Brevet FR3105806A1 — publié le 20210702

Un compresseur à spirales (1) comprenant une enceinte (2) ; une section de compression (6) agencée dans l’enceinte (2), la section de compression (6) comprenant un élément de volute fixe (7) ayant une première plaque de base (11) et une première partie d’enroulement (12) s’étendant à partir de la première plaque de base (11), et un élément de volute orbitant (8) ayant une deuxième plaque de base (13) et une deuxième partie d’enroulement (14) s’étendant à partir de la deuxième plaque de base (13), les éléments de volute fixe et orbitant (7, 8) s’engrenant pour former des chambres de compression (15) ; et une section d’entraînement (16) couplée à l’élément de volute orbitant (8) pour déplacer l’élément de volute orbitant (8) dans un mouvement orbital pendant le fonctionnement du compresseur à spirales (1). Au moins l’un des éléments de volute fixe et orbitant (7, 8) est réalisé en fonte ductile ferritique renforcée par solution solide. Figure 1 Compresseur à spirales ayant une section de compression réalisée en fonte ductile ferritique renforcée par solution solide Domaine de l’invention La présente invention se rapporte à un compresseur à spirales, et en particulier à un compresseur à spirales ayant une section de compression réalisée au moins partiellement en fonte ductile. Arrière-plan de l’invention De façon connue, un compresseur à spirales comprend : - une enceinte, - une section de compression agencée dans l’enceinte, la section de compression comprenant un élément de volute fixe ayant une première plaque de base et une première partie d’enroulement s’étendant à partir de la première plaque de base, et un élément de volute orbitant ayant une deuxième plaque de base et une deuxième partie d’enroulement s’étendant à partir de la deuxième plaque de base, les éléments de volute fixe et orbitant s’engrenant pour former des chambres de compression, et - une section d’entraînement couplée à l’élément de volute orbitant pour déplacer l’élément de volute orbitant dans un mouvement orbital pendant le fonctionnement du compresseur à spirales. Les éléments de volute fixe et orbitant sont généralement réalisés en fonte grise étant donné qu’un tel matériau est facile à usiner, a un bon amortissement des vibrations, de bonnes propriétés thermiques et un faible coût de production. Cependant, en raison de la structure de la fonte grise, un tel matériau a une faible résistance mécanique qui nécessite d’augmenter l’épaisseur des éléments de volute fixe et orbitant afin d’éviter une rupture de ces derniers pendant le fonctionnement du compresseur. Ainsi, ces dernières années, certains éléments de volute ont été réalisés en fonte ductile ayant une matrice réalisée en perlite et en ferrite. Un tel matériau permet d’obtenir un élément de volute ayant une structure compacte et une résistance mécanique améliorée. Cependant, l’utilisation d’une fonte ductile ayant une matrice réalisée en perlite et en ferrite augmente sensiblement le temps d’usinage et diminue sensiblement la durée de vie d’outil de coupe, ce qui conduit à une mauvaise productivité du procédé d’usinage des éléments de volute. Un objet de la présente invention consiste à fournir un compresseur à spirales amélioré qui peut surmonter les inconvénients rencontrés dans des compresseurs à spirales classiques. Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un compresseur à spirales ayant une section de compression qui a une résistance mécanique améliorée et qui assure une usinabilité améliorée. Selon l’invention, un tel compresseur à spirales comprend : - une enceinte, - une section de compression agencée dans l’enceinte, la section de compression comprenant un élément de volute fixe ayant une première plaque de base et une première partie d’enroulement s’étendant à partir de la première plaque de base, et un élément de volute orbitant ayant une deuxième plaque de base et une deuxième partie d’enroulement s’étendant à partir de la deuxième plaque de base, les éléments de volute fixe et orbitant s’engrenant pour former des chambres de compression, et - une section d’entraînement couplée à l’élément de volute orbitant pour déplacer l’élément de volute orbitant dans un mouvement orbital pendant le fonctionnement du compresseur à spirales, dans lequel au moins l’un des éléments de volute fixe et orbitant est réalisé en fonte ductile ferritique renforcée par solution solide (SSFDI), également appelée fonte ferritique à graphite sphéroïdal renforcée par solution solide. L’utilisation de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide pour fabriquer au moins l’un des éléments de volute fixe et orbitant permet d’améliorer l’usinabilité dudit au moins l’un des éléments de volute fixe et orbitant notamment en raison de l’ajout de silicium, et ainsi d’améliorer la durée de vie d’outil de coupe. De plus, l’utilisation