WO2019211540A1 - Pompe a engrenages pour la circulation d'un fluide - Google Patents

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WO2019211540A1
WO2019211540A1 PCT/FR2019/050888 FR2019050888W WO2019211540A1 WO 2019211540 A1 WO2019211540 A1 WO 2019211540A1 FR 2019050888 W FR2019050888 W FR 2019050888W WO 2019211540 A1 WO2019211540 A1 WO 2019211540A1
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WO
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gear
pump
fluid
gear pump
pump according
Prior art date
Application number
PCT/FR2019/050888
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English (en)
Inventor
Xavier Durand
Rémi DACCORD
Original Assignee
Exoes
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Exoes filed Critical Exoes
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/12—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F04C2/14—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F04C2/18—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with similar tooth forms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C15/00—Component parts, details or accessories of machines, pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C2/00 - F04C14/00
    • F04C15/06—Arrangements for admission or discharge of the working fluid, e.g. constructional features of the inlet or outlet
    • F04C15/062—Arrangements for supercharging the working space
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/082—Details specially related to intermeshing engagement type machines or pumps
    • F04C2/088—Elements in the toothed wheels or the carter for relieving the pressure of fluid imprisoned in the zones of engagement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2225/00—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
    • F05C2225/12—Polyetheretherketones, e.g. PEEK

Definitions

  • the present invention relates to the field of circulation pumps of a heat transfer fluid, in particular for the circulation of ethanol for a thermodynamic Rankine cycle.
  • Rankine systems for waste heat recovery use a pump to circulate a heat transfer fluid in a closed circuit.
  • the fluid is heated until it is vaporized by a heat exchanger (evaporator) or a series of exchangers fed by a hot source, for example, the combustion gases from a boiler or a combustion engine. or the fatal heat of an industrial process.
  • the expansion of the vaporized fluid makes it possible to produce mechanical energy used directly or converted into electricity through a generator.
  • the fluid leaving the expansion machine is then cooled in a condenser in which circulates a cooling fluid.
  • a high-pressure pump within the meaning of the present invention, carries out the transfer of the fluid from a low-pressure suction orifice to a high-pressure discharge orifice from a source of electrical energy, by means of a intermediate of a rotary mechanical movement.
  • the present invention discloses an external gear pump.
  • the pressurized fluid comprises a main component providing the thermodynamic cycle such as ethanol, cyclopentane or a refrigerant such as R245fa, R1233zd or R1336mzz (Z).
  • This fluid can also be loaded with a liquid lubricant.
  • the lubricant is chosen so as to be miscible in the liquid phase with the other components: typically a polyalkylene glycol (PAG) type lubricant for ethanol, or polyolester type (POE) for the most refrigerants.
  • PAG polyalkylene glycol
  • POE polyolester type
  • the proportion of lubricant is typically between 1 and 20% by weight.
  • the heat transfer fluid ethanol may further comprise components such as water, in a proportion of between 0 and 20% by weight and optionally additives for denaturing it, for example of 1 euro-denaturant (commercial name ), an alkane, an alcohol such as methanol or a ketone in proportions of between 1 and 10% by weight.
  • 1 euro-denaturant commercial name
  • an alkane an alkane
  • an alcohol such as methanol or a ketone in proportions of between 1 and 10% by weight.
  • the present pump is originally dedicated for Rankine cycle heat recovery systems as described below.
  • the pump is used to transfer the fluid from the low pressure part to the high pressure part.
  • the fluid sucked by the pump is at a temperature close to the saturation temperature of the coolant at the inlet pressure in the pump.
  • the prior art is known from the international patent application WO2017071888 concerning a pump with external toothed wheels, in particular a feed fluid pump of a waste heat recovery system.
  • the external gear pump includes a pump housing.
  • the pump housing includes a first gear and a second gear meshing with each other.
  • the first gear is disposed on a first shaft and the second gear is disposed on a second shaft.
  • the first shaft is supported radially by a first bearing surface and the second shaft is supported by a second bearing surface.
  • German patent application DE102015224659 describes another example of a gear pump, specially designed as a feed fluid pump, characterized in that the gear pump comprises a pump body, a work space being provided in the pump casing, a first gear and a second gear are arranged meshing with each other, characterized in that the pump casing comprises an inner housing, the inner housing delimiting the workspace.
  • the inner casing is made of a thermoplastic material, preferably PEEK.
  • German Patent Application DE102009047610 discloses another example of an external gear pump having two mutually meshing rotating gearwheels.
  • at least one toothed wheel is mounted in radial direction relative to its axis of rotation by contact of the tooth heads oriented radially outwardly with a bearing surface located radially outwardly.
  • Patent EP1055819 discloses a hydraulic pump with external gearing of the type comprising a drive gear and a driven gear, these pinions having mechanical strength properties and meshing with each other in a housing comprising a suction channel of a hydraulic fluid and a discharge channel of this fluid, characterized in that at least one of pinions is made of a polymer or copolymer material modified by carbon charges and having vibration damping properties.
  • US patent application US2012 / 090317 discloses a lost heat regeneration system for preventing the temperature rise of an integrated pump expansion machine pump.
  • the system of the invention is equipped with an evaporator which cools the engine coolant by heat exchange with a coolant; an expansion machine which expands the heated refrigerant through the evaporator, and produces a driving force; a condenser that cools and condenses the refrigerant passed through the trigger machine; and a pump which sends under pressure to the evaporator the refrigerant cooled through the condenser.
  • the expansion machine is connected to the pump by an axis, and both housed inside the same housing, forming an integrated pump expansion machine.
  • the pump has a high pressure chamber installed on the machine side in the direction of the axis and in which the refrigerant discharged to the evaporator flows. It also has a low pressure chamber installed on the machine side in the direction of the axis and in which circulates the refrigerant flowing from the condenser.
  • European Patent EP2436888 discloses a vehicle mounted Rankine cycle system comprising: a Rankine cycle circuit through which the working fluid flows, a power generator, a battery and a controller.
  • the Rankine circuit comprises a fluid expansion device, a fluid transfer device, first and second passages, a heating device, a device for cooling, a bypass passage and a flow control valve.
  • the bypass passage connects the first passage to the second passage.
  • the flow control valve is provided in the bypass passage to open and close the bypass passage.
  • the power generator converts the work generated by the expansion machine into electrical energy.
  • the controller monitors the charge rate of electrical energy charged to the battery and controls the operation of the flow control valve according to the monitored charge rate.
  • the controller causes the flow control valve to open when the monitored load rate is above a predetermined value.
  • the present invention aims to reduce the subcooling necessary for the proper functioning of the pump and the thermodynamic circuit, by the implementation of various means reducing the generation of vapor bubbles at the suction of the pump, or to limit their impact. when bubbles are generated.
  • the choice of the external gear pump technology and the number of teeth of the gears are determined for a small fluctuation of flow, the latter being transformed into a pressure fluctuation at the passage of a linear or singular pressure drop, in particular to the suction of the pump.
  • the internal connection of the expansion vessel downstream of the suction filter, and as close as possible to the suction zone of the gears, is intended to optimally dampen the pressure fluctuations generated by the flow fluctuations inherent in the process. pumping gears.
  • blind pockets here in the form of two intersecting circular counters, the function of which is to prevent depression of the pockets defined by 1 meshing gables.
  • the temperature and pressure sensors are located as close as possible to the suction zone.
  • the gears and the associated bearings are made of a polymer-based material, such as PEEK (polyetheretherketone) preferably loaded with another material having a tribological function (carbon fibers for example) to allow operation with a two-phase fluid on transient phases.
  • PEEK polyetheretherketone
  • Such machines are for example installed on motor vehicles involving drastic requirements of safety, weight, size and cost.
  • the present invention aims to overcome these drawbacks by proposing in its most general sense a gear pump for the circulation of a fluid, in particular a heat transfer fluid comprising a pump body, a fluid circulation space being provided in the body. a pump, a first gear and a second gear meshing with each other, a pump housing defining the fluid circulation space characterized in that it comprises a low pressure chamber communicating with a first intake port on the one hand and a second pressure port on the other hand.
  • the invention also relates to such a pump further having one or more of the following characteristics, alone or in combination:
  • the pump casing is made of metal, and the gears are made of polymer
  • the gears are made of polyetheretherketone, designated by the acronym PEEK (PolyEtherEtherKetone)
  • the gears respectively comprise one or two cylindrical extensions along the axis of said gears. Said extensions serving as hydrodynamic smooth bearings and being made of the same material as said gears
  • At least one of said gears has a hole opening on its axis
  • one of the front surfaces of said gears is in contact with the inner surface of said metal pump housing, the other end surface being in contact with a compensation plate
  • the pump comprises passages for the circulation of heat transfer fluid under pressure between said casing and the interface between said compensation plate and said casing, said compensating plate being floating in a direction perpendicular to the plane of said interface;
  • the compensation plate and / or the bottom of the casing have cavities intended to reduce the overpressure upstream and downstream of the active central tooth
  • the compensation plate and / or the bottom of the housing have at least one cavity so as to ensure the passage of said coolant through the passage openings at the time when the cavity is closed by the tooth
  • the first intake port comprises a filtration strainer upstream of the outlet in said low pressure chamber of said second pressurization port
  • the pump further comprises a filter disposed on the outlet port, said filter having pores of section smaller than the pore section of said filtration strainer;
  • the pump comprises a sealing sleeve disposed between the embedded rotor and said stator yoke.
  • said bearings are constituted by polymer rings overmolded on the shaft
  • the pump comprises an electronic circuit housed in an insulated casing of said motor casing by a flat thermal insulation seal; it comprises a pressure relief valve for placing the low-pressure zone into communication with the high-pressure zone in the event of exceeding a threshold pressure difference between said high pressure zone and said low pressure zone
  • thermosensor in at least one of the high-pressure and low-pressure zones
  • the invention also relates to a system for circulating a heat transfer fluid comprising a gear pump formed by a pump body, a fluid circulation space being provided in the pump body, a first gear and a second gear meshing with the pump body. one with the other, a pump housing defining the fluid circulation space characterized in that it further comprises a coolant expansion tank, the low pressure chamber of said pump communicating with a first port of inlet on the one hand and a second pressure port connected to said expansion vessel on the other.
  • the invention also relates to a Rankine cycle energy recovery system comprising an expansion machine, a means for recovering heat by a heat transfer fluid circulating in a closed loop, a condenser and a gear pump formed by a body. pump, a fluid circulation space being provided in the pump body, a first gear and a second gear meshing with each other, a pump housing defining the fluid circulation space characterized in that it further comprises an expansion vessel heat transfer fluid, the low pressure chamber of said pump communicating with a first inlet port on the one hand and a second pressure port connected to said expansion tank on the other.
