Brevet FR2816377A1 — publié le 20020510

COMPRESSEUR A ANNEAU LIQUID A MOTEUR INCORPORE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne les machines de pompage de l'air à basse pression en milieu humide. Elle s'applique en particulier pour l'alimentation en air des piles à combustible constituées d'empilement d'étages comportant chacun un ensemble électrodes/membrane, et en particulier celles devant être embarquées à bord de véhicules de transport public ou de voitures particulières. Art antérieur et problème posé De manière générale, les piles à combustible utilisant des ensembles électrodes/membrane, embarquées à bord de véhicules, sont alimentées par de l'hydrogène et de l'oxygène. Ce dernier est extrait de l'air ambiant et est utilisé en légère surpression. Par ailleurs, il faut utiliser de l'air humide pour humidifier et réfrigérer les membranes des ensembles électrodes/membranes. L'hydrogène est fourni sous pression, soit par stockage, soit par un procédé de reformage qui le fabrique à partir de différents liquides, tels que le méthanol, l'essence, le gaz naturel, etc.. Dans ces véhicules, l'air ambiant doit donc être comprimé par un dispositif auxiliaire embarqué, du type soufflante ou compresseur. De plus, il doit être filtré et humidifié. Les matériels industriels pouvant remplir ces fonctions possèdent des caractéristiques qui sont peu adaptées aux problèmes à résoudre dans ces véhicules. En effet, ils sont généralement volumineux, consommateurs d'énergie, bruyants, et leur mécanique utilise une pivoterie constituée de roulements généralement pollueurs de l'air qui les traverse. Le but principal de l'invention est de fournir un dispositif de pompage de l'air pour l'alimenter d'une pile à combustible utilisant des ensembles électrodes/membrane et pouvant être embarquée à bord de différents types de véhicules, permettant donc de réaliser à la fois la fonction de compression et la fonction d'humidification de l'air. Un tel dispositif devra ne pas consommer beaucoup d'énergie électrique, être de masse réduite et peu bruyant en fonctionnement. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un compresseur à anneau liquide à liquide/gaz pour fournir du gaz humide, par exemple pour une pile à combustible, comprenant : - un carter définissant un volume interne de révolution de forme plutôt discoïde ; un rotor monté tournant de façon excentrée dans le carter, de forme discoïde et possédant des palettes qui tangentent presque la périphérie du volume interne, définissant ainsi un espace libre en forme de croissant fermé ; au moins une entrée de liquide pour alimenter en liquide le volume interne ; - au moins une entrée de gaz sur une partie supérieure du carter, placée en regard des palettes et dans une première branche du croissant fermé ; - au moins une sortie de gaz sur la partie supérieure du carter, placée en regard des palettes dans une deuxième branche du croissant fermé ; et - un moteur électrique discoïde asynchrone comportant principalement : . une partie rotorique placée sur le rotor, entre les pales et le moyeu du rotor ; et . une partie statorique fixée sur et à l'intérieur du carter, à l'intérieur des parties supérieure et inférieure, en regard de la partie statorique. Dans le but de réaliser le positionnement et le centrage du rotor dans le carter, le carter est muni de parties centrales sur les parties supérieure et inférieure et à l'intérieur de chacune desquelles se trouvent un palier et une butée présentant des surfaces de glissement pour positionner et permettre la rotation du rotor. Dans une réalisation préférentielle de l'invention, le compresseur possède deux entrées de liquide : - une première entrée est placée dans la partie inférieure du carter en regard des palettes ; et - une deuxième entrée est placée dans la partie inférieure du carter, en regard de la partie inférieure du palier. Dans ce cas, le moyeu du rotor se complète avantageusement de canalisations partant de la partie inférieure du moyeu et débouchant sur des surfaces de glissement du moyeu qui se trouvent en regard des surfaces de glissement du palier. Le compresseur peut avantageusement être complété d'une sortie latérale d'eau supplémentaire, placée en regard des palettes. Pour obtenir un fonctionnement compatible avec l'alimentation en air d'une pile à combustible, l'entrée d'air se trouve, de préférence, au niveau d'un premier espace de section moyenne de la première branche du croissant fermé, la sortie d'air se trouvant, de préférence, au niveau d'un deuxième espace de section rétrécie de la deuxième branche du croissant fermé, par rapport à celle du premier espace. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, qui est accompagnée de deux figures représentant respectivement : - figure 1, en coupe, selon une ligne A-A de la figure 2 ; et - figure 2, en demi-coupe vue de dessus, le compresseur selon l'invention. Description détaillée d'une réalisation de l'invention La figure 1 permet de voir tous les composants du compresseur selon l'invention. Dans le cadre de l'utilisation du compresseur pour une pile à combustible, celui-ci est installé dans une caisse 1 de réserve d'eau 2 équipée d'une surverse 3. Le compresseur est disposé de manière à être immergé en grande partie, et que son axe central Al soit placé verticalement. Le compresseur comprend principalement un carter 20, de forme discoïde, à l'intérieur duquel se trouve monté en rotation un rotor 10. L'air qui doit être pompé par le compresseur arrive par une arrivée d'eau 4 placée, de préférence verticalement, sur une partie supérieure 20S du carter. De même, l'air est refoulé par une sortie d'air 5 placée elle-même perpendiculairement au compresseur, sur la partie supérieure 20S du carter 20. Ces entrée d'air 4 et sortie d'air 5 sont placées vers la périphérie du carter, de manière à se trouver en regard de palettes 11 du rotor 10. Le rotor 10 est positionné de façon excentrée dans le carter 20 au moyen de deux paliers 17 placés chacun dans une partie centrale 28S ou 28I, deux butées 18 complétant le positionnement axial du rotor 10 dans le carter 20. La matière de ces paliers 17 et de ces butées 18, à savoir du graphite, possède un excellent coefficient de frottement, surtout en présence d'eau. Dans le but de favoriser le coefficient de frottement des surfaces des paliers 17 et des butées 18 se trouvant en regard des surfaces de glissement du moyeu 13 du rotor et du début de la partie discoïde du rotor, des canalisations d'alimentation 15 sont prévues dans le moyeu 13 du rotor 10. Elle débouche en regard des surfaces de glissement des paliers 13 et non loin des butées 18. Dans le but d'alimenter en eau ces canalisations d'alimentation 15, le carter 20 possède deux premières entrées d'eau 25 dans la partie centrale 281 de la partie inférieure 201 du carter 20 où un espace 16 est ménagé entre la paroi inférieure et l'extrémité inférieure du moyeu 13, où débouchent les canalisations d'alimentation 15. Une deuxième entrée d'eau 26 a été prévue dans la partie inférieure 201, au niveau des palettes 11 du rotor 10. Une sortie d'eau 27 latérale est prévue à la périphérie du carter, en regard des palettes 11 du rotor 10. A l'intérieur de chacune des parties supérieure 20S et inférieure 201 du carter 20, juste à l'extérieur des parties centrales 28S et 281, au début de la partie discoïde, se trouvent deux évidements annulaires 29 dans lesquels sont logés les deux parties statoriques du moteur, à savoir une série de blocs magnétiques 22 et leur bobinage 23. En correspondance, dans le rotor 10, deux parties rotoriques correspondantes se trouvent placées sur les deux faces latérales de la partie discoïdale du rotor 10, sous la forme d'éléments magnétiques 12. Un moteur électrique synchrone à aimants permanents est ainsi formé. Ces parties rotorique et statorique ne sont pas placées à la périphérie du rotor 10, où se trouvent les palettes 11, mais sont tout de même écartées de l'axe central Al du rotor, de manière à ce qu'un couple suffisant anime la rotation de ce dernier. Le pompage de l'air s'effectue par la rotation du rotor 10, mais également grâce au fait que celui-ci est monté légèrement excentré à l'intérieur du stator 20. Sur la figure 1, ceci se constate par le fait que les espaces El et E2 de l'espace annulaire E subsistant entre le sommet des palettes 11 et de la paroi latérale interne 24 du rotor ne sont pas de la même largeur. Par contre, les axes Al du rotor 10 et A2 du stator 20 se trouvent confondus sur cette figure 1. La figure 2 permet de mieux visualiser cette excentration. En fait, la figure 2 est une vue de dessus en demi-coupe du compresseur selon l'invention. La partie de droite est une vue de dessus où reste apparent la partie supérieure 21S du carter 20, la sortie d'air 5, à travers laquelle il est possible d'apercevoir les extrémités de palettes 11. L'axe Al du rotor 10 a également été figuré, de même que l'axe A2 du carter 20. On distingue donc un décalage d'à peu près un centimètre sur cette figure entre ces deux axes de fonctionnement que sont l'axe Al du rotor 10 et l'axe A2 du carter 20. Sur la partie gauche de cette figure 2, se trouvent représentés la reverse d'eau 3 et, en traits interrompus, l'emplacement de l'arrivée d'air 4. Dans le bas de la figure, a été représentée l'entrée latérale d'eau 26 qui aboutit dans la partie inférieure 201. On distingue nettement que le rotor 10 