Domaine technique de l'invention

Cette invention se rapporte à une machine volumétrique de type « à vis » améliorée. Plus particulièrement, cette invention se rapporte à une machine volumétrique comprenant un boîtier avec un premier rotor et un deuxième rotor qui sont montés tournants dans le boîtier et qui sont entraînés dans des sens qui sont opposés l'un par rapport à l'autre.

Etat de la technique

Dans le domaine de la technologie du vide (ou la technologie du va- cuum), on utilise depuis de nombreuses années les machines rotatives volumé- triques qui sont utilisées comme machine de pompage des gaz compressibles. Parmi ces machines, les pompes dites « à vis » sont particulièrement utilisées. Elles comprennent typiquement un boîtier et deux rotors jumelés, montés tournants dans ce boîtier et entraînés dans des sens qui sont opposés l'un par rapport à l'autre. Les rotors de ce type de pompes sont constitués par des pièces en forme de vis, c'est-à-dire des pièces comportant un noyau qui porte un ou plusieurs filets dont le pas peut être constant ou variable au long de la dimension longitudinale du rotor.

La structure et le fonctionnement de ce type de pompes sont bien connus par les hommes du métier dans le domaine technique du vide ainsi qu'une description détaillée de ces pompes ne sera pas donnée à cet endroit.

Les rotors dans une pompe à vis classique sont normalement entraînés par un moteur électrique asynchrone. Un moteur asynchrone se compose typiquement de deux pièces principales, à savoir d'un stator en un matériau ferromagnétique qui sert de support et qui inclut un bobinage relié au réseau ou à un variateur de vitesse et d'un rotor en forme de cylindre, également en un matériau ferromagnétique, qui est fixé au stator par des paliers. Le rotor comporte un enroulement constitué de conducteurs en court-circuit. Les con- ducteurs du rotor sont parcourus par des courants induits par le champ magnétique qui est créé par les courants statoriques.

De même que pour une pompe à vis, la structure et le fonctionnement des moteurs asynchrones sont bien connus par les hommes du métier dans le domaine technique du vide. Une description plus détaillée de ces moteurs sera donc omise.

Classiquement, l'une des deux vis de la pompe est directement reliée au rotor du moteur asynchrone de façon qu'elle soit automatiquement entraînée par le moteur. Bien entendu, il est également possible de rajouter une pièce de liaison entre le rotor du moteur et l'axe du rotor, mais il est important de noter que la rotation du rotor du moteur est transmise de manière directe à l'un des rotors de la pompe. Grâce à un engrenage qui relie les deux vis de la pompe, la rotation de la première vis qui est directement entraînée par le moteur est transmise directement à l'autre vis.

Les avantages de cette structure classique résident particulièrement dans le fait que les deux vis de la pompe peuvent être entraînées avec un seul moteur. En outre, la synchronisation des mouvements des deux rotors dans la pompe est automatiquement garantie par le fait que c'est la rotation de la première vis qui est transmise à l'autre vis par l'engrenage reliant les deux vis.

Cependant, cette structure classique possède également des désavantages importants, particulièrement causés par le besoin de lubrification de l'engrenage. En effet, s'agissant d'un engrenage qui transmet des couples importants, on sait que les roues dans l'engrenage subissent des couples d'ordre de plusieurs kNm, ce qui rend une bonne lubrification par des huiles minérales ou graisses absolument nécessaire. Or, des engrenages lubrifiés signifient un maintien plus compliqué. D'un autre côté, la présence des huiles ou des graisses peut négativement influencer les performances de la pompe, notamment dans les applications nécessitant un niveau d'hygiène strict (p. ex. dans l'industrie alimentaire ou pharmaceutique). Pour palier à ces problèmes, il a déjà été proposé de modifier une pompe à vis en remplaçant l'entraînement par un seul moteur asynchrone tel que décrit plus haut par l'entraînement de deux moteurs synchrones.

Un moteur asynchrone, exactement comme un moteur synchrone, est constitué d'une partie tournante (ou le rotor), et d'une partie fixe (ou le stator). Par contre, contrairement à un moteur asynchrone, le rotor dans un moteur synchrone est mis en rotation par un champ magnétique qui provient soit d'aimants permanents soit de bobines qui sont alimentées en courant continu. En règle générale, le rotor dans des moteurs à faibles puissances utilise des aimants permanents, pendant qu'on utilise des électro-aimants dans des moteurs avec les puissances plus importantes.

