WO2016207418A1 - Dispositif de fixation de pistons pour machine de compression et de détente - Google Patents

Dispositif de fixation de pistons pour machine de compression et de détente Download PDF

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WO2016207418A1
WO2016207418A1 PCT/EP2016/064790 EP2016064790W WO2016207418A1 WO 2016207418 A1 WO2016207418 A1 WO 2016207418A1 EP 2016064790 W EP2016064790 W EP 2016064790W WO 2016207418 A1 WO2016207418 A1 WO 2016207418A1
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piston
shaft
fixing
intermediate piece
pistons
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PCT/EP2016/064790
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English (en)
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Abdelaziz GORMAT
Stéphane TONDELLI
Carlos Martins
Eric Droulez
Bertrand Gessier
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C11/00—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type
    • F01C11/002—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle
    • F01C11/004—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle and of complementary function, e.g. internal combustion engine with supercharger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/02—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F01C1/063—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents with coaxially-mounted members having continuously-changing circumferential spacing between them
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/08—Rotary pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/0042—Driving elements, brakes, couplings, transmissions specially adapted for pumps
    • F04C29/0078—Fixing rotors on shafts, e.g. by clamping together hub and shaft

Definitions

  • the invention relates to a compression and expansion machine of the scissor type intended to be used, in particular, in a thermal energy recovery system, making a fluid work to enhance the thermal losses of an engine, for example at the exhaust or on any other hot source.
  • This type of compression and expansion machine commonly called scissors machine, conventionally comprises a casing with at least one chamber of revolution about an axis of symmetry and dividing the chamber into cells rotating with the pistons.
  • the shape of the scissor machine can be toroidal.
  • the pistons will be in the form of torus portions.
  • the toroidal shape is compact, and allows to provide simple cylindrical sealing segments on the sides of the pistons, to ensure the tightness of the machine and reduce friction between the pistons and the housing.
  • the machine further comprises a device for coordinating the movement of said pistons configured so that, during a rotation revolution, each cell performs at least a first expansion / contraction cycle corresponding to a compression step of a first flow of gas passing through this cell and at least the second expansion / contraction cycle corresponding to a step of expansion of a second gas flow through this cell.
  • a first shaft is connected to a first pair of pistons
  • a second shaft is connected to a second pair of pistons, the two shafts having a relative movement with respect to each other and being coaxial with one another.
  • the pistons of each pair have an integral movement and are, for example, diametrically opposed.
  • the fact that the two shafts have a relative movement with respect to one another makes it possible to vary the volume of the rotating cells so that on one side the decrease in volume is similar to a contraction / compression phase. while on the other hand the increase in the volume of the cell is a phase of expansion / relaxation.
  • the machine has outward openings, more particularly for the admission of the first gas flow, for sending the first flow of compressed gas to the exchanger, for the suction of the second stream of gas from the exchanger, and for the discharge of the second expanded gas stream.
  • the lateral facades of the pistons undergo high temperature and pressure constraints, particularly during the compression and expansion phases of the gases, since they are directly in contact with the gases.
  • peripheral walls of the pistons also undergo temperature and pressure constraints, only when they pass the two openings to the exchanger where they are in contact with the hot gases under pressure.
  • the temperature and pressure constraints are not the same on all the surfaces of the piston, the latter are not solicited in the same way.
  • the piston being generally made in one piece, the material used for all the surfaces of the piston is the one that withstands the most severe stress. Pistons must be designed in materials with robust characteristics such as steel and cast iron. The piston thus consists of a single-material and expensive element within the machine.
  • the attachment between the piston and the shaft is made via the outside of the piston, either permanently by welding, or via a removable external fixation.
  • the attachment by welding has the disadvantage of not being removable, and poses a problem for maintenance operations of the machine.
  • the removable external fixation is cumbersome given the small space available in the room, and complicated implementation.
  • its mechanical strength is often not sufficient in the long term.
  • the attachment between the piston and the shaft is not obvious since the anchoring zone varies angularly, the shaft being cylindrical, and the pistons having a torus portion shape.
  • the couples to be transmitted are important, and the attachment must be strong enough to pass these couples.
  • the object of the present invention is to provide a fixing device between a piston and a shaft of a toroidal scissor machine, which overcomes the various aforementioned drawbacks.
  • the invention relates to a device for fixing at least one piston to a shaft of a compression and expansion machine, said piston having a toroid portion shape, said shaft being cylindrical .
  • This device is characterized principally in that it comprises an intermediate piece integral with the shaft, the piston consisting of a hollow body whose interior volume is accessible and houses means for fixing the piston to the intermediate piece.
  • the piston according to the invention is a closed and hollow part, defined by different walls. It is therefore a light piece, which can be made with different techniques. Since the piston is hollow, it is therefore possible to use its interior volume to provide attachment means to the shaft to which it is connected. These fixing means will be hidden inside the piston, easy to access, and will not encroach on the volume of the cells.
  • the outer surface of the intermediate piece matches the toroidal shape of the piston and is bordered by two ends: thus the intermediate piece adapts to the curvature of the piston.
  • the outer surface of the intermediate piece is convex, the thickness of the intermediate piece increasing from one end to the other: the outer surface of the intermediate piece follows the profile of curvature of the piston, which is concave, and comes into contact with a portion of the piston offset from the central peripheral region of the piston, hence the need to adjust the thickness of the intermediate piece so that it remains constantly in contact with the piston, the means for fixing the piston to the intermediate piece are asymmetrical: this increases the mechanical strength of the piston on the intermediate piece, and spend more torque .
  • the piston has an outer male anchoring zone adapted to be housed in an outer female anchoring zone of the intermediate piece: the anchoring zones have corresponding shapes. This makes it possible to position the piston on the intermediate piece, and to have a sealed connection between the piston and the intermediate piece, and a fortiori between the piston and the shaft. Possible leakage zones between the male and female anchoring zones, due to the clearance between the piston and the intermediate piece, are obstructed, for example by glue or joint paste, the female anchoring zone consists of a groove extending over at least a portion between ends of the intermediate piece;
  • the intermediate piece is offset axially relative to the intersection between the axis of the shaft and the axis of symmetry of the piston in the mounted position on the shaft, hence the increase in the thickness of the intermediate piece to make up for this shift.
  • the female anchoring zone widens progressively towards the end having the greatest thickness
  • the female anchoring zone comprises two orifices of different diameters aligned along the longitudinal axis of the groove, the larger diameter orifice being disposed in the vicinity of the end having the largest thickness, the orifice of smaller diameter being in the vicinity of the end having the smallest thickness: in fact, the greater the width of the groove, the larger the diameter of the orifice, since it must be contained in the width of the groove.
  • the piston has an internal bulge in which are made two orifices of different diameters opening out of the piston and whose axes are inscribed in a plane of symmetry of the piston containing a diameter of the torus, these orifices being arranged in correspondence with the orifices practiced in the intermediate piece and being of the same size.
  • the fixing is carried out by means of two studs of different diameters inserted firstly into the orifices of the piston and secondly into the orifices of the intermediate piece, clamping nuts being provided for each of these studs to inside the piston: this attachment is removable, and accessible from inside the piston.
  • the combination of studs of different diameters makes it possible to pass more torque during the rotation of the piston, without breaking the piston / shaft connection. Fixing by means of two studs of identical diameter would have a less good mechanical strength, because the two studs would have a small diameter corresponding to the diameter of the smaller orifice of the piston and the intermediate piece.
  • the device comprises means for positioning the outer zone of male anchoring of the piston in the outer female anchoring zone of the intermediate piece: this makes it possible to correctly position the piston on the intermediate piece before proceeding to its fixing.
  • said positioning means consist of a pin whose first end is able to come into a hole provided for this purpose in the female anchoring zone of the intermediate piece, and a second end of which is suitable for coming enter a hole provided for this purpose in the male anchoring zone of the piston.
  • the intermediate piece consists of a piece of revolution surrounding a cylindrical section of the shaft, and having two diametrically opposite external female anchoring zones: this allows to have diametrically opposed pistons on the tree and balance the weights,
  • the intermediate piece and the shaft are formed in one piece: in this case, the intermediate piece is part of the shaft, and simply corresponds to a section where the diameter of the shaft varies, which is machined during the operation. machining of the shaft.
  • the invention also relates to a compression and expansion machine comprising a casing with at least one chamber of revolution about a concentric axis of symmetry with two rotation shafts each comprising a pair of pistons dividing the chamber into cells rotating with the pistons. , and also comprising, for each shaft, a device for fixing the pistons to the shaft as described above, said two fastening devices being arranged side by side and symmetrically relative to each other.
  • each piston is composed of a closed and hollow body having a plane of symmetry, and comprising: a central peripheral wall defining an internal volume and having two opposite lateral openings with respect to the plane of symmetry;
  • the peripheral wall consists of a portion of torus: the working chamber in which the piston circulates therefore has a generally toroidal shape.
