FR2493419A1

FR2493419A1 - COMPRESSOR

Info

Publication number: FR2493419A1
Application number: FR8120632A
Authority: FR
Inventors: Alexander Ian Scott Mitchell
Original assignee: Thales Optronics Ltd
Current assignee: Thales Optronics Ltd
Priority date: 1980-11-05
Filing date: 1981-11-04
Publication date: 1982-05-07
Also published as: NL8104955A; NO813737L; DE3142950A1; SE8106475L; IT8168416A0; BE890953A; IN154481B

Abstract

A preferably two-stage gas compressor (1) is described which has two opposing cylinders (31, 41), in which pistons (30 and 40), which are fixed at the ends of a spindle (20), are displaceable forwards and backwards. The spindle (20) is carried in an axial direction through a spindle nut (14), which is part of the rotor of an electric motor (16). The electric motor (16) (preferably an alternating current motor) drives the pistons (30 and 40) in their reciprocating movement to the stop on the associated cylinder head (32 and 42), which is determined by a control unit which thereupon reverses the running direction of the motor (16). Owing to the output characteristic of alternating current motors, the compressor (1) functions relatively slowly and - also due to low chamber residual volumes - achieves high compression ratios without contaminating the gas with constituents of the lubricant, because self-lubricating piston seals can be used.

Description

La présente invention concerne un compresseur à haute pression et faible capacité, compact et utilisable pour des installations de laboratoire, montées à poste fixe ou transportables. I1 est destiné à être utilisé là où du gaz répondant à de strictes normes de pureté est nécessaire sous haute pression et faible débit. Une.utilisation-type serait de fournir de l'air pour des systèmes cryogéniques appartenant à des dispositifs électroniques. The present invention relates to a high pressure compressor and low capacity, compact and usable for laboratory installations, mounted stationary or transportable. It is intended to be used where gas meeting strict standards of purity is required under high pressure and low flow. A typical use would be to provide air for cryogenic systems belonging to electronic devices.

Classiquement, on se procure du gaz sous haute pression chez des embouteilleurs qui fournissent à l'utilisateur du gaz en bouteilles d'acier. On peut aussi comprimer le gaz dans les établissements de l'utilisateur, à l'aide d'un compresseur classique normalement logé dans un local ou une cabane ad hoc, pour des raisons de sécurité ou de bruit. La méthode du gaz en bouteilles suppose un stockage, des manutentions, et pose des problèmes de sécurité et de logistique. Le compresseur en usine exige normalement un entretien par du personnel qualifié, et un personnel utilisateur instruit, il est en général bruyant et peu en faveur pour des raisons d sécurité ou de saleté. Conventionally, gas is obtained under high pressure from bottlers who supply the user with gas in steel cylinders. It is also possible to compress the gas in the user's establishments, using a conventional compressor normally housed in an ad hoc room or cabin, for reasons of safety or noise. The bottled gas method involves storage, handling, and poses security and logistical problems. The compressor in the factory normally requires maintenance by qualified personnel, and an educated user personnel, it is generally noisy and little in favor for reasons of safety or dirt.

Dans un compresseur volumétrique classique, le piston est contraint parcourir le cylindre dans les deux sens, à grande vitesse, par une bielle reliée au maneton d'un vilebrequin, le rapport de compression étant principalement déterminé par le rapport entre les volumes aux deux fins de course. Le volume en tête de cylindre est nécessaire pour garantir qu'il existe un jeu de fonctionnement entre le sommet du piston et la tête du cylindre, le contact entre ces pièces, aux vitesses en jeu, pouvant provoquer des dommages mécaniques.D'autres facteurs tels que des fuites au niveau du piston et l'echauf- fement dû à la vitesse de compression réduisent l'efficacité du système. I1 faut, pour obtenir des rapports de compression élevés, des machines à trois ou quatre étages avec refroidissement entre les étages. Les vitesses élevées utilisées sur ces machines sont nécessaires pour surmonter les effets des fuites au niveau des segments des pistons, car les segments classiques ont une fente axiale, et de plus imposent un graissage pour surmonter les effets des frottements, d'où souillure du gaz. In a conventional positive displacement compressor, the piston is forced to travel the cylinder in both directions, at high speed, by a connecting rod connected to the crankpin of a crankshaft, the compression ratio being mainly determined by the ratio between the volumes for the two ends of race. The volume at the cylinder head is necessary to guarantee that there is a working clearance between the top of the piston and the cylinder head, the contact between these parts, at the speeds involved, can cause mechanical damage. such as piston leaks and overheating due to compression speed reduce the efficiency of the system. To obtain high compression ratios, three or four stage machines with cooling between stages are required. The high speeds used on these machines are necessary to overcome the effects of leaks at the piston rings, since the conventional segments have an axial slot, and moreover require lubrication to overcome the effects of friction, hence staining of the gas. .

