FR2947308A1

FR2947308A1 - Machine a volutes a etages multiples

Info

Publication number: FR2947308A1
Application number: FR0954437A
Authority: FR
Inventors: Stephane Watts; Patrice Bonnefoi; Pierre Ginies
Original assignee: Danfoss Commercial Compressors SA
Current assignee: Danfoss Commercial Compressors SA
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2010-12-31
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: WO2011001100A2; DE112010002770T5; US20120100025A1; WO2011001100A3; CN102483061B; US8864479B2; FR2947308B1; CN102483061A

Abstract

Cette machine comprend deux volutes décrivant un mouvement relatif orbital, l'une des volutes étant équipée d'au moins une spirale (7) et l'autre volute étant équipée d'au moins deux spirales (12, 13), les différentes spirales délimitant une première série de chambres de volume variable (18a-18d) appartenant à un premier étage de compression ou de détente, et une deuxième série de chambres de volume variable (18e-18h) appartenant à un deuxième étage de compression ou de détente, chaque étage comprenant un passage de fluide à haute pression (24, 28) agencé pour déboucher dans l'une des chambres de l'étage respectif et un passage de fluide à basse pression (19a, 19b, 26) agencé pour déboucher dans l'une des chambres de l'étage respectif. La portion du passage de fluide à basse pression (26) du deuxième étage agencée pour déboucher dans l'une des chambres du deuxième étage est plus éloignée de la zone de convergence des spirales délimitant les chambres à volume variable du deuxième étage que la portion du passage de fluide à haute pression (24) du premier étage agencée pour déboucher dans l'une des chambres du premier étage.

Description

La présente invention concerne une machine à volutes à étages multiples destinée à comprimer et/ou à détendre un fluide. Une telle machine à volutes est notamment connue du document FR 2 400 625 qui décrit une machine à volutes comprenant une première et une seconde volutes décrivant un mouvement relatif orbital, la première volute étant équipée d'au moins une spirale et la seconde volute étant équipée d'au moins deux spirales, les spirales de la seconde volute étant engagées dans la spirale de la première volute de manière à délimiter au moins une première série de chambres de volume variable appartenant à un premier étage de compression ou de détente, et au moins une deuxième série de chambres de volume variable appartenant à un deuxième étage de compression ou de détente, chaque étage de compression ou de détente comprenant au moins un passage de fluide à haute pression agencé pour déboucher dans l'une des chambres de l'étage respectif et au moins un passage de fluide à basse pression agencé pour déboucher dans l'une des chambres de l'étage respectif. Lorsqu'une telle machine est configurée pour fonctionner comme compresseur, un dispositif de refroidissement peut être disposé entre le passage de fluide à haute pression du premier étage et le passage de fluide à basse pression du deuxième étage de telle sorte que le fluide comprimé dans le premier étage de compression soit refroidi avant d'être acheminé vers le deuxième étage de compression. Une telle configuration permet d'éviter que le fluide comprimé refoulé du deuxième étage de compression atteigne une température de refoulement excessivement élevée.

Un inconvénient de ce type de machine à volutes réside dans le fait que le fluide comprimé et refroidi qui est acheminé dans le deuxième étage de compression est réchauffé par le fluide comprimé qui est refoulé du premier étage de compression, du fait de la proximité du passage de fluide à haute pression du premier étage et du passage de fluide à basse pression du deuxième étage. De ce fait, il n'est pas aisé d'obtenir un fluide comprimé présentant une faible température de refoulement. En outre, lorsque le fluide à comprimer est un gaz, cet échauffement du gaz à comprimer provoque une augmentation de la température et de l'enthalpie de ce dernier, il en résulte ainsi une diminution des performances du compresseur.

Lorsque la machine décrite dans le document FR 2 400 625 est configurée pour fonctionner comme turbine, un dispositif de chauffage peut être disposé entre le passage de fluide à basse pression du premier étage de détente et le passage de fluide à haute pression du deuxième étage de détente, de telle sorte que le fluide détendu dans le premier étage de détente soit réchauffé avant d'être acheminé vers le deuxième étage de détente. Une telle configuration permet d'augmenter l'énergie mécanique produite par la machine. Un inconvénient de ce type de machine à volutes réside cependant dans le fait que le fluide détendu et réchauffé qui est acheminé dans le deuxième étage de détente est refroidi par le fluide détendu qui est refoulé du premier étage de détente, du fait de la proximité du passage de fluide à haute pression du premier étage et du passage de fluide à basse pression du deuxième étage.

De ce fait, l'efficacité de la machine à volute n'est pas optimale. En outre, la machine à volutes décrite dans le document FR 2 400 625 comprend un premier étage s'étendant de l'extrémité externe de la spirale de la volute fixe vers l'extrémité interne de la spirale de cette dernière, et un second étage s'étendant dans la continuité du premier étage jusqu'à l'extrémité interne de la spirale de la volute fixe. Une telle configuration des deux étages a pour conséquence que les possibilités de réglage de la cylindrée du deuxième étage sont limitées. De plus, un taux de compression significatif du premier étage ne peut être obtenu qu'au prix d'un nombre important d'enroulements de spirale.

