Brevet FR3013758A1 — publié le 20150529

ELEMENT POUR APPAREIL A FLUIDE A SPIRALES ET JOINT CORRESPONDANT [0001] La présente invention porte sur un élément pour appareil à fluide à spirales, ainsi que sur le joint correspondant. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les appareils à spirales du type expanseur volumétrique ayant un fonctionnement inverse par rapport à un compresseur volumétrique. [0002] De façon connue en soi, ce type d'appareil 1 à fluide illustré à la figure 1 comporte un élément fixe 2 et un élément mobile 3 comportant chacun une paroi 4, 5 de forme sensiblement spiroïdale. Ces éléments 2, 3 sont intercalés l'un dans l'autre et positionnés avec un décalage angulaire, par exemple de 180 degrés. [0003] L'élément mobile 3 est monté sur un arbre excentrique 8. L'élément 9 est le support d'un système d'accouplement anti-rotation 10 sur lequel s'appuie la volute mobile 3. L'arbre de la génératrice (non représenté) est directement accouplé à l'élément 8. Un tel montage permet de générer un mouvement orbital relatif entre les deux éléments 2, 3. [0004] Dans le cas d'un expanseur, le mouvement orbital de l'élément mobile 3 entraîne une augmentation du volume des chambres délimitées par les éléments 2, 3 qui se déplacent du centre vers la périphérie. Ainsi, comme cela est montré sur la figure 2, durant l'expansion, un gaz à haute pression, par exemple de la vapeur d'eau, est introduit au centre de l'unité en formant une poche centrale de gaz (position P1). Ce gaz, évoluant progressivement vers la périphérie (positions P1 à P8), atteint sa pression de décharge et s'échappe au niveau des flancs périphériques. [0005] Les chambres d'expansion sont délimitées par deux types de surfaces, à savoir les faces latérales, ou flancs, des parois 4, 5 des éléments 2, 3, ainsi que les sommets des parois 4, 5 qui se déplacent, suivant un mouvement orbital, en frottant sur une contreface 14, 15 de l'élément complémentaire. Afin de maximiser le rendement de l'appareil à fluide, il est important de maintenir l'étanchéité entre le sommet d'une paroi 4, 5 et la contreface 14, 15 de l'élément 2, 3 complémentaire quelles que soit les conditions de pression et de température du fluide. [0006] Le document FR2499662 décrit un élément pour un appareil à spirales muni d'un joint multicouches installé dans une gorge ménagée au sommet de la paroi en forme de spirale. Toutefois, la rigidité de la structure en U est plus faible que celle en H qui est en outre facile à mettre en place lors du montage du système. Dans une configuration en U, le gaz pourra en effet contourner le joint pour passer d'une chambre à une autre, ce qui va nuire au rendement de l'appareil. Ce phénomène est en particulier observable lors de la mise en fonctionnement de l'appareil au moment où il n'existe pas encore un équilibre de pression entre les différentes chambres. [0007] La présente invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un élément pour appareil à fluide à spirales comportant au moins une paroi de forme sensiblement spiroïdale autour d'un axe, cette paroi s'étendant sensiblement dans une direction axiale présentant à son sommet une surface de bord comportant une gorge à l'intérieur de laquelle est logé un joint multicouche, caractérisé en ce que ledit joint comporte une première couche destinée à venir en contact avec une contreface associée à un élément complémentaire, une deuxième couche ayant une section en forme de H délimitant un premier évidement ouvert du côté de la contreface dans lequel vient se loger la première couche et un deuxième évidement ouvert du côté d'un fond de ladite gorge dans lequel vient se loger une troisième couche de rigidification dudit joint. [0008] Une telle structure du joint permet ainsi d'assurer une étanchéité statique et dynamique de l'appareil à fluide quelles que soient les conditions de fonctionnement de l'appareil à spirales. En effet, la première couche permet d'assurer l'étanchéité dynamique entre les chambres par son plaquage contre la contreface de l'élément complémentaire. La deuxième couche à section en H, qui a un rôle de matrice, assure une étanchéité statique du joint vis-à-vis de la gorge même sous l'effet d'un gaz à très haute pression et très haute température. En outre, la rigidité accrue de la troisième couche permet de faciliter la manipulation du joint qui présente des dimensions relativement faibles. [0009] Selon une réalisation, la première couche est réalisée dans un matériau tel que les frottements avec ladite contreface de l'élément complémentaire sont faibles. On minimise ainsi les pertes par friction au sein de l'appareil à fluide. [0010] Selon une réalisation, la première couche est réalisée dans un matériau à base de carbone ou plastique de type polyimide ou d'un autre matériau plastique de haute performance éventuellement chargé de matériaux de renforcement, notamment sous forme de fibres. [0011] Selon une réalisation, la deuxième couche dudit joint est réalisée dans un matériau de type plastique ou céramique, notamment de façon à ce que sa spécification