Brevet FR2777955A1 — publié le 19991029

1i 2777955 La présente invention concerne une machine qui, par la variation de son volume interne liée à la rotation d'un arbre permet de transformer l'énergie d'un fluide en énergie mécanique, et réciproquement; dans cette transformation, l'énergie du fluide se présente sous forme d'une quantité de mouvement ou d'une variation de pression et/ou de volume du fluide, et l'énergie mécanique se présente sous forme d'un travail dépensé ou recueilli pendant la rotation d'un arbre de la machine. Une machine capable de telles fonctions peut être dénommée sous le terme général de machine volumétrique ou encore de capsulisme. Plus précisément, le capsulisme objet de la présente invention est caractérisé en ce qu'il comporte une palette en forme de cylindre de section ovale fournissant ou recevant l'énergie d'un fluide, et dont le centre tourillonne autour du maneton d'une manivelle portée par l'arbre qui fournit ou reçoit l'énergie sous forme mécanique, le mouvement de la palette autour du maneton étant par ailleurs guidé par un mécanisme particulier objet de l'invention. Les extrémités de l'arbre touril- lonnent dans des paliers dont sont munies les flasques entre lesquelles se trouve un carter, cet ensemble formant une cavité qui enferme la palette lors de son mouvement, lequel ensemble est muni de deux ouver- tures auxquelles se raccordent les tubulures permettant respectivement l'entrée et la sortie du fluide. La description plus détaillée du capsulisme objet de l'invention est faite sur un exemple de réalisation représenté en coupe transversale B-B' sur la figure 1 et en coupe longitudinale A-A' sur la figure 2. Pour rendre ces figures plus claires, les éléments d'assemblage, vis, boulons, écrous, rondelles, etc. ne sont pas représentés. La pièce rotorique ou palette de la machine est le cylindre de sec- tion ovale (1) dont le centre tourillonne par le palier (2) sur le maneton (3) de la manivelle (5) portée par l'arbre principal (6) qui tourne dans le palier (7) et par lequel est amené le travail mécanique extérieur (cas du capsulisme récepteur: compresseur ou pompe), ou par lequel est délivré le travail mécanique vers l'extérieur (cas du capsu- lisme moteur). Le tourillonnement de la palette (1) est encore soumis à un deuxième guidage qui fixe la position de la palette (1) de façon univoque pour chaque position de la manivelle (5). Pour effectuer ce deuxième guidage, deux plots cylindriques (8) et (9) sont fixés sur la flasque (11) qui ferme le carter fixe (16), à une distance égale au rayon du cercle (14) décrit par la trace de l'axe de la manivelle (3), diamétralement de part et d'autre de l'axe principal x-x' de la machine. Ces plots coulissent sans jeu latéral dans les rainures telles que (10) 2 2777955 pratiquée dans la plaque (12) fixée sur la face de la palette (1) opposée à la manivelle (5), lesquelles rainures peuvent encore être usinées dans la masse même de la palette (1). Ces rainures sont au nombre de quatre et ont pour axe les deux axes de symétrie perpendicu- laires de l'ovale qui constitue la section droite de la palette (1). Ce guidage se poursuit durant toute la rotation de la palette (1) grâce au fait que, quand le plot (9) se dégage d'une rainure telle que (10), l'autre plot (8) s'engage dans la rainure perpendiculaire (13), ce qui assure la continuité du guidage. Quand l'arbre principal (6) effectue un tour, la trace de l'axe du maneton (3) décrit le cercle (14) et la palette (1) effectue un demi-tour autour de l'axe de ce maneton. En d'autres termes, quand le maneton (3) a fait un tour, le demi-profil de la palette (1) qui était à droite sur la coupe transversale est passé à gauche en effectuant donc un demi-tour. Quelques positions successives de la palette (1) au cours d'un tour complet du maneton (3) sont esquissées par les contours (15a), (15b), (15c), (15d). Le mouvement de la palette (1) par tour de l'arbre principal (6) étant ainsi complètement déterminé, il reste à l'utiliser pour opérer les changements volumétriques recherchés. Pour cela, la partie fixe de la machine, le stator, est composé d'un carter (16) pris entre deux flasques (11) et (17) présentant des faces internes planes et parallèles entre elles. Une traverse cylindrique (18) d'axe perpendiculaire à la face plane des flasques est portée par la partie inférieure du stator. On peut démontrer par la géométrie que si la section ovale de la palette (1) est une certaine ellipse dont les axes coïncident avec ceux des rainures (10) et (13), la longueur de ces axes ayant des valeurs calculables en fonction de la position respective des plots (8) et (9) et de la traverse (18), cette ellipse reste constamment tangente au profil circulaire de la section de ladite traverse (18); donc dans l'espace, le volume situé d'un côté de la traverse (18) reste constamment isolé par la palette (1) du volume situé de l'autre côté de cette traverse. La surface cylindrique de la traverse (18) peut être celle d'un cylindre rapporté ou celle d'un bossage du carter (16) profilé en portion de cylindre dans la masse. Le diamètre de ce cylindre doit être inférieur au petit axe de l'ellipse mais par ailleurs quelconque. En particulier, il peut être nul, auquel cas le bossage cylindrique devient une arête vive. La section droite de la palette du capsulisme selon l'invention sera donc une ellipse définie comme ci- dessus. 