Brevet FR2888893A1 — publié le 20070126

La présente invention concerne un dispositif pour comprimer les fluides gazeux et pomper les liquides en un ou plusieurs étages, à équilibrage total et écoulement quasi linéaire, du fluide dans les clapets, et dans la fabrication, en tant que mouvement de principe, des moteurs à gaz et à combustion. La compression des fluides, surtout gazeux, est traditionnellement effectué par un système: vilebrequin, bielle, cylindre, piston, culasse, clapets plats métalliques, chaque piston opérant dans un cylindre. L'équilibrage en est réalisé au mieux par des moyens empiriques et expérimentaux qui n'éliminent pas totalement les vibrations. Le dispositif selon l'invention est de remédier à ces inconvénients. Il comporte à cet effet: un carter, un vilebrequin, un ou plusieurs cylindres, des paliers, une ou plusieurs culasses, de types connus, mais, selon une première caractéristique, la ou les bielles sont supprimées. Pour transformer un mouvement rotatif en un mouvement alternatif, on utilise une combinaison d'excentriques ou maneton, une pièce rectangulaire qui tourne autour de l'axe du vilebrequin mais pas autour de son axe propre de telle sorte que ses axes horizontal et vertical restent toujours parallèles à eux-mêmes, et ce par le jeu d'un palier ou roulement circulaire placé entre l'excentrique et la pièce rectangulaire, et enfin d'un deuxième palier ou roulement à billes, aiguilles ou rouleaux placé entre la pièce rectangulaire et deux brides, qui transforment ainsi le mouvement rotatif en un double mouvement alternatif à vitesse parfaitement sinusoïdale, dans chaque cylindre se trouvent deux pistons élémentaires et les clapets sont profondément modifiés dans leur forme et dans leur poids. Dans ce dispositif, à l'exception des clapets, tout est rotation pure ou déplacement linéaire à vitesse sinusoïdale intégrale de deux mouvements opposés et sur le même axe, qui se neutralisent en vibrations sous réserve d'égalité de poids. Ces deux mouvements conduisent à un équilibrage qui peut être parfait. Le vilebrequin est de type classique, à excentriques ou à manetons qui travaillent par deux ou trois diamétralement opposés; pour trois, un d'un côté et deux de l'autre. Les excentriques sont taillés dans la masse ou rentrés sur un axe. Les excentriques ou manetons du vilebrequin font tourner autour de l'axe de ce dernier, par l'intermédiaire d'un palier, une pièce rectangulaire à coins cassés si l'on utilise côté cylindre des paliers glissants, ou arrondis pour des roulements; mais en tournant autour de l'axe du vilebrequin, cette pièce garde ses axes propres toujours parallèles à eux-mêmes. La dite pièce rectangulaire, quand elle est à coins arrondis, est placée à l'intérieur d'un roulement à billes, aiguilles ou rouleaux de forme non pas circulaire mais rectangulaire à coins arrondis également. Les côtés latéraux extérieurs de ce roulement sont solidaires latéralement de la pièce rectangulaire entraînée par les excentriques. Les bords extérieurs rectilignes, côté cylindre, de ce roulement sont fixés à l'intérieur du rectangle, côté cylindre, formé par les deux brides qui réunissent un piston de chaque cylindre. Côté piston-cylindre, ce roulement travaille sur ces deux côtés en tirant et poussant les pistons, dont ils sons solidaires, d'une façon alternative parfaitement sinusoïdale en vitesse, et comme ils sont décalés de 180 degrés, à chaque aller et retour, il y a aspiration et compression. Par contre, les côtés latéraux du roulement rectangulaire se déplacent mais ne travaillent pas et permettent aux billes, aiguilles ou rouleaux de parcourir les deux côtés latéraux, guidés par les deux pièces latérales qui sont solidaires latéralement de la pièce rectangulaire à coins arrondis, et qui poussent par l'arête de l'extrémité de leur arrondi, les billes, aiguilles ou rouleaux et par leur arrondi, les obligent à changer de direction autour du roulement rectangulaire. Et cela à chaque coin du roulement rectangulaire. Les pistons élémentaires sont réunis deux par deux d'un cylindre à l'autre par deux brides: les extérieurs