Brevet FR2775501A1 — publié le 19990903

La présente invention concerne une machine fluidique à piston. On connaît des machines fluidiques qui comprennent au moins un piston rotatif. Par exemple, le moteur thermique Wankel utilise un piston rotatif tournant autour d'un arbre et logé dans une cavité d'un corps. Bien que ce type de moteur présente en théorie des avantages indéniables de simplicité, il n'en va pas de même en pratique en ce qui concerne la fiabilité de fonctionnement notamment à cause des problèmes d'étanchéité entre le piston et la cavité du corps. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne une nouvelle machine fluidique à piston ayant les avantages ci-dessus et pouvant fonctionner aussi bien comme pompe que comme moteur. A cet effet, la machine fluidique à piston est remarquable, selon l'invention, en ce qu'elle comprend - un corps à cavité sphérique - un demi-disque diamétral logé dans ladite cavité, dans le plan OX, OY d'un repère orthonormé OX, oy, OZ dont l'origine est le centre de ladite cavité sphérique, et pouvant osciller angulairement dans ledit plan, autour dudit axe OZ, respectivement de part et d'autre de l'axe OX - un piston conformé en plateau circulaire diamétral et logé dans ladite cavité, ledit piston étant articulé le long du bord diamétral dudit demi-disque et pivotant autour du centre 0 alors que ledit demi-disque oscille, ledit piston et ledit demi-disque délimitant, avec la paroi correspondante de la cavité, deux chambres à vo lume variable dont chacune est en communication avec l'extérieur ; et - un arbre rotatif débouchant dans ladite cavité et dont l'axe est confondu avec l'axe OX, ledit arbre coopérant avec ledit piston pivotant par une liaison. Ainsi, un simple piston plat, pivotant agencé diamétralement dans une cavité sphérique et associé à un demi-disque, garantit un fonctionnement fiable de la machine. Par exemple, à partir de l'énergie mécanique fournie par la rotation de l'arbre, la machine fonctionne comme pompe, lesdites chambres aspirant et refoulant de façon antagoniste le fluide, sous le pivotement du piston entraîné par l'arbre. A partir de l'énergie fluidique fournie alternativement par les chambres, la machine fonctionne comme moteur, le piston oscillant sous l'action du fluide sous pression et entraînant en rotation ledit arbre. Avantageusement, ledit corps est constitué de deux demi-coques comprenant chacune une cavité hémisphérique et qui, après assemblage, définissent ladite cavité sphérique avec un plan de joint correspondant au plan OX, OY dudit repère. Dans un mode préféré de réalisation, ledit demidisque diamétral est muni, à sa périphérie circulaire, d'un anneau plat, logé dans un évidement annulaire prévu dans ledit corps et débouchant dans ladite cavité sphérique, dans le plan OX, OY. Dans ce cas, les extrémités dudit anneau plat s'étendent légèrement au-delà de la périphérie circulaire dudit demi-disque et ladite articulation entre le demi-disque et le piston est du type cylindrique et constitué par un axe autour duquel peut pivoter ledit piston et qui est reçu dans les extrémités débordantes dudit anneau plat. En particulier, ledit axe d'articulation est disposé le long du bord rectiligne diamétral dudit demidisque, tandis qu'une rainure diamétrale est ménagée dans ledit piston pour s'engager sur ledit axe. Et une gorge annulaire est prévue à la périphérie dudit piston, pour recevoir un segment d'étanchéité coopérant avec la paroi de ladite cavité sphérique. On remarque la simplicité de réalisation de ladite machine, notamment l'étanchéité qui est assurée par un simple segment circulaire garantissant une bonne fiabilité de fonctionnement à l'usage. Par ailleurs, lesdites chambres sont en communication avec des dispositifs d'aspiration-admission / refoulement-échappement de fluide respectifs. En outre, dans ledit corps, selon l'axe OX, est ménagé un passage dans lequel est loge ledit arbre, par l'intermédiaire de paliers. Par exemple, la liaison entre ledit arbre et ledit piston est obtenue par une face inclinée qui termine ledit arbre et qui est au contact de la face correspondante dudit piston. En particulier, pour augmenter la surface de liaison entre l'arbre et le piston et assurer une bonne transmission des mouvements entre ceux-ci, une plaquette circulaire est fixée sur la face inclinée de l'arbre, de manière excentrée par rapport à l'axe dudit arbre, ladite plaquette venant au contact dudit piston. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. Les figures 1 et 1A sont respectivement des vues en coupe longitudinale et de dessus de ladite machine selon l'invention, dans une position pour laquelle les deux chambres présentent des volumes respectivement maximal et minimal, au début d'un cycle de fonctionnement. Les figures 2 et 2A sont identiques aux précédentes et montrent la machine en cours de cycle, le volume maximal d'une chambre diminuant tandis que le volume minimal de l'autre chambre augmente. Les figures 3 et 3A également identiques aux précédentes montrent la machine après un demi-cycle de fonctionnement pour lequel les deux chambres présentent des volumes respectivement minimal et maximal. Les figures 4 et 4A identiques aux précédentes montrent la machine poursuivant son cycle, le volume minimal de la chambre augmentant tandis que le volume maximal de l'autre chambre diminue. La figure 5 montre, à une échelle agrandie, l'articulation entre le piston plat et le demi-disque. La machine fluidique 1, représentée sur les figures, comprend selon l'invention un corps 2 à cavité sphérique 3, un demi-disque diamétral 4 à anneau périphérique 5, un piston 6 et un arbre rotatif 7. Structurellement, le corps 2 de la machine se compose de deux demi-coques 8 et 9 sensiblement identiques, présentant chacune une cavité hémisphérique de même dimension de façon à former la cavité sphérique 3 du corps 2 quand les coques sont disposées l'une contre l'autre en délimitant ainsi un plan de joint PJ constituant un plan diamétral de la cavité sphérique. Par rapport à un repère orthonormé OX, OY, OZ, le centre de la cavité sphérique correspond à l'origine O du repère, et le plan de joint PJ réunissant les deux demicoques 8, 9 est situé dans le plan OX, OY du repère. Dans cet exemple de réalisation, le corps 2 présente une forme parallélépipédique mais il va de soi que toute autre forme pourrait être envisagée dès l'instant où une cavité sphérique est ménagée dans celui-ci. Quant à l'assemblage des deux demi-coques 8, 9, il est assuré par des vis 10 ou autres, logées parallèlement à l'axe OZ du repère et symbolisés sur les figures par un trait d'axe. Par ailleurs, un passage cylindrique 11 est ménagé dans le corps 2, dirigé suivant l'axe OX, pour recevoir l'arbre 7 qui débouche, d'un côté, dans la cavité sphérique 3 et, de l'autre côté, à l'extérieur du corps. Aussi, dans les deux faces 12, 13 au contact l'une de l'autre des demi-coques, dans le plan OX, OY, sont prévus des décrochements 14, 15 autour des cavités hémisphériques correspondantes, qui delimitent un évidement annulaire 16 dans le plan OX, OY du corps 2. Le demi-disque diamétral 4 est logé dans la cavité sphérique 3 du corps dans le plan OX, OY du repère et il est porté par l'anneau plat 5 qui est reçu dans l'évidement annulaire 16 du corps. En particulier, l'anneau plat entoure le bord ou périphérie circulaire 17 du demidisque et ses extrémités 18 s'étendent au-delà du bord circulaire du demi-disque. Un axe 19 immobilise ce dernier dans l'anneau 5, en étant au contact du bord rectiligne diamétral 20 du demi-disque 21 pour s'engager, à ses extrémités, dans des trous prévus dans les extrémités 18 de l'anneau. Cet axe passe, de plus, rigoureusement par le centre O du repère. L'ensemble demi-disque 4 - anneau 5 peut osciller ainsi angulairement dans le plan OX, OY, autour dudit axe OZ du repère, respectivement de part et d'autre de l'axe OX. Le piston 6 de la machine est conformé en plateau circulaire diamétral logé dans la cavité sphérique 3. Le piston présente à sa périphérie une gorge annulaire 22 qui reçoit un joint d'étanchéité 23 sous forme de segment qui est en contact avec la paroi définissant ladite cavité sphérique 3. Comme le montre la figure 5, ce piston présente sur l'une de ses faces 24, tournée vers le demidisque, une rainure diamétrale 25 en V qui s'engage sur l'axe 19 de sorte que le piston peut pivoter autour du centre O de la cavité sphérique alors que le demi-disque oscille, comme on le verra plus