EP2334906B1 - Machine rotative a losange deformable multifonctions - Google Patents
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- EP2334906B1 EP2334906B1 EP09741330.6A EP09741330A EP2334906B1 EP 2334906 B1 EP2334906 B1 EP 2334906B1 EP 09741330 A EP09741330 A EP 09741330A EP 2334906 B1 EP2334906 B1 EP 2334906B1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
- F01C1/30—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members
- F01C1/40—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and having a hinged member
- F01C1/44—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and having a hinged member with vanes hinged to the inner member
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- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C11/00—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type
- F01C11/002—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle
- F01C11/004—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle and of complementary function, e.g. internal combustion engine with supercharger
Definitions
- the present invention relates to a rotary machine with deformable rhombus.
- a machine generally comprises a stationary assembly or stator and a movable assembly or rotor having a diamond shape articulated at its vertices and rotating around its center, able to deform during its rotation.
- Each side of the diamond determines with the internal profile of the stator having a generally oval shape, a chamber of variable volume during the movement of the rotor.
- the sides of the articulated diamond are materialized by plates called pistons having, for the most part, an outer surface of curvilinear shape. These pistons are sometimes provided, in their area of contact with the internal profile of the stator of sealing segments.
- Such a machine can be used as a combustion engine, turbine, compressor, pump, fan, etc.
- MRLD Deformable diamond rotating machines
- a stator generally consisting of a cylindrical non-circular enclosure (a cylinder whose non-circular direction is a cylinder) outside the diamond-shaped rotor and a plurality (the most often four) of rotating elements articulated with each other at their adjacent edges in a pivot connection of an axis parallel to the longitudinal axis of the chamber, each of the rotary elements delimiting with the inner wall of the chamber a chamber or cavity with variable volume.
- MRLD type explosion engines are described for example in the documents EP 1 295 012 B1 (Nivesh SA ), and US 3,387,596 (L. Niemand ). It was recognized early on that MRLDs can also be used as pumps. This is described for example in patents US 3,295,505 (A. Jordan ) and EP 1 092 838 A2 (J. Sanchez Talero ) and in patent applications WO 86/00370 (I. Contiero ) and WO 2005/106204 (Okulov, P. ).
- the document WO 86/00370 describes a concept of MRLD comprising four external chambers with variable volume, defined between the outer surface of the rotor, the inner surface of the stator, and an internal chamber of variable volume defined inside the deformable rotor, these chambers being defined axially by two lateral closing flanges.
- the same fluid is conveyed between the internal chamber functioning as a compressor and the external chambers operating as a motor.
- a MRLD has several more or less independent cavities, which can be used in different ways.
- the patent application FR 2 911 631 (Ph.
- Kuzdzal discloses an internal combustion engine or pressurized gas injection engine having, in addition to external cavities limited by the inner wall of the enclosure and the articulated rotary members, four internal cavities each delimited by the inner walls of adjacent rotating elements and the outer ones of a central tree.
- the engine comprises two other internal cavities each located at a joint between two movable elements for lubricating the segments of the joint.
- the lubricating oil can also be used to cool the engine and, in this case, the internal cavities communicate with each other by being connected by oil circulation channels.
- the oil is fed into an internal lubrication / cooling circuit of the engine by a pump, the internal cavities being used only to open and close valves of the internal circuit of the engine for cooling the engine in a closed circuit. It should be noted that the variation in volume of the internal cavities during a complete cycle of the machine is small, but probably sufficient for a closed circuit operation of the lubricant.
- the problem that the present invention aims to solve is to present a device compact and simple, comprising a minimum of moving parts, which allows to perform at the same time different fluid processing functions.
- Another object of the invention is to propose a rotary deformable diamond machine capable of exchanging one or more fluids with one or more external circuits or internal to the machine, so as to vary the dynamic parameters and / or pressure of at least one fluid, simply and reliably over time.
- Another object of the invention is to provide a deformable diamond rotating machine capable of exchanging one or more fluids with one or more external circuits or internal to the machine, so as to vary the dynamic parameters and / or pressure of at least one fluid, autonomously, without drive by mechanical actuation system of its components.
- Another object of the invention is to provide a deformable diamond rotary machine having a higher power density and / or function density than known MRLD machines.
- a rotary deformable diamond machine comprising an enclosure forming a stator adapted to receive a rotor which is a deformable rhombus which is, directly or indirectly (via a seal or the outer surface of a pivoting joint) in contact, with or without clearance, sliding or rolling, with the inner surface of the enclosure, said deformable rhombus comprising a plurality of connected pistons, and preferably four pistons connected, one after the other, by a pivoting joint axis parallel to the longitudinal axis of the enclosure and thus forming a closed chain; the internal surface of the enclosure of said machine defining at least one so-called external cavity, with the extrados of at least one of said pistons, and with the lateral closing walls of the enclosure, and at least one so-called internal cavity being formed inside the rotor with the closing side walls of the enclosure; at least one of the external cavities and / or at least one of the internal cavities being connected, directly or indirectly (for example by means of valve
- the machine of the invention is therefore able to provide at least three functions, different or identical, in parallel, or in series, or at least one in parallel with two others in series, within at least three cavities with variable volume. distributed in cavities internal to the diamond, or in external cavities and internal to the diamond, in particular by means of exchange zones, said functions being each chosen from: combustion engine, turbine, compressor, pump, metering device, mixer, distributor, flow rate, energy converter, mill, so as to modify at least one of the parameters of the fluid leaving the machine, with respect to the incoming fluid.
- the machine is able to exchange at least one fluid with an external circuit by at least one of the external cavities and / or by at least one of the internal cavities.
- external circuit By external circuit, one understands a different circuit of a closed circuit belonging or internal to the machine, such as a closed circuit of lubrication or cooling of the elements of the machine itself.
- a variable volume cavity is a space defined by the components of the machine, a space whose volume varies during the relative movement of the rotor relative to the stator.
- This can be achieved with a deformation of the diamond when it rotates inside the fixed chamber of the stator.
- the objects of the invention are also achieved when the rotor and stator functions are reversed, or when the stator is a non-circular cylindrical profile internal to the diamond.
- variable volume cavity comprises a cavity associated with a fluid circuit having a function distinct from that of other cavities.
- a variable volume cavity can be used on a fluid circuit independent of that of the other cavities (for example, with four external cavities and four independent fluid circuits with respect to each other, four separate functions of the machine can be obtained).
- a variable volume cavity may be associated with a step of transforming one or more fluid parameters belonging to a fluid circuit successively passing through several cavities.
- variable volume cavities of the machine More precisely, when a fluid circuit passes through the variable volume cavities of the machine in several stages, a cavity of variable volume (or sometimes two or more cavities can be linked when they simultaneously perform the same function (it understands identity of the parameters of the fluid treated by the cavity)) is then associated with a step of transformation of the parameters of the fluid passing therethrough.
- a plurality of cavities having variable volume geometries are formed within the same machine, between the stator and the rotor, as well as inside the rotor, so that at least three of these cavities can operate simultaneously (where at the same time it is understood that the functions are performed in parallel), or successively (where successively it is understood that the functions are performed in series) as combustion engine, fluid expansion turbine, fluid compressor , pump, metering device, mixer, flow divider, energy converter, mill and this, either independently or by being connected by a fluid exchange.
- the value of at least one parameter of the fluid that enters the machine is different from that of the same parameter of the fluid leaving the machine, being transformed during the passage of the fluid through one or more cavities of variable volume. the machine, several passages through cavities of the machine that can lead to several changes in the values of one or more parameters of the fluid.
- parameter of the fluid compressible or not
- any physico-chemical parameter, quantifiable and measurable, of a nature to characterize this fluid and / or its state such as for example: pressure, temperature, velocity, vorticity, the chemical composition (case of fuels, lye %), the viscosity, the shear rate (case of pasta), the granulometry (case of crushing), the homogeneity (case of mixing, mixing in centrifugation ), concentration ...
- a rotary deformable diamond machine makes it possible to provide a higher power density than known MRLD machines.
- power density is meant the useful power of the machine per unit volume of the space occupied by this machine.
- the exploitation of several successively variable volume cavities (in series) within one and the same machine makes it possible, overall, to perform a function for treating the same fluid in several sub-functions of the same nature and operating on ranges. different from at least one of the parameters of this fluid.
- the machine of the invention can thus fulfill at least three different functions simultaneously, or in parallel, of which at least one can be a motor function, within 3 distinct variable volume cavities.
- Three or more devices are thus obtained using the thermodynamic parameters of one or more fluids which are integrated into a single machine, judiciously exploiting the variable geometry volumes created inside the machine during the deformation of the resulting diamond.
- a relative movement between the rotor and the stator of the machine (more particularly, the pistons of the rotor have a rotational movement about the longitudinal axis of the enclosure and a rotational movement around the center of the sides of the diamond) .
- the variations in speed and / or pressure and / or temperature of a fluid admitted into the machine may cause the diamond to rotate, or conversely, the rotation of the diamond can cause variations in speed and / or pressure and / or temperature of a fluid admitted into the machine, before its delivery, the rotation of the diamond which, by the variation of the volume of the cavities, internal or external thus created, varies the pressure and / or the temperature of a treatment fluid.
- This variation would then be done in several steps, for example to obtain several pressure stages of the same fluid, or even to use a first pressure of a fluid to trigger a pressure change of another fluid.
- the machine of the invention can also fulfill at least three identical functions successively, or in series, within at least 3 cavities with different variable volume.
- the engine of the invention can fulfill at least three functions within three cavities with different variable volume, two of these functions being identical and successively fulfilled (in series) while the third function is different from the first two and is filled simultaneously (in parallel).
- the object of the invention is also achieved with a machine operating as a multipump and / or multiturbine and / or multicomputer.
- the diamond can be driven by a fluid (the machine then comprises at least one turbine and at least two pumps operating in series and / or in parallel, or at least two turbines operating in series and / or in parallel associated with at least a pump) or by a motorized drive shaft, all these devices of the multipump or multiturbine type being integrated into the mechanics of the same machine.
- such a multifunctional deformable rhomboid rotary machine makes it possible to use different fluids (air, water, oil, etc.) and to integrate several functions of transformation of one or more several thermodynamic parameters of the fluid or fluids used, or even conversion of the energy of this fluid (s), for a simplified mechanical structure and for a small size, compared to known machines performing the same functions.
- Multipump or multiturbine operation or multi-compressor of such a machine advantageously finds its application in the case of complex hydraulic or pneumatic circuits that require regulation.
- Such a machine can be used as a power adapter, for example by using, at the inlet, a high-flow, low-pressure fluid to obtain at the outlet a fluid having a small flow rate and a higher pressure. It is also possible to obtain a three-stage compressor with the same machine. Such a machine also finds its application when one wants to achieve a coupling of a hydraulic circuit with a pneumatic circuit using different fluids. We can thus, for example, driving a water pump with a hydraulic motor and cooling the entire machine with compressed air, all in one machine.
- the machine comprises means for transferring or exchanging fluid from one variable volume cavity to another.
- These transfer or exchange means are in particular orifices or channels formed in the pistons, the pivots, the side flanges, the profile of the enclosure or the transmission device.
- the external cavities are peripheral extrados cavities, each being defined between the extrados face of a piston, the inner surface of the enclosure and the lateral closure flanges.
- the external cavities are extrados circular cavities, each being defined by the extrados faces of two adjacent pistons, the pivoting joint connecting them, the inner surface of the enclosure and the lateral closure flanges. .
- the device of the invention makes it possible to use up to four external cavities with the same fluid or with different fluids.
- an internal cavity is any cavity included within the rhombus.
- Such an internal cavity has at least one surface in common with the intrados face of at least one of the pistons or with the underside of at least one of the pivoting joints or with at least one intermediate piece connected to the one of the pistons or one of the pivoting joints.
- the internal cavities whose volume is caused to vary with the rotation of the rotor relative to the stator of the machine, are chosen from: the peripheral intrados cavities, the intrados circular cavities, the central cavities, the central cavities divided by one or two diagonals, the central cavities divided by one or two medians, the cylindrical cavities, the eccentric or centered toric cavities, the helical cavities, or a combination of several such internal cavities.
- said internal cavity is a circular intrados cavity formed by the space between the intrados faces of two associated pistons, a cylinder of internal revolution to the deformable rhombus and the lateral closure flanges.
- said internal cavity is an external eccentric toroidal cavity defined by the space between the outer surface of a sliding toric device whose ends bear on two associated pistons, the intrados faces of the two associated pistons, the pivoting joint. and the lateral closing flanges.
- said internal cavity is an internal eccentric toric cavity defined by the space between the piston of a first toric device and the cylinder of a second complementary O-ring device, the piston bearing on one of the pistons and the cylinder on another piston adjacent to the first, and the lateral flanges of closure.
- said internal cavity is an eccentric central cavity defined by the space between the central axis of the rhombus, the outer surface of a toric device whose ends rest on two median arms of the rhombus and the lateral closure flanges. .
- At least two of said outer peripheral cavities, or at least two of said internal cavities, or at least two of the outer and inner cavities carry a different fluid.
- the machine comprises fluid exchange zones with the external cavities, these zones being channels formed in the pistons, the pivots, the flanges, the profile of the enclosure or the transmission device.
- the machine of the invention uses the same working fluid which is transferred, during its operation, between one of the outer cavities and one of the internal cavities.
- the machine comprises fluid exchange zones with the intrados cavities, these zones being channels formed in the pistons, the pivots, the flanges, the central shaft of the machine or the transmission device.
- the pistons, the inner surface of the enclosure, the arms of the diagonals or the median arms are provided with fins so that the variations of the dynamic parameters of the fluid predominate over the variations of the static parameters.
- the machine to combine the dynamic effects, due to the speed of the fluid or fluids it conveys, and the static effects due to the pressure of the fluid or fluids carried by the machine.
- the variation of the dynamic parameters of the fluid is greater than the variation of the static parameters of the same fluid. This also allows the machine to promote heat exchange through dynamic effects and the largest heat exchange surface.
- the machine of the invention can be reversible.
- this offers the advantage of being able to integrate the machine into energy recovery processes, in particular in a storage dam where the machine can operate as a turbine to produce electrical energy or as a pump for absorbing the energy of the machine.
- network :
- a machine comprising at least one internal cavity and at least one external cavity, or comprising at least two different internal cavities, within which the same fluid passes through, will benefit from a facility of performing dynamic sealing between said cavities through an intermediate pressure bearing effect.
- a machine comprising at least two cavities of variable volumes, internal and / or external, which successively provide at least two treatment functions of the same nature on the same fluid, may have a better isentropic efficiency by the addition of a heat exchanger (external to the machine or built into the machine housing) between the two cavities.
- a heat exchanger external to the machine or built into the machine housing
- exchange channels of a third heat transfer fluid can be made in the components of the machine, so as to transmit the calories generated in the cavities with variable volume of the second function to the variable volume cavities of the first function, and thus improve the overall isentropic efficiency of said machine.
- the objects of the invention are also achieved with a pump, a turbine, a motor or a compressor having the features of a machine of the invention.
- the invention relates to a rotary deformable diamond machine (MRLD) comprising a stator 2 having a generally tubular shape of approximately oval section, whose profile is in accordance with the geometric rules imposed by the deformation of the diamond during its rotation and of which the inner surface defines an enclosure 1 for receiving a rotor 3 which is a deformable rhombus 4.
- the deformable rhombus 4 is a set of four pistons 6 interconnected by pivot links, materialized by pivoting joints 7, and which form a chain closed on itself.
- the rotor 3 is generally the rotating part of the machine, but it is possible, in a variant, to drive the chamber 1 in rotation which then rotates relative to the rhombus 4 fixed in rotation but whose sides are deformed (the side segment that connects, in a plane perpendicular to the axis of rotation of the machine, the axes of two adjacent pivot links).
- the projections of the axes of pivotal connections of the pistons in a plane perpendicular to the axis of rotation of the machine represent the vertices 5 of the diamond.
- the segment that connects two opposing vertices 5 forms a diagonal of the rhombus. It will be understood in the following, also diagonally a part or mechanical connection built according to this segment.
- a piston 6 is a part having a shape of cylinder portion of director parallel to the axis of rotation of the machine.
- the surfaces located at the two ends of this piece each provide a part of a rotational axis pivot connection parallel to the axis of rotation of the machine.
- the segment that connects two midpoints of opposite sides of the rhombus, including two opposed pistons, forms a median of the rhombus.
- median also a part or mechanical connection built according to this segment. The intersection of the diagonals or medians of the diamond defines the center of the machine.
- rotation shaft 57 ( fig.23 ) or central shaft of the machine, it comprises a part or a set of mechanical parts for recovering the rotational movement of the rotor or the stator via a suitable mechanical transmission system.
- the machine also comprises two lateral flanges 12, 13 of closure ( fig.20a ), arranged perpendicularly to the rotation shaft of the machine and bearing against the front and rear faces of the stator and the rotor.
- the extrados 9 of the piston comprises the outer surface of the piston 6, located outside the rhombus 4, and the lower surface 11 of the piston, the inner surface of the piston 6, located at the inside the diamond 4.
- volume of the machine it comprises the revolution cylinder closed by the side flanges and encompassing the outer profile of the stator of the machine according to a conventional embodiment or encompassing the most eccentric piece relative to the axis of rotation.
- the invention uses the property of the deformable diamond rotary machine provided with means of the invention to create cavities whose volume varies during the deformation of the rhombus, these external cavities and internal to the rotor (or rhombus) can be realized in different ways.
- an external cavity 8 (external to the rotor 3) is formed by an extrados peripheral cavity 14.
- Such an extrados peripheral cavity 14 is formed by the extrados face 9 of one of the pistons 6 of the diamond 4 against the inner wall of the stator 2 and the closing flanges 12, 13 on either side of the machine.
- the figure 1 shows the example of the extrados peripheral cavity 14 left. In the initial position ( figure 1a ), the peripheral cavity extrados in the lower part is initially empty, or at minimum volume.
- the following figures (1b to 1f) show the evolution of this cavity (represented as a dotted line) when the diamond 4 rotates in the direction indicated on the Fig.
- the figure does not represent the filling devices.
- the figure 1b shows the beginning of the admission.
- the figure 1c shows a state of the admission phase where the cavity increases in volume.
- the left extrados peripheral cavity 14 has reached its maximum volume; preferably, the diamond 4 then takes the form of a square.
- the volume of the cavity decreases and the fluid is evacuated.
- the delivery devices are not shown in this figure.
- the left extrados peripheral cavity 14 reaches its minimum volume or empties completely.
- each extrados 14 peripheral peripheral cavity performs a cycle by half-turn.
- the displacement of such a cavity represents approximately 1/50 th of the machine volume, ie a displacement of 4/50 th of the machine volume per revolution.
- these extrados peripheral cavities 14 can be accessed by channels made in the pistons 6, or in the pivots 7 or in the stator 2 or in the lateral flanges 12, 13 as will be explained later.
- extrados peripheral cavities 14 may have the same function (pump, compressor, motor, etc.) or not.
- a cavity can receive a pressurized gas that sets the rotor in motion, while the others work as a compressor or as a pump. If several cavities work as a pump, they can work with the same fluid or with a different fluid.
- the extrados peripheral cavities 14 using the same inner wall of the stator there is a risk of contamination between the different fluids extrados peripheral cavities 14, because there will always be a permanent film that is formed on the inner wall.
- an external cavity is an external junction cavity defined by the space between two pistons 6 connected to the rotor 3 or which have a pivot connection (or pivot joint) 7 in common and the inner wall of the stator 2 (or enclosure 1), four cavities thus being defined in the space between the rotor 3 and the stator 2.
- the stator 2 may have an enclosure 1 of elliptical or circular shape. In the case where the enclosure is circular, it has a longitudinal axis which is common with that of rotation of the machine and the cavity defined with the lateral closure flanges is an extrados circular cavity 15. Such an extrados circular cavity 15 performs a cycle by half turn of rotation of the rotor, and the four cavities succeed one another.
- the displacement of the extrados circular cavity 15 may represent 1/100 th of the volume of the machine, ie a displacement of 2/25 th of the machine volume per revolution if the cycles performed at each half-turn and the four cavities are accumulated on the same function.
- the guide of the deformation of the rotor 3 is formed by a central shaft of elliptical section 16.
