Brevet FR2891581A1 — 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 et 2: 1) Un châssis fixe 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 basse pression 23 entre le support 20 et le logement 21 d'une part, et un orifice haute pression 19 dans l'axe du logement 21 d'autre part. 2) Un axe central 2, pivotant dans les logements 21 par l'intermédiaire desdits roulements ou coussinets, comportant un ou plusieurs manetons 3 (au nombre de 2 déphasés de 180 sur les figures 1 et 2), 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 sur la figure 1), pivotant chacun autour d'un maneton 3. 4) Un ou plusieurs cylindres 4 (au nombre de 2 déphasés de 90 degrés sur la figure 1), placés à l'intérieur du châssis et pivotant autour des supports 20 par l'intermédiaire desdits roulements ou coussinets. Lorsque 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). Au cours de cette rotation, 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. -Selon une première disposition particulière des présentes, illustrée par la 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 basse pression 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 haute pression 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 que des excroissances 33 sont prévues sur les manetons afin d'empêcher la rotation des coussinets autour de ces manetons. -Selon une seconde disposition particulière des présentes, illustrée par la figure 1, et de façon plus détaillée par la figure 2, des contrepoids comportant chacun deux pièces 11 et 12 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 pour la pièce 11. Des excroissances 30 sur les pièces 12, et des logements 29 recevant ces excroissances, pratiqués sur l'axe 2, permettront de maintenir les contrepoids à la fois longitudinalement de chaque côté des manetons, et à la fois angulairement en opposition à ceux-ci. Le montage des contrepoids s'effectue en introduisant d'abord les pièces 11 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. Les pièces 12 sont alors vissées sur les pièces 11 en les introduisant par des ouvertures 32 prévues à cet effet perpendiculairement aux cylindres. La forme des pistons doit aussi permettre le passage des pièces 12. -Selon une troisième disposition particulière de la présente invention, illustrée par la figure 2, une gorge 28 est prévue sur le maneton, encadrant une moitié de celui-ci du côté haute pression, recevant soit un joint élastomère soit une segmentation, assurant l'étanchéité sous le coussinet entre la moitié basse pression s'ouvrant sur la partie centrale des pistons d'une part, et la moitié haute pression s'ouvrant sur l'intérieur de l'axe central 2 d'autre part. Cette disposition permet en outre d'appliquer le coussinet contre son logement dans le piston 5, assurant l'étanchéité des lumières 26 et 7 lors de leur fermeture. -Selon une quatrième disposition particulière de la présente invention, illustrée par la figure 1, des bossages trapézoïdaux 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. 2891581 5 -Selon une première mise en oeuvre particulière de la présente invention, ce mécanisme est utilisé, mû par un moteur appliquant un couple sur l'axe 2 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. A noter que dans le cas des applications hydrauliques, l'excentrement d 10 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, deux mécanismes, le premier compresseur, le second détendeur, sont utilisés, mûs par un moteur appliquant un couple sur l'axe 2, comme machine frigorifique d'une part, ou recevant un apport de chaleur, comme moteur thermique, générant un couple sur l'axe 2 d'autre part. Dans cette mise en oeuvre, les deux mécanismes, placés en série, sont accouplés par leurs axes centraux 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. -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 unie 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. REVENDICATIONS 1)Mécanisme à pistons et cylindres rotatifs comportant un châssis fixe 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, lequel axe comporte un ou plusieurs manetons excentrés de la même longueur d, supportant un ou plusieurs pistons 5 à double effet, caractérisé en ce que, lors de la rotation de l'axe central, les pistons tournent autour des manetons à vitesse angulaire moitié et entraînent les cylindres dans leur rotation, également à vitesse angulaire moitié, 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, pour moitié côté basse pression, s'ouvrant dans la partie centrale des pistons, et pour moitié côté haute pression, s'ouvrant à l'intérieur de l'axe central. 3)Mécanisme selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que des contrepoids 11 et 12 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 rotation de l'axe central et des pistons. 4)Mécanisme selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'un gorge 28 est ménagée sur les manetons, entourant la partie haute pression, et recevant sous les coussinets 13 un joint élastomère ou une segmentation assurant d'une part une parfaite étanchéité sous coussinet entre la moitié haute pression et la moitié basse pression de chaque maneton, et d'autre par une parfaite étanchéité de la lumière haute pression 26 sur l'extérieur du coussinet, et de la lumière 7 sur piston, pendant leurs fermetures. 5)Mécanisme selon les revendications 1, 2 3 ou 4, caractérisé en ce que les culasses 8 comportent des bossages trapézoïdaux 9, tandis que les pistons comportent des logements de mêmes dimensions 7 permettant de rendre négligeable le volume résiduel à l'intérieur des cylindres, au point mort haut. 6) Mécanisme selon les revendications 1, 2, 4 ou 5, caractérisé en ce que l'axe central 2 est fixe, le châssis étant l'élément mobile, complété alors par des contrepoids équilibrant l'ensemble châssis-flasquescylindres par rapport à l'axe central. 6)Utilisation d'un mécanisme selon l'une quelconque des revendication ciavant, soit lorsque l'axe central 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 l'axe central, d'autre part. 7) Utilisation de deux Mécanismes selon les revendications 1 à 5 en série, le premier jouant le rôle de compresseur et le second de détendeur, dont les axes centraux 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 les revendications 1 à 5, le premier jouant le rôle de compresseur et le second de détendeur, dont les manetons 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 la vis mâle. 9)Utilisation de deux mécanismes selon la revendication 8, la source d'énergie thermique étant le rayonnement solaire, en tant que machine destinée à la production d'eau, par condensation entre la sortie du premier mécanisme et le four solaire, cette condensation étant obtenue par refroidissement dans un échangeur thermique. 10)Utilisation de deux mécanismes selon la revendication 7, mûs par deux mécanismes selon la revendication 8, dont la source d'énergie thermique est le 30 rayonnement solaire, en tant que machine frigorifique.