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Machine volumétrique de type à vis améliorée
Domaine technique de l'invention
Cette invention se rapporte à une machine volumétrique de type à
vis améliorée. Plus particulièrement, cette invention se rapporte à une ma-
chine volumétrique comprenant un boîtier avec un premier rotor et un deu-
xième rotor qui sont montés tournants dans le boîtier et qui sont entraînés
dans
des sens qui sont opposés l'un par rapport à l'autre.
Etat de la technique
Dans le domaine de la technologie du vide (ou la technologie du va-
cuum), on utilise depuis de nombreuses années les machines rotatives volumé-
triques qui sont utilisées comme machine de pompage des gaz compressibles.
Parmi ces machines, les pompes dites à vis sont particulièrement
utilisées.
Elles comprennent typiquement un boîtier et deux rotors jumelés, montés tour-
nants dans ce boîtier et entraînés dans des sens qui sont opposés l'un par
rapport à l'autre. Les rotors de ce type de pompes sont constitués par des
pièces en forme de vis, c'est-à-dire des pièces comportant un noyau qui porte
un ou plusieurs filets dont le pas peut être constant ou variable au long de
la
dimension longitudinale du rotor.
La structure et le fonctionnement de ce type de pompes sont bien
connus par les hommes du métier dans le domaine technique du vide ainsi
qu'une description détaillée de ces pompes ne sera pas donnée à cet endroit.
Les rotors dans une pompe à vis classique sont normalement en-
traînés par un moteur électrique asynchrone. Un moteur asynchrone se com-
pose typiquement de deux pièces principales, à savoir d'un stator en un maté-
riau ferromagnétique qui sert de support et qui inclut un bobinage relié au ré-
seau ou à un variateur de vitesse et d'un rotor en forme de cylindre,
également
en un matériau ferromagnétique, qui est fixé au stator par des paliers. Le
rotor
comporte un enroulement constitué de conducteurs en court-circuit. Les con-
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ducteurs du rotor sont parcourus par des courants induits par le champ magné-
tique qui est créé par les courants statoriques.
De même que pour une pompe à vis, la structure et le fonctionne-
ment des moteurs asynchrones sont bien connus par les hommes du métier
dans le domaine technique du vide. Une description plus détaillée de ces mo-
teurs sera donc omise.
Classiquement, l'une des deux vis de la pompe est directement re-
liée au rotor du moteur asynchrone de façon qu'elle soit automatiquement en-
traînée par le moteur. Bien entendu, il est également possible de rajouter une
pièce de liaison entre le rotor du moteur et l'axe du rotor, mais il est
important
de noter que la rotation du rotor du moteur est transmise de manière directe à
l'un des rotors de la pompe. Grâce à un engrenage qui relie les deux vis de la
pompe, la rotation de la première vis qui est directement entraînée par le mo-
teur est transmise directement à l'autre vis.
Les avantages de cette structure classique résident particulièrement
dans le fait que les deux vis de la pompe peuvent être entraînées avec un seul
moteur. En outre, la synchronisation des mouvements des deux rotors dans la
pompe est automatiquement garantie par le fait que c'est la rotation de la pre-
mière vis qui est transmise à l'autre vis par l'engrenage reliant les deux
vis.
Cependant, cette structure classique possède également des désa-
vantages importants, particulièrement causés par le besoin de lubrification de
l'engrenage. En effet, s'agissant d'un engrenage qui transmet des couples im-
portants, on sait que les roues dans l'engrenage subissent des couples d'ordre
de plusieurs kNm, ce qui rend une bonne lubrification par des huiles minérales
ou graisses absolument nécessaire. Or, des engrenages lubrifiés signifient un
maintien plus compliqué. D'un autre côté, la présence des huiles ou des
graisses peut négativement influencer les performances de la pompe, notam-
ment dans les applications nécessitant un niveau d'hygiène strict (p.ex. dans
l'industrie alimentaire ou pharmaceutique).
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Pour palier à ces problèmes, il a déjà été proposé de modifier une
pompe à vis en remplaçant l'entraînement par un seul moteur asynchrone tel
que décrit plus haut par l'entraînement de deux moteurs synchrones.
Un moteur asynchrone, exactement comme un moteur synchrone,
est constitué d'une partie tournante (ou le rotor), et d'une partie fixe (ou
le sta-
tor). Par contre, contrairement à un moteur asynchrone, le rotor dans un mo-
teur synchrone est mis en rotation par un champ magnétique qui provient soit
d'aimants permanents soit de bobines qui sont alimentées en courant continu.
