Brevet FR2798967A1 — publié le 20010330

La présente invention concerne un nouveau type de capsulisme pour machine tournante véhiculant un fluide gazeux et pouvant fonction en compresseur ou en pompe à vide. On désigne par capsulisme la réalisation d'un volume fermé variable. L'invention concerne plus précisément une nouvelle famille de compresseurs ou de pompes vide "secs", notamment une famille de compresseurs d'air ou de gaz particulièrement compacts, légers, à un, deux ou trois étages, pouvant refouler sous pression basse, moyenne ou haute (par exemple 3, 8 ou 20 bars, respectivement). L'invention vise à concurrencer à la fois : - les petits compresseurs à vis à injection d'huile, destinés aux marchés transports, de l'industrie, des travaux publics et du bâtiment, dont la simplicité de conception du compresseur prorement dit est compliquée et alourdie par de nombreux accessoires (régulation, réservoir-séparateur, tuyauteries et filtre d'huile) ; - les petits compresseurs à pistons, qui nécessitent un réservoir et engendrent bruit et trépidations. Par conséquent, les compresseurs recherchés doivent être compacts, donc avoir un grand rapport volume aspiré, ou cylindrée, sur volume total de chambre de compression. Toutefois, la longueur de cette chambre étant constante pour un compresseur rotatif donné, il sera plus clair de parler du rapport : section aspirée, sur section totale (limitée par les alésages et leurs tangentes communes, c' -à-dire en incluant les parties concaves) de la chambre de compression. Ce rapport sera dénommé ci-après "taux d'aspiration". Ces compresseurs recherchés doivent en outre être légers, et l'on devra éviter les rotors ayant un gros noyau (compresseurs à vis, ou à dents). A cet égard, le compresseur à spirales à mouvement orbital semble satisfaire les objectifs ci-dessus, mais il n'est pas exempt de défauts : - lorsqu'il possède un arbre central et un arbre extérieur, il reste limité basses pressions et, de plus, les deux arbres sont différents car celui situé centre doit supporter presque tous les efforts ; - lorsqu'il ne possède pas d'arbre traversant les spirales, le rotor doit maintenu en porte-à-faux, ce qui implique des paliers plus importants, donc plus lourds et encombrants ; - par ailleurs, ce type de compresseur ne monte que très progressivement en pression doit avoir plusieurs spires pour atteindre seulement une pression basse, ou une pression moyenne pour les très petits débits. Il comporte alors de longues lignes de fuite, l'utilisation de segments en bout des aubes du rotor (sauf pour les très basses pressions) frottant sur le stator, et réciproquement. Cet emploi de segments frottant à sec limite fortement la vitesse de rotation. Les fuites non étanches entre les parois courbes des spirales fixes (stator) et mobiles (rotor), que l'on peut supposer constantes quel que soit le regime de rotation, prennent davantage d'importance par rapport à un débit plus faible. De plus, les courbures progressives engendrent un faible coefficient de perte de charge amont-aval, et favorisent les fuites. Le frottement des segments ajouté à ces fuites et au fait que la compression est très progressive, provoque un supplément d'échauffement en cours de compression, au détriment du rendement des compresseurs de type. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités - utilisant un nouveau profil permettant une compression beaucoup plus rapide, ou brutale, limitant les fuites ; - en ayant un taux d'aspiration parmi les plus élevés des compresseurs connus à ce jour, permettant ainsi une compacité plus grande, d'où des lignes de fuite plus courtes. En outre, ce taux d'aspiration plus élevé permet l'emploi, pour une même cylindrée, rayon d'excentration (chaque point du rotor décrivant un même mouvement circulaire dans le plan orthogonal aux arbres d'entraînement) plus petit ; - si le compresseur conserve des segments en bout de pales, en gardant constant le produit : régime de rotation x excentricité, et donc constante la vitesse de frottement segments. Pour le comparer au compresseur à spirales, le régime est augmenté en raison inverse de la diminution d'excentricité, ce qui permet d'augmenter encore la compacite, en réduisant de nouveau