Un des buts de la présente invention est de résoudre ou d'atténuer les difficultés précédemment exposées lorsqu'on exige peu de gaz, mais sous pression élevée. One of the aims of the present invention is to solve or alleviate the difficulties described above when little gas is required, but under high pressure.

Selon la présente invention, on prévoit un compresseur à gaz comprenant un carter définissant une chambre de compression, un piston pouvant être animé d'un mouvement alternatif dans ladite chambre et relié pour entrainement à une extrémité d'une vis menante cooperant avec un écrou qui fait partie du rotor d'un moteur électrique et mène linéairement ladite vis. According to the present invention, a gas compressor is provided comprising a casing defining a compression chamber, a piston which can be driven in a reciprocating movement in said chamber and connected for driving at one end of a driving screw cooperating with a nut which is part of the rotor of an electric motor and linearly drives said screw.

Des réalisations de la présente invention vont être décrites à titre d'exemple, en référence au dessin joint dans lequel:
la figure 1 est une coupe en élévation d'une premiers réalisation d'un compresseur réalisé selon la présente invention;
la figure 2 est une coupe semblable d'une seconde realisation. Embodiments of the present invention will be described by way of example, with reference to the accompanying drawing in which:
Figure 1 is a sectional elevation of a first embodiment of a compressor produced according to the present invention;
Figure 2 is a similar section of a second embodiment.

On voit sur la figure 1 qu'un compresseur 1 comprend un carter de moteur 10 dans lequel sont logés les enroulements statoriques d'un moteur électrique 16, à courant continu. Le rotor du moteur 16 comprend une armature creuse 12, rigidement reliée à un écrou à galets 14 par une cage rigide 13, le rotor étant normalement maintenu dans le carter du moteur par une paire de paliers à butée opposés, 15, du type à rouleaux. It can be seen in FIG. 1 that a compressor 1 comprises a motor housing 10 in which are housed the stator windings of an electric motor 16, with direct current. The rotor of the motor 16 comprises a hollow frame 12, rigidly connected to a roller nut 14 by a rigid cage 13, the rotor being normally held in the motor casing by a pair of opposite thrust bearings, 15, of the roller type .

Une vis menante 20 est engagée pour entrainement dans l'écrou 14 et est menée axialement quand tourne l'écrou 14. Une des extrémités de la vis est fixée à un premier piston 30, de grand diamètre, qui peut se déplacer dans un premier cylindre 31 définissant une chambre de compression basse-pression. Le cylindre 31 est fixé par une de ses extrémités au carter 10 du moteur et fermé à l'autre par une tête de cylindre 32 ayant une valve anti-retour d'entree 33, et une valve anti-retour de sortie basse-pression, 34. Le piston 30 est muni de joints annulaires 35, autolubrifiants et étanches, et les valves 33 et 34 sont de même pourvues de joints annulaires étanches 33A et 34A respectivement, ces trois joints associés assurant l'étanchéité de la chambre de compression basse-pression. A driving screw 20 is engaged for driving in the nut 14 and is driven axially when the nut turns 14. One of the ends of the screw is fixed to a first piston 30, of large diameter, which can move in a first cylinder 31 defining a low-pressure compression chamber. The cylinder 31 is fixed by one of its ends to the casing 10 of the engine and closed at the other by a cylinder head 32 having an inlet non-return valve 33, and a low-pressure outlet non-return valve, 34. The piston 30 is provided with annular seals 35, self-lubricating and leaktight, and the valves 33 and 34 are likewise provided with leaktight annular seals 33A and 34A respectively, these three associated seals ensuring the tightness of the low compression chamber. pressure.

