Compresseur frigorifique à spirales

La présente invention concerne un compresseur frigorifique à spirales.

Le document US 4 477 238 décrit un compresseur frigorifique à spirales, comprenant une enceinte étanche délimitée par une enveloppe et contenant une volute fixe et une volute mobile, la volute mobile décrivant un mouvement orbital par rapport à la volute fixe, les volutes fixe et mobile étant chacune équipées d'une spirale, les deux spirales étant engagées l'une dans l'autre et délimitant au moins deux chambres de compression de volume variable.

Selon un premier mode de réalisation décrit dans ce document, chaque spirale comprend une surélévation s'étendant sur au moins une portion de sa longueur à partir de son extrémité extérieure.

Il en résulte une augmentation du volume des deux chambres de compression extérieures et donc de la cyl indrée du compresseur. Ces dispositions permettent ainsi d'améliorer les performances du compresseur.

Cependant, ce mode de réalisation nécessite le ménagement d'un évidement dans le plateau de la volute mobile agencé pour recevoir la surélévation de la spirale de la volute fixe. Afin de ne pas diminuer la résistance mécanique du plateau due à la réalisation de cet évidement, il est nécessaire d'augmenter l'épaisseur du plateau. Cette augmentation d'épaisseur du plateau provoque une augmentation de la masse de la volute mobile, et donc de l'inertie de cette dernière. Or, cette augmentation d'inertie se traduit directement par une sollicitation mécanique supplémentaire du moyeu de la volute mobile et des paliers de l'arbre d'entraînement de la volute mobile, ce qui peut conduire à une usure prématurée des paliers.

Selon un second mode de réalisation décrit dans le document US 4 477 238, seule la spirale de la volute mobile comprend une surélévation s'étendant sur au moins une portion de sa longueur à partir de son extrémité extérieure. Ces dispositions permettent d'éviter la réalisation d'un évidement dans le plateau de la volute mobile et donc une usure prématurée du palier d'entraînement de la volute mobile.

Toutefois, ce mode de réalisation provoque une évolution de pression dissymétrique entre les deux chambres de compression extérieures du fait que le volume de ces deux chambres est différent. En effet, la pression

dans la chambre qui est délimitée extérieurement par la paroi de la spirale qui comporte la surélévation est plus élevée que dans la chambre qui est délimitée extérieurement par la paroi de la spirale sans surélévation.

Il en résulte des fuites de fluide entre ces deux chambres et donc une diminution des performances du compresseur.

La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Le problème technique à la base de l'invention consiste donc à fournir un compresseur frigorifique à spirales qui soit de structure compacte et permettant d'améliorer les performances de ce dernier, tout en évitant un endommagement prématuré de certaines pièces du compresseur.

A cet effet, la présente invention concerne un compresseur frigorifique à spirales, comprenant une volute fixe et une volute mobile, la volute mobile décrivant un mouvement orbital par rapport à la volute fixe, les volutes fixe et mobile étant chacune équipées d'une spirale, les deux spirales étant engagées l'une dans l'autre et délimitant des chambres de compression de volume variable, seule la spirale de la volute mobile comprenant une surélévation s'étendant sur au moins une portion de sa longueur, caractérisé en ce qu'au moins l'une des volutes comprend au moins un canal agencé pour mettre en communication, au cours du mouvement orbital de la volute mobile, deux chambres de compression disposées de manière symétrique par rapport au centre du mouvement orbital de la volute mobile, les extrémités du canal débouchant respectivement de part et d'autre des parois extérieure et intérieure de la spirale de la volute comprenant le canal ou dans les parois extérieure et intérieure de la spirale de la volute comprenant le canal, et en ce que le canal comprend un clapet anti-retour agencé pour permettre un passage de fluide uniquement de la paroi extérieure de la spirale de la volute comprenant le canal vers la paroi intérieure de celle-ci.