  • said pump housing is made of metal, and in that said gears are made of polymer.
  • FIG. 1 represents a perspective view of
  • FIG. 2 represents an exploded view of a high pressure pump according to the invention
  • FIG. 3 represents a section of the pump in the plane of the gears
  • FIG. 4 represents a section of the pump in the plane passing through the suction and the discharge
  • FIG. 5 represents the detail of the 2 faces of the compensation plate
  • FIG. 6 represents the compensation plate mounted in the casing with the seals
  • FIG. 7 represents the pinions mounted on the compensation plate
  • FIG. 8 represents a section of the pump in the plane perpendicular to the gears
  • FIG. 9 represents a section of a variant of the pump in the plane of its gears
  • FIG. 10 represents a schematic view of a Rankine cycle according to the invention.
  • Figure 10 shows a schematic view of a Rankine cycle according to the invention.
  • FIG. 1 represents a perspective view of a complete high-pressure motor-pump unit according to an example of the invention.
  • FIG. 2 represents the motor pump (806) in an exploded view formed of three complementary hollow parts:
  • crankcase assembly (100)
  • a filter housing assembly (300).
  • These three complementary assemblies each have a complementary peripheral flange (respectively 101, 201 and 301), to allow bolt-tight assembly.
  • the moving hitch, or gear assembly (400) is integrally enclosed within the volume defined by the crankcase assembly (100) and the pump housing assembly (200).
  • the motor housing assembly (100) surrounds the motor pump area (806) that extends from the motor to the gears or gears (5 and 6) of the pump.
  • This zone includes in particular the stator and the rotor (7 and 8) of the electric motor (96) which ensure the transformation of electrical energy into rotary motion of the shaft (10).
  • the pump housing assembly (200) includes the gear assembly (400). It also comprises interfaces on which the intake port (350) is sealed with its filtration strainer (12), the pressure port (351) providing the interface with the expansion vessel ( 828) and the filter housing assembly (300). Two sets of pressure and / or temperature sensors (13) are also assembled on the pump housing assembly (200), in orifices placed as close as possible to the suction and discharge zones of the pump.
  • the filter housing assembly (300) includes the filter (11) and the sealed interface (302) to which the delivery fitting (360) is attached.
  • said heat transfer fluid (808) enters the motor pump (806) at a temperature below 120 ° C generally between 75 ° C and 100 ° C., and at a pressure of less than 4 bar absolute, generally between 1 bar absolute and 3 bar absolute.
  • the heat transfer fluid (808) consists mainly of R245fa or R1233zd
  • said coolant (808) enters the motor pump (806) at a temperature below 60 ° C generally between 40 ° C and 60 ° C, and at a pressure below 5 bar absolute generally between 1 bar absolute and 3 bar absolute.
  • the heat transfer fluid (808) put under pressure comprises a main component providing the thermodynamic cycle such as ethanol, cyclopentane or a refrigerant such as R245fa, R1233zd or R1336mzz-Z.
  • This fluid can also be loaded with a liquid lubricant sprayed into the vapor phase of the main component.
  • the lubricant is selected to be miscible in the liquid phase with the other components: typically a polyalkylene glycol (PAG) type lubricant for ethanol, or polyolester type (POE) for most refrigerant fluids.
  • PAG polyalkylene glycol
  • POE polyolester type
  • the heat-exchange fluid ethanol (808) may further comprise components such as water, in a proportion between 0 and 20% by weight, preferably 4.5% of the mass in the case of ethanol (azeotropic).
  • This heat transfer fluid may optionally contain additives for denaturing, for example euro-denaturant (trade name), an alkane, an alcohol such as methanol or a ketone in proportions of between 1 and 10% by weight.
  • Figure 10 shows a schematic view of a Rankine cycle according to the invention.
  • a Rankine cycle recovers waste heat from an associated rotary machine (801), which may be an internal combustion engine. This heat can be recovered in several places: on the cooling circuit, on the cooling of the compressed air upstream of the engine, on the cooling of the exhaust gases recirculated in the rotary machine or on exhaust gases (802 ) as shown in Figure 10.
  • a heat exchanger or evaporator (807) is inserted in bypass on the exhaust line after the pollution control system (803).
  • a bypass valve (827) proportionally distributes the flow rates between said evaporator (807) and the normal exhaust.
  • the evaporator (807) is for evaporating the heat transfer fluid (808) from the Rankine cycle.
  • the coolant (808) is sucked by the pump motor (806) from the condenser (805) at a pressure defined by the expansion vessel (828) whose pressure is controlled by a pulse-controlled electric valve ( 829).
  • Said valve (829) regulates the air pressure in the expansion vessel (828) either by connecting the expansion tank (828) to a source of compressed air (821) temporarily, or by connecting the vessel of expansion (828) to the atmosphere temporarily, either by closing the inlet to the expansion vessel.
  • the temperature and the pressure of the coolant (808) upstream of the motor pump (806) and downstream of the evaporator (807) are measured by sensors.
  • the Rankine cycle calculator receives these signals to control the actuators of the system and a temperature of the vapor in the expansion machine (804) measured either in the expansion zone (816) or in the exhaust zone ( 817).
  • the vapor produced in the evaporator (807) flows to the expansion machine (804).
  • the expansion machine (804) comprises three zones: an inlet zone (814) of the high-pressure steam which is connected to the expansion zone (816), itself connected to the exhaust zone (817). ) at low pressure.
  • the bypass valve (59) opens and closes a bypass channel connecting the intake zone (814) and the exhaust zone (817).
  • the bypass valve (59) is advantageously pneumatic and is connected to the source of compressed air (821).
  • An electric valve (820) controls the admission of air into the bypass valve (59) either by connecting the bypass valve to the source of compressed air (821) or by connecting the bypass valve (59) to the atmosphere.
  • the bypass channel or bypass valve (59) further comprises a restriction, typically of the order of 20 mm 2 in order to limit the volume flow through the bypass channel and to cause a rise in pressure of the zone upstream of the the restriction.
  • the condenser (805) is cooled either by a fluid of the associated rotary machine (801) or by ambient air. For example, one or more of the cooling circuits of the associated rotary machine (801) may be used.
  • the condensed coolant is then readmitted by the motor pump (806), either to continue to circulate or to return to the expansion vessel (828).
  • the expansion machine (804) is connected to a rotating shaft (813) of the associated rotary machine (801) via a gearbox (810).
  • Figure 4 shows a section of the pump in the plane passing through suction and discharge.
  • the coolant (808) follows the conventional process of the gear pump: the fluid in the low pressure zone (210) is driven into the volume between the teeth of the gears (5 and 6) and radially closed by the pump housing (1) and axially by the compensation plate (4) on one side and the bottom of the housing (211) on the other side. It is thus driven to the high pressure zone (212).
  • the contact (901) between the driven and driving wheel teeth creates a sealing line between the high pressure zone (212) and the low pressure zone (210).
  • Figure 4 shows a section of the pump in the plane passing through suction and discharge.
  • the drive (5) and driven (6) gears have:
  • the pinions (5, 6) have 12 teeth of dimensions conforming to IS01328 standard, of 1.75 module, with a reference diameter of 21 millimeters, an offset of 0, 5 and a pressure angle of 20 degrees. Its quality class is 7.
  • cylindrical extensions (216, 217) for positioning the gears.
  • the pump housing (1) and the crankcase (2) comprise two bores each (110 and 111) for respectively guiding the drive gear (5) and driven (6). Guiding is carried out using cylindrical extensions (216, 217) acting as hydrodynamic smooth bearings, a more economical solution than a rolling bearing.
  • the male part of said bearings is made of the same material as the gear, a polymer-based material, such as PEEK (polyetheretherketone) preferably loaded with another material (carbon for example), in order to minimize contact friction. with casings (1 and 2) in cast iron or aluminum alloy.
  • the pinions are drilled along their axis to allow the evacuation of liquid leaks from the plain bearings.
  • the driving gear (5) has in addition to: splines coming to fit on 1 / shaft (10) to transmit a rotation ouple provided by the electric motor (96).
  • Figures 6 and 7 respectively show the compensation plate (4) mounted in the housing with seals and pinions (5 and 6) mounted on the compensation plate.
  • the center (923) is positioned at the intersection of the following 3 orthogonal planes:
  • the cavities (905, 906, 907 and 908) are arranged in one of the walls facing the flanks of the gables (5 and 6), on the two walls, or be distributed separately on the two walls to reduce the overpressure upstream and downstream. of the active central tooth. These walls are on the one hand the compensation plate (4) and on the other hand the bottom of the housing (211).
  • the cavity (905) is positioned and dimensioned to ensure passage of said heat transfer fluid from the volume (903) to the channel (909).
  • the other three cavities (906, 907, 908) are positioned and dimensioned to achieve a similar function, the cavity (906) located on the high pressure side for communication with the high pressure channel (909), and the cavities ( 907, 908) located on the low pressure side enabling communication with the low pressure channel (910).
  • the cavities (905 and 907) are symmetrical with the cavities (906 and 908) respectively with respect to the plane (922). The remainder of the description therefore focuses on cavities 905 and 907. The other two (906 and 908) are obtained by symmetry.
  • the cavities (905 and 907) are located on both sides of the plane (920). They are spaced from each other by a distance corresponding to 1.5 to 2.5 times the width of the base of a tooth of the gears (5, 6) in the direction perpendicular to the plane (920), without being necessarily symmetrical with respect to this plane (920).
  • the cavities (905 and 907) are substantially equidistant from the plane (922). This distance is between 0.25 and 0.5 times the height of a tooth of the gears (5, 6). Consequently, the symmetrical cavities (906 and 908) are therefore separated from their respective symmetries (905 and 907) by a distance of between 0.5 and 1 times the height of a tooth of the gears (5, 6).
  • the compensation plate (4) and / or the bottom of the casing (211) furthermore have at least one cavity (911, 912) arranged to ensure a passage of the fluid between the inter-tooth space (904) in order to limit the depression in the inter-tooth space (904) capable of generating the formation of gas bubbles.
  • the cavities (911, 912) are of symmetrical shape with respect to the plane (922) and are located in the immediate vicinity of the center (923) at a distance of between 0 and 0.3 times the height of a tooth of the gears ( 5, 6). These cavities (911, 912) are symmetrical with respect to the plane (922). They are not necessarily located in the plane (920), their positioning and dimensioning being determined by the position corresponding to the closing of the cavity (905) by the tooth of the gear (6).
