<Desc/Clms Page number 1>
Réglage de la pression de contact pour joint d'étanchéité de compresseur à volutes.
Arrière-plan de l'invention.
L'invention concerne des joints d'étanchéité pour définir une chambre de contre-pression de compresseur à volutes, dans laquelle la pression de contact entre le joint d'étanchéité et l'élément à volute est réduite en comparaison de la technique antérieure.
L'utilisation de compresseurs à volutes est largement répandue dans des applications de compression de réfrigérant. Dans un compresseur à volutes, deux éléments à volutes se font face. Les deux éléments à volutes ont chacun une base avec une enveloppe de forme générale spiralée qui s'étend depuis la base. Les deux enveloppes spiralées s'emboîtent pour définir des chambres de compression. Un élément à volute est entraîné en orbite par rapport à l'autre. Lorsque le premier élément à volute est en orbite par rapport à l'autre, les enveloppes spiralées emboîtées se déplacent et réduisent le volume des chambres de compression. De cette manière, le réfrigérant est comprimé.
Si les compresseurs à volutes présentent en effet plusieurs avantages, ils sont également confrontés à de nombreux défis de conception. Par exemple, une force de séparation est créée entre les deux éléments à volutes lorsque que le réfrigérant est comprimé. La force de séparation a tendance à écarter les deux éléments à volutes l'un de l'autre. Cela réduit le contact d'étanchéité entre les deux éléments à volutes et mène à des pertes d'efficacité.
Pour s'attaquer à la force de séparation, des concepteurs de compresseurs à volutes créent une chambre de "contre-pression" derrière un des deux
<Desc/Clms Page number 2>
éléments à volutes. Du fluide comprimé est aspiré vers la chambre de contre-pression et crée une force qui s'oppose à la force de séparation. La chambre de contre-pression est définie derrière la base de l'un des deux éléments à volutes par des surfaces d'étanchéité interne et externe.
Dans un type de compresseur à volutes, la chambre de contre-pression est définie derrière l'élément à volute en orbite et comprend deux joints d'étanchéité séparés, l'un se trouvant en position radialement interne et l'autre en position radialement externe. Le réfrigérant comprimé est aspiré vers une chambre définie entre les deux joints d'étanchéité et crée la force de contre-pression.
Dans un autre type de compresseur à volutes, la chambre de contre-pression est définie derrière la volute non orbitale et on utilise un seul grand joint d'étanchéité avec deux surfaces d'étanchéité. La présente invention donne plus d'avantages au premier type de compresseur à volutes, mais des aspects de l'invention peuvent également s'avérer bénéfiques pour le second type de compresseur à volutes.
Le premier type de compresseur à volutes est illustré à la Fig. 1. Un compresseur à volutes 20 comprend une boîte à manivelle 22 qui reçoit un élément à volute orbitale 24. Une paire de joints d'étanchéité
26 et 28 définit une chambre de contre-pression 30. Un élément à volute fixe 32 est positionné en regard de l'élément à volute orbitale. Si l'on montre l'invention avec la chambre de contre-pression définie derrière la volute orbitale 24, on comprendra que des aspects de l'invention peuvent également s'appliquer aux compresseurs à volutes dont la chambre de contre- pression est définie derrière l'élément à volute fixe ou non orbitale.
En outre, si l'on montre une paire de joints d'étanchéité, des aspects de l'invention peuvent
<Desc/Clms Page number 3>
s'appliquer à des compresseurs à volutes qui ont un seul grand joint d'étanchéité.
Comme le montre la Fig. 2A, des joints d'étanchéité 26 et 28 comprennent une chemise d'étanchéité 34 ayant une paroi arrière 32, et des lèvres 34 et 36 s'étendant vers l'intérieur. Un ressort hélicoïdal 38 est disposé dans chaque chemise d'étanchéité. Les parties d'étanchéité 34 butent contre une surface arrière 40 de l'élément à volute orbitale 24. Le ressort 38 a tendance à presser la lèvre 34 en contact avec la surface arrière 40 de l'élément à volute.
Une force de pression gazeuse appliquée sur la chemise d'étanchéité 34 refoule également la chemise d'étanchéité 34 dans la surface arrière 40, en plus du ressort hélicoïdal 38. Comme le montre la Fig. 2B, vers l'intérieur des lèvres 34 et 36, celles-ci sont soumises à toute la pression P de la chambre de contre- pression. Cependant, vers l'extérieur des lèvres 34 et 36, il se produit une restriction à l'écoulement. Il existe donc un gradient de pression entre P et une pression inférieure. Comme le montre la Fig. 2C, il y a un gradient de force de contact entre les lèvres 34 et 36 et la surface arrière 40 de l'élément à volute 24 qui est généralement l'inverse du gradient représenté à la Fig. 2B. Comme montré, la force est très importante au voisinage de la paroi arrière 32 et devient plus petite au voisinage des bords internes des lèvres 34 et 36.