ensemble et les intérieurs ensemble pour ne constituer finalement que deux pistons complets, un long et un court, composé chacun de quatre pièces: deux pistons élémentaires avec leur segment, et deux jonctions comprenant chacune un axe et un demi- rectangle d'entraînement, entraînées par des excentriques ou manetons disposés à 180 degrés sur le vilebrequin. Cependant, dans le piston court, le piston élémentaire et la bride qui lui est associée, peuvent ne constituer qu'une seule pièce et le mouvement se produit à l'intérieur de ces deux pistons. Ainsi les deux pistons élémentaires de chaque cylindre se rapprochent et s'éloignent l'un de l'autre à chaque tour, créant un cylindrée qui a pour diamètre le diamètre des cylindres et pour déplacement le double de la course créée par les manetons ou excentriques. C'est la cylindrée du premier étage. Les pistons élémentaires extérieurs s'éloignent et se rapprochent de la plaque à clapets ou de la culasse, si les clapets sont placés latéralement, car dans ce cas la culasse n'est plus qu'un bouchon, créant ainsi aspiration et refoulement, c'est le second étage. Pour équilibrer les taux de compression de chacun des étages, on peut avoir dans les cylindres des diamètres différents. Les clapets peuvent être conventionnels, il est néanmoins possible d'utiliser des clapets en autres matériaux, et de formes différentes, qui présentent des qualités de poids, de forme et d'écoulement des gaz bien meilleures que ce qui existe. Ceux qui sont utilisés ici présentent des avantages certains par rapport à ce qui existe. Le clapet obturateur en lui-même peut être réalisé en métal ou composite, genre téflon ou autres, il peut être sphérique, torique, plein ou creux, circulaire autour de son axe, ou de section circulaire ou autre et circulaire autour du cylindre ou de son axe, ou encore droit. Dans tous les cas, il y a une tôle perforée pliée à la forme voulue pour limiter la course du clapet et laisser passer librement l'air aspiré ou refoulé. Quelle que soit sa forme, ce genre de clapet est réversible pour l'aspiration et le refoulement. Ils peuvent prendre un grand nombre de formes et de dimensions suivant qu'ils sont placés dans une plaque à clapets, dans les pistons ou sur la périphérie des cylindres. Suivant la pression finale que l'on veut obtenir dans chacun des cylindres, on peut avoir dans un même cylindre des pistons élémentaires de diamètres différents pour modifier le taux de compression donc l'échauffement de chaque étage. On a intérêt d'ailleurs a avoir entre chaque étage un taux de compression à peu près identique avec un bon refroidissement entre les deux étages pour ne pas dépasser la limite de température d'utilisation du produit utilisé pour le clapet obturateur. Sur le même excentrique ou maneton, on peut placer plusieurs roulements et pièces rectangulaires à coins arrondis, pour quatre, six cylindres et plus. 25 Les dessins annexés illustrent l'invention La figure 1 représente en coupe perpendiculaire au vilebrequin, le dispositif de l'invention. Seules les parties coupées sont représentées. La figure 2 représente en coupe suivant l'axe du vilebrequin le dispositif de l'invention. La figure 3 représente une variante de la figure2, avec deux excentriques au lieu de trois. La figure4 représente un clapet avec un obturateur sphérique. Dans la vue de dessus, la grille perforée a été enlevée. Les figures 5 et 6 représentent différentes formes non exclusives de clapets 35 évidés. 2888893 4 La figure7 représente un clapet circulaire qui peut se placer en plaque à clapets ou autour d'un cylindre. Le figure 8 représente un clapet rectiligne. La figure 9 représente deux clapets circulaires, l'un d'aspiration, l'autre de 5 refoulement, placés autour d'un cylindre. La figure 10 représente deux clapets circulaires mis en parallèle autour du cylindre. En référence à ces dessins, le dispositif comporte suivant la figure 1: un carter (51) solidaire ou assemblé, la figure 1 les représente assemblés de fonderie, à deux cylindres (269) et (52) diamétralement opposés, prolongés par deux autres cylindres (27) et (53) d'une