La présente invention vise à résoudre tout ou partie de ces inconvénients. Le problème technique à la base de l'invention consiste donc à fournir une machine à volutes à étages multiples qui soit de structure simple, économique et permettant d'améliorer les performances de cette dernière, et qui permette un réglage aisé des cylindrées et des taux de compression ou de détente des différents étages de compression ou de détente. A cet effet, l'invention concerne une machine à volutes à étages multiples destinée à comprimer et/ou à détendre un fluide, comprenant une première et une seconde volutes décrivant un mouvement relatif orbital, la première volute étant équipée d'au moins une spirale et la seconde volute étant équipée d'au moins deux spirales, les spirales de la seconde volute étant engagées dans la spirale de la première volute de manière à délimiter au moins une première série de chambres de volume variable appartenant à un premier étage de compression ou de détente, et au moins une deuxième série de chambres de volume variable appartenant à un deuxième étage de compression ou de détente, chaque étage de compression ou de détente comprenant au moins un passage de fluide à haute pression agencé pour déboucher dans au moins l'une des chambres de l'étage respectif et au moins un passage de fluide à basse pression agencé pour déboucher dans au moins l'une des chambres de l'étage respectif, le passage de fluide à haute pression du premier étage et le passage de fluide à haute pression du deuxième étage étant configurés de telle sorte que le fluide traversant le passage de fluide à haute pression du premier étage présente une pression inférieure à celle du fluide traversant le passage de fluide à haute pression du deuxième étage, caractérisée en ce que la portion du passage de fluide à basse pression du deuxième étage agencée pour déboucher dans au moins l'une des chambres du deuxième étage est plus éloignée de la zone de convergence des spirales délimitant les chambres à volume variable du deuxième étage que la portion du passage de fluide à haute pression du premier étage agencée pour déboucher dans au moins l'une des chambres du premier étage.

Un tel positionnement du passage de fluide à basse pression du deuxième étage augmente de façon importante les possibilités de réglage de la cylindrée et du taux de compression ou de détente des différents étages puisqu'il n'est plus nécessaire de disposer les deux étages dans la continuité l'un de l'autre.

De ce fait, en fonction du processus intermédiaire de réchauffement ou de refroidissement, il est possible, afin d'améliorer l'efficacité et les performances de la machine, de régler les cylindrées et les taux de compression ou de détente des deux étages simplement en adaptant le positionnement du passage de fluide à basse pression du deuxième étage.

Un tel positionnement du passage de fluide à basse pression du deuxième étage permet également d'éloigner ce dernier du passage de fluide à haute pression du premier étage, et donc d'éviter un transfert thermique entre les fluides s'écoulant à travers ces deux passages de fluide. Ces dispositions permettent d'augmenter l'énergie mécanique produite par la machine lorsque celle-ci fonctionne comme turbine, et d'obtenir aisément un fluide comprimé présentant une faible température de refoulement lorsque la machine fonctionne comme compresseur. De préférence, chaque spirale d'une même volute s'étend à partir d'un même côté de ladite volute.

Avantageusement, les spirales de la seconde volute sont imbriquées les unes dans les autres de façon à ce que, selon au moins une coupe radiale de la seconde volute, au moins une alternance des spirales de la seconde volute soit réalisée à partir de la zone de convergence des spirales de la seconde volute. Il convient de noter que la zone de convergence des spirales de la seconde volute correspond à la zone où convergeraient les extrémités internes de ces spirales si ces dernières étaient prolongées jusqu'à leur origine. Il doit être noté que le terme alternance des spirales de la seconde volute doit être interprété comme signifiant que l'on rencontre successivement au moins une première spirale de la seconde volute, une deuxième spirale de la seconde volute et de nouveau la première spirale de la seconde volute. Préférentiellement, les chambres à volume variable d'au moins l'un des étages présentent une hauteur différente de celle des chambres à volume variable des autres étages. De façon avantageuse, au moins l'une des spirales de la seconde volute présente une hauteur différente de celle des autres spirales de la seconde volute. Préférentiellement, chaque spirale de la seconde volute présente une hauteur différente de celle des autres spirales de la seconde volute. Ces dispositions permettent également de régler la cylindrée du deuxième étage. Ainsi, le réglage de la cylindrée du deuxième étage s'effectue principalement en adaptant le positionnement du passage de fluide à basse pression du deuxième étage, et secondairement en ajustant la hauteur relative des chambres à volume variable de chaque étage. Avantageusement, lorsque les débits massiques vus par les différents étages sont identiques (cas typique d'un processus intermédiaire consistant simplement à refroidir ou à échauffer le fluide), la hauteur de la spirale de la seconde volute délimitant partiellement les chambres à volume variable du premier étage est plus grande que la hauteur de la spirale de la seconde volute délimitant partiellement les chambres à volume variable du deuxième étage.