  • volume (903, 904) are closed by the line or lines of contact (901) on the one hand and the backlash (902) on the other side of the intermeshing tooth.
  • the pressure in this (or these) volume (s) will be subject to variations in volume during meshing: when the gears turn, the volume (903) will decrease and at the same time the volume (904) will increase.
  • the cavity (905) is positioned and dimensioned such that the volume (903) is in connection with said cavity (905), itself in connection with the high pressure through the channel (909): the volume thus transferred contributes to the flow of the pump and avoids a rise in overpressure between the teeth.
  • the other three cavities (906, 907, 908) are positioned and dimensioned to obtain a function similar, the cavity (906) located on the high pressure side allowing communication to the high pressure channel (909), and cavities (907, 908) located on the low pressure side allowing communication to the low pressure channel (910) .
  • This arrangement of cavities (905, 906, 907 and 908) has the disadvantage for the present application of creating a depression in the volume (904) due to its increase in volume.
  • the fluid (808) being at a temperature close to saturation, this depression will generate gas bubbles.
  • the cavity (911 and 912) visible in FIG. 7C is added so that, when the cavity (905) is closed by the tooth, the volume (903) pushes the fluid towards the volume (904) through through openings (913 and 914).
  • This cavity (911, 912) is positioned and dimensioned to ensure the passage of fluid through the passage openings (913 and 914) at the moment when the cavity (905) is closed by the tooth, thereby allowing the central cavity ( 911, 912) to take over the peripheral cavities (905, 906, 907, 908).
  • the volume (904) will be connected to the low pressure via the cavity (908) and the channel (910), ensuring the filling of the volume (904) while the passage (913 and 914) closes.
  • the set of cavities (905, 906, 907, 908, 911, 912) can be located facing one of the flanks of the gears (5 and 6), facing the two flanks, or be distributed separately opposite the two flanks.
  • the cavities (905, 906, 907, 908, 911 and 912) are for example made from cylindrical machining, the depth of said cavities being chosen sufficiently large to limit the speed of transfer of the fluid between the volumes (903, 904). and the channels (909, 910).
  • the depth of the cavities (905, 906, 907, 908, 911 and 912) is about 0.5mm, and the diameter and positioning of said Cavities are adjusted to perform the previously described fluid transfer functions.
  • the present pump comprises an axial compensation plate (4) whose function is to minimize the play of the gable flanks between the compensation plate on one side and the bottom of the crankcase on the other side (211). ), in order to limit leaks.
  • Axial compensation is provided by floating bearings, pushing at least one floating surface against the flanks of the gears, in order to limit leakage.
  • FIG. 6 shows a single ring-type seal (24), whose associated groove (605) extends into the casing (1) and constitutes, in continuity with the groove (605) of the compensation plate (4), a closed area (606) sealed to high pressure.
  • this axial compensation plate (4) consists of a polymer-based material, such as PEEK (polyetheretherketone) preferably loaded with another material (for example carbon ).
  • said plate (4) can be made of PTFE (polytetrafluroethylene) loaded, or steel or aluminum alloy, its contact surface with the gears (5 and 6) receiving a tribological treatment.
  • the pump may comprise 2 polymer plates (4) on either side of said pinion, in order to avoid flank contact (metal) on housing (steel, cast iron or aluminum alloy).
  • a second seal (21) is placed in a groove in the housing (1) around the seal (24) to seal the low pressure zone with the outside.
  • Figure 2 shows an exploded view of a high pressure pump according to the invention.
  • Figure 3 shows a section of the pump in the plane of the gears.
  • Figures 4 and 5 respectively show a section of the pump in the plane passing through the suction and discharge and a perspective view in partial section of the motor housing assembly (100).
  • Figure 8 shows a section of the pump in the plane perpendicular to the gears.
  • Figure 9 shows a section of a variant of the same pump in the plane of the gears.
  • the crankcase assembly (100) comprises a crankcase (2) which, in the example described, is made of cast iron, in particular a cast iron of lamellar graphite type resistant to ethanol. Said casing is made by casting in a mold and machining of the various orifices and cavities, and can then be surface treated by nitriding in a bath of salts followed by an oxidation phase. Alternatively, said housing may be made of aluminum alloy.
  • the crankcase (2) comprises two bores (110 and 111) for respectively guiding the drive gear (5) and led (6).
  • the guide is made using a hydrodynamic sliding bearing (216, 217), a more economical solution than a rolling bearing.
  • the male portion of said bearings is made of a polymer-based material, such as PEEK (polyetheretherketone) preferably loaded with another material (carbon for example), in order to minimize the friction caused by the contact with the housings (1 and 2). ) cast iron or aluminum alloy.
  • Said assembly (100) comprises a bearing (31) intended to guide the shaft (10), in addition to the second bearing (32) implemented on the opposite side to the rotor (8) of the electric motor (96).
  • the drive gear (5) may be shrunk or overmoulded around the shaft (10).
  • the shaft (10) can simply be guided by the outer plain bearing (217) as well as by a bearing (34) implemented between the sunken rotor (81) and the drive gear (5), the sunken rotor ( 81) being out of sync.
  • the bearing (34) is advantageously fretted or overmolded on the shaft (10). Alternatively, it can be inserted into the crankcase (2).
  • bearings (34) and (217) on either side of the gear is advantageous to distribute the best efforts and also position the gear more precisely. Furthermore, having the bearings (34, 216, 217) mounted on the shaft (10) rather than in the crankcase (2) or the pump housing (1) makes it possible to homogenize wear over the entire bearing surface. thanks to the rotation of it.
  • the assembly (100) may include a dynamic seal (46) for preventing coolant leaks (808) to the outside.
  • this seal (46) is a lip seal, but it can be achieved by any other equivalent dynamic sealing system (mechanical seal for example).
  • a dynamic seal (46) can be avoided.
  • a sealing jacket (36) may be implemented between the stator (7) and the embedded rotor (81), the sealing of this jacket (36) vis-à-vis the outside being ensured by a gasket (25).
  • the embedded rotor (81) must then be varnished or overmolded with plastic to be protected from corrosion and metal particles.
  • Said assembly (100) may comprise a chamber (202) between the bearing (31) and the dynamic seal (46) pierced by one or more vents (203) opening on the outside, to allow the evacuation of any leaks fluids - heat transfer fluid (808), or possibly lubricating fluid present in the bearing (31).
  • the architecture of the variant shown in FIG. 9 does not require the use of this chamber (202).
  • the crankcase (2) comprises two holes (214 and 215) allowing the coolant (808) included in the low pressure zone (210) or high pressure (212) to access a pressure relief valve (14).
  • Said pressure relief valve makes it possible to avoid damage to the motor pump (806) by overpressure by communicating the low pressure zone (210) to the high pressure zone (212) when the relative pressure thereof (212) is greater than a defined value, between 20 bar and 60 bar in the example described.
  • the crankcase (2) comprises the electric motor (96) for actuating the shaft (10) in rotation.
  • This electric motor (96) is a low voltage motor, whose input voltage is continuous and may be of the order of 12, 24 or 48 volts. This is a permanent magnet motor. Its power electronics is regulated without the use of a magnetic pole position sensor (so-called "sensorless” use in English) . It has an interface via a data bus type CAN (abbreviation for the English term "Controller Area Network”), which allows interfacing all the input and output data necessary for the operation of the electric motor (96).
  • CAN abbreviation for the English term "Controller Area Network”
  • These inputs / outputs can be, for example, the speed control, the speed feedback, the return of the pressure and / or temperature sensors of the pump (13), or the return of the temperature sensor positioned to the contact or the inside the housing (9) of the control part of the electric motor (96), this temperature sensor for controlling the temperature of the power electronics.
  • a computer for the control of the Rankine thermodynamic cycle can be added in this electronic box (9).
  • the information that is useful for this calculator passes through the CAN data bus.
  • the control part contained in the housing (9) of the electric motor (96) is sensitive and it must be avoided to expose it to high temperatures. Since the heat transfer fluid (808) has a high temperature, the design of the motor pump (806) makes it possible to limit the thermal transfers between heat transfer fluid (808) and the housing of the control part (9). For this purpose, the rotor (8) and the stator (7) of the electric motor (96) are spaced a few millimeters from the crankcase (2), this volume of air (204) allowing thermal insulation.
  • the crankcase (2) and / or the housing (9) also comprises heat dissipating fins (51 and 53) for dissipating the heat due to the heat transfer fluid passage (808).
  • the crankcase (2) and the housing of the control part (9) are also thermally insulated from each other via a flat thermal insulation seal (50).
  • FIG. 2 shows an exploded view of a high pressure pump according to the invention.
  • Figure 8 shows a section of the pump in the plane perpendicular to the gears.
  • the pump housing assembly (200) comprises a pump casing (1) which, in the example described, is made of cast iron, in particular an ethanol-resistant lamellar graphite cast iron. Said casing is made by casting in a mold and machining the various orifices and cavities, then can be subject to surface treatment by nitriding in a salt bath followed by an oxidation phase. Alternatively, said housing may be made of aluminum alloy.
  • the pump housing (1) comprises two fluid inlet interfaces (350 and 351). This allows the admission of the coolant (808) to the low pressure zone (210) through an inlet port (350) directly connected to the circuit in which the fluid circulates, but also using the port pressurizing device (351) via the expansion vessel (828), located closest to the pump motor (806). This configuration makes it possible to limit cavitation due to pressure fluctuations upstream of the pump.
  • connection and the sealing of said intake (350) and pressurizing (351) ports may be ensured by tapered screw connections, by flat seals (52) as in the described example. , or by a flange system with static seal (flat or O-ring).
  • the intake port (350) of fluid (808) from the circuit comprises a filtration strainer (12) preventing solid particles from accessing the pinions (5 and 6).
  • the pump casing (1) comprises two interfaces for the temperature and / or pressure sensors (13). These interfaces are located closest to the low pressure zone (210) and the high pressure zone (212). Detailed description of the filter housing assembly
  • Figure 2 shows an exploded view of a high pressure pump according to the invention.
  • Figure 8 shows a section of the pump in the plane perpendicular to the gears.
  • the filter housing assembly (300) comprises a filter housing (3) which, in the example described, is made of cast iron, in particular an ethanol-resistant lamellar graphite cast iron. Said casing is made by casting in a mold and machining the various orifices and cavities, then can be subject to surface treatment by nitriding in a salt bath followed by an oxidation phase. Alternatively, said housing may be made of aluminum alloy.
