EP3194779B1 - Dispositif de compression et compresseur à spirales utilisant un tel dispositif de compression - Google Patents

Dispositif de compression et compresseur à spirales utilisant un tel dispositif de compression Download PDF

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EP3194779B1
EP3194779B1 EP15756959.1A EP15756959A EP3194779B1 EP 3194779 B1 EP3194779 B1 EP 3194779B1 EP 15756959 A EP15756959 A EP 15756959A EP 3194779 B1 EP3194779 B1 EP 3194779B1
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scroll
spiral
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flat thrust
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Definitions

  • the present invention relates to a compression device and to a scroll compressor comprising such a device.
  • the invention finds applications in the sector of the refrigeration and air conditioning industry, in particular, for refrigeration system applications such as air conditioning in vehicles.
  • a scroll compressor also known as a scroll compressor, is used to compress a gas.
  • a compression stage of a scroll compressor comprises two interposed scrolls so as to suck and compress a gas. One of the spirals is fixed while the other moves eccentrically without rotational movement.
  • a compression cycle comprises a gas suction step, then a gas compression step and finally a compressed gas delivery step.
  • the eccentric movement of one of the spirals relative to the other allows the suction of a gas from the outer part of the spirals.
  • the aspirated gas forms a pocket of gas drawn towards the center of the spirals. As the pocket moves towards the center of the spirals, it gets smaller and smaller. Thus, the gas pressure increases until the desired discharge pressure is reached. Once this pressure is reached, the gas is discharged, discharging the pocket, via a delivery orifice in the center of the spirals.
  • scroll compressors In industry, scroll compressors have different characteristics depending on their application.
  • the disadvantage of the thrust ball bearing lies in its very principle, which leads to make the axial forces transit only through points of contact between the tracks and the balls, thus limiting the level of transmissible force and the potential lifetime compared to technologies including a flat stop or a counter-stop. pressure.
  • back pressure stop compressor also makes it possible to overcome the weakness of the ball stop by replacing it with the back pressure stop.
  • back pressure force eliminates the need for spiral seals and allows very simplified lubrication management in this area. Nevertheless, the level of back pressure force induces higher losses than those of the flat stop compressor.
  • the document EP-2 312 163 discloses a scroll compressor comprising, contained in a sealed housing, an electric motor section, a compression mechanism section connected to the electric motor section, an oil sump for the lubricating oil and providing compression of refrigerant through the compression mechanism section.
  • the refrigerant used is a halogenated hydrocarbon or a hydrocarbon each having a carbon-carbon double bond in their composition or a mixture containing one of the halogenated hydrocarbon and the hydrocarbon.
  • a sliding surface of at least one of the two parts constituting a sliding section in which the two parts slide over each other in the sealed housing is configured so that iron-based or aluminum-based metal does not. is not exposed directly.
  • the present invention aims to eliminate, or at least mitigate, all or part of the aforementioned drawbacks of the prior art.
  • the present invention aims to provide a compression device which has great reliability while being lightweight.
  • the present invention aims to allow the use of aluminum in a compression device despite the high pressure levels used in fields such as aeronautics.
  • the object of the present invention is in particular to dispense with a complex lubrication management system without altering the reliability of the stop.
  • An aim of the invention is thus in particular to provide a solution making it possible to use lightweight materials in a compression device operating with an elasto-hydrodynamic lubrication regime using a small quantity of lubricant.
  • the present invention aims in particular to provide a compression device having a long service life.
  • the compression device according to the invention will also preferably be easy to regulate and / or compact and / or of moderate cost.
  • the proposed coatings make it possible to have high levels of hardness between the contacting surfaces of the different parts and thus to keep a differential friction torque between said contacting surfaces in order to avoid premature wear of the surfaces.
  • the various coatings allow the advantageous use of parts formed from aluminum alloy without the latter deteriorating even at high pressure levels such as encountered in aeronautical applications.
  • the coating provided on the light alloy spiral makes it possible, thanks to its hardness but also to its thickness, to avoid deformation of the alloy so that operation in an elasto-hydrodynamic lubrication regime can be envisaged, which limits the amount of lubricant required.
  • the spirals are for example made of a material chosen from all the materials containing the alloys of aluminum, magnesium and titanium.
  • the thick coating produced on the spiral and / or on the flat stopper preferably has a thickness of between 60 and 80 ⁇ m.
  • This coating is preferably an oxidation layer of the alloy obtained by a micro-arc oxidation process.
  • a preferred embodiment of this compression device provides that the flat stopper and the spiral facing this flat stopper are made of an aluminum alloy resistant to temperatures above 150 ° C.
  • Such a compression device may be such that it further comprises at least one spiral wedge bonded to one of the two spirals by means of a structural adhesive resistant to temperatures of up to 180 ° C.
  • the spiral wedge advantageously makes it possible to promote friction between the fixed spiral and the mobile spiral, thus limiting their wear. Gluing the spiral wedge to one of the two spirals advantageously improves the reliability of the compression device.
  • the fixed spiral can have a hard anodization treatment impregnated with polytetrafluoroethylene (PTFE) at least on a surface facing the mobile spiral.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the anti-rotation means may have a hard anodization treatment impregnated with PTFE at least on a surface facing the fixed spiral and / or on at least one surface facing the mobile spiral.
  • the hard anodization treatment impregnated with PTFE advantageously makes it possible to promote friction and thus to limit the wear of the various parts in contact with one another.
  • the first support and / or the second support advantageously make it possible to optimize the anti-rotation connection between the fixed spiral and the mobile spiral and the connection between the mobile spiral and the planar stopper by improving their robustness while maintaining a significant saving in mass. .
  • the present invention relates to a scroll compressor comprising a compression device as described above.
  • the figure 1 and the figure 2 illustrate the general structure of one embodiment of a compression device 1 according to the present invention.
  • the figure 3 illustrates in an exploded view the general structure of said compression device 1.
