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Patent Searching and Data


Title:
SCROLL-TYPE POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/115897
Kind Code:
A1
Abstract:
Scroll-type positive-displacement machine comprising: a first, fixed structure (2) formed by a first transverse disk-shaped end plate (2001), of which one of the surfaces forms a scroll base from which rises a wall defining a first scroll (2002), said end plate (2001) having a first central orifice (407), a second, moving structure (3) formed by a second transverse disk-shaped end plate (3001), of which one of the surfaces forms a scroll base from which rises a wall defining a second scroll (3002), the thickness of the wall of each of said scrolls (2002, 3002) varying between a constant nominal thickness over an intermediate portion that extends over more than one turn, and a reduced thickness at the level of said upper indentations (409, 313) in a central end portion extending between 60° and 120° from the inner end of the scroll, said reduced thickness being less than 50% of said nominal thickness.

Inventors:
WATTS, Stéphane (30 rue Michelet, La Teste De Buch, La Teste De Buch, 33260, FR)
ALBERGUCCI, Frédéric (190 rue Guillaume Leblanc, Bordeaux, Bordeaux, 33000, FR)
DARMEDRU, Antoine (92 rue Lucien Faure, Appartement 423, Bordeaux, 33300, FR)
Application Number:
FR2018/052855
Publication Date:
June 20, 2019
Filing Date:
November 15, 2018
Export Citation:
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Assignee:
EXOES (6 avenue de la Grande Lande, Zone artisanale Bersol, Gradignan, 33170, FR)
International Classes:
F04C18/02
Foreign References:
EP0814266B11999-11-03
JPS59185885A1984-10-22
JP2004076629A2004-03-11
JP2003049785A2003-02-21
EP0814266A11997-12-29
JPS59185885A1984-10-22
JP2004076629A2004-03-11
JP2003049785A2003-02-21
Attorney, Agent or Firm:
BREESE, Pierre (IP TRUST, 2 rue de Clichy, Paris, 75009, FR)
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Claims:
Revendications

1 - Machine volumétrique à spirales comportant : une première structure fixe (2) formée par une première plaque d'extrémité discale (2001) transversale dont l'une des surfaces forme un fond de spirale, surmontée par une paroi définissant une première spirale (2002), ladite plaque d'extrémité (2001) présentant un premier orifice central (407)

une deuxième structure mobile (3) formée par une deuxième plaque d'extrémité discale (3001) transversale dont l'une des surfaces forme un fond de spirale, surmontée par une paroi définissant une deuxième spirale (3002),

ladite deuxième structure (3) se déplaçant par rapport à ladite première structure (2) selon un mouvement orbital, lesdits éléments en spirales (2002, 3002) s'ajustant mutuellement avec un décalage orbital afin de réaliser une pluralité de lignes de contact définissant au moins une paire de chambres de fluides fermées (411, 419, 420, 423, 424), le volume desdites chambres de fluides variant en fonction de la position relative de l'une desdites structures (3) par rapport à l'autre structure (2), une extrémité intérieure dudit élément en spirale (2002, 3002) présentant une indentation supérieure (respectivement 409, 313) s'étendant depuis la surface opposée à la plaque (2001, 3001) jusqu'à une section intermédiaire (2003, 3003) caractérisée en ce que l'épaisseur de la paroi de chacune desdites spirales (2002, 3002) varie entre une épaisseur nominale constante sur une partie intermédiaire s'étendant sur plus d'un tour, et une épaisseur réduite, au niveau desdites indentations supérieures (409, 313), dans une partie extrémale centrale s'étendant entre 60° et 120° depuis l'amorce intérieure de la spirale, ladite épaisseur réduite étant inférieure à 50% de ladite épaisseur nominale. 2 - Machine volumétrique à spirales selon la revendication 1 caractérisée en ce que

l'orifice central (407) de ladite première plaque d'extrémité (2001) présente une forme oblongue,

l'une des extrémités dudit orifice central (407) de forme oblongue intersectant la projection transversale de la zone intermédiaire non indentée (2004, 3004) de la spirale

(2002, 3002),

la zone extrémale (2005) de la spirale (2002) surmontant ladite première plaque d'extrémité (2001) présentant une indentation inférieure (2006) s'étendant depuis la périphérie de ladite extrémité de l'orifice oblong (407) jusqu'à la zone médiane (2004) non indentée de la spirale (2001) .

3 - Machine volumétrique à spirales selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'une au moins desdites plaques d'extrémité discales (2001, 3001) transversales présente dans une zone annulaire périphérique une pluralité de cavités séparées (303, 406) par des pontets (425) et creusées par rapport aux fonds de spirales desdites plaques d'extrémité discales (2001, 3001) .

4 - Machine volumétrique à spirales selon la revendication précédente caractérisée en ce que les bords intérieurs (450) desdites cavités (303, 406) sont situés sur une ligne (451) décalée radialement de moins de 60% de l'épaisseur de la paroi de la spirale (2002, 3002) à la projection de la surface interne de l'extrémité périphérique de la spirale opposée (2002, 3002), lorsque la chambre périphérique formée entre les deux spirales est débouchante (étape 601). 5 - Machine volumétrique à spirales selon la revendication 3 ou 4 caractérisée en ce que la largeur desdites cavités (303, 406) mesurée selon la direction radiale est supérieure à l'épaisseur de la paroi de la spirale (2002, 3002) opposée .

6 Machine volumétrique à spirales selon la revendication 3 ou 4 caractérisée en ce que la profondeur desdites cavités (303, 406) est supérieure à 0,5 millimètres.

7 - Machine volumétrique à spirales selon la revendication 1 caractérisée en ce que la surface frontale supérieure de l'une au moins desdites spirales (2002, 2003) présente une rainure médiane (308, 408) pour le positionnement d' un j oint ( 17 , 18).

8 - Machine volumétrique à spirales selon la revendication précédente caractérisée en ce que la surface frontale supérieure de l'une au moins desdites spirales (2002, 3002) présente, sur l'arête interne, des encoches (312) débouchant dans ladite rainure médiane (308, 408) .

9 - Machine volumétrique à spirales selon la revendication 3 ou 4, et la revendication précédente caractérisée en ce que lesdites encoches (312) de la spirale (2002, 3002) de l'une desdites structures (2, 3) sont positionnées pour communiquer, pendant le mouvement orbital, avec les cavités (303, 406) formées dans la plaque d'extrémité discale (2001, 3001) de la structure complémentaire (2, 3).

10 - Machine volumétrique à spirales selon la revendication 1 caractérisée en ce que les spirales fixe et mobile (2002, 3002) présentent toutes deux un congé (410 et 309) au pied de l'extrémité centrale du profil de spirale ainsi qu'un chanfrein (421 et 314) sur l'arête interne du sommet de spirale dans leur zone centrale.

Description:
MACHINE VOLUMETRIQUE

Domaine de l'invention

La présente invention concerne le domaine des machines volumétriques, notamment des machines de compression ou des machines de détente. Ces machines peuvent être :

des turbomachines utilisant l'énergie cinétique de gaz

• des machines volumétriques, utilisant un changement de volume du gaz. Les machines volumétriques peuvent être à pistons, spiro-orbitales , à vis, etc.

La présente invention concerne plus particulièrement le domaine des machines volumétriques spiro-orbitales (en anglais « scroll ») , sous les deux formes d'utilisation, comme compresseur (utilisé par exemple, comme compresseur d'air ou dans un cycle de climatisation, de réfrigération ou dans une pompe à chaleur (parfois désigné par « compresseur G ») ou comme machine de détente (utilisée par exemple dans un cycle organique de Rankine) .

Une telle machine comprend une partie mobile en forme de spirale effectuant un mouvement orbital par rapport à une autre spirale fixe sensiblement identique à la première. Ces deux spirales sont déphasées de 180°. Dans une utilisation en compresseur, les espaces formés entre les deux spirales constituent des chambres de géométrie et position évolutive, se réduisent progressivement au fur et à mesure du déplacement orbital de la spirale mobile pour déboucher vers l'orifice de refoulement central, et inversement dans une utilisation en machine de détente, les chambres grandissent progressivement pour déboucher latéralement à la périphérie.

Ce type de machine volumétrique présente un niveau sonore réduit, une grande souplesse d'utilisation avec une gamme de vitesses importante, un bon rendement, une grande robustesse et un fonctionnement continu à couple presque constant.

Pour de telles machines spiro-orbitales , une des difficultés concerne l'obtention de forts ratio de volume entre le volume des chambres juste avant l'échappement et le volume des chambres juste après l'admission, tout en acceptant de fortes pressions et températures qui sollicitent les spirales de manière importante.

