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Perfectionnements aux compresseurs, moteurs et appareils dans lesquels a lieu une compression, une détente ou un écoulement de fluide.
La présente invention, due à M. AUDEMAR, est relati- ve aux compresseurs, pompes, moteurs à fluide compressible ou incompressible, détendeurs,et, d'une manière générale, tous ap- pareils dans lesquels doit s'effectuer une compression, une dé- tente, ou un écoulement de fluide.
L'invention a pour objet l'établissement d'un appa- reil de ce genre qui réponde bien aux desiderata de la pratique et, en particulier, qui soit compact, bien équilibré, peu encom- brant et d'une construction simple.
A cet effet, suivant une caractéristique essentielle de l'invention, l'appareil comprend deux joues ou plateaux pa- rallèles entre lesquelles sont entraînés à la même vitesse an- gulaire autour de deux axes parallèles (ce mouvement étant abso- lu ou relatif) deux cloisons en spirale ou deux groupes de cloi- sons venant porter, d'une manière étanche, contre les faces en regard des deux joues, les spirales étant telles qu'au cours de la rotation, chacune d'elles reste constamment tangente, en deux points de chacune de ses spires, soit aux deux spirales entre lesquelles elle se place, soit à l'autre spirale lorsqu'il n'y @
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a que deux cloisons en spirale.
Ces cloisons partagent ainsi l'espace entre les deux joues en chambres dont chacune chemine, en se déformant constamment, entre la partie centrale dudit espace et la périphérie ou vice-versa, suivant le sens de rotation des deux systèmes de spirale. On comprend qu'un tel appareil assure le transfert d'un fluide de la partie centrale à la zone périphérique ou inversement.
Lorsque les spirales comportent plus d'une spire, chaque compartiment se trouve, au cours de son évolution, fermé aux deux extrémités pendant une partie du cheminement et son volume subit une variation continue. L'appareil ne peut, dans ce cas, fonctionner qu'avec un fluide compressible . Il constitue alors, soit un compresseur, soit un moteur à fluide comprimé actionne par la détente de ce fluide, soit un détendeur.
Lorsqu'au contraire, chaque spirale ne comporte nu'une spire, chacun des compartiments ci-dessus mentionnés s'ouvre à une extrémité lorsque l'autre se ferme, de sorte qu'il n'y a jamais de variation de volume d'un espace fermé.
On peut alors appliquer l'appareil au cas d'un fluide incompressible. On obtient ainsi une pompe ou un moteur hydraulique, suivant le sens de rotation.
Suivant une réalisation de l'invention relative à la construction des moteurs, et plus particulièrement des moteurs à combustion interne, on associe deux structures telles que celles qui viennent d'être définies. La première de ces structures constitue un compresseur pour l'air comburant, auquel on incorpore le combustible, soit avant, soit après la compression. L'autre structure constitue l'élément moteur proprement dit, où se produit la détente du mélange, après allumage de celui-ci, et c'est cet élément qui entraîne l'ensemble ;le l'appareil et fournit la force motrice recueillie sur l'arbre.
La description qui va suivre, en regard des dessins
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annexés donnés à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.
La Fig. 1 est une coupe, suivant la ligne 1-1 de la Fig. 2,'d'un compresseur, moteur ou détendeur établi conformément à l'invention.
La Fig. 2 est une vue en coupe axiale suivant la ligne 2-2 de la Fig. 1.
Les Figs. 3 et 4 sont des vues analogues aux Figs.
1 et 2 respectivement et relatives à un autre mode de réalisation.
La Fig. 5 est une vue en coupe axiale d'un moteur à combustion interne conforme à l'invention.
La Fig. 6 est un diagramme indiquant la construction de deux groupes de spirales répondant aux conditions posées par la présente invention.
La Fig. 7 est une vue schématique indiquant comment peut se faire l'usinage d'une spirale suivant l'invention.