En règle générale, le rotor dans des moteurs à faibles puissances utilise des
aimants permanents, pendant qu'on utilise des électro-aimants dans des mo-
teurs avec les puissances plus importantes.
De nouveau, un homme du métier connaît parfaitement la structure
et le fonctionnement des moteurs synchrones, ainsi qu'il ne semble pas néces-
saire d'en donner une description plus détaillée.
Dans une configuration avec deux moteurs synchrones, chacun des
deux rotors (ou des vis) de la pompe est entraîné par l'un des deux moteurs.
La
synchronisation des mouvements des deux rotors est réalisée directement par
le biais des deux moteurs. En effet, comme la vitesse de rotation des moteurs
synchrones correspond par défaut à la vitesse de rotation du champ tournant,
il
est facile de contrôler la vitesse de rotation des deux vis en utilisant un
module
de contrôle correspondant. Grâce à ce module de contrôle unifié pour les deux
moteurs, la vitesse de rotation des deux rotors de la pompe peut être synchro-
nisée.
Cependant, les moteurs synchrones sont généralement plus chers
que les moteurs asynchrones. De même, la réalisation du module de contrôle
pour les deux moteurs synchrones résulte aussi en une augmentation considé-
rable du prix de la pompe. Au même temps, cette électronique de contrôle doit
être intégrée dans le boîtier de la pompe, ce qui augmente l'encombrement de
la pompe d'une manière considérable.
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Exposé sommaire de l'invention
L'objet de la présente invention vise donc à pallier les inconvénients
précités et à fournir une machine volumétrique du type à vis qui est à la
fois
moins complexe, moins encombrante et aussi moins chère que les machines
du même type connues.
Un autre objet de la présente invention vise à proposer une machine
volumétrique du type à vis qui est absolument libre de tout moyen
lubrifiant
qui pourrait polluer les fluides pompés.
Les objets assignés à l'invention sont atteints à l'aide d'une machine
volumétrique de type à vis , comprenant un boîtier avec un premier rotor et
un deuxième rotor qui sont montés tournants dans le boîtier et qui sont entraî-
nés dans des sens qui sont opposés l'un par rapport à l'autre, la machine volu-
métrique comprenant un premier moteur et un deuxième moteur qui sont arran-
gés dans un carter d'entraînement et qui sont reliés au boîtier de manière que
le premier rotor est entraîné par le premier moteur et que le deuxième rotor
est
entraîné par le deuxième moteur.
L'avantage de cette invention, parmi d'autres choses, réside notam-
ment dans le fait que les rotors de la machine volumétrique proposée sont en-
traînés individuellement. Grâce à un tel entraînement individuel, les deux
rotors
peuvent être entraînés d'une manière plus précise et plus adaptée aux besoins
concrets de l'utilisation particulière.
Dans un mode particulier de réalisation de la présente invention, le
premier moteur et/ou le deuxième moteur est un moteur asynchrone. Ce mode
de réalisation de l'invention a l'avantage, parmi d'autres choses, que
l'utilisation des moteurs asynchrones rend la production de la machine volumé-
trique beaucoup moins chère que dans le cas de l'utilisation des moteurs syn-
chrones, tels que proposés dans l'état de la technique. En outre, un moteur
asynchrone peut typiquement être maintenu et contrôlé d'une manière plus fa-
cile par rapport à un moteur synchrone comparable au niveau des perfor-
mances.
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Dans un autre mode de réalisation particulier de la présente inven-
tion, la partie rotative du premier moteur est reliée au premier rotor et/ou
la par-
tie rotative du deuxième moteur est reliée au deuxième rotor. L'avantage de ce
mode de réalisation de la présente invention peut notamment être trouvé, par-
5 mi d'autres choses, dans une construction simple de la machine
volumétrique.
En effet, les rotors (les parties rotatives) des moteurs peuvent être
directement
reliés aux rotors de la machine, mais il est également possible d'intercaler
un
ou plusieurs éléments de liaison entre les parties rotatives des moteurs et
des
rotors de la pompe.
De manière notable, une première roue de synchronisation et une
deuxième roue de synchronisation qui engrènent l'une avec l'autre sont pré-
vues, connectées au premier rotor et deuxième rotor respectivement. Grâce à
ces roues de synchronisation, un mouvement synchronisé des deux rotors de
la machine volumétrique est possible même en cas d'arrêt d'un des deux mo-
teurs. En effet, comme les deux roues de synchronisation sont connectées à
deux rotors et comme elles engrènent à tout instant un mouvement, une rota-
tion non-synchronisée des deux rotors n'est pas possible. Ainsi, un endomma-
gement des vis n'est pas possible non plus.