Au voisinage des bords internes des lèvres 34 et 36, la pression à l'extérieur des lèvres est généralement égale à la pression vers l'intérieur et les pressions s'annulent donc. Néanmoins, du fait du gradient de pression, la force de contact devient plus importante lorsqu'on se rapproche de la paroi arrière 32.
Il y a donc, au voisinage de la paroi arrière
<Desc/Clms Page number 4>
32, une force de contact contre la surface arrière 40 qui est élevée de manière peu souhaitable. La volute orbitale 24 gravite en orbite par rapport aux joints d'étanchéité. Cette force de contact peut mener à une usure excessive des joints d'étanchéité et une défaillance prématurée des joints d'étanchéité.
Résumé de l'invention.
Dans une forme de réalisation décrite de l'invention, un joint d'étanchéité destiné à une chambre de contre-pression d'un compresseur à volutes a une surface de contact plus petite au voisinage de l'élément à volutes que celle que l'on rencontre au voisinage d'un élément de boîtier qui reçoit le joint d'étanchéité. Dans une forme de réalisation préférée, cette force plus petite est fournie par une mince feuille qui comprend une patte qui fournit la surface de contact avec l'élément à volute. En d'autres termes, il y a une structure sur le joint d'étanchéité qui permet à du gaz comprimé de la chambre de contre- pression de se déplacer entre le joint d'étanchéité et la surface arrière de l'élément à volute sur la majeure partie de l'épaisseur radiale de la surface du joint d'étanchéité.
En d'autres termes encore, les joints d'étanchéité comprennent chacun une surface d'étanchéité interne qui fait face à un boîtier et une surface d'étanchéité externe qui fait face à l'élément à volute. La surface d'étanchéité externe est munie d'une patte qui s'étend sur une partie de l'épaisseur radiale de la surface d'étanchéité externe. La patte s'écarte d'une surface de lèvre de la surface d'étanchéité externe et s'étend vers l'élément à volute, si bien que seule la patte est en contact avec la surface arrière de l'élément à volute. La pression dans la chambre de contre-pression est transférée le long de la partie de lèvre jusqu'à la partie de patte.
Dans une forme de réalisation de loin
<Desc/Clms Page number 5>
préférée, l'invention est utilisée dans un compresseur à volutes dont la chambre de contre-pression est définie derrière la volute orbitale et dans lequel on utilise des chemises d'étanchéité généralement en forme de U conjointement avec un ressort hélicoïdal.
Dans des formes de réalisation de l'invention, la patte peut être formée en une position espacée vers l'intérieur de la paroi arrière ou, en variante, elle peut être généralement alignée avec la paroi arrière. Dans d'autres formes de réalisation, la feuille comprend une lèvre allongée qui s'étend vers l'extérieur de la lèvre supérieure du joint d'étanchéité. L'invention décrit également une forme de réalisation dans laquelle une seule feuille d'étanchéité est associée à la fois aux joints d'étanchéité interne et externe qui définissent la chambre de contre-pression. Deux nervures espacées s'étendent vers le haut de la feuille unique et offrent la petite surface de contact.
Avec l'invention et ses diverses formes de réalisation, l'utilisation de la petite surface de contact fait que toute la chambre de contre-pression P s'étend le long de la majeure partie de la surface d'étanchéité. Le déséquilibre de force décrit ci-dessus ne se produira donc pas sur une aussi grande surface.
Au contraire, le déséquilibre de force est généralement supprimé ou au moins maîtrisable. En effet, la force de contact entre le joint d'étanchéité et l'élément à volute due à la pression gazeuse peut être éliminée. La force de contact peut être limitée à une force de ressort hélicoïdal et le concepteur de compresseurs à volutes aura une meilleure maîtrise de cette force de contact.
On pourra mieux comprendre ces caractéristiques et d'autres caractéristiques de l'invention à la lecture de la spécification et des
<Desc/Clms Page number 6>
dessins suivants, dont ce qui suit est une brève description.
Brève description des dessins.
