Brevet FR2891582A1 — publié le 20070406

La présente invention concerne un mécanisme à pistons et cylindres rotatifs permettant de réaliser des pompes, des ventilateurs, des aspirateurs, des compresseurs, des pompes à vide, des moteurs à gaz comprimé, des moteurs thermiques, des machines frigorifiques, et plus généralement toute machine tournante utilisant des couples piston/cylindre. Il existe des mécanismes bielles/manivelles traditionnels, permettant de mettre en oeuvre des couples piston/cylindre, présentant les deux inconvénients principaux de générer des frottements entre pistons et cylindres, du fait de l'inclinaison des bielles par rapport aux axes des cylindres d'une part, et d'entraîner des vibrations, du fait des mouvements anharmoniques des bielles et des pistons d'autre part. Il existe aussi des mécanismes bielles-manivelles rotatifs, du même inventeur que les présentes, permettant de s'affranchir des inconvénients ci-dessus, mais dont le rapport cylindrée utile/volume du mécanisme est du même ordre que s'agissant des mécanismes traditionnels. Par ailleurs, les dispositifs rotatifs Wenkel ne se sont jamais généralisés, du fait de la difficulté à y réaliser des joints d'étanchéité fiables. Les mécanismes à vis, quant à eux, utilisent des pièces relativement complexes et d'usinage très précis, ce qui entraîne des coûts de fabrication élevés. Enfin, les mécanismes à palettes ou à turbines ne fonctionnent qu'à grande vitesse de rotation, entraînant des nuisances sonores. Le mécanisme à pistons et cylindres rotatifs, selon la présente invention, a précisément pour objet d'apporter une réponse technique et industrielle aux inconvénients ci avant. Il permet notamment, avec les mêmes avantages que le mécanisme bielles-manivelles rotatif cité ci dessus, d'améliorer le rapport cylindrée utile/volume du mécanisme de façon importante, en n'utilisant que des pièces de fabrication simple et peu coûteuse. Il comporte les pièces suivantes, illustrées par les figures 1, 2 et 3: 1) Un châssis fixe ou mobile 10 fermé à ses deux extrémités par deux flasques 1, supportant chacune des roulements à billes ou à aiguilles, ou des coussinets montés sur des supports cylindriques 20 axés sur les flasques, et des roulements à billes ou à aiguilles, ou des coussinets insérés dans des logements cylindriques 21, excentrés d'une distance d par rapport à l'axe des flasques, parallèlement à celui-ci. Ces flasques comportent un orifice 23 entre le support 20 et le logement 21 d'une part, et/ou un orifice 19 dans l'axe du logement 21 d'autre part. 2) Un axe central 2, mobile ou fixe, axé dans les logements 21 par l'intermédiaire desdits roulements ou coussinets, comportant un ou plusieurs manetons 3 (au nombre de 2 déphasés de 180 l'un par rapport à l'autre sur les figures 1 et 2, et au nombre de 3 dont 2 sont déphasés de 180 par rapport au 3ème sur la figure 3), excentrés de la même distance d par rapport à cet axe 2, parallèlement à celui-ci. 3) Un ou plusieurs pistons à double effet 5 (au nombre de 2 déphasés de 90 degrés entre eux sur la figure 1 et au nombre de 3 dont 2 sont déphasés de 90 degrés par rapport au 38me sur la figure 3), pivotant chacun autour d'un maneton 3. 4) Un ou plusieurs cylindres 4 (au nombre de 2 déphasés de 90 degrés entre eux sur la figure 1, et au nombre de 3 dont 2 sont déphasés de 90 par rapport au 3ème sur la figure 3), placés à l'intérieur du châssis et pivotant autour des supports 20 par l'intermédiaire desdits roulements ou coussinets. Lorsque le châssis est fixe et que l'on applique un couple de rotation sur l'axe 2 (positif si le mécanisme est récepteur ou négatif si le mécanisme est moteur), celui-ci tourne dans les logements 21, et entraîne dans son mouvement les cylindres 4, qui tournent alors à vitesse moitié autour de leur axe propre, sur les supports 20. Le châssis 10 reçoit un couple égal et opposé au couple appliqué sur l'axe 2, tandis que les cylindres, tournant fou autour de leur axe, ne reçoivent aucun couple (en dehors des phénomènes d'inertie et de frottement). De même, lorsque l'axe 2 est fixe et que l'on applique un couple de rotation sur le châssis (positif si le mécanisme est récepteur ou négatif