3 2777955 La propriété du rotor (1) de section elliptique déterminée comme cidessus d'être toujours tangente à la surface cylindrique (18) permet un mode d'usinage facile et précis de la surface latérale du rotor (1) en réalisant un mode de guidage identique à celui de la machine objet de l'invention, dans lequel la surface d'appui cylindrique (18) est remplacée par une fraise ou une meule de rectification de section cylindrique de même diamètre que celui de la surface (18). Une deuxième délimitation de volume est obtenue en profilant la sur- face cylindrique intérieure du carter (16) selon la courbe enveloppe (19) de la famille d'ellipses constituée par les projections successives de la palette (1) se déplaçant au cours de la rotation de l'arbre prin- cipal (6). Entre cette surface (19) ainsi profilée et la surface cylindrique (18), le carter (16) comporte deux ouvertures notées (20) et (21) de part et d'autre de la traverse cylindrique (18). Si la manivelle tourne dans le sens indiqué par la flèche du cercle (14), et si la machine est utilisée dans une fonction réceptrice (comme compresseur ou comme pom- pe), l'ouverture (20) permet l'aspiration du fluide à comprimer ou à déplacer et l'ouverture (21) son refoulement; dans une fonction motrice, l'ouverture (20) serait l'admission de fluide sous pression et l'ouverture (21) l'échappement du fluide détendu. Ces ouverture partent toutes deux du bossage cylindrique (18) et doivent se terminer aux lignes de contact de trace C et C' de la palette en position (15c) perpendiculaire à l'axe AA' avec la surface enveloppe (19) ou légèrement au-dessous. Grâce à cette disposition, au cours de son déplacement dans le sens indiqué la face inférieure de la palette obture l'orifice d'admission (20) pour isoler la masse de fluide située entre sa face supérieure et la surface intérieure (19) du carter sensiblement au moment o elle découvre l'orifice de refoulement (21) pour y pousser la masse de fluide ainsi préalablement isolée de l'admission. Pendant ce tour de la palette à aucun moment l'orifice de refoulement n'a été en communication directe avec l'orifice d'admission. Au total, la palette (1) s'est comportée comme une sorte de piston continu assurant un débit de fluide sans discontinuité entre ces deux ouvertures, comportement qui se manifeste aussi bien dans une fonction comme récepteur que comme moteur. Il est à noter que la palette (1) étant entièrement guidée par le maneton (3) de la manivelle (5) et par le coulissement des plots (8) et (9) dans les quatre rainures telles que (10) et (13), la surface (19) ne 4 2777955 peut plus avoir de fonction de guidage pour la palette (1). Il en résulte qu'il sera possible de ménager un certain jeu entre la surface (19) et la palette (1), réduisant ainsi les frottements, l'usure et les besoins en lubrification; et que, en conséquence, le profil de la sur- face pourra ne pas être rigoureusement l'enveloppe de la famille d'ellipses, mais un profil approché composé par exemple d'arcs de cercle, ce qui peut faciliter l'usinage de la surface (19) et du carter (16). L'exemple de réalisation montre encore des contrepoids tels que (22) et (23) qui sont nécessaires à l'équilibrage statique et dynamique de la machine, et que l'homme de métier sait disposer et calculer. Une parti- cularité revendiquée pour cette machine est que l'épaisseur de la palette (1), petit axe de l'ellipse section, est suffisant pour permettre d'y creuser un évidement dans lequel on peut disposer un contrepoids intérieur (23), cette possibilité permettant un équilibrage dynamique complet avec le minimum de contrepoids extérieurs de part et d'autre de la palette (1). Le contrepoids (23) est fixé à (ou fait partie de) la contre-manivelle (24) fixée au maneton (3) de la manivelle principale (5). Il n'est pas indispensable, mais il est mécaniquement préférable pour la bonne transmission des efforts, surtout pour des machines de performances poussées, que la contre-manivelle (24) soit portée en plus par l'arbre secondaire (25) aligné sur l'arbre principal (6), qui passe entre les plots (8) et (9) et tourillonne dans un palier (26) solidaire de la flasque (11). Cet arbre secondaire est de toute façon nécessaire si l'on veut disposer un contrepoids extérieur (27) pour compléter la géométrie des masses nécessaire à un équilibrage dynamique parfait. 