- the volume of this cavity varies according to the position of the rotor 3, in particular, it grows from a position where the volume is minimal ( fig.3a ) at a fluid inlet position ( 3B ), reaches its maximum volume in maximum deformation position of the diamond 4 ( Fig.3c ), to decrease further and compress the fluid ( fig.3d ) before completely removing it from the extrados circular cavity 15 (diamond position similar to that of position 3a).
- these circular cavities can be accessed extrados 15 by channels made in the pistons 6, or in the pivots 7 or in the stator 2 or in the lateral flanges 12, 13 closing.
- this variant embodiment comprises a constructive simplification associated with a significant reduction in the manufacturing cost, insofar as the stator 2 and the enclosure 1 can be obtained directly from a standard profile of circular section, avoiding machining operations by removal of material.
- the machine illustrated in figures 3 has a number of extrados circular cavities of 8 per turn, a number of intrados peripheral cavities 17 of 8 per turn, which makes an instantaneous total number of 8 cavities, which can fulfill four functions.
- a working cavity is formed by an internal cavity of the rotor 3.
- This cavity uses a profile internal to the diamond 4, this profile being of the MRLD type. , ie a profile which respects the laws of deformation of the diamond, which is, in a first variant illustrated in Figures 4a to 4d associated with the inner surface called the intrados face 11 of the pistons 6.
- the figure 4a shows an example of four peripheral intrados cavities 17, two on the left and two on the right, as seen with respect to a vertical axis passing through the center of the rotor 3. It is also possible to use, alternatively or at the same time, the peripheral cavity left intrados or the right one.
- the extrados cavities 14 left and 17 left intrados are in phase opposition (the volume of one increases, while the volume of the other decreases with the rotation of the diamond 4, and reaches a maximum value while the value the other is minimal) and it is the same for the extrados cavities 14 and intrados 17 right.
- the cubic capacity of a peripheral intrados cavity 17 is slightly lower than that of the extrados peripheral cavity 14, this difference in displacement is essentially related to the thickness of the pistons.
- the ratio of the cubic capacity of the intrados cavities to that of the extrados cavities is less than 1.
- peripheral intrados cavities 17 can be accessed by channels made in the pistons 6, or in the pivots 7 or in the stator 2 or in the lateral flanges 12, 13 of closure.
- the machine illustrated in figures 4 has two left extrados peripheral cavities 14, two extrados straight peripheral cavities 14, two left intrados peripheral cavities 17 and two right intrados peripheral cavities 17, which makes an instantaneous total number of 8 cavities, which can fulfill four functions.
- FIGS. 3a to 3d show also peripheral cavities 17, left and right, which can be combined with extrados circular cavities 15, as it has been explained above, to obtain up to eight different working cavities.
- the internal cavities are intrados circular cavities 18, a cavity being formed by the space between two pistons 6 connected (or having a pivot connection 7 in common), a cylinder of revolution 19 internal to the diamond 4, the longitudinal axis is common to the central shaft of the machine.
- a circular cavity intrados 18 performs a cycle by half-turn and the four cavities succeed one another.
- the displacement of such a circular intrados cavity 18 represents approximately 1/100 th of the volume of the machine, ie a displacement of 2/25 th of the volume of the machine per revolution if the four cavities are combined and both cycles per revolution.
- the deformation of the rhombus 4 is in this case guided by the internal profile of the chamber 1 of the stator 2.
- these circular cavities can be accessed. 18 by channels in the pistons 6, or in the pivots 7 or in the stator 2 or in the side flanges 12, 13 closing.
- the machine illustrated in figures 5 has two left extrados peripheral cavities 14, two extrados straight peripheral cavities 14, and four intrados circular cavities 18, which makes an instantaneous total number of 8 cavities, which can fulfill four functions.
- a working cavity formed by a central internal cavity 20 of the rotor 3 is used.
- This central internal cavity 20 is between the inner surface called the intrados face 11 of all the pistons 6 and the lateral closure flanges (not shown).
- the central internal cavity 20 is initially at minimum volume.
- the following figures (6b to 6d) show the evolution of this cavity (represented as a dotted line) when the rhombus 4 rotates in the direction indicated in the figure. The figure does not represent the filling devices.
- the figure 6b shows the beginning of the admission, the cavity continues to increase in volume during the entire admission phase.
- the cavity has reached its maximum volume; preferably, the diamond 4 then takes the form of a square. Then ( figure 6d ), the volume of the cavity decreases and the fluid is evacuated, the cavity then reaches its minimum volume, which corresponds to the end of the discharge and the beginning of the admission for the next cavity.
- a central internal cavity 20 carries out 4 cycles per revolution, thus a cycle twice as short as that of an extrados peripheral cavity 14.
- the displacement of this zone represents approximately 1/40 th of the volume of the machine, that is 1/10 th of the volume of the machine per revolution.
- this central internal cavity 20 can be accessed by a rotation shaft (not represented), by the pivots 7 or by the lateral flanges 12, 13 of closure.
- a machine that would use in combination the extrados peripheral cavities 14 and this central internal cavity 20 could then have five different working cavities, each able to operate independently.
- the machine illustrated in Figures 6a to d has a number of left extrados peripheral cavities 14 of 2 or 4 per turn, a number of extrados straight peripheral cavities 14 of 2 per turn, and a central cavity, which makes an instantaneous total number of cavities, which can fulfill three functions.
- a working cavity is made by a central cavity of the rotor or rhombus 4 divided by a diagonal 21.
- This cavity is between the inner surface called the intrados face 11 of two pistons 6 connected and the diagonal connecting them .
- the central cavity of the rotor divided by a diagonal 21 is initially at minimum volume.
- the following figures (b to d) show the evolution of this cavity (shown hatched) when the diamond 4 rotates in the direction indicated in the figure. The figure does not represent the filling devices.
- the figure 7b shows the beginning of the admission, the cavity continues to increase in volume during the entire admission phase.
- the cavity has reached its maximum volume; preferably, the diamond 4 then takes the form of a square.
- the volume of the cavity decreases and the fluid begins to be evacuated.
- the cavity reaches its minimum volume, which corresponds to the end of the discharge and the beginning of the admission for the next cavity.
- Such a central cavity of the rotor divided by a diagonal 21 performs four cycles per revolution and two cavities succeed one turn, thus a cycle two times shorter than that of an extrados peripheral cavity.
- the cubic capacity of this zone represents approximately 1/80 th of the machine's volume, ie 1/20 th of the machine's volume per revolution.
- these cavities can be accessed by a rotation shaft (not shown), by the pivots 7, or by the lateral flanges 12, 13 of closure.
- a diagonal divides the central cavity into two parts, which makes it possible to set up two devices of the same displacement within the machine. These devices can be independent or mechanically linked or can exchange a fluid between them.
- a machine that would use in combination the outer peripheral cavities 14 and two such central cavities divided by a diagonal 21 could then have six different working cavities, each able to operate independently.
- the changes in the length of the diagonal of the rotor can be compensated by a slide 22, a membrane or other device to compensate for a variation length of the diagonal wall and at the same time ensure the sealing of the cavity.
- the cylindrical slide cavity 23 shown hatched on the figure 7f
- the volume of this cylindrical slide cavity 23 can vary between a minimum volume, the slide then having the length of the small diagonal (as in the position illustrated in Figure 7c ) and a maximum volume shown in figure 7f when the slide 22 reaches the length of the large diagonal.
- a machine that would use in combination the extrados peripheral cavities 14 and two such central cavities divided by a diagonal 21 and where each diagonal had a cylindrical cavity 23 slide with variable volume could then have seven different working cavities, each able to operate independently.
- the machine illustrated in figures 7 has two left extrados peripheral cavities 14, two extrados straight peripheral cavities 14, two central cavities divided by a diagonal 21 and a cylindrical slide cavity 23, which makes an instantaneous total number of 7 cavities, which can fulfill five functions.
- an internal working cavity is formed by a central cavity of the rotor divided by the two diagonals 25 of the diamond 4. This cavity is between the inner surface called the intrados face 11 of a piston 6 and the two diagonals connecting its pivoting joints 7 In the initial position ( figure 8a ), the cavity is initially at minimal volume.
- the following figures (8b to 8e) show the evolution of this cavity (represented as a dotted line) when the rhombus 4 rotates in the direction indicated in the figures. The figures do not represent the filling devices.
- the figure 8b shows the beginning of the admission, the cavity continues to increase in volume during the entire admission phase.
- the cavity has reached its maximum volume; preferably, the diamond 4 then takes the form of a square. Then ( figure 8d ), the volume of the cavity decreases and the fluid begins to be evacuated. In figure 8e the cavity reaches its minimum volume, which corresponds to the end of the discharge and the beginning of the admission for the next cavity.
- Such a central cavity of the rotor divided by the two diagonals 25 performs four cycles per revolution and four cavities succeed one turn, thus a cycle two times shorter than that of an extrados peripheral cavity.
- the displacement of this cavity alone and on a single cycle represents approximately 1/160 th of the volume of the machine, ie a cubic capacity of 1/10 th of the volume of the machine per revolution and for the four cavities.
- these cavities can be accessed by a rotation shaft (not shown), by the pivots 7 or by the lateral flanges 12, 13 of closure.
- the diagonals divide the central cavity into four parts, which makes it possible to set up four devices of the same displacement within the machine. These devices can be independent (operate independently of one another) or be mechanically linked or can exchange fluid between them. A machine which would use in combination the extrados peripheral cavities 14 and four such central cavities divided by two diagonals 25 could then have eight different working cavities, each able to operate independently.
- the changes in length of the diagonal rotor can be compensated by a slide, a membrane or other device to compensate for a variation in length of the diagonal wall and at the same time ensure the sealing of the cavity.
- a central cylindrical cavity 26 can be made at the center of the diagonals of the rhombus 4, the cavity being formed by four sliding pistons 27 ( fig.8c ), being arranged in pairs on the same diagonal and sliding in opposite directions, to vary the volume of a central cylindrical cavity 26.
- This central cylindrical cavity 26 and its volume variations during the rotation of the rhombus are more visible to the Figures 8a to 8e .
- the cavity In the initial position ( figure 8a ), the cavity is initially at minimal volume.
- the following figures (8b to 8e) show the evolution of this cavity 26 (shown hatched) when the diamond rotates in the direction indicated in the figures. The figures do not represent the filling devices.
- the figure 8b shows the beginning of the admission, the cavity 26 continues to increase in volume during the entire admission phase.
- the cavity 26 has reached its maximum volume; preferably, the diamond then takes the form of a square.
- the volume of the cavity 26 decreases and the fluid begins to be evacuated.
- the cavity 26 reaches its minimum volume, which corresponds to the end of the discharge and the beginning of the admission.
- this central cylindrical cavity 26 can be accessed by a rotation shaft (not shown), by the pivots 7 and the sliding pistons 27, or by the lateral flanges 12, 13 closing.
- a machine which would use in combination the extrados peripheral cavities 14, four central cavities divided by two diagonals 25 and a central cylindrical cavity 26 with variable volume could then have nine different working cavities, each able to operate independently.
- the machine illustrated in figures 8 has two left extrados peripheral cavities 14, two extrados straight peripheral cavities 14, four central cavities divided by the two diagonals 25 and a central cavity 26, which makes an instantaneous total number of 9 cavities, which can fulfill seven functions.
- a working cavity is made by a central cavity of the rotor divided by a median 28 of the diamond 4. This cavity is between the inner surface called the intrados face 11 of a piston 6 and the median 30 connecting the centers of the two pistons 6 opposed.
- the cavity In the initial position ( figure 9a ), the cavity is initially at minimal volume.
- the following figures (9b to 9c) show the evolution of this cavity (filled with dots) when the diamond rotates in the direction indicated in the figures. The figures do not represent the filling devices.
- the figure 9b shows the position in which the cavity has reached its maximum volume; preferably, the diamond then takes the form of a square. Then, the volume of the cavity decreases and the fluid begins to be evacuated.
- the cavity reaches its minimum volume, which corresponds to the end of the discharge and the beginning of the admission for the next cavity.
- a central cavity of the rotor divided by a median 28 performs four cycles per revolution and two cavities succeed one turn, thus a cycle twice as short as that of an extrados peripheral cavity.
- the cubic capacity of this zone represents approximately 1/80 th of the volume of the machine, ie a cubic capacity of 1/10 th of the machine volume per revolution.
- these cavities can be accessed by a rotation shaft (not shown), by the pivots 7 or by the lateral flanges 12, 13 of closure.
- FIG. 9 This embodiment has the advantage of a constructive simplification, the median does not change length during the rotation and, therefore, simplified seals can be used.
- the machine illustrated in figures 9 has two left extrados peripheral cavities 14, two extrados straight peripheral cavities 14, two central cavities divided by a median 28, which makes an instantaneous total number of 6 cavities, which can fulfill four functions.
- a working cavity is made by a central cavity of the rotor divided by two medians 29 of the diamond 4. This cavity is between the inner surface called the intrados 11 of two pistons 6 connected, their pivoting joint 7 and the two adjacent segments each corresponding to half of each of the two medians 30 connecting the midpoints of opposed pistons 6.
- the cavity In the initial position ( figure 10a ), the cavity is initially at minimal volume.
- the following figures (10b to 10c) show the evolution of this cavity (shown dashed) when the diamond rotates in the direction indicated in the figures. The figures do not represent the filling devices.
- the figure 10c shows the position where the cavity has reached its maximum volume; preferably, the diamond then takes the form of a square. Then, the volume of the cavity decreases and the fluid begins to be evacuated. In figure 10c , the cavity reaches its minimum volume, which corresponds to the end of the discharge and at the beginning of admission for the next cavity.
- Such a cavity performs four cycles per revolution and four cavities succeed each other on one revolution, thus a cycle twice as short as that of an extrados peripheral cavity.
- this central cavity of the rotor divided by two medians 29 represents about 1/160 th of the volume of the machine, that is to say a cubic capacity of 1/10 th of the volume of the machine per revolution.
- these cavities can be accessed by a rotation shaft (not shown), by the pivots 7 or by the lateral flanges 12, 13 of closure.
- this embodiment has the advantage of a constructive simplification, because the medians of the diamond do not change length during the rotation thereof.
- the machine illustrated in figures 10 has two left extrados peripheral cavities 14, two straight extrados peripheral cavities 14, four central cavities divided by the two medians 29, which makes an instantaneous total number of 8 cavities, which can fulfill six functions.
- a working cavity is formed by an eccentric toroid cavity located inside the rotor 3, two eccentric toroidal cavities 31, 32 being illustrated in FIGS. Figures 11a to 11c .
- One of these cavities, called external eccentric toroidal cavity 31 is formed by two toroidal devices of complementary section (for example of the piston type sliding in a cylinder), which can move in an arc following the deformation of the rhombus, taking each bearing on a piston 6 and closing a volume defined by a pivoting joint 7 of the diamond 4, the intrados face 11 of two pistons 6 connected connected by the pivoting joint 7 and the outer surface of the toric devices 33.
- a second internal toric cavity 32 is formed inside one of the toric devices 33 (for example of the cylinder) during the displacement, relative to the first, of a second cylindrical device (the piston).
- the cavity In the initial position ( figure 11 (b) , the cavity is at minimal volume.
- the cavity On the figure 11c , the cavity has reached its maximum volume, then the volume of the cavity decreases and the fluid begins to be evacuated.
- these cavities can be accessed by a rotation shaft (not shown), by the pivots 7 or by the lateral flanges 12, 13 of closure.
- toric cavities can thus be made inside the rotor, for example by arranging them around each pivoting articulation of the diamond.
- a machine that would use in combination four external cavities, four outer eccentric toroidal cavities, and four internal toric cavities and a central cavity with variable volume could then have thirteen different working cavities, each of which can operate independently.
- the central cavity may itself be subdivided into several cavities by a membrane wall as described in the embodiment illustrated by FIG. figure 14 , which increases the total number of cavities with variable volume.
- the machine illustrated in figures 11 has two left extrados peripheral cavities 14, two extrados straight peripheral cavities 14, one to four external eccentric toroidal cavity 31, one to four internal toroidal cavities 32 and a central cavity 20, which makes an instantaneous total of 13 cavities, which can fill eleven functions.
- Variable volume toric cavities can be made in the center of the deformable diamond rotor. Such a cavity is made around the central axis passing through the point of intersection of the medians 30 and is delimited by two toric devices sliding in an arc of a circle, each bearing on a median arm 30. In the initial position, represented at figure 12b the central toric cavity 34 is at a minimum volume. The volume of the cavity increases with the rotation of the rotor and reaches its maximum volume ( Fig. 12c ), then the volume of the cavity decreases and the fluid begins to be evacuated. As in the example of Figures 11a to 11c very small volume toric cavities may also be formed inside the toric devices.
- these cavities can be accessed by a rotation shaft (not shown), by the pivots 7 or by the lateral flanges 12, 13 of closure.
- These cavities internal to the rotor can be used in addition to the external cavities of the machine, as described in the first embodiment, and a machine is thus obtained that can perform several functions (motor, energy transformation, pumping). , compression) simultaneously (in parallel) or successively (in series).
- the machine illustrated in figures 12 has two left extrados peripheral cavities 14, two straight extrados peripheral cavities 14, one to four central toric cavities 34, one to four outer eccentric toric cavities 31, which makes an instantaneous total number of 12 cavities, which can fulfill ten functions.
- Compressed air fills the cavities 14.
- the air pressure drives the rotor in rotation.
- the air emerges from the cavities 14 of the machine at a pressure lower than that of the inlet.
- the cavities 14 fan the air.
- Pasta is dosed into the cavities 29 before being transferred to the central toric cavities 34 (only one cavity 34 is shown in the figures for the sake of simplification, but it is nevertheless possible to envisage the use of four central toric cavities 34 34 with the illustrated machine).
- the pasta thus dosed by the first cavities 29 is admitted into the cavities 34.
- the rotation of the rotor causes the volume of the cavity 34 to decrease, which allows mixing and injection of this paste into the discharge circuit of the machine. .
- the design of the machine is facilitated by adapting the cubic capacities of the cavities to the needs of the plant automat.
- the cavities may have a dead volume of about zero to avoid dead zones harmful to food safety.
- the construction allows a very easy cleaning of the machine.
- the turbining and compression are simultaneous (parallel operation) while the dosing and injection of the pasta are done successively (for series operation).
- the machine may include external cavities, as described in the first embodiment, and a helical internal cavity.
- the helical internal cavity can be made between a solid screw moving in an adjusted blind tapping.
- the tapping can be rotated by one of the middle arms of the rotor, the screw being fixed or rotated by the other median arm.
- the speed difference between the tapping and the screw causes a change in volume of the helical internal cavity.
- the displacement of the helical internal cavity is very small, the pressure generated can then reach very high values.
- FIGS. 13a and 13b illustrate an exemplary embodiment of a machine according to the invention comprising four extrados peripheral cavities 14 and a central internal cavity 20.
- the central internal cavity 20 is delimited by the space between the internal surfaces or intrados faces 11 of the four pistons 6 and four flexible membranes 35 attached to the pistons 6 at their pivoting joints 7.
- the flexible membrane 35 has two end tongues 36,37 connected by a bellows 38.
- the tongues 36,37 serve as fixing means for the pistons 6, one of the end tabs 36 bearing on the inner surface of a piston 6, the bellows 38 coming from covering the pivoting joint 7 and the other end tongue 37 bearing on the piston 6 connected to or adjacent to the previous one.
- the bellows 38 deforms and seals in the central internal cavity 20 as well as the sealing of the extrados peripheral cavities 14 through the pivoting joint 7.
- Inlet / outlet in the external cavities allow access of a fluid in the external cavities of the machine, this fluid being able to communicate with the internal cavity through orifices made through the pistons 6 of the rotor 3.
- the figure 14 illustrates another embodiment of a machine according to the invention wherein the pivoting joints 7 of the rhombus 4 are protected by flexible membranes 35 of the type previously described, but where the central cavity 20 comprises a flexible membrane wall 39 arranged according to the one of the diagonals of the rhombus 4, so as to connect two pivoting joints 7 opposite.
- This membrane wall 39 then divides the internal central cavity into two central cavities of the rotor divided by a diagonal 21, having the same volume.
- the arrows of the figure 14 illustrate the circuit of a treatment fluid inside the machine from its input (arrow E) to its exit (arrow S).
- the machine illustrated in figure 14 receives as input a fluid to be treated in the axial direction (arrow E), this fluid undergoing a first thermodynamic operation (in particular compression or expansion) within the first central cavity divided by a diagonal 21 of the machine.