Etat de la technique

On connaît dans l'état de la technique le brevet européen EP0814266 présentant un appareil de déplacement de fluides du type à spirales comportant :

- une enveloppe ayant un orifice d'entrée de fluides et un orifice de sortie de fluides ;

- des organes en spirales fixe et orbital ayant chacun une plaque d'extrémité et un élément en spirale s'étendant à partir d'un côté de ladite plaque d'extrémité,

lesdits éléments en spirales s'ajustant mutuellement avec un décalage angulaire et radial afin de réaliser une pluralité de lignes de contact définissant au moins une paire de chambres de fluides fermées ;

- un mécanisme d'entraînement comportant un arbre d'entraînement supporté, de façon à pouvoir tourner, par ladite enveloppe pour faire effectuer le mouvement orbital audit organe en spirale par la rotation dudit arbre d'entraînement afin de changer ainsi le volume desdites chambres de fluides. Selon ce document, l'extrémité intérieure dudit élément en spirale de chacun desdits organes en spirales comporte une surface de section axiale qui change, de la racine à la pointe de celle- ci, et comporte une extension à la transition entre la racine et la plaque d'extrémité. Inconvénients de l'art antérieur

Dans les solutions de l'art antérieur, on observe que la spirale mobile présente à son amorce interne une épaisseur significative conduisant à une obturation partielle de l'orifice central de la spirale fixe, lors de l'admission pour une machine de détente, ou lors du refoulement pour une machine de type compresseur. La conséquence est une performance dégradée.

Par ailleurs, l'épaisseur de la spirale à son amorce intérieure vient réduire la section d'alimentation -définie par l'écartement des flancs de spirales en coopération- de la chambre en formation au creux de la spirale mobile (poche dite « indirecte ») , pour une machine de détente, ou vient réduire la section de refoulement de la chambre débouchante dans le cas d'un compresseur. La conséquence est également une dégradation des performances.

On connait aussi d'autres exemples de machines volumétriques décrites dans les brevets japonais JPS59185885, JP2004076629 ou JP2003049785.

Solution apportée par l'invention

Afin de répondre à ces inconvénients, la présente invention concerne selon son acception la plus générale une machine volumétrique à spirales conforme à la revendication principale prise isolément ou en combinaison avec une ou plusieurs caractéristiques techniques additionnelles. Description détaillée d'un exemple non limitatif de

1 ' invention

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :

- la figure 1 représente une vue éclatée d'une machine de détente selon l'invention ;

la figure 2 représente une vue en perspective intérieure et extérieure de l'ensemble couvre-spirale ;

- la figure 3 représente une vue en coupe longitudinale de la machine ;

- la figure 4 représente une vue de face des spirales fixe et mobile de la machine ;

- la figure 5 représente la position des spirales fixe et mobile durant une rotation de l'arbre de la machine ;

la figure 6 représente une vue en perspective partiellement coupée de la partie mobile de la machine ;

la figure 7 représente une vue en perspective partiellement coupée de l'ensemble carter de la machine ;

la figure 8 représente une vue en perspective partiellement coupée de l'ensemble d'accouplement de la machine ;

la figure 9 représente des vues de face de différentes variantes de surface de butée axiale ;

- la figure 10 représente une vue schématique de la lubrification de la machine ;

- la figure 11 représente une vue schématique d'un cycle de Rankine selon l'invention ;

- la figure 12 représente une vue schématique d'une pompe à chaleur à haute température selon l'invention ;

- la figure 13 représente des vues schématiques de détails de conception présents sur les spirales ; - la figure 14 représente trois vues de section de l'ensemble constituant la spirale mobile et la spirale fixe à trois stades différents du cycle de détente ;

- la figure 15 représente des vues de l'arbre et du contrepoids de la machine ;

la figure 16 représente une vue de face d'une variante de forme du port d'admission ;

la figure 17 représente une vue en coupe des spirales lors de l'échappement ;

la figure 18 représente un graphique montrant l'impact d'un des points de conception des spirales ;

- la figure 19 représente une variante de la rondelle de butée présentant une chambre annulaire de contre-pression ;

- la figure 20 représente une vue en coupe de la zone centrale formée par les spirales.

L' invention concerne comme précédemment exposé les machines volumétriques spiro-orbitales , tant pour des applications de type machine de détente que pour des applications de type machines de compression.

Principe général de l'utilisation de la machine en machine de détente

Une machine de détente, au sens de la présente invention, produit un mouvement mécanique rotatif par transformation de l'énergie provenant d'un fluide de travail sous pression.

La transformation est réalisée dans une chambre d'expansion, ou plusieurs chambres d'expansion, formant une zone d'expansion, alimentée en fluide de travail sous forme vapeur chargé de lubrifiant, provenant de la zone d'admission haute- pression et évacuée par une zone d'échappement. Le fluide sous pression comprend un composant principal tel que l'éthanol ou le cyclopentane ou un réfrigérant r!233zd(E) ou r!336mzz (Z) , assurant le cycle thermodynamique, chargé avec un lubrifiant liquide pulvérisé dans la phase vapeur du composant principal. Le lubrifiant est par exemple de type polyalkylene glycol (PAG) ou polyolester (POE) miscible en phase liquide avec les autres composants. La proportion de lubrifiant est typiquement comprise entre 1 et 20 % en masse.

Dans le cas d'utilisation de l'éthanol, ce fluide de travail peut en outre comporter des composants tels que de l'eau, dans une proportion comprise entre 0 et 20 % en masse et éventuellement des additifs pour dénaturer l'éthanol, par exemple de 1 ' euro-dénaturant (nom commercial), ou un alcane, ou du méthanol, ou une cétone dans des proportions comprises entre 1 et 10 % en masse.

En fonctionnement nominal, la machine de détente fonctionne selon le principe général de l'étape de détente d'un cycle de Rankine ou de Hirn.

Principe général de l'utilisation de la machine en machine de compression

Une machine de compression, au sens de la présente invention, comprime un fluide de travail gazeux par transformation de l'énergie provenant d'un mouvement mécanique rotatif .

La transformation est réalisée dans une chambre de compression ou plusieurs chambres de compression formant une zone de compression, alimentée en fluide de travail sous forme gazeuse chargé de lubrifiant, provenant de la zone d'admission basse-pression et évacuée par une zone d'échappement haute- pression. Le fluide comprend un composant principal tel qu'un réfrigérant R1336mzz (Z) ou R1233zd(E), assurant le cycle thermodynamique, chargé avec un lubrifiant liquide pulvérisé dans la phase vapeur du composant principal. Le lubrifiant est par exemple de type polyalkylene glycol (PAG) ou polyolester (POE) miscible en phase liquide avec les autres composants .

En fonctionnement nominal, la machine de compression fonctionne selon le principe général de l ' étape de compression d'un cycle de réfrigération.

Principe général des machines volumétriques spiro orbitales

De façon connue, les machines volumétriques spiro- orbitales comportent deux structures complémentaires (2, 3) avec un déplacement relatif de type orbital.

La première structure est une structure fixe (2) formée par une première plaque d'extrémité discale transversale (2001) dont l'une des surfaces forme un fond de spirale, surmontée par une paroi définissant une première spirale (2002) . Cette plaque d'extrémité (2001) présente un premier orifice central (407) .

La deuxième structure (3) est mobile par rapport à la structure fixe (2) . Elle est formée par une deuxième plaque d'extrémité discale (3001) transversale dont l'une des surfaces forme un fond de spirale, surmontée par une paroi définissant une deuxième spirale (3002) .

La deuxième structure (3) se déplace par rapport à la première structure (2) selon une translation circulaire, appelée mouvement orbital. Le mouvement est caractérisé par un plan dans lequel s'opère le mouvement et une excentricité. Le plan est défini par la surface frontale de la deuxième plaque d'extrémité discale (3001) du côté opposé à la deuxième spirale (3002). Enfin, on entend par «valeur de l'excentricité», le décalage maximum entre la structure fixe (2) et ladite structure mobile (3) .

Les éléments en spirales (2002, 3002) s'ajustent mutuellement avec un décalage orbital afin de réaliser une pluralité de lignes de contact définissant au moins une paire de chambres de fluides fermées (411, 419, 420, 423, 424) . Le volume de ces chambres de fluides varie en fonction de la position relative de l'une desdites structures (2) par rapport à l'autre structure (3) .

L'extrémité intérieure de l'élément en spirale (2002, 3002) présente une indentation supérieure respectivement (409, 313) s'étendant depuis la surface opposée à la plaque (2001, 3001) jusqu'à une section intermédiaire (2003, 3003).

Architecture générale d'un exemple de réalisation d'une machine volumétrique spiro-orbitale selon l'invention

Les figures 1, 11 et 12 représentent respectivement une vue éclatée d'une machine volumétrique spiro-orbitale selon un exemple de l'invention, ainsi qu'une vue schématique d'un cycle de Rankine et d'une pompe à chaleur à haute température selon l'invention.

La machine volumétrique spiro-orbitale (804, 850) présente un corps extérieur formé de deux parties creuses complémentaires :

- un ensemble couvre-spirale (400) ;

- un ensemble carter (200) .

Ces deux parties complémentaires (400, 200) présentent chacune une bride cylindrique (401, 201) complémentaire, pour permettre un assemblage de manière étanche par boulonnage.