si le mécanisme est moteur), celui-ci tourne sur les logements 21, et entraîne dans son mouvement les pistons 5, qui tournent alors à vitesse moitié autour de leur axe propre, sur les manetons 3. L'axe reçoit un couple égal et opposé au couple appliqué sur le châssis. Au cours de ces rotations, les chambres délimitées par les cylindres et les pistons, et fermées à leurs extrémités par les culasses 8, voient leurs volumes varier selon des fonctions parfaitement sinusoïdales, avec une élongation de 4d. Le fluide y contenu varie de pression, et c'est précisément la différence de pression entre les deux faces du même piston qui génère ledit couple sur l'axe 2 et le châssis 10. A noter qu'il est avantageux d'usiner les cylindres perpendiculairement à une pièce elle-même cylindrique, ce qui a notamment pour intérêt de constituer les culasses 8 par un simple et unique tube s'emboîtant dans ladite pièce, ainsi qu'il est illustré sur les figures 1 et 3. -Selon une première disposition particulière des présentes, illustrée par la 20 figure 1, ces chambres s'ouvrent, par cette rotation elle même, et par l'intermédiaires de lumières 7 pratiquées dans les pistons eux-mêmes soit d'un côté des manetons, sur lesquels sont montés des coussinets 13, par des lumières 25 et 24 sur la partie centrale des pistons communicant avec l'orifice 23, soit de l'autre côté des manetons par les lumières 26 et 27 sur l'intérieur de l'axe 2 s'ouvrant à son extrémité sur l'orifice 19. La forme, les dimensions et la position de ces lumières sont calculées de sorte que les ouvertures et fermetures desdites chambres par l'intermédiaire desdites lumières s'effectuent au moment voulu, en fonction du type de machine réalisé, comme ci-après décrit. A noter qu'un bouchon 12 monté sur les manetons a pour fonctions d'une part d'empêcher la rotation des coussinets autour de ces manetons, d'autre part de conduire le fluide considéré vers le centre de l'axe, et enfin d'appliquer le piston contre le maneton, au droit des lumières 26 et 27, assurant ainsi leur étanchéité au moment de leur fermeture. A cet effet, ce bouchon est creux et s'ouvre d'un côté vers ces lumières, et de l'autre au centre de l'axe. Par ailleurs, il est débordant du maneton, du côté des lumières. Enfin, il comporte une partie renflée, à l'opposé des lumières, s'appuyant sur l'intérieur du coussinet. -Selon une seconde disposition particulière des présentes, illustrée par la figure 1, et de façon plus détaillée par la figure 2, des contrepoids 11 sont placés à l'intérieur même de chaque piston, fixés sur l'axe 2 de chaque côté des manetons, afin d'équilibrer dynamiquement le poids de ceux-ci, ainsi que des coussinets et des pistons. Compte tenu des dimensions réduites de ces contrepoids, on utilisera généralement un matériau plus dense. Le montage des contrepoids s'effectue en les introduisant à l'intérieur des pistons, avant la mise en place de ces derniers dans les cylindres. L'axe 2 est alors pénétré par une extrémité des cylindres dans une ouverture 31 de dimension supérieure à celle du maneton. Cette ouverture doit être élargie, perpendiculairement à l'axe du premier cylindre traversé, afin de permettre le montage. Des vis sont ensuite introduites par les ouvertures 32 sur les cylindres, 33 sur les pistons et 34 sur l'axe central, prévues à cet effet afin de fixer les contrepoids sur l'axe. -Selon une quatrième disposition particulière de la présente invention, illustrée par la figure 3, des bossages 9 sont prévus à l'intérieur des culasses d'une part, et des logements de mêmes dimensions sont prévus sur les pistons, au droit des lumières 7 d'autre part, de sorte que le volume résiduel de la chambre délimitée par chaque couple piston/cylindre soit réduit au minimum, et proche de zéro, au point mort haut. Néanmoins, ce volume ne pouvant pas être strictement nul, en raison des jeux d'usinage, un léger retard à l'ouverture de la lumière basse pression en cas de compression, ou une légère avance à sa fermeture en cas de détente devront être dûment prévues et calculées, précisément en fonction de ce volume résiduel. - Dans certaines applications, et selon une cinquième disposition particulière des présentes, il