  • each side façade consists of a cylindrical section of small thickness: the facades are cut so that their median plane passes through the central axis of the torus forming the chamber in which the pistons circulate. This cylindrical shape facilitates the realization of the facades.
  • the side walls are permanently assembled to the peripheral wall, and are therefore not removable: this assembly is for example made by welding, or hooping.
  • At least one lateral facade is removable relative to the peripheral wall: this has the advantage of having easy access to the interior of the piston for mounting on the shaft, as well as for maintenance operations in general, and especially when it is necessary to change a defective side facade. In this case, it is no longer necessary to change the piston in whole. Only the side wall will be changed. For example, the side walls are screwed to the peripheral wall.
  • the two side façades are identical: they are used symmetrically on the piston.
  • all necessary left / right shapes are pre-machined on each facade, so that there is only one reference, and to be able to use each facade as well for the right side as for the left side at the same time.
  • each side façade consists of a single room.
  • each side facade has a circular groove adapted to accommodate a sealing segment associated or not with a spring: this circular shape facilitates the realization of the groove in the facade.
  • this groove is parallel to the outer surface of the facade. Since the groove is made in the lateral facade, it is no longer necessary to disassemble and remove the pistons from the shaft, only the dismantling of the side facade is necessary.
  • the assembly / disassembly of the segments takes place on the lateral façade before it is mounted on the peripheral wall, which allows a easier assembly / disassembly of the segments (and springs if necessary), and thus limits breakage.
  • each lateral facade has at least one notch made in the bottom of the groove and in which is housed a leg provided for this purpose on the segment: this makes it possible to index the segment with respect to the lateral facade, and to block the rotation of the segment.
  • each side façade consists of an assembly of several pieces: this allows the segments to be mounted without having to open them.
  • This variant is adopted for materials with a high risk of breakage during assembly
  • each side face consists of an outer disk and an inner ring adapted to be positioned against the periphery of the corresponding opening defined by the wall device, a sealing segment associated with a spring being interposed between the outer disk and the inner ring: in this case, an anti-rotation device of the segment is provided outside the front via a pin or a shoulder.
  • the peripheral wall has at least one inner bulge having at least two threaded holes each opening at a lateral opening, and each side facade has at least one orifice positioned opposite a threaded orifice of the peripheral wall, the assembly of the facade on the wall being made by means of fixing screws penetrating successively through the corresponding orifices of the lateral facade and the peripheral wall,
  • indexing means for each lateral facade, there are indexing means for positioning the side wall on the peripheral wall: these indexing means facilitate positioning.
  • said indexing means consist of at least one non-opening hole made in the lateral facade at the face directed towards the inside of the piston, said hole being able to cooperate with a protruding pin from an internal bulge of the peripheral wall and extending towards the lateral facade.
  • a seal is positioned between each side facade and the peripheral wall.
  • a seal is also provided, via seals, between the fixing screws and the side walls.
  • Figure 1 shows schematically the installation of a system according to the invention to enhance the energy of the exhaust gas of a heat engine
  • Figure 2 schematically shows the operation of a piston scissor machine according to the invention in a system for energy recovery
  • Figure 3 shows a pair of pistons associated with a tree of the scissor machine according to the invention
  • FIGS 4a and 4b show two pairs of pistons associated with two shafts of the scissor machine according to the invention
  • Figure 5 is an exploded view of a piston according to a first embodiment
  • Figure 6 shows the first pair of pistons with one of the pistons in exploded view, according to the first embodiment
  • Figure 7 shows the outer face of a side face of a piston, according to the first embodiment
  • FIG. 8 shows the inner face of a side wall of a piston, according to the first embodiment
  • Figure 9 shows the profile of a side wall of a piston, according to the first embodiment
  • Figure 10 is an enlarged view of an anti-rotation device of a segment nested in a side face of a piston, according to the first embodiment
  • Figure 1 1 is an exploded view of a piston according to a second embodiment
  • FIG. 12 illustrates the fastening device between the pistons and the shaft to which they are connected, according to the invention
  • FIG. 13 to 15 show in perspective the female anchoring zone at a shaft for fixing the piston
  • Figure 16 shows the male anchor area at the piston
  • FIG. 17 illustrates the clearance present between the male and female anchoring zones.
  • the invention relates to a device for fixing the pistons on shafts provided for a rotary scissors-type rotary machine designed to be used in an energy recovery system by working a fluid in a cycle comprising the stages of admission, compression, heating and relaxation, exhaust, as previously discussed.
  • the exemplary embodiment of the invention is presented as part of an integration on a motor vehicle powered by a heat engine, to enhance the energy dissipated by the exhaust gas.
  • the applicant does not intend to limit the scope of his invention to this framework because it is easy to transfer the type of heat source or energy recovered to other facilities.
  • the system schematically exemplified in Figure 1 uses air as working fluid, with an open cycle.
  • the air is sucked to ambient atmospheric conditions before compression and then released into the atmosphere after relaxation.
  • This choice is advantageous in terms of integration on a vehicle but it does not exclude the choice of a closed cycle, with cooling of the working fluid in other facilities.
  • the system described as an example here comprises:
  • a hot source constituted by the exhaust gas flowing in the exhaust line 1 from the engine 2;
  • the system 9 for driving and energy recovery is a mechanical transmission means between the axis 10 of the compression and expansion machine 4 and the shaft 1 1 of the driving motor. the vehicle, intended to recover the extra torque provided by the axis 10.
  • this system 9 may be an electric motor connected to the axis 10 of the machine 4, intended to operate as a generator under the action of the axis 10.
  • the machine 4 piston scissors comprises a housing 12a forming a cylindrical chamber 12 of circular cross section about a Y axis.
  • the housing 12a has four openings forming openings 16, 17, 18, 19 in the chamber 12.
  • a first opening 16 is located at the bottom and is intended to be connected to the pipe 7 sucking the ambient air
  • a second opening 17 is located at the top, substantially vertically of the first opening 16, and is intended to be connected to the pipe 5 sending the air into the exchanger 3,
  • a third opening 18 is also located at the top, close to the second opening 17, and is intended to be connected to the pipe 6 bringing the air coming out of the exchanger 3,
  • a fourth opening 19 is located at the bottom, substantially vertically to the third opening 18 and close to the first opening 16, and is intended to be connected to the duct 8 discharging air into the atmosphere.
  • pistons 14a, 14b, 14c, 14d rotating about the Y axis are installed inside the chamber 12. They are configured to occupy each an angular sector portion of given angle between the outer cylindrical wall of the chamber 12 and an inner cylindrical surface 13 of cross section to the axis of rotation Y circular.
  • These pistons 14 are grouped in two pairs of diametrically opposed pistons. The pistons of each pair are integral. By cons, the two pairs of pistons can rotate around the axis differently, moving away or approaching. In this way, the four pistons 14 define two by two and between the outer wall of the chamber 12 and the inner surface 13, four cells 15a, 15b, 15c, 15d whose volume can increase or decrease.
  • the movement of the two pairs of pistons is coordinated so that each of the four cells 15a, 15b, 15c, 15d follows two cycles of expansion and contraction while passing in front of the four openings 16, 17, 18, 19 of the chamber 12.
  • a first pair of pistons 14a-14c is connected to a first hollow input shaft which passes a second input shaft 21 to which is fixed the second pair of pistons 14b-14d.
  • the two pairs of pistons 14a-14c, 14b-14d can be driven separately in rotation by the two input shafts 20, 21.
  • the working chamber 12 has a toroidal shape, and the pistons
  • torus portions are cut so that the side faces 23 of the pistons are circular.
  • the side façades 23 belong to planes passing through the axis of the torus.
  • the axis of the torus is concentric with the Y axes of the first and second trees 20,21.
  • the piston 14 is composed of a peripheral wall 22 defining the general volume of the piston 14, and having two lateral openings on either side of a plane of symmetry of the piston. These openings are closed by two identical circular lateral facades 23 fixed to the peripheral wall 22 by screwing.
  • the piston 14 is hollow, and accessible for maintenance operations.
  • a seal 26 is always placed between the side face 23 and the peripheral wall 22 to prevent any air leakage into the interior of the piston 14.
  • the side wall 23 consists of a cylindrical section, of small thickness.
  • the lateral facade 23 consists of a single piece and has a circular groove 39 able to receive a sealing segment 24 associated with a spring 25.
  • a segment 24 is a sealing means between the piston 14 and the inner walls of the chamber 12, and is designed to separate the cells and allow dry friction on the walls of the chamber 12.
  • the groove 39 is formed in the thickness of the facade 23, at its periphery.
  • the two lips 43,44 delimiting the groove 39 have a thickness of between 1 ⁇ and 1 mm. It is necessary that the lips 43, 44 have enough material to withstand the mechanical stresses of the segments 24.
