Brevet FR2788313A1 — publié le 20000713

POMPE CENTRIFUGE A MOTEUR DISCOIDAL INTEGRE DESTINEE A LA CIRCULATION D'AMMONIAC DANS UN SATELLITE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne en premier lieu les pompes centrifuges, utilisant un moteur discoide intégré, mais également les satellites pour lesquels une circulation de fluide sous haute pression est nécessaire, notamment de l'ammoniac. Art antérieur et problème posé Dans le cadre du fonctionnement de la climatisation d'un satellite, il est connu d'utiliser de l'ammoniac dans un circuit de climatisation. Les températures sont comprises entre - 70 C et + 50 C. L'ammoniac est pressurisé à une pression comprise entre et 150 bar et se trouve donc principalement en phase liquide, mais aussi, dans une proportion moindre, en phase gazeuse. Or, on éprouve le besoin d'assurer une circulation permanente du fluide dans ce circuit de climatisation. On cherche à atteindre ce but au moyen d'une pompe, de petite dimension, résistant à des pressions relativement importantes et pouvant assurer une circulation permanente de l'ammoniac à une pression comprise entre 20 et 150 bar, de préférence 70 bar. Pour assurer cette circulation, il est demandé à la pompe de fournir une surpression d'environ 800 mbar pour un débit d'environ quelques grammes d'ammoniac par seconde. De plus, le volume et la masse de la pompe doivent être réduits. D'autre part, il est connu d'utiliser des pompes axiales à moteur intégré susceptibles de pomper des liquides ou des mélanges liquides/gaz à des pressions allant de 1 à 20 bar et à des vitesses de rotation allant de 3 000 à 6 000 tours/minute. Ce type de pompe associe un moteur électrique asynchrone axial discoïdal avec une pompe axiale. Le rotor de la pompe est constitué d'un moyeu central supportant des pales d'hélice de pompe, à l'extrémité desquelles se trouve le rotor électrique. L'ensemble du rotor est monté tournant dans deux boîtiers supportant la partie électrique du stator, notamment des enroulements placés en regard du rotor électrique. Ce type de pompe axial est utilisé pour la propulsion des navires et a donc une taille importante pour que le débit pompé soit très important, mais ne produit pas de hautes pressions. Il est donc impossible d'envisager l'utilisation d'un tel type de pompe pour la circulation, à petit débit, d'un fluide dans un satellite. De plus, la circulation du fluide à l'intérieur de ce type de pompe est uniquement axiale. En conclusion, le but de l'invention est de répondre à la nécessité de faire circuler de l'ammoniac dans un circuit de satellite tout en utilisant une pompe centrifuge avec moteur intégré. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est une pompe centrifuge à moteur discoïdal synchrone, comportant: - un corps comportant lui-même: une entrée de fluide; une partie fixe de palier, dont l'intérieur d'une partie communique avec l'entrée de fluide et sur une surface externe de laquelle se trouvent des trous de communication du fluide; deux parois planes latérales montées autour de la partie fixe de palier et définissant un espace discoïdal; au moins une sortie de fluide à la périphérie de l'espace discoidal; et deux stators électromagnétiques montés chacun dans une partie latérale en regard de l'espace discoïdal; et - un rotor monté tournant dans l'espace discoïdal sur la partie fixe de palier et comportant: des canaux radiaux de pompage dont une première extrémité débouche dans un évidement central du rotor et une deuxième extrémité débouche à la périphérie de l'espace discoïdal; deux rotors magnétiques placés chacun en regard d'un stator électromagnétique, l'entrefer entre les parois planes et les rotors magnétiques étant minimal pour constituer une butée hydraulique pour le rotor discoïdal. Pour minimiser les frottements, la base du rotor est montée à l'intérieur de la partie fixe de palier, le fluide pompé coopérant pour constituer un palier hydrodynamique. Dans le cadre de l'application de la pompe pour la circulation d'ammoniac sous haute pression, celle-ci, et en particulier son corps, est sphérique. De plus, s'il s'agit d'une application destinée à la climatisation d'un satellite, la pompe est de petite dimension, de l'ordre de 13 cm. Le corps est constitué de préférence