Comme on l'a dit précédemment, la caractéristique essentielle de l'invention réside dans l'utilisation de deux systèmes comprenant chacun une ou plusieurs spirales et tournant d'une manière homo-cinétique respectivement autour de deux axes distincts parallèles, ces spirales étant telles qu'au cours de leur rotation, chacune reste constamment tangente, en deux points de chacune de ses spires, soit à l'autre spirale (s'il n'y a qu'une spirale dans chaque système), soit aux deux spirales de l'autre système entre lesquelles se loge celle considérée (s'il y a plusieurs spirales dans chaque système).
C'est en se plaçant dans ce deuxième cas, qui est le plus général, que l'on va indiquer, en se référant à la Fig. 6, comment de tels systèmes de spirales peuvent être obtenus.
On part d'une figure géométrique fermée, constituée par un triangle ABC dans l'exemple choisi. On divise le périmètre de cette figure en autant de parties égales que l'on désire avoir de spirales dans chaque groupe, ce nombre n ayant été
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choisi égal à trois dans l'exemple représenté. Etant donné que, dans cet exemple, le triangle ABC est un triangle équilatéral, on a pris les sommets ABC de celui-ci comme points de partage du périmètre en trois parties égales. On trace trois dêvelop- pantes du triangle ABC (spirales à trois centres) en partant respectivement de ces trois sommets ABC.
On obtient ainsi des spirales S1, S2, S3.On trace alors un deuxième triangle a b c déduit du premier par translation, le vecteur représentant cette translation ayant une longueur égale au sixième du périmétre du triangle ABC. Si donc la translation se fait dans la direction de la base BC, le sommet b du second triangle coïncide avec le milieu de la base BC. On trace alors trois développantes du deuxième triangle a b c en partant des points d e f qui sont respectivement les milieux des côtés a-b, b-c et c-a.
On obtient ainsi trois spirales s1,s2 et s3, dont chacune est tangente en deux points de chacune de ses spires, aux deux spi- rôles du premier groupe entre lesquelles elle passe ; exem- ple, la spirale s1 est tangente, en deux points de chacune de ses spires, à la spirale S2, sur le côté intérieur de celle-ci, et à la spirale S3 sur le côté extérieur de celle-ci.
Les spirales S , S2 et S d'une part, et s1, s2 et s3 d'autre part, restent tangentes les unes aux autres dans ces conditions, lorsqu'on fait tourner ces deux systèmes d'une manière homo-cinétique, c'est-à-dire à la même vitesse à chaque instant, autour de deux centres situés sur une droite pa- rallèle aux vecteurs A-a, B-b et C-cet à une distance l'un de l'autre égale à la longueur de ces vecteurs. On peut, par exemple, .faire tourner les deux systèmes autour des centres respectifs des triangles ABC et a b c, ou bien autour de leurs sommets A,a ou B, b ou C,c, etc...
Il importe d'ailleurs de remarquer que la rotation homo-cinétique autour de ces deux centres est une rotation relative et que le même résultat est obtenu si, par exemple, en
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changeant les axes de référence, on maintient le groupe de spirales S1,S2,S3 fixes, et fait subir au groupe s1, s2, s un mouvement de translation au cours duquel chacun de ses points décrit un cercle de rayon égal à la distance entre les centres, c'est-à-dire à la longueur A,a par exemple.
Il doit être bien entendu que si, dans l'exemple décrit, on est parti d'une figure géométrique constituée par un triangle, le mode de construction des spirales qui vient d'être exposé s'applique à n'importe quelle figure géométrique fermée convexe. Le cas le plus intéressant semble d'ailleurs être celui où la figure dont on part est un cercle et où les diverses spirales sont donc des développantes de cercle. On divise alors la circonférence d'un cercle en n parties égales, n étant un nombre entier, et il suffit de déduire le deuxième cercle du premier par une translation représentée par un vecteur d'une longueur égale à la moitié de la n-ième partie de cette circonférence.
Les développantes tracées à partir de ce second cercle devront partir de points situés à mi-distance entre les points de celui-ci qui correspondent par translation aux points de partage de la circonférence du premier cercle en n parties égales.