  • the filter housing assembly (300) includes a filter (11) for removing impurities from the heat transfer fluid (808) flowing in the high pressure zone (212).
  • said filter comprises a pressure relief valve (90) which opens on an excessively high pressure difference between upstream and downstream. downstream of the filter.
  • the filter housing assembly (300) includes a discharge port (360) for connecting the motor pump (806) to the rest of the circuit.
  • the connection and sealing of said discharge port may be provided by a conical threaded connection, a flat gasket type sealing ring (52) as in the example described, or by a flange system with seal static (flat or toric).

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Abstract

Pompe à engrenages pour la circulation d'un fluide, notamment un fluide caloporteur, comportant un corps de pompe, un espace de circulation dudit fluide (808) étant prévu dans le corps de pompe, un premier engrenage (5) et un second engrenage (6) engrenant l'un avec l'autre, un carter de pompe (1) délimitant l'espace de circulation dudit fluide. Ladite pompe comporte une chambre basse pression (210) communiquant avec un premier port d'admission (350) d'une part et un second port de mise en pression (351) d'autre part.

Description

POMPE A ENGRENAGES POUR LA CIRCULATION D'UN FLUIDE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine des pompes de circulation d'un fluide caloporteur, notamment pour la circulation d'éthanol pour un cycle thermodynamique de Rankine. Les systèmes Rankine pour la récupération de chaleur perdue mettent en œuvre une pompe pour faire circuler un fluide caloporteur dans un circuit fermé. Le fluide est chauffé jusqu'à sa vaporisation par un échangeur thermique (évaporateur) ou une série d'échangeurs alimenté (s) par une source chaude, par exemple, les gaz de combustion issus d'une chaudière ou d'un moteur à combustion interne ou encore la chaleur fatale d'un procédé industriel.
La détente du fluide vaporisé permet de produire de l'énergie mécanique utilisée directement ou convertie en électricité à travers un générateur. Le fluide sortant de la machine de détente est ensuite refroidi dans un condenseur dans lequel circule un fluide de refroidissement.
Une pompe haute pression, au sens de la présente invention, réalise le transfert du fluide d'un orifice d'aspiration à basse pression, vers un orifice de refoulement à haute pression à partir d'une source d'énergie électrique, par l'intermédiaire d'un mouvement mécanique rotatif. La présente invention décrit une pompe à engrenages externes.
Le fluide mis sous pression comprend un composant principal assurant le cycle thermodynamique tel que l'éthanol, le cyclopentane ou encore un fluide réfrigérant tel que le R245fa, le R1233zd ou encore le R1336mzz (Z) . Ce fluide peut être également chargé avec un lubrifiant liquide. Le lubrifiant est choisi de manière à être miscible en phase liquide avec les autres composantes : typiquement un lubrifiant type polyalkylene glycol (PAG) pour l'éthanol, ou type polyolester (POE) pour la plupart des fluides réfrigérants. La proportion de lubrifiant est typiquement comprise entre 1 et 20% en masse.
En particulier, le fluide caloporteur éthanol peut en outre comporter des composants tels que de l'eau, dans une proportion comprise entre 0 et 20% en masse et éventuellement des additifs pour le dénaturer, par exemple de 1 ' euro-dénaturant (nom commercial) , un alcane, un alcool comme du méthanol ou une cétone dans des proportions comprises entre 1 et 10% en masse.
Il est à noter que du fait de sa composition et de la température de travail, la viscosité du fluide caloporteur à l'état liquide est très faible.
La présente pompe est originellement dédiée pour les systèmes de récupération de chaleur à cycle Rankine, tels que décrits ci-après. La pompe sert à transférer le fluide de la partie basse pression à la partie haute pression. Le fluide aspiré par la pompe est à une température proche de la température de saturation du fluide caloporteur à la pression d'admission dans la pompe.
Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet internationale WO2017071888 concernant une pompe à roues dentées extérieures, en particulier une pompe de fluide d'alimentation d'un système de récupération de chaleur perdue. La pompe à roues dentées extérieures comprend un boîtier de pompe. Le boîtier de pompe renferme une première roue dentée et une seconde roue dentée en engrènement l'une avec l'autre. La première roue dentée est disposée sur un premier arbre et la seconde roue dentée est disposée sur un second arbre. Le premier arbre est supporté radialement par une première surface d' appui et le second arbre est supporté par une seconde surface d'appui.
On connaît aussi la demande de brevet allemand DE102015224659 décrivant un autre exemple de pompe à engrenages, spécialement conçue comme pompe de fluide d'alimentation, caractérisée en ce que la pompe à engrenages comporte un corps de pompe, un espace de travail étant prévu dans le corps de pompe, un premier engrenage et un second engrenage sont disposés engrenant l'un avec l'autre, caractérisé en ce que le boîtier de pompe comporte un logement intérieur, le logement interne délimitant l'espace de travail. Le boîtier interne est réalisé en un matériau thermoplastique, de préférence en PEEK.
On connaît aussi dans l'état de la technique le brevet US2017/342980 décrivant une pompe à carburant à engrenages anti décompression. Elle comprend : un moteur d'entraînement, un corps de pompe pourvu d'une gorge et un couvercle de pompe installés successivement sur l'extrémité supérieure du moteur d'entraînement. Elle comprend en outre un engrenage menant, un engrenage mené gauche et un engrenage mené droit, installés dans la gorge et reliés par un arbre moteur du moteur d'entraînement. L'engrenage menant est respectivement engagé intérieurement avec l'engrenage mené gauche et l'engrenage mené droit. Le couvercle de pompe est pourvu d'une extrémité A d'une sortie de carburant, d'une extrémité D d'une sortie de carburant en circulation, d'une extrémité B d'une entrée de carburant en circulation et d'une extrémité C d'une entrée de carburant. L'extrémité A de la sortie de carburant, l'extrémité D de la sortie de carburant en circulation, l'extrémité B de l'entrée de carburant en circulation et l'extrémité C de l'entrée de carburant pénètrent dans la gorge du corps de pompe.
La demande de brevet allemande DE102009047610 décrit un autre exemple de pompe à engrenages extérieurs présentant deux roues dentées rotatives en engrènement mutuel. Selon l'invention, au moins une roue dentée est montée en sens radial par rapport à son axe de rotation par contact des têtes de dent orientées radialement vers l'extérieur avec une surface d'appui située radialement à l'extérieur.
Le brevet EP1055819 décrit une pompe hydraulique à engrenages externes du type comprenant un pignon menant et un pignon mené, ces pignons ayant des propriétés de résistance mécanique et s'engrenant l'un l'autre dans un carter comprenant un canal d'aspiration d'un fluide hydraulique et un canal de refoulement de ce fluide, caractérisée en ce qu'au moins un des pignons est réalisé en un matériau polymère ou copolymère modifié par des charges de carbone et ayant des propriétés d'amortissement de vibrations .
La demande de brevet américain US2012/090317 décrit un système de régénération de la chaleur perdue permettant d'éviter l'élévation de la température d'une pompe de machine de détente à pompe intégrée. Le système de l'invention est équipé d'un évaporateur qui refroidit le liquide de refroidissement de moteur par échange de chaleur avec un réfrigérant ; d'une machine de détente qui détend le réfrigérant chauffé à travers 1 ' évaporateur, et produit une force d'entraînement ; d'un condenseur qui refroidit et condense le réfrigérant passé à travers la machine détente ; et d'une pompe qui envoie sous pression, vers 1 ' évaporateur, le réfrigérant refroidi au travers du condenseur. La machine de détente est reliée à la pompe par un axe, et tous deux logés à l'intérieur d'un même boîtier, formant une machine de détente à pompe intégrée. La pompe possède une chambre haute pression installée côté machine de détente dans la direction de l'axe et dans laquelle circule le réfrigérant évacué vers 1 ' évaporateur . Elle possède également une chambre basse pression installée côté machine de détente dans la direction de l'axe et dans laquelle circule le réfrigérant s'écoulant depuis le condenseur.
Le brevet européen EP2436888 décrit un système de cycle de Rankine monté sur un véhicule comprenant : un circuit de cycle de Rankine à travers lequel le fluide de travail circule, un générateur de puissance, une batterie et un contrôleur. Le circuit de Rankine comprend un dispositif de détente de fluide, un dispositif de transfert de fluide, des premier et second passages, un dispositif de chauffage, un dispositif de refroidissement, un passage de dérivation et une vanne de régulation de débit. Le passage de dérivation relie le premier passage au deuxième passage. La vanne de régulation de débit est prévue dans le passage de dérivation pour ouvrir et fermer le passage de dérivation.
Le générateur de puissance convertit le travail généré par la machine de détente en énergie électrique. Le contrôleur surveille le taux de charge de l'énergie électrique chargée dans la batterie et contrôle le fonctionnement de la vanne de régulation de débit en fonction du taux de charge surveillé. Le contrôleur provoque l'ouverture de la vanne de régulation de débit lorsque le taux de charge surveillé est supérieur à une valeur prédéterminée.
Inconvénients de l'art antérieur
Les solutions de l'art antérieur ne sont pas totalement satisfaisantes. En effet, lorsque le fluide est un fluide à faible température d'ébullition, il comporte un risque de cavitation de la pompe et donc de formation de bulles de vapeur, lorsque le fluide présent dans la pompe est dans un état proche de la saturation. La formation de bulles altère gravement le fonctionnement d'une pompe à engrenage en réduisant le rendement de la pompe, et en provoquant des claquements, des variations de couple brusques et des bruits parasites. In fine, la fiabilité et la durée de vie de la pompe sont affectées.
La problématique visée par le présent brevet est que ce fluide aspiré, étant à une température proche de sa température de saturation, est fortement susceptible de générer des bulles de vapeur pour de très faibles variations de pression, ou élévation de température. Ces bulles de vapeur vont directement réduire le rendement volumétrique dans un premier temps, mais également altérer la fiabilité de la pompe par les phénomènes de cavitation, lors de l'implosion de ces bulles. Dans l'art antérieur, on tente de résoudre ce problème en refroidissant le fluide aspiré afin d'éviter ces risques. Les conséquences sont une augmentation de la taille de l'échangeur qui condense et refroidit le fluide caloporteur, et également une diminution du rendement de conversion de la chaleur perdue en énergie mécanique du cycle thermodynamique.
Solution apportée par l'invention
La présente invention vise à diminuer le sous-refroidissement nécessaire au bon fonctionnement de la pompe et du circuit thermodynamique, par la mise en œuvre de différents moyens réduisant la génération de bulles de vapeur à l'aspiration de la pompe, ou de limiter leur impact lorsque des bulles sont générées .