la cylindrée, qui est pratiquement divisée par deux. Une autre possibilité est ouverte par la suppression des segments en bout de pales, d'augmenter fortement le régime de rotation, d'où une très nette diminution de la cylindrée, de la longueur des lignes de faite, de l'encombrement et du poids des compresseurs ainsi réalisés. Ceux-ci sont moins bruyants, les pulsations d'air étant plus faibles et plus nombreuses. Concernant les compresseurs à pression moyenne, ils sont conçus avec des cellules basse pression, refoulant vers un réfrigérant d'air ou de gaz, et moyenne pression, aspirant dans ce même réfrigérant, ce qui améliore rendement de compression et évite des températures et déformations de profils, dues à la chaleur dégagée par l'air comprimé, prohibitives. Quant compresseurs haute pression, ils ont évidemment réfrigérant à la sortie des deux premiers étages, pour les mêmes raisons. Plus precisément, si l'on appelle "cellule de base" la cellule élémentaire la plus simple, on verra que l'on peut, dans le cadre de l'invention, disposer, dans une même chambre de compression, plusieurs cellules de base, par exemple deux ou plusieurs cellules identiques (simples ou juxtaposées) pour la basse pression, et même pour la moyenne pression. Le fait que la partie basse pression et la partie moyenne pression se trouvent dans la même chambre apporte évidemment une grande simplification de conception et un gain en poids, en compacité, en prix de revient. Les conclusions sont les mêmes s'il a de plus une partie haute pression. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description ' après, faite en regard des dessins annexés. En premier lieu, on va définir la cellule de base, qui comprend deux alvéoles de compression. rotor, comme dans les compresseurs à spirales, est entraîné par deux arbres parallèles au moyen de deux excentriques de même excentricité E. Chaque point du rotor décrit donc, dans son mouvement, un cercle, ou une "orbite", rayon E. En se référant à la figure 1, on considère trois courbes parallèles, plus précisément deux courbes enveloppes C2, C3 de cercles F' de même rayon E, dont le centre se déplace une courbe donnée Cl. Par le centre de chaque cercle F, on mène une droite de direction A. Une seule de ces droites coupe simultanément F et C2 en E2, F et C3 en aux points pour lesquels A est perpendiculaire aux tangentes à C2, C3, F, donc à Cl. En se référant à la figure 2, si l'on déplace la courbe Cl de E dans la direction A, elle vient en rencontre C2 en E2, et seulement en E2, le rayon de courbure de C'l en E2 étant inférieur de E à celui de C2. On montrerait de même que si l'on déplace CI de -E selon A, elle rencontre C3 en E3, et seulement en E3. La cellule de base la plus simple possible présente la forme de la lettre C. Dans ce qui suit, décrit une cellule théorique, dans laquelle l'aube ou la pale du rotor, dans la section orthogonale axes des arbres d'entraînement, n'a pas d'épaisseur, ce qui simplifie la description. En se référant à figure 3, un rotor 1 étant supposé d'excentricité nulle, par rapport à un stator fixe 2 sera dit "en position moyenne" - qu'il n'occupe jamais dans la pratique, son excentricité étant toujours égale à E - . Son aube a la forme d'un C. Le stator fixe l'enveloppe des cercles de rayon E centrés sur le rotor en position moyenne. La courbe C peut etre constituée de deux spirales en sens inverses, une de sens allant de l'aspiration As vers B, et une de sens +, allant du refoulement Re vers B. Elle peut aussi être définie par toutes sortes de courbes mathématiques, pourvu que la tangente en B soit commune aux deux courbes (une cassure de la courbe génératrice provoque une fuite au niveau de la courbe inférieure du stator) ou, plutôt, que les tangentes des courbes successives soient communes à leurs points de rencontre B, BI, B2, B3, ... La courbe C devra former, au refoulement Re, une boucle d'autant plus fermée que l'on désirera une pression de refoulement plus élevée. Il suffira qu'elle s'arrête à l'horizontale, ou à peu près, à l'aspiration As. En se référant à figure 4, celle-ci montre les phases successives de la compression dans une cellule de base. Les parties ombrées montrent les alvéoles communiquant avec