Brevet FR2801349A1 — publié le 20010525

COMPRESSEUR A VIS UNIQUE La présente invention se rapporte à un compresseur et plus particulièrement à un nouveau type de compresseur à vis unique qui peut économiser de l'énergie. Les techniques de compresseurs à vis unique n'ont cessé de s'améliorer progressivement depuis les années soixante, et les avantages de ces compresseurs, par exemple les faibles vibrations, le bruit également faible et la fiabilité élevée sont largement reconnus. Les compresseurs à vis unique sont utilisés largement dans l'industrie en tant que compresseur à air, compresseur de procédé, conditionneur d'air, pompe à chaleur et ainsi de suite. A la fois la vis et les pignons d'un compresseur à vis unique peuvent être soit d'une forme cylindrique, soit d'une forme simple suivant un profil extérieur pour constituer ainsi quatre types de compresseurs référencés CC, CP, PC et PP suivant la figure 2, étant entendu que le compresseur du type CP est le plus connu et a été le plus largement fabriqué. La figure 1 montre un compresseur à vis unique conventionnel du type CP qui comprend principalement une vis 1, deux pignons 2 et un corps 6. Généralement une vis possède six tours de filet et un pignon possède onze dents, plus le rapport de compression est élevé, plus le nombre de filets de vis est important. La figure 3 est une vue en coupe partielle montrant une vis d'un compresseur à vis unique du type conventionnel CP en prise mutuelle avec un pignon, dans lequel la distance entre la ligne génératrice de gauche 8 et le centre de rotation du pignon est la même que celle qui existe entre la ligne génératrice de droite 8 et le centre de rotation du pignon, c'est-à-dire que la largeur de la demi dent du pignon du côté gauche et celle de la demi dent du côté droit sont égales. En référence avec la figure 4, la dent de pignon A est en prise avec la rainure de la vis et cette rainure se ferme pour compléter le processus d'aspiration tandis que la dent de pignon B comprime le gaz à une basse pression; et la dent de pignon C a comprimé le gaz à une pression plus élevée pour que débute le processus de décharge. Par comparaison avec d'autres types de compresseurs, le compresseur à vis unique du type CP n'a que pour unique inconvénient le fait qu'il possède une faible conservation d'énergie et une d'autant plus faible que le volume de décharge du gaz est plus petit. Les exigences spécifiques en énergie peuvent être réduites et le volume de décharge peut être augmenté si l'on augmente correctement le diamètre du pignon d'un compresseur du type CP sans faire varier aucun des autres paramètres. Les rainures de la vis sont également rendues plus profondes en correspondance avec l'augmentation du diamètre du pignon de sorte qu'à la fois le volume des rainures et le volume de décharge du compresseur augmentent. Dans le but de maintenir le volume de décharge constant, le diamètre de la vis doit être diminué de sorte que la vitesse périphérique de la vis soit abaissée pour conduire à une diminution des pertes visqueuses provoquées par le lubrifiant remplissant l'intervalle entre la vis et le corps. De surcroît, on diminue de façon correspondante les passages de fuite et l'on augmente l'efficacité de volume du compresseur de sorte que ce dernier est apte à conserver l'énergie. Cependant, dans l'état de la technique conventionnelle, l'augmentation du diamètre du pignon est limitée par la structure du compresseur. Par référence à la figure 5, la section de prise d'une rainure de la vis 1 avec le pignon 2 (incluant la base 7) ne peut pas aller au delà d'une demi circonférence, c'est-à-dire que l'angle correspondant est au plus égal à 180 . Dans le but d'assurer une bonne rigidité à la base du pignon et dans un but pratique d'installation, le plus grand angle 02 qu'une rainure peut occuper est égal à (180 - 0e) lorsque l'angle 01 que le pignon et la base de pignon occupent dans la section transversale de la vis est déterminé. Par référence à la figure 3, le plus grand angle de rotation de travail du pignon va de la fermeture de la rainure de la vis par la dent de pignon jusqu'au détachement de la dent de pignon de droite. La relation entre 0 2et 0 3 est donné par formule suivante: 0 3= 0 2XZ1/Z2 dans laquelle Zl représente le nombre de filets de la vis et Z2 le nombre de dents du pignon. La figure 3 montre que le diamètre du pignon atteint sa valeur la plus longue lorsque 03 est à son maximum dans les conditions de l'état de la technique conventionnelle. Il faut noter que la compression et la décharge du gaz dans la section à haute pression sont réalisées dans la partie éloignée de l'axe de la vis de la figure 4. Dans ce cas, à la fois le