  • the compression device 1 comprises a fixed spiral 3 interposed with a movable spiral 5.
  • the means for driving the movable spiral 5 are not illustrated in the figures. However, their operation is known to those skilled in the art and is therefore not described here.
  • the compression device 1 comprises anti-rotation means and a planar stop 7.
  • the fixed spiral 3 and the mobile spiral 5 are here formed of a light alloy, with a density of less than 5 (that is to say a density of less than 5000 kgm -3 . description that it is an aluminum alloy but it could also be, for example, a magnesium or titanium alloy.
  • the fixed spiral 3 is composed of a plate 12 in the form of a disc having an internal surface 11 and an external surface 13.
  • a wall 14 in the form of a spiral having a center and an external end extends in protrudes perpendicularly to the plate 12, from the inner surface 11.
  • the movable spiral 5 is composed of a disc-shaped plate 16 having an inner surface 15 and an outer surface 17.
  • a wall 18 in the form of a spiral. a center and an outer end projecting perpendicularly to the plate 16, from the inner surface 15.
  • the fixed spiral 3 and the movable spiral 5 can be positioned opposite each other so that their respective walls are interposed into one another and that the internal surface 11 is opposite the internal surface. 15.
  • the mobile spiral 5 is in motion, relative to the fixed spiral 3. It moves eccentrically without rotating, that is to say it has a circular translational movement in a plane corresponding to that of the plates 12, 16 .
  • the fixed scroll 3 and the movable scroll 5 have several parts in contact so as to trap pockets of gas sucked from the outer ends of the spirals.
  • these gas pockets transit towards the center of the spirals while being smaller and smaller in order to thus compress the gas present in these pockets. This movement of the pockets results from the fact that the parts of the spirals which are in contact change with the eccentric movement of the mobile spiral 5.
  • the planar stopper 7 has, in this exemplary embodiment, an annular shape having a planar upper surface 19 in contact with the movable spiral 5 and more precisely the external surface 17.
  • the planar stopper 7 is formed from a light alloy, for example an aluminum alloy. It could also be a magnesium or titanium alloy or another light metal alloy (density less than 5).
  • the planar stop 7 is formed of a cast iron grade.
  • the planar stopper 7 has the function of maintaining, along a longitudinal axis A, the longitudinal position of the moving spiral 5 to prevent separation. spirals 3, 5.
  • the axial forces are taken up by the flat stopper 7 thanks to a contact between the external surface 17 of the mobile spiral 5 and an upper surface 19 of the flat stopper 7.
  • a film of oil is formed. present between these two surfaces, to limit their wear, without any specific maintenance of the latter being necessary.
  • the lubrication regime in the present application example is an elasto-hydrodynamic regime.
  • the movable spiral 5 is associated with anti-rotation means which ensure a circular translational movement without the spiral rotating around the longitudinal axis A.
  • These means comprise for example a fixed finger sliding in a rib produced at the level of the movable spiral 5.
  • the anti-rotation of the movable spiral 5 is ensured by an Oldham seal 9.
  • the Oldham seal 9 is then, as illustrated in the figures, positioned between the fixed spiral 3 and the mobile spiral 5. It has, in this exemplary embodiment, an annular shape comprising projecting tongues towards the fixed spiral 3 and towards the mobile spiral 5.
  • the fixed spiral 3 comprises grooves oriented towards the seal of Oldham 9. Each groove is adapted to receive the corresponding tongue so as to allow sliding between the Oldham seal 9 and the fixed coil 3.
  • the movable coil 5 comprises grooves oriented towards the seal. Oldham 9. Each groove is adapted to receive the corresponding tongue so as to allow sliding between the Oldham seal 9 and the movable spiral 5 while preventing the latter from having a rotational movement.
  • the Oldham seal 9 is preferably formed from the same material that the spirals, is here in an aluminum alloy.
  • the components of the compression device 1 described above include a coating.
  • the Oldham seal 9 preferably has a hard anodization treatment impregnated with Polytetrafluoroethylene (PTFE) on surfaces intended to be in contact with one or the other of the spirals.
  • PTFE Polytetrafluoroethylene
  • the fixed spiral 3 also preferably has a hard anodization treatment impregnated with PTFE on its surfaces intended to be in contact with the mobile spiral 5, that is to say on the internal surface 11 as well as on the faces of the walls 14. , 18 protruding in the form of a spiral from said fixed spiral 3.
  • the fixed spiral 3 may have, on the surfaces in contact with the Oldham seal 9, a treatment spar or a ceramic coating or other surface treatment by oxidation. anodic.
  • a hard anodization treatment makes it possible to cover the treated part with a fairly thick layer of alumina, the wear resistance and corrosion resistance of which are very good.
  • the movable spiral 5 preferably has a ceramic coating on the surface in contact with the planar stopper 7. Also, in the embodiment where the planar stopper 7 is formed from a light alloy, the latter preferably has a ceramic coating on the surface. in contact with the moving spiral 5.
  • micro-arcs appear which generate a complex and very hard oxide layer (Al 2 0 3 for an aluminum-based alloy, TiO 2 for a titanium-based alloy and MgO for a magnesium-based alloy). It is also possible to achieve thick coating layers of up to 200 ⁇ m.
  • the ceramic coating has high wear resistance, good corrosion protection and good electrical insulation. Its hardness is greater than 1100 HV. To achieve good protection of the alloy, a thickness greater than 40 ⁇ m will be chosen, preferably between 60 ⁇ m and 80 ⁇ m.
  • the movable spiral 5 may further have, on the surfaces in contact with the Oldham seal 9, a treatment spar or a ceramic coating or other surface treatment by anodic oxidation.
  • the compression device 1 can furthermore comprise a spiral seal 21 for the fixed spiral 3 and a spiral seal 23 for the movable spiral 5.
  • the spiral seals 21, 23 have the function of ensuring axial sealing. between the spirals 3, 5 to ensure that the gas pockets do not discharge before reaching the desired discharge pressure.