l'aspiration, jusqu'à la fermeture de celle-ci, et celles hachurées les alvéoles expulsant l'air comprimé dans l'orifice de refoulement. Aspiration et refoulement sont ininterrompus, et il en résulte que le principe de compression lui- même diminue les pulsations d'air et de bruit aux orifices amont et aval. Les cadrans montrent l'angle de rotation commun des deux excentriques d'entraffiement. On peut constater qu'une alvéole supérieure et une alvéole inférieure se remplissent une fois par , et refoulent avant un demi tour. La cylindrée théorique de la cellule est égale à la somme des surfaces SA et SB multipliée par la longueur la chambre de compression, ou du rotor, parallèlement aux axes des arbres d'entraînement. En se référant maintenant à la figure 5, le compresseur à spirales est constitué des enveloppes successives d'une même spirale de base, engendrées par des cercles FI, F2, F3 ... de même rayon E, situés sur une même normale N à la spirale de base, en Re, dont les centres décrivent, en tournant, le rotor (supposé sans épaisseur) en position moyenne, et dont les intersections avec N décrivent le stator. Au contraire, la cellule de base du compresseur en forme de C a son stator défini directement par l'enveloppe des cercles glissant sur le rotor servant de génératrice. Au lieu d'être constituée dans deux spirales de sens inverses, la courbe du rotor peut être, dans le cadre de l'invention, décrite par plusieurs arcs de cercles successifs. On remarque : - d'une part en se référant à la figure 6, que le fait d'utiliser des arcs de cercles simplifie les équations du stator et du rotor : ce dernier étant en position moyenne, soit CI l'un des ses arcs de cercles de centre M, de rayon RI et d'arc al. Les arcs de cercles C'l et C"I du stator ont même centre M, même angle al, et pour rayons R'I=RI+E et R"1=Rl-E. Le centre M des arcs de cercles C2, C'2, C"2 est situé sur la droite A12 passant par M limirant les arcs CI, C'l et C"I sur cette droite. De même, le centre f#O des arcs à gauche de AO 1 est sur AO 1, et le centre M des arcs à droite de A23 est A23, et ainsi de suite. - d'autre part, en référant à la figure 7, que si le centre Ç2 du plus grand rayon R deux cellules opposées est commun, la forme extérieure de la chambre est un cercle de ce même rayon limité par les tangeantes T communes aux deux cellules. La forme ci-dessus est simple, et donne une même vitesse de déplacement maximum pour deux cellules. On peut lui préférer une forme plus aplatie, telle que celle représentée sur la figure 8, dans le but d'obtenir une plus grande vitesse de déplacement d'air, pour une excentricité donnée, et donc un meilleur taux d'aspiration. La vitesse maximum de l'air dans l'alvéole est en effet co.R, et la vitesse orbitale de tout point du rotor est co.E, ce qui permet de multiplier la vitesse dans le rapport R/E, et donc d'obtenir un grand débit dans un encombrement faible, le rapport R/E pouvant dépasser 10. En se référant maintenant à la figure 9, celle-ci montre une chambre de compression dans laquelle les arbres d'entraîmement ne traversent pas le rotor, qui est en porte-à-faux. Au contraire, en se référant à la figure 10, celle-ci représente un version dans laquelle les deux arbres munis d'excentriques traversent le rotor, un compresseur basse pression à cellules juxtaposées deux par deux. En se référant à la figure 11, celle-ci représente le schéma compresseur moyenne pression : les deux grandes alvéoles refoulent dans un réfrigérant Rfl l'air comprimé ensuite jusqu'à la pression finale dans les deux petites alvéoles. Un réfrigérant final M complète cette réalisation. Dans les figures qui précèdent, les alvéoles sont groupées tête-bêche, pour diminuer les réactions des paliers. Les arbres qui y figurent, soumis aux mêmes efforts moyenne, pour raison de symétrie, peuvent être identiques ainsi que leurs joints, paliers et contrepoids. Toutefois, une construction asymétrique reste possible, dans le cadre de l'invention, en se référant par exemple à la figure 12, qui montre un compresseur à trois étages avec arbres traversants. Excepté pour les compresseurs à très basse pression, on toujours intérêt à opposer deux rotors, de même profil transversal, dos à dos, comme