Dans un autre mode de réalisation préféré de la présente invention,
la surface de contact entre la première roue de synchronisation et la deuxième
roue de synchronisation n'est pas lubrifiée. L'avantage de ce mode de réalisa-
tion de l'invention est, parmi d'autres choses, qu'il permet de réaliser une
ma-
chine volumétrique absolument libre de tout moyen lubrifiant. Grâce à ce fait,
de telles machines peuvent également être utilisées dans les applications sen-
sibles, où les normes d'hygiène élevées doivent être respectées. Egalement,
ces machines sont plus simples à maintenir étant donné qu'elles n'ont pas be-
soin de vidanges ou d'autres traitements du moyen lubrifiant.
Un autre mode de réalisation de la présente invention prévoit que la
surface des dents de la première roue de synchronisation et/ou de la deuxième
roue de synchronisation est revêtue d'une couche en un matériau ayant un co-
efficient de friction bas. Ce mode de réalisation est avantageux, parmi
d'autres
choses, parce qu'il crée des roues de synchronisation qui sont capables de
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supporter la transmission des couples élevés entre elles, dû au fait que la
fric-
tion à la surface de contact des deux roues est diminuée. Les matériaux sus-
ceptibles d'être utilisés comme revêtement sont différents types de métaux
et/ou alliages (p.ex. alliages ferreux, de cuivre, d'étain, de plomb, etc.)
ainsi
que le céramique ou différents produits synthétiques (tel que p.ex. Teflon ou
autres).
De manière notable, la machine comprend un démarreur pour syn-
chroniser le démarrage du premier moteur et du deuxième moteur. L'avantage
de ce mode de réalisation de la présente invention réside, parmi d'autres cho-
ses, dans une opération coordonnée des moteurs. Grâce à une telle mise en
marche coordonnée, les paramètres d'opération des deux moteurs (p.ex. la
vitesse de rotation mais aussi d'autres paramètres) peuvent être synchronisés
au maximum.
Brève description des dessins
Les particularités et les avantages de l'invention apparaîtront avec
plus de détails dans le cadre de la description qui suit avec des exemples de
réalisation donnés à titre illustratif et non limitatif en référence aux
dessins ci-
annexés qui représentent schématiquement :
- figure 1 : une vue partielle et en coupe d'un exemple de réalisation
d'une machine volumétrique conforme à un mode de réalisation de la présente
invention ;
- figure 2 : une vue en perspective d'une extrémité des rotors d'une
machine volumétrique conforme à un mode de réalisation de la présente inven-
tion, dont un des deux rotors est représenté en coupe ; et
- figure 3 : une vue d'une partie du corps extérieur de la machine vo-
lumétrique conforme à un mode de réalisation de la présente invention.
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Exposé détaillé des modes de réalisation de l'invention
Comme déjà mentionné, la figure 1 est une illustration schématique
et en coupe d'un exemple de réalisation d'une machine volumétrique conforme
à la présente invention. Dans cette première figure, seuls les éléments les
plus
importants ont été représentés. Un homme du métier est néanmoins capable
de comprendre que la machine volumétrique selon l'invention possède forcé-
ment d'autres éléments afin qu'elle puisse être opérationnelle.
La machine volumétrique 1 à la figure 1 comprend essentiellement
un boîtier 2 qui englobe deux rotors 3' et 3". Le boîtier 2 de la machine 1
peut
être réalisé comme une pièce unique ou, tel que représenté à la figure 1, être
constitué par des différentes pièces. Typiquement, le boîtier 2 est ouvert
vers
un côté et un couvercle 21 est utilisé pour fermer le boîtier 2 afin de créer
une
enceinte fermée.
Les rotors 3', 3" comprennent chacun un axe 31', 31" sur lesquels
sont installées les deux vis (non représentées) avec des profils spécifiques.
De
manière générale, les deux vis des rotors 3', 3" sont symétriques par rapport
à
l'axe moyen A de la machine 1. En opération de la machine 1, les rotors 3', 3"
sont entraînés en rotation dans les sens opposés l'un par rapport à l'autre.
Le
principe d'entraînement des rotors 3', 3" dans la machine volumétrique 1 sera
expliqué plus bas.
Solidaire du boîtier 2 de la machine 1 est un carter d'entraînement 5
qui comprend deux moteurs 4' et 4". Bien entendu, il est également imaginable
d'avoir deux carters d'entraînement différents, l'un pour chacun des moteurs
4',
4", ou même une toute autre solution.