De préférence, lorsque le débit massique du deuxième étage est inférieur au débit massique du premier étage (cas typique d'un processus intermédiaire avec soutirage de fluide en fonctionnement compresseur), la hauteur de la spirale de la seconde volute délimitant partiellement les chambres à volume variable du premier étage est plus grande que la hauteur de la spirale de la seconde volute délimitant partiellement les chambres à volume variable du deuxième étage. Lorsque le débit massique du deuxième étage est supérieur au débit massique du premier étage (cas typique d'un processus intermédiaire avec injection de fluide en fonctionnement compresseur), la hauteur de la spirale de la seconde volute délimitant partiellement les chambres à volume variable du premier étage est avantageusement plus petite que la hauteur de la spirale de la seconde volute délimitant partiellement les chambres à volume variable du deuxième étage..

De façon préférentielle, la première volute et l'une des spirales de la seconde volute sont configurées de telle sorte qu'il existe un jeu axial entre ces dernières, et ladite spirale de la seconde volute comporte, sur sa face tournée vers la première volute et sur au moins une portion de sa longueur, un segment d'étanchéité. L'étanchéité entre le sommet des autres spirales et la face de la volute en regard est obtenue par contrôle du contact. Selon une variante de réalisation de l'invention, au moins l'une des spirales de la seconde volute présente une épaisseur différente de celle des autres spirales de la seconde volute. Préférentiellement, chaque spirale de la seconde volute présente une épaisseur différente de celle des autres spirales de la seconde volute. Selon une autre variante de réalisation de l'invention, au moins l'une des spirales de la seconde volute présente une épaisseur variable longitudinalement. Ces dispositions permettent d'une part de réduire le nombre d'enroulement des spirales nécessaire pour un taux de compression donné, et d'autre part de réaliser un logement dans l'une des spirales de l'une des volutes agencé pour recevoir l'une des spirales de l'autre volute. Avantageusement, la machine comprend d'une part des moyens de raccordement agencés pour raccorder le passage de fluide à haute pression du premier étage et le passage de fluide à basse pression du deuxième étage, et d'autre part des moyens de chauffage et/ou de refroidissement agencés pour chauffer et/ou refroidir le fluide s'écoulant entre le passage de fluide à haute pression du premier étage et le passage de fluide à basse pression du deuxième étage. Selon un mode de réalisation de l'invention, la machine à volutes est un compresseur à volutes, les passages de fluide à basse pression des différents étages sont des passages d'admission de fluide, les passages de fluide à haute pression des différents étages sont des passages de refoulement de fluide, et le fluide est destiné à être comprimé successivement dans le premier étage et dans le deuxième étage. De préférence, au moins l'un des étages comprend deux chambres à volume variable, dénommée chambre externe et chambre interne, délimitées respectivement intérieurement et extérieurement par l'une des spirales de la seconde volute et agencées pour déboucher dans le passage de fluide à haute pression de l'étage correspondant, et la machine comprend des moyens d'équilibrage de pression configurés de telle sorte que la pression dans la chambre externe avant sa mise en communication avec le passage de fluide à haute pression de l'étage correspondant soit sensiblement égale à la pression dans la chambre interne avant sa mise en communication avec le passage de fluide à haute pression de l'étage correspondant. Avantageusement, les moyens d'équilibrage de pression comportent une saillie s'étendant à partir de la face interne de la spirale de la première volute et située au niveau du passage de fluide à haute pression de l'étage correspondant, la saillie présentant de préférence un profil agencé pour retarder la mise en communication de la chambre externe avec le passage de fluide à haute pression de l'étage correspondant. Le profil de la saillie est avantageusement le profil conjugué de celui de l'extrémité interne de la spirale de la seconde volute délimitant les chambres externe et interne. De façon préférentielle, la saillie présente un profil en arc de cercle de rayon égal au rayon d'orbite du mouvement orbital. De façon avantageuse, l'extrémité externe de la spirale de la première volute et l'extrémité externe de la spirale de la seconde volute délimitant partiellement les chambres à volume variable du premier étage sont situées de manière dissymétrique par rapport à la zone de convergence des spirales délimitant les chambres à volume variable du deuxième étage, et les moyens d'équilibrage comportent une portion de la spirale de la première volute s'étendant entre un point diamétralement opposé à l'extrémité externe de la spirale de la seconde volute délimitant partiellement les chambres à volume variable du premier étage par rapport à la zone de convergence des spirales délimitant les chambres à volume variable du deuxième étage et l'extrémité externe de la spirale de la première volute. De préférence, chaque spirale de la seconde volute délimite 5 partiellement les chambres à volume variable d'un seul étage. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la machine à volutes est une machine de détente à volutes, les passages de fluide à basse pression des différents étages sont des passages de refoulement de fluide, les passages de fluide à haute pression des différents étages sont des passages 10 d'admission de fluide, et le fluide est destiné à être détendu successivement dans le deuxième étage et dans le premier étage. De préférence, la première volute est fixe et la seconde volute est mobile. De toute façon l'invention sera bien comprise à l'aide de la 15 description qui suit en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, deux formes d'exécution de cette machine à volutes. Figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une machine à volutes selon un premier mode de réalisation. 20 Figures 2 et 3 sont des vues en coupe transversale de la machine de figure 1 montrant les spirales des volutes fixe et mobile dans deux positions de fonctionnement distinctes. Figure 4 est une vue en coupe selon la ligne A-A de figure 3. Figure 5 est une vue en coupe longitudinale des volutes fixe et 25 mobile d'une machine à volutes selon un deuxième mode de réalisation. Figure 6 est une vue en coupe transversale d'une machine à volutes selon un troisième mode de réalisation. Figure 7 est une vue en coupe transversale des volutes fixe et mobile d'une machine à volutes selon un quatrième mode de réalisation. 30 Figures 8 à 11 sont des vues en coupe transversale des volutes de figure 7, dans quatre positions de fonctionnement distinctes décalées respectivement d'un quart de tour. Figures 12 à 15 sont des vues en coupe transversale des volutes de figure 7, dans quatre positions de fonctionnement distinctes décalées 35 respectivement d'un quart de tour.