La Fig. 1 représente un compresseur à volutes de la technique antérieure, la Fig. 2A représente les joints d'étanchéité associés au compresseur à volutes de la technique antérieure, la Fig. 2B représente un diagramme de force des joints d'étanchéité de la technique antérieure, la Fig. 2C représente un diagramme de force de contact avec les joints d'étanchéité de la technique antérieure, la Fig. 3A représente une première forme de réalisation de joint d'étanchéité selon l'invention, la Fig. 3B représente le diagramme de force tel qu'il est montré à la Fig. 2, mais avec la forme de réalisation de la Fig. 3A, la Fig. 4 représente un joint d'étanchéité d'une seconde forme de réalisation, la Fig. 5 représente un joint d'étanchéité d'une troisième forme de réalisation, la Fig.
6 représente un joint d'étanchéité d'une quatrième forme de réalisation, et la Fig. 7 représente un joint d'étanchéité d'une cinquième forme de réalisation.
Description détaillée d'une forme de réalisation préférée.
La Fig. 3A représente une structure de joint d'étanchéité 50 de l'invention susceptible d'être utilisée dans un compresseur à volutes. Comme illustré, une chemise d'étanchéité 52 est associée à la fois aux joints d'étanchéité interne et externe. Le joint d'étanchéité comprend en outre un ressort hélicoïdal interne 54. On place une feuille 55 entre le joint d'étanchéité 52 et la surface arrière 40 de la volute
<Desc/Clms Page number 7>
orbitale.
Comme mentionné ci-dessus, bien que l'on décrive l'invention spécifiquement comme étant positionnée entre la volute orbitale et le boîtier et qu'on la décrive spécifiquement dans un joint d'étanchéité ayant deux joints d'étanchéité séparés, les avantages de l'invention peuvent s'appliquer à des compresseurs à volutes dans lesquels le joint d'étanchéité est défini derrière la volute non orbitale et à des compresseurs à volutes dans lesquels on utilise un seul joint d'étanchéité.
Une patte 58 s'étend vers le haut depuis une face généralement plane 60 de la feuille 55. La feuille 55 a également une surface 56 qui s'étend vers l'extérieur.
Comme le montre la Fig. 3B, la chemise d'étanchéité 52 a une lèvre supérieure 62, une lèvre inférieure 64 et une paroi arrière 65. La chemise d'étanchéité 52 se présente généralement comme illustré dans la technique antérieure, ci-dessus.
Comme indiqué, la pression entre les lèvres 62 et 64 est la pression P de la chambre de contre- pression. Toutefois, du fait que la patte 58 se trouve sur une surface très limitée, le gradient de pression de la pression P de la chambre de contre-pression à 0 s'étend également sur l'épaisseur très limitée de la patte 58. La pression le long de la lèvre 60, vers la chambre de contre-pression à partir de la patte 58, est encore la pression totale P de la chambre de contre- pression. Cela est vrai du fait qu'il n'y a pas de restriction étroite entre la lèvre 60 et la surface arrière 40. Il y a une surface à l'extérieur de la patte 58 le long d'une surface 56 qui se trouve à une pression que l'on peut supposer être effectivement de 0 à des fins de compréhension de l'invention.
La Fig. 3B représente un des deux joints d'étanchéité illustrés à la Fig. 3A, le joint
<Desc/Clms Page number 8>
d'étanchéité radialement externe. On comprendra que le joint d'étanchéité interne a une structure très similaire. Cependant, la position radiale de la lèvre, de la patte et de la surface 56 est inversée si bien que la lèvre 60 fera face radialement vers l'extérieur.
Si l'on peut définir la structure comme étant "radialement externe" à la patte ou "radialement interne" à la patte, on comprendra que, lorsqu'on l'applique au joint d'étanchéité interne, le sens sera opposé.
Avec l'invention, le déséquilibre de forces dû au gradient de pression est considérablement réduit en comparaison de la technique antérieure. La force de la pression de la chambre de contre-pression sur la longueur de la lèvre 60 supprime la majeure partie de la force dirigée vers l'intérieur de la lèvre 62. La force de contact totale subie entre le joint d'étanchéité et la surface arrière 40 est considérablement réduite en comparaison de la technique antérieure.
La Fig. 4 représente une autre forme de réalisation 70 dans laquelle la feuille 71 a une surface externe 72 éloignée de la chambre de contre- pression à partir de la patte 74. La lèvre 76 s'étend radialement au-delà de l'extrémité la plus interne de la lèvre 62.
La Fig. 5 représente plusieurs dimensions qui sont pertinentes pour la conception du manchon d'étanchéité de l'invention. Comme montré, l'épaisseur de la paroi arrière peut être définie par une dimension h. L'épaisseur de la patte est définie par la dimension t. La distance entre la paroi externe de la patte 58 et l'extrémité de la paroi arrière de la chemise d'étanchéité est définie par la dimension 1. Le concepteur peut tailler ces dimensions sur mesure de manière à obtenir une force de contact particulière
<Desc/Clms Page number 9>
tout en obtenant encore un joint d'étanchéité adéquat.