  • the spiral seal 21 is preferably spiral shaped so as to be positioned between one end of the wall 14 of the fixed scroll 3 and the inner surface 15 of the movable scroll 5.
  • the spiral seal 23 is. , preferably spiral shaped so as to be positioned between one end of the wall 18 of the mobile spiral 5 and the internal surface 11 of the fixed spiral 3.
  • the compression device 1 may also include a spiral wedge 25.
  • the wedge preferably has a spiral shape corresponding to the shape of the movable coil 5 so that the spiral wedge 25 can be inserted through the coil. protruding part of the mobile spiral 5.
  • the spiral wedge 25 is glued to the internal surface 15 of the movable spiral 5 by means of a high temperature structural adhesive.
  • the gluing of the wedge is made possible by the integration of countersinks on the internal surface 15 of the mobile spiral 5.
  • FIGS. 4 and 5 illustrate another embodiment of a compression device.
  • the figure 4 illustrates in an exploded view the general structure of this second form of.
  • the references used on the figures 1 to 3 are used to describe similar parts.
  • a compression device 1 further comprises a first support 27 and a second support 29 and has generally the same characteristics as in the embodiment described in relation to the figures 1 to 3 .
  • the first support 27 is here positioned between the fixed spiral 3 and the Oldham seal 9. It may have, on the one hand, a disc 31 fixed to the outer surface 13 of the fixed spiral 3 and, on the other hand, a peripheral skirt 33 cooperating with the Oldham seal 9 in order to ensure the anti-rotation function and also to keep the Oldham seal 9 in contact with the mobile spiral 5, more precisely here with the second support 29.
  • the second support 29 receives the movable spiral 5. It may have, on the one hand, a disc 35 fixed to the outer surface 17 of the movable spiral 5 and, on the other hand, a peripheral rim 37 which cooperates with the seal. Oldham 9.
  • the second support 29 is thus coupled with the Oldham seal 9 so as to provide a connection between these two parts.
  • the second support 29 can be positioned between the movable spiral 5 and the flat stopper 7 so as to be in contact with the upper surface 19 of the flat stopper 7.
  • the first support 27 and the second support 29 are preferably formed from a shade of cast iron.
  • the disc 31 and the peripheral skirt 33 can be two parts independent of one another.
  • the peripheral skirt 33 can be divided into several connecting pieces between the fixed spiral 3 and the Oldham seal 9.
  • the disc 35 and the peripheral rim 37 can be two independent pieces from one another.
  • the peripheral rim 37 can be divided into several connecting pieces between the movable spiral 5 and the Oldham seal 9 and between the movable spiral 5 and the planar stopper 7.
  • a device thus makes it possible to effectively compress a gas. It makes it possible to obtain a better compromise between the mass of the compression device and its reliability compared to that of the compression devices of the prior art while having a good service life.
  • Such a compression device is light, reliable, easy to assemble and also has a good service life.
  • such a device does not require lubrication, therefore its maintenance cost is reduced.
  • compression devices can find applications for example in devices implementing air conditioning incorporating a scroll compressor.
  • the present invention makes it possible to obtain devices of reduced mass since it makes it possible to produce the spirals and the flat stop of the compression device from a light alloy (aluminum or other).
  • the system can do without specific lubrication and it is not necessary to provide a lubricant supply at the stop.
  • the coating obtained by micro-arc oxidation makes it possible, with light alloy parts, to operate with elasto-hydrodynamic type lubrication. This is not possible with light alloy parts coated with a thin coating layer because then the surface of the part becomes deforms significantly and seizing of the parts in contact appears. In addition, when it wears out, the particles that come off the coating are very fine and therefore do not impact the lubrication. The service life of the lubricant is therefore increased compared to the use of coatings known from the prior art.
  • the present invention is not limited to the preferred embodiment and to the variant embodiments presented above by way of non-limiting examples. It also relates to the variant embodiments within the reach of a person skilled in the art within the framework of the claims below.

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Description

  • La présente invention se rapporte à un dispositif de compression et à un compresseur à spirales comportant un tel dispositif.
  • L'invention trouve des applications dans le secteur de l'industrie du froid et de la climatisation, en particulier, pour des applications de système de réfrigération tel que le conditionnement d'air dans des véhicules.
  • Un compresseur à spirales, également connu sous le nom de compresseur scroll, permet de compresser un gaz. Un étage de compression d'un compresseur à spirales comprend deux spirales intercalées de sorte à aspirer et comprimer un gaz. Une des spirales est fixe alors que l'autre se déplace excentriquement sans mouvement de rotation.
  • Un cycle de compression comprend une étape d'aspiration du gaz, puis une étape de compression de ce gaz et enfin une étape de refoulement du gaz compressé. Le mouvement excentrique d'une des spirales par rapport à l'autre permet l'aspiration d'un gaz à partir de la partie extérieure des spirales. Le gaz aspiré forme une poche de gaz entraînée vers le centre des spirales. Au fur et à mesure que la poche se déplace vers le centre des spirales, elle devient de plus en plus petite. Ainsi, la pression du gaz augmente jusqu'à atteindre la pression de refoulement désirée. Une fois cette pression atteinte, le gaz est refoulé, en déchargeant la poche, via un orifice de refoulement au centre des spirales.
  • Dans l'industrie, les compresseurs à spirales présentent différentes caractéristiques en fonction de leur application.
  • Dans l'industrie du froid automobile, un compresseur à spirales comprend :
    • deux spirales en aluminium, dont l'une d'entre elles ne possède pas de revêtement et intègre une cale de spirale et l'autre intègre un traitement de surface dur,
    • des joints de haut de spirale permettant de garantir l'étanchéité axiale entre les spirales, et
    • une butée à billes assurant à la fois la reprise des efforts axiaux qui ont tendance à écarter les spirales l'une de l'autre et l'anti-rotation de la spirale mobile.