tard. Le piston diamétral et le demi-disque ainsi articulés délimitent, avec la partie de paroi correspondante de la cavité sphérique 3, deux chambres étanches 26 et 27 à volume variable et opposé, c'est-à-dire que, lorsqu'une chambre a un volume maximal, l'autre chambre a un volume minimal. Chaque chambre 26, 27 est par ailleurs en communication avec l'extérieur par un dispositif à obturateur 28a, 28b qui permet l'admission/aspiration ou l'échappement/refoulement du fluide contenu dans la chambre. Ces dispositifs 28a, 28b ne font pas l'objet de l'invention et sont d'un type connu en soi. Ils ont été symbolisés par des carrés et des flèches sur la figure 1 et peuvent être également commandés par une unité centrale appropriée 29. L'arbre rotatif 7 de la machine fluidique, dont l'axe géométrique est confondu avec l'axe OX du repère, est porté par des paliers 30 logés dans le passage 11 du corps 2. Son extrémité qui débouche dans la cavité sphérique 3 se termine par une face inclinée 31 avec laquelle coopère le piston pivotant 6. Dans l'exemple illustré, la face inclinée 31 est au contact de la face transversale 32 du piston, opposée à celle articulée au demi-disque, par l'intermédiaire d'une plaquette 33 circulaire, excentrée par rapport à l'axe OX de l'arbre et garantissant une plus grande surface d'appui entre le piston et l'arbre. Un cycle de fonctionnement de la machine fluidique sera décrit ci-après. On suppose que la machine 1, en cours de fonctionnement, occupe la position représentée sur les figures 1 et 2 pour laquelle la chambre 26 a un volume maximal contenant un fluide (liquide ou gaz) par suite de l'alimentation via le dispositif 28a, tandis que la chambre 27 a un volume minimal par suite de l'évacuation du fluide via le dispositif 28b. Dans ce cas, l'angle d'oscillation de l'ensemble demi-disque 4 - anneau 5 dans le plan OX, OY, autour de l'axe OZ, est maximal, et le piston plat 6 qui est au contact de la face inclinée de l'arbre 7 via la plaquette 33, présente une inclinaison maximale par rapport au demi-disque, autour de l'axe d'articulation 19, ce qui implique des volumes respectivement maximal et minimal dans les chambres 26 et 27. A ce moment, l'alimentation en fluide de la chambre 27 via le dispositif 28b commence, ce qui entraîne le pivotement du piston 6 qui est "poussé" par l'action du fluide de remplissage sur celui-ci et qui provoque la rotation de l'arbre 7 par sa liaison avec la face inclinée dudit piston via la plaquette (par exemple dans le cas d'une utilisation de la machine fluidique en tant que moteur). De façon concomitante au remplissage de la chambre 27 et donc à son augmentation de volume, se produit l'évacuation du fluide contenu dans la chambre 26 via le dispositif 28a et donc, sa diminution de volume. Le pivotement du piston 6 entraîne simultanément, par l'intermédiaire de l'axe d'articulation 19, le déplacement du demi-disque 4 dans le plan OX-OY, qui passe par une position intermédiaire illustrée sur les figures 2 et 2A pour laquelle son angle d'oscillation est nul par rapport à l'axe OX, l'axe d'articulation 19 étant confondu avec l'axe OY du repère. Le piston 6 et le demi-disque 4 poursuivent leurs déplacements respectifs dans la cavité sphérique 3 du corps 2 jusqu'à ce que les chambres étanches 26 et 27 atteignent respectivement leurs volumes maximal et minimal, comme le montrent les figures 3 et 3A. Le piston 6, du fait de sa liaison avec l'axe d'articulation 19 et de la rotation du demi-disque 4 autour de l'axe OZ, pivote autour du centre O de façon à prendre une position symetri- que à celle illustrée sur les figures 1 et 1A, en ayant, durant le remplissage de la chambre 27, entraîné en rotation l'arbre 7. Il en va de même pour le demi-disque 4 qui occupe une position symetrique à celle de la figure 1 par rapport à l'axe OX, son angle d'oscillation étant à nouveau maximal. La chambre 27 remplie de fluide présente alors un volume maximal, tandis que la chambre 26 est vide et présente un volume minimal. Le passage entre les volumes antagonistes des chambres par l'ensemble piston-demi-disque entraîne une rotation d'un demi-tour de l'arbre. Le cycle se poursuit et les dispositifs 28a, 28b sont commandés pour, d'une part, vider le fluide