Brevet FR2734604A1 — publié le 19961129

l La présente invention concerne un compresseur de réfrigération comprenant: un carter; un châssis com- prenant un moyeu de support, ce moyeu de support définis- sant un premier alésage vertical et comportant une face d'extrémité supérieure, le châssis étant monté à l'inté- rieur du carter; un moteur comprenant un stator et un ro- tor, le rotor définissant un second alésage et une cavité contre-percée; un vilebrequin venant se loger dans la ca- vité et se fixant au rotor, ce vilebrequin étant disposé dans le premier alésage vertical; un bloc de pompe entrai- né par le vilebrequin; et un palier de butée annulaire em- boîté à la presse dans la cavité et comprenant une surface de support annulaire inférieure, cette surface de support inférieure s'engageant contre la face d'extrémité supé- rieure du moyeu pour former une paire de frottement. L'invention concerne d'une façon générale les compresseurs de réfrigération hermétiques et en particulier les compresseurs de réfrigération à faible capacité utili- sés dans des applications domestiques. Plus particulière- ment, l'invention concerne des dispositifs de paliers de butée destinés à supporter des combinaisons d'un rotor ver- tical et d'un vilebrequin, qui sont couramment associées aux compresseurs de réfrigération. Un domaine de préoccupation associé depuis longtemps à de tels compresseurs, ainsi qu'à d'autres ma- chines, est la quantité de frottement mécanique qui se pro- duit à l'intérieur du compresseur pendant le fonctionnement. Le rendement d'un compresseur est quantifié comme le rapport de rendement en énergie (EER), qu'on ob- tient en divisant la puissance de sortie du compresseur en watts ou en BTU/heure, par la puissance consommée par le compresseur dans des conditions de fonctionnement normales. Selon cette relation, il devient clair qu'une manière d'augmenter le rendement d'un compresseur consiste à dimi- nuer la quantité de puissance consommée par le compresseur sans affecter défavorablement sa puissance de sortie en watts ou en BTU/heure. Une source de consommation de puissance à l'in- térieur du compresseur est le frottement mécanique entre le moyeu du châssis de support et la combinaison du rotor ro- tatif et du vilebrequin. De nombreux types de paliers de butée ont été utilisés pour diminuer le frottement mécani- que et réduire ainsi la puissance consommée par un compres- seur. Les paliers de butée du passé ont été des paliers en acier usiné, du type lisse ou à film d'huile, des paliers à couches multiples, des paliers en matériaux composites, ou des dispositifs de roulements à billes, pour n'en nommer que quelques uns. Les problèmes associés aux paliers de bu- tée selon l'art, antérieur comprennent les problèmes sui- vants: gauchissement des paliers en cuivre et en alliages de cuivre; coûts associés aux paliers en métal, en maté- riaux d'alliages ou à couches multiples, et aux dispositifs de roulements à billes; et complexités de fabrication as- sociées aux dispositifs de roulements à billes. En particulier, les paliers de butée du type à roulements à billes utilisent une paire de rondelles de bu- tée plates qui servent de chemins de roulement entre les- quels les billes sont montées dans une cage en matière plastique. En général, les paliers de butée du type à rou- lements à billes nécessitent un couple de démarrage plus faible que les paliers du type à film de fluide. Cependant, une fois qu'ils fonctionnent sous un film hydrodynamique, les paliers de butée du type à film de fluide présentent des caractéristiques de frottement comparables à celles des paliers du type à roulements à billes. L'un des inconvénients des paliers de butée du type à roulements à billes, est la nécessité d'utiliser un métal résistant à la corrosion acide, complètement durci, pour les éléments de roulement et les rondelles de butée plates. La matière plastique utilisée pour la fabrication de la cage de roulement, est sensible à la température et présente une température de service en régime continu plus faible que celle des billes métalliques et des rondelles de butée. Un autre inconvénient est la nécessité d'utiliser des pièces multiples (billes, cage, support, et deux rondelles), ce qui augmente les coûts de production et con- duit à des paires de frottement supplémentaires. De plus, les paliers du type à roulements à billes produisent plus de bruit que les paliers du type à film de fluide. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne, à cet effet, un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que la paire de frottement présente un faible coefficient de frottement. Selon la présente invention, le frottement mé- canique associé à la combinaison d'un rotor vertical et d'un vilebrequin lorsqu'elle repose et tourne sur le moyeu de support du châssis, est réduit à la fois au démarrage et pendant le fonctionnement du compresseur, par l'utilisation d'un palier de butée réalisé dans un matériau de polyamide. En emboîtant à la presse le palier de butée à l'intérieur du contre-trou formé dans le rotor, on empêche la rotation du palier de butée par rapport au rotor. Il en résulte un contact de rotation entre une paire de frottement unique constituée par la surface inférieure du palier de butée s'appuyant contre la face d'extrémité supérieure du moyeu de support, ce qui réduit la quantité de frottement mécani- que à l'intérieur du compresseur. En réduisant le frotte- ment provoqué par la réaction radiale du vilebrequin au démarrage et pendant le fonctionnement du compresseur, la présente invention augmente le rendement d'ensemble du com- presseur. Le matériau de polyamide utilisé pour former le palier de butée de la présente invention, est caractérisé par un très faible coefficient de frottement statique et cinétique. Il en résulte qu'un frottement mécanique réduit et une consommation de puissance réduite sont associés au démarrage et au fonctionnement du compresseur. Un autre avantage caractéristique associé au polyamide est sa stabi- lité thermique dans une large plage de températures. Des paliers de butée en polyamide, même non lubrifiés, sont ca- pables de supporter environ 136 077 kg/0,30 m/ 0,025 m/minute (300 000 livres/pied/pouce/min.) avec une température de contact maximum de 3930C (7400F). De l'huile de lubrification est distribuée par le vilebrequin à la surface du palier de butée, ce qui ré- duit encore le coefficient de frottement pendant le fonc- tionnement du compresseur. Des paliers de butée en polyamide convenablement lubrifiés peuvent supporter envi- ron 6,84.109Pa x 0,3 m/min. (1 million de KPSI x pied/minute). Un certain nombre de rainures s'étendant ra- dialement sont prévues dans la surface du palier de butée pour augmenter ainsi la distribution de l'huile de lubrifi- cation à la zone de contact palier/moyeu. Dans le mode de réalisation préférentiel, la face d'extrémité du moyeu de support est meulée à une fini- tion lisse et l'on applique une opération de polissage fin, ce qui réduit encore le coefficient de frottement entre la surface du moyeu et la surface du palier de butée. Bien que la finition de surface ne soit pas critique, cette finition a un effet sur les performances. Plus la surface est lisse, plus les performances sont bonnes. Par suite, un avantage de la présente invention est de réduire les coefficients de frottement statique et cinétique associés au palier de butée du compresseur, ce qui conduit à une réduction de la consommation de puissance et à une augmentation du rendement d'ensemble du compres- seur. Un autre avantage de la présente invention est de réduire les coûts associés aux dispositifs de paliers traditionnels, en utilisant un montage par emboîtement à la presse et une construction en une seule pièce du palier de butée en polyamide. D'autres avantages encore de la présente inven- tion sont: un amortissement des vibrations, une absence de corrosion, une stabilité thermique dans une large plage de températures, et une résistance supérieure aux produits chimiques et à l'abrasion. Dans une forme de réalisation, le compresseur de réfrigération de la présente invention comprend un car- ter, un bloc de support, un moteur, un vilebrequin et un dispositif de palier de butée annulaire. Le bloc de support comprend un moyeu de support comportant une face d'extrémi- té supérieure et définissant un alésage vertical. Le moteur est constitué de l'ensemble d'un stator et d'un rotor con- centriques dans lequel le rotor comporte une ouverture in- térieure qui reçoit le vilebrequin, et une ouverture extérieure comportant une paroi intérieure. Le stator en- toure le rotor et se monte sur le bloc de support. Le vile- brequin est fixé concentriquement au rotor et passe à travers l'alésage vertical du moyeu de support. Le disposi- tif de palier de butée annulaire est emboîté à la presse dans l'ouverture extérieure du rotor, de façon que, lorsque le vilebrequin est disposé dans l'alésage vertical du moyeu de support, le palier de butée s'engage contre la face d'extrémité supérieure du moyeu de support. Le palier de butée est caractérisé par une surface de support inférieure lisse présentant un faible coefficient de frottement. Des rainures s'étendant radialement sont formées dans la sur- face inférieure du palier de butée pour faire communiquer l'huile de lubrification entre le dispositif de palier de butée et la face d'extrémité