De l'autre côté du carter 10 du moteur se trouve un second cylindre 41, haute-pression, dans lequel peut se déplacer un second piston 40, de petit diamètre. Le second piston 40 est fixé à l'autre extrémité de la vis menante 20 et possède un joint annulaire 45, lui aussi autolubrifiant et étanche. Le cylindre 41 est fermé par une tête de cylindre 42 possédant une valve anti-retour de sortie d'entrêe haute- pression 44 et une valve anti-retourAhaute pression 43 reliée à la valve anti-retour de sortie 34 de l'étage basse pression par une canalisation interétage 50. Les têtes des valves 43, 44 sont munies de joints annulaires étanches, 43A et 44A respectivement, de sorte qu'avec le joint 45 ils assurent l'étanchéité de la chambre haute pression. On the other side of the casing 10 of the engine is a second cylinder 41, high pressure, in which can move a second piston 40, of small diameter. The second piston 40 is fixed to the other end of the driving screw 20 and has an annular seal 45, also self-lubricating and sealed. The cylinder 41 is closed by a cylinder head 42 having a high-pressure inlet outlet non-return valve 44 and a high pressure non-return valve 43 connected to the outlet non-return valve 34 of the low pressure stage by an interstage pipe 50. The heads of the valves 43, 44 are provided with leaktight annular seals, 43A and 44A respectively, so that with the seal 45 they seal the high pressure chamber.

Un ensemble de commande (non représenté) commande la vitesse et le sens de rotation du moteur électrique 16 et le compresseur 10 fonctionne de la façon suivante:
Lorsque le moteur 16 tourne dans un certain sens, le gros piston 30 est mené de façon à se rapprocher de la tête de cylindre 32, ce qui force le gaz contenu dans le gros cylindre 31 à être comprimé et chassé dans le petit cylindre 41 par la canalisation externe de liaison 10, un écoulement de retour étant interdit par les vannes anti-retour 34, 43 des deux têtes de cylindres.A control assembly (not shown) controls the speed and the direction of rotation of the electric motor 16 and the compressor 10 operates as follows:
When the engine 16 rotates in a certain direction, the large piston 30 is driven so as to approach the cylinder head 32, which forces the gas contained in the large cylinder 31 to be compressed and expelled into the small cylinder 41 by the external connecting pipe 10, a return flow being prohibited by the non-return valves 34, 43 of the two cylinder heads.

Le gros piston 30 est mené jusqu'à ce qu'il touche mécaniquement sa tête de cylindre 32, Ce point atteint, le sens de rotation du moteur 16 est inverse et le petit piston est mené vers la tête du petit cylindre, 42, à partir de sa position arriere représentée sur la figure. Ceci fait que le gaz précédemment comprimé à basse pression dans le petit cylindre 41 subit une seconde compression, de niveau élevé, déterminée par l'ouverture de la valve de sortie 44 et par l'appareillage en aval de la valve 44. The large piston 30 is driven until it mechanically touches its cylinder head 32, this point reached, the direction of rotation of the engine 16 is reversed and the small piston is led towards the head of the small cylinder, 42, at from its rear position shown in the figure. This causes the gas previously compressed at low pressure in the small cylinder 41 to undergo a second compression, of high level, determined by the opening of the outlet valve 44 and by the apparatus downstream of the valve 44.

Du fait que les pistons sont menés au contact mécanique des têtes de cylindres on peut réaliser des rapports de compression très élevés et donc obtenir en deux étages un rapport de compression de 200:1, dans une machine de dimensiors relativement faibles. Pour maximiser le rapport de compression de chaque chambre de compression la tête de piston et la tête de cylindre qui se correspondent ont des formes semblables, sensiblement planes comme sur la figure, de sorte que le volume de chaque chambre, quand le piston est au haut de sa course, est réduit à un minimum, et approche de zéro dans les limites des réalisations pratiques. Due to the fact that the pistons are brought into mechanical contact with the cylinder heads, very high compression ratios can be achieved and therefore a compression ratio of 200: 1 can be obtained in two stages, in a relatively small dimensional machine. To maximize the compression ratio of each compression chamber, the corresponding piston head and cylinder head have similar shapes, substantially flat as in the figure, so that the volume of each chamber, when the piston is at the top of its course, is reduced to a minimum, and approaches zero within the limits of practical achievements.

Le compresseur 1 travaille relativement lentement du fait des caractéristiques opérationnelles du moteur à courant continu 16, qui est de préférence bobiné en série de sorte que, quand il est associé à un piston qui entreprend une course de compression, la vitesse maximale du mouvement du piston s'obtient au début, quand la pression dans la chambre est au plus bas niveau; quand la course se poursuit et la pression dans la chambre augmente, la vitesse du moteur 16 diminue jusqu a ce qu'en fin de course il tende à caler. A la fin de la course le moteur 16 atteint le calage (car la tête du piston vient buter sur la tête du cylindre) et c'est à ce moment que l'ensemble de commande inverse le sens de rotation du moteur. The compressor 1 works relatively slowly due to the operational characteristics of the DC motor 16, which is preferably wound in series so that, when it is associated with a piston which undertakes a compression stroke, the maximum speed of movement of the piston is obtained at the beginning, when the pressure in the chamber is at the lowest level; when the race continues and the pressure in the chamber increases, the speed of the motor 16 decreases until, at the end of the race, it tends to stall. At the end of the stroke, the motor 16 reaches stalling (because the piston head abuts the cylinder head) and it is at this moment that the control assembly reverses the direction of rotation of the motor.