de deux demi-sphères assemblées par vissage d'un tirant à l'intérieur de la partie tubulaire centrale de la demi-sphère inférieure, dont les faces respectives placées en regard l'une de l'autre sont constituées par les parois planes, l'espace discoidal étant fermé par une entretoise soudée à la périphérie des deux demi-sphères. De préférence, le rotor est discoïdal et constitué de deux parties vissées l'une sur l'autre et collées l'une sur l'autre. Dans leur réalisation préférentielle, les stators électriques sont constitués chacun d'un anneau magnétique fixé à l'intérieur d'une demisphère sur une paroi plane et portant des bobinages électriques. De leur côté, les rotors magnétiques sont constitués, de manière préférentielle, d'un anneau de fer magnétique et de pôles constitués d'aimants permanents. Liste des fiqures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de plusieurs figures représentant: - figure 1, en coupe, la pompe selon l'invention; - figure 2, en vue cavalière, la moitié inférieure de la pompe selon l'invention, coupée verticalement; et - figure 3, en vue agrandie, la partie supérieure de la figure 1. Description détaillée d'une réalisation de l'invention Pour que le lecteur puisse profiter pleinement de la présente description, on signale que l'échelle de la figure 1 est celle à laquelle la pompe selon l'invention est réalisée. On note que, compte tenu du grand nombre de pièces et de parties de pièce évoquées par la suite, tous les nombres de référence n'ont pu être indiqués sur cette figure 1. On se reportera alors aux deux autres figures 2 et 3 o ils figurent. Comme on peut le constater facilement, cette pompe est sphérique. Son corps est constitué de deux demi-sphères 1A et lB fixées l'une par rapport à l'autre par l'intermédiaire d'une entretoise 2, de forme annulaire, soudée la périphérie des deux demi-sphères 1A et lB. Cette dernière se trouve donc dans un axe médian séparant les deux demi- sphères 1A et lB. Dans l'axe central perpendiculaire à ce plan médian, sur la demi-sphère inférieure lB, se trouve une entrée de fluide 4 débouchant dans un canal basse pression 5, centré lui aussi sur cet axe. Toujours autour de cet axe central, sur la demi-sphère supérieure lA, se trouve un tirant 6, pénétrant à l'intérieur de cette demi-sphère supérieure 1A, destiné à renforcer l'assemblage des deux demi-sphères 1A et lB. A cet effet, à son extrémité pénétrante, se trouve un filetage 7 destiné à être vissé dans un taraudage d'une partie tubulaire 8 de la partie fixe de palier 34 placée au centre et fixée à la demi-sphère inférieure lB. Au niveau du plan médian de la pompe, chaque demi-sphère 1A et lB du corps possède une paroi plane à la périphérie de laquelle prend appui et est soudée l'entretoise 2 placée, de ce fait, entre les deux demi-sphères 1A et lB. Les deux parois planes 10 définissent un espace discoïdal 29 entre les deux demi- sphères 1A et lB. L'entretoise 2 possède au moins une sortie de fluide 3 communiquant donc avec l'espace discoidal 29. On comprend que le fluide entré dans l'entrée de fluide 4, pénétrant dans le canal basse pression 5 de la demi-sphère inférieure lB puisse accéder à l'espace discoïdal 29 grâce à des trous de communication 9 pratiqués dans la partie tubulaire centrale 8 de la demi-sphère inférieure lB et puisse sortir par la sortie de fluide 3. A l'intérieur de la pompe est montée un rotor qui est ici de forme discoidale et constitué de deux parties de rotor 30 et 32 placées l'une contre l'autre. L'ensemble de ces deux parties de rotor 30 et 32 possède un évidement central destiné au passage du tirant 6. D'autre part, l'ensemble de ces deux parties de rotor 30 et 32 constituant le rotor de pompe possède plusieurs canaux radiaux de pompage 31 débouchant chacun, sur l'évidement central de ce rotor et à la périphérie de celui-ci, en regard de l'entretoise 2. Ainsi, une fois mis en rotation, ce rotor, constitué par les deux parties de rotor 30 et 32, éjecte contre l'entretoise 2 le fluide qui a pénétré par l'entrée de fluide 4 et le canal basse pression 5. On constate, sur la droite de la figure, qu'une goulotte 13 est ménagée à l'intérieur de l'entretoise 2, en regard des canaux radiaux 31. Elle permet de collecter le fluide, à savoir l'ammoniac, ainsi projeté