De nouveau, un homme du métier connaît parfaitement la structure et le fonctionnement des moteurs synchrones, ainsi qu'il ne semble pas nécessaire d'en donner une description plus détaillée.

Dans une configuration avec deux moteurs synchrones, chacun des deux rotors (ou des vis) de la pompe est entraîné par l'un des deux moteurs. La synchronisation des mouvements des deux rotors est réalisée directement par le biais des deux moteurs. En effet, comme la vitesse de rotation des moteurs synchrones correspond par défaut à la vitesse de rotation du champ tournant, il est facile de contrôler la vitesse de rotation des deux vis en utilisant un module de contrôle correspondant. Grâce à ce module de contrôle unifié pour les deux moteurs, la vitesse de rotation des deux rotors de la pompe peut être synchronisée.

Cependant, les moteurs synchrones sont généralement plus chers que les moteurs asynchrones. De même, la réalisation du module de contrôle pour les deux moteurs synchrones résulte aussi en une augmentation considérable du prix de la pompe. Au même temps, cette électronique de contrôle doit être intégrée dans le boîtier de la pompe, ce qui augmente l'encombrement de la pompe d'une manière considérable. Exposé sommaire de l'invention

L'objet de la présente invention vise donc à pallier les inconvénients précités et à fournir une machine volumétrique du type « à vis » qui est à la fois moins complexe, moins encombrante et aussi moins chère que les machines du même type connues.

Un autre objet de la présente invention vise à proposer une machine volumétrique du type « à vis » qui est absolument libre de tout moyen lubrifiant qui pourrait polluer les fluides pompés.

Les objets assignés à l'invention sont atteints à l'aide d'une machine volumétrique de type « à vis », comprenant un boîtier avec un premier rotor et un deuxième rotor qui sont montés tournants dans le boîtier et qui sont entraînés dans des sens qui sont opposés l'un par rapport à l'autre, la machine volumétrique comprenant un premier moteur et un deuxième moteur qui sont arrangés dans un carter d'entraînement et qui sont reliés au boîtier de manière que le premier rotor est entraîné par le premier moteur et que le deuxième rotor est entraîné par le deuxième moteur.

L'avantage de cette invention, parmi d'autres choses, réside notamment dans le fait que les rotors de la machine volumétrique proposée sont entraînés individuellement. Grâce à un tel entraînement individuel, les deux rotors peuvent être entraînés d'une manière plus précise et plus adaptée aux besoins concrets de l'utilisation particulière.

Dans un mode particulier de réalisation de la présente invention, le premier moteur et/ou le deuxième moteur est un moteur asynchrone. Ce mode de réalisation de l'invention a l'avantage, parmi d'autres choses, que

l'utilisation des moteurs asynchrones rend la production de la machine volumétrique beaucoup moins chère que dans le cas de l'utilisation des moteurs synchrones, tels que proposés dans l'état de la technique. En outre, un moteur asynchrone peut typiquement être maintenu et contrôlé d'une manière plus facile par rapport à un moteur synchrone comparable au niveau des performances. Dans un autre mode de réalisation particulier de la présente invention, la partie rotative du premier moteur est reliée au premier rotor et/ou la partie rotative du deuxième moteur est reliée au deuxième rotor. L'avantage de ce mode de réalisation de la présente invention peut notamment être trouvé, parmi d'autres choses, dans une construction simple de la machine volumétrique. En effet, les rotors (les parties rotatives) des moteurs peuvent être directement reliés aux rotors de la machine, mais il est également possible d'intercaler un ou plusieurs éléments de liaison entre les parties rotatives des moteurs et des rotors de la pompe.

De manière notable, une première roue de synchronisation et une deuxième roue de synchronisation qui engrènent l'une avec l'autre sont prévues, connectées au premier rotor et deuxième rotor respectivement. Grâce à ces roues de synchronisation, un mouvement synchronisé des deux rotors de la machine volumétrique est possible même en cas d'arrêt d'un des deux moteurs. En effet, comme les deux roues de synchronisation sont connectées à deux rotors et comme elles engrènent à tout instant un mouvement, une rotation non-synchronisée des deux rotors n'est pas possible. Ainsi, un endomma- gement des vis n'est pas possible non plus.