Si chaque système ne doit comporter qu'une seule spirale, la translation par laquelle on obtient la deuxième figure à partir de la première correspond à un vecteur d'une longueur égale à la moitié du périmètre de cette figure et le point de départ de la seconde développante est situé, sur la figure obtenue par translation, à une distance du point de celle-ci correspondant, par translation, au point de départ de la première développante, égale à la moitié du périmètre, cette distance étant, bien entendu, comptée le long du périmètre.
Dans ce cas, chacune des spirales est tangente, en deux points de chacune de ses spires, à l'autre spirale. C'est ce cas qui est représenté sur les figs. 1 et 3.
Dans les modes de réalisation qui vont être décrits
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à titre d'exemple, les deux systèmes de spirales sont portés respectivement par deux disques 1 et 2 (voir par exemple les Figs. 1 et 2) dont les axes respectifs de rotation (absolue ou relative) X-X et Y-Y sont parallèles et décalés l'un par rapport à l'autre, comme il a été dit ci-dessus au sujet des centres de rotation des deux systèmes de spirales. On conçoit donc que les spirales divisent alors l'espace compris entre ces disques 1 et 2 en un certain nombre de chambres dont chacune chemine, en se déformant constamment, entre la partie centrale dudit espace et la zone entourant la périphérie des disques, ou vice-versa, suivant le sens de rotation des disques.
Si on se réfère au mode de réalisation de la Fig. 1 et si on suppose que les disques tournent dans le sens de la flèche f, on constate que chacune des chambres en question, après avoir été en communication avec l'espace périphérique autour des deux disques, espace qui reçoit du fluide par une arrivée 5, est ensuite fermée par l'arrivée de chacune des spirales S et s en contact tangentiel avec l'autre. Le fluide se trouve alors enfermé dans une chambre entièrement fermée qui chemine en se déformant par suite de la rotation des deux spi- rales. On a représenté en hachures pointillées une position intermédiaire d'une des chambres ainsi formées.
On constate qu'au fur et à mesure de la rotation des spirales, le volume de cette chambre va en diminuant, assurant ainsi la compression du fluide qu'elle contient, et que, finalement, la chambre en question vient déboucher dans l'espace central entre les deux disnues, espace qui communique avec une conduite 6 (Fig. 2 pour la sortie du fluide comprimé.
Ce fonctionnement en compresseur résulte du fait que chacune des spirales S et s comporte plusieurs spires. Si l'on se réfère maintenant au schéma de la Fig. 6, où chaque spirale ne comporte qu'une seule spire, on voit que les chambres formées entre/ces spirales sont toujours ouvertes à une extrémité
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ou à l'autre, c'est-à-dire qu'elles communiquent soit avec l'arrivée du fluide, soit avec la décharge, le contact tangentiel des deux spirales entre ces deux extrémités assurant l'écoulement du fluide dans un sens ou dans l'autre.
Comme aucune chambre ne reste fermée à ses deux extrémités pendant un certain temps, il n'y a pas de compression à l'intérieur de ces chambres, et l'appareil peut donc être utilisé avec un fluide incompressible en constituant alors, soit une pompe, soit un moteur hydraulique.
Les spirales qui viennent d'être décrites constituent les courbes théoriques correspondant au fonctionnement de l'appareil. Mais il faut tenir compte du fait que des jeux doivent être prévus entre les différents éléments et que, par suite des tolérances admises, les spirales peuvent s'écarter très légèrement du tracé théorique qui vient d'être décrit. En particulier, les spirales d'Archimède ne diffèrent, dans leurs spires éloignées du centre, que très peu de développantes de cercle de même pas. Il doit donc être bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux courbes théoriques qui viennent d'être décrites, mais également à toutes les réalisations qui satisfont pratiquement aux conditions de fonctionnement, qui ont été exposées ci-dessus.
D'ailleurs, même lorsque les courbes sont les développantes théoriques, il faut tenir compte, dans leur tracé, de l'épaisseur des cloisons..