couple de l'axe de la vis engendré par le gaz comprimé et le travail de la vis requis pour une réaction de la vis sur le couple sont élevés. D'une façon correspondante, à la fois le couple de l'axe de la vis engendré par le compresseur et le travail de la vis exigé par la réaction de la vis sur le couple sont également élevé. Par conséquent, la consommation d'énergie dans un compresseur conventionnel est très élevé. L'un des buts de la présente invention est de fournir un nouveau compresseur à vis unique possédant un meilleur effet suivant la conservation d'énergie surmontant les inconvénients décrits dans l'art antérieur. Selon la présente invention, un compresseur à vis unique comprend un axe, un corps, une vis et deux pignons. La distance de lignes génératrices d'une dent de pignon respectivement du côté gauche et du côté droit par rapport à l'axe du pignon n'est pas identique, c'est-à-dire que la largeur de la demi partie gauche de la dent de pignon n'est pas égale à la largeur la demi partie droite de la dent de pignon. Nous désignons une telle dent par une dent de pignon de largeur inégale dans le but de la distinguer d'une dent de pignon de largeur égale rencontrée dans l'état de la technique conventionnelle. Les dents de la vis sont également des dents de largeur inégale. De préférence, le domaine de l'angle de fermeture (05+ At) du compresseur selon la présente invention s'étend de 60 à 66 . Le diamètre est variable le long de la vis suivant un profil extérieur. L'invention sera mieux comprise par la description de modes de réalisation illustrés par les dessins. La figure 1 est une vue en coupe d'un compresseur à vis unique conventionnel du type CP. La figure 2 est une vue en perspective montrant quatre types de compresseurs à vis unique conventionnels. La figure 3 est une vue en coupe partielle montrant le compresseur de la figure 1 dans lequel la vis est en prise avec le pignon. La figure 4 est une vue montrant la compression du gaz dans le compresseur de la figure 1. La figure 5 est une vue montrant le compresseur de la figure 1 dans lequel la vis est en prise avec deux pignons simultanément. La figure 6 est une vue montrant le compresseur à vis unique de la présente invention dans lequel la vis est en prise avec un pignon. La figure 7 est une vue comparant la forme de dents de pignon de largeur inégale selon la présente invention avec la forme de même largeur de dents de pignon conventionnelles. Les figures 8 à 13 sont des vues montrant le fonctionnement d'un mode préféré de réalisation de la présente invention. La figure 14 est une vue montrant le profil extérieur d'une section à haute pression de la vis d'un autre mode préféré de réalisation de la présente invention. La figure 15 est une vue montrant la relation existant entre la ligne de connexion AO et la ligne génératrice de la section à basse pression du compresseur illustrée par les figures 8 à 14. La figure 16 est une vue comparant l'angle de fermeture du compresseur illustré par les figures 8 à 14 avec l'angle de fermeture d'un compresseur conventionnel. Un mode préféré de réalisation de la présente invention va maintenant être décrit en référence avec les figures numérotées de 6 à 13. La figure 6 est une vue montrant la vis en prise avec un pignon du compresseur à vis unique selon la présente invention. 2 5 Par référence à la figure 7, la forme des dents de pignon conventionnelles et des dents de pignon de largeur inégale sont représentées respectivement par des traits pleins et par des lignes dédoublées, tandis que les autres paramètres des deux types de dents sont les mêmes. Le diamètre d'une dent de pignon de largeur inégale peut être plus long d'une valeur Ad2 que celui d'une dent de pignon conventionnelle lorsque les deux plus grand angles de rotation de travail des deux types de dent sont les mêmes. Lorsque le profil extérieur de la dent est d'une forme cylindrique, l'incrément Ad2 peut être déduit à partir de la formule suivante: Ad2 = 2[(b/2-B,)tg04 + (d2/2)2 _-(b/2)2]2 +B21 -d2 Lorsque la forme du profil extérieur de la vis est modifiée, on peut également augmenter le diamètre du pignon en adoptant des dents de largeur inégale. La formule pour calculer I'incrément Ad2 doit être changée en conséquence o l'incrément Ad2 peut être obtenu par une méthode de graphe. Par comparaison avec l'art conventionnel, I'augmentation du diamètre du pignon résultant de la nouvelle technique des dents de largeur inégale a les avantages suivants: - augmentation du volume de décharge et du rapport d'efficacité énergétique du compresseur. Le volume de décharge pour un compresseur à vis unique d'un type commercial de 30kw peut être augmenté d'environ 20% tandis que