  • L'inconvénient de la butée à billes repose dans son principe même, qui amène à ne faire transiter les efforts axiaux que par des points de contacts entre les pistes et les billes, limitant ainsi le niveau d'effort transmissible et la durée de vie potentielle par rapport à des technologies incluant une butée plane ou une butée à contre-pression.
  • De plus, l'intégration d'une cale de spirale peut amener à une détérioration de la spirale sur laquelle elle est montée due à un mouvement relatif en fonctionnement entre ladite cale et sa spirale induit par les jeux de montage. Ce mouvement va s'amplifier au fur et à mesure de la détérioration du fond de la spirale par matage et engendrer un découpage de la spirale. Ce phénomène induit donc une durée de vie plus faible par rapport aux technologies n'incluant pas de cale de spirale.
  • Dans l'industrie du froid stationnaire, un compresseur à spirales comprend :
    • deux spirales en fonte,
    • des joints de haut de spirale pour l'étanchéité axiale entre spirales,
    • un joint d'Oldham en aluminium réalisant l'anti-rotation de la spirale mobile, et
    • une butée plane en fonte assurant la reprise des efforts axiaux.
  • Ce type de compresseur à butée plane permet donc de s'affranchir de la faiblesse de la butée à billes en la remplaçant par la butée plane. Néanmoins, l'usage de la butée plane impose une gestion de lubrification permettant de garantir un film d'huile entre la spirale mobile et la butée.
  • Dans une autre solution connue de l'industrie du froid stationnaire, un compresseur à spirales comprend :
    • deux spirales en fonte,
    • un joint d'Oldham en aluminium réalisant l'anti-rotation de la spirale mobile, et
    • une butée à contre-pression en fonte assurant à la fois la reprise des efforts axiaux et l'étanchéité axiale entre spirales en utilisant ladite contre-pression pour assurer leur maintien en contact.
  • Le fonctionnement de la butée à contre-pression est rendu possible par l'usage de la spirale en fonte. En effet, la fonte est capable de résister à un fort niveau de frottements et d'efforts axiaux, contrairement à l'aluminium.
  • Ce type de compresseur à butée de contre-pression permet également de s'affranchir de la faiblesse de la butée à billes en la remplaçant par la butée à contre-pression. De plus, l'effort de contre-pression permet de s'affranchir des joints de spirale et autorise une gestion de lubrification très simplifiée dans cette zone. Néanmoins, le niveau d'effort de contre-pression induit des pertes plus élevées que celles du compresseur à butée plane.
  • Ces deux compresseurs de l'industrie du froid stationnaire sont plus lourds et plus encombrants que celui de la technologie de l'industrie du froid automobile à cause de l'utilisation de spirales en fonte.
  • Le document EP-2 312 163 divulgue un compresseur à spirale comportant, contenu dans un boîtier étanche, une section de moteur électrique, une section de mécanisme de compression connectée à la section de moteur électrique, un carter d'huile pour l'huile de lubrification et assurant la compression d'un fluide frigorigène par la section de mécanisme de compression. Le fluide frigorigène utilisé est un hydrocarbure halogéné ou un hydrocarbure ayant chacun une double liaison carbone-carbone dans leur composition ou un mélange contenant une parmi l'hydrocarbure halogéné et l'hydrocarbure. Une surface coulissante d'au moins une des deux parties constituant une section coulissante dans laquelle les deux parties coulissent l'une sur l'autre dans le boîtier étanche est configurée de sorte que du métal à base de fer ou à base d'aluminium ne soit pas exposé directement.
  • Le document US-6,079,962 divulgue quant à lui un compresseur à spirale dans lequel un composant en alliage d'aluminium présentant une surface destinée à être en contact avec un autre composant du compresseur à spirale comporte entre 2 et 18% de particules de graphite dans ledit alliage dans une région voisine de cette surface.
  • Ces documents illustrent l'utilisation d'alliage d'aluminium dans un compresseur à spirale mais les solutions proposées ici ne prévoient pas d'avoir une spirale en aluminium et une butée également en aluminium. Les revêtements révélés dans ces documents sont des revêtements minces de type OAC, OAD, phosphatation, chrome dur, DLC, WCC, TiN, TiCN, etc.. De tels revêtements ne sont pas adaptés pour fonctionner avec une faible lubrification.
  • Sont connus les documents EP-0 833 057 , WO-2010/116747 et la publication « A comparative study of tribological behavior of microarc oxidation and hard-anodized coatings » (ISSN :0043-1648) de L. Rama Krishna et al..
  • La présente invention vise à supprimer, ou du moins atténuer, tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur précités.
  • En particulier, la présente invention vise à proposer un dispositif de compression qui présente une grande fiabilité tout étant léger.
  • Ainsi la présente invention vise à permettre l'utilisation de l'aluminium dans un dispositif de compression malgré des niveaux de pression élevée utilisés dans des domaines tels que l'aéronautique.
  • De plus, la présente invention a notamment pour but de s'affranchir d'un système de gestion de lubrification complexe sans altérer la fiabilité de la butée. Un but de l'invention est ainsi notamment de proposer une solution permettant d'utiliser des matériaux légers dans un dispositif de compression fonctionnant avec un régime de lubrification élasto-hydrodynamique utilisant une faible quantité de lubrifiant.
  • En outre, la présente invention vise notamment à proposer un dispositif de compression présentant une grande durée de vie.
  • Le dispositif de compression selon l'invention sera également de préférence facile à réguler et/ou peu encombrant et/ou d'un prix de revient modéré.
  • À cet effet, la présente invention propose un dispositif de compression comprenant au moins :
    • deux spirales intercalées et formées chacune d'un alliage d'une densité inférieure à 5, l'une des spirales, dite spirale fixe, étant fixe et l'autre spirale, dite spirale mobile, se déplaçant excentriquement sans tourner,
    • des moyens d'anti-rotation formés d'un alliage d'aluminium et adaptés pour permettre l'anti-rotation de ladite spirale mobile, et
    • une butée plane (7) adaptée pour maintenir axialement la spirale mobile (5)
    et telle que défini dans la revendication 1.
