EP0618365B1 - Machine volumétrique à guidage magnétique - Google Patents

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EP0618365B1
EP0618365B1 EP94400343A EP94400343A EP0618365B1 EP 0618365 B1 EP0618365 B1 EP 0618365B1 EP 94400343 A EP94400343 A EP 94400343A EP 94400343 A EP94400343 A EP 94400343A EP 0618365 B1 EP0618365 B1 EP 0618365B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
axis
piston
casing
capsule
axes
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94400343A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0618365A1 (fr
Inventor
Benoit Barthod
Jean-Pierre Chicherie
Denis Perrillat-Amede
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alcatel CIT SA
Original Assignee
Alcatel CIT SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alcatel CIT SA filed Critical Alcatel CIT SA
Publication of EP0618365A1 publication Critical patent/EP0618365A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0618365B1 publication Critical patent/EP0618365B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C15/00—Component parts, details or accessories of machines, pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C2/00 - F04C14/00
    • F04C15/0057—Driving elements, brakes, couplings, transmission specially adapted for machines or pumps
    • F04C15/008—Prime movers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/22—Rotary-piston machines or pumps of internal-axis type with equidirectional movement of co-operating members at the points of engagement, or with one of the co-operating members being stationary, the inner member having more teeth or tooth-equivalents than the outer member

Definitions

  • the present invention relates to a volumetric machine such as a vacuum pump or a compressor.
  • the invention applies to a vacuum pump of small flow, dry, non-polluting and capable of discharging the pumped gas at atmospheric pressure.
  • Roots, claw or twin screw pumps are known, but these machines have two shafts, synchronized in rotation by lubricated gears, so they are not entirely dry.
  • Dry vane pumps are still known, but the vanes wear out quickly and cause a significant deterioration in performance, a short service life of the pump and pollution of the vacuum chamber by wear products.
  • Membrane pumps are still known, but membranes have a short service life, or piston pumps, but they have poor performance and a high level of noise and vibration.
  • a machine with planetary movement is also known, for example from document DE 42 09 607 which describes a rotary piston machine comprising a rotor which describes a planetary movement inside a stator: the axis of the rotor describes a circle while that it also rotates in opposite directions around its axis.
  • the teeth of the rotor and the stator are of the cycloid type: epicycloids for the heads of the teeth of the rotor and the feet of teeth of the inside teeth of the stator and hypocycloids for the heads of teeth of the inside teeth of the stator and rotor tine feet.
  • the planetary movement is obtained by direct contact between the rotor and the stator.
  • this requires that the pumped fluid be lubricating.
  • the profile of the rotor and the stator is complicated.
  • the invention relates to a new type of dry primary pump which overcomes largely the problems and defects of known dry primary pumps. It is a volumetric machine with planetary and geometric hypertrochoidal movement.
  • the machine comprises a cylindrical piston, a cylindrical capsule which surrounds it and a bent shaft whose axes are parallel to those of the cylinders defining the shape of the piston and the capsule, in rotoid connection with this piston and this capsule.
  • the cylinder defining the shape of the piston has an order of symmetry with respect to its axis equal to S p , that of the capsule an order of equal symmetry to S c ; S p and S c are chosen so that these values differ by one.
  • the geometry of the piston and of the capsule is chosen so that there is direct correspondence between these elements.
  • One of the organs, capsule or piston has a profile P 1 which identifies with a curve uniformly distant from a closed hypertrochoid, having neither double point nor cusp, excluding hypertrochoids degenerated into hypotrochoids, epitrochoids or peritrochoids .
  • the P 1 profile can also be at zero distance from such a hypertrochoid and therefore identify with it.
  • the definition of hypertrochoids is specified in FR-A-2 203 421.
  • the other organ has a profile P 2 which is the envelope of P 1 in a relative planetary movement defined by two circles C 1 and C 2 of centers and of respective radii (0 1 , R 1 ) and (0 2 , R 2 ), these circles C 1 and C 2 being respectively integral with the profiles P 1 and P 2 and rolling over one another without sliding by internal contact ,
  • machines can be derived from machines belonging to one of the four preceding families. Indeed, one can use a profile P 2 of which at least part is identified with the envelope of P 1 in its movement relative to P 2 and of which at least a part is external to this envelope in the case of families I or II and is inside this envelope in the case of families III or IV, the different parts connecting to define a closed curve.
  • the planetary movement of such machines can be achieved either by an internal gear with parallel axes, the wheels of which are respectively integral with the piston and the capsule and whose pitch radii are respectively equal to R 1 and R 2 , or, if the geometry of the surfaces of the piston and of the capsule which are in contact allows sufficient driving and if the fluid conveyed in the machine is sufficiently lubricating, then the gear can be eliminated and the relative planetary movement is directly imposed, during the drive in rotation of the bent shaft, by the piston-capsule contact.