façon solidaires de fonderie ou rapportés par goupilles et boulons, la figure 1 les représente assemblés par une goupille (72) et boulon non représenté sur la figure, suivant le mode de clapets que l'on veut adopter. Les pistons élémentaires (21), (33), (57) et (60) supportent les segments d'étanchéité (25) et de guidage (24). Ils sont évidés en (34) pour l'allègement. Les pistons élémentaires (33) et (57) peuvent être faits en deux parties à cet effet. Deux brides (10) et (13) prolongées par des arbres (14) et (18) qui leur sont solidaires, coiffent le roulement rectangulaire à coins arrondis (5) et les arbres (14) et (18) traversent respectivement les pistons (21) et (60), lesquels sont équipés de segments d'étanchéité (19) et (20). Les arbres (14) et (18) doivent être cylindriques. Ils peuvent être en alliage d'aluminium comme l'ensemble de la bride, et gainés par un tube sans soudure en acier ou autre métal pour supporter les frottements des segments d'étanchéité (19) et (20) retenus par des rondelles (82) et (83) figure 3. L'ensemble de ces pièces: pistons élémentaires (33) et (57) et brides (10) et (13), assemblées suivant l'axe du cylindre d'un part et en (11) et (17) d'autre part, forment ce que nous appellerons le piston long. De même les deux pistons élémentaires (21) et (60) sont reliés d'une façon identique, mais les pistons élémentaires (21) et (60) et leurs brides sont solidaires de fonderie. L'arbre de la bride n'a pas besoin d'être circulaire. L'ensemble de ces pièces assemblées comme le précédent forment ce que nous appellerons le piston court. Il est impératif pour l'équilibrage que le piston long et le piston court soient de 35 même poids, ou s'en rapprochent le plus possible et que les pièces excentriques (3), rectangle à coins arrondis (5), paliers (4) et (8) et guides de 2888893 5 billes (7) et (12), qui sont en rotation autour de l'axe du vilebrequin (1) soient équilibrées, qu'il y ait deux ou trois excentriques. Comme les excentriques et pièce rectangulaire (5) du piston long et du piston court sont diamétralement opposés on peut faire en sorte que par leurs poids respectifs, ils s'équilibrent dans la rotation. Un arbre de vilebrequin (1) entraîne par une ou plusieurs clavettes (2), ou arbre rainuré, ou autre procédé connu, un ou plusieurs excentriques (3) séparés par des tôles de retenue (68) et (70) figure 2 pour maintenir les billes, aiguilles ou rouleaux dans leur emplacement. A la figure 1, l'excentrique (3) entraîne en rotation, non pas autour de son axe mais autour de l'axe du vilebrequin (1), la pièce rectangulaire à coins arrondis (5) qui par le palier (4) peut conserver ses axes horizontal et vertical, toujours parallèles à eux-mêmes, tous les points de la pièce (5) décrivant un cercle dont le rayon est égal à l'excentration: centre du vilebrequin, centre de l'excentrique. Entre chacune des faces côté cylindre de la pièce (5) et (10) d'une part, et (5) et (13) d'autre part, on place une plaque d'épaisseur quelconque d'un produit frottant (9) et (54), immobilisé par un procédé connu pour que la pièce rectangulaire (5) puisse glisser par rapport à la bride (10) d'un côté et (13) de l'autre. Les deux ensembles sont montés en opposition d'excentration sur le vilebrequin (1), ils se déplacent en opposition dans les cylindres (26) et (27), donc ils se rapprochent et s'éloignent à chaque demi tour. Il y a donc aspiration et refoulement à chaque demi tour. En un demi tour il y a aspiration par exemple dans les chambres (41) et (42), qui n'en font qu'une en réalité, c'est le premier étage et simultanément il y a compression dans la chambre (35), c'est le deuxième étage. Au deuxième demi tour au contraire, les chambres (41) et (42) compriment et la chambre (35) aspire. On peut remplacer le glissement de la pièce rectangulaire (5) par un roulement 30 composé de billes, aiguilles ou rouleaux. Le roulement rectangulaire (8) est composé de la pièce rectangulaire (5), trempée et rectifiée ou par un anneau rectangulaire dur, qui en épouse le contour, non représenté sur la figure, de deux pièces (7) et (12) qui sont solidaires