Brevet FR2733550A1 — publié le 19961031

COMPRESSEUR A VIS AVEC PROTECTION DES COUPS DE LIQUIDE La présente invention se rapporte à un compresseur rotatif volumétrique du type à vis et pignon. Il est connu, par exemple par le brevet français nO 1.331.998, de construire des compresseurs comprenant une vis portant des filets tournant dans l'alésage d'un carter, et coopérant avec au moins un pignon muni de dents s'engageant dans et engrenant avec lesdits filets en définissant avec le carter des chambres de volume variable. Il est également connu par le brevet américain 5.080.568 de monter des pignons de sorte à tourner autour d'un arbre passant à travers le pignon et de localiser axialement l'arbre du pignon en le solidarisant avec le carter du côté du pignon exposé à la haute pression. La présente invention se rapporte à un compresseur pour porter un gaz d'une basse pression à une haute pression, comprenant une vis munie d'au moins un filet, tournant dans un carter et coopérant avec au moins un pignon portant des dents s'engageant dans et engrenant avec le filet, définissant avec le carter un volume pour y accroître la pression du fluide, une face des dents étant exposée au fluide à haute pression, l'autre étant exposée au fluide à basse pression, le pignon se composant d'une lame plastique dans laquelle sont formées les dents engrenant de façon étanche avec le filet et disposée du côté haute pression du pignon, soutenu par un support métallique du côté basse pression, la face haute pression de la lame plastique du pignon se trouvant en quasi-contact étanche avec une lèvre du carter, des moyens de poussée pour exercer un effort appuyant l'arbre du pignon contre des dispositifs d'arrêt, la force d'appui créée par lesdits moyens étant supérieure à la force maximale exercée sur le pignon pendant le fonctionnement normal du compresseur. Cette disposition produit l'effet remarquable de réduire substantiellement les dommages subis par le compresseur lors de ce qui est communément désigné comme un coup de liquide, sans que se produise une détérioration du profil des dents plastiques ou des caractéristiques du compresseur. Il est en effet connu dans l'industrie du froid et de l'air conditionné que sous certaines conditions, en particulier au démarrage, le compresseur peut avoir à comprimer du liquide au lieu de gaz durant une très brève période, généralement inférieure à la seconde, et ceci crée ce qui est généralement désigné comme un coup de liquide. En fait, alors que le volume de la chambre se réduit pour assurer la compression de gaz et comme le liquide est incompressible, lorsque du gaz est remplacé par du liquide des pressions énormes sont engendrées dans le filet jusqu'à ce que quelque chose casse ou que se créent des jeux par lesquels le liquide peut échapper. Les pressions créées sont alors de plusieurs fois supérieures aux pressions pour lesquelles le compresseur est conçu, généralement de 10 à 20 fois. Selon l'invention, si un tel coup de liquide se produit, la pression dans le filet crée un effort axial sur le pignon qui dépasse largement celui exercé par les moyens de poussée d'appui et le pignon se déplacera axialement, ouvrant ainsi un espace entre la face haute pression des dents et la lèvre du carter, permettant au liquide en excès dans le filet de s'échapper à travers ledit espace et ainsi de maintenir la pression dans le filet dans des limites acceptables. Cependant, lorsqu'un tel déplacement axial du pignon se produit, les flancs des dents des pignons ne se trouvent plus dans leur position de fonctionnement prévu. Il est connu qu'un tel déplacement produit le même effet que si l'on réduisait soudain la largeur du filet. Plus le déplacement est important, plus les dents doivent se distordre pour s'adapter à ce qui ressemble à des filets plus étroits.Si les dents du pignon étaient entièrement métalliques, quelque chose se romprait ou serait gravement endommagé, soit les dents, soit les filets ; le plastique est plus flexible et ne rompt pas, mais s'il restait un certain temps à la nouvelle position créée par le déplacement, il s'userait de sorte que les dents adaptent leur forme au filet apparemment plus étroit ; lorsqu'on les ramène à leur position initiale, cette usure se traduirait par des pertes par fuites accrues et par un rendement significativement réduit. Par exemple, dans des compresseurs de conditionnement d'air fournissant environ 350 kW thermiques, un recul du pignon de 0,5 mm conduit, après quelques heures de fonctionnement, à une perte irréversible de volume balayé de l'ordre de 5 %. Le résultat remarquable qui a été observé avec un compresseur selon l'invention est qu'aucune baisse de caractéristiques ne se produit, même si le compresseur est soumis à des coups de liquide répétés. Il est probable que la faible durée pendant laquelle des pressions élevées s'exercent dans le filet et déplacent le pignon de sa position normale, la relative flexibilité du plastique et sa bonne résistance à l'usure expliquent qu'aucune usure mesurable n'est en réalité infligée au pignon. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit donnée à titre d'exemple non-limitatif et des dessins joints où La figure 1 est une coupe partielle, selon la ligne I - I de la figure 2, d'une réalisation préférentielle d'une machine selon l'invention, dans l'axe d'un de ses pignons perpendiculairement à l'axe de la vis. La figure 2 est une demi-section schématique de la machine selon la ligne II - II de la figure 1. La figure 3 est une coupe partielle, comme la figure 1, d'une variante de mise en oeuvre de l'invention mettant en oeuvre un pignon à arbre rotatif. La machine représentée figure 1 est une modification selon l'invention d'une machine telle que décrite dans le brevet français 1.331.998. Une vis 1, tournant autour d'un axe 2 comporte un filet substantiellement hélicoïdal la (Fig 2) qui engrène avec des dents 3 du pignon 4. Les deux sont montés dans un carter 5 percé d'un alésage 6 dont la proximité avec le sommet lb des filets qui sépare les creux des filets successifs procure une quasi-étanchéité. En raison de l'engrènement entre la vis 1 et le pignon 4, la rotation de la vis entraîne une rotation correspondante du pignon. Le pignon est fait de façon connue d'une lame plastique 7 soutenue par un support métallique 8, ce dernier portant lui-même deux paliers 9 et 10 qui maintiennent le pignon 4 sur un arbre 11 en permettant sa rotation. L'arbre 11 voit son axe déterminé par un alésage 12 dans le carter et un alésage 13 ménagé dans un support 14, lui-même centré dans un alésage 15 du carter. Dans une telle structure le fluide à comprimer exerce la haute pression selon la direction de la flèche 16, amenant ainsi le pignon à s'appuyer sur le palier 9. Selon l'invention, des moyens de poussée tels que les rondelles-ressorts 17 poussent l'arbre 11 vers la butée 18, elle-même maintenue en position par le capot 19 fixé au carter. La longueur de la butée 18 est fixée de sorte qu'après montage, le jeu 20 entre la lèvre 21 du carter et la face de pression 22 de la dent plastique est maintenu à une valeur minimale, généralement quelques dizaines de microns. Les rondelles-ressorts 17 sont calculées de telle sorte qu'après assemblage, la poussée qu'elles exercent dépasse la charge axiale créée par la haute pression agissant selon la flèche 16. On les choisit typiquement pour que leur force représente 150 à 200 % de la poussée maximale subie par le pignon quand le compresseur fonctionne sous les pressions extrêmes pour lesquelles il est conçu. Le fonctionnement du système est le suivant Si à un moment donné, généralement au démarrage, des volumes appréciables de liquide sont absorbés par le compresseur, la pression dans le filet augmente soudain pour atteindre des valeurs très supérieures aux valeurs maximales de service ; par exemple, dans des compresseurs de conditionnement d'air conçus pour monter à des pressions de 24000 ou 28000 hPa, la pression de pointe peut atteindre 200000 ou 300000 hPa. La poussée sur le pignon devient alors bien supérieure à celle exercée par les rondelles-ressorts qui se trouvent alors comprimées, permettant à l'arbre du pignon de se mouvoir axialement et d'ouvrir le jeu 20, et ainsi à la pression dans le filet de baisser. Bien qu'un tel déplacement du pignon ne soit pas instantané en raison de l'inertie du pignon, il est efficace pour réduire la pression dans le filet au démarrage, lorsque les filets sont remplis de liquide et que le moteur peine à faire tourner la vis. En effet, au moment du démarrage, le couple du moteur atteint environ le triple du couple nominal maximal et crée un effort sur les pignons qui dépasse la poussée des rondelles-ressorts, relâchant ainsi la pression et permettant au moteur d'atteindre sa vitesse maximale ; une fois le compresseur à vitesse nominale, en réduisant la durée pendant laquelle les pignons sont soumis à des pressions extrêmes, ce déplacement réduit spectaculairement les efforts de fatigue imposés aux composants du compresseur par des coups de liquide répétés. Dès que le liquide a disparu et que la compression normale du gaz a repris, les rondelles-ressorts repoussent l'arbre 11 contre la butée 18 et ramènent le jeu 20 à ses valeurs normales de quelque dizaines de microns. L'épaisseur des rondelles-ressorts est généralement choisie pour limiter le déplacement axial du pignon à des valeurs dépendant du plastique et de ses dimensions, en particulier son épaisseur ; comme indiqué plus haut, le déplacement axial du pignon semble réduire la largeur du filet vue