  • Des tests ont montré qu'un tel dispositif de compression permet l'utilisation de spirales formées d'alliage léger combinée avec l'utilisation des moyens d'anti-rotation formés d'alliage léger ainsi qu'avec l'utilisation d'une butée plane grâce au type de revêtement proposé, cette combinaison n'ayant jamais été utilisée dans l'état de la technique.
  • L'utilisation d'alliages légers permet avantageusement d'avoir un dispositif de compression dont la masse est limitée.
  • L'utilisation d'une butée plane permet, de manière avantageuse, au dispositif de compression de présenter une grande fiabilité. De plus, l'utilisation d'une butée plane permet également de simplifier la conception et le montage du dispositif de compression.
  • Les revêtements proposés permettent d'avoir des niveaux de duretés importants entre les surfaces en contact des différentes pièces et ainsi de garder un couple de frottement différentiel entre lesdites surfaces en contact afin d'éviter une usure prématurée des surfaces.
  • En outre, les différents revêtements permettent l'utilisation avantageuse de pièces formées d'alliage d'aluminium sans que ces dernières ne soient détériorées même à des niveaux de pression élevés tels que rencontrés dans des applications aéronautiques. En effet, le revêtement prévu sur la spirale en alliage léger permet, grâce à sa dureté mais aussi à son épaisseur, d'éviter des déformations de l'alliage si bien qu'un fonctionnement en régime de lubrification élasto-hydrodynamique peut être envisagé, ce qui limite la quantité de lubrifiant nécessaire.
  • L'utilisation des différents revêtements en combinaison avec l'utilisation d'une butée plane qui peut être formée d'un alliage léger ou bien aussi d'une nuance de fonte permet avantageusement de s'affranchir de la gestion de la lubrification en diminuant la sensibilité des interfaces jusqu'à résister à un fonctionnement sans lubrification tout en garantissant une bonne durée de vie du dispositif de compression.
  • Dans un tel dispositif de compression, les spirales sont par exemple réalisées dans un matériau choisi dans l'ensemble des matériaux contenant les alliages d'aluminium, de magnésium et de titane.
  • Dans un tel dispositif de compression, le revêtement épais réalisé sur la spirale et/ou sur la butée plane présente de préférence une épaisseur comprise entre 60 et 80 µm. Ce revêtement est de préférence une couche d'oxydation de l'alliage obtenue par un procédé d'oxydation micro-arc.
  • Une forme de réalisation préférée de ce dispositif de compression prévoit que la butée plane et la spirale faisant face à cette butée plane sont réalisées dans un alliage d'aluminium résistant à des températures supérieures à 150°C.
  • Un tel dispositif de compression peut être tel qu'il comprend en outre au moins une cale de spirale collée à l'une des deux spirales au moyen d'une colle structurelle résistant à des températures allant jusqu'à 180°C. La cale de spirale permet de manière avantageuse de favoriser les frottements entre la spirale fixe et la spirale mobile pour ainsi de limiter leur usure. Le collage de la cale de spirale à l'une des deux spirales permet avantageusement d'améliorer la fiabilité du dispositif de compression.
  • Avantageusement, la spirale fixe peut posséder un traitement d'anodisation dure imprégnée au Polytétrafluoréthylène (PTFE) au moins sur une surface en regard de la spirale mobile.
  • Egalement dans une forme de réalisation, les moyens d'anti-rotation peuvent posséder un traitement d'anodisation dure imprégné PTFE au moins sur une surface en regard de la spirale fixe et/ou sur au moins une surface en regard de la spirale mobile.
  • Le traitement d'anodisation dure imprégnée au PTFE permet de manière avantageuse de favoriser les frottements et ainsi de limiter l'usure des différentes pièces en contact les unes avec les autres.
  • Selon des modes de réalisation de l'invention, pris isolément ou en combinaison, le dispositif de compression comprend en outre au moins :
    • un premier support formé d'une nuance de fonte et adapté pour s'interfacer avec la spirale fixe en assurant une liaison entre ladite spirale fixe et les moyens d'anti-rotation, et
    • un second support formé d'une nuance de fonte et adapté pour s'interfacer avec la spirale mobile en assurant une liaison d'une part entre ladite spirale mobile et les moyens d'anti-rotation, et d'autre part entre ladite spirale mobile et la butée plane.
  • Le premier support et/ou le second support permettent avantageusement d'optimiser la liaison anti-rotation entre la spirale fixe et la spirale mobile et la liaison entre la spirale mobile et la butée plane en améliorant leur robustesse tout en conservant un gain de masse significatif.
  • Enfin, la présente invention concerne un compresseur à spirales comprenant un dispositif de compression tel que décrit ci-dessus.
  • Des détails et avantages de la présente invention apparaitront mieux à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue en perspective partiellement en coupe d'un dispositif de compression selon un premier mode de réalisation,
    • la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du dispositif de compression de la figure 1,
    • la figure 3 est une vue éclatée en perspective du dispositif de compression de la figure 1,
    • la figure 4 est une vue éclatée en perspective d'un dispositif de compression d'un second mode de réalisation, et
    • la figure 5 est une vue en coupe longitudinale du dispositif de compression de la figure 4.
  • La figure 1 et la figure 2 illustrent la structure générale d'une forme de réalisation d'un dispositif de compression 1 selon la présente invention. De même, la figure 3 illustre dans une vue éclatée la structure générale dudit dispositif de compression 1.
  • Le dispositif de compression 1 comprend une spirale fixe 3 intercalée avec une spirale mobile 5. Les moyens d'entrainement de la spirale mobile 5 ne sont pas illustrés sur les figures. Toutefois leur fonctionnement est connu de l'homme du métier et n'est donc pas décrit ici. En outre, le dispositif de compression 1 comprend des moyens d'anti-rotation et une butée plane 7.