latéralement de la pièce rectangulaire à coins arrondis (5) par un procédé connu et de deux autres pièces dures (9) et (54) remplaçant les pièces de friction citées précédemment, non solidaires du reste du roulement mais 2888893 6 fixées au fond de chacune des brides (10) et (13) par un procédé connu. Entre la pièce rectangulaire (5) ou l'anneau rectangulaire dur qui en épouse le contour, et les brides (7) et (12), et les pièces dures (9) et (54) on place des billes, aiguilles ou rouleaux jointifs ou dans une cage très souple, et on règle le jeu ou le serrage, si nécessaire, au moyen de cales ou par grattage aux jointures des axes (11) et (17) Pour un monocylindre les axes des pistons du cylindre manquant doivent être guidés dans un alésage adapté aux dimensions des axes et comporter à leur extrémité une masse d'équilibrage adaptée. Chaque cylindre peut être monobloc ou en deux parties (26) et (27) par exemple, pour faciliter l'usinage des emplacements de clapets. Ils sont assemblés après le montage des clapets, avec goupille et assemblage par vis ou boulon près des entrées et sorties d'air (28) et (29) non représentées sur les figures. La figure 3 est une variante de la figure 2. Elle représente l'ensemble vilebrequin, excentrique et piston qu'avec deux excentriques d'axe (76) et (77), légèrement déportés par rapport à l'axe (75) des cylindres et pistons l'un à droite, l'autre à gauche. Ce genre de montage peut être utile dans des accouplements directs avec les moteurs. La figure 1 comporte deux cylindres en opposition, mais on peut en placer un nombre supérieur quelconque, en nombre et en opposition en augmentant le diamètre du carter. La planche 4 représente la constitution et le montage des clapets. La figure 4 représente en coupe et en vue de dessus, tôle perforée enlevée, un 25 clapet élémentaire. (87) représente le corps du clapet, (85) l'entrée d'air d'aspiration ou de refoulement, (89) le plan incliné circulaire où repose le clapet pour l'obturer, (90) le clapet proprement dit qui dans le cas de la figure 4 est une sphère en métal, ou mieux, en matériau composite plus léger, plus silencieux et plus étanche, ou en téflon pur ou chargé. L'utilisation de ces composites est rendu possible par le fait que le compresseur est biétagé avec un très sérieux refroidissement entre les deux étages. Pour égaliser les taux de compression, donc l'élévation de température à la compression, les cylindres (52) et (53) figure 1 d'une part, et (52) et (53) figure 3 d'autre part, sont en deux parties, ils peuvent être de diamètres différents. Il importe que la température des fluides 2888893 7 à la sortie de la compression de dépasse pas celle de l'utilisation normale du composite utilisé. (91) représente une tôle perforée et formée, sertie en (88) qui retient la sphère composite en fin de course d'ouverture. Ce genre de clapet sert aussi bien pour l'aspiration que pour le refoulement. Il peut être rentré en force dans un alésage pratiqué dans la plaque support de clapets ou même usiné directement dans cette plaque. Les figures 5 et 6 représentent des obturateurs de clapets creux de formes non limitatives. La figure 7 représente un clapet circulaire, à section circulaire qui peut être intégré dans une plaque à clapet d'aspiration ou de refoulement ou autour d'un cylindre pour les mêmes offices (réversibilité). La figure 8 représente un clapet rectiligne avec obturateur à section circulaire. La figure 9 représente un clapet d'aspiration et un clapet d'échappement placés en juxtaposition sur le côté d'un cylindre. Le gaz est aspiré suivant la flèche (94), suit la flèche (95) pour rentrer et sortir du cylindre et repart comprimé suivant la flèche (93). La figure 10 représente deux clapets de refoulement placés en parallèle sur le côté du cylindre, cela, pour augmenter la surface de passage du gaz ou diminuer la course de l'obturateur, ou les deux en même temps. Les clapets peuvent être placés dans une plaque support de clapets placée entre cylindre et culasse pour l'aspiration et le refoulement, dans les pistons pour l'aspiration et pour aspiration et