par le pignon et un déplacement excessif pourrait conduire à des dommages permanents ; mais des déplacements de l'ordre de 0,5 et même 1 mm se sont révélés acceptés par les dents plastiques sans dommage. Comme indiqué plus haut, en raison de la très brève durée du coup de liquide, la dent de pignon ne subit aucune usure permanente et les caractéristiques du compresseur restent inchangées. L'invention a été décrite avec un pignon tournant autour d'un arbre fixe mais pourrait être appliquée à d'autres dispositions, par exemple lorsque l'arbre du pignon est solidaire du support de pignon et tourne avec lui, et que les paliers tenant le pignon sont directement montés dans le carter. Dans ce cas, les moyens de poussée 17a pousseraient le palier contre le flasque 18a assujetti au support 14a par des écrous 22 comme représenté figure 3. L'invention ne se trouverait pas modifiée substantiellement si les rondelles-ressorts 17 utilisées pour créer la poussée maintenant l'arbre du pignon contre la butée 18 étaient remplacées par d'autres moyens d'engendrer une poussée, tels qu'un piston agissant sous la pression d'un gaz, par exemple la haute pression d'échappement, le piston ayant une section suffisante pour que sa poussée soit supérieure, dans tous les cas hormis coup de liquide, à la force appliquée aux dents du pignon par le gaz en compression. L'invention s'appliquerait également si les moyens d'arrêt contre lesquels le pignon est poussé par les moyens de poussée étaient localisés, non pas dans le carter du côté haute pression du pignon, mais à un autre emplacement. Par exemple, l'invention s'applique au cas où les moyens d'arrêt sont localisés sur le côté basse pression de l'axe 11. De tels moyens pourraient être une goupille étendue perpendiculairement à travers l'arbre 11 dans la région de l'alésage et dans un trou oblong pratiqué dans le support 14. Alors, dans la position extrême, quand il est pressé par les moyens de poussée, le jeu 20 est à la valeur désirée de quelques dizaines de microns. Dans l'autre position extrême, de la goupille dans le trou oblong, le jeu 20 atteint la valeur de 0,5 mm, ou même 1 mm. Cependant, une construction telle que sur la figure 1 où l'arbre est poussé contre les moyens d'arrêt solidaires du côté haute pression du carter est meilleure car, dans des conditions normales de fonctionnement, le jeu 20 n'est pas affecté par des distorsions du carter dues à des changements de pression ou de température qui produisent des déplacements relatifs, du même ordre de grandeur ou supérieurs au jeu prévu 20. REVENDICATIONS 1.Compresseur pour porter un gaz d'une basse pression à une haute pression, comprenant une vis (1) munie d'au moins un filet (la), tournant dans un carter (5) et coopérant avec au moins un pignon (4) portant des dents (3) s'engageant dans et engrenant avec le filet, définissant avec le carter un volume pour y accroître la pression du fluide, une face des dents étant exposée au fluide à haute pression, l'autre étant exposée au fluide à basse pression, le pignon se composant d'une lame plastique (7) dans laquelle sont formées les dents engrenant de façon étanche avec le filet et disposée du côté haute pression du pignon, soutenu par un support métallique (8) du côté basse pression, la face haute pression de la lame plastique du pignon se trouvant en quasi-contact étanche avec une lèvre (21) du carter, des moyens de poussée (17) pour exercer un effort appuyant l'arbre (11) du pignon (4) contre des dispositifs d'arrêt (18), la force d'appui créée par lesdits moyens étant supérieure à la force maximale exercée sur le pignon pendant le fonctionnement normal du compresseur. 2.Compresseur pour porter un gaz d'une basse pression à une haute pression, comprenant une vis (1) munie d'au moins un filet (la), tournant dans un carter (5) et coopérant avec au moins un pignon (4) portant des dents (3) s'engageant dans et engrenant avec le filet, définissant avec le carter un volume pour y accroître la pression du fluide, une face des dents étant exposée au fluide à haute pression, l'autre étant exposée au fluide à basse pression, le pignon se composant d'une lame plastique (7) dans laquelle sont formées les dents engrenant de façon étanche avec le filet et disposée du côté haute pression du pignon, soutenu par un support métallique (8) du côté basse pression, la face haute pression de la lame plastique du pignon se trouvant en quasi-contact étanche avec une lèvre (21) du carter, des moyens de poussée (17) pour exercer un effort appuyant l'arbre (11) du pignon (4) contre des dispositifs d'arrêt (18) placés dans le carter du côté haute pression, la force d'appui créée par lesdits moyens étant supérieure à la force maximale exercée sur le pignon pendant le fonctionnement normal du compresseur.