  • the machine has the disadvantage, like the machine of the document cited above, of not be perfectly dry, because it requires the presence of a gear for the planetary movement which must therefore be lubricated to allow lasting operation, or else the presence of a pumped lubricating fluid if the gear is removed and if the movement planetary is directly obtained by direct contact between the piston and the capsule. In certain applications where the vacuum must be very clean, this is unacceptable.
  • the object of the present invention is to propose a machine as described above, but also making it possible to dispense with lubricant in the means used to generate the planetary movement of the machine.
  • the invention thus relates to a volumetric machine comprising a cylindrical piston of axis ⁇ p , rotary and located in a cylindrical capsule of axis ⁇ c , characterized in that said piston has, in a plane perpendicular to its axis ⁇ p , a section of hypertrochoidal geometry having S p axes of symmetry, said capsule defining a hollow volume whose section by a plane perpendicular to its axis ⁇ c has a hypertrochoidal geometry having S c axes of symmetry, S p and S c differentiating d '' a unit, the axes ⁇ p and ⁇ c , parallel, being separated by a distance E, said piston being mounted, free to rotate about its axis ⁇ p , on a crank pin of axis ⁇ p secured to a shaft of axis ⁇ c supported by said capsule, said shaft being intended to be driven in rotation about its axis ⁇ c by
  • the invention also relates to a volumetric machine comprising a cylindrical piston of axis ⁇ p , located in a cylindrical capsule of axis ⁇ c , characterized in that said piston has, in a plane perpendicular to its axis ⁇ p , a section of hypertrochoidal geometry having S p axes of symmetry, said capsule defining a hollow volume whose section, by a plane perpendicular to its axis ⁇ c , has a hypertrochoidal geometry having S c axes of symmetry, S p and S c differentiating d '' a unit, the axes ⁇ p and ⁇ c , parallel, being separated by a distance E, and in that said capsule is mounted, free in rotation, around its axis ⁇ c , on a crank pin of axis ⁇ c secured to a shaft with axis ⁇ p supported by bearings in a box enclosing said capsule, said box comprising
  • FIGS 1, 2 and 3 show three possible profiles of piston and capsule according to the invention.
  • FIGS. 4 and 5 show diagrammatically in two views, a machine according to the invention with piston and capsule profiles in accordance with FIG. 1.
  • Figures 6 and 7 are two views similar to Figures 4 and 5 showing a variant.
  • Figures 8 and 9 are also two views similar to Figures 4 and 5 showing another variant.
  • FIG. 10 is a detail view showing a variant of FIGS. 8 and 9.
  • Figures 11 and 12 show, in more detail, a concrete example of machines according to the invention, still in the case of profiles according to Figure 1 and according to the variant of Figure 10.
  • Figure 12 is a section along XII- XII of figure 11.
  • Figures 13 and 14 are another embodiment of a machine according to the invention, corresponding to the profiles of Figure 1, but in which the piston is fixed and where it is the capsule which performs a planetary movement around the piston axis.
  • Figure 1 shows, in section, by a plane perpendicular to the axes ⁇ p and ⁇ c , parallel, of the piston 1 and the capsule 2, the profile of a piston and a capsule.
  • FIGs 4 and 5 we will describe a machine according to the invention. These figures are simplified and in particular do not include the suction and discharge which are shown only in Figures 11 to 14. These Figures 4 and 5, as well as Figures 6 to 9, simplified, allow to understand the operation of the machine according to the invention and in particular the production relative planetary movement: either of the piston, Figures 4 to 12, or of the capsule, Figures 13 and 14.
  • This piston is cylindrical with axis ⁇ p and it is located in a cylindrical capsule 2 with axis ⁇ c .
  • These profiles P 1 and P 2 are hypertrochoidal profiles.
  • the axes ⁇ p and ⁇ c are parallel and distant by a value E.
  • the piston 1 is mounted to rotate freely, about its axis ⁇ p on a crank pin 4 by means of bearings 5 and 6.
  • the crank pin 4 is integrally connected to a shaft 7 of axis ⁇ c supported by the capsule 2 by levels 8 and 9.
  • the shaft 7 is rotated about its axis ⁇ c by a motor not shown.
  • the axis ⁇ p of the pin 4 that is to say the piston 1 is rotated about the axis ⁇ c.
  • the planetary movement of the piston 1 is caused by magnetic repulsion forces by means of permanent magnets located, on the one hand, on the surface of the piston 1 and on the other hand on the internal surface of the capsule 2.
  • FIGS. 4 and 5 it is a question, both on the piston and on the capsule, of a plurality of magnets 10 and 11 respectively.
  • these magnets are substantially polarized radially and in such a way that the poles of the same name are on the surface on the piston and the capsule so as to produce repulsion forces.
  • the piston 1 and the capsule 2 define between them three chambers A, B and C which, each, during the planetary movement of the piston, increases and decreases alternately.
  • each room is equipped with a suction inlet and a discharge outlet fitted with valves.
  • Figures 6 and 7 show an example in which the permanent magnets are axially polarized in the same direction on the piston and the capsule so as to obtain repulsion forces.