La présence du canal permet de mettre en communication les deux chambres de compression extérieures au cours du mouvement orbital relatif des volutes fixe et mobile, et donc de réaliser un équilibrage des pressions de part et d'autre de ces deux chambres par un écoulement de fluide de l'une des chambres vers l'autre chambre. Cet équilibrage des pressions permet ainsi de compenser la dissymétrie de pression entre les deux chambres de compression extérieures due à la réalisation d'une seule surélévation sur la spirale de la volute mobile, et donc d'éviter les fuites de fluide entre les chambres délimitées par les spirales.

Seule la spirale de la volute mobile comprend une surélévation s'étendant sur au moins une portion de sa longueur. Ces dispositions permettent d'éviter la réalisation d'un évidement dans le plateau de la volute mobile et donc de provoquer une usure prématurée du palier d'entraînement de la volute mobile.

La présence du clapet anti-retour dans le canal permet d'éviter de faire communiquer une chambre de compression intérieure avec une chambre de compression extérieure durant le mouvement orbital de la volute mobile, et donc d'éviter une fuite de fluide pressurisé vers une chambre de compression extérieure, quand elle est à plus basse pression.

Selon un mode de réalisation de l'invention, les extrémités du canal sont décalées angulairement l'une par rapport à l'autre par rapport au centre du mouvement orbital de la volute mobile, d'un angle de préférence inférieur ou égal à 160°, avantageusement inférieur à 120°, et préférentiellement d'environ 60°.

De telles valeurs d'angle permettent de limiter la longueur du canal, ce qui a pour conséquence d'une part d'éviter la création d'un volume mort important susceptible de diminuer les performances du compresseur, et d'autre part de faciliter la réalisation du canal. Selon un mode de réalisation de l'invention, la volute fixe comprend au moins un canal disposé en regard de la portion de la spirale de la volute mobile comprenant la surélévation à une position angulaire par rapport au centre du mouvement orbital de la volute mobile située entre la position angula ire de l 'extrém ité intérieure de la surélévation, et un point diamétralement opposé à celle-ci.

Il doit être noté que le centre du mouvement orbital de la volute mobile est le centre de la spirale de la volute fixe.

Avantageusement, le canal ménagé dans la volute fixe comprend un clapet anti-retour agencé pour permettre un passage de fluide uniquement de la paroi extérieure de la spirale de la volute fixe vers la paroi intérieure de celle-ci.

De préférence, l'extrémité du canal débouchant dans ou du côté de la paroi intérieure de la spirale de la volute fixe est située en retrait de l'extrémité du canal débouchant dans ou du côté de la paroi extérieure de la spirale de la volute fixe par rapport à l'extrémité intérieure de la surélévation.

Selon un mode de réalisation de l'invention, la surélévation s'étend à partir de l'extrémité extérieure de la spirale de la volute mobile.

Avantageusement, la surélévation s'étend sur au moins 180° à partir de l'extrémité extérieure de la spirale de la volute mobile. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la volute mobile comprend au moins un canal disposé en regard de sa portion ne comportant pas la surélévation à une position angulaire par rapport au centre du mouvement orbital de la volute mobile située entre la position angulaire de l'extrémité intérieure de la surélévation, et un point diamétralement opposé à celle-ci.

Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, le canal ménagé dans la volute mobile comprend un clapet anti-retour agencé pour permettre un passage de fluide uniquement de la paroi extérieure de la spirale de la volute mobile vers la paroi intérieure de celle-ci. De préférence, l'extrémité du canal débouchant dans ou du côté de la paroi intérieure de la spirale de la volute mobile est située en retrait de l'extrémité du canal débouchant dans ou du côté de la paroi extérieure de la spirale de la volute mobile par rapport à l'extrémité intérieure de la surélévation. Avantageusement, les volutes fixe et mobile comprennent chacune plusieurs canaux décalés angulairement, chaque canal comprenant un clapet anti-retour.

De préférence, la volute fixe comprend un évidement agencé pour recevoir la surélévation de la spirale de la volute mobile. De toute façon l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, deux formes d'exécution de ce compresseur frigorifique à spirales.