Premièrement, le choix de la technologie de la pompe à engrenages externe et le nombre de dents des pignons sont déterminés pour une faible fluctuation de débit, ce dernier se transformant en fluctuation de pression au passage d'une perte de charge linéaire ou singulière, en particulier à l'aspiration de la pompe.
Deuxièmement, la connexion interne du vase d'expansion en aval du filtre d'aspiration, et au plus proche de la zone d'aspiration des engrenages vise à amortir de manière optimale les fluctuations de pression générées par les fluctuations de débit inhérentes au processus de pompage des engrenages.
Troisièmement, sur les faces opposées aux flancs des pignons sont aménagées des poches borgnes, ici sous la forme de deux lamages circulaires intersectants , dont la fonction est d'empêcher la mise en dépression des poches définies par 1 ' engrènement des pignons.
Quatrièmement, afin de permettre un contrôle optimal du sous- refroidissement, le capteur de température et celui de pression sont implantés au plus près de la zone d'aspiration.
Cinquièmement, les engrenages et les paliers associés sont réalisés dans un matériau à base de polymère, tel que le PEEK (polyétheréthercétone) de préférence chargé avec un autre matériau ayant une fonction tribologique (fibres de carbone par exemple) afin de permettre un fonctionnement avec un fluide diphasique sur des phases transitoires.
De telles machines sont par exemple installées sur des véhicules automobiles impliquant des exigences drastiques de sécurité, de poids, d'encombrement, et de coût.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant selon son acception la plus générale une pompe à engrenages pour la circulation d'un fluide, notamment un fluide caloporteur comportant un corps de pompe, un espace de circulation du fluide étant prévu dans le corps de pompe, un premier engrenage et un second engrenage engrenant l'un avec l'autre, un carter de pompe délimitant l'espace de circulation du fluide caractérisée en ce qu'elle comporte une chambre basse pression communiquant avec un premier port d'admission d'une part et un second port de mise en pression d'autre part.
L' invention concerne aussi une telle pompe présentant en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, isolément ou en combinaison :
- le carter de pompe est réalisé en métal, et les engrenages sont réalisés en polymère
- les engrenages sont réalisés en polyétheréthercétone, désigné par le sigle PEEK (PolyEtherEtherKetone)
les engrenages comportent respectivement un ou deux prolongements cylindriques selon l'axe desdits engrenages. Lesdits prolongements servant de paliers lisses hydrodynamiques et étant réalisés dans le même matériau que lesdits engrenages
- l'engrenage est surmoulé sur l'arbre
- au moins l'un desdits engrenages présente un perçage débouchant selon son axe
- l'une des surfaces frontales desdits engrenages est en contact avec la surface intérieure dudit carter de pompe en métal, l'autre surface frontale étant en contact avec une plaque de compensation
- la pompe comporte des passages pour la circulation de fluide caloporteur sous pression entre ledit carter et l'interface entre ladite plaque de compensation et ledit carter, ladite plaque de compensation étant flottante selon une direction perpendiculaire au plan de ladite interface
- elle comporte un joint torique disposé dans ladite interface et délimitant une zone de pression périphérique et une zone étanche intérieure
- la plaque de compensation et/ou le fond du carter présentent des cavités destinées à réduire la surpression en amont et en aval de la dent centrale active
- la plaque de compensation et/ou le fond du carter présentent au moins une cavité de manière à assurer le passage dudit fluide caloporteur par les ouvertures de passage au moment où la cavité est obturée par la dent
- le premier port d'admission comporte une crépine de filtration en amont du débouché dans ladite chambre basse pression dudit second port de mise en pression
- la pompe comporte en outre un filtre disposé sur le port de sortie, ledit filtre présentant des pores de section inférieure à la section des pores de ladite crépine de filtration
- la pompe comporte une chemise d'étanchéité disposée entre le rotor noyé et ladite culasse statorique.
- elle comporte en outre un joint statique disposé entre un épaulement transversal de ladite chemise d'étanchéité et la surface frontale arrière du corps de pompe
- le rotor et l'engrenage menant sont montés sur le même arbre, l'arbre étant porté par au plus deux paliers
- lesdits paliers sont constitués par des bagues en polymère surmoulées sur l'arbre
ces deux paliers sont positionnés de part et d'autre de l'engrenage menant - la pompe comporte un circuit électronique logé dans un boîtier isolé dudit carter moteur par un joint plat d'isolation thermique elle comporte une soupape de surpression de mise en communication de la zone basse-pression avec la zone haute- pression en cas de dépassement d'une différence de pression- seuil entre ladite zone haute-pression et ladite zone basse- pression
- elle comporte un capteur de température et/ou de pression dans au moins l'une des zones haute-pression et basse-pression
- elle comporte un connecteur de communication transmettant un signal bi-directionnel de communication généré par au moins un capteur et d'au moins un signal parmi les signaux suivants mais non limité à ceux-ci : commande de vitesse du moteur électrique, retour de vitesse du moteur électrique, défaut de ladite pompe. L'invention concerne aussi un système pour la circulation d'un fluide caloporteur comportant une pompe à engrenages formée par un corps de pompe, un espace de circulation du fluide étant prévu dans le corps de pompe, un premier engrenage et un second engrenage engrenant l'un avec l'autre, un carter de pompe délimitant l'espace de circulation du fluide caractérisé en ce qu'il comporte en outre un vase d'expansion de fluide caloporteur, la chambre basse pression de ladite pompe communiquant avec un premier port d'admission d'une part et un second port de mise en pression relié audit vase d'expansion d'autre part.
L'invention concerne aussi un système de récupération d'énergie par cycle de Rankine comportant une machine de détente, un moyen de récupération de chaleur par un fluide caloporteur circulant en boucle fermée, un condenseur et une pompe de circulation à engrenages formée par un corps de pompe, un espace de circulation du fluide étant prévu dans le corps de pompe, un premier engrenage et un second engrenage engrenant l'un avec l'autre, un carter de pompe délimitant l'espace de circulation du fluide caractérisée en ce qu'il comporte en outre un vase d'expansion de fluide caloporteur, la chambre basse pression de ladite pompe communiquant avec un premier port d'admission d'une part et un second port de mise en pression relié audit vase d'expansion d'autre part.
Avantageusement, ledit carter de pompe est réalisé en métal, et en ce que lesdits engrenages sont réalisés en polymère.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de
11 invention
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :
- la figure 1 représente une vue en perspective de
1' ensemble,
-la figure 2 représente une vue éclatée d'une pompe haute pression selon l'invention,
-la figure 3 représente une section de la pompe dans le plan des pignons,
-la figure 4 représente une section de la pompe dans le plan passant par l'aspiration et le refoulement,
-la figure 5 représente le détail des 2 faces de la plaque de compensation,
-la figure 6 représente la plaque de compensation montée dans le carter avec les joints,
-la figure 7 représente les pignons montés sur la plaque de compensation,
-la figure 8 représente une section de la pompe dans le plan perpendiculaire aux pignons,
-la figure 9 représente une section d'une variante de la pompe dans le plan de ses pignons,
-la figure 10 représente une vue schématique d'un cycle de Rankine suivant l'invention.
Architecture générale de la machine selon l'invention La figure 10 représente une vue schématique d'un cycle de Rankine selon l'invention.
La figure 1 représente une vue en perspective d'un groupe moto-pompe haute pression complet selon un exemple de 1 ' invention .
Elle présente un ensemble composé de :
- une moto-pompe (806)
- un vase d'expansion (828)
La figure 2 représente la moto-pompe (806) en vue éclatée formée de trois parties creuses complémentaires :
- un ensemble carter moteur (100)
- un ensemble carter de pompe (200)
- un ensemble carter de filtre (300) .
Ces trois ensembles complémentaires (100, 200, 300) présentent chacun une bride périphérique complémentaire (respectivement 101, 201 et 301), pour permettre un assemblage de manière étanche par boulonnage.
L'attelage mobile, ou ensemble engrenages (400), est intégralement enfermé dans le volume défini par l'ensemble carter moteur (100) et l'ensemble carter de pompe (200) .
L'ensemble carter moteur (100) entoure la zone de la moto-pompe (806) qui s'étend du moteur jusqu'aux engrenages ou pignons (5 et 6) de la pompe. Cette zone comprend notamment le stator et le rotor (7 et 8) du moteur électrique (96) qui assurent la transformation de l'énergie électrique en mouvement rotatif de l'arbre (10) .
L'ensemble carter de pompe (200) comprend l'ensemble engrenages (400) . Il comprend également des interfaces sur lesquelles viennent se fixer de manière étanche le port d'admission (350) avec sa crépine de filtration (12), le port de mise en pression (351) réalisant l'interface avec le vase d'expansion (828) et l'ensemble carter de filtre (300). Deux ensembles de capteurs (13) de pression et/ou de température sont également assemblés sur l'ensemble carter de pompe (200), dans des orifices placés au plus près des zones d'aspiration et de refoulement de la pompe.
L'ensemble carter de filtre (300) comprend le filtre (11), ainsi que l'interface étanche (302) sur laquelle vient se fixer le raccord de refoulement (360) .
En fonctionnement, dans le cas où le fluide caloporteur (808) est principalement constitué d'éthanol, ledit fluide caloporteur (808) entre dans la moto-pompe (806) à une température inférieure à 120°C comprise en général entre 75°C et 100°C, et à une pression inférieure à 4 bars absolus généralement comprise entre 1 bar absolu et 3 bars absolus.
En fonctionnement, dans le cas où le fluide caloporteur (808) est principalement constitué de R245fa ou de R1233zd, ledit fluide caloporteur (808) entre dans la moto-pompe (806) à une température inférieure à 60°C comprise en général entre 40°C et 60°C, et à une pression inférieure à 5 bars absolus généralement comprise entre 1 bar absolu et 3 bars absolus.
Le fluide caloporteur (808) mis sous pression comprend un composant principal assurant le cycle thermodynamique tel que l'éthanol, le cyclopentane ou encore un fluide réfrigérant tel que le R245fa, le R1233zd ou encore le R1336mzz-Z. Ce fluide peut également être chargé avec un lubrifiant liquide pulvérisé dans la phase vapeur du composant principal. Le lubrifiant est choisi de manière à être miscible en phase liquide avec les autres composantes : typiquement un lubrifiant type polyalkylene glycol (PAG) pour l'éthanol, ou type polyolester (POE) pour la plupart des fluides réfrigérants. La proportion de lubrifiant est typiquement comprise entre 1 et 20% en masse.