  • Figures 8 and 9 show another example in which the magnets 10 and 11 are replaced by magnetized strips 12 and 13 axially magnetized. These strips could also be magnetized radially. These magnetic strips 12 and 13 can be attached to the piston 1 and the capsule 2 and be glued to their surface.
  • FIG. 10 is a partial sectional view showing a variant, not directly attaching the magnetic strips 12 and 13 to the surfaces of the piston and of the capsule, but proceeding by molding the magnetizable material containing a plastic binder.
  • the magnetic strips 12 and 13 are not directly on the surface but, for the purposes of molding, in order to form formwork, slightly below this surface; there therefore remains a thin wall 14 and 15 respectively of the piston and of the capsule separating the two magnetic strips 12 and 13.
  • Figures 11 and 12 show a more concrete machine than the previous ones with suction and discharge and in the case where the magnetic forces are created by two magnetic strips 12 and 13 which have been cast in accordance with Figure 10.
  • the piston 1 is mounted by the bearings 5 and 6 on the crank pin 4 linked to a plate 16 itself secured to the shaft 7 which supports the assembly, cantilevered, by the bearings 8 and 9 mounted in part 2A of the capsule 2 in three parts 2A, 2B and 2C.
  • the piston 1 is held by a screw 17 and a washer 18.
  • the machine comprises three independent pumping chambers A, B and C, which each pulsate like a heart and which each comprise an inlet and outlet block 19 comprising a suction inlet 20, equipped with a valve 21, and a discharge outlet 22, fitted with a valve 23.
  • the magnetic repulsive forces which angularly position the piston relative to the capsule axially generate an unstable equilibrium point is then carried out as follows: the two magnetic strips 12, 13 are offset very slightly, axially, one with respect to the other, with respect to their unstable equilibrium point, so to obtain an axial force in a determined direction which is then collected by the mounting of the prestressed bearings.
  • the piston 1, outside the magnetic strip 12 and the capsule 2 in its three parts 2A, 2B and 2C, outside the magnetic strip 13, are made of non-magnetic material, aluminum for example, so as not to disturb the magnetic fields which position the piston relative to the capsule.
  • FIGS. 13 and 14 show an example in which the piston 1 is fixed and where it is the capsule 2 which describes a planetary movement around the fixed axis ⁇ p of the fixed piston 1.
  • the forces of Magnetic repellents are created by a plurality of permanent magnets 10 and 11 radially polarized, as in Figures 4 and 5.
  • magnets axially polarized or two magnetic strips polarized axially or radially could be used.
  • the capsule 2 is mounted to rotate freely around its axis ⁇ c on the crank pin 4 linked to the shaft 7, the axis ⁇ p of which is itself coaxial with the axis ⁇ p of the fixed piston 1.
  • the shaft 7 is supported by bearings 8 and 9, mounted in a fixed box in two parts 24A and 24B.
  • the box 24A, 24B encloses the capsule 2 in a circular cylindrical housing 25 of axis ⁇ p whose dimensions are sufficient to allow the planetary movement of the capsule 2 around the axis ⁇ p of the piston with sufficient play to avoid the contact.
  • the capsule 2, housed in the box 24A-24B is open on a side face, and it is the part 24B of the box which encloses the capsule 2, the piston 1 being fixed to this part 24B by screws, axes 26 and 27.

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Description

  • La présente invention concerne une machine volumétrique telle qu'une pompe à vide ou un compresseur.
  • En particulier, l'invention s'applique à une pompe à vide de petit débit, sèche, non polluante et capable de refouler le gaz pompé à la pression atmosphérique.
  • On connaît les pompes Roots, à griffes, ou à double vis, mais ces machines comportent deux arbres, synchronisés en rotation par des engrenages lubrifiés, elles ne sont donc pas entièrement sèches.
  • On connaît aussi les pompes à spirales appelées "pompes Scroll", mais elles sont d'un coût élevé dû à la nécessité et à la difficulté d'obtenir un profil très précis des spirales, en outre, elles ne permettent pas le pompage de condensats.
  • On connaît encore des pompes à palettes sèches, mais les palettes s'usent rapidement et entraînent une dégradation importante des performances, une faible durée de vie de la pompe et la pollution de la chambre à vide par les produits d'usure. On connaît encore les pompes à membranes, mais les membranes ont une faible durée de vie, ou les pompes à piston, mais elles ont de faibles performances et un niveau élevé de bruit et de vibration.
  • On connaît encore une machine à mouvement planétaire par exemple par le document DE 42 09 607 qui décrit une machine à piston rotatif comportant un rotor qui décrit à l'intérieur d'un stator un mouvement planétaire : l'axe du rotor décrit un cercle tandis qu'il tourne en outre, en sens contraire autour de son axe. Dans cette machine, les dentures du rotor et du stator sont de type cycloïde : épicycloïdes pour les têtes de dents du rotor et les pieds de dents de la denture intérieure du stator et hypocycloïdes pour les têtes de dents de la denture intérieure du stator et les pieds de dents du rotor.