supérieure du moyeu de sup- port. La face d'extrémité supérieure du moyeu de support est meulée à une surface lisse pour réduire encore le coef- ficient de frottement entre la paire de frottement. Dans le mode de réalisation préférentiel, le palier de butée en polyamide est réalisé en Torlon fabriqué par Amoco, ou en Vespel fabriqué par DuPont. Les limites du PV défini comme le produit de la charge ou pression (P) par la vitesse de glissement (V), associé au matériau de palier en Vespel non lubrifié sous un mouvement continu, sont de 136077 kg/0,3 m/0,025 m/minute (300 000 livres/pied x pouce/min.), avec une température de contact maximum de 393 C (740 F), ce qui dépasse largement les limites du ny- lon non chargé. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation re- présentés sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure i est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation du compresseur de réfrigération de la présente invention; - la figure 2 est une vue de dessous du palier de butée destiné à être utilisé dans le compresseur de la présente invention; - la figure 3 est une vue de côté partielle, agrandie, du palier de butée de la figure 2, représentant une rainure d'huile de lubrification formée dans celui-ci et vue dans le sens des flèches 3-3 de la figure 2; - la figure 4 est une vue en coupe transversale du palier de butée de la figure 2; - la figure 5 est une vue en coupe transver- sale, partielle, représentant le vilebrequin, le rotor, le moyeu de support et le palier de butée du compresseur de réfrigération de la figure 1; et - la figure 6 est une vue en coupe transversale d'un second mode de réalisation du compresseur de la pré- sente invention. Des références correspondantes désignent les parties correspondantes dans toutes les différentes vues. Les exemples décrits ici illustrent un mode de réalisation préférentiel de l'invention, sous une forme de celui-ci, mais ces exemples ne doivent pas être considérés comme li- mitant d'une manière quelconque la portée de l'invention. En se référant maintenant aux dessins, et plus particulièrement à la figure 1, celle-ci représente un com- presseur alternatif 20 sous une forme de réalisation qui n'est fournie que comme exemple d'un type de compresseur dans lequel le palier de butée de la présente invention peut être mis en oeuvre. Comme le palier de butée de la présente invention peut être utilisé dans des configura- tions de compresseur nombreuses et variées, l'invention n'est pas limitée au compresseur illustré à la figure 1. Le brevet U.S. No. 5 160 247 déposé par le man- dataire de la présente invention et incorporé ici à titre de référence, donne une description détaillée du fonction- nement d'un compresseur de réfrigération compatible avec la présente invention. Le compresseur de réfrigération 20 comprend d'une façon générale un carter ou coque 22, un moteur 24, un vilebrequin 26, un châssis 28 et un carter d'huile 30. Le carter 22 est constitué d'une partie de carter supé- rieure 32 et d'une partie de carter inférieure 34 qui sont fixées hermétiquement l'une à l'autre par soudage ou par brasage. Une collerette de monture 36 est soudée à la par- tie de carter inférieure ou de fond 34 pour monter le com- presseur dans une position stable. Le moteur 24 est constitué d'un stator 38 fixé au châssis 28, et d'un rotor muni d'un alésage 42 dans lequel le vilebrequin 26 est fixé par un emboîtement en force. Le poids de la combinai- son du rotor et du vilebrequin est supporté d'une façon gé- nérale par le châssis 28. Un moyeu de support 44 fait saillie vers le haut sur le châssis 28, le centre de ce moyeu définissant un alésage de support vertical 46. Le vi- lebrequin 26 est monté en rotation pour tourner à l'inté- rieur de l'alésage de support vertical 46. Une cavité contre-percée 48 est formée dans la partie inférieure du rotor 40, de façon que le rotor soit disposé autour du moyeu de support 44 avec le vilebrequin 26 monté en rota- tion dans l'alésage de support vertical 46. Le poids de la combinaison du rotor et du vilebrequin est supporté direc- tement par le moyeu de support 44 à l'endroit de la face d'extrémité supérieure 50. Le dispositif de palier de butée 52 est réalisé. dans un matériau de polyamide tel que du Torlon fabriqué par Amoco ou du Vespel fabriqué par DuPont. Le palier de butée 52 est constitué d'une surface inférieure 54, d'une paroi annulaire extérieure 55, de canaux rainurés 56, et d'une surface supérieure 57. La surface inférieure lisse 54 est caractérisée par de faibles coefficients de frottement statique et cinétique. Les canaux rainurés 56 s'étendent radialement en travers de la surface intérieure 54 et font communiquer