Un attelage mobile (300) qui sera décrit plus en détail dans ce qui suit est intégralement enfermé dans le volume défini par l'ensemble couvre-spirale (400) et le carter (200).

L'ensemble couvre-spirale (400) entoure la zone d'expansion lorsqu'il s'agit d'une machine de détente, ou de compression lorsqu'il s'agit d'une machine de compression, qui s'étend du port (19) d'admission, respectivement de refoulement, de la vapeur jusqu'au support de la butée axiale sur la partie fixe (220) . Il s'agit de la partie la plus chaude de la machine (804, 850) . Cette zone comprend notamment la structure fixe, aussi appelée spirale fixe (2), avec laquelle la structure mobile, aussi appelée spirale mobile (3), vient en contact. Ce contact a vocation à guider la spirale mobile dans son mouvement d' orbite .

Le carter (200) entoure la zone de la machine (804, 850) qui s'étend du support de la butée axiale (220) jusqu'à l'extrémité de l'arbre (13) . Cette zone comprend notamment un arbre (13) et un dispositif d'accouplement (500) de ladite machine .

L'attelage mobile (300) comprend l'arbre (13) et les organes qui lui sont rattachés :

- un bombé (26), assurant la liaison entre un maneton excentrique (314) de l'arbre (13) et un contrepoids (14) ;

- le contrepoids (14), assurant la liaison avec le moyeu (320) de la spirale mobile (3) ;

- la spirale mobile (3), dont le moyeu (320) est excentré par rapport à l'arbre (13), ceci assurant que son mouvement soit orbital ;

un anneau anti-rotation (12), assurant que la spirale mobile (3) ne tourne pas autour de l'axe de son moyeu (320), tout en permettant la translation circulaire de la spirale mobile (3) dans le plan transversal ;

- le dispositif d'accouplement (500) de la machine, constitué notamment d'une roue dentée (10) et d'une roue-libre (30) ;

- les paliers, par exemple des roulements à aiguilles, à billes ou à rouleaux.

En fonctionnement en machine de détente (804), dans la figure 11, le fluide de travail (808) sous forme de vapeur entre dans l'ensemble couvre-spirale (400) via le port d'admission vapeur (19) à une température inférieure à 250 °C comprise en général entre 180 °C et 235 ° C. Cette vapeur est chargée en lubrifiant.

Le lubrifiant parcourt de manière connue tout le circuit Rankine, entraîné par le fluide de travail (808) .

Ce fluide de travail (808) est par exemple composé d'un mélange d'éthanol, d'eau, de dénaturant et de lubrifiant. Le pourcentage d'eau est compris entre 0 et 20 % en masse, préférentiellement 4,5 % de la masse (azéotrope) . À ce mélange est ajouté un dénaturant, par exemple un alcane, un alcool, une cétone ou de 1 ' euro-dénaturant (mélange normalisé) entre 1 % en masse et plus (euro-dénaturant 2 % en volume) auquel on ajoute du lubrifiant de type polyalkylene glycol (PAG) miscible entre 1 et 20 % en masse, généralement environ 5 à 10 %.

Le fluide de travail (808) sous forme de vapeur arrive par un raccord d' entrée ou une bride prévue sur le centre de l'ensemble couvre-spirale (400) et ressort, dans l'exemple décrit, sur le côté par une bride d'échappement (21) prévue sur l'ensemble couvre-spirale (400).

La vapeur circule entre la spirale fixe (2) et la spirale mobile (3) pour actionner le mouvement orbital de la spirale mobile (3) comme il sera présenté plus en détail dans la suite de la description.

En fonctionnement en machine de compression (850), comme illustré par la figure 12, le fluide de travail (808) sous forme de vapeur entre dans l'ensemble couvre-spirale (400) via la bride d'admission vapeur (21) . Cette vapeur est chargée en lubrifiant .

Le fluide de travail (808) sous forme de vapeur ressort sur le centre par la bride d'échappement (19) ou un raccord de sortie prévu sur l'ensemble couvre-spirale (400), comprimé et à une température inférieure à 250 °C comprise en général entre 90 °C et 235 °C. Le lubrifiant parcourt de manière connue tout le circuit de réfrigération, entraîné par le fluide de travail (808) .

Ce fluide de travail (808) comprend un composant principal tel qu'un réfrigérant R1336mzz (Z) ou R1233zd (E) , assurant le cycle thermodynamique, chargé avec un lubrifiant liquide pulvérisé dans la phase vapeur du composant principal. Le lubrifiant est par exemple de type polyalkylene glycol (PAG) ou polyolester (POE) miscible en phase liquide avec les autres composants .

Le fluide de travail (808) comprimé est ensuite admis dans un condenseur (854), puis dans un détendeur (855) et enfin dans un évaporateur (853) afin d'être réadmis à l'entrée de la machine de compression (850) . Des capteurs de pression et de température (860 et 861) pourront être implémentés respectivement en entrée et en sortie de la machine de compression (850).

L'énergie nécessaire à la compression du fluide de travail (808) est obtenue grâce à une machine rotative (851), qui peut être un moteur électrique. La rotation de l'arbre (813) de ladite machine est ensuite transmise à la machine de compression (850) via une transmission (852), qui peut être effectuée par une liaison de type poulie — courroie. Par rapport au cas décrit en Figure 12, la transmission (852) pourra être également disposée entre un joint d'étanchéité (70) et un palier arrière (104), dans une configuration similaire à celle présentée en figure 11.

Dans la suite de la description, la machine sera présentée dans le mode particulier de fonctionnement en machine de détente afin d'alléger la description. L'homme de l'art saura interpréter cette description pour l'élargir au mode particulier de fonctionnement en machine de compression. Description détaillée du couyre-spirale

Les figures 2 et 3 représentent respectivement une vue en perspective intérieure/extérieure de l'ensemble couvre- spirale ainsi qu'une vue en coupe longitudinale de la machine.

Dans l'exemple décrit, le couvre-spirale (4) est réalisé en fonte, notamment une fonte de type graphite lamellaire résistant à l'éthanol.

La pièce est réalisée par fonderie dans un moule et par usinage des différents orifices et cavités, puis elle peut faire l'objet d'un traitement de surface par nitruration dans un bain de sels suivi d'une phase d'oxydation, ou alternativement d'un traitement de phosphatation au phosphate de manganèse.

L'extérieur du couvre-spirale (4) présente le port d'admission central (19), auquel peut se connecter un raccord d'entrée ou une bride. La spirale fixe (2) est percée en son centre (407) afin que le fluide de travail sous forme de vapeur (808) sous pression admis via le port d'admission (19) puisse accéder à une chambre centrale (411) comprise entre la spirale fixe (2) et la spirale mobile (3) .

L'extérieur du couvre-spirale (4) présente un orifice destiné à un capteur de vitesse (54) . L'information de vitesse est prise grâce à un capteur à effet Hall, en détectant le passage d'une partie mobile, préférablement de l'anneau anti rotation (12) ou la spirale mobile (3) .

L'extérieur du couvre-spirale (4) présente, sur une paroi latérale, un orifice d'échappement entouré par la bride (21) formant une surface de réception annulaire pour recevoir un joint d'étanchéité.

Deux filetages (412 et 413) permettent de recevoir des vis de fixation d'une bride d'un conduit d'échappement. Cette bride (21) est située dans la moitié inférieure basse de la machine de détente (804) lorsque celle-ci est montée sur une machine rotative associée (801) . Sa position exacte est déterminée en fonction de la machine (801), pour faciliter la purge du fluide de travail (808) stagnant dans la machine à l'arrêt et le raccordement à un condenseur (805) du cycle de Rankine. Également, son orientation est préférentiellement telle que son orifice est orienté de direction contraire à la composante rotative du flux de fluide de travail sous forme de vapeur (808) en sortie de spirale, et ce afin de limiter la sortie de l'huile emportée par ladite vapeur.

L'extérieur du couvre-spirale (4) présente, en parallèle de son circuit d'admission, une vanne de dérivation (en anglais, vanne de «by-pass») (59) destinée, une fois actionnée, à rediriger le débit de vapeur directement vers une zone basse pression (817) via un volume (418) situé derrière la spirale fixe (2), et ce sans passer entre les spirales (2 et 3) . Ce circuit de dérivation assure notamment la purge du fluide de travail (808) stagnant dans la machine à l'arrêt.

L'extérieur du couvre-spirale (4) présente par ailleurs plusieurs bossages cylindriques (404) orientés axialement, recevant un taraudage destiné à la fixation de la spirale fixe (2) .

L'extérieur du couvre-spirale (4) présente également plusieurs nervures (405) , qui assurent la rigidité du fond et évitent des déformations résultant de la pression de vapeur.

L'extérieur du couvre-spirale (4) présente un ou des bossages (53) pour le positionnement de capteurs, par exemple de capteurs de température ou de pression.