  • Dans une telle machine, le mouvement planétaire est obtenu par le contact direct entre le rotor et le stator. Dans le cas d'une pompe à vide, cela exige alors que le fluide pompé soit lubrifiant. En outre le profil du rotor et du stator est compliqué.
  • L'invention concerne un nouveau type de pompe primaire sèche qui permet de s'affranchir en grande partie des problèmes et défauts des pompes primaires sèches connues. Il s'agit d'une machine volumétrique à mouvement planétaire et géométrique hypertrochoïdale.
  • La machine comprend un piston cylindrique, une capsule cylindrique qui l'entoure et un arbre coudé dont les axes sont parallèles à ceux des cylindres définissant la forme du piston et de la capsule, en liaison rotoïde avec ce piston et cette capsule.
  • Dans cette machine, le cylindre définissant la forme du piston présente un ordre de symétrie par rapport à son axe égal à Sp, celui de la capsule un ordre de symétrie égal à Sc ; Sp et Sc sont choisis de telle sorte que ces valeurs diffèrent d'une unité. En outre, la géométrie du piston et de la capsule est choisie pour qu'il y ait correspondance directe entre ces éléments.
  • L'un des organes, capsule ou piston a un profil P1 qui s'identifie à une courbe uniformément distante d'une hypertrochoïde fermée, ne présentant ni point double ni point de rebroussement, en excluant les hypertrochoïdes dégénérées en hypotrochoïdes, épitrochoïdes ou péritrochoïdes. Le profil P1 peut également être à distance nulle d'une telle hypertrochoïde et par conséquent s'y identifier. La définition des hypertrochoïdes est précisée dans le FR-A-2 203 421. L'autre organe a un profil P2 qui est l'enveloppe de P1 dans un mouvement planétaire relatif défini par deux cercles C1 et C2 de centres et de rayons respectifs (01, R1) et (02, R2), ces cercles C1 et C2 étant respectivement solidaires des profils P1 et P2 et roulant l'un sur l'autre sans glissement par contact intérieur, |0102| précisant l'entraxe E de l'arbre coudé.
  • Les machines répondant à ces caractéristiques peuvent être groupées en quatre familles selon la nature de l'organe dont la forme est définie par P1 et selon les valeurs comparatives des rayons R1 et R2. Il y a lieu de distinguer :
    • Les machines pour lesquelles P1 est le profil du piston et P2 est le profil de la capsule, celui-ci s'identifiant à l'enveloppe extérieure de P1 dans le mouvement planétaire de P1 relativement à P2 pour lequel R1 = SpE et R2 = ScE = (Sp+1)E (famille I).
    • Les machines pour lesquelles P1 est le profil du piston et P2 est le profil de la capsule, celui-ci s'identifiant à l'enveloppe extérieure de P1 dans le mouvement planétaire de P1 relativement à P2 pour lequel R1 = SpE et R2 = ScE = (Sp-1)E avec Sp>1 (famille II).
    • Les machines pour lesquelles P1 est le profil de la capsule et P2 est le profil du piston, celui-ci s'identifiant à l'enveloppe intérieure de P1 dans le mouvement planétaire de P1 relativement à P2 pour lequel R2 = SpE et R1 = ScE = (Sp-1)E avec Sp>1 (famille III).
    • Les machines pour lesquelles P1 est le profil de la capsule et P2 est le profil du piston, celui-ci s'identifiant à l'enveloppe intérieure de P1 dans le mouvement planétaire de P1 relativement à P2 pour lequel R2 = SpE et R1 = ScE = (Sp+1)E (famille IV).
  • D'autres machines peuvent être dérivées des machines appartenant à l'une des quatre familles précédentes. En effet, on peut utiliser un profil P2 dont une partie au moins s'identifie à l'enveloppe de P1 dans son mouvement relatif à P2 et dont une partie au moins est extérieure à cette enveloppe dans le cas des familles I ou II et est intérieure à cette enveloppe dans le cas des familles III ou IV, les différentes parties se raccordant pour définir une courbe fermée.
  • Les profils du piston et de la capsule de ces machines présentent l'avantage de pouvoir être usinés par des machines de production en très grande série (type tournage), ce qui en diminue le prix de revient.
  • Le mouvement planétaire de telles machines peut être réalisé, soit par un engrenage intérieur à axes parallèles, dont les roues sont respectivement solidaires du piston et de la capsule et dont les rayons primitifs sont respectivement égaux à R1 et R2, soit, si la géométrie des surfaces du piston et de la capsule qui sont en contact permet une conduite suffisante et si le fluide véhiculé dans la machine est suffisamment lubrifiant, alors l'engrenage peut être supprimé et le mouvement planétaire relatif est directement imposé, lors de l'entraînement en rotation de l'arbre coudé, par le contact piston-capsule.