Les moteurs 4', 4" sont des moteurs électriques asynchrones. Ces
deux moteurs asynchrones 4'. 4" se composent des rotors 41', 41" et des sta-
tors 42', 42". Pendant que les stators 42', 42" sont immobiles (et typiquement
solidaires) par rapport au carter d'entraînement 5, les rotors 41', 41" sont
mis
en rotation (et représentent de cette manière des parties rotatives des
moteurs
4', 4") grâce aux champs magnétiques créés par des courants dans les stators
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42', 42" qui induisent des courants dans des enroulements des rotors 41', 41".
Ces éléments bien connus des moteurs asynchrones ne sont pas représentés
dans la figure 1 puisqu'un homme du métier est absolument capable de saisir
leur emplacement et leur mode de fonctionnement dans un moteur réel.
Les axes 31', 31" des rotors 3', 3" s'effilent vers les moteurs 4', 4"
dans les zones effilées 32', 32". Ces zones 32', 32" des rotors 3', 3" sont re-
liées aux rotors (aux parties rotatives) 41', 41" des moteurs 4', 4" et
peuvent
ainsi tourner directement avec eux. Naturellement, il est également possible
d'avoir une solution avec des pièces intermédiaires de transmission qui se si-
lo tuent entre les rotors 3', 3" et les moteurs 4', 4". De cette façon,
chacun des
deux rotors 3', 3" est entraîné par un autre moteur asynchrone.
Les rotors 3', 3" sont typiquement supportés en rotation par des pa-
liers 7', 7" qui sont logés entre le carter d'entraînement et l'enceinte
enfermée
par le boîtier 2. Bien sûr, des solutions comprenant une autre variante de
posi-
tionnement de paliers sont possibles.
Vu que la rotation du rotor 3' et la rotation du rotor 3" de la machine
1 doivent être synchronisées pour garantir un fonctionnement correct de la ma-
chine 1, des roues de synchronisation 6', 6" sont prévues, solidaires des
rotors
3' et 3", respectivement. Dans le cas normal, les dents des roues de synchro-
nisation 6', 6" ne sont normalement pas sensées transmettre du couple entre
les deux rotors 3', 3". Aux différences près des frottements des composants et
des variations des charges des rotors de petits couples à équilibrer peuvent
cependant apparaitre. Ceci est notamment possible grâce à la symétrie ¨
quoique du sens opposé ¨ de la partie gauche (avec le rotor 3' et le moteur
4')
et la partie droite (avec le rotor 3" et le moteur 4") de la machine 1.
En effet, lors du démarrage des moteurs 4', 4", les rotors 41', 41" de
ceux-ci se mettent en rotation et entraînent les rotors 3', 3" de la machine
1. A
priori, la rotation du rotor 3' est absolument indépendante de la rotation du
ro-
tor 3", étant donné que les moteurs 4', 4" sont les deux des moteurs asyn-
chrones, parfaitement indépendants. Dans ce sens, grâce à la symétrie des
deux côtés de la machine 1 ainsi qu'a une répartition des charges également
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équitable, on obtient une rotation presque synchrone des deux rotors 3', 3",
même sans des influences externes. Bien entendu, il est préférable d'utiliser
les moteurs 4', 4" de même type, de préférence du même producteur, ayant
tous les paramètres d'opération identiques (p.ex. la vitesse nominale, etc.)
pour uniformiser au plus les paramètres susceptibles d'avoir une influence
sur la synchronisation. Afin d'augmenter encore le synchronisme entre les mo-
teurs 4', 4", on peut en outre également prévoir un démarreur (non représenté)
pour être en mesure d'effectuer un démarrage simultané des moteurs 4', 4".
Bien sûr, d'autres solutions sont également possibles.
Les roues de synchronisation 6', 6" servent dans ce cas plutôt pour
garantir une synchronisation des mouvements même dans le cas d'une faille
d'un des deux moteurs. Pour garantir que la rotation des deux rotors 3', 3"
res-
tera identique avant la remise en marche du moteur tombé en panne, les roues
6', 6" jouent le rôle d'un engrenage classique et transmettent le couple
d'un
rotor à l'autre. Grâce à cette structure, la machine 1 peut continuer à
fonction-
ner le temps d'un arrêt progressif et sans danger pour l'installation entière.
Le but de l'invention est de faire fonctionner la pompe équipée d'un
moteur asynchrone pour chaque rotor. Ces moteur tournent ensuite de manière
non-synchronisée électron iquement avec le train d'engrenages de synchron i-
sation à sec ou non-lubrifié à l'huile.
Ce but de la présente invention est atteint à l'aide d'une structure de
la machine volumétrique telle que décrite plus haut.