permette de résister à son environnement lié à des conditions de fonctionnement de l'appareil à fluide à spirales. [0012] Selon une réalisation, la troisième couche est réalisée dans un matériau permettant une rigidification du joint. [0013] Selon une réalisation, ledit élément comporte un dispositif de plaquage du joint contre la contreface de l'élément complémentaire. [0014] Selon une réalisation, ledit dispositif de plaquage du joint contre la contreface comporte une couche magnétique déposée dans un fond de ladite gorge mise en présence avec la troisième couche ayant également des propriétés magnétiques. Le joint est ainsi éloigné du fond de la gorge par les forces générées par la mise en présence des deux couches magnétiques de manière à s'appliquer contre la contreface. Ce dispositif permet également d'assurer un rattrapage des jeux de montage. [0015] Selon une réalisation, le dispositif de plaquage du joint comporte un piquage de pression réalisé dans une paroi délimitant ladite gorge pour la mise en relation d'une des chambres de détente avec un espace intérieur de ladite gorge situé sous ledit joint. [0016] L'invention a également pour objet un joint multicouche pour élément d'un appareil à fluide à spirales, caractérisé en ce qu'il comporte une première couche, une deuxième couche ayant une section en forme de H délimitant un premier évidement dans lequel vient se loger la première couche et un deuxième évidement dans lequel vient se loger une troisième couche de rigidification dudit joint. [0017] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0018] La figure 1, déjà décrite, est une vue en perspective éclatée d'un appareil à fluide du type à spirales; [0019] La figure 2, déjà décrite, représente de manière schématique différentes positions de l'élément mobile lors d'un cycle de fonctionnement d'un appareil à fluide à spirales; [0020] La figure 3 est une vue en perspective d'un élément pour appareil à fluide à spirales selon la présente invention; [0021] La figure 4 est une vue en perspective d'un joint multicouche selon la présente invention; [0022] La figure 5a montre une vue en coupe transversale de la gorge et du joint selon la présente invention; [0023] La figure 5b montre une variante de réalisation du dispositif de plaquage du joint selon la présente invention; [0024] Sur les figures 3 à 5b, les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent les mêmes références d'une figure à l'autre. [0025] La figure 3 montre un élément 20 pour appareil à fluide du type à spirales comportant au moins une paroi 21 de forme sensiblement spiroïdale autour d'un axe X. Cette paroi 21 s'étend sensiblement dans une direction axiale depuis une plaque 22 dont est solidaire ladite paroi 21. Cet élément 20 pourra indifféremment correspondre à l'élément mobile ou l'élément fixe précédemment décrit. [0026] La paroi 21 de l'élément 20 présente à son sommet, correspondant à l'extrémité axiale libre de la paroi 21, une surface de bord 23 située dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe X. La surface de bord 23 comporte une gorge 24 à l'intérieur de laquelle est logé un joint multicouche 26 destiné à venir en contact avec une contreface 28 appartenant à la plaque 22 d'un élément complémentaire. [0027] Comme cela est bien visible sur la figure 5a et 5b, la gorge 24 présente une section transversale en forme de U délimitée par un fond et deux faces latérales en vis-à- vis l'une par rapport à l'autre. La gorge 24 présente une forme spiroïdale correspondant à celle de la paroi 21. [0028] Le contact entre le joint 26 et la contreface 28 est réalisé par l'intermédiaire d'une première couche 31 assurant ainsi l'étanchéité entre les chambres de l'appareil à fluide. Le matériau de la première couche 31 est tel que les frottements avec la contreface 28 sont faibles afin de minimiser les pertes par friction au sein de l'appareil. Dans un exemple de réalisation, la première couche 31 est réalisée dans un matériau à base de carbone ou plastique de type polyimide ("Vespel" marque déposée) ou d'un autre matériau plastique de haute performance, tel qu'un matériau PEEK pour polyetheretherketone en anglais soit le polyetherethercétone,en français ou le PAEK pour polyaryletherketone en anglais soit le polyarylethercétone en français, éventuellement chargé de fibres (carbone, verre, kevlar dont la formule est le poly-paraphénylène téréphtalamide, aramide, basalte). [0029] En outre, le joint 26 comporte une deuxième couche 32 ayant une section en forme de H délimitant un premier évidement ouvert du côté de la contreface 28 dans lequel vient se loger la première couche 31 et un deuxième évidement ouvert du côté du fond de la gorge 24 dans lequel vient se loger une troisième couche 33 de rigidification du joint 26. Les parois latérales de la deuxième couche 32 présentent chacune une face destinée à venir en appui contre une face latérale de la gorge 24. [0030] La deuxième couche 32, qui a un rôle de matrice, assure ainsi une étanchéité du joint 26 vis-à-vis de la gorge 24 en évitant que le fluide contourne le joint 