Ceci posé, on va maintenant décrire quelques modes de construction d'appareils conformes à l'invention.
L'appareil des Figs. 1 et 2 peut constituer, soit un compresseur (lorsque les disques 1 et 2 tournent dans le sens de la flèche f), soit un moteur à fluide comprimé ou un détendeur (lorsque les disques tournent en sens inverse de la flèche f): Pour faciliter les explications, on supposera que cet appareil est utilisé comme compresseur. Les disques 1 et 2 qui portent respectivement les spirales s et S sont portés par
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des arbres 3 et 4 dont les axes X-X et Y-Y sont parallèles et de cales l'un par rapport à l'autre, d'une valeur e choisie comme il a été dit ci-dessus.
Ces arbres sont montés, par l'intermédiaire de roulements à billes 7 et 8 d'une part, 9 et 10 d'autre part, dans des paliers 11 et 12 constituant, par exemple, des prolongements latéraux des deux flasques 13 et 14 d'un carter qui entoure les deux disques 1 et 2. Ce carter porte l'arrivée 5 du fluide à comprimer. L'arbre 4 est creux de manière à constituer un conduit 6 pour la sortie du fluide comprimé .
Sur les arbres 3 et 4 sont calés des engrenages 15 et 16 en prise avec des roues dentées 17 et 18 calées sur un arbre de renvoi 19.
Le fonctionnement de ce compresseur résulte suffi- samment de ce qui précède pour qu'il soit inutile d'entrer dans des explications supplémentaires. On remarquera,toutefois, que les diverses chambres formées entre les spirales S et s débouchent deux par deux simultanément dans l'espace central communiquant avec la sortie. On a donc un débit relativement sacca- dé. Afin de régulariser ce débit, on pourra, au lieu d'utiliser deux systèmes comportant chacun une seule spirale, prendre des systèmes à spirales multiples, du type représenté schématiquement par la Fig. 6 (mais, bien entendu, avec un nombre de spires supérieur à un). Dans ce cas, les échappements des chambres se produisent, non plus simultanément, mais successivement et en se chevauchant, de manière à régulariser le débit.
L'appareil des Figs. 3 et 4 peut également être un compresseur, un moteur ou un détendeur comme celui des Figs. 1 et 2 dont il ne diffère que par le mode d'entraînement des divers éléments.
Dans cette construction, le disque 1 porte deux spi rales sa et sb respectivement sur ses deux faces opposées. Le disque 2 est remplacé par deux disques 2a et 2b solidaires l'un
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de l'autre et portant respectivement des spirales Sa et Sb qui coopèrent respectivement avec les spirales sa et sb. Ces disques 2a et 2b portent des prolongements cylindriques 22a et 22b tournant, par l'intermédiaire de roulements à billes 9b et 10b, dans des paliers 11 et 12 constitués par des prolongements cylindriques des flasques 13 et 14 du carter extérieur.
Ces prolongements 11 et 12 ont un axe Y-Y. Le disque 1 est fixé sur l'arbre 3, par exemple au moyen d'écrous 20 et 21 se vissant sur cet arbre. La distance e entre l'axe X-X de l'arbre 3 et l'axe Y-Y des portées 11 et 12 est égale à la distance entre les centres de rotation des spirales Sa et sa, Sb et sb, comme défini ci-dessus.
Afin d'assurer le mouvement relatif correct des disques 1 d'une part, et 2a et 2b d'autre part, on interpose, entre les disques 2a et 2b, des doigts 23 portant des galets 24 roulant dans des trous circulaires 25 prévus dans le disque 1.
La distance entre l'axe de chaque galet 24 et l'axe du trou correspondant 25 est égale à l'excentricité e entre les axes X-X et Y-Y. Bien entendu, l'espace entre les disques 2a et 2b doit communiquer librement avec l'intérieur du carter formé par les flasques 13 et 14, par exemple en prévoyant des trous tels que 26 dans la partie périphérique de ces disques.
