Brevet FR2879682A1 — publié le 20060623

La présente invention concerne le domaine technique caractérisé par les cylindres, pistons, bielles et villebrequins, système que l'on rencontre dans de nombreuses machines, depuis les locomotives anciennes jusqu'aux réfrigérateurs, aux compresseurs et à tous les moteurs thermiques, lents ou rapides. Bien qu'ayant connu de nombreuses améliorations, ce système garde des rendements médiocres ou faibles. La présente invention est celle d'un dispositif mécanique qui effectue simultanément deux travaux: en premier lieu le travail d'une pompe sur un fluide gazeux, et en second lieu le travail d'un compresseur ou d'un détendeur sur ce même fluide. Le premier travail est assuré, comme dans un volumètre par l'isolement d'un volume déterminé du fluide et son transfert obligé de l'entrée jusqu'à la sortie du dispositif. Le second travail est assuré par une variation géométrique progressive du volume pendant ce transport, soit en augmentation de volume soit en rétrécissement.. Ces deux travaux sont effectués par les rotations simultanées et de sens opposé des deux pièces internes du dispositif. Ainsi, ce dispositif est destiné à remplacer le système connu du cylindre, etc. Aucune soupape n'est nécessaire dans l'invention qui apporte en plus des niveaux de rendements inconnus dans la technique précédente, et des coûts de construction très favorables. Le dispositif comprend trois parties et trois seulement Il améliore encore les moteurs thermiques en favorisant une combustion parfaite du carburant puisque celle-ci a lieu en continu et il ouvre même la voie à des réalisations énergétiques inconnues aujourd'hui, telles que l'utilisation des basses calories, dont on ne sait rien faire actuellement, par exemple la faible chaleur produite dans les serres agricoles. On définira successivement les trois parties du dispositif selon l'invention: 1 les deux pièces nommées dans le présent texte cônes spiralés, qui doivent être réalisés en pas à droite et pas à gauche et qui doivent être symétriques. 2 le montage nommé imbrication des deux cônes spiralés de pas contraire, 3 l'enceinte, décrite en troisième lieu, dans laquelle sont logés et tenus les deux cônes spiralés imbriqués, maintenus libres de tourner simultanément. Ces trois organes mécaniques distincts constituent tout le dispositif de la présente invention. On peut nommer cet ensemble volumètre variateur. 2879682 2 Les figures nécessaires à la description de l'invention sont au nombre de cinq. La figure (1) représente la coupe axiale d'un cône spiralé selon la définition précédente, portant une entaille continue. Cette entaille est de profondeur et de largeur décroissantes et elle tourne au moins une fois autour du cône. La figure (2) montre deux de ces cônes symétriques, en coupe comme dans la figure (1), dont l'imbrication a été réalisée. Les entailles de l'un correspondent étroitement aux saillies de l'autre. La figure (3} montre enfin les deux cônes imbriqués, non coupés, entourés de leur enceinte, elle même coupée pour laisser apparaître les deux cônes spiralés. La figure (S) montre cette même enceinte, vide de ses cônes spiralés, selon une coupe perpendiculaire aux axes de rotation des cônes spiralés. La figure (4) montre la méthode de dessin ou calcul qui permet de construire l'imbrication des deux cônes spiralés avec les jeux minimaux. Le fonctionnement de cette machine est des plus simples. Les entailles à droite comme à gauche reçoivent le fluide qui doit être transporté, mais ce transport n'aurait pas lieu si les entailles n'étaient pas fermées à intervalle régulier. Ces fermetures sont assurées par l'imbrication, qui est le plus étanche possible aux gazs.. Ainsi tout le long d'une entaille, l'imbrication forme une suite d'alvéoles fermées qui se déplacent parallèlement aux axes des cônes spiralés. Les rotations des cônes sont toujours possibles parce que, dans tous les plans de rotation, ce ne sont que des formes compatibles qui sont mises en mouvement. On ne connaît pas actuellement les tailles minimales et maximales que peuvent prendre les machines décrites ici. II est certain qu'elles sont réalisables en micro-mécanique, pour constituer des