contenu dans la chambre à volume maximal et, d'autre part, remplir la chambre à volume minimal. Le fluide entrant dans la chambre 26 pousse le piston 6 de sorte que celui-ci, comme précédemment, pivote autour du centre O en entraînant simultanément l'oscillation du demi-disque 4 dans l'autre sens, qui tourne autour de l'axe OZ. L'action du piston 6 contre la face inclinée de l'arbre 7 par l'intermédiaire de la plaquette 33, assure la poursuite de sa rotation. Lorsque la chambre 26 est remplie et présente son volume maximal et que la chambre 27 est vidée et présente son volume minimal, la machine 1 occupe la position illustrée en début de cycle sur les figures 1 et 1A, après être passée par la position intermédiaire montrée sur les figures 4 et 4A pour laquelle le demi-disque est en position neutre d'oscillation. A ce moment, l'arbre 7 a effectué une nouvelle rotation d'un tour depuis sa position illustrée sur les figures 3, 3A et un nouveau cycle débute. REVENDICATIONS 1. Machine fluidique à piston, caractérisée en ce qu'elle comprend - un corps (2) à cavité sphérique (3) - un demi-disque diamétral (4) logé dans ladite cavité, dans le plan OX, OY d'un repère orthonormé OX, OY, OZ dont l'origine est le centre de ladite cavité sphéri que, et pouvant osciller angulairement dans ledit plan, autour dudit axe OZ, respectivement de part et d'autre de 1 axe OX - un piston (6) conformé en plateau circulaire diamétral et logé dans ladite cavité, ledit piston étant articulé le long du bord diamétral dudit demi-disque et pivotant autour du centre O alors que ledit demi-disque oscille, ledit piston et ledit demi disque délimitant, avec la paroi correspondante de la cavité, deux chambres à vo lume variable (26, 27) dont chacune est en communica tion avec l'extérieur ; et - un arbre rotatif (7) débouchant dans ladite cavité et dont l'axe est confondu avec l'axe OX, ledit arbre coo pérant avec ledit piston pivotant par une liaison. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit corps (2) est constitué de deux demi-coques (8, 9) comprenant chacune une cavité hémisphérique et qui, après assemblage, définissent ladite cavité sphérique (3) avec un plan de joint (PJ) correspondant au plan OX, OY dudit repère. 3. Machine selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit demi-disque diamétral (4) est muni, à sa périphérie circulaire, d'un anneau plat (5), logé dans un évidement annulaire (16) prévu dans ledit corps et débouchant dans ladite cavité sphérique, dans le plan OX, OY. 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que les extrémités dudit anneau plat (5) s'étendent légèrement au-delà de la périphérie circulaire dudit demi-disque (4) et en ce que ladite articulation entre le demi-disque et le piston est du type cylindrique et constitué par un axe (19) autour duquel peut pivoter ledit piston et qui est reçu dans les extrémités débordantes (18) dudit anneau plat. 5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit axe d'articulation (19) est disposé le long du bord rectiligne diamétral (20) dudit demi-disque, tandis qu'une rainure diamétrale (25) est ménagée dans ledit piston pour s'engager sur ledit axe. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'une gorge annulaire (22) est prévue à la périphérie dudit piston, pour recevoir un segment d'étanchéité (23) coopérant avec la paroi de ladite cavité sphérique (3). 7. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que lesdites chambres (26, 27) sont en communication avec des dispositifs d'aspiration-admission/refoulement-échappement de fluide respectifs (28a, 28b). 8. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que, dans ledit corps, selon l'axe OX, est ménagé un passage (11) dans lequel est logé ledit arbre (7), par l'intermédiaire de paliers. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la liaison entre ledit arbre (7) et ledit piston (6) est obtenue par une face inclinée (31) qui termine ledit arbre et qui est au contact de la face correspondante (32) dudit piston. 10. Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'une plaquette circulaire (33) est fixée sur la face inclinée de l'arbre (7), de manière excentrée par rapport à l'axe dudit arbre, pour venir au contact dudit piston (6).