de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide pour fabriquer au moins l’un des éléments de volute fixe et orbitant permet d’augmenter la durée de vie d’outil, ce qui conduit à une productivité améliorée par rapport à celle obtenue avec des fontes ductiles standard ayant une matrice réalisée en perlite et en ferrite. En outre, par rapport aux fontes ductiles standard ayant une matrice réalisée en perlite et en ferrite, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a un allongement à la rupture plus élevé et une matrice homogène. Par conséquent, la section de compression selon la présente invention a une résistance mécanique améliorée tout en assurant une usinabilité améliorée. Le compresseur à spirales peut également comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une résistance à la traction Rm comprise entre 400 et 650 MPa, avantageusement entre 425 et 625 MPa, et par exemple d’environ 450, 500 ou 600 Mpa. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une teneur en silicium comprise entre 2,5% et 5%, et avantageusement entre 2,8 et 4,5%, et par exemple entre 3 et 4,5%. Une telle teneur en silicium permet d’obtenir un élément de volute ayant une structure homogène. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une teneur en cuivre comprise entre 0,030% et 0,050%, et avantageusement entre 0,032 et 0,042%. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a un allongement d’au moins 8%. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a un allongement compris entre 8% et 24%, et avantageusement entre 8% et 20%, et par exemple d’environ 10, 14 ou 18%. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une limite d’élasticité à 0,2% comprise entre 330 et 500 MPa, et par exemple de 350, 400 ou 470 MPa. Selon un mode de réalisation de l’invention, la matrice de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide contient principalement de la ferrite. En d’autres termes, la microstructure métallographique de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide contient principalement de la ferrite. La ferrite permet d’obtenir un élément de volute ayant une structure homogène et d’assurer une bonne durée de vie d’outil de coupe. Selon un mode de réalisation de l’invention, une teneur maximale en perlite dans la matrice de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide est de 5%. Selon un mode de réalisation de l’invention, la matrice de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide contient au moins 85% de ferrite, et par exemple au moins 95% de ferrite. Avantageusement, la matrice de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide ne contient que de la ferrite. Selon un mode de réalisation de l’invention, la microstructure de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une matrice ferritique homogène. Selon un mode de réalisation de l’invention, la microstructure de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une forme de graphite de type V ou de type VI. Selon un mode de réalisation de l’invention, la microstructure de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une nodularité d’au moins 75%, et par exemple d’au moins 80%. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a un coefficient de Poisson compris entre environ 0,28 et environ 0,29. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a un module d’élasticité de 170 GPa. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une résistance à la flexion sous contrainte de rotation à 20°C comprise entre 200 et 230 MPa, et par exemple de 210 MPa ou de 225 MPa. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une dureté Brinell comprise entre 170 et 200 ou entre 185 et 215. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une densité de 7,0 ou 7,1 kg/dm 3 . Selon un mode de réalisation de l’invention, la taille de graphite de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide est de classe 6 à classe 7. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide est EN-GJS-450-18, EN-GJS-500-14 ou EN-GJS-600-10. Selon un mode de réalisation de l’invention, les deux éléments de volute fixe et orbitant sont réalisés en fonte ductile ferritique renforcée par solution solide. Selon un mode de réalisation de l’invention, les éléments de volute fixe et orbitant sont réalisés en la même fonte ductile ferritique renforcée par solution solide. Selon un mode de réalisation de l’invention, les éléments de volute fixe et orbitant sont réalisés en deux différentes fontes ductiles ferritiques renforcées par solution solide. Ces avantages ainsi que d’autres apparaîtront à la lecture de la description qui suit compte tenu du dessin ci-joint représentant, à titre d’exemple non limitatif, un mode de réalisation d’un compresseur à spirales selon l’invention. La description détaillée suivante d’un mode de réalisation de l’invention est mieux comprise lorsqu’elle est lue conjointement avec les dessins annexés étant, toutefois, entendu que l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation spécifique divulgué. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d’un compresseur à spirales selon l’invention. Description détaillée de l’invention La figure 1 montre un compresseur à spirales 1 comprenant une enceinte 2 munie d’une entrée d’aspiration 3 configurée pour alimenter le compresseur à spirales 1 en fluide frigorigène à comprimer, et d’une sortie de refoulement 4 configurée pour refouler le fluide frigorigène comprimé. Le compresseur à spirales 1 comprend également un cadre de support 5 agencé dans l’enceinte 2 et fixé à l’enceinte 2, et une section de compression 6 également agencée dans l’enceinte hermétique 2 et disposée au-dessus du cadre de support 5. La section de compression 6 est configurée pour comprimer le fluide frigorigène fourni par l’entrée d’aspiration 3, et comporte un élément de volute fixe 7, qui est fixe par rapport à l’enceinte 2, et un élément de volute orbitant 8 supporté par une surface de palier de butée 9 prévue sur le cadre de support 5 et en contact coulissant avec celle-ci. L’élément de volute fixe 7 comporte une première plaque de base 11 ayant une face inférieure orientée vers l’élément de volute orbitant 8, et une face supérieure opposée à la face inférieure de la première plaque de base 11. L’élément de volute fixe 7 comporte également une première partie d’enroulement 12 s’étendant à partir de la face inférieure de la première plaque de base 11 vers l’élément de volute orbitant 8. L’élément de volute orbitant 8 comporte une deuxième plaque de base 13 ayant une face supérieure orientée vers l’élément de volute fixe 7, et une face inférieure opposée à la face supérieure de la deuxième plaque de base 13 et montée coulissante sur la surface de palier de butée 9. L’élément de volute orbitant 8 comporte également une deuxième partie d’enroulement 14 s’étendant à partir de la face supérieure de la deuxième plaque de base 13 vers l’élément de volute fixe 7. La deuxième partie d’enroulement 14 de l’élément de volute orbitant 8 s’engrène avec la première partie d’enroulement 12 de l’élément de volute fixe 7 pour former une pluralité de chambres de compression 15 entre elles. Chacune des chambres de compression 15 a un volume variable qui diminue de l’extérieur vers l’intérieur, lorsque l’élément de volute orbitant 8 est entraîné pour orbiter par rapport à l’élément de volute fixe 7. En outre, le compresseur à spirales 1 comporte une section d’entraînement 16 couplée à l’élément de volute orbitant 8 pour déplacer l’élément de volute orbitant 8 dans un mouvement orbital pendant le fonctionnement du compresseur à spirales 1. En particulier, la section d’entraînement 16 comporte un arbre d’entraînement 17 configuré pour entraîner l’élément de volute orbitant 8 dans un mouvement orbital, et un moteur électrique 18, qui peut être un moteur électrique à vitesse variable, couplé à l’arbre d’entraînement 17 et configuré pour entraîner en rotation l’arbre d’entraînement 17 autour d’un axe de rotation A. Selon un mode de réalisation de l’invention, les deux éléments de volute fixe et orbitant 7, 8 sont réalisés en fonte ductile ferritique renforcée par solution solide (SSFDI), et par exemple en la même fonte ductile ferritique renforcée par solution solide. La matrice de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide utilisée pour fabriquer les éléments de volute fixe et orbitant 7, 8 contient principalement de la ferrite. La matrice de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide peut contenir au moins 95% de ferrite, et par exemple au moins 98% de ferrite. Avantageusement, la matrice de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide ne contient que de la ferrite, et la microstructure de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une matrice ferritique homogène. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une résistance à la traction Rm comprise entre 400 et 650 MPa, avantageusement entre 425 et 625 MPa, et un allongement compris entre 8% et 24%, et avantageusement entre 8% et 20%. De plus, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une limite d’élasticité à 0,2% comprise entre 330 et 500 MPa, et une résistance à la flexion sous contrainte de rotation à 20°C comprise entre 200 et 230 MPa. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une teneur en silicium comprise entre 2,5% et 5%, et avantageusement entre 2,8 et 4,5%, et une teneur en cuivre comprise entre 0,030% et 0,050%, et avantageusement entre 0,032 et 0,042%. Ces teneurs en silicium et en cuivre permettent d’obtenir un élément de volute ayant une structure homogène et d’assurer une bonne durée de vie d’outil de coupe. La microstructure de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide utilisée pour fabriquer les éléments de volute fixe et orbitant 7, 8 peut avoir une forme de graphite de type V ou de type VI, et peut avoir une nodularité d’au moins 75%, avantageusement d’au moins 80%. Avantageusement, la taille de graphite de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide est de classe 6 à classe 7. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a un coefficient de Poisson compris entre environ 0,28 et environ 0,29, et a un module d’élasticité de 170 GPa. Avantageusement, la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide utilisée pour fabriquer les éléments de volute fixe et orbitant 7, 8 est choisie parmi EN-GJS-450-18, EN-GJS-500-14 et EN-GJS-600-10. Les propriétés mécaniques des EN-GJS-450-18, EN-GJS-500-14 et EN-GJS-600-10 sont mentionnées dans le tableau suivant : EN-GJS-450-18 EN-GJS-500-14 EN-GJS-600-10 Résistance à la traction R m MPa 450 500 600 Limite d’élasticité à 0,2% R p0,2 MPa 350 400 470 Allongement A 5 % 18 14 10 Module d’élasticité E GPa 170 170 170 Dureté Brinell BHN 170-200 185-215 200-300 Densité ρ Kg/dm 3 7,1 7,0 7,0 Résistance à la flexion sous contrainte de rotation À 20°C MPa 210 225 258 Coefficient de Poisson ν 0,28/0,29 0,28-0,29 0,28-0,29 Teneur en silicium % 3,20 3,80 4,2 L’utilisation de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide pour fabriquer les éléments de volute fixe et orbitant 7, 8 permet d’améliorer l’usinabilité, et donc de diminuer le temps d’usinage. De plus, l’utilisation de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide pour fabriquer les éléments de volute fixe et orbitant permet d’augmenter la durée de vie d’outil, ce qui conduit à une productivité améliorée par rapport à celle obtenue avec des fontes ductiles standard ayant une matrice réalisée en perlite et en ferrite. Par conséquent, la section de compression 6 selon la présente invention a une résistance mécanique améliorée tout en assurant une usinabilité améliorée. Bien entendu, l’invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit ci-dessus à titre d’exemple non limitatif, mais, au contraire, elle englobe tous les modes de réalisation de celle-ci. En particulier, un seul des éléments de volute fixe et orbitant 7, 8 pourrait être réalisé en fonte ductile ferritique renforcée par solution solide, ou les éléments de volute fixe et orbitant 7, 8 pourraient être réalisés en deux différentes fontes ductiles ferritiques renforcées par solution solide. Compresseur à spirales (1) comprenant : - une enceinte (2), - une section de compression (6) agencée dans l’enceinte (2), la section de compression (6) comprenant un élément de volute fixe (7) ayant une première plaque de base (11) et une première partie d’enroulement (12) s’étendant à partir de la première plaque de base (11), et un élément de volute orbitant (8) ayant une deuxième plaque de base (13) et une deuxième partie d’enroulement (14) s’étendant à partir de la deuxième plaque de base (13), les éléments de volute fixe et orbitant (7, 8) s’engrenant pour former des chambres de compression (15), et - une section d’entraînement (16) couplée à l’élément de volute orbitant (8) pour déplacer l’élément de volute orbitant (8) dans un mouvement orbital pendant le fonctionnement du compresseur à spirales (1), dans lequel au moins l’un des éléments de volute fixe et orbitant (7, 8) est réalisé en fonte ductile ferritique renforcée par solution solide. Compresseur à spirales (1) selon la revendication 1, dans lequel la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une résistance à la traction Rm comprise entre 400 et 650 MPa, avantageusement entre 425 et 625 MPa. Compresseur à spirales (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une teneur en silicium comprise entre 2,5% et 5%, et avantageusement entre 2,8 et 4,5%. Compresseur à spirales (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a un allongement d’au moins 8%. Compresseur à spirales (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide a une limite d’élasticité à 0,2% comprise entre 330 et 500 MPa. Compresseur à spirales (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la matrice de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide contient principalement de la ferrite. Compresseur à spirales (1) selon la revendication 6, dans lequel une teneur maximale en perlite dans la matrice de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide est de 5%. Compresseur à spirales (1) selon la revendication 6, dans lequel la matrice de la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide ne contient que de la ferrite. Compresseur à spirales (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la fonte ductile ferritique renforcée par solution solide est EN-GJS-450-18, EN-GJS-500-14 ou EN-GJS-600-10. Compresseur à spirales (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les deux éléments de volute fixe et orbitant sont réalisés en fonte ductile ferritique renforcée par solution solide.