérieur du compresseur 34 est en outre en communication avec un système de réfrigérant associé (non représenté), par l'intermédiaire d'un tube de décharge 32. En se référant à la figure 3, on peut voir que le bloc cylindre 36 comprend une fente d'ailette 58 formée dans sa paroi latérale cylindrique 38, fente dans laquelle est reçue une ailette glissante 60. Le bout 61 de l'ailette glissante 60 s'engage de façon continue contre le piston 40 car l'ailette 60 est poussée par un ressort 62 logé dans une poche de ressort 64. Pendant le fonctionnement, lorsque le piston 40 roule à l'intérieur de l'alésage de cylindre 38, du réfrigérant doit pénétrer dans l'alésage 38 par l'orifice d'aspiration 52. Ensuite, le volume de compres- sion enfermé par le piston 40, l'alésage de cylindre 38 et l'ailette glissante 60, diminue de taille lorsque le piston se déplace dans le sens des aiguilles d'une montre à l'intérieur de l'alésage 38. Le réfrigérant contenu dans ce volume doit donc être comprimé, et sort par l'orifice de décharge 54. Le mécanisme de compresseur indiqué ci-dessus n'est présenté qu'à simple titre d'exemple, et il est évi- dent qu'on peut envisager l'utilisation d'autres moyens à pistons pour comprimer du gaz à l'intérieur de l'alésage 38, sans sortir de l'esprit et du cadre de la présente in- vention. Une pompe à huile centrifuge conventionnelle 100 est associée en fonctionnement à l'extrémité du vilebrequin 24 qui est immergé dans le carter d'huile 29. Pendant le fonctionnement, la pompe à huile 100 pompe de l'huile de lubrification vers le haut par un passage d'huile 66 par- tant longitudinalement du vilebrequin. La présente invention, dans une forme de réalisa- tion de celle-ci, incorpore une rondelle de polymère en forme de croissant 70, comme représenté sur la figure 4. Le bord extérieur circulaire 71 présente un diamètre générale- ment légèrement plus petit que le diamètre de l'excentrique 42, de manière à ne pas gêner le piston 40. Le bord inté- rieur 73 de la rondelle 70 est de forme circulaire et en- cercle d'une façon générale le vilebrequin 24 lorsque la rondelle 70 est fixée à l'excentrique 42. Le bord extérieur 71 et le bord intérieur 73 sont de rayons différents mais sont reliés aux points 75 pour donner ainsi à la rondelle sa forme de croissant. Une rondelle en croissant 70 est adaptée sur chacune des extrémités planes 44, 46 de l'ex- centrique 42 (figure 2). Chaque rondelle 70 comprend une surface de face extérieure 72 et une surface de face inté- rieure 74. Les termes d'extérieure et d'intérieure concer- nent respectivement la direction s'écartant de l'excentrique 42 et la direction se rapprochant de l'excen- trique 42. Comme représenté sur la figure 4, la surface de face extérieure 72 de la rondelle 70 comprend sur celle-ci une pluralité de rainures spiralées ou courbées 76. D'au- tres types de rainures telles que des rainures radiales à moletage inverse, des rainures courbes taillées en losange dans différentes directions, ou autres, pourraient être utilisées pour réduire la surface de contact. Le but des rainures courbes est de répartir ou d'étaler l'huile en travers de la surface de paroi d'extrémité. Les rainures spiralées ou courbées représentées figure 4 constituent le type préféré pour obtenir la répartition d'huile maximum. Ces rainures 76 facilitent la répartition de l'huile entre la rondelle 70 et les parois d'extrémités 39 et 41 du méca- nisme de compresseur 30. Il n'y a pas besoin d'autres modi- fications du système de lubrification pour augmenter le débit de l'huile. Les autres parties du système de lubrifi- cation sont connues d'après le brevet U.S. 5 022 146 déli- vré au titulaire de la présente invention et expressément incorporé ici. Les courbes 76 de la surface de face exté- rieure 72 des rondelles 70, réduisent encore le frottement entre l'excentrique 42 et les parois d'extrémités 39 et 41, car la surface de contact entre l'excentrique 42 et les pa- rois d'extrémités 39 et 41, est réduite. Les figures 5 et 6 montrent comment les rondelles 70 sont de préférence fixées à l'excentrique 42. Une cavité 78 est formée dans la surface