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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION
EMI1.1
la Société dite: FRANKFURTER MASCHINENBAUA.KTIEP1GESELLSÇHA.FT VOMIÏPOKORNY:& WITTEKIND. pour:Dispositif refroidisseur pour chambres de compression de compres- seurs d'air et de gaz. Demande de brevet allemand en sa faveur du 4 Août 1943.
La présente invention a pour objet un dispositif refroidisseur pour les chambres de compression des compresseurs d'air et de gaz dont les soupapes d'aspiration et de refoulement sont disposées dans la culasse à la manière des soupapes étagées connues, comportant des entrées, respectivement des sorties, superposées pour le fluide à comprimer, respectivement comprimé.
Dans les compresseurs de ce genre on a réalisé une réfrigération efficace du fluide - dans le but d'abaisser la température finale de la compression - en refroidissant l'espace libre à l'intérieur des soupapes,traversé par le fluide, au moyen de pièces d'insertion s'étendant dans cet espace et renfermant un liquide réfrigérant.
Dans ce dispositif refroidisseur connu l'agent réfrigérant est constitué par un liquide réfrigérant que l'on fait passer par les pièces d'insertion. Dans maints domaines d'application du compresseur, par exemple dans l'armée, on ne dispose pas d'un liquide réfrigérant, de sorte qu'il faut recourir à la réfrigération à l'air. Pour ne pas arriver à des températures excessivement élevées on a soumis l'air dans les compresseurs refroidis à l'air,connus jusqu'à présent, à une compression par étages tout en appliquant une réfrigération intermédiaire. Malgré cela il fallait souvent remplacer les soupapes, parce qu'elles gauchissaient à cause des températures tout de même élevées. En outre, les compresseurs de ce genre étaiènt fort encombrants et les ventilateurs fournissant l'air réfrigérant absorbent beaucoup d'énergie.
Si, dans le dispositif refroidisseur connu, on voulait faire passer par les pièces d'insertion, s'étendant dans les soupapes étagées, de l'air réfrigérant au lieu d'un liquide réfrigérant,cela demanderait une très grande quantitéd'air, parce que la capacité d'absorption de chaleur de l'air atmosphérique, comparativement à celle d'un liquide réfrigérant, est très faible.
Pour chasser cette grande quantité d'air à travers les sections transversales disponibles dans la pièce d'insertion, l'air devrait avoir une vitesse très élevée, ce qui demanderait un ventilateur de grande puissance. La puissance du ventilateur serait même plus élevée que celle du compresseur lui-même.
Ces défauts sont supprimés suivant la présente invention par le fait que les pièces d'insertion, qui s'étendent dans l'espace libre à l'intérieur des soupapes étagées, sont constituées
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par des corps creux fermés, remplis partiellement d'une substan- ce réfrigérante d'un bas point d'ébullition, respectivement de fusion, et munis en dehors de l'espace à l'intérieur des soupa- pes, d'ailettes de refroidissement ou de radiation situées dans des canaux traversés par l'air réfrigérant. La chaleur cédée par le fluide comprimé dans l'espace compris entre les soupapes étagées et l'extrémité de fond tournée vers la chambre de compres- sion et appartenant à la pièce d'insertion, chauffe cette extré- mité, ce qui a pour effet que la substance réfrigérante dans la pièce d'insertion commence à bouillir.
Le liquide bouillant monte dans la tête de la pièce d'insertion, - tête qui est située en dehors des soupapes étagées et qui est munie d'ailettes de refroi- dissertent ou de radiation, - et cède sa chaleur à ces ailettes de refroidissement. Ces dernières étant baignées par l'air réfrigé- rant sur de grandes surfaces, l'air réfrigérant absorbe la chaleur d'une manière très efficace. Il se produit par conséquent un trans- port continuel de chaleur de l'extrémité de fond de la pièce d'in- sertion, extrémité de fond tournée du côté de la chambre de com- pression du cylindre, vers la tête de la pièce d'insertion oui transmet la chaleur a l'air réfrigérant.
Les ailettes de refroi- disse@ent de la tête de la pièce d'insertion peuvent être très longues, parce que, par suite de la transmission de chaleur assurée par la substance réfrigérante, elles reçoivent une grande quantité de chaleur. De ce fait l'air réfrigérant trouve une très grande surface dont il peut absorber la chaleur et le canal dans lequel ces ailettes de refroidissement sont logées peut recevoir une section de passage libre tellement grande rue l'air de refroidissement ne rencontre ou'un minimum de résistance.
Ceci conduit à une fible consommation de force par le ventilateur.