représentés sur la figure 13 (ou il peut s'agir d'un rotor unique creusé sur sa droite sur sa gauche), ou bien à distance, comme représentés sur la figure 14, de manière à supprimer toute poussée axiale. Ceci à condition que les deux moitiés du stator et leurs orifices aient une même section transversale pour bien équilibrer les forces axiales. Bien entendu, les rotors doivent être équilibrés radialement, surtour si le régime rotation est élevé, mais ceci est facile à réaliser, car lesdits rotors ont une faible masse en raison de leur forme compacte et évidée, et une faible excentricité eu égard à cylindrée. En se référant à la figure 15, celle-ci montre une réalisation possible de l'étanchéité à vitesse moyenne, où l'un des deux arbres identiques représenté est entaillé pour réaliser tout ou partie de l'équilibrage. L'arbre 3 entraîne le rotor 4 par l'intermédiaire de roulements à aiguilles 5, accolés à des joints d'étanchéité 6, retenant l'huile, dont la circulation sous faible pression est indiquée par des flèches. En se référant à la figure 16, celle-ci montre une autre conception, pour compresseurs tournant à grande vitesse, où le coussinet 7 est emmanché à force dans le rotor 8. L'étanchéité des fuites d'huile est assurée par une barrière d'air, prélevée au refoulement (dans le rotor), aux deux extrémités du maneton excentré 9 de l'un des deux arbres d'entraînement identiques. L'action de l'air comprimé est complétée par deux filetages sens inverses ramenant l'huile vers le centre du maneton. L'huile de lubrification, circulant selon les flèches, arrive au centre du maneton et est récupéree de part et d'autre du coussinet central. Le maneton est d'un diamètre légèrement plus faible dans les parties comportant filetages et rainures, pour que le coussinet ne frotte pas ces parties ou pas lubrifiées. Cette conception pour compresseurs rapides à arbres traversants est évidemment très compacte et légère. Les coussinets des paliers de chaque arbre d'entraîmement sont rendus étanches par des joints ou des labyrinthes classiques, selon la vitesse de rotation, et la partie restante (ou totale) de l'équilibrage, est assurée par des masses situées en dehors des paliers. En se référant à la figure 17, celle-ci montre une vue d'ensemble d'un compresseur basse pression, dans lequel les excentriques, au centre du rotor, sont en bout d'arbres. L'arbre 10 représenté tourne dans le stator 11 par l'intermédiaire des roulements 12 et 13. L'excentrique entraîne le rotor 22 au moyen du roulement 14. Les joints 15, 16 et 17 isolent la chambre de compression de l'huile de lubrification. L'arrivée d'huile, dans le stator 11, est située entre le roulement 12 et le joint 17. Le pignon 18 engrène avec la roue 19 qui entrame également l'autre arbre. Les contrepoids 20 et 21 équilibrent le rotor dans le sens radial. Les butées axiales ne sont pas représentées sur les figures de la présente demande, pour ne pas compliquer celles-ci exagérément. Il a lieu de noter que, dans ce qui précède, il n'a pas été tenu compte de la collerette centrale du rotor (représentée seulement sur les figures 13 et 14). Cette collerette pour rôle d'obturer la partie extérieure des alvéoles du stator, pendant toute la durée de la rotation des excentriques. Par ailleurs, le capsulisme selon l'invention a été conçu notamment (mais non exclusivement) pour permettre la réalisation de compresseurs de plus faibles débits que les compresseurs à vis. La frontière d'une famille donnée de compresseurs, lorsque les dimensions diminuent, provient de l'augmentation relative des jeux, bomés par les tolérances réalisables, les flèches des pièces, les tassements de roulement, les dilatations relatives des organes voisins, toutes valeurs qu'on ne peut réduire au-delà de certaines limites. A cet égard, la famille de capsulismes à air ou à gaz "secs" selon l'invention, aura aussi sa propre limite inférieure de débit. Celle-ci pourra être fortement réduite (dans un rapport de 10 ou plus) en utilisant l'injection de liquide (huile - eau - fluide frigorigène), avant pendant la compression, ou avec lubrification de la chambre compression, cette technique employant le classique ensemble : réservoir avec filtre séparateur, réfrigérant, et