le rapport d'efficacité énergétique est augmenté de 5%. - diminution de l'encombrement et du poids du compresseur. L'augmentation du diamètre du pignon peut conduire à une augmentation du volume de décharge du gaz, donc le diamètre de la vis doit être réduit si le volume de décharge doit être maintenu constant de sorte que la diminution de l'encombrement et du poids du compresseur soit réalisée simultanément avec l'augmentation du rapport d'efficacité énergétique de celui-ci. - création de conditions favorables pour le développement vers de faibles volumes de décharge d'un compresseur à vis unique. Plus le volume de décharge de gaz est faible, plus les indices de consommation énergétique d'un compresseur à vis unique sont mauvais, ce qui provoque une plus faible conservation de l'énergie par rapport à d'autres types de compresseurs. La plus petite puissance de moteur d'un compresseur à vis unique conventionnel est 30kw, cependant, un compresseur à vis unique ayant une puissance de moteur de 15kw est disponible lorsque le rapport d'efficacité énergétique peut être augmenté en faisant application des dents de largeur inégale selon la présente invention. - amélioration de la rigidité de la base du pignon et allongement de la durée de vie de ce pignon. Si le diamètre du pignon est fixe, I'angle 03 du pignon muni de dents d'inégale largeur est plus petit et l'angle 01 de ce même pignon est plus grand, de sorte que la durée de vie du pignon peut être allongée avec l'augmentation de l'épaisseur et de la rigidité de la base. Si l'on augmente le diamètre du pignon, la durée de vie de ce pignon peut être allongée consécutivement à l'augmentation de la zone de prise des flancs du pignon. Dans la plupart des cas, à la fois le diamètre du pignon et la rigidité de sa base peuvent être augmentés. La seule différence entre des dents de largeur inégale et des dents de largeur égale conventionnelles tient dans la différence entre la largeur de la moitié de dent du côté gauche et du côté droit créée par le changement de la position de la ligne génératrice, donc la surface de prise (flanc) du pignon reste la surface incurvée conjuguée du flanc de la dent de la vis. Par conséquent, la fabrication des flancs du pignon et des rainures de la vis ne peut être obtenue que par le déplacement correspondant d'outils de découpe. En référence à la figure 16, I'angle de fermeture O5 se forme lorsque une dent de pignon vient juste en prise avec l'une des rainures de la vis de façon à la fermer. L'angle de fermeture 05 d'un compresseur conventionnel est d'environ . Lorsque 03 est maintenu fixe, on augmente le diamètre du pignon de Ad2' si 05 augmente de AO, de sorte que les buts à la fois de conservation de l'énergie et d'augmentation du volume de décharge de gaz peuvent être atteints à partir des avantages de la dent de largeur inégale. Le domaine préféré de l'angle de fermeture (05 + AO) du compresseur selon la présente invention varie de 60 à 66 . Comme cela a été mentionné ci-dessus, la compression et la décharge de gaz dans une section à haute pression d'un compresseur conventionnel CP du type à vis unique sont réalisées à une position éloignée de l'axe de la vis, ce qui augmente la consommation d'énergie. Pour surmonter cet inconvénient, on diminue le diamètre de l'extrémité à haute pression de la vis du compresseur selon la présente invention, de sorte que le but de conservation d'énergie peut être atteint en réalisant la compression et la décharge du gaz dans la section à haute pression à une position plus rapprochée de l'axe de la vis. Le processus est décrit en détail par référence aux figures 8 à 13. Soit le profil extérieur de la section à haute pression ou le profile extérieur de la section à basse pression de celui de la vis illustrée par la figure 8 a une forme de cône circulaire qui n'est pas favorable pour la conservation d'énergie. Le profil extérieur de la section à haute pression de la vis de la figue 9 possède un cône circulaire et le profil extérieur de la section à basse pression demeure cylindrique. Dans ce cas, la consommation d'énergie augmente du fait que la compression du gaz de la section à basse pression est réalisée à la plus grande extrémité éloignée de l'axe de la vis; puis la consommation d'énergie est réduite résultant du fait que la compression du gaz dans la section à haute pression est réalisée à la plus petite extrémité proche de l'axe de la vis. La consommation totale d'énergie est diminuée du fait que la pression à la section à haut pression est bien plus élevée que celle de la section à basse pression et la réduction de la consommation d'énergie est bien plus importante que l'augmentation d'énergie. Plus le rapport