refoulement sur les côtés des cylindres. Ils peuvent être sphériques, à section cylindrique ou autres, pleins ou évidés, circulaires par rapport à leur axe, ou par rapport à l'axe des cylindres.. Tous doivent avoir une tôle perforée et formée pour limiter leur course et faciliter leur fermeture, ainsi qu'un ressort, ondulé par exemple et très mince, placé entre la tôle perforée et l'obturateur composite pour le même motif, et non représenté sur les figures pour la clarté des dessins. Certains composites et le téflon, ont une très légère élasticité et peuvent être placés comme clapet d'échappement tout autour du cylindre comme le représente le clapet (30) figure 1, mais toujours avec la plaque perforée comme limiteur de course et le ressort de rappel. Les arrondis des pièces (7) et (12) présentent en leurs extrémités (55) une arête 35 qui capte les billes, aiguilles ou rouleaux pour les faire changer de direction. Ces arêtes de (7) et (12) se déplacent avec la pièce (5) le long des pièces (9) avec 2888893 8 le minimum de jeu; mais sans les frotter. Avec deux cylindres comme représenté dans les figures 1, 2 et 3, on ne peut travailler qu'avec deux étages, mais si on place quatre cylindres, on peut combiner les entrées et les sorties d'air pour travailler en 1, 2, 3 et même 4 étages avec un refroidissement entre chaque étage. Pour la production d'air comprimé courant à 8 ou 12 bars d'utilisation, et une bonne répartition du taux de compression, ces compresseurs peuvent fonctionner sans huile grâce aux roulements étanches et aux matériaux composites travaillant à 260 et même 280 degrés Celcius. Si le montage nécessite un graissage, on place les deux cylindres à l'horizontale et en bas du carter, on crée un petit réservoir d'huile; par barbotage on alimente le système en huile. Une plaque à clapets peut être placée entre les cylindres (41) et (42) non représentés sur les figures avec étanchéité par joint, entrée d'aspiration et 15 sortie de refoulement. Les cylindres peuvent être séparés du carter par une cloison traversée par les axes des pistons longs et courts, l'axe du piston long passant à l'intérieur de celui du piston court, l'étanchéité étant assurée par segments, joints toriques ou à lèvres ou autres. Non représentés sur la figure. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la fabrication des compresseurs d'air, mais aussi de pompes à liquides et en général à comprimer ou déplacer tout fluides liquides ou gazeux. Le mouvement de transformation de mouvement circulaire en mouvement alternatif peut trouver des applications dans les moteurs thermiques. REVENDICATIONS 1)Dispositif pour comprimer les fluides gazeux, caractérisé par le fait que la transformation du mouvement rotatif d'entraînement en mouvement alternatif est obtenue par une pièce intermédiaire carrée ou rectangulaire (5) figure 1, placée entre vilebrequin et piston. 2)Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les pistons longs et pistons courts se déplacent en opposition et s'équilibrent ainsi complètement. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que dans un cylindre (26) on dispose d'un ou deux diamètres (26) et (27) pour régler les taux de compression donc l'élévation de température à la compression. 4)Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pièce (5) communique un mouvement alternatif aux deux brides (10) et (13), donc aux pistons, par friction ou par l'intermédiaire d'un roulement rectangulaire (8) à coins cassés ou arrondis. 5)Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les clapets sont 15 constitués par des matériaux composite ou par du téflon pur ou armé avec fermeture sur plan oblique, favorisant la circulation des gaz. 6)Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la course déjà très faible de ces clapets, est limitée par une tôle perforée (91) et immobilisée. 7)Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que ces clapets prennent des formes très diverses, pour se placer soit: en plaque à clapets entre deux cylindres, entre cylindre et culasse, dans les pistons ou sur les parois extérieures des cylindres.