  • Cependant avec un tel système pour la génération du mouvement planétaire, la machine a l'inconvénient, comme la machine du document cité plus haut, de ne pas être parfaitement sèche, car elle nécessite la présence d'un engrenage pour le mouvement planétaire qui doit donc être lubrifié pour permettre un fonctionnement durable, ou bien la présence d'un fluide pompé lubrifiant si l'on supprime l'engrenage et si le mouvement planétaire est directement obtenu par le contact direct entre le piston et la capsule. Dans certaines applications où le vide doit être très propre, ceci est rédhibitoire.
  • La présente invention a pour but de proposer une machine telle que décrite ci-dessus, mais permettant en outre de s'affranchir de lubrifiant dans le moyen utilisé pour engendrer le mouvement planétaire de la machine.
  • L'invention a ainsi pour objet une machine volumétrique comprenant un piston cylindrique d'axe Δp, rotatif et situé dans une capsule cylindrique d'axe Δc, caractérisé en ce que ledit piston a, dans un plan perpendiculaire à son axe Δp, une section de géométrie hypertrochoïdale ayant Sp axes de symétrie, ladite capsule définissant un volume creux dont la section par un plan perpendiculaire à son axe Δc a une géométrie hypertrochoïdale ayant Sc axes de symétrie, Sp et Sc se différenciant d'une unité, les axes Δp et Δc, parallèles, étant séparés d'une distance E, ledit piston étant monté, libre en rotation autour de son axe Δp, sur un maneton d'axe Δp solidaire d'un arbre d'axe Δc supporté par ladite capsule, ledit arbre étant destiné à être entraîné en rotation autour de son axe Δc par un moyen moteur, le piston et la capsule délimitant entre eux au moins trois chambres et la capsule comportant au moins une entrée d'aspiration et une sortie de refoulement, et en ce que la rotation du piston dans son mouvement planétaire autour de l'axe Δc de la capsule est créée par des forces magnétiques de répulsion au moyen d'aimants permanents situés, d'une part sur la surface, ou au voisinage de la surface, du piston et d'autre part sur la surface interne, ou à son voisinage, de ladite capsule.
  • L'invention a aussi pour objet une machine volumétrique comprenant un piston cylindrique d'axe Δp, situé dans une capsule cylindrique d'axe Δc, caractérisé en ce que ledit piston a, dans un plan perpendiculaire à son axe Δp, une section de géométrie hypertrochoïdale ayant Sp axes de symétrie, ladite capsule définissant un volume creux dont la section, par un plan perpendiculaire à son axe Δc, a une géométrie hypertrochoïdale ayant Sc axes de symétrie, Sp et Sc se différenciant d'une unité, les axes Δp et Δc, parallèles, étant séparés d'une distance E, et en ce que ladite capsule est montée, libre en rotation, autour de son axe Δc, sur un maneton d'axe Δc solidaire d'un arbre d'axe Δp supporté par des paliers dans une boîte enfermant ladite capsule, ladite boîte comportant un logement cylindrique circulaire d'axe Δp de dimension suffisante pour permettre la libre rotation du maneton autour de l'axe Δp dudit arbre et le mouvement planétaire de ladite capsule autour de l'axe Δp, ladite capsule étant ouverte sur une face latérale et ledit piston étant lié, du côté de cette face, sans liberté de mouvement à ladite boîte, ledit arbre étant destiné à être entraîné en rotation autour de son axe Δp par un moyen moteur, la rotation de la capsule dans son mouvement planétaire autour de l'axe Δp du piston étant créée par des forces magnétiques de répulsion au moyen d'aimants permanents situés, d'une part sur la surface, ou au voisinage de la surface, du piston et d'autre part sur la surface interne, ou à son voisinage, de ladite capsule, le piston et la capsule délimitant entre eux, au moins trois chambres, une face latérale de ladite boîte comportant au moins une entrée d'aspiration et une sortie de refoulement dans au moins une dite chambre.
  • L'invention va maintenant être décrite en se reportant au dessin annexé dans lequel :
  • Les figures 1, 2 et 3 représentent trois profils possibles de piston et de capsule conformes à l'invention.
  • Les figures 4 et 5 montrent schématiquement selon deux vues, une machine selon l'invention avec des profils de piston et de capsule conformes à la figure 1.
  • Les figures 6 et 7 sont deux vues similaires aux figures 4 et 5 montrant une variante.
  • Les figures 8 et 9 sont également deux vues similaires aux figures 4 et 5 montrant une autre variante.
  • La figure 10 est une vue de détail montrant une variante des figures 8 et 9.
  • Les figures 11 et 12 montrent, en plus détaillé, un exemple concret de machines selon l'invention, toujours dans le cas de profils conformes à la figure 1 et selon la variante de la figure 10. La figure 12 est une coupe selon XII-XII de la figure 11.
  • Les figures 13 et 14 sont un autre exemple de réalisation d'une machine selon l'invention, correspondant aux profils de la figure 1, mais dans laquelle le piston est fixe et où c'est la capsule qui effectue un mouvement planétaire autour de l'axe du piston.