  • a segment 24 consists of a circular washer having a cutout 28 thus allowing it to be opened and deformed elastically so as to be able to insert it into the groove 39. So that the segment 24 can not rotate in the groove 39 and remains held in position, it has a tab 27 projecting towards the inside of the washer, being diametrically opposed to the opening 28, and being housed in a notch 45 provided for this purpose in the groove 39 of the facade 23, as shown in Figure 10.
  • the groove 39 of the facade 23 comprises two notches 45 distant from an angular sector a, as illustrated in FIG. one of them being provided to retain a segment 24 which will be placed on the right end of the piston 14, the other being provided to retain a segment 24 which will be placed on the left end of the piston 14. This allows to have only one type of facade 23 whatever the side of the piston 14.
  • a spring 25 is placed in the groove 39.
  • This spring 25, shown in FIG. 5, also consists of a circular washer having a cutout 29 thus making it possible to open and deform it elastically so as to be able to
  • the spring 25 is however positioned in the groove 39 so that its cutout 29 is diametrically opposed to the cutout 28 of the segment 24.
  • the facade 23 is equipped with the segment and the spring 25, it is first placed in position, through indexing, on the corresponding lateral opening of the peripheral wall 22.
  • This indexing is achieved by means of a peg 37, a first end of which is introduced into a hole 36 which does not open, provided in an internal bulge 35 of the peripheral wall 22, the axis of said hole 36 being directed perpendicularly to the lateral opening of the peripheral wall 22, and a second end is introduced into a non-through hole 40 provided for this purpose in the internal surface of the lateral facade 23, that is to say the face facing the inside the piston 14.
  • the lateral facade 23 has two non-opening holes 40 spaced apart from an angular sector a, one of them being provided to receive a pin 37 protruding from the right side of the piston 14. other being provided to accommodate a pin 37 protruding from the left side of the piston 14. This still allows to have only one type of facade 23 regardless of the side of the piston 14.
  • Three orifices 30 are provided in the front 23 for this purpose, and are chamfered so as to drown the screw head and maintain a flat outer surface of the facade 23.
  • Three threaded orifices 34 are also provided for this purpose inside the peripheral wall 22, and are flush with the lateral opening of the peripheral wall 22. These threaded orifices 34 are formed in internal bulges 33 of the peripheral wall 22.
  • the screws 31 thus penetrate successively into the orifices 30 of the facade 23 and then into the threaded orifices 34 of the peripheral wall 22.
  • Figure 6 shows the assembly of the side facades 23 on both sides of the piston 14.
  • Each side of the piston 14 thus has three threaded holes 34 opening on the corresponding side opening.
  • the piston 14 thus has three internal bulges 33 extending from one side to the other of the piston, each bulge 33 containing two threaded holes 34 symmetrical opening respectively on one side and the other of the piston 14. These bulges 33 are symmetrical with respect to the plane of symmetry of the piston 14.
  • reinforcing branches 41 are provided on the internal surface of the facade 23, and in particular connect the three orifices 30.
  • the internal surface of the facade 23 also has a curved portion 42 in an arc connecting the three holes 30.
  • the seal 26 placed between the side wall 23 and the peripheral wall 22 is wedged against this curved portion 42 to be correctly positioned.
  • the latter notably surrounds the orifices 30, in order to achieve specific additional sealing at the orifices 30.
  • the lateral facade 23 consists of several pieces, namely:
  • an outer disk 50 provided with three holes 30 for fastening by screwing to the threaded orifices 34 of the peripheral wall 22;
  • an inner ring 46 adapted to be positioned against the periphery of the opening defined by the peripheral wall 22.
  • the sealing segment 24 and the spring 25 are interposed between the outer disk 50 and the inner ring 46. In this case, it is no longer necessary to open the segment 24 to put it in position. It is the same for the spring 25.
  • the facades 23 are removable and allow access to the interior of the piston 14 where there are means for attachment to the shaft 21 to which he is connected.
  • These means consist of two orifices 38a, 38b in which are introduced screws or studs 49a, 49b which are then screwed into orifices 56a, 56b provided for this purpose in an intermediate piece 48 integral with the shaft 21, as illustrated in FIG. FIG. 12. More precisely, the orifices 38a, 38b are formed in the internal bulge 35 of the peripheral wall 22, already acting as a support for the hole 36 serving to position the facade 23 with respect to the peripheral wall 22. These orifices 38a, 38b are thus accessible from inside the piston 14, and open outwardly of the piston 14.
  • the orifices 56a, 56b formed in the intermediate piece 48 have diameters corresponding to those of the orifices 38a, 38b of the piston 14.
  • the studs 49a, 49b also have suitable diameters. In this case, one set of holes / stud (38b, 56b, 49b) has a smaller diameter than the other set of holes / stud (38a, 56a, 49a). Fixing the piston 14 on the intermediate part 48 is asymmetrical.
  • This asymmetry is induced in particular by the shape of the intermediate piece 48, whose thickness e increases from one end to the other, and whose outer shape is convex, so as to adapt to the concave outer shape of the piston 14.
  • the thickness e of the intermediate part 48 increases so as to always be in contact with the outer surface of the piston 14.
  • the zone of contact between the piston 14 and the intermediate piece 48 does not take place in the central region of the outer surface of the piston 14, on either side of the place 66 where the width of the piston 14 is the thinnest, but takes place in a neighboring region, a little offset, starting from the place 66 where the Piston width 14 is the thinnest and extending on the side.
  • the zone of contact between the piston 14 and the intermediate piece 48 consists of a female anchoring zone 55 on the intermediate piece 48, illustrated in FIGS. 13 to 15, and of a male anchoring zone 62 on the piston 14, illustrated in FIG.
  • the female anchoring zone 55 accommodates the male anchoring zone 62 when the piston 14 is put in position on the intermediate piece 48.
  • the anchoring zones 55, 62 therefore have corresponding shapes, so as to fit together .
  • the female anchoring zone 55 consists of a groove 55 formed on the intermediate piece 48, from one end 58 to the other 59. This groove 55 widens from the end 58 having the th th th th th th th thest towards the end 59 having the largest thickness e.
  • the male anchoring zone 62 consists of a surplus of material projecting from the outer surface of the piston 14, in a region starting from the place 66 where the width of the piston 14 is the thinnest and extending on the side widening.
  • the female anchoring zone 55 therefore simply follows the variation in width of the outer surface of the piston 14, in the contact zone.
  • the bottom of the groove 55 has two grooves 64 hollowed along the groove 55 at the edge connecting the bottom to the lateral sides of the groove 55.
  • the male anchor zone 62 has a greater material thickness 65 on its longitudinal edges.
  • the two orifices 38a, 38b open into the male anchoring zone 62 of the piston 14. These orifices 38a, 38b have central axes which are contained in the plane of symmetry of the piston 14.
  • the two orifices 38a, 38b have dimensions that must be smaller than the width of the outer surface of the piston 14. Since the width of the piston 14 increases along the male anchoring zone 62, the diameter of the orifices 38a, 38b increases accordingly.
  • the orifice 38b contained in the region where the width of the piston 14 is smaller will have a smaller diameter than the orifice 38a contained in the region where the width of the piston 14 is greater.
  • the orifices 56a, 56b made in the female anchoring zone 55 have dimensions that must remain smaller than the width of the groove 55, and are simply the same size as the orifices 38a, 38b of the piston 14
  • the studs 49a, 49b also have a diameter accordingly, since one end of each stud 49a, 49b is inserted into an orifice 38a, 38b of the piston 14, and the other end is inserted into the corresponding orifice 56a, 56b. of the intermediate piece 48.
  • a ball 53 can be introduced at the bottom of each orifice 56a, 56b of the intermediate piece 48, in order to improve the fixing.
  • the studs 49a, 49b are tightened by means of nuts 54a, 54b accessible from the inside of the piston 14, and coming to rest on the inner bulge 35.
  • the piston 14 is simply placed in position on the intermediate piece 48 by means of a pin 61, a first end of which is inserted inside a hole 60 made for this purpose in the anchoring zone.
  • male 62 of the piston 14, and a second end is inserted inside a hole 57 formed for this purpose in the female anchoring zone 55 of the intermediate piece 48.
  • These two small holes 60,57 are positioned in the vicinity of the center of the two anchoring zones 55,62, between the orifices 56a, 56b and 38a, 38b, so that the positioning is the most correct possible.
  • each shaft 20,21 of cylindrical shape, comprises a protrusion 48 of revolution, corresponding to the intermediate part 48 as described above.
  • each protrusion 48 supports the attachment of a pair of pistons 14, but the other pair of pistons 14 also comes to rest on it.
  • the fixing of the pairs of pistons 14 is asymmetrical, the latter are positioned symmetrically with respect to the central axis of the shafts 20, 21, and are centered with respect to the compound set of the two protuberances 48. Pistons 14 are finally staggered on the shafts 20,21 mounted one in the other.