- the fluid is then sent into the extrados peripheral cavities 14 via valve orifices 40 closing the channels formed in the pistons 6.
- the fluid undergoes another operation in the extrados peripheral cavities 14 and is then pushed back into the second central cavity.
- the fluid undergoes a third operation in the second central cavity divided by a diagonal 21, and is then pushed out of the machine in an axial direction of exit (arrow S).
- the machine illustrated in figure 14 has two left extrados peripheral cavities 14, two extrados straight peripheral cavities 14, two central cavities divided by a diagonal 21, which makes an instantaneous total number of 6 cavities, which can fulfill three functions.
- the machine is designed to generate a dynamic pressure which is added to the static pressure due to the deformation of the receiving cavity of the working fluid that it sets in motion.
- This dynamic pressure is obtained by providing fins with the stator 2, the rotor 3, the arms of medians 30 or the arms of the diagonals 41,42.
- Figures 15a and 15b illustrate an embodiment where the pistons 6 are provided with fins 44 on the lower surface and fins 43 on the upper surface, these fins being inclined and uniformly distributed on the lower surface and on the upper surface of the pistons.
- a rotor 3 provided with vanes 43,44 rotating inside a stator 2 with a smooth inner surface allows the machine to have a centrifugal pump or turbine operation if the chamber is the stator. If the enclosure rotates while the diamond is fixed in rotation, the fins of the pistons 6 will behave as a rectifier.
- FIGS. 16a and 16b illustrate another embodiment where the inner surface of the chamber 1 of the stator 2 is provided with fins 45 which are inclined and uniformly distributed on the inner surface of the stator.
- the spacing of the fins may be variable.
- a rotor 3 having a smooth extrados face 9 rotating inside a stator 2 provided with fins 45 then allows the machine to operate as a hydraulic or pneumatic rectifier if the enclosure is the stator. If the chamber rotates while the diamond is fixed in rotation, the fins of the chamber 1 will behave as a centrifugal pump or turbine.
- each median arm 30 is provided with fins 46 with inclined walls thus forming a propeller 47 with four blades (or more) inside the rotor 3.
- This solution is particularly advantageous because very simple the length of the median arms 30 being constant. Furthermore, the flow of fluid inside the rotor was less turbulent than when passing inside a rotor with fins on the underside of the pistons.
- FIGS 18a and 18b illustrate yet another embodiment where the arms of the diagonals 41,42 are provided with fins 48 with inclined walls thus forming a propeller 49 with four blades (or more) inside the rotor or the diamond 4.
- the advantage of such an arrangement of fins is that the rotational speed of the diagonal arms being constant, the flow of the fluid is less turbulent than when passing inside a rotor provided with fins on the underside pistons.
- the blades 48 of the propeller 49 are telescopic in order to be able to adapt to the length variation of the arms of the diagonals 41, 42 during the rotation of the diamond 4.
- Each blade 48 of the propeller comprises, in the direction of a 41,42 diagonal arm, a fixed portion 50 bearing on the periphery of a pivoting joint 7 which is slidable, during the rotation of the diamond 4, inside a wing portion 48 belonging to a central hub of propeller 49.
- both the stator 2 and the rotor 3 may be provided with fins of the type 43,44 for the pistons 6 of the rotor 3 or 45 for the stator 2. It is also possible to envisage use a finned stator capable of receiving a rotor provided with fins 46 on the arms of its medians or a rotor provided with fins 48 on the arms of its diagonals.
- the extrados fins 43, the intrados fins 44, the stator fins 45, the median arm fins 46, the propellers 47,49, the diagonal arm fin 48 and the fixed wing portion 50 promote heat exchange.
- the rotary deformable diamond machine of the invention makes it possible, by virtue of its construction with at least three variable volume cavities, to perform several functions chosen from those of: motor, pump, compressor or turbine, or a combination thereof a fluid exchange being established with one or more external circuits to the machine, as well as between the various variable volume cavities thereof.
- the exchange zones (or means of transfer or exchange) of fluid within the machine are illustrated in the Figures 19 to 23 . These exchange zones are inlet or discharge ports communicating, on the one hand, with fluid circuits external to the machine and, on the other hand, with channels formed within its elements opening into external cavities. or internal of the machine, as will be explained later.
- the figure 19 illustrates four radial orifices 51 of admission or discharge of the fluid in the external cavities of the machine, these orifices are formed on the outer surface of the stator 2 and radially cross its thickness to open into the outer cavities 8 of the machine.
- FIGS. 20a to 20c illustrate orifices made in the lateral flanges 12, 13 of closure of the machine, in particular in the form of axial orifices and peripheral lights.
- two axial orifices 52 allow admission of the fluid axially (in the direction of the longitudinal axis of the machine) inside the rotor, these orifices may advantageously be provided with valves ensuring their closure and respectively their opening.
- the two lateral flanges 12, 13 are also each provided with four peripheral lights 53 which are slots having a generally half-moon shape, their dimensions and their arrangement being made so that, at least in one of the positions of the rotor 3, these peripheral lights 53 are completely obstructed by the pivoting joints 7 of the rotor 3.
- the figure 20b illustrates such a position where the four peripheral lights 53 are covered by the four pivoting joints 7 of the rotor 3.
- the peripheral lights 53 are gradually exposed and the surface of the exchange zone increases with the angle of rotation to a position where they are completely open ( Fig. 20c ), then the section of the fluid exchange zone then decreases to the position illustrated in FIG. figure 20b .
- This solution provides progressive and automatic opening and closing of the exchange zone between a fluid circuit upstream or downstream of the machine and the external cavities 8 of the machine, all the closures and orifice openings being in phase. between them.
- FIGS 21a and 21b illustrate another alternative embodiment of the fluid exchange zones inside the machine, in particular via inlet or discharge channels 54 made at the pivoting joints 7 of the rotor 3.
- the rotation which takes place between the pistons 6 and their pivots 7 allows an opening and an automatic closing of these channels 54 extending radially and to a certain depth along the pivoting joint 7. It is noted that the opening and closing of the channels belonging to two pivoting joints opposing (facing each other) are in phase.
- the Figures 22a to 22c illustrate another alternative embodiment of the fluid exchange zones, this exchange being done by channels 55 made in a radial direction in the pistons 6.
- the figure 22a illustrates the rotor 3 of the machine where each piston 6 comprises two through holes, the fluid passage can be made in both directions (inside out and vice versa).
- the figure 22b illustrates an example of a rotor in which each piston comprises a through orifice made so as to be able to receive a closing valve ensuring the passage of the fluid from the inside to the outside of the rotor (in the direction of the arrows of the fig.22b ).
- the figure 22c illustrates an example similar to the previous one, but where the passage of the fluid is allowed from the outside towards the inside of the rotor (in the direction of the arrows of the fig.22c ).
- the figure 23 illustrates another embodiment of axial channel 56 for admission or discharge of fluid, the latter being formed in the central shaft or rotation 57 of the machine.
- the internal cavity of the rotation shaft 57 comprises a first axial channel 56 whose inlet orifice is at a first end 58 of the shaft and the outlet orifice 59 at the center plane of the machine, and a second axial channel 56 'which starts from this middle plane and goes to the second end 60 of the rotation shaft 57.
- Orifices preferably provided with valves, allow the admission of the fluid conveyed by the central shaft in the cavities through which it passes, or even the discharge of the fluid from the cavities via the axial channel of the shaft to an external circuit of the machine.
- the fluid inlet and outlet channels in various cavities of the machine may have so-called free sections (eg orifices, slots or slots) which are successively obstructed, then open when the rotor is rotated, or they may be provided with valves or valves (possibly spring return) actuated opening / closing by a fluid pressure difference, or, in another embodiment, they can be provided with closing / opening devices controlled by electric actuators or electromechanical (eg solenoid valves, controlled valves, etc ).
- a combination of the means for closing / opening the channels can also be envisaged, for example said free sections may furthermore comprise a controlled device (such as a rotational shutter with controlled rotation) that can, for example, make a variation of the surface of the section. of the exchange zone.
- the Figures 24 to 28 illustrate a compressor 80 according to one embodiment of the claimed invention, more particularly using two of its external cavities as a water turbine, two of its other external cavities as well as several internal cavities as air pumps, each being able to provide different values of the outlet air pressure, as will be explained later.
- the main function of the machine is to turbinate water to compress air
- the water source can be, for example, a running water tap of the conventional distribution network.
- Ambient air can either be compressed at a higher pressure than water, but at a lower flow rate, or at a higher flow rate, but at a lower pressure.
- the application is a compressor / inflator intended for bicycle wheels, balloons, beach air mattresses, inflatable beds, or other.
- the machine illustrated in figure 24 has two left extrados peripheral cavities 14, two extrados straight peripheral cavities 14, four toric cavities 66, and a central cavity 67, which makes an instantaneous total number of 9 cavities, which can fulfill five functions.
- the figure 24 illustrates a perspective view of the machine, one of the side closure flanges having been removed to leave visible the internal elements of the machine.
- the machine comprises a stator 2 whose enclosure 1 receives a deformable rhombus rotor 3, whose pivoting articulations 7 are in contact, with or without clearance, with the internal surface of the enclosure 1 during the rotation of the rotor 3 , this being done in the direction indicated by the arrow of the figure 24 .
- the deformable rhombus 4 comprises four pistons 6 connected to each other by a pivoting joint 7. Each piston 6 defines a peripheral cavity extrados 14 with the inner surface of the stator 2 and two side closure flanges, four extrados peripheral cavities 14 having thus been formed outside the rotor 3.
- the four pistons 6 are identical, the underside of a piston 6 is provided a protrusion 61 having a general shape toroid portion whose axis of revolution is located in the pivot axis of a joint 7 connecting two pistons 6 adjacent. More particularly, the underside of each piston 6 comprises a plane-shaped connection zone 62 connecting a first pivoting joint 7 on the right to the protrusion 61 of the piston 6.
- the connection zone 62 is extended by an internal zone 63 of shape concave cylindrical extending by a central zone 65 of generally convex cylindrical shape connected by an outer zone 64 of generally planar shape to the second pivoting joint 7 of the left of the piston 6.
- each connection zone 62 of this first piston cooperates with an outer zone 64 of a second piston 6 adjacent and which is located on the right with respect to the first, and that each central zone 65 of the first piston cooperates with an inner zone 63 of a third piston, adjacent and located on the left with respect to the first.
- These zones cooperate so that, at a predetermined position of the rhombus 4, they can fit together and, as the diamond 4 rotates, they can move away and come together and thus form internal cavities with variable volume for receiving a fluid.
- the zones of the intrados of the pistons 6 thus define five internal cavities of variable volume, including four toric cavities 66 and a central cavity 67.
- the left side of the extrados peripheral cavities 14 of the machine is used in a water turbine, this is a motor function of the machine.
- the right side of the extrados peripheral cavities 14 of the machine, more particularly the two other extrados peripheral cavities 14 adjacent, is used as a low pressure air pump.
- the toric cavities 66 are used as a medium pressure air pump.
- the central cavity 67 is used as a high pressure air pump.
- the management of the transfer of compressed air between the different cavities is done via valves: when the need for pressure is low, it is desired to use the different pumps (constituted by the right part, the toric cavities and the central cavity) in parallel ; or when the need for pressure is high, the pumps are used in series.
- the machine is autonomous and operates without mechanical transmission shaft. Indeed, there is a balance between the energy supplied by the turbined fluid and the compressed gas.
- the stator 2 is a vessel having a bottom wall 68, its enclosure 1 being closed by a lateral flange 12.
- the stator 2 is closed by the flange 12 by means of the fastening screws passing through the passages 69 made on the periphery of the stator 2 and the lateral flange 12.
- the bottom wall 68 of the stator comprises four hollow cells arranged on its periphery and having a half-moon shape and each extending through an axial channel 75 opening into an extrados cavity 14.
- the bottom wall 68 comprises: an air inlet half-moon 71, an air discharge half-moon 72, a water intake half-moon 73 and a water discharge half-moon 74.
- the bottom wall 68 also comprises, at the level of the area covered by the rotor, four distribution windows, two air intake windows 76 in the toric cavities 66 and two air discharge windows 77 in the cavities.
- the bottom wall 68 also comprises, in its central zone, two air intake recesses 79 and two air outlet recesses 78 cooperating with the central cavity 67.
- the connections with fluid circulation ducts (FIG. pipes, connection hoses, etc.) are represented by circles (better visible in the figure 26 ) inside each inlet zone, respectively discharge of the wall 68.
- the figure 28a illustrates the compressor 80 in the most crushed position of the diamond 4, two opposing toric cavities 66 are at their maximum volume and the other two at their minimum volume, the central cavity 67 is at its minimum volume and the extrados peripheral cavities 14 are in intermediate position.
- the figure 28b illustrates the compressor 80 in the position in which the rhombus 4 tends to the shape of a square.
- the toric cavities 66 begin the discharge of the air (left and right) and suction (up and down).
- the central cavity 67 begins to suck and the extrados peripheral cavities 14 are at the end of aspiration (up and down) and at the beginning of discharge (left and right).
- the figure 28c illustrates a following phase of the rotation of the diamond, which has taken the form of a square, where the toric cavities 66 continue the aspiration of the fluid (up and down) and the discharge (left and right) , the central cavity 67 has reached its maximum volume and the extrados peripheral cavities 14 have finished the aspiration (up and down) and the discharge (left and right).
- the figure 28d illustrates a next phase where the toric cavities 66 end the suction of the fluid (upper right and lower left) and the discharge (top left and bottom right), the central cavity 67 is in full discharge and the extrados peripheral cavities 14 begin the discharge (up and down) and suction (left and right).
- Such a compressor 80 is when it receives, at the entrance, the power by turbining the water of the conventional adduction network and that it sends, in discharge, compressed air.
- the flow of water received with a value of about 10 Umin is turbined by a pressure of 2 bar absolute at atmospheric pressure (operation at the standard network pressure of 3 bar relative is also possible).
- the machine uses two of the four peripheral cavities 14 (upper left and upper right) which are formed by the upper surface of the piston 6 and the inner surface of the stator 2. The other cavities are used for the pumping of the air.
- the power received by the machine is then absorbed by the various integrated pumps that compress the air from the atmospheric pressure to the downstream pressure.
- the various pumps will be in charge or short-circuited according to the pressure requirements downstream of the machine.
- the balance between the power received and the power consumed is without a motor shaft. Indeed, if the pressure requirement is low (beginning of the inflation, the pressure is mainly due to the pressure drops), then all the pumps will be in charge and the flow rate is maximum.
- the flow rate of all the pumps is then approximately 30 NL / min (normal liters per minute), ie 10 NL / min for the extrados cavities 14 reserved for pumping air, 16 NL / min for toric cavities 66 and 4 NL / min for the central cavity 67, for an overpressure of up to 0.3 bar.
- the toric cavities 66 are short-circuited and the flow rate decreases in favor of the pressure.
- the flow rate of all the pumps is then about 14 NL / min (10 NL / min for the extrados peripheral cavities 14 reserved for pumping the air and 4 NL / min for the central cavity 67) for an overpressure from up to 0.6 bar.
- the inflation at maximum pressure is also bypassing the extrados peripheral cavities 14 of the pump, to keep only the water turbine and the central cavity 67.
- the flow of the central cavity 67 is about 4 NL. / min for an overpressure up to 2 bar or about 3 bar absolute.
- the machine When the diamond is in the particular configuration where it forms a square ( fig.28c ), the machine is in a neutral position. To make this position unstable, it is possible to use an actuating device (such as a device with springs arranged between two associated pistons or with magnets integrated in the pistons) in order to promote the displacement towards the most crushed position of the rhombus.
- an actuating device such as a device with springs arranged between two associated pistons or with magnets integrated in the pistons
- the technical characteristics of the machine are given below as an example.
- the machine has a very compact size. Indeed, the length (along the long axis of the stator cross section) is about 70 mm, the width (along the minor axis of the stator cross section) is about 60 mm and the depth (according to the longitudinal axis) is about 40 mm.
- An improved, more compact and lighter machine can be designed for higher rotational speeds, while providing it with sealing systems at its fluid exchange zones.
- the dimensional and geometric tolerances are of the order of a hundredth of a millimeter in order to limit leaks.
- the maximum volume of an extrados peripheral cavity 14 is about 5 cm 3
- that of a toric cavity 66 is about 4 cm 3 and that of the central cavity 67 of 2 cm 3 .
- the dead volume of an extrados peripheral cavity 14 is negligible and depends essentially on the inlet and outlet pipes, ie about 0.1 cm 3 for a pipe of the air pump and 1 cm 3 for a pipe of the water turbine.
- the dead volume of a toric cavity 66 is negligible and also essentially depends on the inlet and outlet pipes, ie approximately 0.1 cm 3 .
- the central cavity 67 has a dead volume which also depends on the shape of the cavity, but which can be reduced to about 0.2 cm 3 .
- the machine is waterproof vis-a-vis from the outside because it is satisfied with static seals (no relative movement of parts).
- the internal sealing of the machine is essentially by reduced clearance, large areas of lamination of leaks and the use of deformations of pressurized parts to reduce play and improve sealing.
- the machine can be made with plastic materials with a low coefficient of friction to ensure the lightness of the assembly, because the pressure is low and the parts have a very robust design.
- the machine can cope with water problems in air pumps, thanks in particular to dead volumes, which serve as pneumatic dampers to prevent hydraulic shock when the volume decreases.
- the pressure increasing strongly, the pistons and the flanges deform to release a fluid passage.
- the compressor 80 is designed to rotate at 500 rpm for a water flow of 10 Umin.
- the machine can operate with water at a temperature between 10 and 60 ° C, in an ambient air between 10 and 50 ° C and with air or water very polluted (size and concentration of the high particles, being able to for example, containing sand particles), the machine being equipped with filters upstream of the water supply and upstream of the air supply, making it possible to filter the particles in these fluids of a size greater than 20 microns.
- the passage of water in the device to be inflated is avoided thanks to a small vertical pipe directed upwards right out of the machine. This device allows the droplets of water in the air to fall; but do not hinder the passage of air. This portion of pipe can be connected to the water inlet to empty this pipe automatically. This pipe is not shown in the figures, and the short-circuiting systems are not shown.
- the machine illustrated in Figures 24 to 28 can also function as a compressor with several stages of compression.
- a machine MRLD according to the invention with an outside diameter of 250 mm and a depth of 140 mm (according to the invention). longitudinal axis of the machine), can accommodate displacements per revolution of 1.022 cm 3 for the first compression stage, 680 cm 3 for the second compression stage and 102 cm 3 for the third compression stage, of the same fluid successively passing through the extrados peripheral cavities 14, the toric cavities 66 and the central cavity 67.
- Such a three-stage compressor (or multicompressor) according to the invention has a bulk volume of 6.872 cm 3 .
- a device composed of 3 MRLD machines known from the state of the art, each operating as a compressor to individually fulfill one of the three compression functions of the three-stage machine, having identical tower capacities but n 'operator that the external cavities, would have a volume of space of 14.120 cm 3 , if it was made according to construction characteristics similar to the compressor MRLD tri-tier of the invention.
- the MRLD machine according to the invention incorporating three compression functions in the same rotor, has a power density 2.05 times greater than a device composed of three MRLD machines known from the state of the art.
- the implementation of several different MRLD machines, as known in the state of the art, to perform a function (for example compression or expansion on a compressible fluid), when this function must necessarily be segmented into several successive functions of the same nature, because of the large extent of the variation of at least one of the parameters of the fluid (typically for pressure ratios greater than 10) or for an objective of improving the yield, can now be performed by a single machine MRLD according to the invention.
- the invention provides answers in many applications, in particular so-called mobile or on-board applications, which have as their primary technical criteria the reduction in size and / or mass.
- FIGS. Figures 24 to 28 Another example of application of the machine of the invention whose structure is illustrated in FIGS. Figures 24 to 28 is described in the following. It is a converter of hydraulic energy into autonomous pneumatic energy without transmission. It can ensure the local production of compressed air without the use of a compressor. This feature is very relevant to the end of a hydraulic boom boom on which one would like to install a pneumatic shock system.
- the oil provides a sealing barrier between the two compression stages. Pneumatic application in closed circuit avoids the pollution of the air. It is very easy to separate the oil and the air and to reintegrate the oil in the circuit via an automatic purge system. The small amount of air in the oil is not a pollutant for the oil and does not have any major consequences because the air will separate from the oil during settling in the tank.