  • La spirale fixe 3 et la spirale mobile 5 sont ici formées d'un alliage léger, d'une densité inférieure à 5 (c'est-à-dire une masse volumique inférieure à 5000 kgm-3. On supposera dans la suite de la description qu'il s'agit d'un alliage d'aluminium mais il pourrait aussi s'agir par exemple d'un alliage de magnésium ou de titane.
  • Dans cet exemple de réalisation, la spirale fixe 3 est composée d'un plateau 12 en forme de disque présentant une surface interne 11 et une surface externe 13. Une paroi 14 en forme de spirale présentant un centre et une extrémité extérieure s'étend en saillie perpendiculairement au plateau 12, à partir de la surface interne 11. Similairement, la spirale mobile 5 est composée d'un plateau 16 en forme de disque présentant une surface interne 15 et une surface externe 17. Une paroi 18 en forme de spirale présentant un centre et une extrémité extérieure s'étend en saillie perpendiculairement au plateau 16, à partir de la surface interne 15.
  • La spirale fixe 3 et la spirale mobile 5 peuvent être positionnées en vis-à-vis de manière à ce que leurs parois respectives soient intercalées l'une dans l'autre et à ce que la surface interne 11 soit en regard de la surface interne 15.
  • La spirale mobile 5 est en mouvement, par rapport à la spirale fixe 3. Elle se déplace excentriquement sans tourner, c'est-à-dire qu'elle présente un mouvement de translation circulaire dans un plan correspondant à celui des plateaux 12, 16.
  • Lors du fonctionnement du compresseur, la spirale fixe 3 et la spirale mobile 5 présentent plusieurs parties en contact de manière à emprisonner des poches de gaz aspiré à partir des extrémités externes des spirales. Au fur et à mesure du mouvement excentrique de la spirale mobile 5, ces poches de gaz transitent vers le centre des spirales tout en étant de plus en plus petites pour ainsi compresser le gaz présent dans ces poches. Ce mouvement des poches résulte du fait que les parties des spirales qui sont en contact changent avec le mouvement excentrique de la spirale mobile 5.
  • La butée plane 7 présente, dans cet exemple de réalisation, une forme annulaire ayant une surface supérieure 19 plane en contact avec la spirale mobile 5 et plus précisément la surface externe 17. Dans une forme de réalisation, la butée plane 7 est formée d'un alliage léger, par exemple un alliage d'aluminium. Il pourrait aussi s'agir d'un alliage de magnésium ou de titane ou d'un autre alliage métallique léger (densité inférieure à 5). Dans une autre forme de réalisation -non préférée car pénalisante en termes de masse mais éventuellement envisageable-, la butée plane 7 est formée d'une nuance de fonte.
  • Des efforts axiaux dus à la pression ont tendance à écarter la spirale fixe 3 de la spirale mobile 5. La butée plane 7 a pour fonction de maintenir, suivant un axe longitudinal A, la position longitudinale de la spirale mobile 5 pour empêcher l'écartement des spirales 3, 5. Pour cela, les efforts axiaux sont repris par la butée plane 7 grâce à un contact entre la surface externe 17 de la spirale mobile 5 et une surface supérieure 19 de la butée plane 7. Un film d'huile est présent entre ces deux surfaces, pour limiter leur usure, sans qu'un entretien spécifique de ce dernier soit nécessaire. Le régime de lubrification dans le présent exemple d'application est un régime élasto-hydrodynamique.
  • La spirale mobile 5 est associée à des moyens d'anti-rotation qui assurent un mouvement de translation circulaire sans que la spirale ne tourne autour de l'axe longitudinal A. Ces moyens comportent par exemple un doigt fixe coulissant dans une nervure réalisée au niveau de la spirale mobile 5. Dans une forme de réalisation préférée, l'anti-rotation de la spirale mobile 5 est assurée par un joint d'Oldham 9. Le joint d'Oldham 9 est alors, comme illustré sur les figures, positionné entre la spirale fixe 3 et la spirale mobile 5. Il présente, dans cet exemple de réalisation, une forme annulaire comportant des languettes en saillie vers la spirale fixe 3 et vers la spirale mobile 5. La spirale fixe 3 comprend des rainures orientées vers le joint d'Oldham 9. Chaque rainure est adaptée pour recevoir la languette correspondante de manière à permettre un coulissement entre le joint d'Oldham 9 et la spirale fixe 3. Similairement, la spirale mobile 5 comprend des rainures orientées vers le joint d'Oldham 9. Chaque rainure est adaptée pour recevoir la languette correspondante de manière à permettre un coulissement entre le joint d'Oldham 9 et la spirale mobile 5 tout en empêchant cette dernière d'avoir un mouvement de rotation.
  • Le joint d'Oldham 9 est de préférence formé dans le même matériau que les spirales, soit ici dans un alliage d'aluminium.
  • De plus, les composants du dispositif de compression 1 décrit ci-dessus comprennent un revêtement.
  • Ainsi, le joint d'Oldham 9 possède de préférence un traitement d'anodisation dure imprégnée au Polytétrafluoréthylène (PTFE) sur des surfaces destinée à être en contact avec l'une ou l'autre des spirales.
  • La spirale fixe 3 possède également préférentiellement un traitement d'anodisation dure imprégnée au PTFE sur ses surfaces destinée à être en contact avec la spirale mobile 5, c'est-à-dire sur la surface interne 11 ainsi que sur les faces des parois 14, 18 en saillie en forme de spirale de ladite spirale fixe 3. La spirale fixe 3 peut présenter, sur les surfaces en contact avec le joint d'Oldham 9, une épargne de traitement ou un revêtement céramique ou un autre traitement de surface par oxydation anodique.