Figure 16 est une vue en coupe transversale des volutes fixe et mobile d'une machine à volutes selon un cinquième mode de réalisation. Figure 17 est une vue en coupe transversale des volutes fixe et mobile d'une machine à volutes selon un sixième mode de réalisation.

Figure 18 est une vue en coupe transversale des volutes fixe et mobile d'une machine à volutes selon un septième mode de réalisation. Figure 19 est une vue partielle en coupe des volutes fixe et mobile d'une machine à volutes selon un huitième mode de réalisation. Figure 20 est une vue de dessus de l'une des spirales de la volute 10 mobile de la figure 19. Les figures 1 à 4 représentent une machine à volutes à étages multiples, selon une première forme d'exécution de l'invention, configurée pour fonctionner comme un compresseur agencé pour comprimer un fluide frigorigène. La figure 1 décrit une machine à volutes occupant une position 15 verticale. Toutefois, la machine à volutes selon l'invention pourrait occuper une position inclinée, ou une position horizontale, sans que sa structure soit modifiée d'une manière significative. La machine à volutes représentée à la figure 1 comprend une enceinte étanche délimitée par une virole 2 dont les extrémités supérieure et 20 inférieure sont fermées respectivement par un couvercle 3 et une embase 4. L'assemblage de cette enceinte peut être réalisé notamment au moyen de cordons de soudure. La machine à volutes comprend une volute fixe 5 comportant un plateau 6 équipé d'une spirale 7 destinée à être tournée vers le bas, et une 25 volute mobile 8 comportant un plateau 9 prenant appui contre un corps 11 contenu dans l'enveloppe de la machine à volutes, le plateau 9 étant équipé de deux spirales 12, 13 destinée à être tournées vers le haut. La machine à volutes comprend un arbre d'entraînement 14 dont l'extrémité supérieure est engagée dans une partie en forme de manchon 15, 30 que comporte la volute mobile 8. Lors de son entraînement en rotation par un moteur électrique 16 contenu dans l'enveloppe de la machine à volutes, l'arbre d'entraînement 14 entraîne la volute mobile 8 suivant un mouvement orbital circulaire par rapport à la volute fixe 5. Comme montré sur la figure 2, la spirale 12 de la volute mobile 8 35 présente une épaisseur variable longitudinalement. La spirale 12 de la volute mobile 8 présente une première portion 12a d'épaisseur constante s'étendant à partir de son extrémité externe, et une deuxième portion 12b d'épaisseur variable s'étendant dans la continuité de la première portion 12a et jusqu'à l'extrémité interne de la spirale 12. La spirale 13 de la volute mobile 8 présente une épaisseur 5 constante Il convient de noter que les spirales 12, 13 de la volute mobile 8, si ces dernières étaient prolongées jusqu'à leur origine, convergeraient vers une zone de convergence située sensiblement au niveau du centre de la volute mobile 8. 10 Les spirales 12, 13 de la volute mobile 8 sont imbriquées l'une dans l'autre de façon à ce que, selon au moins une coupe radiale de la volute mobile 8, l'on rencontre, à partir de la zone de convergence des spirales 12, 13, alternativement les spirales 12, 13 de la volute mobile 8. La spirale 7 de la volute fixe 5 présente une épaisseur variable 15 longitudinalement. La spirale 7 de la volute fixe 5 présente une première portion 7a d'épaisseur constante s'étendant à partir de son extrémité externe, et une deuxième portion 7b d'épaisseur variable s'étendant dans la continuité de la première portion 7a et jusqu'à l'extrémité interne de la spirale 7. La deuxième portion 7b de la spirale 7 de la volute fixe comprend 20 un logement 17 s'étendant en spirale agencé pour recevoir la spirale 13 de la volute mobile 8. Comme montré sur la figure 4, les spirales 12, 13 de la volute mobile 8 et la spirale 7 de la volute fixe présente une hauteur identique. Les spirales 12, 13 de la volute mobile 8 sont engagées dans la 25 spirale 7 de la volute fixe 5 de manière à délimiter une première série de chambres de volume variable 18a à 18d appartenant à un premier étage de compression, et une deuxième série de chambres de volume variable 18e à 18h appartenant à un deuxième étage de compression. La spirale 12 de la volute mobile 8 délimite partiellement 30 uniquement les chambres à volume variable 18a à 18d appartenant au premier étage de compression, tandis que la spirale 13 de la volute mobile 8 délimite partiellement uniquement les chambres à volume variable 18e à 1 8h appartenant au deuxième étage de compression. Chaque étage de compression comprend des paires de chambres 35 de compression de volume variable délimitées respectivement intérieurement et extérieurement par l'une des spirales de la volute mobile 8, les chambres de compression ayant un volume qui diminue progressivement de l'extérieur vers l'intérieur lors du mouvement orbital de la volute mobile 8. Il convient de noter que la spirale 7 de la volute fixe 5 et la spirale 13 de la volute mobile 8 convergent vers une zone de convergence située 5 sensiblement au niveau du centre de la volute fixe. L'extrémité externe de la spirale 7 de la volute fixe 5 et l'extrémité externe de la spirale 12 de la volute mobile 8 sont situées de manière symétrique par rapport à la zone de convergence des spirales 7, 13 délimitant les chambres à volume variable du deuxième étage. 10 Le premier étage de compression comprend deux passages d'admission de fluide 19a, 19b reliés à une entrée de fluide frigorigène 21 ménagée radialement dans la virole 2 par l'intermédiaire d'une part de deux canaux d'admission 22 ménagés dans le corps 11, et d'autre part d'une chambre d'aspiration 23 délimitée par les volutes fixe 5 et mobile 8 et 15 communiquant avec les deux canaux d'admission 22. Le passage d'admission de fluide 19a est délimité par un espace entre l'extrémité extérieure de la spirale 7 de la volute fixe 5 et la paroi extérieure de la spirale 12 de la volute mobile 8. Le passage d'admission de fluide 19b est délimité par un espace entre l'extrémité extérieure de la spirale 20 12 de la volute mobile 8 et la paroi extérieure de la spirale 7 de la volute fixe 5. Les passages d'admission de fluide 19a, 19b sont agencés pour déboucher respectivement dans les chambres à volume variable les plus extérieures du premier étage (les chambres 18a et 18b sur la figure 2) au cours du mouvement orbital de la volute mobile 8. 25 Le premier étage de compression comprend également un passage de refoulement de fluide 24 agencé pour déboucher respectivement dans les chambres à volume variable les plus intérieures du premier étage (les chambres 18c, 18d sur la figure 2) au cours du mouvement orbital de la volute mobile 8. 30 Le passage de refoulement de fluide 24 du premier étage est constitué par un orifice traversant ménagé dans le plateau 6 de la volute fixe 5 et débouchant au niveau de l'extrémité interne de la spirale 12 de la volute mobile 8. L'orifice traversant 24 est relié directement à une sortie de fluide frigorigène 25 ménagée dans le couvercle 3. La sortie de fluide frigorigène 25 35 s'étend avantageusement parallèlement à l'axe de la machine.