l'huile de lubrification pour lubrifier la sur- face inférieure 54 et la face d'extrémité supérieure 50 du moyeu. Les figures 2 et 4 illustrent le palier de butée 52 dans une forme de réalisation particulière comprenant trois rainures 56 espacées radialement par des angles égaux de sur la surface inférieure 54. L'invention n'est pas limitée à cette configuration et s'étend à des permutations de celle-ci. Les rainures 56 servent à faire communiquer l'huile de lubrification avec la surface de contact com- prise entre la surface inférieure 54 et la face d'extrémité supérieure 50. Bien que la figure 3 illustre les rainures 56 sous une forme courbé, le cadre de l'invention n'est pas limité à une forme particulière et s'étend à n'importe quelle forme et configuration permettant de fournir conve- nablement l'huile de lubrification à la surface de contact. En se référant plus particulièrement à la figure 5, la pa- roi annulaire extérieure 55 s'étend verticalement à partir du périmètre extérieur de la surface inférieure 54 et de la surface supérieure 57 et, lorsqu'elle est emboîtée à la presse dans l'ouverture 48 du rotor 40, cette surface s'en- gage contre la paroi intérieure 49 de manière à empêcher un mouvement de rotation du palier de butée 52 par rapport au rotor 40. Comme représenté à la figure 5, l'huile de lubri- fication est fournie aux canaux rainurés 56 par une rainure en spirale d'arbre à cames 58 qui fait communiquer l'huile collectée, avec le carter d'huile 30. De cette manière, on réduit le frottement mécanique apparaissant pendant le fonctionnement du compresseur. En emboîtant à la presse le palier de butée 52 dans l'ouverture 48 du rotor 40, et en empêchant la rota- tion du palier de butée 52 par rapport au rotor 40, une seule paire de frottement, c'est à dire la surface infé- rieure 54 s'appuyant contre la face d'extrémité supérieure du moyeu, doit produire le contact glissant de rotation. Dans un mode de réalisation préférentiel, la face d'extré- mité supérieure 50 du moyeu est usinée par meulage pour ob- tenir une surface lisse, cette surface étant préférable à une surface tournée. L'extrémité supérieure 50 du moyeu peut être finement polie pour obtenir une douceur supplé- mentaire, et la surface inférieure 54 du palier de butée 52 peut être fabriquée avec une finition de 0,508 micromètres (20 micropouces). De cette manière, on réduit le frottement mécanique associé au démarrage et au fonctionnement du com- presseur, ce qui permet ainsi d'augmenter le rendement de fonctionnement d'ensemble du compresseur. La figure 6 illustre la présente invention dans un second mode de réalisation dans lequel le palier de bu- tée 52 est utilisé dans un compresseur de type rotatif 20'. Le palier de butée 52 est configuré comme représenté aux figures 2, 3 et 4, et comme décrit ci-dessus. Le palier de butée 52 est emboîté à la presse dans l'ouverture 48' de façon que la paroi annulaire extérieure 55 du palier de bu- tée s'engage contre la paroi intérieure 49' du rotor, pour empêcher ainsi la rotation du palier par rapport au rotor '. Par suite, une seule paire de frottement, c'est à dire la surface inférieure 54 s'appuyant contre la face d'extré- mité supérieure 50' du moyeu, doit produire le contact glissant de rotation. Bien que la présente invention ait été décrite sous une forme de réalisation préférentielle, la présente invention peut être encore modifiée tout en restant dans l'esprit et le cadre de la présente description. La pré- sente demande est donc destinée à couvrir toutes variantes, utilisations ou adaptations de l'invention en utilisant ses principes généraux. De plus, la présente demande est desti- née à couvrir des modifications de la présente description telles qu'elles peuvent intervenir dans la pratique connue ou courante de la technique à laquelle la présente inven- tion s'applique, et qui entrent dans les limites des reven- dications annexées. REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Compresseur de réfrigération (20) comprenant: un car- ter (22); un châssis (28) comprenant un moyeu de support (44), ce moyeu de support définissant un premier alésage vertical (46) et comportant une face d'extrémité supérieure (50), le châssis (28) étant monté à l'intérieur du carter (22); un moteur (24) comprenant un stator (38) et un rotor (40), le rotor (40) définissant un second alésage (42) et une cavité contre-percée (48); un vilebrequin (26) venant se loger dans la cavité et se fixant au rotor (40), ce vi- lebrequin (26) étant disposé dans le premier alésage verti- cal (46); un bloc de pompe entraîné par le vilebrequin (26); et un palier de butée annulaire (52) emboîté à la presse dans la cavité et comprenant une surface de support annulaire inférieure (54), cette surface de support infé- rieure (54) s'engageant contre la face d'extrémité supé- rieure (50) du moyeu pour former une paire de frottement, caractérisé en ce que la paire de frottement présente un faible coefficient de frottement. ) Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le palier de butée annulaire (52) est réalisé dans l'un quelconque d'un groupe de polyamides. 