moteurs actifs ou passifs très au delà des réalisations actuelles. Il est non moins certain que les trois constituants peuvent être réafrsés en mécano- soudure métallique pour de très grandes tailles, donnant alors des moteurs d'une taille insoupçonnée. C'est pourquoi on ne donnera aucune indication sur la taille des machines décrites ci-dessous. On ne dira pas non plus les innombrables méthodes de fabrication, connues, par lesquelles les trois constituants peuvent être obtenus. Depuis le moulage de matière plastîque jusqu'à l'usinage de matériaux réfractaires pour hautes températures, en passant par toutes les formes de fraisage, de tournage, de repoussage ou de forge op de 2879682 3 fonderie de métal, toutes peuvent être employées, selon le but poursuivi et le prix offert par le marché. Pour définir un cône spiralé, il suffit de déterminer les cotes et l'angle au sommet du cône, et ensuite de dessiner la coupe de la paroi entaillée. Il faut enfin définir la façon dont une entaille qui passe par (1) va se poursuivre en (2), dans la figure (1), ayant effectué un tour autour du cône. On peut par exemple décider d'une transition lente et régulière aussi bien de la position de l'entaille que de sa forme, puisque cette forme varie. Toutefois, ceci n'est pas indispensable à l'invention, et des transitions heurtées peuvent exister, sous réserve qu'elle soient les mêmes dans la version pas à droite que dans celle de pas à gauche. En effet l'imbrication assure que les points de rencontre des cônes imbriqués n'ont lieu que dans des cercles fixes perpendiculaires aux axes des cônes. L'imbrication n'exige pas que l'entaille progresse régulièrement, mais seulement à l'identique sur les deux cônes. Ainsi, il est possible de définir l'entaillement par des gabarits préalablement construits, de définir leur position par rapport aux quatre quadrants du cône et de prendre des lois de transition linéaires entre deux positions déjà définies du gabarit. L'outil de coupe n'a plus alors qu'à copier le gabarit, une fois à l'intérieur pour un cône, l'autre fois à l'extérieur du gabarit pour l'autre cône de pas contraire au premier. Une autre méthode de découpe consiste, sur une fraiseuse à commande numérique, à utiliser la loi connue de la spirale logarithmique, bien connue, par exemple dans les aides-Mémoires de mathématiques, et à l'appliquer sur la surface du cône comme s'il s'agissait d'un plan, puisque de telles surfaces sont toujours capables de se dérouler en plan. Le centre des coordonnées polaires qu'utilise la formule de la spirale logarithmique sera le sommet du cône, et cette loi peut être appliquée aussi bien sur le cône extérieur où sont les ouvertures des entailles que sur le cône intérieur qui supporte les fonds d'entailles. On sait que cette loi procure un angle constant entre la courbe et la génératrice. Cette loi sera ici connue en trois dimentions, la troisième étant la surface cônique sur laquelle la courbe est tracée. Cette dernière méthode est celle qui donne les entailles les plus régulières, car leur loi de progression respecte l'homothétie à chaque endroit. Ainsi, la variation de surface entaillée, et partant la compression ou dépression du fluide est-elle dans ce cas la plus régulière. C'est aussi par ce 2879682 4 procédé de découpe des entailles qu'il est le plus facile de construire des imbrications proches de la stricte étanchéité. Notons encore qu'il est possible de prévoir plusieurs entailles quasi-parallèles sur le cône, et que rien n'oblige la distance entre entailles à être la largeur des entailles elles-mêmes. Les dispositions précédentes sont pourtant préférables parce qu'elles simplifient la découpe des entailles et que des variantes à ces règles de simplicité n'apportent rien au plan fonctionnel. Notons enfin qu'il est même possible d'aller plus loin dans la simplification, par exemple en normalisant la forme et les dimensions de l'entaille par rapport au diamètre extérieur du cône. Si l'on décicle par exemple d'une forme carrée de l'entaille, le fond étant sur un cône de diamètre local D/2 et donc la largeur de l'entaille étant D/4, D étant le diamètre extérieur local, la pente constante de la spirale sera prédéterminée