Le deuxième étage de compression comprend un passage d'admission de fluide 26 relié à une entrée de gaz frigorigène 27 ménagé dans le couvercle 3 et agencé pour déboucher respectivement dans les chambres les plus extérieures du deuxième étage (les chambres 18e et 18f sur la figure 2) au cours du mouvement orbital de la volute mobile 8. Le deuxième étage de compression comprend également un passage de refoulement de fluide 28 agencé pour déboucher respectivement dans les chambres les plus intérieures du deuxième étage (les chambres 18g et 18h sur la figure 2) au cours du mouvement orbital de la volute mobile 8.

Le passage d'admission de fluide 26 est constitué par un orifice traversant ménagé dans le plateau 6 de la volute fixe 5 et débouchant au niveau de l'extrémité externe de la spirale 13 de la volute mobile 8. Le passage de refoulement de fluide 28 du deuxième étage est constitué par un orifice traversant ménagé dans le plateau 6 de la volute fixe 5 et débouchant au niveau de l'extrémité interne de la spirale 13 de la volute mobile 8. L'orifice traversant 28 est relié à une sortie de fluide frigorigène 29 ménagée radialement dans le couvercle 3 par l'intermédiaire d'une chambre de refoulement 31 délimitée par le couvercle 3 et la volute fixe 5. De préférence, les orifices d'admission 26 et de refoulement 28 du deuxième étage et l'orifice de refoulement 24 du premier étage s'étendent sensiblement perpendiculairement au plateau 6 de la volute fixe 5. Comme montré sur la figure 2, l'orifice d'admission de fluide 26 du deuxième étage de compression est plus éloigné du centre de la volute fixe 5 que l'orifice de refoulement 24 du premier étage de compression. Il convient également de préciser que l'orifice d'admission de fluide 26 du deuxième étage de compression est plus éloigné de la zone de convergence de la spirale 7 de la volute fixe 5 et de la spirale 13 de la volute mobile 8 que l'orifice de refoulement 24 du premier étage de compression. La machine à volutes comprend également des moyens de raccordement 32 agencés pour raccorder le passage de refoulement de fluide 24 du premier étage au passage d'admission de fluide 26 du deuxième étage, et d'autre part des moyens de refroidissement 33 agencés pour refroidir le fluide s'écoulant du passage de refoulement de fluide 24 du premier étage au passage d'admission de fluide 26 du deuxième étage.

Le fonctionnement de la machine à volutes va maintenant être décrit.