Dans le domaine des moteurs à combustion interne on a déjà proposé de retirer la chaleur d'une soupape en remplissant la tige creuse de la soupape partiellement de mercure, qui subit alternativement une vaporisation sous l'effet de la chaleur des gaz d'échappement et une condensation sous l'effet des ailettes ou nervures de refroidissement. Ceci a uniquement pour but de maintenir la soupape en bon état de travail, tandis que dans le cas d'un compresseur la réfrigération a pour but d'abaisser la température de compression.
Les pièces d'insertion sont utilement munies intérieure- ment de nervures ou d'ailettes radiales, afin de favoriser l'é- coulement de la substance réfrigérante vers la tête de la pièce d'insertion.
Il est, d'une part, nécessaire que les canaux d'aspira- tion et de refoulement du compresseur, dans lesouels sont logées les soupapes étagées, soient bien étanches par rapport aux canaux traversés par l'air réfrigérsnt et dans lesquels se trouvent les têtes, garnies d'ailettes, des pièces d'insertion, tandis que, d'autre part, il est nécessaire, pour éviter un gauchissement des soupapes étagées, par suite des tensions thermiques qui se pro- duisent, pendant le travail, entre les soupapes et la culasse, qu'il puisse se produire une compensation de ces tensions.
Ces deux conditions nécessaires sont remplies suivant la présente invention, tout en assurant l'évacuation de la chaleur des sou- papes étagées, en disposant la surface annulaire extérieure des soupapes étagées à fleur d'une surface extérieure de la. culasse et en interposant entre ces surfaces et une bride de le tête des pièces d'insertion un joint mou entouré par une bande métallioue, cette dernière s'étendant sur les faces extérieures disposées à' fleur '-'une de l'autre des soupapes étagées et de la culasse.
On établit ainsi une bonne étanchéité entre les soupapes étagées, la culasse et les pièces d'insertion, tandis que l'élasticité du joint mou compense les tensions thermiques et que le revêtement métallique du joint transmet la chaleur qu'il absorbe des soupa- pes étagées à la tête des pièces d'insertion et partant à l'air réfrigérant.
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La fixation des pièces d'insertion dans la culasse est réalisée au moyen de boulons qu'il faut serrer très fort, de sorte que l'élasticité du joint mou est diminuée. C'est pourquoi on dispose avantageusement, dans le but d'assurer la compensation des tensions thermiques, entre les soupapes étagées et le joint à revêtement métallique, un anneau métallique élastique présentant une section transversale en forme d'U.
Le dessin annexé représente une forme d'exécution du dispositif refroidisseur suivant la présente invention.
La figure 1 est une coupe transversale du dispositif refroidisseur.
La figure 2 est une vue en plan du dispositif suivant la figure 1, avec coupe horizontale suivant la ligne A-B, le capot étant enlevé.
La figure 3 est une vue de côté partielle du dispositif suivant la figure'1.
La figure 4 représente en coupe une partie du dispositif suivant la figure 1, à une échelle agrandie.
Sur le cylindre 1 du compresseur d'air est montée la culasse 2 comprenant le cana?. d'aspiration 3 et le canal de refoulement 4. Dans ces canaux sont logées la soupape d'aspiration 5 et la soupape de refoulement 6, exécutées toutes deux sous forme de soupapes étagées, à entrées d'air, respectivement à sorties d'air, superposées. Dans l'espace libre à l'intérieur des soupapes s'étendent des pièces d'insertion dont la partie de fond 7 se rétrécit vers le bas, tandis que les têtes 8 de ces pièces d'insertion, têtes disposées en dehors des canaux 3, 4, sont munies d'ailettes de refroidissement 9. Les pièces d'insertion 7, 8 sont fermées, à l'exception d'un orifice de remplissage obturable par un bouchon 10. La partie de fond 7 est munie extérieurement d'ailettes 'ou de nervures radiales 11 et intérieurement d'ailettes ou de nervures radiales 12.
La fixation des soupapes étagées 5, 6 et des pièces d'insertion 7, 8 à la culasse 2 est assurée par des boulons 13. Les pièces d'insertion sont munies, entre les ailettes de refroidissement et la culasse, de brides annulaires 14 s'étendant au-dessus de faces annulaires 15 de la culasse qui entourent les soupapes étagées. Sur l'anneau extérieur de chaque soupape étagée est placé un anneau métallique 16, par exemple en acier, de section transversale en forme d'U, dont les ailes peuvent fléchir élastiquement, par exemple d'environ 1/10 de mm. La face terminale extérieure 17 de l'anneau 16 est disposée à fleur de la face annulaire 15 de la culasse 2.