Dans un autre mode de réalisation préféré de la présente invention, la surface de contact entre la première roue de synchronisation et la deuxième roue de synchronisation n'est pas lubrifiée. L'avantage de ce mode de réalisation de l'invention est, parmi d'autres choses, qu'il permet de réaliser une machine volumétrique absolument libre de tout moyen lubrifiant. Grâce à ce fait, de telles machines peuvent également être utilisées dans les applications sensibles, où les normes d'hygiène élevées doivent être respectées. Egalement, ces machines sont plus simples à maintenir étant donné qu'elles n'ont pas besoin de vidanges ou d'autres traitements du moyen lubrifiant.

Un autre mode de réalisation de la présente invention prévoit que la surface des dents de la première roue de synchronisation et/ou de la deuxième roue de synchronisation est revêtue d'une couche en un matériau ayant un coefficient de friction bas. Ce mode de réalisation est avantageux, parmi d'autres choses, parce qu'il crée des roues de synchronisation qui sont capables de supporter la transmission des couples élevés entre elles, dû au fait que la friction à la surface de contact des deux roues est diminuée. Les matériaux susceptibles d'être utilisés comme revêtement sont différents types de métaux et/ou alliages (p. ex. alliages ferreux, de cuivre, d'étain, de plomb, etc.) ainsi que le céramique ou différents produits synthétiques (tel que p. ex. Teflon® ou autres).

De manière notable, la machine comprend un démarreur pour synchroniser le démarrage du premier moteur et du deuxième moteur. L'avantage de ce mode de réalisation de la présente invention réside, parmi d'autres choses, dans une opération coordonnée des moteurs. Grâce à une telle mise en marche coordonnée, les paramètres d'opération des deux moteurs (p. ex. la vitesse de rotation mais aussi d'autres paramètres) peuvent être synchronisés au maximum.

Brève description des dessins

Les particularités et les avantages de l'invention apparaîtront avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit avec des exemples de réalisation donnés à titre illustratif et non limitatif en référence aux dessins ci- annexés qui représentent schématiquement :

- figure 1 : une vue partielle et en coupe d'un exemple de réalisation d'une machine volumétrique conforme à un mode de réalisation de la présente invention ;

- figure 2 : une vue en perspective d'une extrémité des rotors d'une machine volumétrique conforme à un mode de réalisation de la présente invention, dont un des deux rotors est représenté en coupe ; et

- figure 3 : une vue d'une partie du corps extérieur de la machine volumétrique conforme à un mode de réalisation de la présente invention. Exposé détaillé des modes de réalisation de l'invention

Comme déjà mentionné, la figure 1 est une illustration schématique et en coupe d'un exemple de réalisation d'une machine volumétrique conforme à la présente invention. Dans cette première figure, seuls les éléments les plus importants ont été représentés. Un homme du métier est néanmoins capable de comprendre que la machine volumétrique selon l'invention possède forcément d'autres éléments afin qu'elle puisse être opérationnelle.

La machine volumétrique 1 à la figure 1 comprend essentiellement un boîtier 2 qui englobe deux rotors 3' et 3". Le boîtier 2 de la machine 1 peut être réalisé comme une pièce unique ou, tel que représenté à la figure 1 , être constitué par des différentes pièces. Typiquement, le boîtier 2 est ouvert vers un côté et un couvercle 21 est utilisé pour fermer le boîtier 2 afin de créer une enceinte fermée.

Les rotors 3', 3" comprennent chacun un axe 31 ', 31 " sur lesquels sont installées les deux vis (non représentées) avec des profils spécifiques. De manière générale, les deux vis des rotors 3', 3" sont symétriques par rapport à l'axe moyen A de la machine 1 . En opération de la machine 1 , les rotors 3', 3" sont entraînés en rotation dans les sens opposés l'un par rapport à l'autre. Le principe d'entraînement des rotors 3', 3" dans la machine volumétrique 1 sera expliqué plus bas.

Solidaire du boîtier 2 de la machine 1 est un carter d'entraînement 5 qui comprend deux moteurs 4' et 4". Bien entendu, il est également imaginable d'avoir deux carters d'entraînement différents, l'un pour chacun des moteurs 4', 4", ou même une toute autre solution.