La figure 3 montre une position des volutes fixe 5 et mobile 8 dans laquelle les deux chambres de compression extérieures du premier étage de compression sont respectivement fermées au niveau des extrémités externes des spirales 7 et 12. Cette position des volutes fixe 5 et mobile 8 correspond à la position dite de prise de cylindrée . Dès que la volute mobile 8 se déplace à partir de la position représentée sur la figure 3, les chambres externes du premier étage se déplacent vers l'intérieur dans le sens des aiguilles d'une montre et leur capacité diminue, ce qui provoque une compression du fluide frigorigène contenu dans ces dernières. Lorsque ces deux chambres externes atteignent l'orifice de refoulement 24, le fluide frigorigène contenu dans ces dernières est refoulé par cet orifice de refoulement 24 et est transporté jusqu'aux moyens de refroidissement 33 par l'intermédiaire de la sortie de fluide frigorigène 25 et des moyens de raccordement 32.

Le fluide frigorigène comprimé est refroidi et est ensuite transporté jusqu'à l'orifice d'admission 26 du deuxième étage par l'intermédiaire des moyens de raccordement 32 et de l'entrée de fluide frigorigène 27, en vue de sa compression dans les chambres à volume variable du deuxième étage et en vue de son refoulement par l'orifice de refoulement 28 ménagé sensiblement au centre de la volute fixe 5. La figure 5 représente une variante de réalisation de la machine à volutes qui diffère de celle représentée sur la figure 1 en ce que la spirale 13 de la volute mobile 8 présente une hauteur h2 supérieure à la hauteur h1 de la spirale 12 de la volute mobile 8 de telle sorte que les chambres à volume variable appartenant au deuxième étage de compression présentent une hauteur supérieure à celle des chambres à volume variable appartenant au premier étage de compression. La figure 6 représente une variante de réalisation de la machine à volutes qui diffère de celle représentée sur la figure 1 en ce qu'elle comprend en outre des moyens d'équilibrage de pression configurés de telle sorte que la pression dans la chambre à volume variable 18c avant sa mise en communication avec le passage de refoulement de fluide 24 du premier étage soit sensiblement égale à la pression dans la chambre à volume variable 18d avant sa mise en communication avec le passage de refoulement 24 de fluide du premier étage.

Les moyens d'équilibrage comportent une saillie 34 s'étendant à partir de la face interne de la spirale 7 de la volute fixe 5 et située au niveau du passage de refoulement de fluide 24 du premier étage. La saillie 34 présente un profil en arc de cercle 35 agencé pour retarder la mise en communication de la chambre à volume variable 18c avec le passage de refoulement de fluide 24 du premier étage. Comme montré en pointillé sur la figure 6, l'extrémité externe de la spirale 7 de la volute fixe et l'extrémité externe de la spirale 12 de la volute mobile pourraient être situées sensiblement de manière dissymétrique par rapport à la zone de convergence des spirales 7, 13 délimitant les chambres à volume variable du deuxième étage. Selon ce mode de réalisation, les moyens d'équilibrage seraient en outre constitués par une portion 36 de la spirale 7 s'étendant entre un point diamétralement opposé à l'extrémité externe de la spirale 12 de la volute mobile par rapport à la zone de convergence des spirales 7, 13 et l'extrémité externe de la spirale 7 de la volute fixe. La figure 7 représente une autre variante de réalisation de la machine à volutes qui diffère de celle représentée sur la figure 1 essentiellement en ce que la volute fixe 5 comprend deux spirales 7, 7' imbriquées l'une dans l'autre et dont les extrémités internes sont reliées l'une à l'autre par une cloison 40, en ce que les spirales 12, 13 de la volute mobile 8 présentent une épaisseur constante identique, et en ce que le premier étage ne comporte qu'un seul passage d'admission de fluide 19. Le passage d'admission de fluide 19 est délimité par l'extrémité externe de la spirale 7 de la volute fixe 5 et la paroi externe de la spirale 7' de la volute fixe 5, et est agencé pour déboucher respectivement dans les chambres à volute variable les plus extérieures du premier étage (les chambres 18a et 18b sur la figure 7) au cours du mouvement orbital de la volute mobile. Les spirales 7, 7' de la volute fixe 5 sont imbriquées l'une dans l'autre de façon à ce que, selon une coupe radiale de la volute fixe 5, l'on rencontre, à partir de la zone de convergence des spirales 7, 7', alternativement les spirales 7, 7' de la volute fixe 5. Les spirales 7, 7' de la volute fixe 5 présentent une épaisseur constante identique. L'extrémité externe de la spirale 7' de la volute fixe 5 est reliée à la 35 paroi extérieure de la spirale 7 de la volute fixe 5 au niveau de l'orifice d'admission 26 du deuxième étage.

Les spirales 12, 13 de la volute mobile 8 sont engagées dans les spirales 7, 7' de la volute fixe 5 de manière à délimiter une première série de chambres de volume variable 18a à 18d appartenant à un premier étage de compression, et une deuxième série de chambres de volume variable 18e à 18h appartenant à un deuxième étage de compression. La figure 8 représente les spirales des volutes fixe et mobile de la figure 7 dans des positions angulaires telles que l'extrémité externe de la spirale 12 de la volute mobile 8 définit une ligne d'étanchéité de l'une des chambres du premier étage.