Entre ces faces et la bride annulaire 14 des pièces d'insertion 7, 8 est interposé un joint mou 18, par exemple en amiante, en klingerite, en carton mou, etc., revêtu d'une bande métallique 19 bonne conductrice de chaleur, par exemple en cuivre, en aluminium ou en fer doux. Le joint 18,19 s'étend sur les deux faces annulaires 15 et 17.
La culasse 2 est recouverte par un capot en tôle 20 qui s'étend au-dessus des deux pièces d'insertion 6, 7 et dont l'intérieur 21 forme les canaux par lesquels passe l'air réfrigérant.
L'air réfrigérant est refoulé à travers le capot 20 par un ventilateur 22 (figure 3).
Les pièces d'insertion 7, 8 sont remplies ou chargées d'une substance réfrigérante convenable quelconque 23, par exemple de sodium métallique, d'huile,de glysantine, etc. et ceci à un point tel qu'il reste encore suffisamment de place libre pour la dilatation thermique. Après le'remplissage la chambre à l'intérieur des pièces d'insertion 7, 8 est solidement fermée une fois pour toutes par un bouchon de manière que l'homme de.service ne puisse jamais influencer ce moyen réfrigérant.
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La chaleur de compression de l'air comprimé entraine pendant le travail une telle élévation de température que la substance réfrigérante 23 enfermée dans les pièces d'insertion 7, 8 commence à bouillir dans la partie du fond et monte, tout en étant conduite par les ailettes ou nervures intérieures 12, dans la tête 8 des dites pièces d'insertion, d'où la chaleur est trans- mise par les ailettes ou nervures de refroidissement 9 à l'air ré- frigérant passant par le capot 20. Il se produit ainsi un échange thermique très considérable, car, d'une part, le coefficient de conductibilité thermique de l'air, du côté de la chambre de com- pression, est relativement petit, tandis qu'il est relativement très grand pour la charge réfrigérante 23.
Il faut y ajouter en- core l'effet de thermosiphon ainsi que la cioison ou paroi sépara- trice relativement mince entre l'air réfrigérant et la chambre renfermant la substance réfrigérante. Par suite des conditions avantageuses au point de vue de la conductibilité thermique on peut prévoir, du côté de l'air réfrigérant, un système d'ailettes 9 de grandeur voulue, de sorte au'on dispose d'une très grande surface d'échange thermique. De plus, la section transversale du canal à air réfrigérant 21 peut recevoir une grandeur telle qu'il suffit d'avoir une pression de 10 à 20 mm de colonne d'eau au lieu d'une pression de 8700 mm de colonne d'eau nécessaire dans le cas d'une réfrigération des pièces d'insertion 7, 8 au moyen d'un liquide réfrigérant.
La consommation d'énergie par le ventilateur 22 est réduite en conséquence, elle est de seulement environ 4,2% de la puissance du compresseur même.
Comme le corps des pièces d'insertion 7,8 est relative- ment résistant à la pression, il est possible d'employer aussi un liquide bouillant au-dessous de 100 C, ce qui influence avan- tageusement l'échange thermique par suite de l'effet de condensa- tion du côté de l'nir réfrigérant.
Le joint 18,19 garantit une bonne étanchéité entre les soupapes étagées 5,6, la culasse 2 et le canal d'air réfrigérant 21. Les dilatations thermioues sont compensées par l'élasticité de l'annepu' en amiante 18, secondée par le fléchissement élasticue de l'anneau 16 à section en U. Le revêtement en cuivre 19 de l'anneau en amiante établit simultanément une liaison bonne con- ductrice de la chaleur entre les soupapes étagées 5, 6 et les pièces d'insertion correspondantes 7,8, de sorte Que les soupapes sont soumises à une évacuation de chaleur par conduction thermique.
R E V E N D I C A T 1 0 N S
1 dispositif refroidisseur pour chambres de compression de compresseurs d'air et de gaz dont les soupapes d'aspiration et de refoulement sont disposées dans la culasse a la manière des soupapes étagées connues, pourvues d'entrées, respectivement de sorties, superposées pour le fluide à comprimer, respectivement comprimé, dispositif comprenant des pièces d'insertion réfrigérées s'étendnt dans l'espace libre a l'intérieur des soupapes, caractérisé en ce que les pièces d'insertion qui s'4tendent dans l'espace libre à l'intérieur des soupapes étagées sont constituées par des corps creux fermés, remplis partiellement d'une substance réfrigérante et munis, en dehors de l'espace libre à l'intérieur des soupapes,
d'ailettes de refroidissement logées dans des ca- naux traversas par de l'air réfrigérant.