Le concepteur de compresseurs à volutes peut supposer que la pression sur la lèvre 55 est effectivement égale à la pression entre les lèvres de la chemise d'étanchéité. La pression en travers de la patte sur la dimension t sera également de P/2 en moyenne. Le gradient va de P à 0 effectivement sur l'épaisseur de la patte. La pression sur la surface en épaisseur 1 sera effectivement de 0. Le concepteur de compresseurs à volutes peut ensuite équilibrer divers objets de conception souhaités et obtenir une dimension de feuille d'étanchéité finale souhaitée.
La Fig. 6 représente une autre forme de réalisation 80 dans laquelle la feuille 81 a sa patte 82 adjacente au bord de la feuille. La lèvre 84 s'étend sur le restant de la feuille 81. On choisit l'épaisseur t pour qu'elle soit égale généralement au double de l'épaisseur h. La pression sur la lèvre 84 est égale à la pression vers l'intérieur de la chemise d'étanchéité. La pression sur la patte 82 peut être considérée comme étant approximativement de P/2.
Néanmoins, du fait que ce gradient de pression se produit sur une épaisseur qui est le double de l'épaisseur de la paroi arrière 52, il est annulé par la force totale appliquée vers l'intérieur de la chemise pour la dimension h en avant de la paroi arrière. En tant que telle, la forme de réalisation 80 annule entièrement la force de la chambre de contre- pression qui a tendance à presser le joint d'étanchéité en contact avec la volute orbitale. Le ressort hélicoïdal 54 fournit donc la seule force de contact.
Le concepteur de compresseurs à volutes peut donc tailler la force souhaitée sur mesure et obtenir une force qui est telle que conçue.
La Fig. 7 représente encore une autre forme de réalisation 88, dans laquelle le joint d'étanchéité
<Desc/Clms Page number 10>
interne 90 et le joint d'étanchéité externe 94 sont tous deux pourvus d'une feuille unique 94 ayant une patte interne 96 et une patte externe 98. Une surface 100 s'étend entre les deux pattes 96 et 98.
L'emplacement des pattes peut être adjacent aux bords, comme le montre la Fig. 6 plutôt que comme montré à la Fig. 7. On obtiendra avec cette forme de réalisation les mêmes avantages que ceux précités.
Comme illustré, une feuille 94 repose dans un creux cylindrique 106 ménagé dans la face de la boîte à manivelle. Au moins un orifice d'échappement 108 égalise les pressions appliquées sur les côtés opposés de la feuille 94.
En résumé, on pourrait décrire l'invention de diverses manières différentes. D'une part, l'invention réduit la surface de contact entre le joint d'étanchéité et l'élément à volute de telle sorte que la surfac-e de contact soit inférieure à la surface de contact entre le joint d'étanchéité et la surface de boîtier opposée. Autrement dit, les joints d'étanchéité sont pourvus d'une structure permettant au gaz de la chambre de contre-pression de se déplacer entre le joint d'étanchéité et la surface arrière de la volute sur la majeure partie de l'épaisseur radiale du joint d'étanchéité. De cette manière, toute la force de contre-pression est appliquée sur la surface externe du joint d'étanchéité sur la majeure partie de sa surface.
Enfin, en d'autres termes, les joints d'étanchéité ont une surface d'étanchéité interne et une surface d'étanchéité externe qui fait face au premier élément à volute. On peut définir la surface d'étanchéité externe comme ayant une épaisseur radiale. Une patte est formée sur la surface d'étanchéité externe pour une partie de l'épaisseur radiale. La patte s'écarte d'une surface de lèvre de la surface d'étanchéité externe vers l'élément à volute, de sorte que seule la patte est en contact
<Desc/Clms Page number 11>
avec la surface arrière de l'élément à volute. La pression dans la chambre de contre-pression est donc transférée à la partie de lèvre jusqu'à l'endroit où commence la partie de patte. De cette manière, à nouveau, la force de contact globale est réduite.
L'invention décrit donc des améliorations apportées à des joints d'étanchéité de la chambre de contre-pression d'un compresseur à volutes. Les joints d'étanchéité de l'invention réduisent la force de contact et améliorent la durée de vie du joint d'étanchéité.
On a décrit plusieurs formes de réalisation préférées de l'invention. Cependant, les experts en la technique reconnaîtront que diverses variantes entreront dans le cadre de l'invention. Il convient donc d'étudier les revendications suivantes pour déterminer la portée et le contenu réels de l'invention.