  • La description qui suit en référence aux figures énumérées ci-dessus, se rapporte à un groupe de profils de machines particulièrement intéressant, appartenant à la famille I définie ci-dessus et dont le profil P1 du piston répond à l'équation suivante dans le plan complexe : Z 1 = 1+S 2 E.e ​ i k s (1-S) + R m e ​ i k s + 1-S 2 E.e ​ i k s (1+S)
    Figure imgb0001
        dans laquelle Z1 désigne l'affixe du point générateur du profil P1, chaque point étant précisé par une valeur particulière du paramètre cinématique k dont le domaine de variation est compris entre O et 2Sπ pour parcourir une seule fois la courbe, S est un nombre entier qui désigne l'ordre de symétrie de P1 par rapport à l'origine du plan complexe et est choisi arbitrairement, E et Rm sont deux longueurs choisies librement à condition que la courbe correspondante ne présente ni point double, ni point de rebroussement, ce qui limite indirectement la valeur du rapport E/Rm
  • L'un des intérêts de ces machines est que lorsque le profil P1 du piston répond à l'équation ci-dessus, le profil P2 de la capsule qui est l'enveloppe de P1 dans le mouvement planétaire relatif, répond également à cette équation.
  • Ainsi, la figure 1 représente, en section, par un plan perpendiculaire aux axes Δp et Δc, parallèles, du piston 1 et de la capsule 2, le profil d'un piston et d'une capsule.
  • Ces profils P1 pour le piston 1 et P2 pour la capsule 2 répondent à l'équation ci-dessus avec un piston 1 d'ordre de symétrie Sp = 2 et une capsule 2 d'ordre de symétrie Sc = 3. E est la distance séparant les axes Δp et Δc.
  • La figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1, mais dans le cas où le piston a un ordre de symétrie Sp = 3 et la capsule 2 un ordre de symétrie Sc = 4.
  • La figure 3 montre un autre exemple dans lequel le piston 1 a un ordre de symétrie Sp = 4 et la capsule 2 un ordre de symétrie Sc = 3.
  • Il est à noter que le nombre d'axes de symétrie est égal à l'ordre de symétrie.
  • Ces trois figures correspondent à des profils de pistons et de capsules répondant à l'équation ci-dessus.
  • Dans les machines des figures suivantes, données en exemples non limitatif de l'invention, on a choisi un piston avec deux axes de symétrie Sp = 2 et une capsule avec trois axes de symétrie : Sc = 3.
  • En se référant maintenant aux figures 4 et 5, on va décrire une machine conforme à l'invention. Ces figures sont simplifiées et ne comportent notamment pas les aspirations et refoulements qui sont représentés seulement sur les figures 11 à 14. Ces figures 4 et 5, ainsi que les figures 6 à 9, simplifiées, permettent de comprendre le fonctionnement de la machine selon l'invention et notamment la production du mouvement planétaire relatif : soit du piston, figures 4 à 12, soit de la capsule, figures 13 et 14.
  • Ainsi, en se référant aux figures 4 et 5, on voit une machine volumétrique selon l'invention comportant un piston 1 dont le profil P1 correspond à l'équation donnée ci-dessus, et ayant deux axes de symétrie : Sp = 2. Ce piston est cylindrique d'axe Δp et il est situé dans une capsule cylindrique 2 d'axe Δc. Cette capsule 2 définit un volume creux 3 cylindrique dont la section a un profil P2 correspondant également à l'équation ci-dessus et ayant trois axes de symétrie : Sc = 3. Ces profils P1 et P2 sont des profils hypertrochoïdaux. Les axes Δp et Δc sont parallèles et distants d'une valeur E.
  • Le piston 1 est monté libre en rotation, autour de son axe Δp sur un maneton 4 par l'intermédiaire de paliers 5 et 6. Le maneton 4 est solidairement lié à un arbre 7 d'axe Δc supporté par la capsule 2 par des paliers 8 et 9.
  • L'arbre 7 est entraîné en rotation autour de son axe Δc par un moteur non représenté. Pendant cette rotation, l'axe Δp du maneton 4, c'est-à-dire du piston 1, tourne autour de l'axe Δc. Le mouvement planétaire du piston 1 est provoqué par le moyen de forces magnétiques de répulsion au moyen d'aimants permanents situés, d'une part, à la surface du piston 1 et d'autre part à la surface interne de la capsule 2.
  • Sur les figures 4 et 5, il s'agit, aussi bien sur le piston que sur la capsule, d'une pluralité d'aimants respectivement 10 et 11. Dans le cas de ces deux figures 4 et 5, ces aimants sont polarisés sensiblement radialement et de telle sorte que les pôles de même nom sont en surface sur le piston et la capsule de façon à produire des efforts de répulsion.
  • Ainsi, lors de la rotation de l'arbre 7 autour de son axe Δc par un moyen moteur, ce sont les forces magnétiques de répulsion des aimants qui provoqueront le mouvement complémentaire de rotation du piston sur lui-même achevant son mouvement planétaire autour de l'axe Δc de la capsule.