à la valeur 1/7r sur le cône intérieur et 1/2n sur le cône extérieur, et les calculs seront simplifiés d'autant. Tous les taux de compression usuels peuvent être réalisés avec les volumètres variateurs décrits ici. Les plus faibles taux donneront lieu à des conicités très faibles, tandis que l'augmentation de la conicité permettra de monter le taux autant que voulu. On notera que dans les deux cas, le nombre d'étage du volumètre reste indépendant. Dans les faits, les grands nombres d'étages sont favorables au rendement, puisqu'ils créent des chemins plus longs pour les fuites, qui sont l'ennemi principal du rendement. Dans son fonctionnement, qu'il agisse en moteur actif ou passif, les volumètres variateurs possèdent des couples moteurs ou résistant indépendant de la vitesse de rotation, et donc la puissance d'une de ces machines n'est fixée que quand sa vitesse de rotation est connue. Le couple ne dépend que de la géométrie du volumètre et de la différence de pression entre l'entrée et la sortie. II peut être établi à sa valeur maximale dès le démarrage de la machine, ce qui constitue un avantage certain sur les moteurs thermiques actuels. 2879682 5 Pour construire l'imbrication la plus étanche possible entre les deux cônes, la figure (4) montre la marche à suivre. On étudiera la difficulté dans un plan perpendiculaire à la bissectrice des axes des cônes, laquelle passe par le milieu du segment 01 02, ces deux points étant les axes des cônes. On peut aisément confondre les traces des cônes dans ce plan avec des cercles, vu les conicités généralement faibles. Dans le cas d'un entaille carrée normalisé comme on l'a prévue à la page 4, lignes 10 à 16 de la présente description, l'imbrication concerne le tiers central de la distance O' 02. On veut qu'un point tel que a, qui appartient au grand diamètre Ce centré sur Oe puisse franchir la zône d'imbrication sans se heurter à aucun point de l'autre cône. Ce point a est l'extrémité d'une entaille dans Czet le bord d'entaille correspondant de l'autre cône est représenté par la surface hachurée, partiellement représentée autour de 04. La réponse qu'indique la figure est de réaliser le creusement de la face latérale de l'entaille selon la courbe P, qui est le lieu des points a' qui ne sont que les projections des points a successifs, reportés sur la droite 04 02 tandis que a est situé sur ta droite O el. Cette construction géométrique, donnée à titre d'exemple, montre donc, dans le plan perpendiculaire à la bissectrices des deux rotations, la profondeur et la forme du creusement que ces parois doivent recevoir pour que l'imbrication soit possible et étanche. Si l'on recherche comme il est normal, non pas la profondeur du surcreusement dans ce plan perpendiculaire aux mouvements, mais par rapport à la face à creuser, il suffit de tenir compte de la valeur locale de la pente régulière que fait la spirale logarithmique, valeur qui n'est pas constante sur toute la hauteur de la paroi étudiée. On a vu plus haut qu'elle variait de hic à 1/27c. La méthode de dessin-calcul exposée ici permet de serrer l'imbrication autant que de besoin, mais on remarque aussi que cette ligne d'étanchéité n'opère que d'un côté de t'imbrication, l'autre restant assez ouvert, et que cette ligne d'étanchéité change de côté après que la profondeur imbriquée soit passé par son maximum, mais ce passage a lieu tandis qu'un cône extérieur et un cône intérieur sont tangents, l'étanchéité est donc bien continue. 2879682 6 L'enceinte rigide dans laquelle les deux cônes spriralés imbriqués doivent se mouvoir librement n'offre pas de particularité technique que l'homme de l'art ne sache résoudre. Les points importants sont les forts roulements à bille ou à rouleaux qui doivent guider les rotations, leur lubrification et enceintes étanches et le dispositif nécessaire pour que les deux rotations soient égales et de sens contraire, avec une très bonne précision, nécessaire à la qualité de l'imbrication. On indique sur la figure (3) la présente de deux roues d'engrenage, repérées (3) et (4), solidaires des axes des cônes. II est aussi possible de lier les mouvements des deux cônes par un double renvoi dangle à 90 entre ces mêmes