Le fond du couvre-spirale (4) présente une cavité cylindrique (414) assurant le centrage de la spirale fixe (2) tandis que l'indexation en rotation est faite à l'aide d'une vis épaulée ou d'une goupille (102) . Le maintien de la spirale fixe (2) est assuré par des vis (100) . Ces vis (100) permettent également de comprimer le joint plat haute température (6), qui assure l'étanchéité à l'arrière de la spirale fixe (2) entre la chambre centrale (411) et le volume du circuit de by-pass (418) . Le volume (415) à l'intérieur du joint plat (6) est chargé en vapeur haute pression, ce qui permet de réduire la flexion de la spirale fixe (2) soumise à la pression. Le joint plat (6) est réalisé en polytétrafluoroéthylène expansé, ce qui lui permet d'assurer sa fonction d'étanchéité à des températures élevées (jusqu'à 250 °C) ainsi qu'à des pressions élevées (jusqu'à 35 bars) . Son épaisseur est comprise entre 1 et 4 millimètres, et sa compressibilité est comprise entre 10 et 70 %.

Le couvre-spirale (4) présente des perçages inclinés (402) destinés à récolter l'huile issue de la vapeur (808), celle-ci se collectant naturellement sur les parois par centrifugation. L'huile collectée via les perçages (402) circule ensuite dans des perçages (204) associés dans un carter (5) .

Le couvre-spirale (4) présente la bride périphérique (401) permettant son boulonnage, son centrage et son étanchéité sur une partie carter (200) . L'étanchéité est assurée grâce à un joint torique (74) dont les propriétés sont détaillées dans la description de l'ensemble carter (200).

Description détaillée des spirales

La figure 4 représente une vue de face de la spirale fixe (2) à gauche et de la spirale mobile (3) à droite, ainsi que plusieurs vues de détails.

La figure 5 représente le positionnement des spirales pendant un cycle de détente de vapeur pour 1 tour de la machine de détente.

Les figures 13 et 14 représentent respectivement une vue en perspective des spécificités des centres de chaque spirale, ainsi que des vues présentant le rôle de ces spécificités à plusieurs étapes du cycle de détente vapeur.

Les figures 16,17 et 20 représentent respectivement une vue d'une variante de forme de port d'admission vapeur, des vues détaillant le fonctionnement des ports d'échappement des spirales, ainsi qu'une vue en coupe de la zone centrale des spirales .

À noter que le profil général de la spirale mobile (3002) est le symétrique de celui de la spirale fixe (2002) .

Dans l'exemple décrit, le guidage radial entre les deux spirales est dit accommodant («compilant» en anglais) . La spirale mobile (3002) est en effet toujours en contact radialement avec la spirale fixe (2002) via les points de scellement (416), visibles dans une étape 601 de la Figure 5.

Il est connu que l'étanchéité dans la direction radiale des différentes chambres de vapeur situées entre la spirale mobile (3) contre la spirale fixe (2) est obtenue en plaquant les profils de la spirale mobile (3002) contre ceux de la spirale fixe (2002) . Cet effort de plaquage est communément appelé effort de scellement.

La vapeur sous pression (808) est admise dans la chambre centrale (411) via le perçage central dans la spirale fixe (407) . La pression de cette chambre centrale (411) pousse la spirale mobile (3) , augmentant le volume de ladite chambre centrale. Le volume de cette chambre (411) augmente jusqu'à une étape 606 de la figure 5, où la chambre centrale (411) est scindée en deux chambres symétriques (419 et 420) . La détente continue ensuite dans ces deux chambres symétriques (419 et 420) jusqu'à l'échappement.

La pression des chambres de vapeur situées entre les deux spirales crée un effort tangentiel sur la spirale mobile (3), celle-ci décrivant un mouvement orbital autour de l'arbre (13) . Ce mouvement orbital est ensuite transformé en mouvement rotatif par l'intermédiaire du maneton (314) excentré de l'arbre (13) .

Dans l'exemple décrit, le profil de spirale s'étend sur trois tours et demi afin d'obtenir le ratio optimum de volume entre le volume juste avant l'échappement et le volume juste après l'admission pour le type de fonctionnement visé. La géométrie des spirales (2 et 3) est ajustée en fonction des paramètres d'entrée de la machine de détente (804) . Ces paramètres peuvent être la pression du fluide de travail (808), son débit, sa température, le type de fluide utilisé ou la vitesse de rotation de la machine de détente (804) notamment.

Dans l'exemple décrit, les spirales (2 et 3) ne sont pas en contact dans la direction axiale. Pour limiter les fuites dues à ce jeu axial, des segments d'étanchéité de forme spiralée («tip-seal» en anglais) (17 et 18) sont montés dans des gorges prévues à cet effet (408 et 308) . Ces segments (17 et 18) sont réalisés en polyétheréthercétone (PEEK) , selon une nuance résistant à des températures allant à plus de 250 °C, avec une épaisseur typiquement comprise entre 1 et 4 millimètres.

Les spirales (2 et 3) présentent chacune deux plots (403 et 302) en contact avec l'anneau anti-rotation (12) . L'effort tangentiel de la spirale mobile (3) est transmis à l'anneau anti-rotation (12) par ses plots (302). L'anneau est bloqué en rotation par la spirale fixe (2) par l'intermédiaire de deux plots (403) , il en résulte que la rotation induite de la spirale mobile (3) par rapport à la spirale fixe (2) est impossible. Toutefois, les plots (403 et 302) étant positionnés perpendiculairement l'un vis-à-vis de l'autre, il en résulte que le mouvement de la spirale mobile (3) est possible sur le plan de la butée axiale (220) .

Les plots (403 et 302) présentent en leurs coins des chanfreins (311) d'angle faible, typiquement compris entre 1 degré et 5 degrés, visibles sur la vue de détail B de la figure 4. Ces chanfreins sont destinés à créer un effet hydrodynamique bénéfique pour la lubrification du contact glissant entre les plots (403 et 302) de spirales et l'anneau anti-rotation (12) .

La spirale mobile (3) présente également deux plots supplémentaires (306), de hauteur inférieure aux plots de guidage de l'anneau (302) . Ces plots (306) permettent de limiter le déplacement de l'anneau anti-rotation (12) dans la direction axiale .

La spirale mobile (3) présente une cavité (304) et une saillie (305) destinées à ramener le centre de gravité de la pièce sur l'axe de son moyeu (320) . Cet équilibrage permet de supprimer des fluctuations inertielles de couple pouvant atteindre jusqu'à 50 % du couple maximal délivré par la machine.

Les spirales fixe et mobile (2 et 3) présentent des cavités (303 et 406). Ces cavités (303 et 406) sont positionnées de telle manière à augmenter la section de passage d'échappement sans modifier le ratio de volume précédemment décrit et ont pour effet de réduire le travail consommé par la machine pendant le phénomène de décharge. La figure 17 montre le fonctionnement de ces cavités (406) au moment de l'ouverture des deux dernières chambres symétriques (423 et 424), c'est-à-dire proche de l'étape 601 telle que représentée sur la figure 5 : le flux de vapeur (808) commence alors à s'échapper par son ouverture «naturelle» (422) formée par le mouvement relatif des deux spirales (2002 et 3002), mais aussi par ses ouvertures formées par les créneaux de spirale (312) et les cavités (406) . Ces cavités (303 et 406) sont symétriques afin de former la même section de passage à l'échappement pour les deux chambres symétriques (423 et 424) . Ces cavités (303 et 406) sont décomposées en plusieurs parties afin de présenter des «pontets» (425) assurant aux segments d'étanchéité (17 et 18) des spirales d'être maintenus dans leur gorge (308 et 408) .

Les spirales fixe et mobile (2002 et 3002) présentent des encoches (312) usinées au niveau de la gorge du segment. Ces encoches, visibles sur le détail C de la figure 4 et sur la figure 17, sont positionnées de façon à être coïncidentes aux cavités (303 et 406) lors de la décharge, et ainsi augmenter le débit d'échappement dans le même but que les cavités (303 et 406) . Le débit d'échappement est représenté par des flèches sur la figure 17. Les encoches (312) sont usinées en plusieurs parties afin de maintenir les segments d'étanchéité (17 et 18) correctement dans leurs gorges (308 et 408) .

La figure 18 présente l'évolution des efforts générés par la vapeur (808) tout au long d'une rotation de la machine de détente (804) selon l'invention. Les courbes FT1 et FRI désignent respectivement l'effort de vapeur (808) tangentiel et radial appliqué à la spirale mobile (3) en présence des cavités (303 et 406) ainsi que des encoches (312) . Les courbes FT2 et FR2 désignent respectivement l'effort de vapeur (808) tangentiel et radial appliqué à la spirale mobile (3) sans la présence des cavités et créneaux. La figure 18 montre que la présence des cavités (303 et 406) ainsi que des encoches (312) permet de réduire de 40 % l'amplitude maximale de l'effort radial de vapeur (808) appliqué à la spirale mobile (3) . En outre, cette réduction engendre une diminution de la variation d'effort de scellement entre la spirale mobile (3) et la spirale fixe (2) et permet un meilleur contrôle de l'étanchéité aux flancs tout en améliorant la tenue en fatigue des matériaux.