2777955 REVENDICATIONS 1) Machine volumétrique permettant de transformer l'énergie d'un fluide en énergie mécanique et réciproquement, caractérisée par le fait qu'elle comporte: - une enceinte composée d'un carter (16) fermé par des flasques (11) et (17) et comportant deux ouvertures (20) et (21), l'une pour l'entrée du fluide et l'autre pour sa sortie; - dans cette enceinte une palette (1) en forme de cylindre de section ovale dont les sections droites d'extrémité coulissent avec un faible jeu entre les surfaces internes planes et parallèles entre elles des flasques (11) et (17) et dont la surface latérale est assujettie à rester tangente à la surface interne du carter (16); - un arbre (6) portant une manivelle (5) avec un maneton (3) autour duquel tourillonne la palette (1) le long de son axe qui passe par le centre des sections ovales des extrémités; lequel arbre apporte ou recueille l'énergie mécanique échangée; - un mécanisme de guidage de la palette (1) fixant sa position angulaire autour de son axe pour toutes les positions du maneton (3). 2) machine volumétrique selon la revendication 1) caracté- risée par le fait que le mécanisme de guidage de la palette (1) déjà entraînée par le maneton (3) de la manivelle (5) se compose de plots cylindriques (8) et (9) fixés a la flasque (11) qui coulissent avec un jeu faible ou nul dans les rainure telles que (10) et (13) portées par la palette (1), directement ou par une plaque telle que (12) qui lui est fixée. 3) machine volumétrique selon la revendication 2) dans laquelle les axes des rainures (10) et (11) sont perpendiculaires et les axes des plots de guidage (8) et (9) sont à la même distance de l'axe de l'arbre (6) que l'axe du maneton (3) et de part et d'autre diamétrale- ment de l'axe de l'arbre (6). 4) machine volumétrique selon la revendication 3), caracté- risee par le fait qu'elle comporte sur la surface interne du carter (16) un bossage ayant un profil de cylindre de section circulaire tel que (18), pris dans la masse du carter ou pièce rapportée, d'o il résulte alors que la section ovale de la palette (1) est une ellipse dont la longueur des deux axes est déductible des positions respectives des plots (8) et (9) et du bossage (18) pour faire en sorte que la surface 6 2777955 latérale de la palette telle qu'elle est guidée par les mécanismes faisant l'objet des revendications 2) et 3) soit constamment tangente à la surface cylindrique (18); le rayon du cercle de section de cette surface cylindrique peut être choisi dans de larges limites, il peut en particulier être nul, auquel cas la surface (18) devient une arête vive. ) machine volumétrique selon la revendication 4), caracté- risée par le fait que le profil de la surface interne (19) du carter (16) est la courbe enveloppe des positions successives de l'ellipse section de la palette (1). 6) machine volumétrique selon la revendication 4) caracté- risée par le fait que les ouvertures d'entrée et de sortie du fluide telles que (20) et (21) affleurent de part et d'autre le bossage cylin- drique (18) d'un de leurs côtés, et de l'autre se raccordent sur ou près des génératrices du carter (16) qui constituent les lignes de contact avec la palette (1) lorsque son grand axe est perpendiculaire à l'axe du carter (16) passant par l'axe du bossage (18). De la sorte, lorsque, au cours du mouvement de la palette (1), le volume interne de la machine s'ouvre sur l'ouverture (21) de sortie du fluide, il se ferme au même moment sur l'ouverture (20) d'entrée du fluide, ne permettant jamais une communication directe entre l'entrée et la sortie tout en assurant un débit sans interruption. 7) machine volumétrique selon la revendication 4) caracté- risée par le fait que, la palette (1) devant avoir une épaisseur assez grande puisque égale au petit axe de l'ellipse de sa section droite, il est possible de le creuser d'un évidement qui permet d'y loger une contre-manivelle (24) qui porte d'une part un contrepoids interne (23) et d'autre part un axe secondaire (25) dans le prolongement de l'axe principal (6) permettant l'accès à un second palier (26) utile pour une meilleure répartition des efforts et pour supporter un contrepoids extérieur (27). 8) machine volumétrique selon la revendication 4) caracté- risée par le fait que le contour elliptique de sa palette rotorique (1) peut être usiné en imprimant à la palette un guidage identique à celui qu'elle subit dans la machine, et en substituant à la surface cylin- drique d'appui (18) une fraise ou une meule de rectification de section cylindrique de même diamètre que la surface (18).