- the machine thus produced does not require a mechanical transmission shaft.
- the power generated by the turbining of the oil is absorbed by the compression of the air. Turbining and compression are simultaneous (parallel operation) while the two stages of compression are successively (for series operation).
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Description
- La présente invention concerne une machine rotative à losange déformable. Une telle machine comporte généralement un ensemble fixe ou stator et un ensemble mobile ou rotor ayant une forme de losange articulé à ses sommets et tournant autour de son centre, apte à se déformer lors de sa rotation. Chaque côté du losange détermine avec le profil interne du stator ayant une forme générale ovale, une chambre de volume variable lors du mouvement du rotor. Les côtés du losange articulé sont matérialisés par des plaques appelées pistons ayant, pour la plupart, une surface extérieure de forme curviligne. Ces pistons sont parfois munis, dans leur zone de contact avec le profil interne du stator de segments d'étanchéité.
Une telle machine peut être utilisée en tant que moteur à combustion, turbine, compresseur, pompe, ventilateur, etc. Elle présente l'avantage d'avoir un centre de gravité fixe, pouvant ainsi éviter les vibrations, de pouvoir atteindre des compressions équivalentes à celles des moteurs à pistons, d'avoir un débit plus important que les moteurs à pistons, d'avoir un rapport de pression supérieur aux turbines et d'être plus simple que la plupart des machines généralement connues remplissant les mêmes fonctions. - Les machines rotatives à losange déformable (MRLD) possèdent un stator généralement constitué d'une enceinte cylindrique non circulaire (on comprend un cylindre dont la courbe directrice n'est pas un cercle) extérieure au rotor en forme de losange et une pluralité (le plus souvent quatre) d'éléments rotatifs articulés entre eux au niveau de leurs bords adjacents selon une liaison pivot d'un axe parallèle à l'axe longitudinal de l'enceinte, chacun des éléments rotatifs délimitant avec la paroi intérieure de l'enceinte une chambre ou cavité à volume variable. Ces machines ont été décrites depuis longtemps, mais elles ne sont guère utilisées. A l'instar du moteur Wankel, bien connu de l'homme du métier, ces machines avaient été imaginées d'abord comme moteur à combustion. Le brevet
FR 1 404 453 (J. Lemaitre US 3,196,854 (A. Novak ), le brevetFR 2 145 133 (J. Martin Artajo WO 01/88341 (P. Szorenyi CA 997998 (E. Steinbrink ) et la demande de brevetFR 2 493 397 (J.P. Ambert WO 2004/070169 (G. Saint-Hilaire ) décrit un moteur à combustion interne rotatif à losange déformable en détaillant sa structure, mais sans expliquer comment est assurée son étanchéité dans les conditions de fonctionnement d'un moteur à explosion, sans non plus détailler les matériaux aptes à tenir les pressions et températures dans une telle machine, ni donner de solutions concernant la dilatation des matériaux, ou la compensation des jeux fonctionnels. D'autres moteurs à explosion de type MRLD sont décrits par exemple dans les documentsEP 1 295 012 B1 (Nivesh SA ), etUS 3,387,596 (L. Niemand ).
Il a été reconnu très tôt que les MRLD peuvent aussi servir comme pompes. Cela est décrit par exemple dans les brevetsUS 3,295,505 (A. Jordan ) etEP 1 092 838 A2 (J. Sanchez Talero ) et dans les demandes de brevetWO 86/00370 (I. Contiero WO 2005/106204 (P. Okulov ). Plus particulièrement, le documentWO 86/00370
Une MRLD dispose de plusieurs cavités plus ou moins indépendantes, et qui peuvent être utilisées de différentes manières. La demande de brevetFR 2 911 631 (Ph. Kuzdzal - La demande de brevet
WO 2004/070169 , déjà mentionnée, ainsi que le brevetUS 2004/0079321 évoquent la possibilité d'utiliser les cavités internes comme pompe, alors que les cavités externes servent comme moteur à combustion, ainsi que la possibilité d'utiliser les cavités externes comme pompe ou compresseur, alors que les cavités internes sont utilisées en tant que moteur. Aucun mode de réalisation concret n'est donné pour illustrer ces concepts. - Le problème que la présente invention vise à résoudre est de présenter un dispositif compact et simple, comprenant un minimum de pièces mobiles, qui permet d'exercer en même temps différentes fonctions de traitement d'un fluide.
- Un autre but de l'invention est de proposer une machine rotative à losange déformable apte à échanger un ou plusieurs fluides avec un ou plusieurs circuits externes ou internes à la machine, de manière à faire varier les paramètres dynamiques et/ou de pression d'au moins un fluide, de manière simple et fiable dans le temps.
- Un autre but de l'invention est de proposer une machine rotative à losange déformable apte à échanger un ou plusieurs fluides avec un ou des circuits externes ou internes à la machine, de manière à faire varier les paramètres dynamiques et/ou de pression d'au moins un fluide, de manière autonome, sans entraînement par système d'actionnement mécanique de ses composants.
- Un autre but de l'invention est de proposer une machine rotative à losange déformable possédant une densité de puissance et/ou une densité de fonctions supérieure aux machines MRLD connues.
- Le but de l'invention est atteint avec une machine rotative à losange déformable selon la revendication 1, comportant une enceinte formant un stator apte à recevoir un rotor qui est un losange déformable qui se trouve, directement ou indirectement (par l'intermédiaire d'un joint ou de la surface externe d'une articulation pivotante) en contact, avec ou sans jeu, de glissement ou de roulement, avec la surface interne de l'enceinte, ledit losange déformable comprenant une pluralité de pistons reliés, et de préférence quatre pistons reliés, l'un à la suite de l'autre, par une articulation pivotante d'axe parallèle à l'axe longitudinal de l'enceinte et formant ainsi une chaîne fermée ; la surface interne de l'enceinte de ladite machine définissant au moins une cavité dite externe, avec l'extrados d'au moins un desdits pistons, et avec les parois latérales de fermeture de l'enceinte, et au moins une cavité dite interne étant formée à l'intérieur du rotor avec les parois latérales de fermeture de l'enceinte; au moins l'une des cavités externes et/ou au moins l'une des cavités internes étant reliées, directement ou indirectement (par exemple par l'intermédiaire de valves ou soupapes), à l'entrée d'au moins un circuit de fluide externe à la machine, du fait que lesdites cavités externes et internes comprennent ensemble au moins trois cavités à volume variable, aptes à remplir au moins trois fonctions différentes simultanément, (autrement dit : ces fonctions sont réalisées en en parallèle au sein de la machine), ou au moins trois fonctions identiques successivement (autrement dit : ces fonctions sont réalisées en série au sein de la machine), ou au moins trois fonctions dont au moins l'une est différente des deux autres et est réalisée simultanément (autrement dit : en parallèle) avec les deux autres fonctions qui sont identiques et réalisées successivement (autrement dit : en série), chacune desdites fonctions étant choisie parmi: moteur à combustion, turbine de détente de fluides, compresseur de fluides, pompe, doseur, mélangeur, répartiteur de débit, convertisseur d'énergie, broyeur, de manière à modifier au moins l'un des paramètres du fluide sortant de la machine, par rapport au fluide entrant.
La machine de l'invention est donc apte à assurer au moins trois fonctions, différentes ou identiques, en parallèle, ou en série, ou au moins une en parallèle avec deux autres en série, au sein d'au moins trois cavités à volume variable réparties en cavités internes au losange, ou en cavités externes et internes au losange, notamment par l'intermédiaire de zones d'échange, lesdites fonctions étant chacune choisie parmi : moteur à combustion, turbine, compresseur, pompe, doseur, mélangeur, répartiteur de débit, convertisseur d'énergie, broyeur, de manière à modifier au moins l'un des paramètres du fluide sortant de la machine, par rapport au fluide entrant. - Ainsi, la machine est apte à échanger au moins un fluide avec un circuit externe par au moins l'une des cavités externes et/ou par au moins l'une des cavités internes. Par circuit externe, on comprend un circuit différent d'un circuit fermé appartenant ou interne à la machine, tel un circuit fermé de lubrification ou de refroidissement des éléments de la machine même.
Une cavité à volume variable est un espace délimité par les composants de la machine, espace dont le volume varie lors du mouvement relatif du rotor par rapport au stator. Ainsi, cela peut être atteint avec une déformation du losange lorsqu'il tourne à l'intérieur de l'enceinte fixe du stator. Les objets de l'invention sont également atteints lorsque les fonctions de rotor et de stator sont inversées, ou lorsque le stator est un profilé cylindrique non circulaire interne au losange. En effet, si le losange se déforme sans tourner, cela provoquera la rotation de l'enceinte externe. Selon les termes de l'invention, par cavité à volume variable, on comprend une cavité associée à un circuit de fluide ayant une fonction distincte de celle des autres cavités. Ainsi, selon l'invention, une cavité à volume variable peut être utilisée sur un circuit de fluide indépendant de celui des autres cavités (par exemple, avec quatre cavités externes et quatre circuits de fluide indépendants l'un par rapport à l'autre, on peut obtenir quatre fonctions distinctes de la machine). Toujours selon l'invention, une cavité à volume variable peut être associée à une étape de transformation d'un ou plusieurs paramètres du fluide appartenant à un circuit de fluide passant successivement par plusieurs cavités. Plus précisément, lorsqu'un circuit de fluide traverse en plusieurs étapes les cavités à volume variable de la machine, une cavité à volume variable (ou parfois deux ou plusieurs cavités peuvent être liées dès lors qu'elles remplissent en même temps une même fonction (on comprend identité des paramètres du fluide traité par la cavité)) est alors associée à une étape de transformation des paramètres du fluide la traversant.
Selon l'invention, plusieurs cavités ayant des géométries à volume variable sont réalisées au sein d'une même machine, entre le stator et le rotor, ainsi qu'à l'intérieur du rotor, de manière à ce qu'au moins trois de ces cavités puissent fonctionner simultanément (où par simultanément on comprend que les fonctions sont réalisées en parallèle), ou successivement (où par successivement on comprend que les fonctions sont réalisées en série) comme moteur à combustion, turbine de détente de fluides, compresseur de fluides, pompe, doseur, mélangeur, répartiteur de débit, convertisseur d'énergie, broyeur et ceci, soit de manière indépendante, soit en étant liées par un échange de fluide. Ainsi, la valeur d'au moins un paramètre du fluide qui entre dans la machine est différente de celle du même paramètre du fluide qui sort de la machine, en étant transformée lors du passage du fluide à travers une ou plusieurs cavités à volume variable de la machine, plusieurs passages par des cavités de la machine pouvant conduire à plusieurs changements des valeurs d'un ou plusieurs paramètres du fluide. - On comprend par fonction, l'action de modification (au sens du traitement) d'au moins un paramètre d'un fluide, quelle qu'en soit la nature (gazeux, liquide, mélange, newtonien, non-newtonien, gel, plasma, pâte ...) au cours d'un cycle de fonctionnement donné dans la machine.
On comprend par cycle de fonctionnement, la variation cyclique et définie du volume d'une cavité de la machine.
On comprend par paramètre du fluide, compressible ou non, tout paramètre physico-chimique, quantifiable et mesurable, de nature à caractériser ce fluide et/ou son état, tel que par exemple : la pression, la température, la vitesse, la vorticité, la composition chimique (cas des carburants, de la lessive...), la viscosité, le taux de cisaillement (cas des pâtes alimentaires), la granulométrie (cas du concassage), l'homogénéité (cas du brassage, du mélange en centrifugation), la concentration ... - Une machine rotative à losange déformable selon l'invention permet de fournir une densité de puissance supérieure aux machines MRLD connues. On entend par densité de puissance, la puissance utile de la machine par unité de volume de l'encombrement de cette machine. Avantageusement, l'exploitation de plusieurs cavités à volume variable successivement (en série) au sein d'une même machine, permet de réaliser globalement une fonction de traitement d'un même fluide en plusieurs sous-fonctions de même nature et opérant sur des plages différentes de variation d'au moins un des paramètres de ce fluide.
- Dans le cadre de la présente invention, on utilise les définitions suivantes :
- On entend par axe longitudinal, l'axe de rotation de la machine parallèle à la directrice de l'enceinte (1). L'enceinte est généralement symétrique par rapport à cet axe longitudinal.
- On entend par pompe, une machine consommant de l'énergie mécanique pour augmenter l'énergie de pression statique ou dynamique d'un fluide (liquide ou gazeux). Ceci comprend les pompes hydrauliques, les pompes pneumatiques, les pompes à vide, les turbopompes, les pompes centrifuges, les pompes axiales, les ventilateurs et les hélices de propulsion, etc.
- On entend par turbine, une machine consommant l'énergie de pression statique ou dynamique d'un fluide (liquide ou gazeux) pour augmenter l'énergie mécanique. Ceci comprend les moteurs hydrauliques, les moteurs pneumatiques, les moteurs à dépression, les turbines, les turbines centrifuges, les turbines axiales, les éoliennes et les hydroliennes, etc.
- On entend par doseur de fluide, une machine dont le débit est directement lié à la vitesse de rotation.
- On entend par mélangeur, une machine capable de mélanger des fluides différents l'un de l'autre par leur composition, leur température, leur pression leur état physico-chimique, leur pureté, leur homogénéité, etc.
- On entend par répartiteur de débits d'un ou plusieurs fluides, une machine générant plusieurs débits qui sont liés les uns aux autres.
- On entend par convertisseur d'énergie, une machine qui convertit l'énergie de pression ou l'énergie dynamique d'un fluide, en énergie mécanique, ou inversement.
- On entend par broyeur, une machine capable de broyer une matière solide ou semi-solide, pouvant par exemple être en suspension dans un fluide.
- La machine de l'invention peut ainsi remplir au moins trois fonctions différentes simultanément, ou en parallèle, dont au moins l'une peut être une fonction motrice, au sein de 3 cavités à volume variables distinctes. On obtient ainsi trois ou plusieurs dispositifs utilisant les paramètres thermodynamiques d'un ou plusieurs fluides qui sont intégrés dans une seule machine, en exploitant de manière judicieuse les volumes à géométrie variable créés à l'intérieur de la machine lors de la déformation du losange résultant d'un mouvement relatif entre le rotor et le stator de la machine (plus particulièrement, les pistons du rotor ont un mouvement de rotation autour de l'axe longitudinal de l'enceinte et un mouvement de rotation autour du centre des cotés du losange).
- Ainsi, les variations de vitesse et/ou de pression et/ou de température d'un fluide admis dans la machine peuvent entraîner la rotation du losange, ou à l'inverse, la rotation du losange peut entraîner les variations de vitesse et/ou de pression et/ou de température d'un fluide admis dans la machine, avant son refoulement, la rotation du losange qui, de par la variation du volume des cavités, internes ou externes ainsi créées, fait varier la pression et/ou la température d'un fluide de traitement. Cette variation se ferait alors en plusieurs étapes, par exemple pour obtenir plusieurs étages de pression d'un même fluide, voire pour utiliser une première pression d'un fluide pour déclencher un changement de pression d'un autre fluide.
- La machine de l'invention peut également remplir au moins trois fonctions identiques successivement, ou en série, au sein d'au moins 3 cavités à volume variable distinctes.
- Enfin, la machiné de l'invention peut remplir au moins trois fonctions au sein de 3 cavités à volume variable distinctes, deux de ces fonctions étant identiques et remplies successivement (en série) alors que la troisième fonction est différente des deux premières et est remplie simultanément (en parallèle).
- L'objet de l'invention est aussi atteint avec une machine fonctionnant en tant que multipompes et/ou multiturbines et/ou multicompresseur. Ainsi, le losange peut être entraîné par un fluide (la machine comporte alors au moins une turbine et au moins deux pompes fonctionnant en série et/ou en parallèle ; ou au moins deux turbines fonctionnant en série et/ou en parallèle associées à au moins une pompe) ou par un arbre d'entraînement motorisé, tous ces dispositifs de type multipompes ou multiturbines étant intégrés dans la mécanique d'une même machine.
En effet, de par sa structure à plusieurs cavités à volume variable, une telle machine rotative à losange déformable multifonctions permet d'utiliser différents fluides (air, eau, huile, etc.) et d'intégrer plusieurs fonctions de transformation d'un ou plusieurs paramètres thermodynamiques du fluide ou des fluides utilisés, voire de conversion de l'énergie de ce(s) fluide(s), pour une structure mécanique simplifiée et pour un faible gabarit, comparé aux machines connues remplissant les mêmes fonctions.
Un fonctionnement multipompes ou multiturbines ou multicompresseur d'une telle machine trouve avantageusement son application dans le cas des circuits hydrauliques ou pneumatiques complexes qui nécessitent de la régulation.
On peut utiliser une telle machine en tant qu'adaptateur de puissance, par exemple en utilisant, à l'entrée un fluide à grand débit et basse pression pour obtenir en sortie un fluide ayant un petit débit et une plus forte pression.
On peut également obtenir un compresseur à trois étages avec une même machine.
Une telle machine trouve également son application lorsque l'on veut réaliser un couplage d'un circuit hydraulique avec un circuit pneumatique utilisant des fluides différents. On peut ainsi, par exemple, entraîner une pompe à eau avec un moteur hydraulique et de refroidir l'ensemble de la machine avec de l'air comprimé, le tout dans une même machine.
Un autre exemple d'utilisation de la machine est pour réaliser des dosages alimentaires, par exemple pour pomper des fluides de natures différentes (notamment en terme de viscosité, d'homogénéité ou de composition, etc ...) à différents débits, chaque fluide entrant transitant par une chambre à volume variable d'une même machine.
Avantageusement, la machine comprend des moyens de transfert ou d'échange de fluide d'une cavité à volume variable à une autre. Ces moyens de transfert ou d'échange sont notamment des orifices ou des canaux pratiqués dans les pistons, les pivots, les flasques latérales, le profil de l'enceinte ou le dispositif de transmission.
De préférence, les cavités externes sont des cavités extrados périphériques, chacune étant définie entre la face extrados d'un piston, la surface interne de l'enceinte et les flasques latéraux de fermeture. - Selon un aspect avantageux de l'invention, les cavités externes sont des cavités circulaires extrados, chacune étant définie par les faces extrados de deux pistons adjacents, l'articulation pivotante les reliant, la surface interne de l'enceinte et les flasques latéraux de fermeture.
- Ainsi, le dispositif de l'invention permet d'utiliser jusqu'à quatre cavités externes avec un même fluide ou avec des fluides différents. En pratiquant des adaptations spécifiques au sein de l'enceinte ou sur la face extrados de chaque piston, par exemple en divisant chaque cavité par une palette, on peut alors obtenir plus de quatre cavités externes.
- Selon l'invention, une cavité interne est toute cavité comprise à l'intérieur du losange. Une telle cavité interne a au moins une surface en commun avec la face intrados d'au moins l'un des pistons ou avec l'intrados d'au moins l'une des articulations pivotantes ou avec au moins une pièce intermédiaire reliée à l'un des pistons ou à l'une des articulations pivotantes. Avantageusement, les cavités internes, dont le volume est amené à varier avec la rotation du rotor relative au stator de la machine, sont choisies parmi : les cavités périphériques intrados, les cavités circulaires intrados, les cavités centrales, les cavités centrales divisées par une ou deux diagonales, les cavités centrales divisées par une ou deux médianes, les cavités cylindriques, les cavités toriques excentrées ou centrées, les cavités hélicoïdales, ou une combinaison de plusieurs telles cavités internes.
- De préférence, ladite cavité interne est une cavité circulaire intrados formée par l'espace compris entre les faces intrados de deux pistons connexes, un cylindre de révolution interne au losange déformable et les flasques latéraux de fermeture.
- Ceci permet d'exploiter judicieusement la variation du volume d'une telle cavité formée avec un cylindre de révolution qui peut être l'arbre de transmission du mouvement du losange, voire l'arbre d'entraînement en rotation du losange.
- Avantageusement, ladite cavité interne est une cavité torique excentrée externe définie par l'espace compris entre la surface externe d'un dispositif torique à coulissement dont les extrémités prennent appui sur deux pistons connexes, les faces intrados des deux pistons connexes, l'articulation pivotante et les flasques latéraux de fermeture.
