Brevet FR2834015A1 — publié le 20030627

La présente invention à pour objet un clapet pour compresseur à spirale, et plus particulièrement un clapet disposé entre l'étage de compression du compresseur et le compartiment haute pression de celui-ci. Le clapet selon l'invention s'applique tout aussi bien aux compresseurs à spirale comprenant un élément à spirale fixe et un élément à spirale mobile, qu'aux compresseurs dans lesquels les deux éléments à spirale sont mobiles. La figure 1 du dessin schématique annexé représente un compresseur à spirale dans lequel l'un des éléments à spirale est fixe et l'autre est mobile. Un tel compresseur à spirale comprend une enveloppe 2 dont la partie supérieure est formée par une cloche 3. Cette enveloppe 2 est séparée en deux compartiments, respectivement un compartiment basse pression 4 d'admission du gaz, et un compartiment haute pression 5 de sortie du gaz comprimé. Ces deux compartiments sont séparés par un étage de compression 6 du gaz. Le gaz est admis dans le compartiment basse pression par un orifice d'entrée 7 et le gaz comprimé est évacué du compartiment haute pression 5 par un orifice 8. L'étage de compression 6 est constitué par un élément fixe à spirale 9 et un élément mobile à spirale 10, ces deux éléments comprenant des parties s'interpénétrant et délimitant entre elles des poches de compression 12. L'élément mobile à spirale 10 est entraîné par un arbre 13, suivant un mouvement orbital, le mouvement de l'arbre 13 étant fourni par un moteur 14. Lors du mouvement orbital de l'élément 10, les poches de compression 12 ont un volume qui diminue progressivement de l'extérieur, où se fait l'admission du gaz dans le compartiment basse pression, vers l'intérieur, le gaz comprimé sortant au centre de l'étage de compression 6 vers le compartiment haute pression 5 à travers un clapet désigné par la référence générale 15 à la figure 1. Ce clapet est un clapet de refoulement qui évite le flux de retour du fluide de la chambre haute pression 5 vers les poches 12 de compression. Ce clapet joue un rôle, non seulement lors de l'arrêt du compresseur, mais, également, en fonctionnement, dans la mesure où lorsque l'étage de compression a un taux de compression fixe et lorsque la dernière poche de compression est en communication avec l'orifice de sortie du gaz, la pression peut être inférieure à la pression dans la chambre haute pression 5. Le clapet isole, donc, la chambre 5 des poches de compression tant que la pression en amont du clapet est inférieure à la pression dans la chambre haute pression. Il existe différentes solutions pour réaliser des clapets de refoulement. Certains clapets sont constitués par une ou plusieurs lamelles libres, ou associées à des ressorts. D'autres clapets, tels que ceux décrits dans le document US 6 179 589, ou dans le document JP 07 127 745 comportent une forme convexe, présentant une surface active arrondie ou de forme tronconique. Les différents clapets connus sur le marché présentent un certain nombre d'inconvénients et notamment ménagent un volume mort important en amont du clapet, permettant au gaz de se détendre dans la poche suivante, procurant des pertes de charge élevées, provoquant un écoulement turbulent se traduisant par un niveau acoustique de fonctionnement élevé, possédant, pour certains, une masse importante se traduisant par un temps de réponse élevé, et ménageant pour le gaz un parcours comportant des arêtes, ce qui perturbe l'écoulement du fluide. Le but de l'invention est de fournir un clapet pour compresseur à spirale, réduisant les pertes de charge et les turbulences lors du passage du gaz, et délimitant en amont du clapet un volume mort le plus faible possible. A cet effet, le clapet qu'elle concerne, destiné à être fixé sur l'élément de l'étage de compression situé du côté du compartiment haute pression comporte un corps central profilé destiné à pénétrer dans l'ouverture de sortie du gaz hors de l'étage de compression, dont la surface extérieure de révolution est concave, de forme générale toroïdale, et se termine par une pointe, l'ouverture de sortie de l'étage de compression étant délimitée par une surface courbe formant d'amont en aval un élargissement assurant avec le corps central profilé une section de passage du