délimite un espace E, entre le sommet des palettes 11 et la paroi périphérique interne 24 du carter 20, en forme de croissant fermé. Ainsi, l'air absorbé par l'arrivée d'air 4 débouche dans cet espace E au niveau d'un premier espace El, représenté à gauche sur la figure 1, dans une première branche du croissant fermé, et qui est relativement étroit. Du fait de la rotation du rotor 10 dans le sens des aiguilles d'une montre, c'est-à-dire le sens trigonométrique, le fluide est emmené, d'abord dans la plus grande section de l'espace E, puis dans la branche droite de cet espace E, où ce dernier se rétrécie. L'air est alors comprimé, du fait de ce rétrécissement, et est rejeté dans la sortie d'air 5, au niveau du deuxième espace restreint E2 représenté sur la partie droite de la figure 1. Il faut remarquer que la sortie d'air 5 est placée plus près de l'extrémité de la branche du croissant dans laquelle elle se trouve que ne l'est l'arrivée d'air 4 dans sa branche. La section du deuxième espace E2 est donc plus petite que celle du premier espace restreint El. Compte tenu de la présence d'eau dans le carter 20, c'est donc un mélange d'air et d'eau qui est formé dans l'espace E et refoulé dans la sortie d'air 5. En d'autres termes, le compresseur, décrit ici, est du type à anneau d'eau et d'air. Les entrée d'air 4 et sortie 5 ont été représentées avec une section circulaire. Or, il est possible de les prévoir avec une section en forme d'extrémité de croissant, comme cela est souvent le cas dans les pompes à anneau liquide. On comprend que le compresseur selon l'invention, lorsqu'il est plongé dans une caisse 1 de réserve d'eau 2, comme représenté à la figure 1, puisse constituer un dispositif de pompage d'air humidifié, ne nécessitant pas une grande place, et étant particulièrement silencieux. De plus, un tel type de compresseur n'est pas polluant. REVENDICATIONS 1. Compresseur à anneau liquide, comprenant : - un carter (20) définissant un volume interne de révolution plutôt discoïde ; - un rotor (10) monté tournant de façon excentrée dans le carter (20), de forme discoïde et possédant des palettes (11) qui tangentent presque la périphérique du volume interne définissant ainsi un espace (E) en forme de croissant fermé ; - au moins une entrée de liquide (25,26) pour alimenter en liquide le volume interne ; - au moins une entrée de gaz (4) sur une partie supérieure (20S) du carter (20), en regard des palettes (11) du rotor (10) et d'une première branche du croissant ; - au moins une sortie de gaz (5) sur la partie supérieure (20S) du carter (20), en regard des palettes (11) et d'une deuxième branche du croissant ; et - un moteur électrique asynchrone discoïde constitué lui-même de : . une partie rotorique placée sur le rotor (10), entre les palettes (11) et un moyeu (13) du rotor (10) ; et . une partie statorique fixée à l'intérieur du carter (20) sur la partie supérieure (20S) et la partie inférieure (20I), en regard de la partie statorique. 2. Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le carter (20) possède des parties centrales (28S, 281) dans la partie centrale des parois supérieure (20S) et inférieure (20I) et à l'intérieur de chacune desquelles se trouve un palier (17) et une butée (18), présentant des surfaces de glissement pour positionner et permettre la rotation du rotor (10). 3. Compresseur selon la revendication 1, destiné à fonctionner avec l'axe de rotation (Al) du rotor (10) placé verticalement, caractérisé en ce qu'il comprend deux entrées de liquide (25, 26), qui sont respectivement : - au moins une première entrée de liquide (25) placée dans la partie inférieure (20I) du carter (20), en regard de la partie inférieure du moyeu (13) du rotor (10) ; et - au moins une deuxième entrée de liquide (26) dans la partie inférieure (20I) du carter (20), en regard des palettes (11) du rotor (10). 4. Compresseur selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le moyeu (13) du rotor (10) possède des canalisations d'alimentation (15) partant de la partie inférieure du moyeu (13) et débouchant sur des surfaces de glissement du moyeu (13) qui se trouvent en regard de surfaces de glissement des paliers (17) et à proximité des butées (18). 5. Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il possède une sortie latérale d'eau (27) en regard des palettes (11) du rotor (10). 6. Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée d'air (4) se trouve au niveau d'un premier espace (El) de section moyenne de la première branche du croissant fermé et en ce que la sortie d'air (5) se trouve au niveau d'un deuxième espace (E2) de section rétrécie de la deuxième branche du croissant fermé, par rapport à celle du premier espace (El).