La figure 18 montre aussi que la présence des cavités (303 et 406) ainsi que des encoches (312) permettent d'augmenter l'effort tangentiel moyen de vapeur (808) appliqué à la spirale mobile (3) . Cette augmentation se traduit par une augmentation du couple délivré par la machine de détente (804) impliquant un gain de rendement allant jusqu'à 2 % en fonction des ratios de pression appliqués aux entrée et sortie de la machine.

Les spirales fixe et mobile (2 et 3) présentent toutes deux un congé de nez (410 et 309) au pied de l'extrémité centrale du profil de spirale (usuellement nommé le «nez» de spirale) . Ces congés (410 et 309), dont le rayon est typiquement compris entre 0,2 millimètre et 0,5 millimètre, sont destinés à réduire la concentration de contrainte présente sur le nez, cet endroit étant généralement celui pour lequel les contraintes sont les plus fortes. Bien qu'il soit connu que le rendement d'une machine volumétrique de détente puisse être amélioré grâce à un profil de nez fin, le profil de la base du nez a été grossi afin de réduire les contraintes à un niveau acceptable. Dans l'exemple décrit, le niveau de contrainte a été calculé autour de 100 MPa, ce qui est acceptable en durée de vie pour des spirales en fonte. Alternativement, il est connu que des spirales en acier peuvent présenter un nez plus fin, et donc présenter un meilleur rendement. Cependant, ce type de solution augmente le coût de production de la machine.

Les spirales fixe et mobile (2 et 3) présentent toutes deux un chanfrein (421 et 318) en leur zone centrale, en haut de leur nez. Ces chanfreins sont destinés à éviter toute interférence avec les congés de nez (410 et 309) de la spirale opposée lors du mouvement de la spirale mobile (3) .

La spirale fixe (2) présente une cavité (409) située en zone centrale, s'étendant axialement depuis un plan intermédiaire (2003) jusqu'à la surface frontale à l'opposé de la plaque d'extrémité discale transversale (2001) au niveau de son nez. La spirale mobile (3) présente également une cavité (313) située en zone centrale, s'étendant axialement depuis un plan intermédiaire (3003) jusqu'à la surface frontale à l'opposé de la plaque d'extrémité discale transversale (3001) au niveau de son nez. Comme décrit plus en détail ci-après, ces cavités (409 et 313) sont utilisées afin d'assurer que les deux chambres symétriques sont soumises à la même pression vapeur. La figure 14 présente des vues en coupe de la zone centrale de l'ensemble spirale fixe (2) et spirale mobile (3) sur les trois étapes différentes (604, 606 et 607) du cycle de détente de la machine (804) . Ces vues en coupe sont présentées selon trois niveaux différents « H1 » « H2 » et «H3», « H1 » étant situé en bas de la spirale fixe (2002) et en haut de la spirale mobile (3002), « H2 » étant situé au milieu des deux spirales (2002 et 3002) et « H3 » étant situé en haut de la spirale fixe (2002) et en bas de la spirale mobile (3002) . Sur les étapes 606 et 607, sans considérer les cavités (vues «H2»), la chambre de vapeur (420) en contact avec le port d'admission (407) sera alimentée en vapeur (808) davantage que sa chambre symétrique (419) . En conséquence, la pression de la première chambre (420) sera supérieure à celle de sa chambre symétrique (419) lors de la détente. Afin de limiter ce phénomène, la cavité (313) de la spirale mobile (3) permet d'ouvrir un canal de communication (319) entre les deux chambres symétriques (419 et 420) . La cavité (409) de la spirale fixe (2) permet également d'ouvrir un canal de communication (315) entre les deux chambres symétriques (419 et 420) . Ces deux canaux (314 et 315) permettent de réduire la différence de pression entre les deux chambres symétriques (419 et 420) .

Les deux chambres symétriques (419 et 420) sont idéalement soumises à la même pression vapeur, car il est connu qu'une différence de pression dans les deux chambres symétriques (419 et 420) entraîne une instabilité de la machine (804) durant son fonctionnement, ce qui augmente le bruit et le niveau de vibrations lors du fonctionnement, et a tendance à réduire sa durée de vie globale.

Ces cavités (409 et 313) sont localisées axialement depuis des plans intermédiaires respectivement (2003, 3003) jusqu'à des surfaces frontales à l'opposé des plaques d'extrémité discales transversales respectivement (2001, 3001) au niveau des nez de leur spirale respective afin de ne pas réduire la taille du nez à proximité des congés de nez (410 et 309), en vue de garantir la tenue mécanique des nez de spirales. Le trou oblong (407) de la spirale fixe (2) est également localisé à distance du congé (410) afin d'éviter toute concentration de contrainte nuisible à la tenue mécanique de la spirale fixe (2) .

Le perçage central (407) de la spirale fixe présente une forme oblongue. Cette forme, son positionnement précis (angle, centre) et le fait que ce perçage se fasse partiellement dans la matière de la spirale fixe (2) ont été déterminés de telle manière à optimiser le débit de vapeur en entrée tout en maximisant le ratio de volume de la détente. Il est connu que la forme idéale de ce perçage est une forme de «haricot» (426) du type de celle présentée en figure 16, cependant ce type de forme se révèle difficile à usiner de manière industrielle. Un simple perçage rond est plus facile à réaliser, mais présente également de moindres performances : débit d'entrée inférieur et/ou ratio de volume inférieur.

La spirale mobile (3) présente, autour de sa surface en contact avec la butée, un chanfrein d'angle faible (310), typiquement compris entre 1 degré et 5 degrés, visible sur la vue de détail D de la figure 4. Ce chanfrein (310) est destiné à créer un effet hydrodynamique bénéfique pour la lubrification du contact glissant entre la spirale mobile (3) et une rondelle (9) de la butée axiale. La transition entre une face arrière (317) de la spirale mobile (3) et le chanfrein (310) est réalisée grâce à un congé de raccordement (316) .

Dans l'exemple décrit, les spirales fixe (2) et mobile (3) sont réalisées en fonte, notamment une fonte de type graphite sphéroïdale résistant à l'éthanol.

Les pièces sont réalisées par fonderie dans un moule et par usinage des profils de spirales et des différents perçages, puis peuvent faire l'objet d'un traitement de surface par nitruration dans un bain de sels suivi d'une phase d'oxydation ou alternativement d'un traitement de phosphatation au phosphate de manganèse.

Alternativement, les pièces sont réalisées en acier faisant ou non l'objet d'un traitement de type DLC sur au moins sa surface de contact au niveau des spirales.

Description détaillée de la partie mobile

Les figures 3 et 6 représentent respectivement une vue en coupe longitudinale de la machine et une vue en perspective des éléments constituant la partie mobile de la machine de détente.

L'anneau anti-rotation (12) entoure la spirale mobile (3) . Il est positionné de telle sorte que l'effort axial induit par la pression dans la spirale mobile (3) se transmette directement au support de la butée axiale (220) . Cet anneau est dit «femelle — femelle», car il possède des rainures disposées de manière perpendiculaire entre elles. Cette configuration permet à l'anneau de rapprocher axialement les deux forces qui lui sont appliquées, à savoir la force appliquée par les plots (302) de la spirale mobile (3) et la force de réaction appliquée par les plots (403) de la spirale fixe (2) . Le fait que ces deux forces soient proches axialement a pour effet de minimiser le flambage de l'anneau (12) sous charge.

La spirale mobile (3) présente le moyeu central (320) dans lequel est logé un palier (106) .

Ce moyeu contient une coupelle d'isolation (11) . Cette coupelle (11) permet de créer un volume de vapeur statique formant une isolation thermique à l'endroit où la température de la spirale mobile (3) est la plus élevée. La coupelle (11) présente des perçages destinés à éviter l'accumulation de liquide dans le volume d'isolation.

Il est connu que l'effort de scellement dans les machines volumétriques à spirales dont le guidage radial de la spirale mobile est dit accommodant («compilant» en anglais) est obtenu avec l'inertie de la spirale mobile et/ou en décalant l'axe du maneton excentrique (314) de façon à ce que la réaction de l'effort tangentiel de vapeur (808) de la spirale mobile (3) sur le maneton excentrique (314) induise un effort résultant dans la direction radiale de la spirale mobile (3) . Cet effort radial induit dans le plan des points de scellement (416) permet d'augmenter artificiellement l'effort de scellement des spirales fixe et mobile (2 et 3) . Dans le cas particulier de la machine de détente (804) selon l'invention, la contribution inertielle de la spirale mobile (3) à l'effort de scellement est supprimée à l'aide de l'équilibrage dynamique réalisé avec le contrepoids (14). Cette particularité permet de rendre l'effort de scellement indépendant de la vitesse de rotation de la machine de détente (804). Cette particularité est notamment primordiale lorsque la machine de détente (804) est reliée à une machine rotative associée (801) dont la vitesse de rotation est variable. Ainsi, l'étanchéité aux flancs entre les spirales mobile et fixes (2 et 3) à basse vitesse est améliorée, et le risque d'endommagement des spirales à haute vitesse est réduit.