et de le canaliser vers la sortie de fluide 3. On signale qu'une telle sortie de fluide 3 est de préférence placée tangentiellement à la pompe, dans le sens de rotation du rotor pour favoriser l'éjection de l'ammoniac. On signale que tous ces éléments constitutifs du corps et du rotor de la pompe sont en métal amagnétique, de préférence en titane. La partie motrice de la pompe est constituée d'un moteur électrique synchrone alimenté par deux câbles 20 pénétrant chacun dans une demi-sphère 1A et lB et étant connectés chacun à une alimentation synchrone 21, de forme annulaire, placée dans chaque demi-sphère 1A et lB. Le moteur possède deux stators électromagnétiques constitués principalement de deux pièces polaires magnétiques 22 placées à l'intérieur de chacune des demi- sphère 1A et lB, contre une paroi plane 10 et dans lesquelles sont logés des bobinages 23. Le rotor magnétique est constitué de deux anneaux de fer magnétique 24, placés chacun à l'intérieur d'une cavité torique d'une partie de rotor 30, 32 et surmontés chacun d'une série d'aimants permanents 25 constituant chacun des pôles. Ces aimants permanents 25 peuvent être séparés par des cales intercalaires en métal amagnétique. Ce rotor magnétique est bien entendu placé en regard des stators électriques, placés de l'autre côté des parois planes 10. Une fois le rotor assemblé, la partie du rotor renfermant les anneaux de fer magnétiques 24 et les aimants permanents 25 est recouverte d'un métal amagnétique, tel que l'inconel ou le titane. La figure 2 permet de voir un quart de la pompe, selon l'invention, et plus précisément la demi-sphère inférieure lB, coupée verticalement, la vue étant légèrement cavalière en vue de dessus. On retrouve donc sur la partie supérieure de cette figure une des deux parois planes 10, et en particulier celle $ qui comporte les canaux radiaux de pompage 31. En effet, une seule des parois planes 10 possède les canaux radiaux de pompage 31 puisque les deux parties de rotor 30, 32 de la figure 1 sont vissées et collées l'une par rapport à l'autre. En conséquence, il est inconcevable d'envisager de faire coïncider, en fin de vissage des deux parties du rotor, des canaux pratiqués à l'avance sur chacune des deux parois planes 10. De plus, de la colle pourrait pénétrer dans ces canaux. On retrouve l'entrée de fluide 4, le canal basse pression 5 et les trous de communication 9 débouchant vers les canaux radiaux de pompage 31. On a également repéré sur cette figure la sortie de fluide 3 ménagée dans l'entretoise 2, ainsi que le câble d'alimentation 20 et l'alimentation synchrone 21 du stator électrique. Sur cette figure 2, le tirant 6 a été enlevé et on peut distinguer un filetage 35 au centre de la partie tubulaire 8 de cette demi-sphère inférieure lB. Enfin, la partie de rotor 32 figure également avec, en traits mixtes, sa partie centrale 40 à la surface externe de laquelle se trouve un filetage 36 sur lequel est vissée l'autre partie de rotor, non représentée sur cette figure 2. La figure 3 montre en vue agrandie une demi-coupe de la demi-sphère supérieure 1A, dans le but de montrer de manière précise le montage des deux parties de rotor 30 et 32 l'une par rapport à l'autre. Au centre de cette figure 3 se trouve le tirant 6 enfoncé dans la demisphère supérieure 1A avec une partie cannelée 18 et une extrémité supportant le filetage 7. La partie cannelée 18 est placée en regard de la base d'une des deux parties de rotor 32 supportant l'autre partie de rotor 30 sur laquelle elle est vissée par le filetage 36 de la partie centrale 40 de la partie de rotor 32 et un taraudage correspondant de la partie de rotor 30. On a également repéré l'espace discoidal 29 et fait figurer l'entrefer 37 entre la partie latérale 10 et la partie de rotor 30 se trouvant l'une en face de l'autre et portant respectivement le stator électromagnétique et le rotor magnétique. Cet entrefer 37 est de l'ordre du centième de millimètre. On ajoute que le fluide pompé pénètre dans cet entrefer 37 tout comme dans l'espace discoïdal 29 et l'espace libre 38 entre le tirant 6 et la partie de rotor 32 qui lui fait face. Le fluide pompé participe donc dynamiquement à la fonction de positionnement et de palier pour le rotor, en coopération avec les parties mobiles