Le fluide caloporteur éthanol (808) peut en outre comporter des composants tels que de l'eau, dans une proportion comprise entre 0 et 20% en masse, préférentiellement 4.5% de la masse dans le cas de l'éthanol (azéotrope) . Ce fluide caloporteur peut contenir éventuellement des additifs pour le dénaturer, par exemple de l ' euro-dénaturant (nom commercial), un alcane, un alcool comme du méthanol ou une cétone dans des proportions comprises entre 1 et 10% en masse.
Principe général d'un cycle de Rankine
La figure 10 représente une vue schématique d'un cycle de Rankine selon l'invention.
Un cycle de Rankine récupère la chaleur perdue d'une machine rotative associée (801), qui peut être un moteur à combustion interne. Cette chaleur peut être récupérée à plusieurs endroits : sur le circuit de refroidissement, sur le refroidissement de l'air comprimé en amont du moteur, sur le refroidissement des gaz d'échappement recirculés dans la machine rotative ou sur des gaz d'échappement (802) tel que représenté dans la figure 10.
Dans ce dernier cas, un échangeur de chaleur ou évaporateur (807) est inséré en dérivation sur la ligne d'échappement après le système de dépollution (803) . Une vanne de dérivation (827) répartit proportionnellement les débits entre ledit évaporateur (807) et l'échappement normal.
L' évaporateur (807) est destiné à évaporer le fluide caloporteur (808) du cycle de Rankine. Le fluide caloporteur (808) est aspiré par la moto-pompe (806) depuis le condenseur (805), à une pression définie par le vase d'expansion (828) dont la pression est contrôlée par une vanne électrique à commande par impulsions (829) . Ladite vanne (829) régule la pression d'air dans le vase d'expansion (828) soit en reliant le vase d'expansion (828) à une source d'air comprimé (821) temporairement, soit en reliant le vase d'expansion (828) à l'atmosphère temporairement, soit en fermant l'arrivée au vase d' expansion .
La température et la pression du fluide caloporteur (808) en amont de la moto-pompe (806) ainsi qu'en aval de 1 ' évaporateur (807) sont mesurées par des capteurs. Le calculateur du cycle de Rankine reçoit ces signaux pour commander les actionneurs du système ainsi qu'une température de la vapeur dans la machine de détente (804) mesurée soit dans la zone d'expansion (816) soit dans la zone d'échappement (817).
La vapeur produite dans 1 ' évaporateur (807) circule jusqu'à la machine de détente (804) . La machine de détente (804) comprend trois zones : une zone d'admission (814) de la vapeur à haute pression qui est connectée à la zone d'expansion (816), elle-même connectée à la zone d'échappement (817) à basse pression. La vanne de dérivation (59) ouvre et ferme un canal de dérivation mettant en communication la zone d'admission (814) et la zone d'échappement (817) . La vanne de dérivation (59) est avantageusement pneumatique et est connectée à la source d' air comprimé (821). Une vanne électrique (820) contrôle l'admission d'air dans la vanne de dérivation (59) soit en reliant la vanne de dérivation à la source d'air comprimé (821), soit en reliant la vanne de dérivation (59) à l'atmosphère. Le canal de dérivation ou la vanne de dérivation (59) comprend en outre une restriction, typiquement de l'ordre de 20 mm2 afin de limiter le débit volumique traversant le canal de dérivation et de provoquer une montée en pression de la zone en amont de la restriction.
La vapeur à basse pression échappée de la machine de détente (804) depuis la zone d'échappement (817) circule dans le condenseur (805) afin de retourner à l'état liquide. Le condenseur (805) est refroidi soit par un fluide de la machine rotative associée (801) soit par de l'air ambiant. Par exemple, un ou plusieurs des circuits de refroidissement de la machine rotative associée (801) peuvent être utilisés. Le fluide caloporteur condensé est alors réadmis par la moto-pompe (806), soit pour continuer à circuler, soit pour retourner dans le vase d'expansion (828).
La machine de détente (804) est connectée à un arbre tournant (813) de la machine rotative associée (801) via un réducteur (810) .
Principe général d'une pompe à engrenages
La figure 4 représente une section de la pompe dans le plan passant par l'aspiration et le refoulement.
Le fluide caloporteur (808) suit le processus classique de la pompe à engrenages : le fluide dans la zone basse pression (210) est entraîné dans le volume compris entre les dents des pignons (5 et 6) et fermé radialement par le carter de pompe (1) et axialement par la plaque de compensation (4) d'un coté et le fond du carter (211) de l'autre coté. Il est ainsi entraîné jusqu'à la zone haute pression (212) . Le contact (901) entre les dents des roues menée et menante créé une ligne d'étanchéité entre la zone haute pression (212) et la zone basse pression (210) .
Description détaillée des engrenages
La figure 4 représente une section de la pompe dans le plan passant par l'aspiration et le refoulement. Les pignons menant (5) et mené (6) possèdent :
une partie centrale constituée de dents, identiques pour les deux pignons (5 et 6) . Le nombre de dents et leurs dimensions dépend de nombreux paramètres tels que le débit ou encore la pression de la moto-pompe (806) . Dans l'exemple décrit, les pignons (5, 6) comptent 12 dents de dimensions conformes au standard IS01328, de module 1,75, avec un diamètre de référence de 21 millimètres, un déport de 0 , 5 et un angle de pression de 20 degrés. Sa classe de qualité est de 7.
- des prolongements cylindriques (216, 217) afin positionner les engrenages. Le carter pompe (1) et le carter moteur (2) comprennent deux perçages chacun (110 et 111) destinés à guider respectivement le pignon menant (5) et mené (6) . Le guidage est réalisé à l'aide des prolongements cylindriques (216, 217) faisant office de paliers lisses hydrodynamiques, solution plus économique qu'un palier à roulements. La partie mâle desdits paliers est réalisée dans le même matériau que l'engrenage, matériau à base de polymère, tel que le PEEK (polyétheréthercétone) de préférence chargé avec un autre matériau (carbone par exemple) , afin de minimiser les frictions dues au contact avec les carters (1 et 2) en fonte ou en alliage d'aluminium.
- Les pignons sont percés selon leur axe afin de permettre l'évacuation de fuites de liquide provenant des paliers lisses .
Le pignon menant (5) possède en sus de: cannelures venant s' ajuster sur 1/ arbre (10) pour transmettre un :ouple de rotation fourni par le moteur électrique (96) .
Description détaillée de la plaque de compensation
Les figures 6 et 7 représentent respectivement la plaque de compensation (4) montée dans le carter avec les joints et les pignons (5 et 6) montés sur la plaque de compensâtion . Le centre (923) est positionné à l'intersection des 3 plans orthogonaux suivants :
- du plan (920) qui contient les axes des ; deux engrenages (5, 6) , - du plan (921) orthogonal au plan précédent (920), qui coupe es dentures des engrenages (5, 6) dans leur épaisseur au mi liei des dents et qui est perpendiculaire aux axes des engrenages (t, 6)
;t du plan (922) orthogonal aux 2 plans pr ;édents
(920 et 921) t situé à égale distance des axes des engrenages
{ 5
Les cavités (905, 906, 907 et 908) sont aménagées dans une des parois face aux flancs des pignons (5 et 6) , sur les deux parois, ou être distribués séparément sur les 2 parois pour réduire la surpression en amont et en aval de la dent centrale active. Ces parois sont d'une part la plaque de compensation (4) et d'autre part le fond du carter (211) .
La cavité (905) est positionnée et dimensionnée de manière à assurer le passage dudit fluide caloporteur du volume (903) vers le canal (909) .
Les trois autres cavités (906, 907, 908) sont positionnées et dimensionnées afin d'obtenir une fonction similaire, la cavité (906) située côté haute pression permettant la mise en communication vers le canal haute pression (909), et les cavités (907, 908) situées côté basse pression permettant la mise en communication vers le canal basse pression (910) .
Les cavités (905 et 907) sont symétriques des cavités (906 et 908) respectivement par rapport au plan (922) . La suite de la description se focalise donc sur les cavités 905 et 907. Les deux autres (906 et 908) étant obtenues par symétrie.
Les cavités (905 et 907) sont situées de part et d'autre du plan (920) . Elles sont écartées l'une de l'autre d'une distance correspondante à 1,5 à 2,5 fois la largeur de la base d'une dent des engrenages (5, 6) selon la direction perpendiculaire au plan (920), sans être nécessairement symétriques par rapport à ce plan (920).
Les cavités (905 et 907) sont sensiblement à égale distance du plan (922). Cette distance est comprise entre 0,25 et 0,5 fois la hauteur d'une dent des engrenages (5, 6) . En conséquence, les cavités symétriques (906 et 908) sont donc distantes de leur symétriques respectifs (905 et 907) d'une distance comprise entre 0,5 et 1 fois la hauteur d'une dent des engrenages (5, 6) . La plaque de compensation (4) et/ou le fond du carter (211) présentent en outre au moins une cavité (911, 912) disposée pour assurer un passage du fluide entre l'espace inter-dents (904) afin de limiter la dépression dans l'espace inter-dents (904) susceptible de générer la formation de bulles de gaz.
Les cavités (911, 912) sont de forme symétrique par rapport au plan (922) et sont situées à proximité immédiate du centre (923), à une distance comprise entre 0 et 0,3 fois la hauteur d'une dent des engrenages (5, 6) . Ces cavités (911, 912) sont symétriques par rapport au plan (922) . Elles ne sont pas nécessairement situées dans le plan (920), leurs positionnements et dimensionnements étant déterminés par la position correspondant à l'obturation de la cavité (905) par la dent de 1' engrenage ( 6) .
Si l'on s'intéresse spécifiquement à l ' engrènement du pignon menant (5) et du pignon mené (6) comme représenté figure 7, on s'aperçoit que des volumes (903, 904) sont fermés par la ou les lignes de contact (901) d'une part et le jeu de denture (902) sur l'autre flanc de la dent engrenée.
La pression dans ce (ou ces) volume (s) va être sujette aux variations de volume durant l ' engrènement : lorsque les pignons tournent, le volume (903) va diminuer et dans le même temps le volume (904) va augmenter.
Sur la figure 7B la cavité (905) est positionnée et dimensionnée de telle sorte que le volume (903) soit en connexion avec ladite cavité (905), elle-même en connexion avec la haute pression par le canal (909) : le volume ainsi transféré contribue au débit de la pompe et évite une montée en surpression entre les dents. Les trois autres cavités (906, 907, 908) sont positionnées et dimensionnées afin d'obtenir une fonction similaire, la cavité (906) située côté haute pression permettant la mise en communication vers le canal haute pression (909), et les cavités (907, 908) situées côté basse pression permettant la mise en communication vers le canal basse pression (910) .