Cependant, comme la vitesse du piston tend progressivement vers zéro en raison de la charge imposée au moteur par l'augmentation de la pression dans les chambres de compression, le contact du piston avec la tête de cylindre ne crée aucune charge mécanique de percussion.However, as the piston speed gradually tends to zero due to the load imposed on the engine by the increase in pressure in the compression chambers, the contact of the piston with the cylinder head creates no mechanical impact load.

Comme la compression se fait lentement, le gaz ne s'échauffe pratiquement pas par compression; une lubrification supplémentaire des joints annulaires de piston n'est plus nécessaire et le compresseur est pratiquement silencieux quand il fonctionne. De préférence, les joints annulaires des pistons sont faits de matière plastique, leur forme annulaire ne comporte aucune fente, de façon qu'ils soient à la fois autolubrifiants et étanches. As compression takes place slowly, the gas hardly heats up by compression; additional lubrication of the piston ring seals is no longer necessary and the compressor is practically silent when in operation. Preferably, the annular seals of the pistons are made of plastic, their annular shape has no slots, so that they are both self-lubricating and waterproof.

Dans la realisation de la figure 1, l'écrou 14 est du type "vis a galets à centrage automatique de sorte que les paliers 15 n'ont à supporter que des poussées. In the embodiment of FIG. 1, the nut 14 is of the "self-centering roller screw type so that the bearings 15 only have to bear thrusts.

Dans la réalisation de la figure 2, le compresseur 1 est sensiblement conforme à la description de la figure 1, mais certains détails sont illustres avec plus de précision; le moteur 16 comporte une modification utile qui va être décrite et la surface du piston haute pression 40 est accrue (ce qui reduit en conséquence le rapport de compression du compresseur 1), afin de permettre de monter côte à côte les valves 43, 44, à la différence de la disposition représentée sur la figure 1. In the embodiment of FIG. 2, the compressor 1 conforms substantially to the description of FIG. 1, but certain details are illustrated with more precision; the engine 16 includes a useful modification which will be described and the surface of the high pressure piston 40 is increased (which consequently reduces the compression ratio of the compressor 1), in order to allow the valves 43, 44 to be mounted side by side, unlike the arrangement shown in Figure 1.

Pour le piston basse pression 30, cn voit que le joint 35 comprend une bague glissante en PTFE (polytétrafluoréthylène) 36 elastiquement rappelée vers l'exte- rieur, de façon à s'appliquer sur la paroi du cylindre 31, par une bague toxique 37, en caoutchouc, et une bague glissante d'usure en PTFE 38, située axialement en arrière de la bague glissante 36. For the low pressure piston 30, it can be seen that the seal 35 comprises a sliding ring made of PTFE (polytetrafluoroethylene) 36 which is elastically biased towards the outside, so as to be applied to the wall of the cylinder 31, by a toxic ring 37 , made of rubber, and a sliding wear ring made of PTFE 38, located axially behind the sliding ring 36.

Pour le piston haute pression 40, on voit que le joint 45 comprend une paire de bagues glissantes 46, 47, en PTFE, respectivement rappelées vers l'extérieur, de façon à s'appliquer sur la paroi du cylindre 41, par des bagues toriques en caoutchouc 48, 49 et une bague d'usure en pTFE, t51, située axialement en arrière des bagues glissantes 46, 47. For the high pressure piston 40, it can be seen that the seal 45 comprises a pair of sliding rings 46, 47, made of PTFE, respectively drawn outwards, so as to be applied to the wall of the cylinder 41, by O-rings rubber 48, 49 and a wear ring in pTFE, t51, located axially behind the sliding rings 46, 47.