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Abstract

Dispositif de fixation d'au moins un piston à un arbre d'une machine de compression et de détente, le dit piston ayant une forme de portion de tore, le dit arbre étant cylindrique. Ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte une pièce intermédiaire solidaire de l'arbre, le piston se composant d'un corps creux dont le volume intérieur est accessible et loge des moyens de fixation du piston à la pièce intermédiaire.

Description

Dispositif de fixation de pistons pour machine de compression et de détente
Domaine de l'invention
L'invention concerne une machine de compression et de détente de type ciseaux destinée à être utilisée, en particulier, dans un système de récupération d'énergie thermique, faisant travailler un fluide pour valoriser les pertes thermiques d'un moteur, par exemple à l'échappement ou sur toute autre source chaude.
Plusieurs types de systèmes utilisant un fluide de travail chauffé par cette source chaude ont été envisagés. Dans tous les cas, le fluide effectue un cycle au cours duquel il doit être pompé ou comprimé pour entrer dans un échangeur avant de pouvoir, ensuite, fournir de l'énergie mécanique par une détente.
Etat de la technique
Ce type de machine de compression et de détente, appelée communément machine ciseaux, comporte classiquement un carter avec au moins une chambre de révolution autour d'un axe de symétrie et divisant la chambre en cellules tournant avec les pistons. La forme de la machine ciseaux peut être toroïdale. Dans ce cas, les pistons seront sous forme de portions de tore. La forme toroïdale est compacte, et permet de prévoir des segments d'étanchéité de forme simple, cylindrique, sur les côtés des pistons, afin de garantir l'étanchéité de la machine et de réduire les frottement entre les pistons et le carter.
La machine comporte en outre un dispositif de coordination du mouvement desdits pistons configuré pour que, lors d'un tour de rotation, chaque cellule effectue au moins un premier cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de compression d'un premier flux de gaz passant par cette cellule et au moins au deuxième cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de détente d'un deuxième flux de gaz passant par cette cellule.
Pour se faire, un premier arbre est relié à une première paire de pistons, et un deuxième arbre est relié à une deuxième paire de pistons, les deux arbres ayant un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre et étant coaxiaux selon un axe X.
Ces deux paires de pistons permettent aux cellules de la chambre de travail d'effectuer un nombre pair de cycles d'expansion/contraction lors d'un tour de rotation. Les pistons de chaque paire ont un mouvement solidaire et sont, par exemple, diamétralement opposés. Le fait que les deux arbres aient un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre permet de faire varier le volume des cellules tournantes pour que d'un côté, la diminution du volume s'apparente à une phase de contraction / compression, tandis que de l'autre côté l'augmentation du volume de la cellule constitue une phase d'expansion / détente.
Dans d'autres termes, le rapprochement des pistons permet de comprimer le premier flux de gaz, et l'énergie de l'explosion pousse les pistons à s'écarter l'un de l'autre dans la phase de détente du deuxième flux de gaz.
Dans le cadre de la récupération d'énergie, la machine présente des ouvertures vers l'extérieur, plus particulièrement pour l'admission du premier flux de gaz, pour l'envoi du premier flux de gaz comprimé vers l'échangeur, pour l'aspiration du second flux de gaz en provenance de l'échangeur, et pour le refoulement du second flux de gaz détendu.
Dans ce type d'utilisation, les façades latérales des pistons subissent de fortes contraintes de température et de pression, notamment lors des phases de compression et de détente des gaz, puisqu'elles sont directement en contact avec les gaz.
Dans une moindre mesure, les parois périphériques des pistons subissent également des contraintes de température et de pression, uniquement lors de leur passage devant les deux ouvertures vers l'échangeur où elles se trouvent en contact avec les gaz chauds sous pression.
Les contraintes de température et de pression n'étant pas les mêmes sur toutes les surfaces du piston, ces dernières ne sont pas sollicitées de la même manière. Le piston étant généralement réalisé en une seule pièce, le matériau utilisé pour l'ensemble des surfaces du piston est celui qui résiste à la contrainte la plus sévère. Les pistons doivent donc être conçus dans des matériaux ayant des caractéristiques de robustesse comme l'acier et la fonte. Le piston consiste ainsi un élément uni-matériau et coûteux au sein de la machine.
De plus, ces types de matériaux robustes présentent des masses importantes. Les pistons traditionnels présentent ainsi une masse importante puisqu'ils sont généralement conçus en une seule pièce, pleine. Or l'inertie des pistons, lors de leur rotation au sein de la machine, entraîne une diminution des performances de la machine. Ces pertes énergétiques sont importantes et inappropriées pour un système de récupération d'énergie.
Dans le mode de réalisation où le piston est conçu en une seule pièce, la fixation entre le piston et l'arbre est réalisée via l'extérieur du piston, soit de façon permanente par soudage, soit via une fixation externe démontable.
La fixation par soudage présente l'inconvénient de ne pas être démontable, et pose problème pour les opérations de maintenance de la machine. La fixation externe démontable est quant à elle encombrante vu le petit espace disponible dans la chambre, et compliquée de mise en œuvre. De plus, sa tenue mécanique n'est souvent pas suffisante à long terme.
Dans les deux cas, la fixation entre le piston et l'arbre n'est pas évidente puisque la zone d'ancrage varie angulairement, l'arbre étant cylindrique, et le pistons ayant une forme de portion de tore. De plus, les couples à transmettre sont importants, et la fixation doit donc être suffisamment solide pour pouvoir passer ces couples.
L'objectif de la présente invention est de proposer un dispositif de fixation entre un piston et un arbre d'une machine ciseaux de forme toroïdale, qui remédie aux différents inconvénients précités.
Résumé de l'invention A cet effet, l'invention concerne un dispositif de fixation d'au moins un piston à un arbre d'une machine de compression et de détente, ledit piston ayant une forme de portion de tore, ledit arbre étant cylindrique.
Ce dispositif se caractérise à titre principal en ce qu'il comporte une pièce intermédiaire solidaire de l'arbre, le piston se composant d'un corps creux dont le volume intérieur est accessible et loge des moyens de fixation du piston à la pièce intermédiaire.
Ainsi, à la différence d'un piston plein dans lequel est éventuellement pratiqué un fraisage pour alléger son poids, le piston selon l'invention est une pièce fermée et creuse, délimitée par différentes parois. Il s'agit donc d'une pièce légère, qui peut être fabriquée avec des techniques différentes. Puisque le piston est creux, il est donc possible d'utiliser son volume intérieur pour y prévoir des moyens de fixation à l'arbre auquel il est relié. Ces moyens de fixation seront donc cachés à l'intérieur du piston, faciles d'accès, et n'empiéteront pas sur le volume des cellules.
Le fait d'avoir une pièce intermédiaire permet de faciliter et de rigidifier la fixation du piston sur l'arbre. Cette pièce intermédiaire joue le rôle d'adaptateur entre le piston et l'arbre.
Selon différents modes de réalisation de l'invention qui pourront être pris ensemble ou séparément :
la surface extérieure de la pièce intermédiaire épouse la forme torique du piston et est bordée par deux extrémités : ainsi la pièce intermédiaire s'adapte à la courbure du piston.
la surface extérieure de la pièce intermédiaire est convexe, l'épaisseur de la pièce intermédiaire augmentant d'une extrémité à l'autre : la surface extérieure de la pièce intermédiaire suit donc le profil de courbure du piston, qui lui est concave, et vient au contact d'une partie du piston décalée par rapport à la région centrale périphérique du piston, d'où la nécessité d'adapter l'épaisseur de la pièce intermédiaire de façon à ce qu'elle reste constamment au contact du piston, les moyens de fixation du piston à la pièce intermédiaire sont dissymétriques : cela permet d'augmenter la tenue mécanique du piston sur la pièce intermédiaire, et de passer plus de couple.
le piston présente une zone extérieure d'ancrage mâle apte à se loger dans une zone extérieure d'ancrage femelle de la pièce intermédiaire : les zones d'ancrage ont des formes correspondantes. Cela permet de mettre en position le piston sur la pièce intermédiaire, et d'avoir une liaison étanche entre le piston et la pièce intermédiaire, et a fortiori entre le piston et l'arbre. Les éventuelles zones de fuite entre les zones d'ancrage mâle et femelle, dues au jeu entre le piston et la pièce intermédiaire, sont obstruées, par exemple par de la colle ou une pâte à joint, la zone d'ancrage femelle consiste en une rainure s'étendant sur au moins une partie entre des extrémités de la pièce intermédiaire ;
la pièce intermédiaire est décalée axialement par rapport à l'intersection entre l'axe de l'arbre et l'axe de symétrie du piston en position montée sur l'arbre, d'où l'augmentation de l'épaisseur de la pièce intermédiaire pour rattraper ce décalage.