  • Ainsi, grâce à ces forces magnétiques de répulsion, le piston est positionné par rapport à la capsule, et ce sans contact, aucun lubrifiant n'est donc nécessaire. Ces forces magnétiques guident le piston lorsqu'il est mis en mouvement par le maneton et lui confèrent un mouvement de rotation sur lui-même, c'est-à-dire par rapport à son axe Δp.
  • Le piston 1 et la capsule 2 délimitent entre eux trois chambres A, B et C qui, chacune, au cours du mouvement planétaire du piston, croît et décroît alternativement. Ainsi, chaque chambre est équipée d'une entrée d'aspiration et d'une sortie de refoulement équipées de clapets. Ces entrées et sorties ne sont représentées que sur les figures 11 à 14.
  • Les figures 6 et 7 montrent un exemple dans lequel les aimants permanents sont polarisés axialement, dans le même sens sur le piston et la capsule de façon à obtenir des efforts de répulsion.
  • Les figures 8 et 9 montrent un autre exemple dans lequel les aimants 10 et 11 sont remplacés par des bandeaux aimantés 12 et 13 aimantés axialement. Ces bandeaux pourraient également être aimantés radialement. Ces bandeaux aimantés 12 et 13 peuvent être rapportés sur le piston 1 et la capsule 2 et être collés à leur surface.
  • On peut aussi, comme on le voit sur la figure 10, qui est une vue partielle en coupe montrant une variante, ne pas rapporter directement les bandeaux aimantés 12 et 13 sur les surfaces du piston et de la capsule, mais procéder par moulage de la matière magnétisable contenant un liant plastique. Dans ce cas, les bandeaux aimantés 12 et 13 ne sont pas directement en surface mais, pour les besoins du moulage, afin de réaliser un coffrage, légèrement sous cette surface ; il subsiste donc une fine paroi respectivement 14 et 15 du piston et de la capsule séparant les deux bandeaux magnétiques 12 et 13.
  • L'utilisation de bandeaux magnétiques améliore la répartition et l'homogénéité des forces de répulsion magnétiques par rapport à l'utilisation d'une pluralité d'aimants, comme sur les figures 4 à 7.
  • Les figures 11 et 12 montrent une machine plus concrète que les précédentes avec les aspirations et les refoulements et dans le cas où les forces magnétiques sont créées par deux bandeaux magnétiques 12 et 13 qui ont été coulés conformément à la figure 10.
  • Dans ces figures, le piston 1 est monté par les paliers 5 et 6 sur le maneton 4 lié à un plateau 16 lui-même solidaire de l'arbre 7 qui supporte l'ensemble, en porte à faux, par les paliers 8 et 9 montés dans la partie 2A de la capsule 2 en trois parties 2A, 2B et 2C. Le piston 1 est maintenu par une vis 17 et une rondelle 18.
  • La machine comporte trois chambres de pompage A, B et C, indépendantes, qui pulsent chacune comme un coeur et qui comportent chacune un bloc d'entrée et de sortie 19 comportant une entrée d'aspiration 20, équipée d'un clapet 21, et une sortie de refoulement 22, équipée d'un clapet 23.
  • Dans cet exemple, où l'on utilise deux bandeaux magnétiques polarisés axialement, les forces magnétiques de répulsion qui positionnent angulairement le piston par rapport à la capsule engendrent axialement un point d'équilibre instable. Le positionnement axial du piston est alors réalisé de la façon suivante : on décale très légèrement, axialement, les deux bandeaux magnétiques 12, 13, l'un par rapport à l'autre, par rapport à leur point d'équilibre instable, de façon à ce que l'on obtienne une force axiale dans un sens déterminé qui est alors encaissée par le montage des roulements en précontrainte.
  • Un intérêt de la configuration des profils P1 avec un ordre de symétrie Sp = 2 et P2 avec un ordre de symétrie Sc = 3 est que le profil P2 de la capsule est constitué de trois segments de droite et de trois arcs de fermeture. Un autre intérêt est que cette machine possède trois chambres de travail indépendantes, de volumes morts théoriquement nuls.
  • Le piston 1, en dehors du bandeau magnétique 12 et la capsule 2 dans ses trois parties 2A, 2B et 2C, en dehors du bandeau magnétique 13, sont réalisés en matériau amagnétique, en aluminium par exemple, afin de ne pas perturber les champs magnétiques qui positionnent le piston par rapport à la capsule.
  • Enfin, les figures 13 et 14 montrent un exemple dans lequel le piston 1 est fixe et où c'est la capsule 2 qui décrit un mouvement planétaire autour de l'axe Δp fixe du piston fixe 1. Dans cet exemple, les forces de répulsion magnétiques sont créées par une pluralité d'aimants permanents 10 et 11 polarisés radialement, comme dans les figures 4 et 5. Bien entendu, on pourrait utiliser des aimants polarisés axialement ou encore deux bandeaux magnétiques polarisés axialement ou radialement.