Les moteurs 4', 4" sont des moteurs électriques asynchrones. Ces deux moteurs asynchrones 4'. 4" se composent des rotors 41 ', 41 " et des stators 42', 42". Pendant que les stators 42', 42" sont immobiles (et typiquement solidaires) par rapport au carter d'entraînement 5, les rotors 41 ', 41 " sont mis en rotation (et représentent de cette manière des parties rotatives des moteurs 4', 4") grâce aux champs magnétiques créés par des courants dans les stators 42', 42" qui induisent des courants dans des enroulements des rotors 41 ', 41 ". Ces éléments bien connus des moteurs asynchrones ne sont pas représentés dans la figure 1 puisqu'un homme du métier est absolument capable de saisir leur emplacement et leur mode de fonctionnement dans un moteur réel.

Les axes 31 ', 31 " des rotors 3', 3" s'effilent vers les moteurs 4', 4" dans les zones effilées 32', 32". Ces zones 32', 32" des rotors 3', 3" sont reliées aux rotors (aux parties rotatives) 41 ', 41 " des moteurs 4', 4" et peuvent ainsi tourner directement avec eux. Naturellement, il est également possible d'avoir une solution avec des pièces intermédiaires de transmission qui se situent entre les rotors 3', 3" et les moteurs 4', 4". De cette façon, chacun des deux rotors 3', 3" est entraîné par un autre moteur asynchrone.

Les rotors 3', 3" sont typiquement supportés en rotation par des paliers 7', 7" qui sont logés entre le carter d'entraînement et l'enceinte enfermée par le boîtier 2. Bien sûr, des solutions comprenant une autre variante de positionnement de paliers sont possibles.

Vu que la rotation du rotor 3' et la rotation du rotor 3" de la machine 1 doivent être synchronisées pour garantir un fonctionnement correct de la machine 1 , des roues de synchronisation 6', 6" sont prévues, solidaires des rotors 3' et 3", respectivement. Dans le cas normal, les dents des roues de synchronisation 6', 6" ne sont normalement pas sensées transmettre du couple entre les deux rotors 3', 3". Aux différences près des frottements des composants et des variations des charges des rotors de petits couples à équilibrer peuvent cependant apparaître. Ceci est notamment possible grâce à la symétrie - quoique du sens opposé - de la partie gauche (avec le rotor 3' et le moteur 4') et la partie droite (avec le rotor 3" et le moteur 4") de la machine 1 .

En effet, lors du démarrage des moteurs 4', 4", les rotors 41 ', 41 " de ceux-ci se mettent en rotation et entraînent les rotors 3', 3" de la machine 1 . A priori, la rotation du rotor 3' est absolument indépendante de la rotation du rotor 3", étant donné que les moteurs 4', 4" sont les deux des moteurs asynchrones, parfaitement indépendants. Dans ce sens, grâce à la symétrie des deux côtés de la machine 1 ainsi qu'à une répartition des charges également équitable, on obtient une rotation presque synchrone des deux rotors 3', 3", même sans des influences externes. Bien entendu, il est préférable d'utiliser les moteurs 4', 4" de même type, de préférence du même producteur, ayant tous les paramètres d'opération identiques (p. ex. la vitesse nominale, etc.) pour « uniformiser » au plus les paramètres susceptibles d'avoir une influence sur la synchronisation. Afin d'augmenter encore le synchronisme entre les moteurs 4', 4", on peut en outre également prévoir un démarreur (non représenté) pour être en mesure d'effectuer un démarrage simultané des moteurs 4', 4". Bien sûr, d'autres solutions sont également possibles.

Les roues de synchronisation 6', 6" servent dans ce cas plutôt pour garantir une synchronisation des mouvements même dans le cas d'une faille d'un des deux moteurs. Pour garantir que la rotation des deux rotors 3', 3" restera identique avant la remise en marche du moteur tombé en panne, les roues 6', 6" jouent le rôle d'un engrenage « classique » et transmettent le couple d'un rotor à l'autre. Grâce à cette structure, la machine 1 peut continuer à fonctionner le temps d'un arrêt progressif et sans danger pour l'installation entière.

Le but de l'invention est de faire fonctionner la pompe équipée d'un moteur asynchrone pour chaque rotor. Ces moteur tournent ensuite de manière non-synchronisée électroniquement avec le train d'engrenages de synchronisation à sec ou non-lubrifié à l'huile.

Ce but de la présente invention est atteint à l'aide d'une structure de la machine volumétrique telle que décrite plus haut.