pourra être plus avantageux de mettre en oeuvre tous les mécanismes ci avant et ci-après décrits en fixant l'axe central 2, et en libérant le châssis et les deux flasques, tournant alors autour de cet axe central. Dans ce cas, l'équilibrage dynamique, prévu en deuxième disposition particulière ci avant, devient inutile. Il est par contre indispensable pour ces applications de prévoir le contrepoids nécessaire de l'ensemble châssis-flasques-cylindres par rapport à cet axe central. A cet effet, il sera judicieux de mettre à profit le renflement 14 du châssis, illustré sur la figure 3, obtenu par l'excentrement de l'enveloppe externe du châssis, centrée sur l'axe 2, par rapport à l'enveloppe interne du châssis, centrée sur les cylindres. - Selon une première mise en oeuvre particulière de la présente invention, plus particulièrement illustrée par les figures 1 et 2, ce mécanisme est utilisé, mû par un moteur appliquant un couple sur l'axe 2 ou sur le châssis d'une part, comme pompe hydraulique, ou comme compresseur à gaz, ou comme pompe à vide ou encore comme aspirateur ou ventilateur. Ce même mécanisme, parfaitement réversible, recevant un fluide sous pression d'autre part, peut être aussi utilisé comme moteur ou turbine hydraulique s'il s'agit d'un liquide, ou comme turbine à gaz, s'il s'agit d'un gaz sous pression, générant un couple sur l'axe 2 ou sur le châssis. A noter que dans le cas des applications hydrauliques, l'excentrement d sera réduit par rapport aux schémas 1 et 2 ci-joints, tandis que les lumières de passage du fluide seront agrandies. - Selon une seconde mise en oeuvre particulière de la présente invention, plus particulièrement illustrée par la figure 3, deux mécanismes, le premier 30 compresseur, le second détendeur, sont utilisés, mûs par un moteur appliquant un couple sur l'axe 2 ou sur le châssis, comme machine frigorifique d'une part, ou recevant un apport de chaleur, comme moteur thermique, générant un couple sur l'axe 2 ou sur le châssis d'autre part. Dans cette mise en oeuvre, les deux mécanismes, placés en série, sont accouplés par leurs axes centraux ou leurs châssis tournant ou non à la même vitesse. Le prélèvement thermique, dans le cas de la machine frigorifique, ou l'apport thermique, dans le cas du moteur, s'effectue après compression entre le premier et le second mécanisme. -Dans une première variante de cette seconde mise en oeuvre, le gaz considéré est de l'air, et l'apport thermique s'effectue par combustion interne d'un carburant, entre le premier et le deuxième mécanisme. Le moteur thermique ainsi réalisé a la caractéristique d'être parfaitement équilibré, et léger. Il peut utiliser n'importe quel type de carburant, y compris l'hydrogène, qui y brûle dans une combustion continue beaucoup plus aisée à réaliser qu'une combustion séquentielle. A noter que le second mécanisme, moteur, aura une cylindrée et/ou une vitesse de rotation plus importante que celle(s) du premier mécanisme compresseur, afin de permettre une détente plus complète des gaz de combustion. La figure 3 illustre le cas d'un moteur thermique dont la cylindrée de détente est deux fois supérieure à la cylindrée de compression, deux cylindres et deux pistons double effet étant dédiés à cette détente, un cylindre et un piston double effet étant dédiés à cette compression, la combustion s'opérant dans une chambre de transfert située dans l'axe central fixe. -Dans une seconde application de cette seconde mise en oeuvre, les deux mécanismes fonctionnent en circuit fermé, ce qui permet d'y prévoir la présence d'un lubrifiant permanent. Les apports thermiques, dans le cas d'un moteur, s'effectuent par un échangeur entre une source chaude d'une part et le gaz contenu à l'intérieur des mécanismes après compression d'autre part, tandis qu'une source froide absorbe de l'énergie thermique, après détente. Dans le cas d'un moteur thermique, la cylindrée et/ou la vitesse de rotation du second mécanisme est (sont) plus importante(s) que celle(s) du premier, et inversement dans le cas d'une machine frigorifique. -Dans une troisième variante de cette deuxième mise en oeuvre, le gaz considéré est de l'air, lequel est, après compression, d'abord