régulation, entre évidemment dans le champ d'application de l'invention. En outre, est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif et qu'on pourra y apporter toute modification utile, notamment dans le domaine des équivalences techniques, sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1- Capsulisme pour machine tournante véhiculant un fluide gazeux et pouvant fonctionner en compresseur ou en pompe à vide, caractérisé le fait que l'aube du rotor mobile (1) d'une cellule de base est constituée de deux spirales en sens inverses, la premiere communiquant avec l'aspiration As et la seconde avec refoulement Re, ces deux spirales donnant au rotor la forme de la lettre "C". 2- Capsulisme selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la courbe C est définie par les deux spirales, ou par toutes sortes de courbes mathématiques ayant de préférence des tangentes communes à leurs points de jonction (B, BI, B2, B3 ... ). 3- Capsulisme selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la courbe C forme au refoulement Re, une boucle d'autant plus fermée que le taux de compression (ou rapport de pressions absolues refoulement sur aspiration) 'levé et s'arrête à peu près à l'horizontale, côté aspiration As. 4- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications a 3, caractérisé par le fait que le rotor (1) est animé d'un mouvement orbital, chacun de ses points décrivant un même cercle d'excentricité E, et ayant un même angle au même instant avec son point de départ, ledit rotor étant entraîné par deux arbres identiques, d'axes parallèles, synchronisés en rotation, au moyen d'excentriques de même rayon E. 5- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'alvéole du stator fixe (2) est l'enveloppe des positions successives du rotor (1) dans mouvement, c'est-à-dire l'enveloppe des cercles de rayon égal à l'excentricité E augmentée de la demi épaisseur de l'aube du rotor, dont les centres glissent sur l'axe médian cette aube. 6- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les deux spirales du rotor (1) peuvent être constituées d'arcs de cercles (CO, CI, C2, ... ) de manière à simplifier les calculs de dimensionnement et les contrôles de fabrication, l'intérieur de l'alvéole du stator (2) étant alors défini des arcs de cercles C'l, C'2, C'3, ... et C"O, C"I, C"2, C"3, ... ) concentriques à ceux du rotor, tous ces cercles ayant de préférence des tangentes communes à leurs points raccordement. 7- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que plusieurs cellules de base simples ou juxtaposées, à un, deux ou trois étages de pression, sont groupées dans une même chambre de compression (compresseurs à basse, moyenne, ou haute pression) ou de vide, des réfrigérants intermédiaires séparant les diffrérents étages des compresseurs de manière à éviter des températures déformations thermiques exagérées. 8- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par fait que les alvéoles peuvent être groupées tête-bêche pour diminuer les réactions sur les paliers. 9- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le rapport du rayon R de la paroi du stator la plus éloignée du centre n à l'excentricité E est égal au rapport de la vitesse maximum de l'air dans l'alvéole à la vitesse orbitale de tout point du rotor, et peut dépasser 10. 10- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le ou les arbres d'entraffiement traversent complètement ou partiellement la chambre de compression. 11 - Capsulisme selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé le fait que l'on oppose deux rotors, de même profil transversal, dos à dos ou à distance de manière à supprimer toute poussée axiale. 12- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que les rotors sont équilibrés radialement, par des contepoids placés à l'extérieur de la chambre de compression. 13- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que les compresseurs ou pompes à vide compriment uniquement de l'air ou des secs. 14- Capsulisme selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par fait que les compresseurs ou pompes à vide fonctionnent avec injection de liquide avant ou pendant la compression ou avec lubrification de la chambre de compression.