Figure 1 est une vue en coupe longitudinale des volutes fixe et mobile d'un compresseur frigorifique à spirales.

Figu re 2 est u ne vue en perspective de la volute mobile du compresseur de figure 1 .

Figure 3 est une vue en coupe long itud inale de la volute de figure 2. Figure 4 est une vue de dessus de la volute mobile de figure 2.

Figure 5 est une vue en coupe longitudinale de la volute fixe du compresseur de figure 1.

Figures 6, 8, 9 et 11 sont des vues en coupe transversale des deux spirales des volutes de figure 1 , dans quatre positions de fonctionnement distinctes décalées respectivement d'un quart de tour.

Figures 7, et 10 sont des vues partielles en coupe longitudinale des deux volutes de figure 1 , montrant le clapet anti-retour dans deux positions de fonctionnement distinctes.

Figures 12, 14, 15 et 17 sont des vues en coupe transversale des deux spirales d'un compresseur selon une seconde forme d'exécution de l'invention, dans quatre positions de fonctionnement distinctes décalées respectivement d'un quart de tour.

Figures 13 et 16 sont des vues partielles en coupe longitudinale des deux spirales du compresseur de figure 12, montrant le clapet anti-retour dans deux positions de fonctionnement distinctes.

Les figures 1 à 11 représentent les volutes fixe et mobile d'un compresseur frigorifique à spirales selon une première forme d'exécution de l'invention.

Un compresseur frigorifique à spirales comprend généralement une enceinte étanche délimitée par une enveloppe contenant un corps servant au montage d'un étage de compression de gaz frigorigène.

Cet étage de compression comprend une volute fixe 3 comportant un plateau circulaire 4 équipé d'une première spirale 5 tournée vers le bas, et une volute mobile 6 comportant un plateau circulaire 7 équipé d'une seconde spirale 8 tournée vers le haut.

Le compresseur comprend u n arbre d'entraînement (non représenté sur les figures) dont l'extrémité supérieure est engagée dans une partie en forme de manchon 11 , que comporte la volute mobile 6. Lors de son entraînement en rotation par un moteur électrique contenu dans l'enveloppe, l'arbre d'entraînement entraîne la volute mobile 6 suivant un mouvement orbital par rapport à la volute fixe 3.

Les première et seconde spirales 5, 8 sont engagées l'une dans l'autre et délimitent des chambres de compression de volume variable.

La spirale 8 de la volute mobile 6 comprend une surélévation 12 s'étendant sur environ 360° à partir de son l'extrémité extérieure. Ainsi, la spirale 8 de la volute mobile 6 comprend une première portion s'étendant de

l'extrémité intérieure de la spirale jusqu'à une portion de transition T, et une seconde portion comportant la surélévation 12 et s'étendant de la portion de transition T jusq u'à l 'extrém ité extérieu re de la spirale 8. Comme plus particulièrement montré sur la figure 3, la seconde portion présente une hauteur h1 supérieure à la hauteur h2 de la première portion.

La portion de transition T est délimitée par une surface convexe semi-circulaire.

Comme montré sur les figures 1 et 5, la volute fixe 3 comprend un évidement 13 ménagé sur la face du plateau 4 tournée vers la volute mobile 6 et agencé pour recevoir la surélévation 12 de la spirale 8 de la volute mobile 6. L'évidement 13 s'étend su r environ 360° et présente une profondeur correspondant à la hauteur de la surélévation 12, c'est-à-dire une hauteur égale à la différence entre les hauteurs h 1 et h2 des première et seconde portions de la spirale 8. L'extrémité intérieure de l'évidement 1 3 est délimitée par une surface concave semi-circulaire 14. La surface convexe délimitant la portion de transition T est agencée pour coopérer avec la surface concave 14 délimitant l'extrémité intérieure de l'évidement 13.