refroidi entre le premier et le deuxième mécanisme, par échange thermique avec l'air extérieur, provoquant ainsi la condensation d'une partie de l'eau y contenue, puis réchauffé, toujours entre le premier et le deuxième mécanisme, par un four solaire, cet apport thermique compensant, en volume, le refroidissement et la condensation initiaux, et donnant une totale autonomie au système, destiné alors à la production d'eau. L'intérêt de ce dispositif réside dans la simultanéité entre le besoin en eau et la disponibilité en rayonnement solaire. -Dans une quatrième variante de cette seconde mise en oeuvre, dans le cas d'une machine frigorifique, le moteur sera constitué par un dispositif selon la même mise en oeuvre, où l'énergie thermique sera apportée par le rayonnement solaire. L'intérêt de cette variante réside, là aussi, dans la simultanéité entre le besoin en frigories et la disponibilité en rayonnement solaire. 8 REVENDICATIONS 1)Mécanisme à pistons et cylindres rotatifs comportant un châssis fixe ou mobile 10, fermé à ses deux extrémités par deux flasques 1 comportant chacune un support cylindrique 20 recevant la rotation libre de cylindres 4, et un logement cylindrique 21 excentré d'une longueur d par rapport au support 20, recevant la rotation d'un axe central 2 mobile ou fixe, lequel axe comporte un ou plusieurs manetons 3 excentrés de la même longueur d, supportant un ou plusieurs pistons 5 à double effet, caractérisé en ce que, lors de la rotation du mécanisme, les pistons 5 et les cylindres 4 tournent à vitesse angulaire moitié, respectivement autour des manetons 3 et autour des supports 20. 2)Mécanisme selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pistons comportent des lumières 7 s'ouvrant, par la rotation même du mécanisme, sur d'autres lumières ménagées sur des coussinets 13 montés sur les manetons, s'ouvrant soit dans la partie centrale des pistons, soit à l'intérieur de l'axe 15 central. 3)Mécanisme selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé, lorsque l'axe est mobile, le châssis étant fixe, en ce que des contrepoids 11 sont disposés de chaque côté des manetons, à l'intérieur des pistons, et en opposition à ces manetons, permettant d'équilibrer dynamiquement le mouvement de 20 rotation de l'axe central et des pistons. 4)Mécanisme selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé, lorsque le châssis est mobile, l'axe étant fixe, en ce que l'enveloppe externe du châssis est centrée sur l'axe, son enveloppe interne étant centrée sur les cylindres, l'ensemble châssis-cylindres-flasques étant alors dynamiquement équilibré dans sa rotation autour de cet axe par le renflement 14 de cet enveloppe, en opposition aux cylindres. 5)Mécanisme selon l'une quelconque des revendications 1, 2 3 ou 4, caractérisé en ce que les culasses 8 comportent des bossages 9, tandis que les pistons comportent des logements de mêmes dimensions 7 permettant de réduire le volume résiduel à l'intérieur des cylindres, au point mort haut. 6)Utilisation d'un mécanisme selon l'une quelconque des revendication ciavant, soit lorsqu'il est mu par un moteur, en tant que pompe, compresseur, aspirateur ou ventilateur, d'une part, soit lorsqu'il reçoit un fluide sous pression, en tant que détendeur ou moteur, générant alors un couple sur sa partie mobile, d'autre part. 7) Utilisation de deux Mécanismes selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 en série, le premier jouant le rôle de compresseur et le second de détendeur, dont les axes centraux ou les châssis sont accouplés et mus par un moteur, en tant que machine frigorifique, les calories étant prélevés entre les deux mécanismes, après compression. 8) Utilisation de deux mécanismes selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 en série, le premier jouant le rôle de compresseur et le second de détendeur, dont les axes centraux ou les châssis sont accouplés, recevant des calories entre les 2 mécanismes, par exemple par combustion interne ou externe ou par rayonnement solaire, en tant que moteur thermique appliquant un couple sur leur partie mobile, ou en tant que machine destinée à la production d'eau, par condensation à la sortie du premier mécanisme.