La liaison entre l'arbre (13) et le contrepoids (14) est réalisée par l'intermédiaire du bombé (26), visible sur la figure 15. Le bombé (26) est fixé sur l'arbre (13) par l'intermédiaire de vis (27) et peut alternativement être fretté dans son logement. Le bombé (26) présente une surface ajustée légèrement convexe (260) au niveau de la surface de contact avec le contrepoids (14). Cette surface convexe (260) présente un rayon de courbure de l'ordre d'un mètre et permet au contrepoids (14) d'avoir une liaison linéaire rectiligne avec l'arbre (13). La ligne de contact entre le bombé (26) et le contrepoids (14) permet de diminuer 1 ' hyperstatisme de la machine de détente (804) et ainsi de supprimer la transmission du moment engendré par les efforts axiaux de vapeur (808) à l'arbre (13) . Les dimensions du bombé (26) pourront également être adaptées afin de modifier le décalage effectif du maneton excentrique (314) vis-à-vis de l'arbre (13), et donc de modifier l'effort de scellement entre les deux spirales (2 et 3) . Le bombé (26) pourra avantageusement être réalisé par une pièce rapportée afin de faciliter sa réalisation, en particulier lorsque cette pièce nécessitera une dureté et/ou un état de surface plus contraignant que ceux de l'arbre (13) . On pourra ainsi assembler de manière économique un bombé (26) en acier traité rectifié avec un arbre (13) en fonte ou en acier directement issu de tournage ou de fraisage.

Description détaillée de l'ensemble carter

Les figures 3 et 7 représentent respectivement une vue en coupe longitudinale de la machine, une vue en perspective des éléments constituant l'ensemble carter en coupe partielle. Les figures 9 et 19 représentent respectivement des variantes dans la surface de contact de la rondelle (9) ainsi qu'une variante de la rondelle (9) présentant une chambre annulaire de contre-pression.

Cet ensemble (200) est constitué de deux pièces principales : le carter (5) et l'adaptateur PTO (8) (PTO est l'abréviation du terme anglais «Power Take-Off », équivalent du français «Prise de Puissance Auxiliaire») . Ces deux pièces sont assemblées grâce à un assemblage boulonné qui permet également de monter l'ensemble carter (200) sur le couvre-spirale (4) .

L'étanchéité et le centrage de l'ensemble carter (200) avec le couvre-spirale sont assurés par une bride cylindrique (201) et par le joint torique (74) disposé dans une gorge annulaire (229) . Il s'agit d'une zone basse-pression à basse température relativement au reste de la machine, ce qui permet d'utiliser des joints en élastomère peu coûteux, plutôt que des joints résistant à de fortes températures. Le joint (74), comme tous les autres joints statiques de la machine, est un joint torique en fluoroélastomère, par exemple en VITON (nom commercial) ou en EPDM (éthylène-propylène-diène monomère) .

L'étanchéité et le centrage de la pièce carter (5) avec la pièce adaptateur PTO (8) est assuré par un centrage cylindrique (217) et par un joint torique (72) disposé dans une gorge annulaire (228) .

Dans l'exemple décrit, la pièce adaptateur PTO (8) dispose de moyens de fixation (205) permettant le montage de la machine de détente (804) sur la machine rotative associée (801), par exemple au niveau d'une prise de force et en particulier la prise de mouvement arrière, prévue sur la machine rotative associée (801) .

La géométrie de ce moyen de fixation peut être adaptée en fonction de l'interface disponible sur le carter de la machine rotative associée (801). Dans l'exemple décrit, cette fixation est réalisée par boulonnage à l'aide d'oreilles (205). L'étanchéité est assurée par un joint torique (75) disposé dans une gorge annulaire (221) .

Le positionnement de ce moyen de fixation (205) et la compacité de cette partie permettent à la machine d'être partiellement à l'intérieur du carter de la machine rotative associée (801), réduisant ainsi l'encombrement extérieur visible de la machine (804) .

L'ensemble carter (200) dispose d'une ou plusieurs cales de réglage (23) reprenant la forme d'une bride du carter (417) . L'épaisseur de cette cale est ajustée afin de régler le jeu axial entre la spirale fixe (2) et la spirale mobile (3), en vue d'atteindre un jeu nominal, par exemple 50 microns. Ce jeu axial nominal entre les spirales (2 et 3) est calculé en fonction notamment des températures et des pressions de fonctionnement appliquées à la machine (804), mais aussi de la rigidité du joint-plat haute température (6) . La maîtrise de ce jeu axial est essentielle d'autant plus que la machine (804) est prévue pour fonctionner en haute température (jusqu'à 250 °C) .

Cet ensemble carter (200) comprend un support de butée axiale (220) reprenant les efforts axiaux générés par la pression vapeur sur la spirale mobile (3) . Les frottements exercés sur cette butée pendant le déplacement de la spirale mobile nuisant fortement à la performance globale de la machine (804), un traitement de surface est appliqué sur l'une des surfaces de la butée, du côté de la spirale mobile (3) ou du carter (5) , ou sur les deux, afin de réduire les pertes par friction dues à ce contact. Dans l'exemple décrit, ce traitement n'a pas été réalisé directement sur les pièces, mais sur une rondelle en acier revêtue d'un composite Métal-Polymère (9) (par exemple fourni par la société Daido Métal, nom commercial DAIDYNE DDK05) ou tout autre revêtement de surface similaire réalisé notamment par une couche de PTFE (polytétrafluoroéthylène) ou tout autre matériau de module de Young inférieur ou égal à 5 GPa, d'épaisseur minimum 50 ym déposé sur un substrat métallique permettant l'accroche mécanique du matériau souple (PTFE ou autre) et la dissipation de la chaleur. La rondelle (9) rapportée a été fixée sur le support de butée (220) afin de diminuer les frictions avec la spirale mobile (3) . Alternativement, elle pourra être fixée sur la spirale mobile (3) , ou pourra ne pas être fixée du tout. La rondelle (9) permet de simplifier fortement le processus de réalisation du traitement surface, celui-ci étant difficile et coûteux à réaliser sur des pièces volumineuses. Dans l'exemple décrit, la rondelle (9) a été fixée grâce à des rivets (105), mais pourrait être fixée grâce à tout autre moyen (visserie ou ergots par exemple) sans que cela ne modifie son principe d'utilisation. Alternativement, la rondelle peut être centrée sur son diamètre intérieur ou extérieur et arrêtée en rotation par un ergot ou un pion.

L'utilisation d'une rondelle (9) comportant une épaisseur de matériau souple (module de Young inférieur à 5 GPa) et d'épaisseur de l'ordre de 50 à 250 microns permet une accommodation de la surface et facilite la formation d'un «coin d'huile» sur le bord intérieur de la surface (211) . La couche de matériau souple permettant par ailleurs une certaine accommodation sur l'ensemble de sa surface plane, celle-ci pourra avantageusement être utilisée brute, sans nécessiter de réusinage ou de rectification qui aurait été nécessaire pour atteindre un niveau de planéité acceptable si la pièce avait été en métal ou revêtue d'un dépôt de faible épaisseur. Selon des exemples de variantes présentées en figure 9, et en vue d'améliorer les performances de la machine, la rondelle (9) de butée peut comporter sur sa face sujette au frottement plusieurs zones en dépression (222) réparties de manière sensiblement homogène. Selon une variante, ces zones en dépression — ou poches — (222) sont sensiblement circulaires et présentent une profondeur faible devant leur diamètre, typiquement 30 à 100 ym de profondeur. Les poches (222) ont un rayon de préférence inférieur à l'excentricité de la trajectoire orbitale de la spirale mobile (3) ce qui favorise le renouvellement de l'huile dans la cavité et sur la face opposée grâce à la cinématique de la spirale mobile (3) . La distance minimum entre poches (222) voisines pourra être sensiblement inférieure ou égale à un diamètre d'orbite, et choisie pour assurer un ratio (surface de poches/surface de butée) compris entre 20 % et 50 %.

De manière préférentielle, les poches (222) sont réalisées sur la face de la butée équipée de la rondelle (9) rapportée en polymère, et leur profondeur est inférieure ou égale à l'épaisseur de la couche de polymère, ce qui rend leur réalisation plus économique et assure surtout un raccordement entre poches et partie plane non agressif pour la pièce antagoniste .

Les poches (222) peuvent être reliées entre elles par des canaux de communication (214) de faible largeur afin de favoriser le renouvellement de l'huile qu'elles emprisonnent, et ainsi éviter 1 ' échauffement de l'interface, en particulier sur des machines devant fonctionner à forte vitesse de rotation et/ou ayant une butée axiale étendue radialement (par exemple lorsque la largeur de butée est supérieure à six fois l'excentricité du mouvement orbital de la spirale mobile) .