axes. Cette mécanique peut être située à l'intérieur de l'enceinte, comme sur la figure (3), ou à l'extérieur. Il en est de même des-roulements à billes ou rouleaux. Les entrées et sorties du fluide gazeux dans le volumètre se font aux extrémités des cônes. Selon la figure (3), elles se font latéralement, selon la figure (5) elles se font en fond d'enceinte. Dans les deux cas, il convient de respecter une règle simple, celle du remplissage correct des alvéoles ou de leur vidage exact. Comme on sait dans quelle région du mouvement circulaire s'opérent les ouvertures et fermetures d'alvéoles, on en déduit les emplacements des entrées-sorties. Sur la figure (5) on a représenté en noir les logements des roulements à bille, notés (5) et les lumières des alimentations notées (6). La zône notée (7) est celle où se manifeste le pli entre les deux surfaces qui forment le fond de renceinte, repérée aussi (7) sur la figure (3). Il est bon de prévoir les hauteurs cornplètes des cônes spiralés pour qu'ils 25 contiennent un nombre complet d'étages, mais il faut tenir compte du quart de tour nécessaire à la fermeture des alvéoles. L'homme de l'art saura en tenir compte. 2879682 7 REVENDICATIONS (1) Pompe réversible volumétrique pour fluide gazeux selon les figures (1) à (4) réalisant simultanément la compression ou la détente du fluide, caractérisée par deux organes symétriques selon la figure (1), mobiles en rotation simultanée de sens opposé, nommés cônes spiralés dans la suite de ta présente rédaction, s'encastrant ou s'imbriquant l'un dans l'autre de façon à former de petites alvéoles closes qui se déplacent selon les axes de rotation et réalisent les deux fonctions de pompage réversible et de compression ou détente simultanées comme sur les figures (2) et (4). C'est le sens de rotation des deux organes rotatifs qui définit si le travail fourni ou dépensé sera une compression ou une détente. Cet effet de compression détente est donné par la conicité des deux organes mobiles, lesquels sont enfermés dans une enceinte étanche selon la figure (3), qui résiste aux divers efforts que lui communiquent le fluide et les organes mobiles. (2) Pompe volumétrique selon la revendication (1) dont les cônes spiralés sont caractérisés par le fait que leurs entailles sont définies par un gabarit métallique préalablement construit, et que l'outil de découpe copie. Le même gabarit sert pour les deux cônes, une fois à l'intérieur, une fois à l'extérieur. Les fonds des entailles sont alignés comme le montre la figure (2). L'imbrication est rendue possible par du jeu entre les parois perpendiculaires aux surfaces coniques des pièces. (3y Pompe volumétrique selon la revendication (1) caractérisée par le fait que les cônes spiralés sont construits sur une fraiseuses à commande numérique qui utilise pour positionner t'outil de découpe h3 loi des spirales logarithmiques planes, bien connue, exposée par exemple dans "Aide-mémoire de Mathématiques, " Bordas-Dunod, 1977, page 259. Cette loi peut être exploitée soit sur le cône extérieur seul, soit sur le cône intérieur seul, soit sur les deux. (4) Pompe volumétrique selon tes revendications (1), (2) et (3) caractérisée par l'exactitude des rotations simultanées des deux cônes spiralés, obtenue par deux roues d'engrenage, chacune solidaire d'un des cônes, situées soit en dedans soit en dehors de l'enceinte de la figure (3) et engagées l'une dans l'autre. (5) Pompe volumétrique selon tes revendications (1), (2) et (3) caractérisée par le fait que le jeu minimal entre les pièces mobiles dans la zône d'imbrication est obtenu par te calcul dont le principe est montré figure (7). C'est la lèvre seule d'une entaille qui est chargée de cette fonction., mais le jeu positif peut alors être 2879682 8 réduit autant que l'outillage l'autorise, ce qui a pour effet de maximiser le rendement de la machine. (6) Pompe volumétrique selon les revendications (1), (2) et (3) caractérisée par les roulements à bille ou à rouleaux qui guident les rotations des cônes spiralés situés sur les faces extérieures de l'enceinte (3) afin de ne pas subir les conditions thermiques imposées aux cônes spiralés eux-mêmes, dans une machine thermique par exemple.