Les points A à E montré sur la figure 8 représentent les lignes d'étanchéité entre la spirale 12 de la volute mobile 8 et les spirales de la volute fixe 5, ces lignes d'étanchéité définissant les chambres à volume variable du premier étage. Les figures 9 à 11 représentent trois positions de fonctionnement distinctes de la machine à volutes décalées respectivement d'un quart de tour par rapport à la position représentée sur la figure 8. Ces différentes figures permettent de visualiser l'évolution des chambres à volume variable 18a à 18d du premier étage et des points A à E au cours du mouvement orbital de la volute mobile 8.

La figure 12 représente les spirales des volutes fixe et mobile de la figure 7 dans des positions angulaires telles que l'extrémité externe de la spirale 13 de la volute mobile 8 définit une ligne d'étanchéité de l'une des chambres du deuxième étage. Les points F à I montré sur la figure 12 représentent les lignes d'étanchéité entre la spirale 13 de la volute mobile 8 et les spirales de la volute fixe 5, ces lignes d'étanchéité définissant les chambres à volume variable du deuxième étage. Les figures 13 à 15 représentent trois positions de fonctionnement distinctes de la machine à volutes décalées respectivement d'un quart de tour par rapport à la position représentée sur la figure 12. Ces différentes figures permettent de visualiser l'évolution des chambres à volume variable 18e à 18h et des points F à I au cours du mouvement orbital de la volute mobile 8. La figure 16 représente une autre variante de réalisation de la machine à volutes qui diffère de celle représentée sur la figure 7 en ce que l'extrémité externe de la spirale 7 de la volute fixe 5 est reliée à la paroi extérieure de la spirale 7' de la volute fixe 5, et en ce que le premier étage comprend un seul passage de d'admission de fluide 19 constitué par un orifice traversant ménagé dans le plateau 6 de la volute fixe 5 et débouchant au niveau de l'extrémité externe de la spirale 7 de la volute fixe 5. L'orifice traversant 19 est agencé pour déboucher respectivement dans les chambres à volute variable les plus extérieures du premier étage au cours du mouvement orbital de la volute mobile. La figure 17 représente une autre variante de réalisation de la machine à volutes qui diffère de celle représentée sur la figure 16 en ce que la spirale 12 de la volute mobile 8 présente une épaisseur inférieure à celle de la spirale 13 de la volute mobile 8. La figure 18 représente une autre variante de réalisation de la machine à volutes qui diffère de celle représentée sur la figure 17 en ce que la spirale 7 de la volute fixe 5 présente une épaisseur inférieure à celle de la spirale 7' de la volute fixe 5.

La figure 19 représente encore une autre variante de réalisation de la machine à volutes qui diffère de celle représentée sur la figure 1 en ce que la volute fixe 5 et la spirale 13 de la volute mobile 8 sont configurées de telle sorte qu'il existe un jeu axial Ja entre ces dernières, et en ce que la spirale 13 de la volute mobile 8 comporte, sur sa face tournée vers le plateau 6 de la volute fixe, un segment d'étanchéité 42. Comme cela est montré sur la figure 20, le segment d'étanchéité 42 s'étend uniquement sur la portion centrale de la spirale 13 de la volute mobile 8. Selon une variante de réalisation de la machine à volutes non 25 représentée sur les figures, le segment d'étanchéité 42 pourrait s'étendre sur toute la longueur de la spirale 13 de la volute mobile. Selon encore une variante de réalisation de la machine à volutes non représentée sur les figures, la spirale 7 de la volute fixe 5 pourrait également comprendre, sur sa face tournée vers le plateau 9 de la volute 30 mobile 8, un segment d'étanchéité. Selon un mode de réalisation de l'invention non décrit sur les figures, la machine à volutes pourrait être configurée pour fonctionner comme une machine de détente à volutes, telle qu'une turbine à volutes. Dans ce cas, les passages d'admission seraient des passages de refoulement, les passages 35 de refoulement seraient des passages d'admission, et le fluide frigorigène serait destiné à être détendu successivement dans le deuxième étage et dans le premier étage. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cette machine à volutes, décrite ci-dessus à titre d'exemples, 5 elle en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.