On conçoit qu'avec cette disposition, lorsque l'arbre 3 est entraîné, il transmet aux disques 2a et 2b un mouvement de rotation homo-cinétique autour d'un axe Y-Y. Le fonctionnement est alors semblable à celui qui a été décrit en regard des Figs. 1 et 2, le fluide arrivant par exemple par le conduit 5 et sortant par les conduits 6 s'étendant à l'intérieur des prolongements 22a et 22b.
L'avantage de ce mode de réalisation, c'est que le disque 1 est soumis, sur ses deux faces, à des pressions égales et opposées, de sorte qu'il ne subit aucune poussée axiale et n'a donc pas besoin d'être monté sur des roulements formant butée. Il en est de même pour l'ensemble des disques 2a et 2b.
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La Fig. 5 représente l'application de l'invention à un moteur à combustion interne.
Ce moteur comprend essentiellement deux structures d'un type analogue à celui des Figs. 1 et 2 et dont l'une, désignée dans son ensemble par le chiffre de référence P, constitue un compresseur d'air, tandis que l'autre, désignée par M, constitue un moteur à fluide sous pression. Comme on vient de le dire, chacune des structures en question est d'un type analogue à celui qui a été décrit précédemment, mais en vue d'assurer l'entraînement homo-cinétique des deux disques de chaque système, on les réunit au moyen de biellettes 30 articulées sur des doigts 31 et 32 portés par les deux disques, la longueur de ces biellettes étant égale à l'excentricité des axes de rotation des disques qui portent les spirales.
Le plateau de gauche de l'élément compresseur P est rigidementaccouplé au plateau de droite de l'élément moteur M par un manchon 33, de telle sorte que l'élément compresseur soit entraîné par l'élément moteur. L'air est admis par une conduite 5 dans le compresseur et comprimé dans la partie centrale de celui-ci et on y injecte le carburant fourni par une pompe R, amené par l'arbre creux 34 et enflammé par un brûleur 35. Les gaz de combustion ainsi obtenus passent à travers le manchon creux 33 dans la partie centrale de l'élément moteur M et se détendent à l'intérieur de celui-ci en le faisant tourner, pour sortir finalement par l'échappement 36.
On remarquera que les dimensions de l'élément compresseur sont nettement plus petites que celles de l'élément moteur puisqu'il s'agit simplement de comprimer de l'air, tandis que ce sont des gaz de combustion qui se détendent dans le moteur M.
Il est bien évident que le moteur représenté sur la Fig. 5 n'est donné que pour fixer les idées et qu'il pourrait être réalisé différemment. On pourrait, par exemple, comprimer, au moyen de l'élément P, un mélange carburé d'air et de combustible et prévoir une bougie d'allumage entre ce compres-
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seur et l'élément M dans lequel les gaz se détendent.
D'une manière générale, les réalisations décrites ci-dessus ne doivent être considérées que comme des exemples servant à illustrer l'invention, celles-ci pouvant admettre un grand nombre d'autres modes de construction. En particulier, il importe de remarquer que les deux disques qui portent les groupes de spirales peuvent tourner autour de n'importe quels axes perpendiculaires à eux pourvu que la position relative de ces axes satisfasse aux conditions qui ont été spécifiées cidessus. De ce fait, l'invention permet de monter sur un disque, non seulement une spirale ou un groupe de spirales paral- lèles les unes aux autres, mais également plusieurs spirales ou plusieurs groupes de spirales qui peuvent être différents les uns des autres pourvu qu'elles soient dans des positions relatives correspondant à des excentricités égales.
La Fig. 7 représente s.hématiquement un procédé qui semble particulièrement avantageux pour la taille de la surface d'une spirale destinée à être utilisée conformément à l'invention. Suivant ce procédé, la pièce à usiner est portée par le plateau 40 d'un tour, tandis que l'outil 42 est porté par un chariot 41 coulissant transversalement, de telle manière que la pointe de cet outil avance suivant une droite tangente à un cercle 43 à une vitesse telle que pour chaque tour du plateau 40, l'avance de l'outil soit égale à la circonférence du cercle 43..