L'invention a pour objet une machine volumétrique à rouleaux, qu'elle soit motrice ou génératrice d'énergie fluide, échangeant de l'énergie avec n'importe quel type de fluide, liquide ou gazeux.

On connaît déjà une machine volumétrique utilisable comme génératrice d'énergie fluide (GB-A-2 028 430).

Elle comporte au moins les éléments et dispositions ci-après:

• - un stator constitué d'un corps tubulaire ("anneau statorique") et de deux flasques, l'anneau statorique ayant une surface intérieure cylindrique ("surface statorique") dont la directrice est appelée "courbe statorique",
• - un arbre pouvant tourner dans le stator,
• - un rotor calé sur cet arbre, ayant une surface extérieure dont le profil est circulaire et présentant n_r rainures identiques, débouchant à la périphérie du rotor, angulairement équidistantes, limitées latéralement par deux faces planes parallèles à un même plan médian, radial ou non,
• - des rouleaux cylindriques, en nombre n_r guidés dans les rainures du rotor de manière à pouvoir rester en contact linéique avec la surface statorique et à constituer ainsi des chambres de travail comprenant le volume limité par le rotor, le stator et deux rouleaux successifs, y compris une partie variable du volume des rainures où se meuvent les deux rouleaux.

Nous appellerons "face de poussée " et "face de conduite" de la rainure respectivement la face qui se trouve en arrière du rouleau et celle qui se trouve en avant du rouleau dans le sens du mouvement du rotor,

• - une distribution du fluide par des lumières disposées dans le stator et éventuellement équipées de clapets.

Nous dirons de la machine ainsi constituée qu'il s'agit d'une "machine élémentaire".

Comme l'élancement axial des rouleaux est nécessairement limité pour préserver la qualité de leur guidage, pour réaliser une machine de forte cylindrée sans en augmenter exagérément les dimensions transversales, il paraît évident de constituer cette machine de plusieurs machines élémentaires coaxiales ainsi que cela se fait par exemple pour des machines volumétriques à palettes.

Une telle machine constituée de machines élémentaires en nombre k, comporterait alors nécessairement k rotors calés sur le même arbre ainsi qu'un stator constitué de k anneaux statoriques et de cloisons étanches en nombre (k - 1), chacune d'elles séparant deux machines élémentaires, les deux flasques précités jouant quant à eux le rôle de cloisons d'extrêmité.

La machine à rouleaux fonctionnant en pompe à liquide qui a été décrites construite et utilisée, présente une distribution analogue à celle des machines à palettes et de ce fait a des rouleaux ayant un jeu important dans leur rainure, pour permettre le passage du rouleau d'une face à l'autre de la rainure afin de lui faire jouer un rôle d'organe de distribution interne, évitant en principe qu'un certain volume de liquide puisse, à un moment du cycle, se trouver enfermé dans une chambre de travail dont le volume est en diminution.

Pratiquement, cette condition ne semble malheureusement pas pouvoir être remplie parfaitement, ce qui se marque par des surpressions momentanées importantes.

Par ailleurs, si, en respectant certaines exigences de conception en inversant leurs admission et échappement, certaines pompes volumétriques sont réversibles en moteur, l'expérience montre que les pompes du type décrit au document précité ne sont pas réversibles en moteur à liquide.

Lorsqu'on inverse leurs admissions et leurs échappements, le couple recueilli à l'arbre de la machine n'est pas constant mais évolue très irrégulièrement en fonction de l'angle de rotation de l'arbre et même, pour certaines d'entre elles, s'inverse périodiquement.

Si une pompe à rouleaux peut être utilisable avec d'importantes variations de couple à l'arbre, un moteur n'est évidemment pas viable dans les mêmes conditions.

Les exigences de conception auxquel les est soumis un moteur volumétrique à rouleaux apparaissent donc comme beaucoup plus sévères que pour la pompe correspondante, surtout si le fluide avec lequel la machine échange de l'énergie est un liquide.

C'est sans doute ce qui explique que les moteurs à rouleaux déjà rarement décrits aient été encore plus rarement produits industriellement.

Dans ces moteurs connus (US-A-2 826 179), contrairement à celui objet de l'invention, l'organisation de la distribution reste proche de celle d'un moteur à palettes. D'ailleurs, le brevet (US-A-2 826 179) précise que les éléments de conduite (driving elements) sont, dans ce moteur, indifféremment des rouleaux ou des palettes.

Les dispositions nouvelles de la machine objet de l'invention font qu'elle répond aux exigences de conception lui permettant de fonctionner en machine motrice mais la machine ainsi conçue peut à l'évidence fonctionner en machine génératrice d'énergie fluide.