gaz sensiblement constante, des moyens d'obturation étant prévus pour obturer ce passage en position de fermeture du clapet. Compte tenu de la forme de la partie centrale du clapet, et notamment de l'extrémité en forme de pointe de celui-ci, il n'y a pas de blocage du gaz au niveau de cette extrémité. En outre, la forme toroïdale de la surface extérieure du clapet, assure un changement de direction progressif, sans aucune discontinuité, puisqu'il n'y a pas d'arêtes, avec maintien d'une section sensiblement constante et d'une vitesse sensiblement constante du gaz. Le clapet est, donc, d'un fonctionnement très silencieux, et les pertes de charge sont réduites. En outre, la pénétration du corps central profilé à l'intérieur de l'ouverture de sortie de gaz hors de l'étage de compression limite le volume mort. Suivant une première forme d'exécution de ce clapet, au moins une partie du corps central profilé est déplaçable axialement, formant ellemême obturateur. Conformément à une possibilité dans ce cas, la totalité du corps central est montée coulissante sur un support central fixe et est soumise à l'action d'un ressort disposé entre le support et le corps favorisant le déclenchement du passage du corps vers sa position d'obturation, lorsque la pression dans le compartiment haute pression est supérieure à la pression du gaz à la sortie de l'étage de compression. Selon une autre possibilité dans ce cas, le corps central profilé est réalisé en deux parties concentriques : une partie centrale appartenant à un support fixe et comportant la pointe, et une partie périphérique montée coulissante sur la partie centrale fixe, cette seconde partie formant obturateur et assurant la fermeture du clapet sous l'action d'un ressort par appui sur la surface courbe délimitant l'ouverture de sortie de l'étage de compression, lorsque la pression dans le compartiment haute pression est supérieure à la pression à la sortie de l'étage de compression, les surfaces extérieures respectivement de la partie centrale et de la partie périphérique étant dans le prolongement l'une de l'autre et délimitant la surface toroïdale, en position ouverte du clapet. Il doit être noté que compte tenu des formes, respectivement de la surface extérieure du corps central et de la surface courbe qui délimite l'ouverture de sortie du gaz, le contact du corps central sur la surface courbe qui forme siège est réalisé selon une arête, si bien qu'il n'y a pas de risque de collage du clapet sur son siège en position de fermeture, lorsque le gaz est chargé en huile. Selon une autre forme d'exécution de ce clapet, le corps central profilé est fixe et un clapet spécifique est destiné à la fermeture du clapet. Suivant une possibilité dans ce second cas, l'ouverture de sortie de l'étage de compression débouche dans le fond d'un évidemment de forme générale cylindrique, le corps central profilé étant fixé sur un corps support maintenu à distance du fond de l'évidemment, ce corps support étant équipé d'une lame obturatrice soumise à l'action d'un ressort facilitant sa fermeture, et destinée, en position de fermeture du clapet, à venir prendre appui contre le fond de l'évidement cylindrique, pour obturer l'espace annulaire entre le corps central profilé et la surface délimitant l'ouverture de sortie de l'étage de compression. Avantageusement, le corps support comprend des trous axiaux débouchant du côté du compartiment haute pression pour soumettre à la pression de celui-ci la face de la lame obturatrice et/ou du ressort agissant sur elle. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, présentant à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes d'exécution de ce clapet de refoulement. Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un compresseur à spirale, tel qu'il a été décrit précédemment. Figure 2 est une vue en coupe longitudinale et à échelle agrandie de l'élément fixe à spirale et d'un premier clapet. Figure 3 est une vue en perspective éclatée et à échelle agrandie du clapet de figure 2. Figures 4 et 5 sont deux vues en coupe longitudinale partielle du clapet de figures 2 et 3, en position montée, respectivement en position d'ouverture et en position de fermeture. Figures 6 et 7 sont deux vues en coupe longitudinale d'un second clapet respectivement en position d'ouverture et en position de fermeture. Figures 8 et 9 sont deux vues en coupe longitudinale d'un autre clapet respectivement en position d'ouverture et en position de fermeture. Figure 10 est une vue en coupe longitudinale et en position de fermeture d'une variante du clapet de figures 8 et 9. Le clapet représenté aux figures 2 à 5 est destiné à être logé dans un évidement 16 de forme générale cylindrique ménagé dans la paroi de l'élément fixe à spirale 9 situé du côté du compartiment 5 haute pression du compresseur. L'ouverture 17 de sortie du gaz comprimé hors de l'étage de compression est délimitée par une surface courbe 17a, s'évasant notamment en aval. Dans l'évidement 16, est monté un corps support 18 maintenu par trois pattes 21 fixées sur le plateau de l'élément fixe 9, par exemple par des vis, et prenant appui contre le fond de l'évidement 16 par trois plots 19. Dans le corps support 18, est monté un corps central 20 du clapet comportant une tige cylindrique 22 fixée dans le corps 18, par exemple par vissage, par un écrou ou rivetée, se prolongeant par une partie extérieure se terminant par une pointe 23. La partie extérieure du corps central 20 est prolongée en direction de l'aval par une collerette 24. Le corps 20 et la collerette 24, qui sont solidaires, forment, à partir de la pointe 23, une surface concave 25 de forme toroïdale. Cette surface 25 délimite, avec la surface courbe 17a, un passage pour le gaz sortant de l'étage de compression. La collerette 24 s'étend jusque dans le plan du fond de l'évidement 16. Dans le corps 18, sont montés une lamelle 26, formant l'obturateur et destinée à venir obturer le passage de gaz délimité par les surfaces 17a et 25. Cette lamelle est logée, de même qu'un ressort à lame 27, dans un évidement du corps support 18. Le corps support 18 présente des trous 18a communiquant avec le compartiment haute pression pour que la surface du ressort 27, tourné vers ce compartiment, soit à la pression du compartiment. En pratique, lorsque la pression de l'étage de compression est supérieure à la pression à l'intérieur du compartiment haute pression 5, la lamelle 26 est plaquée en position haute, comme montré à la figure 4, à l'encontre de l'action du ressort 27. Lorsque la pression dans le compartiment haute pression 5 devient supérieure à la pression de sortie de l'étage de compression, la lamelle 26 se déplace vers le bas sous l'action du ressort 27 vers sa position de fermeture, comme montré à la figure 5. Les figures 6 et 7 représentent une autre forme d'exécution de ce clapet dans lesquelles les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références que précédemment. Ce clapet comprend un corps support central 28 fixé sur l'élément à spirale 9 par une patte transversale 29, par exemple par vissage. L'extrémité de ce corps 28 située du côté de l'ouverture 17 est de section réduite, comportant une partie centrale cylindrique 30 se prolongeant par une partie centrale profilée 32 se terminant par une pointe 23. Sur la partie centrale cylindrique 30, est montée coulissante une partie extérieure annulaire 33, qui peut se dégager sous l'action d'un ressort 34, comme montré à la figure 7. Comme il ressort, notamment, de la figure 6, la partie centrale 32 et la partie extérieure 33 délimitent une surface 25 toroïdale, située en regard de la surface courbe 17a délimitant l'ouverture 17. En position d'ouverture représentée à la figure 6, cette surface 25 est continue. Lorsque la pression, dans le compartiment haute pression 5, devient supérieure à la pression de sortie de l'étage de compression, la partie annulaire 33 coulisse le long de la partie centrale 30, assurant, comme montré à la figure 7, la fermeture du passage du gaz ménagé entre la surface 17a et la surface 25. Les figures 8 et 9 représentent une autre forme d'exécution dans lesquelles les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références que précédemment. Dans ce cas, le corps central profilé 32 est monté coulissant par l'intermédiaire d'une partie postérieure 35 en forme de tige à l'intérieur du corps support 28. La totalité de la surface toroïdale 25 est, alors, délimitée par le corps central 32. Ce clapet est montré, respectivement en position d'ouverture et en position de fermeture aux figures 8 et 9. La figure 10 est une variante du clapet de figures 8 et 9 dans laquelle l'évidement 16 comporte un filetage 36 permettant la fixation de l'élément 28 support du corps central par l'intermédiaire d'une bague vissée 37. Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte une grande amélioration à la technique existante en fournissant un clapet de structure simple, réalisé avec un nombre limité de pièces, limitant les pertes de charge, le bruit de fonctionnement, ainsi que le volume mort situé en amont du clapet. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce clapet, décrites, ci-dessus, à titre d'exemples, elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Clapet pour compresseur à spirale comprenant un compartiment basse pression (4) et un compartiment haute pression (5) séparés par un étage de compression (6) à la sortie duquel est disposé un clapet de refoulement (15) empêchant, en position de fermeture, le passage du gaz du compartiment haute pression vers l'étage de compression, caractérisé en ce qu'il comporte un corps central profilé (20,32) destiné à pénétrer dans l'ouverture de sortie du gaz hors de l'étage de compression, dont la surface extérieure de révolution (25) est concave, de forme générale toroïdale, et se termine par une pointe, l'ouverture (17) de sortie de l'étage de compression étant délimitée par une surface courbe (17a) formant d'amont en aval un élargissement assurant avec le corps central profilé une section de passage du gaz sensiblement constante, des moyens d'obturation (26,32, 33) étant prévus pour obturer ce passage en position de fermeture du clapet. 2. Clapet selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une partie (32,33) du corps central profilé est déplaçable axialement, formant elle-même obturateur. 3. Clapet selon la revendication 2, caractérisé en ce que la totalité du corps central (32) est montée coulissante sur un support central fixe (28) et est soumise à l'action d'un ressort (34) disposé entre le support (28) et le corps (32) favorisant le déclenchement du passage du corps vers sa position d'obturation, lorsque la pression dans le compartiment haute pression (5) est supérieure à la pression du gaz à la sortie de l'étage de compression (6). 4. Clapet selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps central profilé (32) est réalisé en deux parties concentriques : une partie centrale (30) appartenant à un support fixe (28) et comportant la pointe (23), et une partie périphérique (33) montée coulissante sur la partie centrale fixe (30), cette seconde partie (33) formant l'obturateur et assurant la fermeture du clapet sous l'action d'un ressort (34) par appui sur la surface courbe (17a) délimitant l'ouverture (17) de sortie de l'étage de compression, lorsque la pression dans le compartiment haute pression est supérieure à la pression à la sortie de l'étage de compression, les surfaces extérieures respectivement de la partie centrale et de la partie périphérique étant dans le prolongement l'une de l'autre et délimitant la surface toroïdale (25), en position ouverte du clapet. 5. Clapet selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps central profilé (20) est fixe et un élément clapet spécifique (26) est destiné à la fermeture du clapet. 6. Clapet selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ouverture de sortie (17) de l'étage de compression débouche dans le fond d'un évidemment (16) de forme générale cylindrique, le corps central profilé (20) étant fixé sur un corps support (18) maintenu à distance du fond de l'évidement (16), ce corps support (18) étant équipé d'une lame obturatrice (26) soumise à l'action d'un ressort (27) facilitant sa fermeture, et destinée, en position de fermeture du clapet, à venir prendre appui contre le fond de l'évidement cylindrique (16), pour obturer l'espace annulaire entre le corps central (20) profilé et la surface (17a) délimitant l'ouverture de sortie de l'étage de compression. 7. Clapet selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps support (18) comprend des trous axiaux (18a) débouchant du côté du compartiment haute pression pour soumettre à la pression de celui-ci la face de la lame obturatrice (26) et/ou du ressort (27) agissant sur elle.