Comme montré notamment sur les figures 6 et 7, la volute fixe 3 comprend un canal traversant 15 ménagé dans son plateau 4. Les extrémités du canal traversant 15 débouchent respectivement de part et d'autre des parois extérieure et intérieure de la spirale 5 de la volute fixe 3. Le canal traversant 15 est situé en regard de la paroi intérieure de la seconde portion de la spirale 8 comprenant la surélévation 12. Comme montré sur la figure 7, le canal traversant 15 comprend une première portion 16 débouchant du côté de la paroi extérieure de la spirale 5 de la volute fixe 3 et une seconde portion 17 débouchant du côté de la paroi intérieure de la spirale 5 de la volute fixe 3. Les première et seconde portions 16, 17 s'étendent parallèlement à l'axe du compresseur et sont reliées l'une à l'autre par une troisième portion 18 s'étendant perpendiculairement à l'axe du compresseur.

Comme montré plus particulièrement sur la figure 6, les première et seconde portions 16, 17 du canal traversant 15 sont décalées angulairement l'une par rapport à l'autre. En effet, l'extrémité amont du canal traversant 15, c'est-à-dire l'extrémité de la première portion 16 débouchant du côté de la paroi extérieure

de la spirale 5, est située dans la zone d e l'extrémité intérieure de la surélévation 12, tandis que l'extrémité aval du canal traversant 15, c'est-à-dire l'extrémité de la seconde portion 17 débouchant du côté de la paroi intérieure de la spirale 5, est située en retrait de l'extrémité amont de ce dernier par rapport à la surface concave 14.

Comme montré sur la figure 7, le canal traversant 15 comprend un clapet anti-retour 19 monté dans la troisième portion 18 et agencé pour permettre un passage de fluide uniquement de l'extrémité amont du canal traversant 15 vers l'extrémité aval de ce dernier. Le clapet anti-retour est mobile en translation entre une première position fermée (représentée sur la figure 7) dans laquelle il prend appui contre l'ouverture de la première portion 16 débouchant dans la troisième portion 18, et une seconde position ouverte (représentée sur la figure 10) dans laquelle il est éloigné de l'ouverture de la première portion 16 débouchant dans la troisième portion 18 et permet un écoulement de fluide de la première portion 16 vers la seconde portion 17.

La volute fixe 3 comprend un couvercle 21 agencé pour obturer de manière étanche la troisième portion 18 du canal traversant 15.

Le fonctionnement du compresseur frigorifique à spirales va maintenant être décrit en référence aux figures 6 à 11.

La figure 6 montre une position des volutes fixe 3 et mobile 6 dans laquelle les deux chambres de compression extérieures 22, 23 délimitées extérieurement respectivement par la paroi intérieure de la spirale 8 de la volute mobile 6 et par la paroi intérieure de la spirale 5 de la volute fixe 3 présentent chacune une surface maximale vue de dessus. Cette position des volutes fixe 3 et mobile 6 correspond à la position dite de « prise de cylindrée », c'est-à-dire d'admission du gaz dans les chambres de compression.

Dans cette position des volutes fixe 3 et mobile 6, la chambre de compression 23 délimitée extérieurement par la spirale 5 de la volute fixe 3 présente un volume inférieur à celui de la chambre de compression 22 délimitée extérieurement par la spirale 8 de la volute mobile 6, puisque cette dernière est délimitée essentiellement par la seconde portion de la spirale mobile comprenant la surélévation 12 et par l'évidement 13. Il en résulte une dissymétrie de pression entre les deux chambres de compression 22, 23.

Dans cette position des volutes fixe 3 et mobile 6, la surface convexe délimitant la portion de transition T est en contact avec la surface concave 14 délimitant l'extrémité intérieure de l'évidement 13. De ce fait, les deux chambres de compression extérieures 22, 23 ne peuvent pas communiquer entre elles au niveau de la portion de transition T.

De même, lorsque les volutes fixe 3 et mobile 6 sont dans la position représentée sur la figure 6, les deux chambres de compression extérieures 22, 23 ne peuvent pas communiquer entre elles au niveau du canal traversant 15 puisque ce dernier ne débouche pas dans la chambre de compression 22.