les unes par rapport aux autres. En d'autres termes, le positionnement axial de l'ensemble du rotor est assuré par une butée constituée par les parois planes 10, le fluide et la partie de rotor 30 qui lui fait face, un film d'un centième de millimètre assurant une réduction minimale des frottements. D'autre part, le positionnement radial du rotor dans le corps de la pompe est assuré par la partie fixe de palier 34 de chaque demi- sphère et la partie extérieure de l'embase de la partie de rotor 30 qui lui fait face. On note que des patins de glissement 33 peuvent être intercalés à ce niveau, de même que dans la deuxième demi-sphère, non représentée sur cette figure 3. Le rotor est donc positionné de façon hydrodynamique à la fois dans le sens axial et dans le sens radial. On précise que le canal basse pression 5 peut comporter un filtre intégré destiné à retenir les particules en suspension dans le fluide pompé, c'est-à-dire l'ammoniac. Les différentes cavités 39 (figure 3) n'ayant pas de fonction spéciale dans la pompe, peuvent être remplies d'un matériau de remplissage ayant une densité inférieure à 1 et résistant à des pression de l'ordre de 100 bar, sans destruction. Une telle pompe a un volume de 2 dm3 et sa masse est de l'ordre de 2 kg. Elle peut produire une pression de 800 mbar à un débit de 42 dm3/h. Il faut faire remarquer que le moteur synchrone permet de se passer de courant magnétisant et donc d'augmenter sur la puissance électrique de la pompe, pour un volume ou un poids donné. l1 REVENDICATIONS 1. Pompe centrifuge à moteur discoide synchrone, comportant: - un corps comprenant lui-même: une entrée de fluide (4); une partie fixe de palier (34) dont l'intérieur d'une partie (8) communique avec l'entrée de fluide (4) par un canal basse pression (5) et par l'intermédiaire de trous de communication (9) pour le fluide; deux parois planes (10) montées dans la partie fixe de palier (34) et définissant un espace discoïdal (29); 15. au moins une sortie de fluide (3) à la périphérie de l'espace discoidal (29); et deux stators électromagnétiques placés chacun derrière une paroi plane (10), en regard de l'espace discoïdal (29), - un rotor monté tournant dans l'espace discoïdal (29), dans la partie fixe de palier (34), comportant: des canaux radiaux de pompage (31) dont une première extrémité débouche sur un évidement central du rotor et une deuxième extrémité débouche à la périphérie de l'espace discoidal (29); deux rotors magnétiques placés chacun en regard d'un stator électromagnétique, un entrefer (37) subsistant entre les parois planes (10) et le rotor et étant minimal, pour constituer une butée hydrodynamique pour le rotor. 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la base du rotor est montée à l'intérieur de la partie fixe de palier (34), le fluide pompé coopérant pour constituer un palier hydrodynamique. 3. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de la pompe a une forme sphérique, dans le but de résister à des hautes pressions. 4. Pompe selon la revendication 1, destinée à la climatisation d'un satellite par l'intermédiaire d'un circuit d'ammoniac, caractérisée en ce qu'elle est de petite dimension, de l'ordre de 13 cm. 5. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps est constitué de deux demi-sphères (1A, lB) assemblées par vissage d'un tirant (6) à l'intérieur de la partie tubulaire centrale (8) de la demi-sphère inférieure (lB), et dont les faces respectives placées en regard l'une de l'autre sont constituées par les parois planes (10), l'espace discoïdal (29) étant fermé par une entretoise (2) soudée à la périphérie des deux demi-sphères (lA, lB). 6. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rotor est de forme discoïdale et constitué de deux parties de rotor (30, 32) vissées l'une sur l'autre et collées. 7. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que les stators électromagnétiques sont constitués chacun d'une pièce polaire (22) fixé chacun à l'intérieur d'une demi-sphère (lA, lB), sur une paroi latérale (10) et portant des bobinages électriques (23). 8. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que les rotors magnétiques comportent chacun un anneau de fer magnétique (24) surmonté de pôles constitués d'aimants permanents (25).