Bien qu'il s'agisse dans les deux cas de la même machine, pour pouvoir en décrire sans ambiguité les dispositions originales, il est indispensable de la considérer soit comme motrice, soit comme génératrice d'énergie fluide.

Ces dispositions nouvelles visant essentiellement à répondre aux exigences des machines motrices, c'est surtout sous cette forme que la présente description la considère donc comme "moteur".

Selon l'invention, pour pouvoir délivrer un couple de régularité satisfaisante, en particulier lorsque le fluide auquel l'énergie est prélevée est un liquide, le moteur présente simultanément l'ensemble des quatre caractéristiques ci-après:

• - la surface statorique présente un ordre de symétrie égal à deux par rapport à son axe qui coïncide avec l'axe de rotation du rotor; autrement dit, la courbe statorique présente un ordre de symétrie égal à deux par rapport à son centre, qui coïncide avec celui du profil des rotors,
• - au moins lorsque la machine ne comprend qu'une machine élémentaire, le nombre de rainures du rotor (et donc de rouleaux) est un nombre impair n_r ",
• - dans sa rainure, chaque roul eau ne présente à l'origine que le jeu minimal compatible avec son mouvement radial relatif,
• - la distribution se fait par des lumières successivement obturées et découvertes par le rotor et les rouleaux, suivant les modalités originales décrites ci-après:
• . la distribution comporte l'une des deux situations générales des lumières d'admission et d'échappement:
  • a) dans un flasque, deux lumières d'admission et deux lumières d'échappement dans l'autre flasque et,
  • b) deux lumières d'admission dédoublées symétriquement dans les deux flasques de manière à assurer l'équilibre des efforts axiaux dûs au fluide sur le rotor et deux lumières d'échappement localisées dans l'anneau statorique,
• . ces lumières d'admission et d'échappement se localisent de manière différente par rapport au lieu géométrique décrit par les contacts qu'un rouleau peut avoir avec sa rainure pendant un tour complet du rotor quand ce rouleau se maintient par ailleurs en contact avec la surface statorique. Le lieu géométrique en question est constitué de l'ensemble de deux surfaces réglées très voisines, fermées sur elles-mêmes, correspondant respectivement au contact avec la face de poussée et avec la face de conduite,
• . dans les moteurs conformes à l'invention, les lumières d'admission sont situées tout entières à l'intérieur de ce lieu géométrique, les lumières d'échappement tout entières à l'extérieur de ce même lieu géométrique.

La première originalité de la distribution utilisant les lumières ainsi localisées est la suivante une admission et un échappement successifs dans le sens du mouvement du rotor sont nécessairement fermée et ouvert respectivement par la face de conduite d'une rainure et par le rouleau correspondant. Cette organisation de la distribution diffère donc fondamentalement de celle d'une machine à palettes, où une admission et un échappement successifs dans le sens du mouvement sont nécessairement fermée et ouvert respectivement par deux palettes successives délimitant une chambre de travail.

La deuxième originalité de la distribution réside dans le fait que chaque lumière d'échappement est localisée angulairement de manière à être ouverte par le rouleau opérant au moment où celui-ci se trouve au voisinage de la position qui correspond à son éloignement maximal de l'axe du rotor ( à sa "sortie" maximale), et de préférence exactement dans cette position.

Dans un moteur recevant son énergie d'un liquide, chaque lumière d'admission est en outre localisée angulairement de manière que sa fermeture par la face de conduite de la rainure du rouleau opérant se fasse idéalement en même temps que l'ouverture de la lumière d'échappement par le rouleau; dans un moteur recevant son énergie d'un fluide gazeux, la fermeture de l'admission peut, par un décalage angulaire approprié des extrémités des lumières, précéder l'ouverture de l'échappement, de manière à permettre une certaine détente du gaz admis.

La troisième originalité de la distribution porte sur les conditions d'ouverture de chaque lumière d'admission: cette ouverture se fait par la face de poussée d'une rainure, et, en raison de la localisation de la lumière d'admission, le fluide sous pression se trouve nécessairement admis entre le fond de la rainure et le niveau du contact que le rouleau a, à cet instant, avec sa rainure s'il est par ailleurs en contact avec la surface statorique. Comme, juste avant l'ouverture de la lumière d'admission, le rouleau est en principe entraîné, il tend à prendre appui sur la face de conduite de sa rainure: des dispositions doivent donc être prises pour que l'écoulement du fluide à haute pression se fasse vers la chambre de travail en expansion. Pour satisfaire pratiquement à cette condition, un canal ouvert est prévu dans la face de conduite de la rainure, de section suffisante pour que la résistance au passage du fluide par ce canal soit inférieure à celle qu'il rencontrerait au passage entre le rouleau appuyé sur la face de conduite de sa rainure et la face de poussée de celle-ci, vers l'échappement ouvert dans l'entre-temps par le rouleau précédent.