Il doit être noté que la chambre de compression intérieure 24 présente une pression supérieure à celle de la chambre de compression extérieure 22. Cette différence de pression provoque un déplacement du clapet anti-retour 19 dans la position montrée sur la figure 7, et donc une obturation du canal traversant 15 qui empêche une mise en communication des deux chambres de compression 23, 24.

La présence du clapet anti-retour 19 dans le canal traversant 15 permet donc d'éviter un écoulement de gaz frigorigène pressurisé de la chambre de compression intérieure 24 vers la chambre de compression extérieure 23.

Dès que la volute mobile 6 se déplace à partir de la position représentée sur la figure 6, la surface convexe délimitant la portion de transition T s'écarte de la surface concave 14 délimitant l'extrémité intérieure de l'évidement 13. De ce fait, les deux chambres de compression extérieures 22, 23 communiquent entre elles par l'espace E entre les surfaces semi- circulaires délimitant respectivement la portion de transition T et l'extrémité intérieure de l'évidement 13.

Cette communication entre les deux chambres de compression permet d'équilibrer les pressions de part et d'autre de celles-ci, et donc de compenser la d issymétrie de pression entre ces deux chambres de compression 22, 23.

Il doit être précisé que la surface convexe délimitant la portion de transition T reste écartée de la surface concave 14 délimitant l'extrémité intérieure de l'évidement 13 pendant un demi-tour de la volute mobile 6 à partir de la position représentée sur la figure 6.

De ce fait, l'équilibre de pression de part et d'autre des chambres de compression 22, 23 est assuré pendant un demi-tour de la volute mobile 6 à partir de la position représentée sur la figure 6 par l'intermédiaire de l'espace E ménagé entre les surfaces semi-circulaires délimitant respectivement la portion de transition T et l'extrémité intérieure de l'évidement 13.

Cet espace E est plus particulièrement montré sur la figure 8 qui représente la position des volutes fixe 3 et mobile 6 lorsque la volute mobile 6 a effectué un quart de tour à partir de la position représentée sur la figure 6.

Il doit être noté que le clapet anti-retour 19 est maintenu dans la position fermée montrée à la figure 7 pendant le premier demi-tour de la volute mobile 6 à partir de la position montrée sur la figure 6.

Les volutes fixe 3 et mobile 6 se trouvent dans la position représentée sur la figure 9, lorsque la volute mobile 6 a effectué un demi-tour complet à partir de la position représentée sur la figure 6. Dans cette position des volutes fixe 3 et mobile 6, la surface convexe délimitant la portion de transition T est en contact avec la surface concave 14 délimitant l'extrémité intérieure de l'évidement 13. De ce fait, les deux chambres de compression 22, 23 ne communiquent plus entre elles au niveau de la portion de transition T. Dans cette position des volutes fixe 3 et mobile 6, la chambre de compression 23 délimitée extérieurement par la spirale 5 de la volute fixe 3 présente un volume inférieur à celui de la chambre de compression 22 délimitée extérieurement par la spirale 8 de la volute mobile 6, puisque cette dernière est délimitée en partie par la seconde portion de la spirale 8 de la volute mobile 6 comprenant la surélévation 12 et par l'évidement 13.

Cette différence de pression provoque un déplacement du clapet anti-retour 19 dans la position ouverte montrée sur la figure 10, et donc une mise en communication des chambres de compression 22, 23 par le canal traversant 15. Cette communication entre les deux chambres de compression 22 et 23 permet un écoulement de gaz frigorigène pressurisé de la chambre de compression 22 vers la chambre de compression 23, et donc un équilibrage des pressions de part et d'autre de celles-ci.

Les volutes fixe 3 et mobile 6 se trouvent dans la position représentée sur la figure 11 , lorsque la volute mobile 6 a effectué trois quarts

de tour à partir de la position représentée sur la figure 6. Dans cette position de la volute mobile 6, le clapet anti-retour 19 est toujours dans la position ouverte. I l d o it être précisé que le canal traversant 15 débouche respectivement dans les chambres de compression 22, 23 pendant un demi- tour de la volute mobile 6 à partir de la position représentée sur la figure 9.