Cet arrangement de cavités (905, 906, 907 et 908) présente l'inconvénient pour la présente application de créer une dépression dans le volume (904) du fait de son augmentation de volume. Le fluide (808) étant à une température proche de la saturation, cette dépression va générer des bulles de gaz.
Dans la présente invention la cavité (911 et 912) visible sur la figure 7C est ajoutée afin que, lorsque la cavité (905) est obturée par la dent, le volume (903) vienne pousser le fluide vers le volume (904) au travers des ouvertures de passage (913 et 914). Cette cavité (911, 912) est positionnée et dimensionnée de manière à assurer le passage du fluide par les ouvertures de passage (913 et 914) au moment où la cavité (905) est obturée par la dent, ceci permettant à la cavité centrale (911, 912) de prendre le relais des cavités périphériques (905, 906, 907, 908) .
Ensuite, comme représenté figure 7D, le volume (904) va être connecté à la basse pression via la cavité (908) et le canal (910), assurant le remplissage du volume (904) alors que le passage (913 et 914) se referme.
L'ensemble des cavités (905, 906, 907, 908, 911, 912) peut être situé face à un des flancs des pignons (5 et 6), face aux deux flancs, ou être distribués séparément face aux deux flancs.
Les cavités (905, 906, 907, 908, 911 et 912) sont par exemple réalisées à partir d'usinages cylindriques, la profondeur desdites cavités étant choisie suffisamment grande pour limiter la vitesse de transfert du fluide entre les volumes (903, 904) et les canaux (909, 910) . Dans le cas présent, la profondeur des cavités (905, 906, 907, 908, 911 et 912) est d'environ 0,5mm, et le diamètre et le positionnement desdites cavités sont ajustés afin de réaliser les fonctions de transfert de fluide précédemment décrites.
Additionnellement , la présente pompe comporte une plaque de compensation axiale (4) dont la fonction est de réduire au maximum le jeu des flancs de pignons entre d'un coté la plaque de compensation, et de l'autre coté le fond du carter (211), ceci afin de limiter les fuites.
La compensation axiale est assurée par des paliers flottants, poussant au moins une surface flottante contre les flancs des pignons, ceci afin de limiter les fuites.
La face de la plaque (4) contre les flancs des 2 pignons subit une poussée due à la haute pression selon la surface (601), cette zone étant délimitée par le chanfrein (602) et un méplat (603) .
La face de la plaque (4) contre le carter (1) subit une poussée due à la haute pression selon la surface (604), zone de pression délimitée par le joint (24) . La poussée exercée par la surface (604) est supérieure à celle exercée par la surface opposée (601) ; en conséquence la plaque (4) est poussée contre les pignons (5 et 6), eux-même venant s'appuyer sur le fond du carter (211). Cette différence de poussée est ajustée pour minimiser les fuites sur les flancs des pignons (5 et 6) sans dégrader les pertes mécaniques par frottement associées. La figure 6 représente un joint (24) de type torique simple, dont la gorge associée (605) se prolonge dans le carter (1) et constitue, en continuité avec la gorge (605) de la plaque de compensation (4), une zone fermée (606) étanche à la haute pression .
Le joint (24), comme tous les autres joints statiques de la machine (21, 22 et 23), est un joint torique en fluoroélastomère, par exemple en VITON (nom commercial) ou en EPDM (éthylène-propylène-diène monomère) . Afin de limiter les frottements avec les pignons (5 et 6), cette plaque de compensation axiale (4) est constituée par un matériau à base de polymère, tel que le PEEK (polyétheréthercétone) de préférence chargé avec un autre matériau (carbone par exemple) . Alternativement, ladite plaque (4) peut être réalisée en PTFE (polytetrafluroethylène) chargé, ou en acier ou en alliage d'aluminium, sa surface de contact avec les pignons (5 et 6) recevant un traitement tribologique .
Dans le cas où les pignons (5 et 6) sont en métal (acier, bronze ou alliage d'aluminium), la pompe pourra comporter 2 plaques (4) en polymère de part et d'autre desdits pignon, ceci afin d'éviter le contact flanc (métal) sur carter (acier, fonte ou alliage d'aluminium).
Un second joint (21) vient se placer dans une gorge dans le carter (1) autour du joint (24) pour faire l'étanchéité de la zone basse pression avec l'extérieur.
Description détaillée de l'ensemble carter moteur
La figure 2 représente une vue éclatée d'une pompe haute pression selon l'invention. La figure 3 représente une section de la pompe dans le plan des pignons. Les figures 4 et 5 représentent respectivement une section de la pompe dans le plan passant par l'aspiration et le refoulement et une vue en perspective en coupe partielle de l'ensemble carter moteur (100) . La figure 8 représente une section de la pompe dans le plan perpendiculaire aux pignons. La figure 9 représente une section d'une variante de la même pompe dans le plan des pignons.
L'ensemble carter moteur (100) comprend un carter moteur (2) qui, dans l'exemple décrit, est réalisé en fonte, notamment une fonte de type graphite lamellaire résistant à l'éthanol. Ledit carter est réalisé par fonderie dans un moule et usinage des différents orifices et cavités, puis pourra faire l'objet d'un traitement de surface par nitruration dans un bain de sels suivi d'une phase d'oxydation. Alternativement, ledit carter pourra être réalisé en alliage d'aluminium.
Le carter moteur (2) comprend deux perçages (110 et 111) destinés à guider respectivement le pignon menant (5) et mené (6) . Le guidage est réalisé à l'aide d'un palier lisse hydrodynamique (216, 217), solution plus économique qu'un palier à roulements. La partie mâle desdits paliers est réalisée dans un matériau à base de polymère, tel que le PEEK (polyétheréthercétone) de préférence chargé avec un autre matériau (carbone par exemple) , afin de minimiser les frictions dues au contact avec les carters (1 et 2) en fonte ou en alliage d' aluminium.
Ledit ensemble (100) comprend un palier (31) destiné à guider l'arbre (10), en complément du second palier (32) implémenté du côté opposé au rotor (8) du moteur électrique (96) . Alternativement, et comme présenté par la variante en figure 9, l'engrenage menant (5) pourra être fretté ou surmoulé autour de l'arbre (10). En conséquence, l'arbre (10) pourra simplement être guidé par le palier lisse extérieur (217) ainsi que par un palier (34) implémenté entre le rotor noyé (81) et l'engrenage menant (5), le rotor noyé (81) se retrouvant en porte-à-faux. Le palier (34) est avantageusement fretté ou surmoulé sur l'arbre (10) . Alternativement, il peut être inséré dans le carter moteur (2) . Avoir les paliers (34) et (217) de part et d'autre de l'engrenage est avantageux pour répartir au mieux les efforts et également positionner plus précisément l'engrenage. Par ailleurs, avoir les paliers (34, 216, 217) montés sur l'arbre (10) plutôt que dans le carter moteur (2) ou le carter pompe (1) permet d' homogénéiser l'usure sur toute la surface du palier grâce à la rotation de celui-ci.
Ledit ensemble (100) pourra comprendre un joint dynamique (46) destiné à éviter les fuites de fluide caloporteur (808) vers l'extérieur. Dans l'exemple décrit figure 3, ce joint (46) est un joint à lèvre, mais il peut être réalisé par tout autre système d'étanchéité dynamique équivalent (garniture mécanique par exemple) .
Alternativement, comme présenté par la variante en figure 9, l'utilisation d'un joint dynamique (46) pourra être évitée. Dans ce cas, une chemise d'étanchéité (36) pourra être implémentée entre le stator (7) et le rotor noyé (81), l'étanchéité de cette chemise (36) vis-à-vis de l'extérieur étant assurée par un joint statique (25) . Le rotor noyé (81) doit alors être vernis ou surmoulé de plastique pour être protégé de la corrosion et des particules métalliques.
Ledit ensemble (100) pourra comprendre une chambre (202) comprise entre le palier (31) et le joint dynamique (46) percée par un ou plusieurs évents (203) débouchant à l'extérieur, pour permettre l'évacuation d'éventuelles fuites de fluides - fluide caloporteur (808), ou éventuellement fluide lubrifiant présent dans le palier (31) . L'architecture de la variante montrée en figure 9 ne nécessite pas l'utilisation de cette chambre (202) .
Le carter moteur (2) comprend deux perçages (214 et 215) permettant au fluide caloporteur (808) inclus dans la zone basse pression (210) ou haute pression (212) d'accéder à une soupape de surpression (14) . Ladite soupape de surpression permet d'éviter l'endommagement de la moto-pompe (806) par surpression en faisant communiquer la zone basse pression (210) à la zone haute pression (212) lorsque la pression relative de cette dernière (212) est supérieure à une valeur définie, comprise entre 20 bars et 60 bars dans l'exemple décrit.
Le carter moteur (2) comprend le moteur électrique (96) permettant d'actionner l'arbre (10) en rotation. Ce moteur électrique (96) est un moteur basse tension, dont la tension d'entrée est continue et pourra être de l'ordre de 12, 24 ou 48 Volts. Il s'agit ici d'un moteur à aimants permanents. Son électronique de puissance est régulée sans l'usage de capteur de position des pôles magnétiques (utilisation dite « sensorless » en anglais) . Il possède une interface via un bus de données type CAN (abréviation pour le terme anglais « Controller Area Network ») , qui permet d' interfacer toutes les données d'entrée et de sortie nécessaires au fonctionnement du moteur électrique (96) . Ces entrées / sorties peuvent être par exemple la commande de vitesse, le retour de la vitesse, le retour des capteurs de pression et/ou de température de la pompe (13), ou le retour du capteur de température positionné au contact ou à l'intérieur du boitier (9) de la partie commande du moteur électrique (96), ce capteur de température permettant de contrôler la température de l'électronique de puissance.
De plus, un calculateur pour le contrôle du cycle thermodynamique de Rankine peut être ajouté dans ce boitier électronique (9) . Les informations utiles à ce calculateur transitent par le bus de données CAN.
La partie commande contenue dans le boitier (9) du moteur électrique (96) est sensible et il doit être évité de l'exposer à de hautes températures. Le fluide caloporteur (808) ayant une température élevée, la conception de la moto-pompe (806) permet de limiter les transferts thermiques entre fluide caloporteur (808) et le boitier de la partie commande (9) . Dans ce but, le rotor (8) et le stator (7) du moteur électrique (96) sont espacés de quelques millimètres du carter moteur (2), ce volume d'air (204) permettant une isolation thermique.