Néanmoins, pour réduire la friction entre les dents des roues de
synchronisation 6', 6" et par conséquent l'usure et le développement de cha-
leur dans les situations quand celles-ci entrent quand même en contact, plu-
sieurs étapes avec des choix techniques subtiles peuvent être envisagées. Ces
différentes étapes et choix techniques résultent par la suite en un certain
nombre de modes d'exécution préférables de la présente invention.
Il est notamment possible de définir des dentures des roues de syn-
chronisation 6', 6" par calcul en optimisant certains paramètres dont les plus
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importants sont particulièrement la vitesse de glissement et le rendement mé-
canique de la transmission. Egalement, différents matériaux appropriés peu-
vent être utilisés afin d'augmenter les performances souhaitées des roues 6',
6", à savoir des aciers de différents types (p.ex. à cémentation, à
nitruration, à
5 carbonitruration, à outil, etc.) ainsi que différents matériaux
synthétiques ou
plastiques.
Egalement, des traitements thermiques appropriés peuvent être ap-
pliqués aux matériaux des roues 6', 6" pour obtenir des duretés élevées des
surfaces mais aussi de la profondeur au coeur des dents. En outre, des usi-
10 nages et finitions appropriés visant une bonne précision des dentures,
mais
aussi des superfinitions permettant d'obtenir un état de surface le plus lisse
possible sont imaginables, de manière notamment à améliorer le coefficient de
frottement. Il va de soi que des usinages et finitions appropriées peuvent
aussi
être utilisés pour mettre les surfaces en état nécessaire pour effectuer la
dépo-
sition de revêtements de couches minces.
Les revêtements, un ou plusieurs successifs, y compris de type PVD
et CVD qui ne détrempent pas les aciers déjà traités avec dureté élevée et qui
apportent des duretés encore plus élevées, peuvent aussi être appliqués pour
améliorer le coefficient de frottement et pour réduire l'usure.
Egalement, l'application de lubrification minimale à graisse, à do-
sage et cycles appropriés peut être envisagée pour améliorer les performances
de la machine volumétrique conforme à la présente invention.
En cas d'utilisation de matières synthétiques ou plastiques pour l'un
ou l'autre des engrenages, le choix de celles-ci conditionne un calcul optimi-
sant la résistance mécanique tout en tenant compte de la vitesse de glissement
et le rendement mécanique de la transmission. Dans ce cas, il serait possible
d'avoir un engrenage en matière plastique et l'autre engrenage en acier en dif-
férentes exécutions (finitions, revêtements, etc.), de nouveau avec l'objectif
de
réduire les frottements, d'où la réduction de chaleur générée qui est le
facteur
critique pour les matières synthétiques ou plastiques.
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Quelques informations supplémentaires sur ces différentes mesures
qui peuvent être prises sont également visibles aux figures 2 et 3.
Comme déjà mentionné, la figure 2 montre une extrémité des rotors
de la machine volumétrique, l'un des deux rotors étant représenté en coupe.
Dans cette figure 2, on a représenté une denture en plastique 63 qui est fixée
sur un moyeu en acier 61 et retenue par un couvercle en métal 64. Cette struc-
ture est bloquée par les vis 62. Afin d'extraire la chaleur de la denture
plastique
63, ces vis peuvent notamment être en nombre plus important que vraiment
nécessaire pour la fixation mécanique. En effet, ces vis 62 traversent la den-
ture plastique 63 et sont en contact avec celle-ci, de manière à servir de
puits
de chaleur collectant des calories et les conduisant aux faces extérieures du
moyeu 61 et du couvercle 64. Comme également représenté à la figure 2, la
face extérieure du couvercle 64 et/ou la face du moyeu 61 peuvent avoir des
rainures 641 qui, par la rotation, servent à faciliter l'échange thermique
avec
l'air.
Aussi, comme représenté à la figure 3, le corps de la machine volu-
métrique selon la présente invention, une ou plusieurs ouvertures 22 de forme
et de positionnement appropriés peuvent être prévues pour permettre la circu-
lation de l'air à l'intérieur de la machine pour ainsi améliorer l'extraction
de la
chaleur.
Certainement, la présente invention est sujette à de nombreuses va-
riations quant à sa mise en oeuvre. Bien que divers modes de réalisations
aient
été décrits, on comprend bien qu'il n'est pas concevable d'identifier de
manière
exhaustive tous les modes possibles. Il est bien sûr envisageable de remplacer
un moyen décrit par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente
invention. Toutes ces modifications font partie des connaissances communes
d'un homme du métier dans le domaine de la technologie du vide.