- De préférence, ladite cavité interne est une cavité torique excentrée interne définie par l'espace compris entre le piston d'un premier dispositif torique et le cylindre d'un deuxième dispositif torique complémentaire, le piston prenant appui sur l'un des pistons et le cylindre sur un autre piston adjacent au premier, et les flasques latéraux de fermeture.
- Avantageusement, ladite cavité interne est une cavité torique centrale excentrée définie par l'espace compris entre l'axe central du losange, la surface externe d'un dispositif torique dont les extrémités prennent appui sur deux bras médians du losange et les flasques latéraux de fermeture.
- De préférence, au moins deux desdites cavités périphériques externes, ou au moins deux desdites cavités internes, ou au moins deux des cavités externes et internes transportent un fluide différent.
- Avantageusement, la machine comprend des zones d'échange de fluide avec les cavités externes, ces zones étant des canaux pratiqués dans les pistons, les pivots, les flasques, le profil de l'enceinte ou le dispositif de transmission.
Ainsi, selon un mode préféré de réalisation, la machine de l'invention utilise un même fluide de travail qui est transféré, lors de son fonctionnement, entre l'une des cavités externes et l'une des cavités internes. - De préférence, la machine comprend des zones d'échange de fluide avec les cavités intrados, ces zones étant des canaux pratiqués dans les pistons, les pivots, les flasques, l'arbre central de la machine ou le dispositif de transmission.
- Avantageusement, les pistons, la surface interne de l'enceinte, les bras des diagonales ou les bras des médianes sont munis d'ailettes afin que les variations des paramètres dynamiques du fluide prédominent sur les variations des paramètres statiques.
- Ceci permet à la machine de cumuler les effets dynamiques, dus à la vitesse du fluide ou des fluides qu'elle véhicule, et les effets statiques dus à la pression du ou des fluides véhiculés par la machine. Avantageusement, la variation des paramètres dynamiques du fluide est plus importante que la variation des paramètres statiques du même fluide.
Ceci permet aussi à la machine de favoriser les échanges thermiques grâce aux effets dynamiques et à la plus grande surface d'échange thermique. - Avantageusement, la machine de l'invention peut être réversible. Par exemple, ceci offre l'avantage de pouvoir intégrer la machine dans des processus de récupération d'énergie notamment dans un barrage de stockage où la machine peut fonctionner comme turbine pour produire de l'énergie électrique ou comme pompe pour absorber l'énergie du réseau:
- Selon l'un des aspects avantageux de l'invention, une machine comportant au moins une cavité interne et au moins une cavité externe, ou comportant au moins deux cavités internes différentes, au sein desquelles transite un même fluide, bénéficiera d'une facilité de réalisation de l'étanchéité dynamique entre lesdites cavités grâce à un effet de palier de pression intermédiaire.
- Selon l'un des aspects avantageux de l'invention, une machine comportant au moins deux cavités à volumes variables, internes et/ou externes, qui assurent successivement au moins deux fonctions de traitement de même nature sur un même fluide, pourra avoir un meilleur rendement isentropique par l'adjonction d'un échangeur de chaleur (externe à la machine ou intégré dans le carter de la machine) entre les deux cavités. En effet, lors de la compression multi-étagée d'un fluide, l'extraction de calories du fluide vers l'extérieur de la machine après chaque étage de compression améliore le rendement isentropique global de la compression multi-étagéé. A l'inverse, lors de la détente multi-étagée d'un fluide, l'apport de calories au fluide depuis l'extérieur de la machine après chaque étage de détente améliore le rendement isentropique global de la détente multi-étagée. Dans le cas particulier d'une machine MRLD selon l'invention, remplissant à la fois au moins une fonction ayant pour effet le refroidissement d'un premier fluide (typiquement la détente d'un gaz) et au moins une fonction ayant pour effet le réchauffage un second fluide (typiquement la compression d'un gaz), des canaux d'échange d'un troisième fluide caloporteur pourront être réalisés dans les composants de la machine, de manière à transmettre les calories générées dans les cavités à volume variable de la seconde fonction aux cavités à volume variable de la première fonction, et améliorer ainsi le rendement isentropique global de ladite machine.
- Les objets de l'invention sont également atteints avec une pompe, une turbine, un moteur ou un compresseur comportant les caractéristiques d'une machine de l'invention.
- Les
figures 1 à 3 illustrent l'évolution des cavités externes d'une machine MRLD, représentée par une vue en coupe simplifiée, où : - les
figures 1a à 1f illustrent l'évolution d'une cavité externe gauche lors d'un cycle complet du losange ; - les
figures 2a à 2f illustrent l'évolution d'une cavité externe droite lors d'un cycle complet du losange ; - les
figures 3a à 3d illustrent l'évolution d'une cavité externe réalisée selon une variante, lors d'un cycle complet du losange;
Lesfigures 4 à 12 illustrent l'évolution des cavités internes d'une machine MRLD, représentée par une vue en coupe simplifiée, où : - les
figures 4a à 4d illustrent des cavités internes selon une première variante de réalisation; - les
figures 5a à 5d illustrent des cavités internes selon une deuxième variante de réalisation ; - les
figures 6a à 6d illustrent des cavités internes selon une troisième variante de réalisation ; - les
figures 7a à 7e illustrent des cavités internes selon une quatrième variante de réalisation ; - la
figure 7f , illustre une cavité interne selon une cinquième variante de réalisation ; - les
figures 8a à 8e illustrent des cavités internes selon une sixième et une septième variante de réalisation ; - les
figures 9a à 9c illustrent des cavités internes selon une huitième variante de réalisation ; - les
figures 10a à 10c illustrent des cavités internes réalisées selon une neuvième variante de l'invention ; - les
figures 11 a à 11 c illustrent des cavités internes réalisées selon une dixième variante de l'invention ; - les
figures 12a à 12c illustrent des cavités internes réalisées selon une onzième variante de l'invention ;
Lafigure 13a illustre une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'une machine MRLD, le flasque avant étant retiré, dans l'une des positions du losange et lafigure 13b est une vue similaire à la précédente, avec le losange déplacé dans une autre position.
Lafigure 14 illustre un autre exemple de réalisation d'une machine MRLD, celle-ci étant réprésentée de manière schématique, par une vue en coupe transversale.
Lafigure 15a illustre une vue en perspective d'une machine MRLD comportant un rotor réalisé selon une variante de réalisation et lafigure 15b illustre le rotor de lafigure 15a .
Lafigure 16a illustre une vue en perspective d'une machine MRLD comportant un stator réalisé selon une variante de réalisation et lafigure 16b illustre le stator de lafigure 16a .
Lesfigures 17a et 17b illustrent, dans deux positions différentes du losange, une machine MRLD comportant un rotor réalisé selon une autre variante.
Lesfigures 18a et 18b illustrent, dans deux positions différentes du losange, une machine MRLD comportant un rotor réalisé selon encore une autre variante.
Lafigure 19 illustre une vue en perspective simplifiée de la machine.
Lafigure 20a illustre une vue en coupe transversale d'un ensemble stator et flasques latéraux de la machine ;
Lesfigures 20b et 20c illustrent des vues en coupe d'une machine MRLD, le losange étant représenté en deux positions angulaires différentes ;
Lesfigures 21 a et 21 b illustrent des vues en perspective simplifiées de la machine, le losange étant représenté en deux positions angulaires différentes ;
Lesfigures 22a à 22c illustrent des vues en perspective simplifiées d'un losange déformable ;
Lafigure 23 illustre une vue en coupe transversale d'une machine MRLD.
Lafigure 24 illustre une vue en perspective d'un exemple de réalisation de l'invention revendiquée, le flasque de fermeture étant retiré pour plus de clarté ;
Lafigure 25 illustre le stator de la machine de lafigure 24 .
Lafigure 26 est une vue frontale du stator de lafigure 25 .
Lafigure 27 est une vue en coupe axiale, à échelle agrandie, de la machine de lafigure 24 , comportant le flasque de fermeture.
Lesfigures 28a à 28d illustrent l'évolution des cavités de la machine de lafigure 24 lors d'un cycle complet du losange. - L'invention concerne une machine rotative à losange déformable (MRLD) comportant un stator 2 ayant une forme générale tubulaire de section environ ovale, dont le profil est en accord avec les règles géométriques imposées par la déformation du losange au cours de sa rotation et dont la surface interne définit une enceinte 1 de réception d'un rotor 3 qui est un losange déformable 4.
Le losange déformable 4 est un ensemble de quatre pistons 6 reliés entre eux par des liaisons pivot, matérialisées par des articulations pivotantes 7, et qui forment une chaîne refermée sur elle-même. Le rotor 3 est généralement la partie tournante de la machine, mais on peut, dans une variante, entraîner l'enceinte 1 en rotation qui tourne alors par rapport au losange 4 fixe en rotation mais dont les côtés se déforment (on comprend par côté le segment qui relie, dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la machine, les axes de deux liaisons pivot adjacentes). Les projections des axes de liaisons pivots des pistons dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la machine représentent les sommets 5 du losange. Le segment qui relie deux sommets 5 opposés forme une diagonale du losange.
On comprend, dans ce qui suit, par diagonale également une pièce ou liaison mécanique construite selon ce segment.
Un piston 6 est une pièce ayant une forme de portion de cylindre de directrice parallèle à l'axe de rotation de la machine. Les surfaces situées aux deux extrémités de cette pièce assurent chacune une partie d'une liaison pivot d'axe de rotation parallèle à l'axe de rotation de la machine. Le segment qui relie deux points médians des côtés opposés du losange, notamment de deux pistons opposés, forme une médiane du losange. On comprend, dans ce qui suit, par médiane également une pièce ou liaison mécanique construite selon ce segment.
L'intersection des diagonales ou des médianes du losange définit le centre de la machine. Par arbre de rotation 57 (fig.23 ) ou arbre central de la machine, on comprend une pièce ou un ensemble de pièces mécaniques permettant de récupérer le mouvement de rotation du rotor ou du stator via un système de transmission mécanique adapté.
La machine comporte également deux flasques latéraux 12, 13 de fermeture (fig.20a ), disposés perpendiculairement à l'arbre de rotation de la machine et qui prennent appui contre les faces frontales avant et arrière du stator et du rotor.
Dans ce qui suit, on comprend par l'extrados 9 du piston la surface externe du piston 6, située à l'extérieur du losange 4, et par l'intrados 11 du piston, la surface interne du piston 6, située à l'intérieur du losange 4.
Par volume de la machine, on comprend le cylindre de révolution fermé par les flasques latéraux et englobant le profil externe du stator de la machine selon une réalisation classique ou englobant la pièce la plus excentrée par rapport l'axe de rotation. - L'invention utilise la propriété de la machine rotative à losange déformable munie de moyens de l'invention afin de créer des cavités dont le volume varie lors de la déformation du losange, ces cavités externes et internes au rotor (ou au losange) pouvant être réalisées de différentes manières.
- Dans la suite, l'expression "mode de réalisation" doit être comprise dans le sens d'un simple example illustratif et non comme "mode de réalisation de l'invention revendiquée". les seuls modes de réalisation correspondant à l'invention revendiquée seront signalés comme tels.
- Dans un premier mode de réalisation qui est relatif aux cavités externes, représenté sur les
figures 1 et2 par un cycle complet du losange 4, une cavité externe 8 (on comprend externe au rotor 3) de travail est formée par une cavité périphérique extrados 14. Une telle cavité périphérique extrados 14 est formée par la face extrados 9 de l'un des pistons 6 du losange 4 contre la paroi intérieure du stator 2 et les flasques de fermeture 12, 13 de part et d'autre de la machine. Lafigure 1 montre l'exemple de la cavité périphérique extrados 14 gauche. Dans la position initiale (figure 1a ), la cavité périphérique extrados en la partie inférieure est initialement vide, ou à volume minimal. Les figures suivantes (1b à 1f) montrent l'évolution de cette cavité (représentée pointillée) quand le losange 4 tourne dans le sens indiqué sur la figure. La figure ne représente pas les dispositifs de remplissage. Làfigure 1b montre le début de l'admission. Lafigure 1c montre un état de la phase d'admission où la cavité augmente encore en volume. Sur lafigure 1d , la cavité périphérique extrados 14 gauche a atteint son volume maximal ; de manière préférée, le losange 4 prend alors la forme d'un carré. Ensuite (figure 1 e) , le volume de la cavité décroît et le fluide est évacué. Les dispositifs de refoulement ne sont pas représentés sur cette figure. Sur lafigure 1f , la cavité périphérique extrados 14 gauche atteint son volume minimal voire se vide complètement. C'est à la fois la fin du refoulement et le début de l'admission pour la cavité qui suit. Le cycle analogue pour la cavité périphérique extrados 14 droite est montré sur lesfigures 2a à 2f . Chaque cavité périphérique extrados 14 droite effectue un cycle par demi-tour. A titre d'exemple, la cylindrée d'une telle cavité représente environ 1/50ième du volume de la machine, soit une cylindrée de 4/50ième du volume de la machine par tour. Afin de pouvoir échanger un fluide avec un circuit extérieur à la machine, on peut accéder à ces cavités périphériques extrados 14 par des canaux pratiqués dans les pistons 6, ou dans les pivots 7 ou dans le stator 2 ou encore dans les flasques latéraux 12, 13 de fermeture, tel qu'il sera expliqué par la suite. - On peut ainsi réaliser un dispositif qui exploite une, deux, trois ou quatre cavités périphériques extrados 14 simultanément, l'écart de phase de deux cavités adjacentes étant de 90°. Ces cavités périphériques extrados 14 peuvent avoir la même fonction (pompe, compresseur, moteur etc.) ou non. A titre d'exemple, une cavité peut recevoir un gaz sous pression qui met le rotor en mouvement, alors que les autres travaillent comme compresseur ou comme pompe. Si plusieurs cavités travaillent comme pompe, elles peuvent travailler avec le même fluide ou avec un fluide différent. Cependant, les cavités périphériques extrados 14 utilisant la même paroi intérieure du stator, il y a un risque de contamination entre les différents fluides des cavités périphériques extrados 14, car il y aura toujours un film permanent qui se forme sur cette paroi intérieure. Il faut évaluer ce risque pour chaque cas ; il peut par exemple être acceptable de transporter deux liquides alimentaires (p.ex. eau et lait ou lait et pâte à base de lait) dans deux cavités périphériques extrados, mais il ne serait probablement pas acceptable de transporter un liquide alimentaire et un liquide non alimentaire dans deux cavités périphériques extrados 14, adjacentes ou non. Pour éviter tout risque de contamination croisée, il faut utiliser deux cavités totalement séparées. Cela sera expliqué ci-dessous.
Ainsi, à titre d'exemple, la machine illustrée auxfigures 1 et2 présente un nombre de cavités périphériques extrados gauche 14 de 2 ou 4 par tour, un nombre de cavités périphériques extrados droite 14 de 2 par tour, et une cavité centrale, ce qui fait un nombre total instantané de 5 cavités, pouvant remplir trois fonctions. - Dans une variante illustrée à la
figure 3 , une cavité externe est une cavité externe de jonction en étant définie par l'espace compris entre deux pistons 6 connexes du rotor 3 ou qui ont une liaison pivot (ou articulation pivotante) 7 en commun et la paroi intérieure du stator 2 (ou enceinte 1), quatre cavités étant ainsi définies dans l'espace compris entre le rotor 3 et le stator 2. Le stator 2 peut présenter une enceinte 1 de forme elliptique ou circulaire. Dans le cas où l'enceinte est circulaire, elle présente un axe longitudinal qui est commun avec celui de rotation de la machine et la cavité définie avec les flasques latéraux de fermeture est une cavité circulaire extrados 15. Une telle cavité circulaire extrados 15 effectue un cycle par demi-tour de rotation du rotor, et les quatre cavités se succèdent sur un tour. A titre d'exemple, la cylindrée de la cavité circulaire extrados 15 peut représenter 1/100ième du volume de la machine, soit une cylindrée de 2/25ième du volume de la machine par tour si les cycles effectués à chaque demi-tour et les quatre cavités sont cumulés sur une même fonction. Le guidage de la déformation du rotor 3 est réalisé par un arbre central de section elliptique 16. Le volume de cette cavité varie en fonction de la position du rotor 3, notamment, il croît d'une position où le volume est minimal (fig.3a ) à une position d'admission de fluide (fig.3b ), atteint son volume maximal en position de déformation maximum du losange 4 (fig.3c ), pour décroître encore et comprimer le fluide (fig.3d ) avant de l'éliminer complètement de la cavité circulaire extrados 15 (position du losange similaire à celle de la position 3a). Afin de pouvoir échanger un fluide avec un circuit extérieur à la machine, on peut accéder à ces cavités circulaires extrados 15 par des canaux pratiqués dans les pistons 6, ou dans les pivots 7 ou dans le stator 2 ou encore dans les flasques latéraux 12,13 de fermeture.
Avantageusement, lorsque l'enceinte 1 est circulaire, cette variante de réalisation comporte une simplification constructive associée à une réduction significative du coût de fabrication, dans la mesure où le stator 2 et l'enceinte 1 peuvent être obtenus directement à partir un profilé standard de section circulaire, évitant les opérations d'usinage par enlèvement de matière.
Ainsi, à titre d'exemple, la machine illustrée auxfigures 3 présente un nombre de cavités circulaires extrados 15 de 8 par tour, un nombre de cavités périphériques intrados 17 de 8 par tour, ce qui fait un nombre total instantané de 8 cavités, pouvant remplir quatre fonctions. - Dans un second mode de réalisation relatif aux cavités internes, qui peut être combiné avec le premier mode, une cavité de travail est formée par une cavité interne au rotor 3. Cette cavité utilise un profil interne au losange 4, ce profil étant de type MRLD, c'est à dire un profil qui respecte les lois de déformation du losange, qui est, dans une première variante illustrée aux
figures 4a à 4d , associé avec la surface intérieure appelée face intrados 11 des pistons 6. Lafigure 4a montre un exemple de quatre cavités périphériques intrados 17, dont deux à gauche et deux à droite, tel que vu par rapport à un axe vertical passant par le centre du rotor 3. On peut aussi utiliser, alternativement ou en même temps, la cavité périphérique intrados gauche ou celle de droite. Ainsi, on dispose, comme dans le cas des cavités périphériques extrados 14, de jusqu'à quatre cavités périphériques intrados 17 de travail en simultané, qui peuvent remplir différentes fonctions, mais qui partagent un élément commun, l'arbre central, susceptible de conduire à une contamination croisée. Le profil qui est à l'extérieur du losange offre une surface commune à toutes les cavités périphériques extrados. De la même manière, le profil qui est à l'intérieur du losange offre une surface commune à toutes les cavités périphériques intrados. Toutefois, l'étanchéité dynamique entre les flasques de la machine et les pistons peuvent permettre une contamination croisée. Comme indiqué ci-dessus, il y a peu de risque de contamination croisée entre les cavités périphériques extrados 14 et les cavités périphériques intrados 17, et si l'on veut utiliser deux fluides de travail incompatibles entre eux, on emploie le premier de ces fluides dans une cavité périphérique extrados 14, et le second dans une cavité périphérique intrados 17. Il est à noter sur lesfigures 4b à 4d que les cavités extrados 14 gauche et intrados 17 gauche sont en opposition de phase (le volume de l'une croît, alors que le volume de l'autre décroît avec la rotation du losange 4, et arrive à une valeur maximale alors que la valeur de l'autre est minimale) et il en est de même pour les cavités extrados 14 et intrados 17 de droite. La cylindrée d'une cavité périphérique intrados 17 est légèrement plus faible que celle de la cavité périphérique extrados 14, cette différence de cylindrée est essentiellement liée à l'épaisseur des pistons. Le rapport de la cylindrée des cavités intrados sur celle des cavités extrados est inférieur à 1. Afin de pouvoir échanger un fluide avec un circuit extérieur à la machine, on peut accéder à ces cavités périphériques intrados 17 par des canaux pratiqués dans les pistons 6, ou dans les pivots 7 ou dans le stator 2 ou encore dans les flasques latéraux 12,13 de fermeture.
Dans un cas extrême, on dispose ainsi de huit cavités de travail différentes. A titre d'exemple, si le rotor est mu par un moteur externe, toutes les deux fois quatre cavités peuvent être utilisées comme compresseur ou comme pompe.