De ce fait, l'équilibre de pression de part et d'autre des chambres de compression 22, 23 est assuré pendant un demi-tour de la volute mobile 6 à partir de la position représentée sur la figure 9 par l'intermédiaire du canal traversant 15. Ensuite, la volute mobile 6 reprend sa position montrée sur la figure 6, car la volute mobile a effectué un tour complet.

Par conséquent, les deux chambres de compression 22, 23 communiquent sensiblement constamment entre elles (sauf lorsqu'elles se trouvent dans la position de « prise de cylindrée »), ce qui permet d'assurer une compensation de la dissymétrie de pression des chambres quelle que soit la position de la volute mobile 6.

Les figures 14 à 17 représentent un compresseur frigorifique à spirale selon une seconde forme d'exécution de l'invention qui diffère de celui représenté sur les figures 1 à 11 essentiellement en ce que le canal traversant 15' est ménagé dans le plateau 7 de la volute mobile 6, et en ce qu'il est disposé en regard de la portion de cette dernière ne comportant pas la surélévation 12.

Comme montré sur la figure 13, le canal traversant 15' comprend une première portion 31 débouchant du côté de la paroi extérieure de la spirale 8 de la volute mobile 6 et une seconde portion 32 débouchant du côté de la paroi intérieure de la spirale 8 de la volute mobile 6. Les première et seconde portions 31 , 32 s'étendent parallèlement à l'axe du compresseur et sont reliées l'une à l'autre par une troisième portion 33 s'étendant perpendiculairement à l'axe du compresseur. Comme montré plus particulièrement sur la figure 12, les première et seconde portions 31 , 32 d u canal traversant 15' sont décalées angulairement l'une par rapport à l'autre.

L'extrémité amont du canal traversant 15', c'est-à-dire l'extrémité de la première portion 31 débouchant du côté de la paroi extérieure de la spirale 8 de la volute mobile 6, est sensiblement diamétralement opposée à la portion de transition T, tandis que l'extrémité aval du canal traversant 15', c'est-

à-dire l'extrémité de la seconde portion 32 débouchant du côté de la paroi intérieure de la spirale 8, est située en retrait de l'extrémité amont de ce dernier par rapport à l'extrémité intérieure de la surélévation 12.

Le canal traversant 15' ménagé dans la volute mobile 6 comprend un clapet anti-retour 19' monté dans la troisième portion agencé pour permettre un passage de fluide uniquement de l'extrémité amont du canal traversant 15' vers l'extrémité aval de ce dernier.

Comme montré sur la figure 13, le canal traversant 15' comprend un clapet anti-retour 19' monté dans la première portion 31 et agencé pour permettre un passage de fluide uniquement de l'extrémité amont du canal traversant 15' vers l'extrémité aval de ce dernier.

Le clapet anti-retour 19' est mobile en translation entre une première position (représentée sur la figure 13) dans laquelle il obture la première portion 31 , et une seconde position (représentée sur la figure 16) dans laquelle il est permet un écoulement de fluide de la première portion 31 vers la seconde portion 32.

Le clapet anti-retour 19' est soumis à l'action d'un ressort de compression 34 qui tend à maintenir le clapet anti-retour dans la position fermée représentée sur la figure 13. Le fonctionnement du compresseur selon la seconde forme d'exécution de l'invention est sensiblement identique à celui du compresseur représenté sur les figures 1 à 11 , et ne sera par conséquent pas décrit.

Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce compresseur frigorifique à spirales, décrites ci-dessus à titre d'exemples, elle en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.

C'est ainsi notamment que les volutes fixe 3 et mobile 6 pourraient chacune comporter un ou plusieurs canaux traversant comportant chacun un clapet antiretour. De plus, chaque clapet anti-retour utilisé pour contrôler le débit dans les canaux 15 et 115 pourrait comporter un élément élastique pour faciliter sa refermeture.