  • Dans cet exemple, la capsule 2 est montée libre en rotation autour de son axe Δc sur le maneton 4 lié à l'arbre 7 dont l'axe Δp est, lui, coaxial avec l'axe Δp du piston fixe 1. L'arbre 7 est supporté par des paliers 8 et 9, montés dans une boîte fixe en deux parties 24A et 24B. La boîte 24A, 24B enferme la capsule 2 dans un logement cylindrique circulaire 25 d'axe Δp dont les dimensions sont suffisantes pour permettre le mouvement planétaire de la capsule 2 autour de l'axe Δp du piston avec un jeu suffisant pour éviter le contact.
  • Dans cet exemple, la capsule 2, logée dans la boîte 24A-24B, est ouverte sur une face latérale, et c'est la partie 24B de la boîte qui enferme la capsule 2, le piston 1 étant fixé à cette partie 24B par des vis, d'axes 26 et 27.
  • Comme dans les exemples précédents, on a trois chambres indépendantes A, B et C qui comportent chacune leur aspiration et leur refoulement. Les mêmes références désignent les mêmes organes que dans les figures précédentes.

Claims (6)

  1. Machine volumétrique comprenant un piston cylindrique (1) d'axe Δp, rotatif et situé dans une capsule cylindrique (2) d'axe Δc, caractérisée en ce que ledit piston a, dans un plan perpendiculaire à son axe Δp, une section de géométrie hypertrochoïdale ayant Sp axes de symétrie, ladite capsule définissant un volume creux (3) dont la section, par un plan perpendiculaire à son axe Δc, a une géométrie hypertrochoïdale ayant Sc axes de symétrie, Sp et Sc se différenciant d'une unité, les axes Δp et Δc, parallèles, étant séparés d'une distance E, ledit piston (1) étant monté, libre en rotation autour de son axe Δp, sur un maneton (4) d'axe Δp solidaire d'un arbre (7) d'axe Δc supporté par ladite capsule (2), ledit arbre (7) étant destiné à être entraîné en rotation autour de son axe Δc par un moyen moteur, le piston et la capsule délimitant entre eux au moins trois chambres (A, B, C) et la capsule comportant au moins une entrée d'aspiration (20) et une sortie de refoulement (22), et en ce que la rotation du piston (1) dans son mouvement planétaire autour de l'axe Δc de la capsule (2) est créée par des forces magnétiques (10, 11, 12, 13) de répulsion au moyen d'aimants permanents situés, d'une part sur la surface, ou au voisinage de la surface, du piston, et d'autre part sur la surface interne, ou à son voisinage, de ladite capsule.
  2. Machine volumétrique comprenant un piston cylindrique (1) d'axe Δp, situé dans une capsule cylindrique (2) d'axe Δc, caractérisée en ce que ledit piston a, dans un plan perpendiculaire à son axe Δp, une section de géométrie hypertrochoïdale ayant Sp axes de symétrie, ladite capsule (2) définissant un volume creux (3) dont la section, par un plan perpendiculaire à son axe Δc, a une géométrie hypertrochoïdale ayant Sc axes de symétrie, Sp et Sc se différenciant d'une unité, les axes Δp et Δc, parallèles, étant séparés d'une distance E, et en ce que ladite capsule (2) est montée, libre en rotation, autour de son axe Δc, sur un maneton (4) d'axe Δc solidaire d'un arbre (7) d'axe Δp supporté par des paliers (8, 9) dans une boîte (24A, 24B) enfermant ladite capsule, ladite boîte comportant un logement cylindrique (25) circulaire d'axe Δp de dimension suffisante pour permettre la libre rotation du maneton (4) autour de l'axe Δp dudit arbre (7) et le mouvement planétaire de ladite capsule (2) autour de l'axe Δp, ladite capsule (2) étant ouverte sur une face latérale et ledit piston étant lié, du côté de cette face, sans liberté de mouvement, à ladite boîte, ledit arbre (7) étant destiné à être entraîné en rotation autour de son axe Δp par un moyen moteur, la rotation de la capsule dans son mouvement planétaire autour de l'axe Δp du piston (1) étant créée par des forces magnétiques de répulsion au moyen d'aimants permanents (10, 11) situés, d'une part sur la surface, ou au voisinage de la surface, du piston, et d'autre part sur la surface interne, ou à son voisinage, de ladite capsule, le piston et la capsule délimitant entre eux, au moins trois chambres (A, B, C), une face latérale (24B) de ladite boîte comportant au moins une entrée d'aspiration (20) et une sortie de refoulement (22) communiquant dans au moins une dite chambre.
  3. Machine volumétrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits aimants permanents sont polarisés axialement.
  4. Machine volumétrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits aimants permanents sont polarisés radialement.
  5. Machine volumétrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits aimants permanents comprennent une pluralité d'aimants (10) sur le piston et une pluralité d'aimants (11) sur la surface interne de la capsule.
  6. Machine volumétrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit piston porte un bandeau magnétique (12) et en ce que ladite capsule porte un bandeau magnétique (13).
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