Ainsi, à titre d'exemple, la machine illustrée auxfigures 4 présente deux cavités périphériques extrados gauches 14, deux cavités périphériques extrados droites 14, deux cavités périphériques intrados gauches 17 et deux cavités périphériques intrados droites 17, ce qui fait un nombre total instantané de 8 cavités, pouvant remplir quatre fonctions. - Les
figures 3a à 3d montrent par ailleurs des cavités périphériques intrados 17, gauche et droite, qui peuvent être combinées avec des cavités circulaires extrados 15, tel qu'il a été expliqué plus haut, afin d'obtenir jusqu'à huit cavités de travail différentes. - Dans une deuxième variante de ce mode de réalisation illustrée aux
figures 5a à 5d , les cavités internes sont des cavités circulaires intrados 18, une cavité étant formée par l'espace compris entre deux pistons 6 connexes (ou qui ont une liaison pivot 7 en commun), un cylindre de révolution 19 interne au losange 4, dont l'axe longitudinal est commun à l'arbre central de la machine. Une telle cavité circulaire intrados 18 effectue un cycle par demi-tour et les quatre cavités se succèdent sur un tour. A titre d'exemple, la cylindrée d'une telle cavité circulaire intrados 18 représente environ 1/100ième du volume de la machine, soit une cylindrée de 2/25ième du volume de la machine par tour si on cumule les quatre cavités et les deux cycles par tour. Il est à noter que la déformation du losange 4 est dans ce cas guidée par le profil interne de l'enceinte 1 du stator 2. Afin de pouvoir échanger un fluide avec un circuit extérieur à la machine, on peut accéder à ces cavités circulaires intrados 18 par des canaux pratiqués dans les pistons 6, ou dans les pivots 7 ou dans le stator 2 ou encore dans les flasques latéraux 12,13 de fermeture.
Ainsi, à titre d'exemple, la machine illustrée auxfigures 5 présente deux cavités périphériques extrados gauches 14, deux cavités périphériques extrados droites 14, et quatre cavités circulaires intrados 18, ce qui fait un nombre total instantané de 8 cavités, pouvant remplir quatre fonctions. - Dans une troisième variante de réalisation, illustrée aux
figures 6a à 6d , on utilise une cavité de travail formée par une cavité interne centrale 20 du rotor 3. Cette cavité interne centrale 20 est comprise entre la surface intérieure appelée face intrados 11 de tous les pistons 6 et les flasques latéraux de fermeture (non illustrés). Dans la position initiale (figure 6a ), la cavité interne centrale 20 est initialement à volume minimal. Les figures suivantes (6b à 6d) montrent l'évolution de cette cavité (représentée pointillée) quand le losange 4 tourne dans le sens indiqué sur la figure. La figure ne représente pas les dispositifs de remplissage. Lafigure 6b montre le début de l'admission, la cavité continue à augmenter de volume durant toute la phase d'admission. Sur lafigure 6c , la cavité a atteint son volume maximal ; de manière préférée, le losange 4 prend alors la forme d'un carré. Ensuite (figure 6d ), le volume de la cavité décroît et le fluide est évacué, la cavité atteint alors son volume minimal, ce qui correspond à la fin du refoulement et au début de l'admission pour la cavité suivante. Une telle cavité interne centrale 20 effectue 4 cycles par tour, donc un cycle deux fois plus court que celui d'une cavité périphérique extrados 14. A titre d'exemple, la cylindrée de cette zone représente environ 1/40ième du volume de la machine, soit 1/10ième du volume de la machine par tour. Afin de pouvoir échanger un fluide avec un circuit extérieur à la machine, on peut accéder à cette cavité interne centrale 20 par un arbre de rotation (non représenté), par les pivots 7 ou par les flasques latéraux 12,13 de fermeture.
Une machine qui utiliserait en combinaison les cavités périphériques extrados 14 et cette cavité interne centrale 20 pourrait alors disposer de cinq cavités de travail différentes, chacune pouvant fonctionner indépendamment.
Ainsi, à titre d'exemple, la machine illustrée auxfigures 6a à d présente un nombre de cavités périphériques extrados gauches 14 de 2 ou 4 par tour, un nombre de cavités périphériques extrados droites 14 de 2 par tour, et une cavité centrale, ce qui fait un nombre total instantané de 5 cavités, pouvant remplir trois fonctions. - Dans une quatrième variante de réalisation, une cavité de travail est réalisée par une cavité centrale du rotor ou losange 4 divisée par une diagonale 21. Cette cavité est comprise entre la surface intérieure appelée face intrados 11 de deux pistons 6 connexes et la diagonale les reliant. Dans la position initiale (
figure 7a ), la cavité centrale du rotor divisée par une diagonale 21 est initialement à volume minimal. Les figures suivantes (b à d) montrent l'évolution de cette cavité (représentée hachurée) quand le losange 4 tourne dans le sens indiqué sur la figure. La figure ne représente pas les dispositifs de remplissage. Lafigure 7b montre le début de l'admission, la cavité continue à augmenter de volume durant toute la phase d'admission. Sur lafigure 7c , la cavité a atteint son volume maximale ; de manière préférée, le losange 4 prend alors la forme d'un carré. Ensuite (figure 7d ), le volume de la cavité décroît et le fluide commence à être évacué. Enfigure 7e , la cavité atteint son volume minimal, ce qui correspond à la fin du refoulement et au début de l'admission pour la cavité suivante. Une telle cavité centrale du rotor divisée par une diagonale 21 effectue quatre cycles par tour et deux cavités se succèdent sur un tour, donc un cycle deux fois plus court que celui d'une cavité périphérique extrados. A titre d'exemple, la cylindrée de cette zone représente environ 1/80ième du volume de la machine, soit 1/20ième du volume de la machine par tour. Afin de pouvoir échanger un fluide avec un circuit extérieur à la machine, on peut accéder à ces cavités par un arbre de rotation (non représenté), par les pivots 7, ou par les flasques latéraux 12,13 de fermeture.
Il est à noter qu'une diagonale divise la cavité centrale en deux parties, ce qui permet de mettre en place deux dispositifs de même cylindrée au sein de la machine. Ces dispositifs peuvent être indépendants ou liés mécaniquement ou pouvant échanger un fluide entre eux. Une machine qui utiliserait en combinaison les cavités externes périphériques 14 et deux telles cavités centrales divisées par une diagonale 21 pourrait alors disposer de six cavités de travail différentes, chacune pouvant fonctionner indépendamment. - Les changements de longueur de la diagonale du rotor peuvent être compensés par une glissière 22, par une membrane ou autre dispositif permettant de compenser une variation de longueur de la paroi diagonale et d'assurer en même temps l'étanchéité de la cavité. Dans une cinquième variante, on peut utiliser comme cavité de travail, la cavité cylindrique de glissière 23 (représentée hachurée sur la
figure 7f ) qui se trouve donc à l'intérieur du cylindre 24 de la glissière 22 de fermeture de la cavité centrale divisée par une diagonale 21. Le volume de cette cavité cylindrique de glissière 23 peut varier entre un volume minimal, la glissière ayant alors la longueur de la petite diagonale (comme dans la position illustrée à lafigure 7c ) et un volume maximal illustré à lafigure 7f , quand la glissière 22 arrive à la longueur de la grande diagonale. Une machine qui utiliserait en combinaison les cavités périphériques extrados 14 et deux telles cavités centrales divisées par une diagonale 21 et où chaque diagonale disposerait d'une cavité cylindrique de glissière 23 à volume variable pourrait alors disposer de sept cavités de travail différentes, chacune pouvant fonctionner indépendamment.
Ainsi, à titre d'exemple, la machine illustrée auxfigures 7 présente deux cavités périphériques extrados gauches 14, deux cavités périphériques extrados droites 14, deux cavités centrales divisées par une diagonale 21 et une cavité cylindrique de glissière 23, ce qui fait un nombre total instantané de 7 cavités, pouvant remplir cinq fonctions. - Dans une sixième variante de réalisation qui est mieux visible aux
figures 8a à 8e , une cavité interne de travail est réalisée par une cavité centrale du rotor divisée par les deux diagonales 25 du losange 4. Cette cavité est comprise entre la surface intérieure appelée face intrados 11 d'un piston 6 et les deux diagonales reliant ses articulations pivotantes 7. Dans la position initiale (figure 8a ), la cavité est initialement à volume minimal. Les figures suivantes (8b à 8e) montrent l'évolution de cette cavité (représentée pointillée) quand le losange 4 tourne dans le sens indiqué sur les figures. Les figures ne représentent pas les dispositifs de remplissage. Lafigure 8b montre le début de l'admission, la cavité continue à augmenter de volume durant toute la phase d'admission. Sur lafigure 8c , la cavité a atteint son volume maximal ; de manière préférée, le losange 4 prend alors la forme d'un carré. Ensuite (figure 8d ), le volume de la cavité décroît et le fluide commence à être évacué. Enfigure 8e , la cavité atteint son volume minimal, ce qui correspond à la fin du refoulement et au début de l'admission pour la cavité suivante. Une telle cavité centrale du rotor divisée par les deux diagonales 25 effectue quatre cycles par tour et quatre cavités se succèdent sur un tour, donc un cycle deux fois plus court que celui d'une cavité périphérique extrados. A titre d'exemple, la cylindrée de cette cavité seule et sur un seul cycle représente environ 1/160ième du volume de la machine, soit une cylindrée de 1/10ième du volume de la machine par tour et pour les quatre cavités. Afin de pouvoir échanger un fluide avec un circuit extérieur à la machine, on peut accéder à ces cavités par un arbre de rotation (non représenté), par les pivots 7 ou par les flasques latéraux 12, 13 de fermeture. - Il est à noter que les diagonales divisent la cavité centrale en quatre parties, ce qui permet de mettre en place quatre dispositifs de même cylindrée au sein de la machine. Ces dispositifs peuvent être indépendants (fonctionner de manière indépendante l'un par rapport à l'autre) ou être liés mécaniquement ou pouvant échanger un fluide entre eux. Une machine qui utiliserait en combinaison les cavités périphériques extrados 14 et quatre telles cavités centrales divisées par deux diagonales 25 pourrait alors disposer de huit cavités de travail différentes, chacune pouvant fonctionner indépendamment. Les changements de longueur de la diagonale du rotor peuvent être compensées par une glissière, par une membrane ou autre dispositif permettant de compenser une variation de longueur de la paroi diagonale et d'assurer en même temps l'étanchéité de la cavité.
- Dans une septième variante, une cavité cylindrique centrale 26 peut être réalisée au centre des diagonales du losange 4, la cavité étant formée par quatre pistons coulissants 27 (
fig.8c ), en étant agencés deux par deux sur une même diagonale et coulissant dans des directions opposées, pour varier le volume d'une cavité cylindrique centrale 26. Cette cavité cylindrique centrale 26 et ses variations de volume lors de la rotation du losange sont mieux visibles auxfigures 8a à 8e . Dans la position initiale (figure 8a ), la cavité est initialement à volume minimal. Les figures suivantes (8b à 8e) montrent l'évolution de cette cavité 26 (représentée hachurée) quand le losange tourne dans le sens indiqué sur les figures. Les figures ne représentent pas les dispositifs de remplissage. Lafigure 8b montre le début de l'admission, la cavité 26 continue à augmenter de volume durant toute la phase d'admission. Sur lafigure 8c , la cavité 26 a atteint son volume maximal ; de manière préférée, le losange prend alors la forme d'un carré. Ensuite (figure 8d ), le volume de la cavité 26 décroît et le fluide commence à être évacué. Enfigure 8e , la cavité 26 atteint son volume minimal, ce qui correspond à la fin du refoulement et au début de l'admission. Afin de pouvoir échanger un fluide avec un circuit extérieur à la machine, on peut accéder à cette cavité cylindrique centrale 26 par un arbre de rotation (non représenté), par les pivots 7 et les pistons coulissants 27, ou par les flasques latéraux 12,13 de fermeture.
Une machine qui utiliserait en combinaison les cavités périphérique extrados 14, quatre cavités centrales divisées par deux diagonales 25 et une cavité cylindrique centrale 26 à volume variable pourrait alors disposer de neuf cavités de travail différentes, chacune pouvant fonctionner indépendamment.
Ainsi, à titre d'exemple, la machine illustrée auxfigures 8 présente deux cavités périphériques extrados gauches 14, deux cavités périphériques extrados droites 14, quatre cavités centrales divisées par les deux diagonales 25 et une cavité centrale 26, ce qui fait un nombre total instantané de 9 cavités, pouvant remplir sept fonctions. - Dans une huitième variante de réalisation qui est mieux visible aux
figures 9a à 9c , une cavité de travail est réalisée par une cavité centrale du rotor divisée par une médiane 28 du losange 4. Cette cavité est comprise entre la surface intérieure appelée face intrados 11 d'un piston 6 et la médiane 30 reliant les centres des deux pistons 6 opposés. Dans la position initiale (figure 9a ), la cavité est initialement à volume minimal. Les figures suivantes (9b à 9c) montrent l'évolution de cette cavité (remplie par des points) quand le losange tourne dans le sens indiqué sur les figures. Les figures ne représentent pas les dispositifs de remplissage. Lafigure 9b montre la position dans laquelle la cavité a atteint son volume maximal ; de manière préférée, le losange prend alors la forme d'un carré. Ensuite, le volume de la cavité décroît et le fluide commence à être évacué. Enfigure 9c , la cavité atteint son volume minimal, ce qui correspond à la fin du refoulement et au début de l'admission pour la cavité suivante. Une telle cavité centrale du rotor divisée par une médiane 28 effectue quatre cycles par tour et deux cavités se succèdent sur un tour, donc un cycle deux fois plus court que celui d'une cavité périphérique extrados. A titre d'exemple, la cylindrée de cette zone représente environ 1/80ième du volume de la machine, soit une cylindrée de 1/10ième du volume de la machine par tour. Afin de pouvoir échanger un fluide avec un circuit extérieur à la machine, on peut accéder à ces cavités par un arbre de rotation (non représenté), par les pivots 7 ou par les flasques latéraux 12,13 de fermeture.
Ce mode de réalisation présente l'avantage d'une simplification constructive, la médiane ne changeant pas de longueur lors de la rotation et, de ce fait, on peut utiliser des étanchéités simplifiées.
Ainsi, à titre d'exemple, la machine illustrée auxfigures 9 présente deux cavités périphériques extrados gauches 14, deux cavités périphériques extrados droites 14, deux cavités centrales divisées par une médiane 28, ce qui fait un nombre total instantané de 6 cavités, pouvant remplir quatre fonctions.
Dans une neuvième variante de réalisation qui est mieux visible auxfigures 10a à 10c , une cavité de travail est réalisée par une cavité centrale du rotor divisée par deux médianes 29 du losange 4. Cette cavité est comprise entre la surface intérieure appelée l'intrados 11 de deux pistons 6 connexes, leur articulation pivotante 7 et les deux segments adjacents correspondant chacun à la moitié de chacune des deux médianes 30 reliant les points médians de pistons 6 opposés. Dans la position initiale (figure 10a ), la cavité est initialement à volume minimal. Les figures suivantes (10b à 10c) montrent l'évolution de cette cavité (représentée pointillée) quand le losange tourne dans le sens indiqué sur les figures. Les figures ne représentent pas les dispositifs de remplissage. Lafigure 10c montre la position où la cavité a atteint son volume maximal ; de manière préférée, le losange prend alors la forme d'un carré. Ensuite, le volume de la cavité décroît et le fluide commence à être évacué. Enfigure 10c , la cavité atteint son volume minimal, ce qui correspond à la fin du refoulement et au début de l'admission pour la cavité suivante. Une telle cavité effectue quatre cycles par tour et quatre cavités se succèdent sur un tour, donc un cycle deux fois plus court que celui d'une cavité périphérique extrados. A titre d'exemple, la cylindrée de cette cavité centrale du rotor divisée par deux médianes 29 représente environ 1/160ième du volume de la machine, soit une cylindrée de 1/10ième du volume de la machine par tour. Afin de pouvoir échanger un fluide avec un circuit extérieur à la machine, on peut accéder à ces cavités par un arbre de rotation (non représenté), par les pivots 7 ou par les flasques latéraux 12, 13 de fermeture.
De manière similaire au mode précédent, ce mode de réalisation présente l'avantage d'une simplification constructive, du fait que les médianes du losange ne changent pas de longueur lors de la rotation de celui-ci.
Ainsi, à titre d'exemple, la machine illustrée auxfigures 10 présente deux cavités périphériques extrados gauches 14, deux cavités périphériques extrados droites 14, quatre cavités centrales divisées par les deux médianes 29, ce qui fait un nombre total instantané de 8 cavités, pouvant remplir six fonctions. - Dans une dixième variante de réalisation, une cavité de travail est réalisée par une cavité torique excentrée située à l'intérieur du rotor 3, deux cavités toriques excentrées 31,32 étant illustrées aux
figures 11a à 11c . L'une de ces cavités, appelée cavité torique excentrée externe 31, est formée par deux dispositifs toriques de section complémentaire (par exemple du type piston coulissant dans un cylindre), pouvant se déplacer en arc de cercle en suivant la déformation du losange, prenant appui chacun sur un piston 6 et fermant un volume délimité par une articulation pivotante 7 du losange 4, la face intrados 11 de deux pistons 6 connexes reliés par l'articulation pivotante 7 et la surface externe des dispositifs toriques 33. Une deuxième cavité torique interne 32 est formée à l'intérieur d'un des dispositifs toriques 33 (par exemple du cylindre) lors du déplacement, relatif au premier, d'un deuxième dispositif cylindrique (le piston). Dans la position initiale (figure 11 b) , la cavité est à volume minimal. Sur lafigure 11c , la cavité a atteint son volume maximal, ensuite le volume de la cavité décroît et le fluide commence à être évacué. Il est à noter que la cylindrée généralement très faible de cette solution et les géométries simples permettent d'obtenir des pressions très élevées dans le circuit de fluide en sortie de la machine. Afin de pouvoir échanger un fluide avec un circuit extérieur à la machine, on peut accéder à ces cavités par un arbre de rotation (non représenté), par les pivots 7 ou par les flasques latéraux 12,13 de fermeture.
Plusieurs cavités toriques peuvent être ainsi réalisées à l'intérieur du rotor, par exemple en les agençant autour de chaque articulation pivotante du losange. Une machine qui utiliserait en combinaison quatre cavités externes, quatre cavités toriques excentrées externes, et quatre cavités toriques internes et une cavité centrale à volume variable pourrait alors disposer de treize cavités de travail différentes, chacune pouvant fonctionner indépendamment. Il est à noter que la cavité centrale peut être elle-même subdivisée en plusieurs cavités par une paroi membranaire telle que décrite sur l'exemple de réalisation illustré par lafigure 14 , ce qui augmente le nombre total de cavités à volume variable.
Ainsi, à titre d'exemple, la machine illustrée auxfigures 11 présente deux cavités périphériques extrados gauches 14, deux cavités périphériques extrados droites 14, une à quatre cavité torique excentrée externe 31, une à quatre cavités toriques internes 32 et une cavité centrale 20, ce qui fait un nombre total instantané de 13 cavités, pouvant remplir onze fonctions. - Dans une onzième variante de ce mode de réalisation, mieux visible aux
figures 12a à 12c , des cavités toriques à volume variable peuvent être réalisées au centre du rotor à losange déformable. Une telle cavité est réalisée autour de l'axe central passant par le point d'intersection des médianes 30 et est délimitée par deux dispositifs toriques coulissant en arc de cercle, en prenant chacun appui sur un bras de médiane 30. Dans la position initiale, représentée à lafigure 12b , la cavité torique centrale 34 est à volume minimal. Le volume de la cavité augmente avec la rotation du rotor et atteint son volume maximal (fig. 12c ), ensuite le volume de la cavité décroît et le fluide commence à être évacué. Comme dans l'exemple desfigures 11a à 11c , des cavités toriques de très faible volume peuvent également être formées à l'intérieur des dispositifs toriques. Afin de pouvoir échanger un fluide avec un circuit extérieur à la machine, on peut accéder à ces cavités par un arbre de rotation (non représenté), par les pivots 7 ou par les flasques latéraux 12,13 de fermeture. Ces cavités internes au rotor peuvent être utilisées en complément des cavités externes de la machine, telles que décrites dans le premier mode de réalisation et l'on obtient ainsi une machine pouvant réaliser plusieurs fonctions (moteur, de transformation de l'énergie, de pompage, de compression) simultanément (en parallèle) ou successivement (en série).