La zone d'ancrage femelle s'élargit progressivement en direction de l'extrémité présentant la plus grande épaisseur ;
la zone d'ancrage femelle comporte deux orifices de diamètres différents alignés selon l'axe longitudinal de la rainure, l'orifice de plus grand diamètre étant disposé au voisinage de l'extrémité présentant la plus grande épaisseur, l'orifice de plus petit diamètre étant disposé au voisinage de l'extrémité présentant la plus petite épaisseur : en effet, plus la largeur de la rainure est importante, plus le diamètre de l'orifice pourra être grand, puisqu'il doit être contenu dans la largeur de la rainure.
le piston présente un renflement intérieur dans lequel sont pratiqués deux orifices de diamètres différents débouchant à l'extérieur du piston et dont les axes sont inscrits dans un plan de symétrie du piston contenant un diamètre du tore, ces orifices étant disposés en correspondance avec les orifices pratiqués dans la pièce intermédiaire et étant de même dimension.
la fixation est réalisée au moyen de deux goujons de diamètres différents insérés d'une part dans les orifices du piston et d'autre part dans les orifices de la pièce intermédiaire, des écrous de serrage étant prévus pour chacun de ces goujons à l'intérieur du piston : cette fixation est donc démontable, et accessible depuis l'intérieur du piston. La combinaison de goujons de différents diamètres permet de passer plus de couple lors de la rotation du piston, sans rompre la liaison piston/arbre. Une fixation au moyen de deux goujons de diamètre identique aurait une moins bonne tenue mécanique, car les deux goujons auraient un petit diamètre correspondant au diamètre du plus petit orifice du piston et de la pièce intermédiaire.
dans chaque orifice de la pièce intermédiaire est insérée une bille avant l'introduction du goujon : ces billes permettent d'augmenter la tenue de la liaison mécanique et de faire passer un maximum de couple.
le dispositif comporte des moyens de mise en position de la zone extérieure d'ancrage mâle du piston dans la zone extérieure d'ancrage femelle de la pièce intermédiaire : cela permet de positionner correctement le piston sur la pièce intermédiaire avant de procéder à sa fixation.
- lesdits moyens de mise en position consistent en un pion dont une première extrémité est apte à venir s'introduire dans un trou prévu à cet effet dans la zone d'ancrage femelle de la pièce intermédiaire, et dont une seconde extrémité est apte à venir s'introduire dans un trou prévu à cet effet dans la zone d'ancrage mâle du piston.
- pour la fixation de deux pistons, la pièce intermédiaire consiste en une pièce de révolution entourant un tronçon cylindrique de l'arbre, et comportant deux zones extérieures d'ancrage femelle diamétralement opposées : ceci permet d'avoir des pistons diamétralement opposés sur l'arbre et d'équilibrer les poids,
la pièce intermédiaire et l'arbre sont formées d'un seul tenant : dans ce cas, la pièce intermédiaire fait partie de l'arbre, et correspond simplement à un tronçon où le diamètre de l'arbre varie, qui est usiné lors de l'usinage de l'arbre.
L'invention concerne également une machine de compression et de détente comportant un carter avec au moins une chambre de révolution autour d'un axe de symétrie concentrique avec deux arbres de rotation comportant chacun une paire de pistons divisant la chambre en cellules tournant avec les pistons, et comportant également, pour chaque arbre, un dispositif de fixation des pistons à l'arbre tel que décrit précédemment, lesdits deux dispositifs de fixation étant disposés côte à côte et symétriquement l'un par rapport à l'autre. De préférence, pour pouvoir intégrer le dispositif de fixation selon l'invention, chaque piston se compose d'un corps fermé et creux présentant un plan de symétrie, et comprenant : - une paroi périphérique centrale définissant un volume intérieur et présentant deux ouvertures latérales opposées par rapport au plan de symétrie ;
- deux façades latérales montées de part et d'autre du plan de symétrie sur la paroi périphérique centrale et fermant lesdites ouvertures latérales.
Voici différents modes de réalisation du piston qui pourront être pris ensemble ou séparément :
la paroi périphérique consiste en une portion de tore : la chambre de travail dans laquelle circule le piston a donc une forme générale toroïdale.
chaque façade latérale consiste en un tronçon cylindrique de faible épaisseur : les façades sont donc découpées de manière à ce que leur plan médian passe par l'axe central du tore formant la chambre dans laquelle circulent les pistons. Cette forme cylindrique facilite la réalisation des façades.
les façades latérales sont assemblées à la paroi périphérique de façon permanente, et sont donc non démontables : cet assemblage est par exemple réalisé par soudure, ou frettage.
au moins une façade latérale est démontable par rapport à la paroi périphérique : cela présente l'avantage d'avoir facilement accès à l'intérieur du piston pour son montage sur l'arbre, ainsi que pour des opérations de maintenance de manière générale, et surtout lorsqu'il est nécessaire de changer une façade latérale défectueuse. Dans ce cas, il n'est donc plus nécessaire de changer le piston en entier. Seule la paroi latérale sera changée. Par exemple, les façades latérales sont vissées à la paroi périphérique.
les deux façades latérales sont identiques : elles sont utilisées de façon symétrique sur le piston. Ainsi, toutes les formes gauche/droite nécessaires sont pré-usinées sur chaque façade, de telle sorte à n'avoir qu'une seule référence, et à pouvoir utiliser chaque façade aussi bien pour le côté droit que pour le côté gauche lors de l'assemblage du piston,
chaque façade latérale consiste en une unique pièce.
chaque façade latérale présente une gorge circulaire apte à accueillir un segment d'étanchéité associé ou non à un ressort : cette forme circulaire facilite la réalisation de la gorge dans la façade. De plus, cette gorge est parallèle à la surface externe de la façade. Puisque la gorge est réalisée dans la façade latérale, il n'est désormais plus nécessaire de démonter et déposer les pistons de l'arbre, seul le démontage de la façade latérale est nécessaire. De façon avantageuse, le montage /démontage des segments s'effectue sur la façade latérale avant qu'elle ne soit montée sur la paroi périphérique, ce qui permet un montage/démontage plus aisé des segments (et des ressorts si nécessaire), et limite ainsi les cassures.
chaque façade latérale présente au moins une encoche pratiquée dans le fond de la gorge et dans laquelle vient se loger une patte prévue à cet effet sur le segment : cela permet d'indexer le segment par rapport à la façade latérale, et de bloquer la rotation du segment.
chaque façade latérale consiste en un assemblage de plusieurs pièces : cela permet de monter les segments sans avoir à les ouvrir. Cette variante est adoptée pour les matériaux ayant un risque élevé de cassure lors du montage, chaque façade latérale se compose d'un disque externe et d'une bague interne apte à venir se positionner contre le pourtour de l'ouverture correspondante définie par la paroi périphérique, un segment d'étanchéité associé à un ressort étant intercalé entre le disque externe et la bague interne : dans ce cas, un dispositif anti-rotation du segment est prévu à l'extérieur de la façade via une goupille ou un épaulement.
la paroi périphérique présente au moins un renflement intérieur doté d'au moins deux orifices filetés débouchant chacun au niveau d'une ouverture latérale, et chaque façade latérale présente au moins un orifice positionné en vis-à-vis d'un orifice fileté de la paroi périphérique, l'assemblage de la façade sur la paroi étant réalisé au moyen de vis de fixation pénétrant successivement par les orifices correspondants de la façade latérale et de la paroi périphérique,
pour chaque façade latérale, il existe des moyens d'indexation pour la mise en position de la façade latérale sur la paroi périphérique : ces moyens d'indexation facilitent la mise en position.
pour chaque façade latérale, lesdits moyens d'indexation consistent en au moins un trou non débouchant pratiqué dans la façade latérale au niveau de la face dirigée vers l'intérieur du piston, ledit trou étant apte à coopérer avec un pion saillant depuis un renflement intérieur de la paroi périphérique et s'étendant en direction de la façade latérale.
un joint d'étanchéité est positionné entre chaque façade latérale et la paroi périphérique.
une étanchéité est également assurée, via des joints, entre les vis de fixation et les façades latérales.
Présentation des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'au moins un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.