Les canaux (214) reliant les poches adjacentes seront agencés pour permettre, de proche en proche, une circulation de l'huile entre le diamètre intérieur et le diamètre extérieur de la rondelle (9) de butée ; avantageusement les canaux (214) seront disposés selon la direction tangentielle, dans le sens favorable vis-à-vis du mouvement de la spirale mobile (3) . Ladite direction tangentielle est orientée de manière à ce que les canaux (214) soient perpendiculaires à la direction de déplacement instantané de la spirale mobile (3) à l'endroit où la butée axiale est la plus chargée. Ladite orientation de canaux (214) et le sens du mouvement de la spirale mobile (3) sont indiqués sur la figure 9.

Ces canaux de communication (214) aboutissant dans les poches (222) peuvent être réalisés d'un côté ou de l'autre de la rondelle (9) sans que cela ne modifie leur principe. Enfin les canaux (214) présenteront une section de passage faible devant la section transversale d'une poche (222) afin de ne pas pénaliser leur portance.

Des stries radiales (212) pourront également être réalisées sur la surface de la rondelle de butée axiale (9), afin de faciliter l'alimentation du contact en huile et diminuer la puissance dissipée par cisaillement du film d'huile. La profondeur de ces stries est comparable aux poches présentées précédemment (222) . Le nombre de stries, leur orientation ainsi que leur largeur pourront être adaptés en fonction de divers paramètres, tels que le type de fluide utilisé ou le type d'huile utilisé .

Une rainure annulaire (223) pourra être aménagée sur la face active de la rondelle métal-polymère (9), dans l'épaisseur du polymère, définissant une ou des chambres annulaires (223) entre la face arrière de la spirale mobile (3) et la rondelle de butée (9) comme montré sur la figure 19. Cette chambre annulaire (223) est alimentée en fluide de travail (808) à plus haute pression que la pression ambiante de la butée par un ou plusieurs perçages (225) débouchant dans le fond de la spirale mobile (3) , et applique ainsi une pression choisie — par la position du perçage — afin de compenser une partie de l'effort axial auquel est soumise la spirale mobile (3) du fait de la distribution de pression dans les spirales (2 et 3) .

Cette poche (223) est étanchée dynamiquement sur ses bords (226) grâce à la capacité d'accommodation du polymère, l'étanchéité étant par ailleurs améliorée par la présence de l'huile dans le fluide de travail (808) . L'étanchéité obtenue est d'autant plus efficace que l'effort axial de pression est important, du fait d'un écrasement du polymère plus prononcé. L'ensemble réalise une diminution de l'effort axial net transitant entre la spirale mobile (3) et le support de butée (220) par l'intermédiaire de la rondelle de butée polymère (9), en vue de diminuer la dissipation thermique locale de celle-ci et d'améliorer la performance de la machine (804) .

La rondelle métal-polymère (9) peut être installée sur le support fixe (220), dans ce cas la chambre (223) comporte au moins localement une extension (224) de dimension sensiblement proche du diamètre d'orbite, afin d'être alimentée en continu par le perçage (225) aménagé dans la spirale mobile (3) . Avantageusement plusieurs perçages (225) dans le scroll mobile pourront alimenter plusieurs extensions (224), permettant aux dites extensions d'avoir une dimension plus limitée, en particulier inférieure à un diamètre d'orbite, sans interruption de l'alimentation en pression de la chambre (223) .

De par son implantation dans le support fixe, la rondelle (9) sera soumise à une température moins élevée et sera refroidie par conduction vers le support fixe (220) .

Alternativement, la rondelle métal-polymère (9) peut être installée à l'arrière de la spirale mobile (3), la chambre annulaire peut ainsi avoir une étendue radiale limitée et constante, ce qui est favorable vis-à-vis de la longueur du chemin de fuite entre la chambre (223) et la pression de la chambre environnante (817).

Côté carter (5), le support de butée axiale (220) est réalisé sur une couronne annulaire en forme de té (210) . Le diamètre de ce té (210) ainsi que son épaisseur a été calculé afin que la flexion du support de butée (220) en direction axiale se conforme à la flexion de la spirale mobile (3) lorsque les spirales (2 et 3) sont sous pression. Ceci permet à la pression de contact sur la rondelle de butée (9) de rester homogène et d'éviter tout pic de contrainte sur sa circonférence intérieure (dans le cas où ladite couronne annulaire est trop rigide) ou extérieure (dans le cas où ladite spirale est trop rigide) .

Dans l'exemple décrit, la surface de la rondelle de butée axiale (9) est plane, afin de minimiser les pressions de contact. Le bord intérieur de cette surface (211), ainsi que les bords de la surface de butée côté spirale mobile (3) , visible sur la figure 4, présentent un chanfrein (310) avec un angle très faible, typiquement compris entre 1 degré et 5 degrés. Ce chanfrein permet à l'huile de se répartir sur la surface, et crée un effet hydrodynamique bénéfique pour la lubrification du contact entre spirale mobile (3) et rondelle de butée axiale (9) . La transition entre la partie arrière (317) plane de la butée et ce chanfrein (310) côté spirale mobile (3) est réalisée grâce à un congé de raccordement (316) .

Le fond du carter (5) présente par ailleurs une sortie d'arbre centrale dont la surface tubulaire intérieure est usinée pour recevoir le palier (103), le joint de bout d'arbre (71) et éventuellement le deuxième joint de bout d'arbre (70) .

Un espace annulaire (202) compris entre les joints de bout d'arbre (70, 71) constitue une chambre de mise à l'air (202) permettant d'éviter la contamination par le fluide de travail contenu dans la machine rotative associée (801) sur laquelle est montée la machine de détente (804) .

Cette chambre (202) est percée par un évent (203) débouchant à l'extérieur, dans la partie basse de ladite chambre annulaire (202), lorsque la machine est montée sur un moteur, pour permettre l'évacuation d'éventuelles fuites de fluides (fluide de travail (808), ou éventuellement fluide présent dans la machine rotative associée (801) .

Les joints (70, 71) sont des joints à lèvres annulaires, les lèvres étant orientées en directions opposées à la chambre (202) pour favoriser l'étanchéité de la machine (804) par rapport au fluide de travail (808) d'une part et l'étanchéité par rapport aux fluides présents dans la machine rotative associée (801) d'autre part. Ainsi, la chambre (202) forme un volume de récupération des fluides pour les évacuer vers l'extérieur, et éviter toute contamination entre les deux machines (804 et 801) . Ces joints à lèvres pourraient être remplacés par tout autre dispositif d'étanchéité dynamique (joints à garniture mécanique par exemple) sans que cela ne modifie le principe de l'invention.

Dans l'exemple décrit, le joint (71) est réalisé en polytétrafluoroéthylène (PTFE) , par exemple un joint à lèvre commercialisé sous la référence BEKA 804 ou BEKA 806 par la société FranceJoint (noms commerciaux) .

Description détaillée de l'ensemble d'accouplement sur une machine rotative associée

Les figures 3, 8 et 11 représentent respectivement une vue en coupe longitudinale de la machine, une vue en perspective des éléments constituant l'ensemble d'accouplement en coupe partielle ainsi qu'une vue schématique d'un cycle de Rankine selon l'invention.

Un cycle de Rankine récupère la chaleur perdue d'une machine rotative associée (801), qui peut être un moteur à combustion interne ou une machine électrique. Cette chaleur peut être récupérée à plusieurs endroits : sur le circuit de refroidissement, sur le refroidissement de l'air comprimé en amont du moteur, sur le refroidissement des gaz d'échappement recirculés dans la machine rotative ou sur des gaz d'échappement (802) tel que représenté dans la figure 11.

Dans ce dernier cas, un échangeur de chaleur (807) est inséré en dérivation sur la ligne d'échappement après le système de dépollution (803) . Une vanne de dérivation (827) répartit proportionnellement les débits entre l'échangeur de chaleur (807) et l'échappement normal.

L'échangeur (807) est un évaporateur destiné à évaporer le fluide de travail (808) du cycle de Rankine. Le fluide de travail (808) est aspiré par la pompe (806) depuis un vase d'expansion (828) à pression contrôlée par une vanne électrique (829). La vanne électrique proportionnelle (829) régule la pression d'air dans le vase d'expansion (828) soit en reliant le vase d'expansion à une source d'air comprimé (821), soit en reliant le vase d'expansion (828) à l'atmosphère.

La température et la pression du fluide de travail (808) en amont de la pompe (806) ainsi qu'en aval de 1 ' évaporateur (807) sont mesurées par des capteurs. Le calculateur du cycle de Rankine reçoit ces signaux pour commander les actionneurs du système ainsi qu'une température de la vapeur dans la machine de détente (804) mesurée soit dans la zone d'expansion (816) soit dans la zone d'échappement (817).