Ce passage préférentiel doit être encore assuré quand, par suite d'usure, le rouleau a pris un certain jeu dans sa rainure.

Les moteurs à rouleaux conformes à l'invention apparaissent en pratique comme assez peu sensibles à la forme locale de la courbe statorique pour autant que celle-ci soit continue les différentes courbes d'allure générale elliptique que l'on utilise dans les machines à palettes donnent ici des résultats peu différents, et sont donc directement transposables.

Lorsque le fluide porteur d'énergie est un liquide, une zone de conformité entre la courbe statorique et le profil du rotor n'est pas indispensable, et l'on peut alors emprunter la courbe statorique à la technique des assemblages en utilisant la courbe connue de longue date sous le nom de "Profil Polygon P2" la surface statorique peut alors être rectifiée par simple génération mécanique sur des machines connues.

Les paramètres à imposer à la génération d'une surface cylindrique ayant pour directrice un profil Polygon P2 se limitent au rayon moyen et à l'excentricité du profil: pour utiliser ce profil comme courbe statorique d'un moteur conforme à l'invention, il suffit d'imposer une excentricité égale à la moitié de la course maximale voulue pour les rouleaux et un rayon moyen égal à celui du profil du rotor majoré de la moitié de la course maximale imposée aux rouleaux.

Le nombre des rouleaux est en principe quelconque, pour autant qu'il soit impair, mais il est désavantageux que plus de deux rouleaux puissent être mis simultanément à l'admission dans chacune des demi-machines séparées par le plan principal de la surface statorique correspondant à sa plus petite courbure.

Ce résultat n'est acquis que si n_r" " ≼ 7; l'expèrience amène d'ailleurs à considérer comme optimal le nombre de rouleaux n_r** = 7.

Il est opportun de minimiser le jeu que les rouleaux présentent à l'origine dans leur rainure pour satisfaire aussi facilement que possible, même après une certaine usure, à la condition imposée par la troisième particularité de la distribution décrite ci-dessus.

On conçoit que l'usure des rouleaux puisse exercer une influence défavorable sur le fonctionnement du moteur quand elle devient très importante: il faut en tout cas choisir les matériaux constitutifs des divers éléments de la machine de manière que l'usure des rouleaux soit aussi faible que possible.

On observera à ce propos que dans la machine conçue conformément à ce qui précède, les rouleaux tournent spontanément sur eux-mêmes au moins pendant une partie du cycle, ce qui tend à répartir automatiquement l'usure sur toute leur périphérie.

Lorsque le moteur doit comporter plusieurs machines élémentaires, il est évidemment opportun de tirer profit de cette pluralité pour parfaire la régularité du couple délivré: quand les machines élémentaires sont identiques, le nombre n_r ^** de rouleaux guidés par chaque rotor étant impair, il faut pour atteindre ce but, organiser la machine de manière à décaler successivement, d'une machine élémentaire à l'autre, toujours dans le même sens à partir d'une machine élémentaire d'extrémité, les chambres de travail évoluant dans chaque machine élémentaire d'un même angle 8 égal à n/kn_r °°.

Cet effet peut être obtenu en décalant angulairement les rotors sur leur arbre sans décaler les anneaux statoriques, ou en décal ant angulairement les anneaux statoriques sans décaler les rotors, ou encore en combinant les deux possibilités.

On observera que si le nombre des machines élémentaires est pair, et si l'on groupe alternativement les lumières de même nom dans les voiles de séparation successifs, les poussées axiales dues aux pressions du fluide sur les rotors s'équilibrent spontanément et les paliers du moteur ainsi organisé sont donc libres de tout effort axial dû au fluide.

Quand le moteur peut ou doit comporter au moins deux machines élémentaires identiques, on peut apporter une variante à l'invention, selon laquelle le nombre de rouleaux nr" guidés par chaque rotor est pair.

Si le moteur répondant à cette variante ne comporte que deux machines élémentaires, on ne peut alors obtenir une régularité suffisante du couple à l'arbre que si les chambres de travail évoluant dans chacune des machines élémentaires sont décalées d'un angle 8 suffisant, la plus grande régularité étant obtenue pour δ=π/n_r quand les machines élémentaires sont identiques.

L'intérêt de cette variante réside dans le fait qu'à cause du nombre pair des rouleaux, la résultante radiale des pressions du fluide sur chaque rotor est nulle en permanence: il n'y a donc aucun effort radial dû au fluide sur les paliers de la machine.

Si par surcroit, on localise dans la cloison de séparation les lumières de même nom, les poussées axiales sur les rotors peuvent être équilibrées aussi et les paliers sont alors soustraits à tout effort dû au fluide.