Claims

REVENDICATIONS1. Machine à volutes à étages multiples destinée à comprimer et/ou à détendre un fluide, comprenant une première et une seconde volutes (5, 8) décrivant un mouvement relatif orbital, la première volute (5) étant équipée d'au moins une spirale (7, 7') et la seconde volute (8) étant équipée d'au moins deux spirales (12, 13), les spirales de la seconde volute étant engagées dans la spirale de la première volute de manière à délimiter au moins une première série de chambres de volume variable (18a-18d) appartenant à un premier étage de compression ou de détente, et au moins une deuxième série de chambres de volume variable (18e-18h) appartenant à un deuxième étage de compression ou de détente, chaque étage de compression ou de détente comprenant au moins un passage de fluide à haute pression (24, 28) agencé pour déboucher dans au moins l'une des chambres de l'étage respectif et au moins un passage de fluide à basse pression (19, 19a, 19b, 26) agencé pour déboucher dans au moins l'une des chambres de l'étage respectif, le passage de fluide à haute pression du premier étage et le passage de fluide à haute pression du deuxième étage étant configurés de telle sorte que le fluide traversant le passage de fluide à haute pression du premier étage présente une pression inférieure à celle du fluide traversant le passage de fluide à haute pression du deuxième étage, caractérisée en ce que la portion du passage de fluide à basse pression (26) du deuxième étage agencée pour déboucher dans au moins l'une des chambres du deuxième étage est plus éloignée de la zone de convergence des spirales délimitant les chambres à volume variable du deuxième étage que la portion du passage de fluide à haute pression (24) du premier étage agencée pour déboucher dans au moins l'une des chambres du premier étage.
2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les spirales (12, 13) de la seconde volute (8) sont imbriquées les unes dans les autres de façon à ce que, selon au moins une coupe radiale de la seconde volute, au moins une alternance des spirales de la seconde volute (8) soit réalisée à partir de la zone de convergence des spirales de la seconde volute.35
3. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les chambres à volume variable d'au moins l'un des étages présentent une hauteur différente de celle des chambres à volume variable des autres étages.
4. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'au moins l'une (13) des spirales de la seconde volute (8) présente une hauteur différente de celle des autres spirales de la seconde volute.
5. Machine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la première volute (5) et l'une (13) des spirales de la seconde volute (8) sont configurées de telle sorte qu'il existe un jeu axial entre ces dernières, et en ce que ladite spirale (13) de la seconde volute (8) comporte, sur sa face tournée vers la première volute et sur au moins une portion de sa longueur, un segment d'étanchéité (42).
6. Machine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'au moins l'une (12) des spirales de la seconde volute (8) présente une épaisseur différente de celle des autres spirales de la seconde volute.
7. Machine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'au moins l'une des spirales de la seconde volute présente une épaisseur variable longitudinalement.
8. Machine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend d'une part des moyens de raccordement (32) agencés pour raccorder le passage de fluide à haute pression (24) du premier étage et le passage de fluide à basse pression (26) du deuxième étage, et d'autre part des moyens de chauffage et/ou de refroidissement (33) agencés pour chauffer et/ou refroidir le fluide s'écoulant entre le passage de fluide à haute pression (24) du premier étage et le passage de fluide à basse pression (26) du deuxième étage.
9. Machine selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que chaque spirale (12, 13) de la seconde volute (8) délimite partiellement les 35 chambres à volume variable d'un seul étage.
10. Machine selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la machine à volutes est un compresseur à volutes, en ce que les passages de fluide à basse pression des différents étages sont des passages d'admission de fluide, en ce que les passages de fluide à haute pression des différents étages sont des passages de refoulement de fluide, et en ce que le fluide est destiné à être comprimé successivement dans le premier étage et dans le deuxième étage.
11. Machine selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'au moins l'un des étages comprend deux chambres à volume variable, dénommée chambre externe (18c) et chambre interne (18d), délimitées respectivement intérieurement et extérieurement par l'une (12) des spirales de la seconde volute (8) et agencées pour déboucher dans le passage de fluide à haute pression (24) de l'étage correspondant, et en ce que la machine comprend des moyens d'équilibrage de pression (34, 36) configurés de telle sorte que la pression dans la chambre externe (18c) avant sa mise en communication avec le passage de fluide à haute pression (24) de l'étage correspondant soit sensiblement égale à la pression dans la chambre interne (18d) avant sa mise en communication avec le passage de fluide à haute pression (24) de l'étage correspondant.
12. Machine selon la revendication 11, caractérisée en ce que les moyens d'équilibrage comportent une saillie (34) s'étendant à partir de la face interne de la spirale (7) de la première volute (5) et située au niveau du passage de fluide à haute pression (24) de l'étage correspondant, la saillie (34) présentant de préférence un profil (35) agencé pour retarder la mise en communication de la chambre externe (18c) avec le passage de fluide à haute pression (24) de l'étage correspondant.
13. Machine selon la revendication 9 et l'une des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce que l'extrémité externe de la spirale (7) de la première volute (5) et l'extrémité externe de la spirale (12) de la seconde volute (8) délimitant partiellement les chambres à volume variable du premier étage sont situées de manière dissymétrique par rapport à la zone de convergence des spirales délimitant les chambres à volume variable du deuxième étage, et en ce que les moyens d'équilibrage comportent une portion (36) de la spirale(7) de la première volute (5) s'étendant entre un point diamétralement opposé à l'extrémité externe de la spirale (12) de la seconde volute (8) délimitant partiellement les chambres à volume variable du premier étage par rapport à la zone de convergence des spirales délimitant les chambres à volume variable du deuxième étage et l'extrémité externe de la spirale (7) de la première volute.
14. Machine selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la machine à volutes est une machine de détente à volutes, en ce que les passages de fluide à basse pression des différents étages sont des passages de refoulement de fluide, en ce que les passages de fluide à haute pression des différents étages sont des passages d'admission de fluide, et en ce que le fluide est destiné à être détendu successivement dans le deuxième étage et dans le premier étage.
15. Machine selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que la première volute (5) est fixe et la seconde volute (8) est mobile.