La vapeur produite dans 1 ' évaporateur (807) circule jusqu'à la machine de détente (804) . La machine de détente (804) comprend trois zones : une zone d'admission (814) de la vapeur à haute pression qui est connectée à la zone d'expansion (816), elle-même connectée à la zone d'échappement (817) à basse pression. La vanne de dérivation (59) ouvre et ferme un canal de dérivation mettant en communication la zone d'admission (814) et la zone d'échappement (817) . La vanne de dérivation (59) est avantageusement pneumatique et est connectée à la source d' air comprimé (821). Une vanne électrique (820) contrôle l'admission d'air dans la vanne de dérivation (59) soit en reliant la vanne de dérivation à la source d'air comprimé (821), soit en reliant la vanne de dérivation (59) à l'atmosphère. Le canal de dérivation ou la vanne de dérivation (59) comprend en outre une restriction, typiquement de l'ordre de 20 mm2 afin de limiter le débit volumique traversant le canal de dérivation et de provoquer une montée en pression de la zone en amont de la restriction.

La vapeur à basse pression échappée de la machine de détente (804) depuis la zone d'échappement (817) circule dans le condenseur (805) afin de retourner à l'état liquide. Le condenseur (805) est refroidi soit par un fluide de la machine rotative associée (801) soit par de l'air ambiant. Par exemple, un ou plusieurs des circuits de refroidissement de la machine rotative associée (801) peut être utilisé. Le fluide de travail condensé retourne alors dans le vase d'expansion (828) .

Une zone d'accouplement (99), constituée notamment de l'ensemble d'accouplement (500) et du palier arrière (104), est isolée du fluide de travail (808) via le joint d'étanchéité (71) de bout d'arbre. Cette disposition particulière permet aux éléments situés en zone d'accouplement (99) de posséder un moyen de lubrification indépendant du système de lubrification de la machine volumétrique (804). Cette disposition permet également de limiter la zone contenant le fluide de travail (808) et garantit une compacité maximale de la machine (804) .

La machine de détente (804) est connectée à un arbre tournant (813) de la machine rotative associée (801) . L'ensemble d'accouplement (500) permet de réaliser la liaison entre l'arbre (13) de la machine de détente (804) et l'arbre (813) de la machine rotative associée (801).

L'ensemble d'accouplement (500) ne se limite pas à l'exemple présenté et pourra être constitué d'autres moyens d'accouplement, par exemple une combinaison parmi les éléments suivants : roue-libre, embrayage de tout type, amortisseur de vibration, engrenage, poulie, courroie.

Cet ensemble (500) est situé dans l'adaptateur PTO (8), mais est isolé de la vapeur d'éthanol par le joint (71) de bout d'arbre. Le positionnement à l'intérieur du carter de la machine rotative associée (801) permet à cet ensemble de bénéficier d'un moyen de lubrification indépendant du fluide de travail (808) .

Cet ensemble (500) est à adapter en fonction de la machine rotative associée (801) sur laquelle se monte la machine (804) . La géométrie de la roue dentée (10), en particulier, doit être modifiée selon la machine (801) utilisée.

Cet ensemble (500) est constitué notamment d'une roue dentée (10), disposée autour de l'arbre central (13), permettant de transmettre la puissance mécanique générée par la machine (804) vers la machine rotative associée (801) . Le rapport de vitesse entre la machine (804) et la machine associée (801) est fixe et est typiquement compris entre 1 et 6.

Cet ensemble (500) est constitué notamment d'une roue libre (30) . Dans l'exemple décrit, la roue-libre (30) est à cames, mais elle pourra indifféremment être conçue selon une autre technologie (roue-libre à galets par exemple) . Cette roue- libre est, dans l'exemple décrit, implémentée entre l'arbre (13) et l'intérieur de la roue dentée (10). Cette roue-libre (30) joue le rôle d'embrayage pour la machine (804) . En effet, lorsque la pression vapeur n'est pas suffisante pour entraîner la rotation de l'arbre (13), la roue-libre permet à la machine rotative associée (801) de tourner sans entraîner la machine (804) (roue-libre passante). Lorsque la pression vapeur est suffisante pour entraîner la rotation de l'arbre (13), la puissance de la machine (804) est fournie à la machine rotative associée (801) et la vitesse de rotation de la machine (804) est limitée par celle de la machine rotative associée (801) (roue- libre en prise) .

Cet ensemble (500) est constitué notamment d'un ou plusieurs paliers (31 et 32), permettant de reprendre les efforts axiaux et radiaux induits par la roue dentée (10) . Description détaillée de la lubrification

Les figures 3, 6, 10 et 15 représentent respectivement une vue en coupe longitudinale de la machine, une vue de la partie mobile partiellement coupée, une vue en coupe longitudinale de la machine avec des flèches indiquant la direction des flux d'huile ainsi qu'une vue des parties tournantes de la machine

Dans l'exemple décrit, la machine de détente (804) utilise au moins deux sources de lubrification. La première source de lubrification provient de l'huile contenue dans le fluide de travail sous forme de vapeur, cette huile pouvant servir à lubrifier notamment les contacts de l'anneau anti rotation (12), la rondelle de butée axiale (9), le joint de bout d'arbre (71), le bombé (26) et les paliers (103 et 106). Une partie de la machine étant montée directement à l'intérieur du carter de la machine rotative associée (801), les éléments situés en zone d'accouplement (99) possèdent un moyen de lubrification indépendant, qui peut provenir de l'huile utilisée dans le carter de la machine rotative associée (801) . Dans ce cas, les flux d'huile associés à ces deux sources de lubrification sont représentés par des flèches noires sur la figure 10 pour le flux d'huile provenant du fluide de travail (808), et par des flèches grises et noires pour le flux d'huile provenant du carter de la machine rotative associée (801).

Alternativement, les éléments situés en zone d'accouplement (99) peuvent aussi posséder un moyen de lubrification indépendant de la machine rotative associée (804), par exemple par un graissage permanent.

Le fluide de travail sous forme de vapeur (808) en sortie de spirale est chargé d'huile et circule avec une composante rotative. Cette circulation conduit à une force centrifuge tendant à entraîner les particules d'huile vers la paroi intérieure du couvre-spirale (4). Les liaisons glissière de l'anneau anti-rotation (12) ainsi qu'une partie de la butée axiale (220) sont alimentées en huile par ce flux direct.

L'huile est ensuite captée par les trous inclinés (402), puis transite via des perçages inclinés dans le carter (204) vers le volume annulaire (207), permettant à l'huile de lubrifier le joint de bout d'arbre (71) ainsi que le palier (103) .

La rotation du contrepoids (14) entraînant une dépression dans le volume annulaire correspondant (208), une partie du fluide de travail (808) chargé d'huile passe ensuite par le palier (103) pour atteindre ledit volume (208) et être capté par le contrepoids (14) .

Lorsque le fluide de travail (808) chargé d'huile se trouve dans le volume intérieur (141) du contrepoids, il est animé d'un mouvement de rotation qui projette l'huile, plus lourde que le fluide de travail, contre des parois (142) du dit contrepoids (14) par centrifugation. L'huile adhère aux parois (142) par capillarité et est ensuite entraînée par le mouvement de rotation du contrepoids (14) dans des cavités (140) . Ces cavités présentent une rampe tangentielle (143) pour faciliter l'entrée ainsi qu'un coin (144) permettant à l'huile de s'accumuler dans les cavités (140). Le remplissage progressif des cavités (140) pousse l'huile axialement jusqu'à ce qu'elle soit projetée sur la face arrière (317) de la spirale mobile (3) . Le contrepoids joue un rôle de séparateur d'huile du fluide de travail (808) qui est ensuite évacué du volume intérieur (141) du contrepoids vers le volume (208) puis par des perçages radiaux (209) .

L'autre partie du flux du fluide de travail chargé en huile en provenance du volume (207) est dirigée vers l'intérieur du contrepoids via des rainures axiales (307), visibles sur les figures 5 et 6. Ce flux permet de lubrifier le bombé (26), et débouche dans le volume discal compris entre l'arbre (13) et la coupelle d'isolation (11) . Ce flux passe ensuite par le palier (106) de la spirale mobile (3) pour déboucher dans le volume intérieur (141) du contrepoids où l'huile est ensuite projetée contre la face arrière de la spirale mobile (317) tel que décrit dans le paragraphe précédent.

L'huile projetée contre la face arrière de la butée axiale (220) est ensuite entraînée par le mouvement orbital de la spirale mobile (3) dans la liaison avec la rondelle (9) .

Le palier de bout d'arbre (104) ainsi que les éléments constituant l'ensemble d'accouplement (500) sont implémentés en zone d'accouplement (99), celle-ci pouvant être implémentée à l'intérieur du carter de la machine rotative associée (801) . Le moyen de lubrification des éléments de cette zone (99) étant indépendant du fluide de travail (808), ils peuvent donc être lubrifiés par le brouillard d'huile présent dans le carter de la machine rotative (801), le flux étant de plus forcé par la rotation de la roue dentée (10) . Alternativement, les éléments de ladite zone (99) peuvent être lubrifiés par un graissage permanent .