plane de l'excentrique 42 pour la fixation de la rondelle 70 à l'excentrique 42. Bien que la cavité 78 soit représentée sous la forme d'un trou borgne circulaire, la cavité 78 peut, en variante, présen- ter d'autres formes pour positionner la rondelle 70 sur l'excentrique 42. La rondelle en forme de croissant 70 com- porte une saillie 80 sur sa surface de face intérieure 74. Lorsque la rondelle est montée, la saillie 80 vient se lo- ger dans la cavité 78 pour éviter que la rondelle 70 ne glisse sur l'excentrique 42. La rondelle 70 est maintenue en place par la saillie 80 et par le bord intérieur 73 s'engageant autour du vilebrequin 24. En variante, on peut utiliser d'autres procédés de fixation des rondelles 70 au vilebrequin 24 et à l'excentrique 42. De plus, la saillie et la cavité peuvent être mécaniquement inversées de façon qu'une partie de l'excentrique 42 s'emboîte dans la ron- delle 70. La fixation des rondelles 70 au vilebrequin 24 et à l'excentrique 42, supprime la nécessité de meuler les surfaces du vilebrequin 24 ou de l'excentrique 42 qui, dans le passé, venaient en contact avec les parois d'extrémités 39 et 41. Les rondelles 70 sont réalisées dans un polymère plastique à haute résistance tel que du Téflon (PTFE), du Vespel (Polyimide) ou autres polymères, avec divers addi- tifs d'onctuosité. D'autres matériaux pourraient également être utilisés pour réaliser les rondelles 70. En utilisant un matériau polymère, on réduit le bruit associé au vile- brequin 24 se déplaçant entre les deux surfaces du bloc cy- lindre 36. De plus, les rondelles 70 servent de pare-chocs élastiques pour contrôler les chocs et réduire le bruit en- tre le vilebrequin 24 et le mécanisme de compresseur 30. En contrôlant l'épaisseur de la rondelle 70, on contrôle en outre le jeu d'extrémité du vilebrequin. Suivant les tolé- rances spécifiques du mécanisme de compresseur 30, du pis- ton 40 et du vilebrequin 24, on peut rendre les rondelles plus épaisses ou plus minces pour réduite ainsi le jeu d'extrémité du vilebrequin. L'utilisation de la rondelle 70 contribue à répartir uniformément la charge axiale du vile- brequin, tout en augmentant la lubrification et en rédui- sant les zones à contraintes élevées, ce qui conduit ainsi à une augmentation de la durée de vie du compresseur. R E V E N D I C A T IONS 1. Compresseur rotatif (10) comprenant: un car- ter (12); un ensemble de bloc cylindre (36) monté à l'in- térieur du carter, cet ensemble de bloc cylindre comportant une paroi d'extrémité (41) et un alésage (38) formant une paroi latérale; un rouleau (40) monté à l'in- térieur de cet alésage pour comprimer du fluide; un méca- nisme d'entraînement (14) disposé à l'intérieur du carter pour actionner le rouleau, ce mécanisme d'entraînement com- prenant un vilebrequin (24) fixé au rouleau et se trouvant logé au moins partiellement à l'intérieur de l'alésage, ce vilebrequin comportant une partie d'excentrique (42) munie d'une face axiale (44), le rouleau étant disposé autour de la partie d'excentrique; compresseur caractérisé par une rondelle (70) disposée entre la face axiale de l'excentri- que et la paroi d'extrémité de l'ensemble de bloc cylindre de façon que cette rondelle réduise le frottement et le jeu d'extrémité entre le vilebrequin et la paroi d'extrémi- té. 2. Compresseur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la rondelle comprend sur celle-ci des rainu- res (76) destinées à réduire la surface de contact de frottement avec la paroi d'extrémité. 3. Compresseur selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les rainures formées sur la rondelle sont courbes. 4. Compresseur selon la revendication 2, caracté- risé en ce que l'excentrique comprend l'une d'une cavité (78) et d'une saillie (80), la rondelle comportant l'autre de la cavité et de la saillie, cette rondelle étant fixée à l'excentrique par engagement de la saillie dans la cavité. 5. Compresseur selon la revendication 4, caracté- risé en ce que la rondelle est réalisée dans un polymère plastique. 6. Compresseur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la rondelle est en forme de croissant.