Sur ces dessins :
la figure 1 présente schématiquement l'installation d'un système selon l'invention pour valoriser l'énergie des gaz d'échappement d'un moteur thermique ; la figure 2 présente schématiquement le fonctionnement d'une machine ciseaux à pistons selon l'invention dans un système de récupération d'énergie ; la figure 3 montre une paire de pistons associée à un arbre de la machine ciseaux selon l'invention ;
les figures 4a et 4b montrent deux paires de pistons associées à deux arbres de la machine ciseaux selon l'invention ;
- la figure 5 est une vue éclatée d'un piston selon un premier mode de réalisation ; la figure 6 montre la première paire de pistons avec l'un des pistons en vue éclatée, selon le premier mode de réalisation ;
la figure 7 représente la face externe d'une façade latérale d'un piston, selon le premier mode de réalisation ;
- la figure 8 représente la face interne d'une façade latérale d'un piston, selon le premier mode de réalisation ;
la figure 9 montre le profil d'une façade latérale d'un piston, selon le premier mode de réalisation ;
la figure 10 est une vue agrandie d'un dispositif anti-rotation d'un segment emboîté dans une façade latérale d'un piston, selon le premier mode de réalisation ;
la figure 1 1 est une vue éclatée d'un piston selon un second mode de réalisation ; la figure 12 illustre le dispositif de fixation entre les pistons et l'arbre auquel ils sont reliés, selon l'invention ;
- les figures 13 à15 représentent en perspective la zone d'ancrage femelle au niveau d'un arbre pour la fixation du piston ;
la figure 16 montre la zone d'ancrage mâle au niveau du piston ;
la figure 17 illustre le jeu présent entre les zones d'ancrage mâle et femelle. Description détaillée L'invention concerne un dispositif de fixation des pistons sur des arbres prévus pour une machine rotative à pistons de type ciseaux conçue pour être utilisée dans un système de récupération d'énergie en faisant travailler un fluide suivant un cycle comprenant les étapes d'admission, compression, chauffage puis de détente, échappement, comme cela été exposé précédemment. L'exemple de réalisation de l'invention est présenté dans le cadre d'une intégration sur un véhicule automobile propulsé par un moteur thermique, pour valoriser l'énergie dissipée par les gaz d'échappement. Cependant, le déposant n'entend pas limiter la portée de son invention à ce cadre car il est facile de transposer le type de source de chaleur ou d'énergie récupérée à d'autres installations.
Le système schématiquement présenté en exemple sur la figure 1 utilise de l'air comme fluide de travail, avec un cycle ouvert. L'air est aspiré à condition atmosphérique ambiante avant compression puis rejeté dans l'atmosphère après la détente. Ce choix est avantageux en termes d'intégration sur un véhicule mais il n'exclut pas le choix d'un cycle fermé, avec refroidissement du fluide de travail dans d'autres installations.
Le système décrit en exemple comporte ici :
une source chaude constituée par les gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement 1 en provenance du moteur thermique 2 ;
- un échangeur de chaleur 3 entre ces gaz d'échappement et l'air, placé sur la ligne d'échappement 1 ;
une machine 4 de compression et détente, effectuant d'une part la compression de l'air allant dans l'échangeur 3, d'autre part la détente de l'air chaud sortant de l'échangeur 3 ;
- des conduites 5 pour faire circuler l'air comprimé de la machine 4 vers l'échangeur 3 et des conduites 6 pour renvoyer l'air chauffé dans l'échangeur 3 vers la machine 4 ;
des conduites 7 pour aspirer l'air ambiant vers la machine 4 et des conduites 8 pour rejeter l'air ayant travaillé vers l'atmosphère ;
- un système 9 d'entraînement et de récupération d'énergie.
Dans le mode de réalisation présenté sur la figure le système 9 d'entraînement et de récupération d'énergie est un moyen de transmission mécanique entre l'axe 10 de la machine 4 de compression et de détente et l'arbre 1 1 du moteur entraînant le véhicule, destiné à récupérer le supplément de couple apporté par l'axe 10. Dans une variante, ce système 9 peut être un moteur électrique relié à l'axe 10 de la machine 4, destiné à fonctionner en générateur sous l'action de l'axe 10. En référence à la figure 2, la machine 4 ciseaux à pistons comprend un carter 12a formant une chambre 12 cylindrique de section transversale circulaire autour d'un axe Y. Le carter 12a comporte quatre lumières formant des ouvertures 16, 17, 18, 19 dans la chambre 12. En tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre (sens antihoraire) :
une première ouverture 16 est située en bas et est destinée à être reliée à la conduite 7 aspirant l'air ambiant,
- une deuxième ouverture 17 est située en haut, sensiblement à la verticale de la première ouverture 16, et est destinée à être reliée à la conduite 5 envoyant l'air dans l'échangeur 3,
une troisième ouverture 18 est située également en haut, proche de la deuxième ouverture 17, et est destinée à être reliée à la conduite 6 amenant l'air sortant de l'échangeur 3,
une quatrième ouverture 19 est située en bas, sensiblement à la verticale de la troisième ouverture 18 et proche de la première ouverture 16, et est destinée à être reliée à la conduite 8 rejetant l'air dans l'atmosphère. Quatre pistons 14a, 14b, 14c, 14d tournant autour de l'axe Y sont installés à l'intérieur de la chambre 12. Ils sont configurés pour occuper chacun une portion de secteur angulaire d'angle donné entre la paroi cylindrique extérieure de la chambre 12 et une surface cylindrique intérieure 13 de section transversale à l'axe de rotation Y circulaire. Ces pistons 14 sont groupés en deux paires de pistons diamétralement opposés. Les pistons de chaque paire sont solidaires. Par contre, les deux paires de pistons peuvent tourner autour de l'axe de manière différente, en s'écartant ou se rapprochant. De cette manière, les quatre pistons 14 définissent deux à deux et entre la paroi extérieure de la chambre 12 et la surface intérieure 13, quatre cellules 15a, 15b, 15c, 15d dont le volume peut augmenter ou diminuer.
Le mouvement des deux paires de pistons est coordonné de telle sorte que chacune des quatre cellules 15a, 15b, 15c, 15d suive deux cycles d'expansion et de contraction tout en passant devant les quatre ouvertures 16, 17, 18, 19 de la chambre 12.
Pour obtenir ce résultat, comme illustré aux figures 3, 4a et 4b, une première paire de pistons 14a-14c est reliée à un premier arbre d'entrée 20 creux qui laisse passer un deuxième arbre d'entrée 21 auquel est fixé la deuxième paire de pistons 14b-14d. De cette manière les deux paires de pistons 14a-14c, 14b-14d, peuvent être entraînées séparément en rotation par les deux arbres d'entrée 20, 21 . Dans l'exemple choisi, la chambre de travail 12 a une forme toroïdale, et les pistons
14 consistent alors en des portions de tore. Ces portions sont découpées de manière à ce que les façades latérales 23 des pistons soient circulaires. Pour se faire, les façades latérales 23 appartiennent à des plans passant par l'axe du tore. L'axe du tore est concentrique avec les axes Y des premier et second arbres 20,21 .
Comme illustré aux figures 5 et 1 1 , le piston 14 se compose d'une paroi périphérique 22 définissant le volume général du piston 14, et présentant deux ouvertures latérales de part et d'autre d'un plan de symétrie du piston. Ces ouvertures sont fermées par deux façades latérales 23 circulaires identiques, fixées à la paroi périphérique 22 par vissage. Le piston 14 est donc creux, et accessible pour les opérations de maintenance.
Un joint d'étanchéité 26 est toujours placé entre la façade latérale 23 et la paroi périphérique 22 afin d'empêcher toute fuite d'air vers l'intérieur du piston 14.
La description suivante sera faite pour un côté du piston, sachant que l'autre côté est symétrique et présente les mêmes caractéristiques techniques.
La façade latérale 23 consiste en un tronçon cylindrique, de faible épaisseur.
Dans un premier mode de réalisation conforme aux figures 5 à10, la façade latérale 23 est constituée d'une seule pièce et présente une gorge 39 circulaire apte à accueillir un segment 24 d'étanchéité associé à un ressort 25.
Un segment 24 est un moyen d'étanchéité entre le piston 14 et les parois internes de la chambre 12, et est conçu pour séparer les cellules et permettre un frottement à sec sur les parois de la chambre 12.
Comme illustré aux figures 7 et 9, la gorge 39 est pratiquée dans l'épaisseur de la façade 23, au niveau de son pourtour. Les deux lèvres 43,44 délimitant la gorge 39 ont une épaisseur comprise entre 1 μηι et 1 mm. Il est nécessaire que les lèvres 43,44 présentent suffisamment de matière pour résister aux sollicitations mécaniques des segments 24.
Un segment 24 consiste en une rondelle circulaire présentant une découpe 28 permettant ainsi de l'ouvrir et de la déformer élastiquement de manière à pouvoir l'insérer dans la gorge 39. Pour que le segment 24 ne puisse pas tourner dans la gorge 39 et reste maintenu en position, il est doté d'une patte 27 saillant vers l'intérieur de la rondelle, étant diamétralement opposée à l'ouverture 28, et venant se loger dans une encoche 45 prévue à cet effet dans la gorge 39 de la façade 23, comme cela est représenté en figure 10.