3 ) Compresseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le groupe de polyamides comprend du Vespel et du Torlon. 4 ) Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de support inférieure (54) présente une douceur d'au moins 0,508 micromètres (20 micropouces). ) Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face d'extrémité supérieure (50) du moyeu présente une surface lisse. 6 ) Compresseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la face d'extrémité supérieure (50) du moyeu est usinée par meulage et finement polie à une douceur d'au moins 1,6 mi- cromètres (63 micropouces). 7 ) Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de support inférieure (54) comprend une rainure (56) destinée à faire communiquer de l'huile de lubrifica- tion avec la paire de frottement. 8 ) Compresseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le vilebrequin (26) est vertical et fournit de l'huile de lubrification à la rainure (56) du palier de butée, cette rainure s'étendant radialement sur la surface de support inférieure (54). 9 ) Compresseur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la rainure comprend trois rainures (56) espacées radiale- ment par des angles de 120 sur la surface de support infé- rieure (54). ) Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le palier de butée annulaire (52) comprend en outre une pa- roi extérieure annulaire (55) et la cavité (48) du rotor comprend une paroi verticale, la paroi extérieure (55) du palier de butée s'engageant contre la paroi verticale de façon que le palier de butée (52) soit fixé au rotor. 11 ) Compresseur de réfrigération (20') comprenant un mo- teur (24') muni d'un stator (38') et d'un rotor (40'), un chassis (28') comportant un moyeu de support (44'), et un vilebrequin vertical (26'), le rotor (40') comprenant une ouverture intérieure (42') qui reçoit le vilebrequin verti- cal (26'), et une cavité contre-percée (48') comportant une paroi intérieure (49'), le vilebrequin vertical étant fixé au rotor et disposé dans le moyeu de support (44'), ce moyeu (44') comportant une face d'extrémité supérieure (50'); un palier de butée annulaire (52') comprenant une surface de support inférieure annulaire (54') et une sur- face de support supérieure annulaire, la surface de support inférieure (54') et la face d'extrémité supérieure (50') du moyeu s'engageant l'une contre l'autre pour former une paire de frottement, caractérisé en ce que la paire présente un faible coefficient de frottement; et une paroi annulaire extérieure (55') s'étend perpendiculai- rement à la surface de support supérieure par rapport à la surface de support inférieure (54'), le palier de butée étant emboîté à la presse dans cette cavité, de façon que la paroi annulaire extérieure du palier de butée s'engage contre la paroi intérieure en creux pour empêcher un mouve- ment de rotation du palier de butée par rapport au rotor. 12 ) Compresseur selon la revendication 11, caractérisé en ce que le palier de butée annulaire (52') est réalisé dans l'un quelconque d'un groupe de polyamides. 13 ) Compresseur selon la revendication 12, caractérisé en ce que le groupe de polyamides comprend du Vespel et du Torlon. 14 ) Compresseur selon la revendication 11, caractérisé en ce que la surface de support inférieure (54') présente une douceur d'au moins 1,6 micromètres (63 micropouces). ) Compresseur selon la revendication 11, caractérisé en ce que la face d'extrémité du moyeu présente une surface lisse. 16 ) Compresseur selon la revendication 15, caractérisé en ce que la face d'extrémité du moyeu est usinée par meulage et fi- nement polie. 17 )' Compresseur selon la revendication 11, caractérisé en outre en ce qu' il comprend une rainure formée sur la surface de support inférieure, cette rainure étant destinée à faire communi- quer de l'huile de lubrification à la paire de frottement. 18 ) Compresseur selon la revendication 17, caractérisé en ce que le vilebrequin fournit de l'huile de lubrification au pa- lier de butée, la rainure s'étendant radialement sur la surface de support inférieure. 19 ) Compresseur selon la revendication 18, caractérisé en ce que la rainure comprend trois rainures espacées radialement par des angles de 120 sur la surface de support inférieure.