  • Un traitement par anodisation dure permet de recouvrir la pièce traitée d'une couche assez épaisse d'alumine, dont la résistance à l'usure ainsi que la tenue à la corrosion sont très bonnes.
  • La nature lisse du PTFE produit une surface ayant des capacités de libération de poussières supérieures ce qui permet donc d'optimiser le coefficient de frottement tout en fournissant une résistance aux produits chimiques.
  • La spirale mobile 5 possède préférentiellement un revêtement céramique sur la surface en contact avec la butée plane 7. Egalement, dans la forme de réalisation où la butée plane 7 est formée d'un alliage léger, cette dernière possède préférentiellement un revêtement céramique sur la surface en contact avec la spirale mobile 5.
  • Le revêtement céramique peut être obtenu par un procédé d'oxydation micro arc (OMA) qui est un procédé électrochimique permettant l'obtention de revêtement comparable aux céramiques. Ce procédé est aussi connu sous le nom de procédé d'oxydation électrolytique par plasma. Pour réaliser le revêtement, les étapes de procédé suivantes sont de préférence mises en œuvre :
    • immersion de la pièce métallique à revêtir dans un bain électrolytique composé d'une solution aqueuse d'hydroxyde de métal alcalin, tel que potassium ou sodium, et d'un sel oxyacide d'un métal alcalin, la pièce métallique formant l'une des électrodes,
    • application aux électrodes d'une tension de signal de forme générale triangulaire, c'est-à-dire présentant au moins une pente avant et une pente arrière, à facteur de forme variable au cours du procédé, engendrant un courant contrôlé dans son intensité, sa forme et son rapport entre l'intensité positive et l'intensité négative, et
    • variation éventuelle au cours du procédé de différents paramètres : facteur de forme, valeur du potentiel, fréquence, valeur du courant, rapport UA/IC.
  • Avec un tel procédé, à l'interface entre la surface à traiter et le liquide, apparaissent alors des micro-arcs qui génèrent une couche complexe et très dure d'oxyde (Al203 pour un alliage à base d'aluminium, TiO2 pour un alliage à base de titane et MgO pour un alliage à base de magnésium). Il est possible d'arriver aussi à des couches de revêtement épaisses allant jusqu'à 200 µm.
  • Le revêtement céramique présente une grande résistance à l'usure, une bonne protection contre la corrosion et une bonne isolation électrique. Sa dureté est supérieure à 1100 HV. Pour réaliser une bonne protection de l'alliage, on choisira une épaisseur supérieure à 40 µm, de préférence comprise entre 60 µm et 80 µm.
  • La spirale mobile 5 peut en outre présenter, sur les surfaces en contact avec le joint d'Oldham 9, une épargne de traitement ou un revêtement céramique ou un autre traitement de surface par oxydation anodique.
  • Le dispositif de compression 1 peut, en outre, comprendre un joint de spirale 21 pour la spirale fixe 3 et un joint de spirale 23 pour la spirale mobile 5. Les joints de spirale 21, 23 ont pour fonction d'assurer l'étanchéité axiale entre les spirales 3, 5 afin de garantir que les poches de gaz ne se déchargent pas avant d'atteindre la pression de refoulement souhaitée.
  • Le joint de spirale 21 est, de préférence, en forme de spirale afin d'être positionné entre une extrémité de la paroi 14 de la spirale fixe 3 et la surface interne 15 de la spirale mobile 5. Similairement, le joint de spirale 23 est, de préférence, en forme de spirale afin d'être positionné entre une extrémité de la paroi 18 de la spirale mobile 5 et la surface interne 11 de la spirale fixe 3.
  • Le dispositif de compression 1 peut également comprendre une cale de spirale 25. La cale présente, de préférence, une forme de spirale correspondant à la forme de la spirale mobile 5 de manière à ce que la cale de spirale 25 puisse être insérée à travers la partie en saillie de la spirale mobile 5.
  • Dans cet exemple de réalisation, la cale de spirale 25 est collée sur la surface interne 15 de la spirale mobile 5 au moyen d'une colle structurelle haute température. Le collage de la cale est rendu possible par l'intégration de lamages sur la surface interne 15 de la spirale mobile 5.
  • Les figures 4 et 5 illustrent une autre forme de réalisation d'un dispositif de compression. La figure 4 illustre dans une vue éclatée la structure générale de cette seconde forme de. Pour cette seconde forme de réalisation, les références utilisées sur les figures 1 à 3 sont reprises pour décrire des pièces similaires.
  • Dans cette forme de réalisation, un dispositif de compression 1 comprend en outre un premier support 27 et un second support 29 et présente globalement les mêmes caractéristiques que dans la forme de réalisation décrite en relation avec les figures 1 à 3.
  • Le premier support 27 est ici positionné entre la spirale fixe 3 et le joint d'Oldham 9. Il peut présenter, d'une part, un disque 31 fixé sur la surface externe 13 de la spirale fixe 3 et, d'autre part, une jupe périphérique 33 venant coopérer avec le joint d'Oldham 9 afin d'assurer la fonction anti-rotation et aussi de maintenir le joint d'Oldham 9 en contact avec la spirale mobile 5, plus précisément ici avec le second support 29.
  • Similairement, le second support 29 reçoit la spirale mobile 5. Il peut présenter d'une part, un disque 35 fixé sur la surface externe 17 de la spirale mobile 5 et, d'autre part, un rebord périphérique 37 venant coopérer avec le joint d'Oldham 9. Le second support 29 est ainsi couplé avec le joint d'Oldham 9 de manière à assurer une liaison entre ces deux pièces. De plus, le second support 29 peut être positionné entre la spirale mobile 5 et la butée plane 7 de manière à être en contact avec la surface supérieure 19 de la butée plane 7.
  • Le premier support 27 et le second support 29 sont préférentiellement formés d'une nuance de fonte.