Afin d'avoir un positionnement symétrique des façades 23 et des segments 24 par rapport au plan de symétrie du piston 14, la gorge 39 de la façade 23 comprend deux encoches 45 distantes d'un secteur angulaire a, comme illustré en figure 9, l'une d'elles étant prévue pour retenir un segment 24 qui sera placé sur l'extrémité droite du piston 14, l'autre étant prévue pour retenir un segment 24 qui sera placé sur l'extrémité gauche du piston 14. Cela permet de n'avoir qu'un seul type de façade 23 quel que soit le côté du piston 14.
En sus du segment 24, un ressort 25 est placé dans la gorge 39. Ce ressort 25, montré en figure 5, consiste également en une rondelle circulaire présentant une découpe 29 permettant ainsi de l'ouvrir et de la déformer élastiquement de manière à pouvoir l'insérer dans la gorge 39. Le ressort 25 est cependant positionné dans la gorge 39 de manière à ce que sa découpe 29 soit diamétralement opposée à la découpe 28 du segment 24.
Une fois que la façade 23 est équipée du segment et du ressort 25, elle est tout d'abord mise en position, grâce à une indexation, sur l'ouverture latérale correspondante de la paroi périphérique 22.
Cette indexation, visible aux figures 5 et 8, est réalisée grâce à un pion 37, dont une première extrémité est introduite dans un trou 36 non débouchant prévu dans un renflement intérieur 35 de la paroi périphérique 22, l'axe dudit trou 36 étant dirigé perpendiculairement à l'ouverture latérale de la paroi périphérique 22, et une deuxième extrémité est introduite dans un trou 40 non débouchant prévu à cet effet dans la surface interne de la façade latérale 23, c'est-à-dire la face dirigée vers l'intérieur du piston 14.
De la même manière que pour les encoches 45, la façade latérale 23 comporte deux trous 40 non débouchant distants d'un secteur angulaire a, l'un d'eux étant prévu pour accueillir un pion 37 saillant du côté droit du piston 14, l'autre étant prévu pour accueillir un pion 37 saillant du côté gauche du piston 14. Cela permet toujours de n'avoir qu'un seul type de façade 23 quel que soit le côté du piston 14.
Une fois que la façade 23 est correctement positionnée sur la paroi périphérique 22, elle y est fixée via des vis de fixation 31 et des rondelles 32.
Trois orifices 30 sont prévus dans la façade 23 à cet effet, et sont chanfreinés afin de noyer la tête de vis et de conserver une surface extérieure plane de la façade 23. Trois orifices filetés 34 sont également prévus à cet effet à l'intérieur de la paroi périphérique 22, et affleurent l'ouverture latérale de la paroi périphérique 22. Ces orifices filetés 34 sont pratiqués dans des renflements 33 intérieurs de la paroi périphérique 22.
Les vis 31 pénètrent ainsi successivement dans les orifices 30 de la façade 23 puis dans les orifices filetés 34 de la paroi périphérique 22.
La figure 6 montre l'assemblage des façades 23 latérales des deux côtés du piston 14. Chaque côté du piston 14 présente ainsi trois trous filetés 34 débouchant sur l'ouverture latérale correspondante. Le piston 14 comporte ainsi trois renflements intérieurs 33 s'étendant d'un côté à l'autre du piston, chaque renflement 33 contenant deux trous filetés 34 symétriques débouchant respectivement d'un côté et de l'autre du piston 14. Ces renflements 33 sont symétriques par rapport au plan de symétrie du piston 14. Une nervure centrale 51 disposée dans le plan de symétrie du piston 14, joint les trois renflements 33. Cette nervure centrale 51 joue le rôle de renfort intérieur du piston 14.
Afin de renforcer la structure de la façade 23, pour résister à toutes les sollicitations thermiques et de pression, des branches 41 de renfort sont prévues sur la surface interne de la façade 23, et relient notamment les trois orifices 30. La surface interne de la façade 23 comporte également une partie bombée 42 en arc de cercle reliant les trois orifices 30. Le joint d'étanchéité 26 placé entre la façade latérale 23 et la paroi périphérique 22 vient se caler contre cette partie bombée 42 afin d'être correctement positionnée. Cette dernière entoure notamment les orifices 30, afin de réaliser une étanchéité supplémentaire spécifique au niveau des orifices 30.
Dans un second mode de réalisation conforme à la figure 1 1 , 1a façade latérale 23 se compose de plusieurs pièces, à savoir :
un disque externe 50 doté des trois orifices 30 pour la fixation par vissage aux orifices 34 filetés de la paroi périphérique 22 ;
- une bague interne 46 apte à venir se positionner contre le pourtour de l'ouverture définie par la paroi périphérique 22.
Le segment 24 d'étanchéité et le ressort 25 sont intercalés entre le disque externe 50 et la bague interne 46. Dans ce cas, il n'est plus nécessaire d'ouvrir le segment 24 pour le mettre en position. Il en est de même pour le ressort 25.
Quel que soit le mode de réalisation, les façades 23 sont démontables et permettent d'accéder à l'intérieur du piston 14 où se trouvent des moyens de fixation à l'arbre 21 auquel il est relié. Ces moyens consistent en deux orifices 38a, 38b dans lesquels sont introduits des vis ou des goujons 49a, 49b venant ensuite se visser dans des orifices 56a, 56b prévus à cet effet dans une pièce intermédiaire 48 solidaire de l'arbre 21 , comme illustré en figure 12. Plus précisément, les orifices 38a, 38b sont pratiqués dans le renflement intérieur 35 de la paroi périphérique 22, faisant déjà office de support pour le trou 36 servant au positionnement de la façade 23 par rapport à la paroi périphérique 22. Ces orifices 38a, 38b sont donc accessibles depuis l'intérieur du piston 14, et débouchent à l'extérieur du piston 14.
Les orifices 56a, 56b pratiqués dans la pièce intermédiaire 48 ont des diamètres correspondant à ceux des orifices 38a, 38b du piston 14. Les goujons 49a, 49b présentent également des diamètres adaptés. En l'espèce, un ensemble d'orifices/goujon (38b, 56b, 49b) possède un diamètre plus petit que l'autre ensemble d'orifices/goujon (38a, 56a, 49a). La fixation du piston 14 sur la pièce intermédiaire 48 est donc dissymétrique.
Cette dissymétrie est induite notamment par la forme de la pièce intermédiaire 48, dont l'épaisseur e augmente d'une extrémité à l'autre, et dont la forme extérieure est convexe, de manière à s'adapter à la forme extérieure concave du piston 14. L'épaisseur e de la pièce intermédiaire 48 augmente de manière à être toujours en contact avec la surface extérieure du piston 14. La zone de contact entre le piston 14 et la pièce intermédiaire 48 ne s'effectue pas dans la région centrale de la surface extérieure du piston 14, de part et d'autre de l'endroit 66 où la largeur du piston 14 est la plus fine, mais s'effectue dans une région voisine, un peu décalée, partant de l'endroit 66 où la largeur du piston 14 est la plus fine et s'étendant sur le côté. Par conséquent, le long de cette zone de contact, la largeur de la surface extérieure du piston 14 ne cesse de grandir, et la pièce intermédiaire 48 doit donc s'adapter et présenter également une zone de contact qui s'élargit et qui s'arrondi suffisamment pour rester au contact du piston 14. Cette zone de contact est sensiblement oblique par rapport à l'axe central de l'arbre
21 sur lequel se trouve la pièce intermédiaire 48.
La zone de contact entre le piston 14 et la pièce intermédiaire 48 se compose d'une zone d'ancrage femelle 55 sur la pièce intermédiaire 48, illustrée sur les figures 13 à 15, et d'une zone d'ancrage mâle 62 sur le piston 14, illustrée sur la figure 16.
La zone d'ancrage femelle 55 accueille la zone d'ancrage mâle 62 lors de la mise en position du piston 14 sur la pièce intermédiaire 48. Les zones d'ancrage 55,62 ont donc des formes correspondantes, de manière à s'emboîter. La zone d'ancrage femelle 55 consiste en une rainure 55 pratiquée sur la pièce intermédiaire 48, d'une extrémité 58 à l'autre 59. Cette rainure 55 s'élargit depuis l'extrémité 58 présentant l'épaisseur e la plus fine, vers l'extrémité 59 présentant l'épaisseur e la plus grande.
De la même manière, la zone d'ancrage mâle 62 consiste en un surplus de matière saillant de la surface extérieure du piston 14, dans une région partant de l'endroit 66 où la largeur du piston 14 est la plus fine et s'étendant sur le côté en s'élargissant.
La zone d'ancrage femelle 55 suit donc tout simplement la variation de largeur de la surface extérieure du piston 14, dans la zone de contact.
Le fond de la rainure 55 présente deux gorges 64 creusées le long de la rainure 55 au niveau de l'arête reliant le fond aux côtés latéraux de la rainure 55. De la même manière, en miroir, la zone d'ancrage mâle 62 présente une épaisseur de matière 65 plus importante sur ses bordures longitudinales.