Néanmoins, pour réduire la friction entre les dents des roues de synchronisation 6', 6" et par conséquent l'usure et le développement de chaleur dans les situations quand celles-ci entrent quand même en contact, plusieurs étapes avec des choix techniques subtiles peuvent être envisagées. Ces différentes étapes et choix techniques résultent par la suite en un certain nombre de modes d'exécution préférables de la présente invention.

Il est notamment possible de définir des dentures des roues de synchronisation 6', 6" par calcul en optimisant certains paramètres dont les plus importants sont particulièrement la vitesse de glissement et le rendement mécanique de la transmission. Egalement, différents matériaux appropriés peuvent être utilisés afin d'augmenter les performances souhaitées des roues 6', 6", à savoir des aciers de différents types (p. ex. à cémentation, à nitruration, à carbonitruration, à outil, etc.) ainsi que différents matériaux synthétiques ou plastiques.

Egalement, des traitements thermiques appropriés peuvent être appliqués aux matériaux des roues 6', 6" pour obtenir des duretés élevées des surfaces mais aussi de la profondeur au cœur des dents. En outre, des usinages et finitions appropriés visant une bonne précision des dentures, mais aussi des superfinitions permettant d'obtenir un état de surface le plus lisse possible sont imaginables, de manière notamment à améliorer le coefficient de frottement. Il va de soi que des usinages et finitions appropriées peuvent aussi être utilisés pour mettre les surfaces en état nécessaire pour effectuer la déposition de revêtements de couches minces.

Les revêtements, un ou plusieurs successifs, y compris de type PVD et CVD qui ne détrempent pas les aciers déjà traités avec dureté élevée et qui apportent des duretés encore plus élevées, peuvent aussi être appliqués pour améliorer le coefficient de frottement et pour réduire l'usure.

Egalement, l'application de lubrification minimale à graisse, à dosage et cycles appropriés peut être envisagée pour améliorer les performances de la machine volumétrique conforme à la présente invention.

En cas d'utilisation de matières synthétiques ou plastiques pour l'un ou l'autre des engrenages, le choix de celles-ci conditionne un calcul optimisant la résistance mécanique tout en tenant compte de la vitesse de glissement et le rendement mécanique de la transmission. Dans ce cas, il serait possible d'avoir un engrenage en matière plastique et l'autre engrenage en acier en différentes exécutions (finitions, revêtements, etc.), de nouveau avec l'objectif de réduire les frottements, d'où la réduction de chaleur générée qui est le facteur critique pour les matières synthétiques ou plastiques. Quelques informations supplémentaires sur ces différentes mesures qui peuvent être prises sont également visibles aux figures 2 et 3.

Comme déjà mentionné, la figure 2 montre une extrémité des rotors de la machine volumétrique, l'un des deux rotors étant représenté en coupe. Dans cette figure 2, on a représenté une denture en plastique 63 qui est fixée sur un moyeu en acier 61 et retenue par un couvercle en métal 64. Cette structure est bloquée par les vis 62. Afin d'extraire la chaleur de la denture plastique 63, ces vis peuvent notamment être en nombre plus important que vraiment nécessaire pour la fixation mécanique. En effet, ces vis 62 traversent la denture plastique 63 et sont en contact avec celle-ci, de manière à servir de puits de chaleur collectant des calories et les conduisant aux faces extérieures du moyeu 61 et du couvercle 64. Comme également représenté à la figure 2, la face extérieure du couvercle 64 et/ou la face du moyeu 61 peuvent avoir des rainures 641 qui, par la rotation, servent à faciliter l'échange thermique avec l'air.

Aussi, comme représenté à la figure 3, le corps de la machine volumétrique selon la présente invention, une ou plusieurs ouvertures 22 de forme et de positionnement appropriés peuvent être prévues pour permettre la circulation de l'air à l'intérieur de la machine pour ainsi améliorer l'extraction de la chaleur.

Certainement, la présente invention est sujette à de nombreuses variations quant à sa mise en œuvre. Bien que divers modes de réalisations aient été décrits, on comprend bien qu'il n'est pas concevable d'identifier de manière exhaustive tous les modes possibles. Il est bien sûr envisageable de remplacer un moyen décrit par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. Toutes ces modifications font partie des connaissances communes d'un homme du métier dans le domaine de la technologie du vide.