  • Dans une variante du mode de réalisation des figures 4 et 5, le disque 31 et la jupe périphérique 33 peuvent être deux pièces indépendantes l'une de l'autre. Egalement, la jupe périphérique 33 peut être divisée en plusieurs pièces de liaison entre la spirale fixe 3 et le joint d'Oldham 9. Similairement, le disque 35 et le rebord périphérique 37 peuvent être deux pièces indépendantes l'une de l'autre. Egalement, le rebord périphérique 37 peut être divisé en plusieurs pièces de liaison entre la spirale mobile 5 et le joint d'Oldham 9 et entre la spirale mobile 5 et la butée plane 7.
  • Un dispositif selon l'une des formes de réalisation décrites ci-dessus permet ainsi de compresser efficacement un gaz. Il permet d'obtenir un meilleur compromis entre la masse du dispositif de compression et sa fiabilité par rapport à celui des dispositifs de compression de l'art antérieur tout en présentant une bonne durée de vie.
  • Ainsi un tel dispositif de compression est léger, fiable, facile à monter et présente, en outre, une bonne durée de vie. De plus, un tel dispositif ne nécessite pas de lubrification, de ce fait son coût de maintenance est diminué.
  • Ces dispositifs de compression peuvent trouver des applications par exemple dans des dispositifs mettant en oeuvre une climatisation intégrant un compresseur à spirales.
  • Le compromis masse/fiabilité atteint ici est en particulier très intéressant pour des applications de climatisation aéronautique embarquée sur des hélicoptères et des avions d'affaires.
  • La présente invention permet d'obtenir des dispositifs de masse réduite puisqu'il permet de réaliser en alliage léger (aluminium ou autre) les spirales et la butée plane du dispositif de compression.
  • Au démarrage d'un dispositif de compression proposé ici, le système peut se passer de lubrification spécifique et il n'est pas nécessaire de prévoir une alimentation en lubrifiant au niveau de la butée.
  • Le revêtement obtenu par oxydation micro-arc permet, avec des pièces en alliage léger, de fonctionner avec une lubrification de type élasto-hydrodynamique. Ceci n'est pas possible avec des pièces en alliage léger revêtue d'une couche de revêtement mince car alors la surface de la pièce se déforme de manière importante et un grippage des pièces en contact apparait. En outre, quand il s'use, les particules qui se détachent du revêtement sont très fines et de ce fait ne viennent pas impacter la lubrification. La durée de vie du lubrifiant est donc augmentée par rapport à l'utilisation de revêtements connus de l'art antérieur.
  • Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation préférée et aux variantes de réalisation présentées ci-dessus à titre d'exemples non limitatifs. Elle concerne également les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims (11)

  1. Dispositif de compression comprenant au moins :
    - deux spirales (3, 5) intercalées et formées chacune d'un alliage d'une densité inférieure à 5, l'une des spirales, dite spirale fixe (3), étant fixe et l'autre spirale, dite spirale mobile (5), se déplaçant excentriquement sans tourner,
    - des moyens d'anti-rotation formés d'un alliage d'aluminium et adaptés pour permettre l'anti-rotation de ladite spirale mobile (5), et
    - une butée plane (7) adaptée pour maintenir axialement la spirale mobile (5),
    caractérisé en ce que la surface de la spirale (5) destinée à venir en contact avec la butée plane (7) est recouverte d'un revêtement épais, d'une épaisseur comprise entre 40 et 200 µm, d'une dureté supérieure à 1100 HV et composé majoritairement d'un oxyde issu de l'alliage léger,
    en ce que la butée plane (7) est réalisée dans un matériau choisi dans l'ensemble des matériaux contenant les alliages d'aluminium, de magnésium et de titane, et
    en ce que la surface de la butée plane (7) destinée à venir en contact avec la spirale (5) est recouverte d'un revêtement épais, d'une épaisseur comprise entre 40 et 200 µm, d'une dureté supérieure à 1100 HV et composé majoritairement d'un oxyde issu de l'alliage léger.
  2. Dispositif de compression selon la revendication 1, caractérisé en ce que les spirales (3, 5) sont réalisées dans un matériau choisi dans l'ensemble des matériaux contenant les alliages d'aluminium, de magnésium et de titane.
  3. Dispositif de compression selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le revêtement épais réalisé sur la spirale (5) et/ou sur la butée plane (7) présente une épaisseur comprise entre 60 et 80 µm.
  4. Dispositif de compression selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le revêtement épais réalisé sur la spirale et/ou sur la butée plane (7) est une couche d'oxydation de l'alliage obtenue par un procédé d'oxydation micro-arc.
  5. Dispositif de compression selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la butée plane (7) et la spirale (5) faisant face à cette butée plane (7) sont réalisées dans un alliage d'aluminium résistant à des températures supérieures à 150°C.
  6. Dispositif de compression selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une cale de spirale (25) collée à l'une des deux spirales (3, 5) au moyen d'une colle structurelle résistant à des températures jusqu'à 180°C.
  7. Dispositif de compression selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la spirale fixe (5) possède un traitement d'anodisation dure imprégnée au Polytétrafluoréthylène (PTFE) au moins sur une surface en regard de la spirale mobile (5).
  8. Dispositif de compression selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens d'anti-rotation possèdent un traitement d'anodisation dure imprégné PTFE au moins sur une surface en regard de la spirale fixe (3) et/ou sur au moins une surface en regard de la spirale mobile (5).
  9. Dispositif de compression selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un premier support (27) formé d'une nuance de fonte et adapté pour s'interfacer avec la spirale fixe (3) en assurant une liaison entre ladite spirale fixe (3) et les moyens d'anti-rotation.
  10. Dispositif de compression selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un second support (29) formé d'une nuance de fonte et adapté pour s'interfacer avec la spirale mobile (5) en assurant une liaison d'une part entre ladite spirale mobile (5) et les moyens d'anti-rotation, et d'autre part entre ladite spirale mobile (5) et la butée plane (7).
  11. Compresseur à spirales, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif de compression (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
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