Les deux orifices 38a, 38b débouchent dans la zone d'ancrage mâle 62 du piston 14. Ces orifices 38a, 38b présentent des axes centraux qui sont contenus dans le plan de symétrie du piston 14. Les deux orifices 38a, 38b ont des dimensions qui doivent rester inférieures à la largeur de la surface extérieure du piston 14. Puisque la largeur du piston 14 augmente le long de la zone d'ancrage mâle 62, le diamètre des orifices 38a, 38b augmente en conséquence. L'orifice 38b contenu dans la région où la largeur du piston 14 est moindre aura un diamètre inférieure à l'orifice 38a contenu dans la région où la largeur du piston 14 est plus grande.
De la même manière, les orifices 56a, 56b réalisés dans la zone d'ancrage femelle 55 ont des dimensions qui doivent rester inférieures à la largeur de la rainure 55, et ont tout simplement la même dimension que les orifices 38a, 38b du piston 14. Les goujons 49a, 49b ont également un diamètre en conséquence, puisqu'une extrémité de chaque goujon 49a, 49b est introduite dans un orifice 38a, 38b du piston 14, et l'autre extrémité est introduite dans l'orifice 56a, 56b correspondant de la pièce intermédiaire 48.
Comme illustré en figure 12, une bille 53 peut être introduite au fond de chaque orifice 56a, 56b de la pièce intermédiaire 48, afin d'améliorer la fixation. Les goujons 49a,49b sont serrés au moyen d'écrous 54a, 54b accessibles depuis l'intérieur du piston 14, et venant reposer sur le renflement intérieur 35.
Avant l'étape de fixation, le piston 14 est simplement mis en position sur la pièce intermédiaire 48 grâce à un pion 61 dont une première extrémité est introduite à l'intérieur d'un trou 60 pratiqué à cet effet dans la zone d'ancrage mâle 62 du piston 14, et dont une seconde extrémité est introduite à l'intérieur d'un trou 57 pratiqué à cet effet dans la zone d'ancrage femelle 55 de la pièce intermédiaire 48. Ces deux petits trous 60,57 sont positionnés au voisinage du centre des deux zones d'ancrage 55,62, entre les orifices 56a, 56b et 38a, 38b, afin que la mise en position soit la plus correcte possible.
Après la mise en position et la fixation du piston 14 sur la pièce intermédiaire 48, des jeux 63 résiduels peuvent exister comme illustré en figure 17. Ces jeux 63 sont alors colmatés par de la colle ou de la pâte spécifique afin de réaliser une étanchéité parfaite dans cette zone de contact.
Pour pouvoir fixer la paire de pistons 14 à l'arbre 21 , ce dernier doit présenter :
soit deux pièces intermédiaires 48 solidaires de l'arbre 21 et diamétralement opposées sur l'arbre 21 , présentant chacune une zone d'ancrage femelle 55 ; - soit présenter une seule pièce intermédiaire 48 solidaire de l'arbre 21 , de révolution autour d'un tronçon de l'arbre 21 , présentant deux zones d'ancrage femelle 55 diamétralement opposées.
C'est ce dernier cas qui est représenté sur les figures de l'invention, puisque sa fabrication est plus aisée, notamment par le fait que la pièce intermédiaire 48 puisse être fabriquée d'un même tenant avec l'arbre 21 , comme illustré en figure 4b. Il est bien visible que chaque arbre 20,21 , d'allure cylindrique, comporte une excroissance 48 de révolution, correspondant à la pièce intermédiaire 48 telle que décrite ci-dessus.
Lorsque l'arbre 21 est inséré à l'intérieur de l'arbre 20, les excroissances 48 se retrouvent en contact l'une de l'autre, et sont positionnées symétriquement, de manière à former une surface extérieure convexe et continue sur laquelle reposent les deux paires de pistons 14. En effet, chaque excroissance 48 supporte la fixation d'une paire de pistons 14, mais l'autre paire de pistons 14 vient également reposer sur elle. Ainsi, bien que la fixation des paires de pistons 14 soit dissymétrique, ces derniers sont positionnés symétriquement par rapport à l'axe central des arbres 20,21 , et sont centrées par rapport à l'ensemble composé des deux excroissances 48. Les paires de pistons 14 sont au final disposées en quinconce sur les arbres 20,21 montés l'un dans l'autre.
Les configurations montrées aux figures citées ne sont que des exemples possibles, nullement limitatifs, de l'invention qui englobe au contraire les variantes de formes et de conceptions à la portée de l'homme de l'art.

Claims

Revendications
Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) d'une machine de compression et de détente, ledit piston (14) ayant une forme de portion de tore, ledit arbre (21 ) étant cylindrique,
caractérisé en ce qu'il comporte une pièce intermédiaire (48) solidaire de l'arbre (21 ), le piston (14) se composant d'un corps creux dont le volume intérieur est accessible et loge des moyens de fixation du piston (14) à la pièce intermédiaire (48).
Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la surface extérieure de la pièce intermédiaire (48) épouse la forme torique du piston (14) et est bordées par deux extrémités (58,59).
Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la surface extérieure de la pièce intermédiaire (48) est convexe, l'épaisseur (e) de la pièce intermédiaire (48) augmentant d'une extrémité (58) à l'autre (59).
4. Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de fixation du piston
(14) à la pièce intermédiaire (48) sont dissymétriques.
5. Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston (14) présente une zone extérieure d'ancrage mâle (62) apte à se loger dans une zone extérieure d'ancrage femelle (55) de la pièce intermédiaire (48).
6. Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la zone d'ancrage femelle (55) comprend une rainure (55) s'étendant sur au moins une partie entre une extrémité (58) et une autre
(59) de la pièce intermédiaire (48).
7. Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la zone d'ancrage femelle (55) comporte deux orifices (56a, 56b) de diamètres différents alignés selon l'axe longitudinal (X) de la rainure (55), l'orifice (56a) de plus grand diamètre étant disposé au voisinage de l'extrémité (59) présentant la plus grande épaisseur (e), l'orifice (56b) de plus petit diamètre étant disposé au voisinage de l'extrémité (58) présentant la plus petite épaisseur (e). 8. Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le piston (14) présente un renflement intérieur (35) dans lequel sont pratiqués deux orifices (38a, 38b) de diamètres différents débouchant à l'extérieur du piston (14) et dont les axes sont inscrits dans un plan de symétrie du piston (14) contenant un diamètre du tore, ces orifices (38a, 38b) étant disposés en correspondance avec les orifices (56a, 56b) pratiqués dans la pièce intermédiaire (48) et étant de même dimension.
9. Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la fixation est réalisée au moyen de deux goujons (49a, 49b) de diamètres différents insérés d'une part dans les orifices (38a, 38b) du piston (14) et d'autre part dans les orifices (56a, 56b) de la pièce intermédiaire (48), des écrous (54a, 54b) de serrage étant prévus pour chacun de ces goujons (49a, 49b) à l'intérieur du piston (14). 10. Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, dans chaque orifice (56a, 56b) de la pièce intermédiaire (48), est insérée une bille (53) avant l'introduction du goujon (49a, 49b).
1 1 . Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) selon l'une des revendications 6 à 1 1 , caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mise en position de la zone extérieure d'ancrage mâle (62) du piston (14) dans la zone extérieure d'ancrage femelle (55) de la pièce intermédiaire (48).
12. Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce lesdits moyens de mise en position consistent en un pion (61 ) dont une première extrémité est apte à venir s'introduire dans un trou (57) prévu à cet effet dans la zone d'ancrage femelle (55) de la pièce intermédiaire (48), et dont une seconde extrémité est apte à venir s'introduire dans un trou (60) prévu à cet effet dans la zone d'ancrage mâle (62) du piston (14).
13. Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) selon l'une des revendications 5 à 13, caractérisé en ce que, pour la fixation de deux pistons (14), la pièce intermédiaire (48) consiste en une pièce de révolution entourant un tronçon cylindrique de l'arbre (21 ), et comportant deux zones extérieures d'ancrage femelle (55) diamétralement opposées.
14. Dispositif de fixation d'au moins un piston (14) à un arbre (21 ) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire (48) et l'arbre (21 ) sont formées d'un seul tenant.
15. Machine de compression et de détente comportant un carter (12a) avec au moins une chambre (12) de révolution autour d'un axe de symétrie concentrique avec deux arbres de rotation (20,21 ) comportant chacun une paire de pistons (14) divisant la chambre (12) en cellules (15a, 15b, 15c, 15d) tournant avec les pistons (14), et comportant également, pour chaque arbre 20,21 , un dispositif de fixation des pistons
(14) à l'arbre (20,21 ) tel que décrit dans les revendications précédentes, lesdits deux dispositifs de fixation étant disposés côte à côte et symétriquement l'un par rapport à l'autre.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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