de compression est important, plus la consommation d'énergie l'est également. De façon spécifique, dans un compresseur à vis unique courant, avec une décharge de pression de 0,7 Mpa, si l'on adopte des dents d'inégale largeur, le calcul cinématique montre que la conservation d'énergie peut augmenter comparativement de 8 % par rapport à un compresseur à vis unique conventionnel lorsque le demi angle au sommet du cône est de 200; la conservation d'énergie augmente d'environ 10% lorsque le demi angle au sommet du cône est de 25 . Cependant, la quantité d'énergie conservée ne peut pas augmenter en correspondance si le demi angle au sommet du cône est trop grand. Au contraire, à la fois la force axiale de la vis et l'encombrement du compresseur augmenteront fortement. Par conséquent, le demi angle au sommet du cône est de préférence inférieur à 45 ce qui est bien moins qu'un demi angle au sommet du cône de 90 pour un compresseur conventionnel du type PP à vis unique. Donc, nous n'avons pas besoin d'adapter une paire de vis dans un compresseur comme ce qui se passe avec un compresseur conventionnel PP puisque la force axiale est plus faible. En référence à la figure 14, la section à haute pression de la vis peut aussi avoir la forme d'un cylindre avec un plus petit diamètre suivant son profil extérieur. La section entre les deux sections cylindriques a la forme d'un cône suivant son profil extérieur possédant un plus grand demi angle au sommet. Par référence à la figure 15, la ligne qui relie le point d'intersection A des lignes génératrices des sections à haute et basse pression avec le centre de rotation O du pignon est perpendiculaire à la ligne génératrice AB de la section à basse pression. La longueur du segment AB est en relation avec la durée de vie du pignon en ce sens que plus le segment AB est long, plus la durée de vie du pignon est importante. Par conséquent, il faut diminuer approximativement l'angle e5 dans le but d'augmenter la longueur du segment AB et dans le but également d'avoir plus de dents de pignon en prises à un même instant lorsque l'on a diminué le diamètre de section à haute pression de la vis. Ni la technique de fabrication ni le dispositif de fabrication des rainures is de la vis ne sont affectés puisque la forme de la rainure est maintenue en sa forme connue tandis que le profil extérieur de la vis est modifié selon la présente invention. Il en résulte que les principaux avantages du compresseur à vis unique sont sauvegardés et que la consommation d'énergie diminue fortement également. La ligne génératrice du cône de la vis peut être une ligne droite 9 (en référence aux figures 8 et 9) ou une ligne incurvée 10 (en référence à la figure 10 ou 11) ou une ligne polygonale 11 (en référence aux figures 12 et 13) ou toute combinaison possible de ces possibilités. Les modes de réalisation décrits ci-dessus sont donnés à titre non limitatif de représentation de l'invention. D'autres modes de réalisation de l'invention sont possibles à l'intérieur des revendications. Pour l'homme du métier, de nombreux changements dans le dispositif décrit ci-dessous peuvent être obtenus sans sortir du concept de l'invention ni de son étendue, laquelle n'est limitée que par les revendications ci-annexées. REVENDICATIONS 1. Compresseur à vis unique comprenant un axe, un corps (6), une vis (1) et deux pignons (2), caractérisé en ce que les dents des deux pignons (2) et de la vis (1) sont des dents de largeur inégale, c'est à dire que, pour chaque dent de pignon, la distance des lignes génératrices respectivement du côté gauche et du côté droit par rapport à l'axe du pignon n'est pas identique. 2. Compresseur à vis unique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre est variable le long de la vis suivant un profil extérieur. 3. Compresseur à vis unique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le profil extérieur de la section à haute pression de la vis possède une forme de cône circulaire et en ce que le profil extérieur de la section à basse pression de la vis est cylindrique. 4. Compresseur à vis unique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la section à haute pression de la vis possède une forme cylindrique ayant un plus petit diamètre suivant son profil extérieur et en ce que la section entre les deux sections cylindriques de la vis a la forme d'un cône suivant son profil extérieur possédant un plus grand demi angle au sommet. 5. Compresseur à vis unique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le domaine de l'angle de fermeture qui se forme lorsque l'une des dents du pignon vient juste en prise avec l'une des rainures de la vis de façon à la fermer, est compris entre 60 et 66 .