Ainsi, à titre d'exemple, la machine illustrée auxfigures 12 présente deux cavités périphériques extrados gauches 14, deux cavités périphériques extrados droites 14, une à quatre cavités toriques centrales 34, une à quatre cavités toriques excentrées externes 31, ce qui fait un nombre total instantané de 12 cavités, pouvant remplir dix fonctions. - Un exemple d'application d'une machine dont la structure est réalisée conformément aux
figures 12a à 12c sera décrit dans ce qui suit. Il s'agit d'une pompe doseuse alimentaire entraînée par de l'air comprimé.
Cette fonctionnalité est très utile lorsque l'on souhaite éviter les problèmes de pollution des organes électriques d'entraînement par les pâtes alimentaires et pour simplifier la gestion d'un automate de production bien souvent pneumatique. - De l'air comprimé remplit les cavités 14. La pression de l'air entraîne le rotor en rotation. L'air ressort des cavités 14 de la machine à une pression inférieure à celle d'entrée. Les cavités 14 turbinent l'air.
De la pâte alimentaire est dosée dans les cavités 29 avant d'être transvasée dans les cavités toriques centrales 34 (une seule cavité 34 est représentée sur les figures pour des raisons de simplification, mais on peut toutefois envisager l'utilisation de quatre cavités toriques centrales 34 avec la machine illustrée).
La pâte alimentaire ainsi dosée par les premières cavités 29 est admise dans les cavités 34. La rotation du rotor entraîne la diminution du volume de la cavité 34 ce qui permet le mélange et l'injection de cette pâte dans le circuit de refoulement de la machine. - La conception de la machine est facilitée en adaptant les cylindrées des cavités aux besoins de l'automate de l'installation.
Les cavités peuvent avoir un volume mort environ nul pour éviter les zone mortes nuisibles à la sécurité alimentaire.
La construction permet un nettoyage très facile de la machine.
Le turbinage et la compression sont simultanés (fonctionnement en parallèle) alors que le dosage et l'injection de la pâte alimentaire se font successivement (pour un fonctionnement en série). - Dans un autre mode de réalisation, non illustré sur les dessins, la machine peut comporter des cavités externes, tel que décrit dans le premier mode de réalisation, et une cavité interne hélicoïdale. A titre indicatif, la cavité interne hélicoïdale peut être réalisée entre une vis pleine se déplaçant dans un taraudage borgne ajusté. Le taraudage peut être entraîné en rotation par l'un des bras médians du rotor, la vis étant fixe ou entraînée en rotation par l'autre bras médian. La différence de vitesses entre le taraudage et la vis provoque une variation de volume de la cavité interne hélicoïdale. La cylindrée de la cavité interne hélicoïdale est très faible, la pression engendrée pouvant alors atteindre des valeurs très élevées.
- Les
figures 13a et 13b illustrent un exemple de réalisation d'une machine selon l'invention comprenant quatre cavités périphériques extrados 14 et une cavité interne centrale 20. La cavité interne centrale 20 est délimitée par l'espace compris entre les surfaces internes ou faces intrados 11 des quatre pistons 6 et quatre membranes souples 35 fixées aux pistons 6 au niveau de leurs articulations pivotantes 7. La membrane souple 35 présente deux languettes d'extrémité 36,37 reliées par un soufflet 38. Les languettes 36,37 servent de moyen de fixation aux pistons 6, une des languettes d'extrémité 36 prenant appui sur la surface interne d'un piston 6, le soufflet 38 venant recouvrir l'articulation pivotante 7 et l'autre languette d'extrémité 37 prenant appui sur le piston 6 connexe ou adjacent au précédent. Lors de la rotation et donc de la déformation du losange 4, le soufflet 38 se déforme et assure l'étanchéité dans la cavité interne centrale 20 ainsi que l'étanchéité des cavités périphériques extrados 14 à travers l'articulation pivotante 7. Des orifices d'entrée/sortie dans les cavités externes permettent l'accès d'un fluide dans les cavités externes de la machine, ce fluide pouvant communiquer avec la cavité interne par des orifices pratiqués à travers les pistons 6 du rotor 3. - La
figure 14 illustre un autre exemple de réalisation d'une machine selon l'invention où les articulations pivotantes 7 du losange 4 sont protégées par des membranes souples 35 du type précédemment décrit, mais où la cavité centrale 20 comprend une paroi membranaire souple 39 agencée selon l'une des diagonales du losange 4, de manière à relier deux articulations pivotantes 7 opposées. Cette paroi membranaire 39 divise alors la cavité centrale interne en deux cavités centrales du rotor divisées par une diagonale 21, ayant un même volume. Les flèches de lafigure 14 illustrent le circuit d'un fluide de traitement à l'intérieur de la machine à partir de son entrée (flèche E) jusqu'à sa sortie (flèche S). En fonctionnement, la machine illustrée à lafigure 14 , reçoit en entrée un fluide à traiter selon la direction axiale (flèche E), ce fluide subissant une première opération thermodynamique (notamment de compression ou de détente) à l'intérieur de la première cavité centrale divisée par une diagonale 21 de la machine. Le fluide est ensuite envoyé dans les cavités périphériques extrados 14 via des orifices à clapets 40 obturant les canaux pratiqués dans les pistons 6. Le fluide subit une autre opération dans les cavités périphériques extrados 14 et est ensuite refoulé dans la deuxième cavité centrale. Le fluide subit une troisième opération dans la deuxième cavité centrale divisée par une diagonale 21, puis il est refoulé à l'extérieur de la machine selon une direction axiale de sortie (flèche S).
Ainsi, à titre d'exemple, la machine illustrée à lafigure 14 présente deux cavités périphériques extrados gauches 14, deux cavités périphériques extrados droites 14, deux cavités centrales divisées par une diagonale 21, ce qui fait un nombre total instantané de 6 cavités, pouvant remplir trois fonctions. - Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, la machine est conçue de manière à engendrer une pression dynamique qui s'additionne à la pression statique due à la déformation de la cavité de réception du fluide de travail qu'elle met en mouvement. Cette pression dynamique est obtenue en munissant d'ailettes le stator 2, le rotor 3, les bras de médianes 30 ou les bras des diagonales 41,42.
- Ainsi, les
figures 15a et 15b illustrent un exemple de réalisation où les pistons 6 sont munis d'ailettes 44 sur l'intrados et d'ailettes 43 sur l'extrados, ces ailettes étant inclinées et uniformément reparties sur l'intrados et sur l'extrados des pistons. Un rotor 3 muni d'ailettes 43,44 tournant à l'intérieur d'un stator 2 à surface interne lisse permet à la machine d'avoir un fonctionnement de pompe centrifuge ou de turbine si l'enceinte est bien le stator. Si l'enceinte tourne alors que le losange est fixe en rotation, les ailettes des pistons 6 se comporteront comme un redresseur. - Les
figures 16a et 16b illustrent un autre exemple de réalisation où la surface interne de l'enceinte 1 du stator 2 est munie d'ailettes 45 qui sont inclinées et uniformément réparties sur la surface interne du stator. Dans un autre exemple (non illustré sur les figures), l'espacement des ailettes peut être variable. Un rotor 3 ayant une face extrados 9 lisse tournant à l'intérieur d'un stator 2 muni d'ailettes 45 permet alors à la machine de fonctionner en tant que redresseur hydraulique ou pneumatique si l'enceinte est bien le stator. Si l'enceinte tourne alors que le losange est fixe en rotation, les ailettes de l'enceinte 1 se comporteront comme une pompe ou une turbine centrifuges. - Les
figures 17a et 17b illustrent un autre exemple de réalisation où chaque bras de médiane 30 est muni d'ailettes 46 à parois inclinées formant ainsi une hélice 47 à quatre pales (ou plus) à l'intérieur du rotor 3. Cette solution est particulièrement avantageuse, car très simple, la longueur des bras de médiane 30 étant constante. Par ailleurs, l'écoulement du fluide à l'intérieur du rotor s'est avéré moins turbulent que lors d'un passage à l'intérieur d'un rotor muni d'ailettes sur l'intrados des pistons. - Les
figures 18a et 18b illustrent encore un autre exemple de réalisation où les bras des diagonales 41,42 sont munis d'ailettes 48 à parois inclinées formant ainsi une hélice 49 à quatre pales (ou plus) à l'intérieur du rotor ou du losange 4. L'avantage d'un tel agencement d'ailettes est que la vitesse de rotation des bras diagonaux étant constante, l'écoulement du fluide est moins turbulent que lors d'un passage à l'intérieur d'un rotor muni d'ailettes sur l'intrados des pistons. Les pales 48 de l'hélice 49 sont télescopiques afin de pouvoir s'adapter à la variation de longueur des bras des diagonales 41,42 lors de la rotation du losange 4. Chaque pale 48 d'hélice comporte, dans la direction d'un bras diagonal 41,42, une partie fixe 50 prenant appui sur la périphérie d'une articulation pivotante 7 qui est amenée à coulisser, lors de la rotation du losange 4, à l'intérieur d'une partie d'ailette 48 appartenant à un moyeu central d'hélice 49. - Dans une variante, non illustrée sur les figures, à la fois le stator 2 et le rotor 3 peuvent être munis d'ailettes du type 43,44 pour les pistons 6 du rotor 3 ou 45 pour le stator 2. On peut également envisager d'utiliser un stator à ailettes apte à recevoir un rotor muni d'ailettes 46 sur les bras de ses médianes ou encore un rotor muni d'ailettes 48 sur les bras de ses diagonales.
Avantageusement, les ailettes extrados 43, les ailettes intrados 44, les ailettes stator 45, les ailettes bras médians 46, les hélices 47,49, l'ailette bras diagonal 48 et la partie fixe ailette 50 favorisent les échanges thermiques. - La machine rotative à losange déformable de l'invention permet, de par sa construction avec au moins trois cavités à volume variable, d'assurer plusieurs fonctions choisies parmi celles de : moteur, pompe, compresseur ou turbine, ou une combinaison de celles-ci, un échange de fluide étant établi avec un ou plusieurs circuits externes à la machine, ainsi qu'entre les diverses cavités à volume variable de celle-ci. Les zones d'échange (ou moyens de transfert ou d'échange) de fluide au sein de la machine sont illustrées dans les
figures 19 à 23 . Ces zones d'échanges sont des orifices d'admission ou de refoulement communiquant, d'une part, avec des circuits de fluide externes à la machine et d'autre part, avec des canaux pratiqués au sein de ses éléments débouchant dans des cavités externes ou internes de la machine, tel qu'il sera expliqué par la suite. - La
figure 19 illustre quatre orifices radiaux 51 d'admission ou refoulement du fluide dans les cavités externes de la machine, ces orifices sont pratiqués sur la surface externe du stator 2 et traversent radialement son épaisseur pour déboucher dans les cavités externes 8 de la machine. - Les
figures 20a à 20c illustrent des orifices pratiqués dans les flasques latéraux 12,13 de fermeture de la machine, réalisés notamment sous forme d'orifices axiaux et de lumières périphériques. Tel que visible à lafigure 20a , deux orifices axiaux 52 permettent une admission du fluide axialement (dans le sens de l'axe longitudinal de la machine) à l'intérieur du rotor, ces orifices pouvant avantageusement être munis de clapets assurant leur fermeture et respectivement leur ouverture. Les deux flasques latéraux 12,13 sont également munis chacun de quatre lumières périphériques 53 qui sont des fentes ayant une forme générale de demi-lune leurs dimensions et leur agencement étant réalisés de manière à ce que, au moins dans l'une des positions du rotor 3, ces lumières périphériques 53 soient complètement obstruées par les articulations pivotantes 7 du rotor 3. Lafigure 20b illustre une telle position où les quatre lumières périphériques 53 sont recouvertes par les quatre articulations pivotantes 7 du rotor 3. Lors de la rotation du rotor 3 dans le sens indiqué par la flèche dans lesfigures 20b et 20c , les lumières périphériques 53 sont découvertes progressivement et la surface de la zone d'échange augmente avec l'angle de rotation jusqu'à une position où elles sont complètement ouvertes (fig. 20c ), puis la section de la zone d'échange de fluide diminue ensuite jusqu'à la position illustrée dans lafigure 20b . Cette solution assure une ouverture et une fermeture progressives et automatiques de la zone d'échange entre un circuit de fluide en amont ou en aval de la machine et les cavités externes 8 de la machine, toutes les fermetures et ouvertures d'orifices étant en phase entre elles. - Les
figures 21a et 21b illustrent une autre variante de réalisation des zones d'échange de fluide à l'intérieur de la machine, notamment via des canaux 54 d'admission ou refoulement pratiqués au niveau des articulations pivotantes 7 du rotor 3. La rotation qui a lieu entre les pistons 6 et leur pivots 7 permet une ouverture et une fermeture automatique de ces canaux 54 s'étendant radialement et sur une certaine profondeur le long de l'articulation pivotante 7. On note que l'ouverture et la fermeture des canaux appartenant à deux articulations pivotantes opposées (se faisant face) sont en phase. - Les
figures 22a à 22c illustrent une autre variante de réalisation des zones d'échange de fluide, cet échange se faisant par des canaux 55 pratiqués dans une direction radiale dans les pistons 6. Lafigure 22a illustre le rotor 3 de la machine où chaque piston 6 comprend deux orifices traversants, le passage de fluide pouvant être réalisé dans les deux sens (intérieur vers l'extérieur et vice-versa). Lafigure 22b illustre un exemple de rotor où chaque piston comprend un orifice traversant réalisé de manière à pouvoir recevoir un clapet de fermeture assurant le passage du fluide de l'intérieur vers l'extérieur du rotor (dans le sens des flèches de lafig.22b ). Lafigure 22c illustre un exemple similaire au précédent, mais où le passage du fluide est permis depuis l'extérieur vers l'intérieur du rotor (dans le sens des flèches de lafig.22c ). - La
figure 23 illustre une autre variante de réalisation de canal axial 56 d'admission ou de refoulement de fluide, celui-ci étant réalisé dans l'arbre central ou de rotation 57 de la machine. La cavité interne de l'arbre de rotation 57 comprend un premier canal axial 56 dont l'orifice d'entrée se trouve à une première extrémité 58 de l'arbre et l'orifice de sortie 59 au niveau du plan médian de la machine, ainsi qu'un deuxième canal axial 56' qui part de ce plan milieu et va jusqu'à la deuxième extrémité 60 de l'arbre de rotation 57. Des orifices, munis de préférence de clapets, permettent l'admission du fluide véhiculé par l'arbre central dans les cavités qu'il traverse, voire le refoulement du fluide des cavités via le canal axial de l'arbre vers un circuit externe de la machine. - Les canaux d'admission et de refoulement de fluide dans diverses cavités de la machine peuvent présenter des sections dites libres (par exemple des orifices, des lumières ou fentes) qui sont successivement obstruées, puis ouvertes lors de la rotation du rotor, ou ils peuvent être munis de clapets ou soupapes (éventuellement à ressort de rappel) actionnés en ouverture/fermeture par une différence de pression de fluide, ou, dans une autre variante de réalisation, ils peuvent être munis de dispositifs de fermeture/ouverture commandés par des actionneurs électriques ou électromécaniques (par exemple électrovannes, soupapes commandées, etc ...). Une combinaison des moyens de fermeture/ouverture des canaux peut être également envisagée, par exemple lesdites sections libres peuvent comporter, de plus, un dispositif piloté (tel un obturateur rotatif à rotation contrôlée) pouvant par exemple effectuer une variation de la surface de la section de la zone d'échange.
- Les
figures 24 à 28 illustrent un compresseur 80 selon un mode de réalisation de l'invention revendiquée, plus particulièrement utilisant deux de ses cavités externes en tant que turbine à eau, deux de ses autres cavités externes ainsi que plusieurs cavités internes en tant que pompes à air, chacune étant apte à fournir différentes valeurs de la pression de l'air en sortie, tel qu'il sera expliqué par la suite. Dans cet exemple, la fonction principale de la machine est de turbiner de l'eau pour comprimer de l'air, la source d'eau pouvant être, par exemple, un robinet d'eau courante du réseau de distribution classique. L'air ambiant peut soit être comprimé à une pression supérieure à celle de l'eau, mais à un débit plus faible, soit à un débit plus important, mais une pression plus faible. L'application est un compresseur/gonfleur destiné aux roues de vélos, aux ballons, aux matelas pneumatiques de plage, lits gonflables, ou autre. - Ainsi, à titre d'exemple, la machine illustrée à la
figure 24 présente deux cavités périphériques extrados gauches 14, deux cavités périphériques extrados droites 14, quatre cavités toriques 66, et une cavité centrale 67, ce qui fait un nombre total instantané de 9 cavités, pouvant remplir cinq fonctions. - La
figure 24 illustre une vue en perspective de la machine, l'un des flasques latéraux de fermeture ayant été retiré pour laisser visibles les éléments internes de la machine. La machine comporte un stator 2 dont l'enceinte 1 reçoit un rotor 3 à losange déformable 4, dont les articulations pivotantes 7 sont en contact, avec ou sans jeu, avec la surface interne de l'enceinte 1 lors de la rotation du rotor 3, celle-ci s'effectuant dans le sens indiqué par la flèche de lafigure 24 . Le losange déformable 4 comprend quatre pistons 6 reliés l'un à l'autre par une articulation pivotante 7. Chaque piston 6 définit une cavité périphérique extrados 14 avec la surface interne du stator 2 et deux flasques latéraux de fermeture, quatre cavités périphériques extrados 14 ayant ainsi été formées à l'extérieur du rotor 3. Les quatre pistons 6 sont identiques, l'intrados d'un piston 6 est muni d'une excroissance 61 ayant une forme général de portion de tore dont l'axe de révolution est situé dans l'axe de pivotement d'une articulation 7 reliant deux pistons 6 adjacents. Plus particulièrement, l'intrados de chaque piston 6 comprend une zone de raccord 62 de forme plane reliant une première articulation pivotante 7 de droite à l'excroissance 61 du piston 6. La zone de raccord 62 se prolonge par une zone interne 63 de forme cylindrique concave se prolongeant par une zone centrale 65 de forme générale cylindrique convexe reliée par une zone externe 64 de forme générale plane à la deuxième articulation pivotante 7 de gauche du piston 6. Les formes et les dimensions des zones constituant l'intrados d'un premier piston 6 sont réalisées de manière à ce que, en fonctionnement, chaque zone de raccord 62 de ce premier piston coopère avec une zone externe 64 d'un deuxième piston 6 adjacent et qui est situé à droite par rapport au premier, et que chaque zone centrale 65 du premier piston coopère avec une zone interne 63 d'un troisième piston, adjacent et situé à gauche par rapport au premier. Ces zones coopèrent de manière à ce que, en une position prédéterminée du losange 4, elles puissent s'emboîter et, au fur et à mesure de la rotation du losange 4, elles puissent s'écarter et se rapprocher et former ainsi des cavités internes à volume variable de réception d'un fluide. Tel que mieux visibles auxfigures 24 et28c , les zones de l'intrados des pistons 6 définissent ainsi cinq cavités internes à volume variable, dont quatre cavités toriques 66 et une cavité centrale 67.
Dans lesfigures 24 à 28 , la partie gauche des cavités périphériques extrados 14 de la machine, plus particulièrement deux cavités périphériques extrados 14 adjacentes, est utilisée en turbine à eau, il s'agit là d'une fonction motrice de la machine. La partie droite des cavités périphériques extrados 14 de la machine, plus particulièrement les deux autres cavités périphériques extrados 14 adjacentes, est utilisée en pompe à air basse pression. Les cavités toriques 66 sont utilisées en pompe à air moyenne pression. La cavité centrale 67 est utilisée en pompe à air haute pression.
La gestion du transfert de l'air comprimé entre les différentes cavités se fait via des vannes : quand le besoin en pression est faible, on souhaite utiliser les différentes pompes (constituées par la partie droite, les cavités toriques et la cavité centrale) en parallèle ; ou alors, quand le besoin en pression est important, les pompes sont utilisées en série.