Le carter moteur (2) et/ou le boitier (9) comprend également des ailettes de dissipation thermique (51 et 53) permettant de dissiper la chaleur due au passage fluide caloporteur (808) . Le carter moteur (2) et le boitier de la partie commande (9) sont également isolés thermiquement l'un de l'autre via un joint plat d'isolation thermique (50) .
Description détaillée de l'ensemble carter de pompe La figure 2 représente une vue éclatée d'une pompe haute pression selon l'invention. La figure 8 représente une section de la pompe dans le plan perpendiculaire aux pignons.
L'ensemble carter de pompe (200) comprend un carter de pompe (1) qui, dans l'exemple décrit, est réalisé en fonte, notamment une fonte de type graphite lamellaire résistant à l'éthanol. Ledit carter est réalisé par fonderie dans un moule et usinage des différents orifices et cavités, puis pourra faire l'objet d'un traitement de surface par nitruration dans un bain de sels suivi d'une phase d'oxydation. Alternativement, ledit carter pourra être réalisé en alliage d'aluminium.
Le carter de pompe (1) comprend deux interfaces d'admission de fluide (350 et 351) . Ceci permet l'admission du fluide caloporteur (808) à la zone basse pression (210) par le biais d'un port d'admission (350) directement lié au circuit dans lequel circule ledit fluide, mais également à l'aide du port de mise en pression (351) par le biais du vase d'expansion (828), implanté au plus près de la moto-pompe (806) . Cette configuration permet de limiter la cavitation liée à des fluctuations de pression en amont de la pompe.
La connexion et l'étanchéité desdits ports d'admission (350) et de mise en pression (351) pourront être assurées par des raccords à filetages coniques, par des joints plats type bague d'étanchéité (52) comme dans l'exemple décrit, ou par un système de bride avec joint d'étanchéité statique (plat ou torique) .
Le port d'admission (350) de fluide (808) provenant du circuit comprend une crépine de filtration (12) empêchant les particules solides d'accéder aux pignons (5 et 6).
Le carter de pompe (1) comprend deux interfaces destinées aux capteurs de température et/ou de pression (13). Ces interfaces sont situées au plus près de la zone basse pression (210) et de la zone haute pression (212) . Description détaillée de l'ensemble carter de filtre
La figure 2 représente une vue éclatée d'une pompe haute pression selon l'invention. La figure 8 représente une section de la pompe dans le plan perpendiculaire aux pignons.
L'ensemble carter de filtre (300) comprend un carter de filtre (3) qui, dans l'exemple décrit, est réalisé en fonte, notamment une fonte de type graphite lamellaire résistant à l'éthanol. Ledit carter est réalisé par fonderie dans un moule et usinage des différents orifices et cavités, puis pourra faire l'objet d'un traitement de surface par nitruration dans un bain de sels suivi d'une phase d'oxydation. Alternativement, ledit carter pourra être réalisé en alliage d'aluminium.
L'ensemble carter de filtre (300) comprend un filtre (11), servant à éliminer les impuretés du fluide caloporteur (808) circulant en zone haute pression (212) .
Afin de ne pas obstruer la circulation du fluide caloporteur (808) en cas d'encrassement du filtre (11), ledit filtre comprend une soupape de surpression (90) qui s'ouvre sur une différence de pression trop élevée entre l'amont et l'aval du filtre.
L'ensemble carter de filtre (300) comprend un port de refoulement (360) permettant la connexion de la moto-pompe (806) avec le reste du circuit. La connexion et l'étanchéité dudit port de refoulement pourra être assuré par un raccord à filetage conique, par un joint plat type bague d'étanchéité (52) comme dans l'exemple décrit, ou par un système de bride avec joint d'étanchéité statique (plat ou torique).

Claims

Revendications
1 - Pompe à engrenages pour la circulation d'un fluide (808), notamment un fluide caloporteur, comportant un corps de pompe, un espace de circulation dudit fluide (808) étant prévu dans le corps de pompe, un premier engrenage (5) et un second engrenage (6) engrenant l'un avec l'autre, un carter de pompe (1) délimitant l'espace de circulation dudit fluide (808) caractérisée en ce qu'elle comporte une chambre basse pression (210) communiquant avec un premier port d'admission (350) d'une part et un second port de mise en pression (351) d'autre part.
2 - Pompe à engrenages selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit carter de pompe (1) est réalisé en métal, et en ce que lesdits engrenages (5, 6) sont réalisés en polymère .
3 - Pompe à engrenages selon la revendication 2 caractérisée en ce que lesdits engrenages (5, 6) sont réalisés en PEEK.
4 - Pompe à engrenages selon la revendication 2 caractérisée en ce que lesdits engrenages (5, 6) comportent respectivement un ou deux prolongements cylindriques (217, 216) selon l'axe desdits engrenages. Lesdits prolongements servant de paliers lisses hydrodynamiques et étant réalisés dans le même matériau que lesdits engrenages (5, 6) .
5 - Pompe à engrenages selon la revendication 2 caractérisée en ce que ledit engrenage (5) est surmoulé sur 1 ' arbre (10).
6 - Pompe à engrenages selon la revendication 1 caractérisée en ce que au moins l'un desdits engrenages (5, 6) présente un perçage débouchant selon son axe.
7 - Pompe à engrenages selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'une des surfaces frontales desdits engrenages (5, 6) est en contact avec la surface intérieure dudit carter de pompe (1) en métal, l'autre surface frontale étant en contact avec une plaque de compensation (4) .
8 - Pompe à engrenages selon la revendication précédente caractérisée en ce qu'elle comporte des passages pour la circulation dudit fluide (808) sous pression entre ledit carter (1) et l'interface entre ladite plaque de compensation (4) et ledit carter (1), ladite plaque de compensation (4) étant flottante selon une direction perpendiculaire au plan de ladite interface .
9 - Pompe à engrenages selon la revendication précédente caractérisée en ce qu'elle comporte un joint torique (24) disposé dans ladite interface et délimitant une zone de pression périphérique (601) et une zone étanche intérieure (606) .
10 - Pompe à engrenages selon la revendication 7 caractérisée en ce que ladite plaque de compensation (4) et/ou le fond du carter (211) présentent des cavités (905, 906, 907 et 908) destinées à réduire la surpression en amont et en aval de la dent centrale active.
11 - Pompe à engrenages selon la revendication précédente caractérisée en ce que ladite plaque de compensation (4) et/ou ledit fond du carter (211) présentent au moins une cavité (911, 912) de manière à assurer le passage dudit fluide (808) par les ouvertures de passage (913 et 914) au moment où la cavité (905) est obturée par la dent.
12 - Pompe à engrenages selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit premier port d'admission (350) comporte une crépine de filtration (12) en amont du débouché dans ladite chambre basse pression (210) dudit second port de mise en pression (351) .
13 - Pompe à engrenages selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un filtre (11) disposé sur le port de sortie (360), ledit filtre (11) présentant des pores de section inférieure à la section des pores de ladite crépine de filtration (12) .
14 - Pompe à engrenages selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte une chemise d'étanchéité (36) disposée entre un rotor noyé (81) et une culasse statorique (7) .
15 - Pompe à engrenages selon la revendication précédente caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un joint statique (25) disposé entre un épaulement transversal de ladite chemise d'étanchéité (36) et la surface frontale arrière du corps de pompe .
16 - Pompe à engrenages selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un rotor (8) et un engrenage menant (5) sont montés sur le même arbre (10) porté par au plus deux paliers (34, 217) .
17 - Pompe à engrenages selon la revendication 16 caractérisée en ce que lesdits paliers (34, 217) sont constitués par des bagues en polymère surmoulées sur l'arbre (10) .
18 - Pompe à engrenages selon la revendication 16 caractérisée en ce que les deux paliers (34, 217) sont positionnés de part et d'autre de l'engrenage menant (5) .
19 - Pompe à engrenages selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit électronique logé dans un boîtier (9) isolé dudit carter moteur par un joint plat d'isolation thermique (50).
20 - Pompe à engrenages selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte une soupape de surpression (14) de mise en communication de la zone basse-pression (210) avec la zone haute-pression (212) en cas de dépassement d'une différence de pression-seuil entre ladite zone haute-pression (212) et ladite zone basse-pression (210).
21 - Pompe à engrenages selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte un capteur (13) de température et/ou de pression dans au moins l'une des zones haute-pression (212) et basse-pression (210).
22 - Pompe à engrenages selon la revendication 21 caractérisée en ce qu'elle comporte un connecteur de communication transmettant un signal bi-directionnel de communication généré par au moins un capteur (13) et d'au moins un signal parmi les signaux suivants mais non limité à ceux-ci : commande de vitesse du moteur électrique, retour de vitesse du moteur électrique, défaut de ladite pompe.
23 - Système pour la circulation d'un fluide (808), notamment d'un fluide caloporteur, comportant une pompe à engrenages formée par un corps de pompe, un espace de circulation dudit fluide (808) étant prévu dans le corps de pompe, un premier engrenage (5) et un second engrenage (6) engrenant l'un avec l'autre, un carter de pompe (1) délimitant l'espace de circulation dudit fluide (808) caractérisé en ce qu'il comporte en outre un vase d'expansion (828) dudit fluide (808), la chambre basse pression (210) de ladite pompe communiquant avec un premier port d'admission (350) d'une part et un second port de mise en pression (351) relié audit vase d'expansion (828) d'autre part.
24 - Système pour la circulation d'un fluide (808), notamment d'un fluide caloporteur, selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit carter de pompe (1) est réalisé en métal, et en ce que lesdits engrenages (5, 6) sont réalisés en polymère.
25 - Système de récupération d'énergie par cycle de Rankine comportant une machine de détente, un moyen de récupération de chaleur par un fluide (808) caloporteur circulant en boucle fermée, un condenseur et une pompe de circulation à engrenages formée par un corps de pompe, un espace de circulation dudit fluide (808) étant prévu dans le corps de pompe, un premier engrenage (5) et un second engrenage (6) engrenant l'un avec l'autre, un carter de pompe (1) délimitant l'espace de circulation dudit fluide (808) caractérisé en ce qu'il comporte en outre un vase d'expansion (828) dudit fluide (808), la chambre basse pression (210) de ladite pompe communiquant avec un premier port d'admission (350) d'une part et un second port de mise en pression (351) relié audit vase d'expansion (828) d'autre part.
26 - Système de récupération d'énergie par cycle de Rankine selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit carter de pompe (1) est réalisé en métal, et en ce que lesdits engrenages (5, 6) sont réalisés en polymère.
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