Lorsque le nombre k de machines élémentaires identiques est supérieur à deux, on obtient une régularité aussi grande que possible du couple à l'arbre en décalant successivement d'une machine élémentaire à l'autre, toujours dans le même sens à partir d'une machine élémentaire d'extrémité les chambres de travail évoluant dans chaque machine élémentaire d'un même angle δ=2π/kn_r* .

Si le nombre k est pair, il est encore possible d'organiser la machine comme on l'a vu plus haut pour que les poussées axiales dues aux pressions du fluide sur les rotors s'équilibrent spontanément.

La machine objet de l'invention fonctionne en machine génératrice d'énergie fluide si on entraîne le rotor en sens inverse de son sens de rotation dans la machine motrice; les lumières qui étaient à l'admission se trouvent alors à l'échappement et réciproquement.

Quand on la considère comme génératrice d'énergie fluide, et constituée d'une seule machine élémentaire (k=1) où les rouleaux sont nécessairement en nombre impair n_r**, on doit décrire comme suit ses dispositions originales :

• - les lumières d'échappement sont localisées entièrement à l'intérieur du lieu géométrique déjà évoqué, les lumières d'admission étant localisées entièrement à l'extérieur de ce même lieu géométrique,
• - une admission et un échappement successifs dans le sens du mouvement du rotor sont respectivement fermée et ouvert par un rouleau et par la face de conduite de la rainure correspondante,
• - chaque lumière d'admission est positionnée angulairement de manière telle que sa fermeture se fasse par le rouleau opérant au voisinage de la position de ce rouleau qui correspond à sa sortie maximale et, de préférence, exactement dans cette position,
• - la fermeture de chaque lumière d'échappement se fait par la face de poussée d'une rainure, un canal ouvert étant prévu dans la face de conduite de cette rainure pour canaliser l'écoulement du fluide de la chambre de travail en contraction vers l'échappement.

Une machine génératrice d'énergie fluide conforme à l'invention est une pompe à simple transfert si la fermeture de chaque admission et l'ouverture de l'échappement consécutif sont simultanées ou quasi-simultanées.

De telles pompes ne connaissent aucune surpression indésirable, même lorsque le fluide pompé est un liquide, mais elles demandent pratiquement à être munies d'un clapet anti- retour sur chacun des échappements.

On peut de la même manière utiliser en compresseur pour fluide gazeux une machine conforme à l'invention dans laquelle il existe un décalage angulaire entre la fin d'une admission et le début d'un échappement consécutif.

L'intérêt majeur que présentent les machines conformes à l'invention, par rapport aux machines volumétriques comparables, résulte de la simplicité des formes de leurs éléments constitutifs : il est notamment possible de réaliser la plupart d'entre eux par frittage et de minimiser les usinages ultérieurs.

En particulier, il est en principe possible, pour des applications difficiles, de réaliser en néocéramiques tous les éléments du capsulisme soumis à l'usure abrasive.

Les figures 1 et 2 de la planche 1/1 décrivent une machine conforme à l'invention, utilisée en moteur, ne comportant qu'une machine élémentaire (k=1) et recevant son énergie d'un liquide.

• La figure 1 est une coupe transversale du moteur; cette coupe présente un centre de symétrie 0.
• La figure 2 est une coupe axiale du moteur suivant le dièdre dont la section normale par le plan de la figure 1 est la ligne brisée AOB, les deux demi-coupes, correspondant respectivement à chacun des demi-plans du dièdre, étant rabattues dans le plan axial dont la trace dans le plan de la figure 1 est la droite CD.

Le moteur comporte un stator constitué des flasques 1 et 2, ici réalisés en deux pièces, et d'un anneau statorique 3.

Le rotor 4 est calé sur l'arbre 5, pouvant tourner dans le stator par l'intermédiaire des roulements 6 et 7.

Le rotor, qui tourne dans le sens de la flèche présente sept rainures 8, guidant sept rouleaux 9, 10 et 11.

Les deux lumières d'admission 12 et 13 sont localisées dans le flasque 1 et les deux lumières d'échappement 14 et 15 dans le flasque 2.

Dans la position représentée du rotor, le rouleau 10, en fin de période de motricité, est sur le point d'ouvrir la lumière d'échappement 14, et la face de conduite 16 de sa rainure est sur le point de fermer la lumière d'admission 12 ; le rouleau 9 est sur le point de devenir moteur et la lumière d'admission 12 alimente déjà la chambre de travail en expansion 17 par le canal ouvert 18 prévu dans la face de conduite de sa rainure.

Le rouleau 11, appliqué sur la face de poussée 19 de sa rainure est en pleine période de motricité.

Tous les autres rouleaux sont entraînés.

La courbe statorique 20 est ici un profil Polygon P2.