La machine est autonome et fonctionne sans arbre de transmission mécanique. En effet, il y a équilibre entre l'énergie fournie par le fluide turbiné et le gaz comprimé. - Le stator 2, le flasque latéral de fermeture 12 et les différentes zones d'admission et de refoulement de fluide dans la machine sont mieux visibles dans les
figures 25 à 27 . Le stator 2 est une cuve comportant une paroi de fond 68, son enceinte 1 étant fermée par un flasque latéral 12. Le stator 2 est fermé par le flasque 12 à l'aide des vis de fixation traversant les passages 69 pratiqués sur le pourtour du stator 2 et du flasque latéral 12. La paroi de fond 68 du stator comprend quatre alvéoles creuses agencées sur sa périphérie et ayant une forme en demi-lune et se prolongeant chacune par un canal axial 75 débouchant dans une cavité extrados 14. La paroi de fond 68 comprend : une demi-lune 71 d'admission d'air, une demi-lune 72 de refoulement d'air, une demi-lune 73 d'admission d'eau et une demi-lune 74 de refoulement d'eau.
La paroi de fond 68 comprend par ailleurs, au niveau de la zone couverte par le rotor, quatre glaces de distribution dont deux glaces d'admission 76 d'air dans les cavités toriques 66 et deux glaces de refoulement d'air 77 dans les cavités toriques 66. La paroi de fond 68 comporte également, dans sa zone centrale deux renfoncements d'admission d'air 79 et deux renfoncements de refoulement d'air 78 coopérant avec la cavité centrale 67. Les raccordements avec des conduits de circulation de fluide (tuyaux, durites de connexion, etc.) sont représentés par des cercles (mieux visibles à lafigure 26 ) à l'intérieur de chaque zone d'admission, respectivement de refoulement de la paroi 68.
Le fonctionnement du compresseur sera maintenant expliqué en référence auxfigures 28a à 28d .
Lafigure 28a illustre le compresseur 80 dans la position la plus écrasée du losange 4, deux cavités toriques 66 opposées sont à leur volume maximal et les deux autres à leur volume minimal, la cavité centrale 67 est à son volume minimal et les cavités périphériques extrados 14 sont en position intermédiaire.
Lafigure 28b illustre le compresseur 80 dans la position dans laquelle le losange 4 tend vers la forme d'un carré. Dans cette phase, les cavités toriques 66 commencent le refoulement de l'air (à gauche et à droite) et l'aspiration (en haut et en bas). La cavité centrale 67 commence à aspirer et les cavités périphériques extrados 14 sont en fin d'aspiration (en haut et en bas) et en début de refoulement (à gauche et à droite).
Lafigure 28c illustre une phase suivante de la rotation du losange, celui-ci ayant pris la forme d'un carré, où les cavités toriques 66 continuent l'aspiration du fluide (en haut et en bas) et le refoulement (à gauche et à droite), la cavité centrale 67 a atteint son volume maximal et les cavités périphériques extrados 14 ont fini l'aspiration (en haut et en bas) et le refoulement (à gauche et à droite).
Lafigure 28d illustre une phase suivante où les cavités toriques 66 finissent l'aspiration du fluide (en haut à droite et en bas à gauche) et le refoulement (en haut à gauche et en bas à droite), la cavité centrale 67 est en plein refoulement et les cavités périphériques extrados 14 commencent le refoulement (en haut et en bas) et l'aspiration (à gauche et à droite).
Un exemple d'utilisation d'un tel compresseur 80 est lorsqu'il reçoit, à l'entrée, de la puissance en turbinant l'eau du réseau d'adduction classique et qu'il envoie, en refoulement, de l'air comprimé. Le débit d'eau reçu d'une valeur d'environ 10 Umin est turbiné d'une pression de 2 bar absolus à la pression atmosphérique (un fonctionnement à la pression standard du réseau de 3 bars relatifs est également possible). Pour cela, la machine utilise deux des quatre cavités périphériques 14 (en haut à gauche et en haut à droite) qui sont formées par l'extrados du piston 6 et la surface interne du stator 2. Les autres cavités sont utilisées pour le pompage de l'air. La puissance reçue par la machine est ensuite absorbée par les différentes pompes intégrées qui compriment l'air de la pression atmosphérique à la pression aval. Afin d'optimiser le fonctionnement de la machine, les différentes pompes seront en charge ou alors court-circuitées selon les besoins en pression à l'aval de la machine.
L'équilibre entre la puissance reçue et la puissance consommée se fait sans arbre moteur. En effet, si le besoin en pression est faible (début du gonflage, la pression est essentiellement due aux pertes de charges), alors toutes les pompes seront en charge et le débit est maximal. Le débit de l'ensemble des pompes est alors d'environ 30 NL/min (normaux litres par minute), soit de 10 NL/min pour les cavités extrados 14 réservées au pompage de l'air, de 16 NL/min pour les cavités toriques 66 et 4 NL/min pour la cavité centrale 67, pour une surpression allant jusqu'à 0,3 bar.
Si la pression délivrée devient insuffisante (mise sous pression progressive du volume à gonfler), les cavités toriques 66 sont court-circuitées et le débit diminue au profit de la pression. Le débit de l'ensemble des pompes est alors d'environ 14 NL/min (10 NL/min pour les cavités périphériques extrados 14 réservées au pompage de l'air et 4 NL/min pour la cavité centrale 67) pour une surpression allant jusqu'à 0,6 bar.
Enfin, le gonflage à pression maximale se fait en court-circuitant aussi les cavités périphériques extrados 14 de la pompe, pour ne garder que la turbine à eau et la cavité centrale 67. Le débit de la cavité centrale 67 est d'environ 4 NL/min pour une surpression allant jusqu'à 2 bar soit environ 3 bar absolus.
Lorsque le losange est dans la configuration particulière où il forme un carré (fig.28c ), la machine est à un point mort. Pour rendre cette position instable, on peut utiliser un dispositif d'actionnement (tel un dispositif à ressorts agencés entre deux pistons connexes ou à aimants intégrés dans les pistons) afin de favoriser le déplacement vers la position la plus écrasée du losange.
Les caractéristiques techniques de la machine sont données ci-dessous à titre d'exemple. La machine a une taille très compacte. En effet, la longueur (selon le grand axe de la section transversale du stator) est d'environ 70 mm, la largeur (selon le petit axe de la section transversale du stator) est d'environ 60 mm et la profondeur (selon l'axe longitudinal) est d'environ 40 mm. - Une machine améliorée, plus compacte et plus légère peut être conçue pour des vitesses de rotation plus élevées, tout en la munissant de systèmes d'étanchéité au niveau de ses zones d'échange de fluide. À l'inverse, il est aussi possible d'envisager un dimensionnement plus important de la machine, lorsque l'on alourdit les pistons afin d'augmenter le moment d'inertie du losange autour de l'axe de rotation.
A titre indicatif, les tolérances dimensionnelles et géométriques sont de l'ordre du centième de mm afin de limiter les fuites. Lé volume maximal d'une cavité périphérique extrados 14 est d'environ 5 cm3, celui d'une cavité torique 66 est d'environ 4 cm3 et celui de la cavité centrale 67 de 2 cm3. Le volume mort d'une cavité périphérique extrados 14 est négligeable et dépend essentiellement des conduites d'admission et de refoulement, soit d'environ 0,1 cm3 pour une conduite de la pompe à air et 1 cm3 pour une conduite de la turbine à eau. Le volume mort d'une cavité torique 66 est négligeable et dépend aussi essentiellement des conduites d'admission et de refoulement, soit environ 0,1 cm3. Enfin, la cavité centrale 67 a un volume mort qui dépend aussi de la forme de la cavité, mais qui peut être réduit à environ 0,2 cm3. La machine est étanche vis-à-vis dé l'extérieur car elle se satisfait d'étanchéités statiques (sans mouvement relatifs de pièces). Les étanchéités internes de la machine se font essentiellement par des jeux réduits, de grandes zones de laminage de fuites et l'utilisation des déformations des pièces sous pression pour diminuer les jeux et améliorer l'étanchéité.
La machine peut être réalisée à l'aide de matériaux plastiques à bas coefficient de frottement pour assurer la légèreté de l'ensemble, car la pression est faible est les pièces on une conception très robuste.
La machine peut encaisser les problèmes de présence d'eau dans les pompes à air, grâce notamment aux volumes morts, ceux-ci servant d'amortisseurs pneumatiques pour éviter le choc hydraulique lors de la diminution du volume. De plus, en cas de fort excès de liquide dans les zones pneumatiques, la pression augmentant fortement, les pistons et les flasques se déforment pour libérer un passage au fluide.
Dans l'exemple décrit, le compresseur 80 est conçu pour tourner à 500 tr/min pour un débit d'eau de 10 Umin. Cette vitesse, bien que faible, assure la continuité du mouvement et le passage des points morts aisément.
La machine peut fonctionner avec une eau à une température comprise entre 10 et 60°C, dans un air ambiant entre 10 et 50°C et avec de l'air ou de l'eau très pollués (taille et concentration des particules élevées, pouvant par exemple contenir des particules de sable), la machine étant équipée de filtres en amont de l'alimentation en eau et en amont de l'alimentation en air, permettant de filtrer les particules dans ces fluides d'une taille supérieure à 20 microns.
Le passage de l'eau dans le dispositif à gonfler est évité grâce à un petit tuyau vertical dirigé vers le haut dès la sortie de la machine. Ce dispositif permet aux gouttelettes d'eau présentes dans l'air de retomber; mais ne gêne pas le passage de l'air. Cette portion de tuyau peut être connectée à l'admission d'eau pour vider ce tuyau automatiquement. Ce tuyau n'est pas représenté sur les figures, de même ne sont pas représentés les systèmes de court-circuitage. - La machine illustrée aux
figures 24 à 28 peut également fonctionner en tant que compresseur à plusieurs étages de compression. Ainsi, lorsqu'une fonction compresseur doit être remplie en plusieurs étages de compression, notamment pour favoriser le rendement, une machine MRLD selon l'invention, d'un diamètre extérieur de 250 mm et d'une profondeur de 140 mm (selon l'axe longitudinal de la machine), peut admettre des cylindrées par tour de 1.022 cm3 pour le premier étage de compression, de 680 cm3 pour le second étage de compression et de 102 cm3 pour le troisième étage de compression, d'un même fluide transitant successivement à travers les cavités périphériques extrados 14, les cavités toriques 66 puis la cavité centrale 67. Un tel compresseur tri-étagé (ou multicompresseur) selon l'invention possède un volume d'encombrement de 6.872 cm3.
Or, un dispositif composé de 3 machines MRLD connues de l'état de la technique, fonctionnant chacune en tant que compresseur pour remplir individuellement l'une des trois fonctions de compression de la machine tri-étagée, possédant des cylindrées par tour identiques mais n'exploitant que les cavités externes, aurait un volume d'encombrement de 14.120 cm3, s'il était réalisé suivant des caractéristiques de construction similaires au compresseur MRLD tri-étagé de l'invention. Ainsi, la machine MRLD selon l'invention, intégrant trois fonctions de compression dans le même rotor, possède une densité de puissance 2,05 fois supérieure à un dispositif composé de trois machines MRLD connues de l'état de la technique.
En conséquence, la mise en oeuvre de plusieurs machines MRLD différentes, telles que connues dans l'état de la technique, pour réaliser une fonction (par exemple de compression ou de détente sur un fluide compressible), lorsque cette fonction doit nécessairement être segmentée en plusieurs fonctions successives de même nature, en raison de l'étendue importante de la variation d'au moins un des paramètres du fluide (typiquement pour des rapport de pression supérieur à 10) ou pour un objectif d'amélioration du rendement, peut désormais être réalisée par une seule machine MRLD selon l'invention. Avantageusement, l'invention apporte des réponses dans de nombreuses applications, en particulier les applications dites mobiles ou embarquées, qui ont comme critères techniques primordiaux la réduction de l'encombrement et/ou de la masse. - Un autre exemple d'application de la machine de l'invention dont la structure est illustrée aux
figures 24 à 28 est décrit dans ce qui suit. Il s'agit d'un convertisseur d'énergie hydraulique en énergie pneumatique autonome sans transmission. Il peut assurer la production locale d'air comprimé sans recours à un compresseur. Cette fonctionnalité est très pertinente à l'extrémité d'une flèche de pelle hydraulique sur laquelle on souhaiterait installer un système pneumatique à choc. - Ainsi, en entrée de la machine, de l'huile sous haute pression remplit les cavités 66. La pression de l'huile entraîne le rotor en rotation. L'huile ressort des cavités 66 de la machine à une pression réduite, inférieure à celle d'entrée. Les cavités 66 turbinent l'huile.
De l'air à pression ambiante est admis dans les cavités 14. La rotation du rotor entraîne la diminution du volume des cavités 14 et la compression du gaz qu'elles contiennent. L'air ainsi comprimé est refoulé dans la cavité 67 via un circuit d'air intermédiaire.
L'air comprimé refoulé par les cavités 14 est admis dans la cavité 67. La rotation du rotor entraîne la diminution du volume de la cavité 67 et la compression du gaz qu'elle contient. L'air ainsi sur-comprimé est refoulé à destination de l'application. - L'huile assure une barrière d'étanchéité entre les deux étages de compression.
Une application pneumatique en circuit fermé évite la pollution de l'air. Il est très facile de séparer l'huile et l'air et de réintégrer l'huile dans le circuit via un système de purge automatique.
L'air en faible quantité dans l'huile ne constitue pas un polluant pour l'huile et n'entraîne pas de conséquences majeures car l'air se séparera de l'huile lors de la décantation dans le réservoir. - Par ailleurs, la machine ainsi réalisée ne nécessite pas d'arbre de transmission mécanique. La puissance générée par le turbinage de l'huile est absorbée par la compression de l'air.
Le turbinage et la compression sont simultanés (fonctionnement en parallèle) alors que les deux étages de compression se font successivement (pour un fonctionnement en série). - D'autres variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l'invention telle que délimitée dans les revendications.
1 | Enceinte |
2 | Stator |
3 | Rotor |
4 | Losange déformable |
5 | Sommet du losange |
6 | Piston |
7 | Articulation pivotante (pivot) |
8 | Cavité externe |
9 | Face Extrados du piston |
10 | Cavité interne |
11 | Face Intrados du piston |
12 | Flasque latéral |
13 | Flasque latéral |
14 | Cavité périphérique extrados |
15 | Cavité circulaire extrados |
16 | Arbre central elliptique |
17 | Cavité périphérique intrados |
18 | Cavité circulaire intrados |
19 | Cylindre de révolution |
20 | Cavité interne centrale |
21 | Cavité centrale du rotor divisée par une diagonale |
22 | Glissière |
23 | Cavité cylindrique de glissière |
24 | Cylindre de glissière |
25 | Cavité centrale du rotor divisée par deux diagonales |
26 | Cavité cylindrique centrale |
27 | Piston coulissant |
28 | Cavité centrale du rotor divisée par une médiane |
29 | Cavité centrale du rotor divisée par deux médianes |
30 | Médiane |
31 | Cavité torique excentrée externe |
32 | Cavité torique excentrée interne |
33 | Dispositifs toriques |
34 | Cavité torique centrale |
35 | Membrane souple |
36 | Languette d'extrémité |
37 | Languette d'extrémité |
38 | Soufflet |
39 | Paroi membranaire souple |
40 | Orifices à clapet |
41 | Diagonale |
42 | Diagonale |
43 | Ailettes extrados |
44 | Ailettes intrados |
45 | Ailettes stator |
46 | Ailettes bras médians |
47 | Hélice |
48 | Ailette bras diagonal |
49 | Hélice |
50 | Partie fixe ailette |
51 | Orifice radial d'admission / refoulement de fluide |
52 | Orifice axial d'admission / refoulement de fluide |
53 | Lumières périphériques |
54 | Canaux admission / refoulement dans les articulations |
55 | Canaux d'admission/refoulement via les pistons |
56, 56' | Canal axial |
57 | Arbre de rotation (central) |
58 | Première extrémité de l'arbre de rotation |
59 | Orifice sortie plan médian |
60 | Deuxième extrémité de l'arbre de rotation |
61 | Excroissance |
62 | Zone de raccord |
63 | Zone interne |
64 | Zone externe |
65 | Zone centrale |
66 | Cavité torique |
67 | Cavité centrale |
68 | Paroi de fond |
69 | Passage |
70 | Passage |
71 | Demi-lune admission air |
72 | Demi-lune refoulement air |
73 | Demi-lune admission eau |
74 | Demi-lune refoulement eau |
75 | Canal axial |
76 | Glace d'admission air |
77 | Glace de refoulement air |
78 | Renfoncement refoulement air |
79 | Renfoncement admission air |
80 | Compresseur |
Claims (15)
- Machine rotative à losange déformable comportant une enceinte (1) formant un stator (2) apte à recevoir un rotor (3) qui est un losange déformable (4) en contact, avec ou sans jeu, avec la surface interne de l'enceinte (1), ledit losange déformable (4) comprenant une pluralité de pistons (6) reliés, et de préférence quatre pistons reliés, l'un à la suite de l'autre, par une articulation pivotante (7) d'axe parallèle à l'axe longitudinal de l'enceinte (1) et formant ainsi une chaîne fermée ; chaque piston (6) comportant une face extérieure, appelée extrados, et une face intérieure, appelée intrados ; la surface interne de l'enceinte (1) de ladite machine définissant au moins une cavité dite externe (8), avec l'extérieur du losange déformable (4), et avec les parois latérales de fermeture de l'enceinte, et au moins une cavité dite interne (10) étant formée à l'intérieur du rotor avec les parois latérales de fermeture de l'enceinte (1) ; au moins l'une des cavités externes (8) et/ou au moins l'une des cavités internes (10) étant reliées, directement ou indirectement, à l'entrée d'au moins un circuit de fluide externe à la machine, ladite machine étant caractérisée en ce que lesdites cavités externes (8) et internes (10) comprennent ensemble au moins trois cavités à volume variable aptes à remplir au moins trois fonctions différentes simultanément ou au moins trois fonctions identiques successivement ou au moins trois fonctions dont au moins l'une est différente des deux autres et est réalisée simultanément avec les deux autres fonctions qui sont identiques et réalisées successivement, et en ce que l'intrados de chaque piston (6) est muni d'une excroissance (61), chaque excroissance (61) coopérant avec l'excroissance (61) de deux pistons (6) adjacents de manière à créer au moins deux cavités internes (10) à volume variable ;
chacune desdites fonctions étant choisie parmi : moteur à combustion, turbine, compresseur, pompe, doseur, mélangeur, répartiteur de débit, convertisseur d'énergie, broyeur, de manière à modifier au moins l'un des paramètres du fluide sortant de la machine, par rapport au fluide entrant. - Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle fonctionne en tant que multipompes et/ou multiturbines et/ou multicompresseur.
- Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de transfert de fluide d'une cavité à volume variable à une autre.
- Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les cavités externes (8) sont des cavités extrados périphériques (14), chacune étant définie entre la face extrados (9) d'un piston (6), la surface interne de l'enceinte (1) et des flasques latéraux de fermeture (12, 13).
- Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les cavités externes (8) sont des cavités circulaires extrados (15), chacune étant définie par les faces extrados (9) de deux pistons (6) adjacents, l'articulation pivotante (7) les reliant, la surface interne de l'enceinte (1) qui dans ce cas est circulaire ou elliptique, et des flasques latéraux de fermeture (12, 13).
- Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une cavité interne (10) est réalisée de manière à avoir au moins une surface en commun avec la face intrados (11) d'au moins l'un des pistons (6) et/ou avec l'intrados d'au moins l'une des articulations pivotantes (7) et/ou avec au moins une pièce intermédiaire reliée à l'un des pistons (6) ou à l'une des articulations pivotantes (7).
- Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins deux desdites cavités périphériques externes (8), ou au moins deux desdites cavités internes (10), ou au moins deux des cavités externes (8) et internes (10) transportent un fluide différent.
- Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des zones d'échange de fluide avec les cavités externes (8), ces zones étant des canaux pratiqués dans les pistons (6), les pivots (7), les flasques (12,13), le profil de l'enceinte (1) ou le dispositif de transmission.
- Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des zones d'échange de fluide avec les cavités internes (10), ces zones étant des canaux pratiqués dans les pistons (6), les pivots (7), les flasques (12,13) ou l'arbre central (57) ou plus généralement le dispositif de transmission de la machine.
- Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que son fonctionnement peut être réversible.
- Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les intrados des pistons définissent cinq cavités internes à volume variable.
- Pompe comportant une machine rotative selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
- Turbopompe comportant une machine rotative selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
- Moteur comportant une machine rotative selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
- Compresseur comportant une machine rotative selon l'une quelconque dès revendications 1 à 12.
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