26 pour passer d'une chambre à une autre. Une telle structure permet d'assurer l'étanchéité du joint 26 vis-à-vis de la gorge 24 même sous l'effet d'un gaz à très haute pression et très haute température. La deuxième couche 32 du joint 26 est par exemple réalisée dans un matériau de type plastique ou céramique dont la spécification permet de résister à son environnement lié à des conditions de fonctionnement de l'appareil à fluide à spirales. [0031] Il est à noter également que la rigidité accrue de la troisième couche 33 permet de faciliter la manipulation du joint 26 qui présente une largeur très faible par rapport à sa longueur. Dans un exemple de réalisation, le joint 26 présente une largeur de l'ordre de 3mm et une longueur comprise entre 10 et 15 cm. La troisième couche 33 est par exemple réalisée dans un matériau à base de graphite. [0032] En outre, l'élément 20 comporte de préférence un dispositif de plaquage 40 du joint 26 contre la contreface 28 de l'élément 20 complémentaire. Dans le mode de réalisation de la figure 5a, le dispositif de plaquage 40 du joint 26 comporte une couche magnétique 35 déposée dans le fond de la gorge 24 alors que la troisième couche 33 présente également des propriétés magnétiques. [0033] Le joint 26 est ainsi repoussé du fond de la gorge 24 par les forces magnétiques pour s'appliquer contre la contreface 28. Un tel dispositif 40 permet également d'assurer un rattrapage des jeux de montage. [0034] Dans la variante de réalisation de la figure 5b, le dispositif 40 de plaquage du joint 26 comporte un piquage de pression 41 réalisé dans une paroi délimitant la gorge 24 pour la mise en relation d'une des chambres de détente avec un espace intérieur de la gorge 24 situé sous le joint 26. Le piquage 41 débouche ainsi vers l'espace intérieur s'étendant entre un fond de la gorge 24 et une face du joint 26 tournée vers ledit fond. La pression régnant sous le joint 26 permet de venir pousser le joint 26 contre la contreface 28. [0035] En variante, le dispositif de plaquage 40 du joint 26 est formé par un élément élastique positionné entre le fond de la gorge 24 et le joint 26. [0036] Bien entendu, la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et ne limite pas l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution par tous autres équivalents. REVENDICATIONS: 1. Elément (20) pour appareil à fluide à spirales comportant au moins une paroi (21) de forme sensiblement spiroïdale autour d'un axe, cette paroi (21) s'étendant sensiblement dans une direction axiale présentant à son sommet une surface de bord (23) comportant une gorge (24) à l'intérieur de laquelle est logé un joint multicouche (26), caractérisé en ce que ledit joint (26) comporte une première couche (31) destinée à venir en contact avec une contreface (28) associée à un élément complémentaire, une deuxième couche (32) ayant une section en forme de H délimitant un premier évidement ouvert du côté de la contreface (28) dans lequel vient se loger la première couche (31) et un deuxième évidement ouvert du côté d'un fond de ladite gorge (24) dans lequel vient se loger une troisième couche (33) de rigidification dudit joint (26). 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche (31) est réalisée dans un matériau tel que les frottements avec ladite contreface (28) de l'élément complémentaire sont faibles. 3. Elément selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première couche (31) est réalisée dans un matériau à base de carbone ou plastique de type polyimide ou d'un autre matériau plastique de haute performance éventuellement chargé de fibres. 4. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la deuxième couche (32) dudit joint (26) est réalisée dans un matériau de type plastique ou céramique. 5. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la troisième couche (33) est réalisée dans un matériau permettant une rigidification dudit joint (26). 6. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de plaquage (40) du joint (26) contre la contreface (28) de l'élément complémentaire. 7. Elément selon la revendication 6, caractérisé en ce que, ledit dispositif de plaquage (40) du joint (26) contre la contreface (28) comporte une couche magnétique (35)déposée dans un fond de ladite gorge (24) mise en présence avec la troisième couche (33) ayant également des propriétés magnétiques. 8. Elément selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit dispositif de plaquage (40) du joint (26) comporte un piquage de pression (41) réalisé dans une paroi délimitant ladite gorge (24) pour la mise en relation d'une des chambres de détente avec un espace intérieur de ladite gorge (24) situé sous ledit joint (26). 9. Joint multicouche (26) pour élément (20) d'un appareil à fluide à spirales, caractérisé en ce qu'il comporte une première couche (31), une deuxième couche (32) ayant une section en forme de H délimitant un premier évidement dans lequel vient se loger la première couche (31) et un deuxième évidement dans lequel vient se loger une troisième couche (33) de rigidification dudit joint (26)