Sur la figure 2, le rotor du moteur 16 comprend une armature creuse 12 reliée pour entraînement à l'écrou 14 par la cage 13 mais, dans cette réalisation, la cage 13 comprend une partie semi-rigide 17, en forme de soufflet, faite de bronze au béryllium ou d'acier à ressort, qui est destinée à absorber toute charge percussionnelle qui pourrait provenir de l'arrivée en butée d'un des pistons 30, 40 avec la tête 32, 42 de son cylindre 31, 41. Le degré d'élasticité de la partie 17 est tel qu'elle ne se comprime pas sous l'effet de la seule pression régnant dans une chambre de compression ou dans l'autre. De plus l'écrou 14 est du type "vis à recirculation de billes", qui ne se centre pas de lui-même, ce qui fait que le rotor est supporté à rotation par un roulement à billes 19, à gorge profonde, qui remplace les paliers de poussée 15. In FIG. 2, the rotor of the motor 16 comprises a hollow frame 12 connected for driving the nut 14 by the cage 13 but, in this embodiment, the cage 13 comprises a semi-rigid part 17, in the form of a bellows, made beryllium bronze or spring steel, which is intended to absorb any percussion load which could come from the abutment of one of the pistons 30, 40 with the head 32, 42 of its cylinder 31, 41. The degree of elasticity of the part 17 is such that it does not compress under the effect of the only pressure prevailing in one compression chamber or in the other. In addition, the nut 14 is of the "ball recirculating screw" type, which does not center itself, which means that the rotor is rotatably supported by a deep groove ball bearing 19 which replaces thrust bearings 15.

On voit qu'en choisissant avec soin les dimensions, les jeux et les matériaux on peut obtenir que les fuites soient très faibles au niveau des pistons et des soupapes des deux réalisations décrites, et comme chacun de ces compresseurs, par sa conception même, travaille relativement lentement, l'échauffement et la lubrification ne créent pas de diicultés. Le gaz n'est ainsi pas souillé dans le compresseur et il n'est pas besoin d'installations importantes pour éliminer des souillures du gaz. It can be seen that by carefully choosing the dimensions, the clearances and the materials, it is possible to obtain very little leakage at the pistons and valves of the two embodiments described, and as each of these compressors, by its very design, works relatively slowly, heating and lubrication do not create difficulties. The gas is thus not contaminated in the compressor and there is no need for large installations to remove contamination from the gas.

L'envoi d'énergie au moteur peut être établi, interrompu ou modulé par un système capteur de pression, l'utilisation d'une commande modulée pouvant éliminer le besoin de valves régulatrices de pression. Power delivery to the motor can be established, interrupted or modulated by a pressure sensor system, the use of a modulated control can eliminate the need for pressure regulating valves.

L'ensemble de commande du moteur, bien qu'il ne soit pas représenté, peut comporter un système servant à percevoir l'établissement du contact entre piston et tête de cylindre et reposant sur un circuit tachymétrique ou un circuit capteur d'intensité, vu que l'intensité dans le stator augmente significativement quand on approche des conditions de calage, la sortie de ce dispositif étant utilisée pour régler l'énergie envoyée au moteur entraînant l'écrou. Sous sa forme la plus simple, ce moteur est un moteur continu à aimant permanent, soit du type classique à balais, soit du type sans balais; il pourrait aussi être un moteur à courant alternatif muni d'une régulation propre à lui donner les caractéristiques d'un moteur à courant continu, du type précédemment décrit, caractéristiques qui en particulier fournissent une plage de vitesses relativement large, ce qui est utile pour maximiser le rendement du compresseur. The engine control assembly, although not shown, may include a system used to perceive the establishment of contact between piston and cylinder head and based on a tachometric circuit or an intensity sensor circuit, seen that the intensity in the stator increases significantly when approaching stalling conditions, the output of this device being used to regulate the energy sent to the motor driving the nut. In its simplest form, this motor is a continuous motor with permanent magnet, either of the conventional brush type, or of the brushless type; it could also be an alternating current motor provided with a regulation capable of giving it the characteristics of a direct current motor, of the type previously described, characteristics which in particular provide a relatively wide speed range, which is useful for maximize compressor performance.

A titre d'exemple des compresseurs selon la présente invention peuvent fournir des débits de gaz de l'ordre de 2 litres/minute sous des pressions de l'ordre de 2000 - 3000 psi (1380 à 2070 bar), la période de fonctionnement est de l'ordre de 5 s et la consommation d'énergie de l'ordre de 30 W, fournis par une source de courant continu sous 24 V. By way of example, compressors according to the present invention can provide gas flow rates of the order of 2 liters / minute under pressures of the order of 2000 - 3000 psi (1380 to 2070 bar), the period of operation is around 5 s and energy consumption around 30 W, supplied by a direct current source at 24 V.

Claims

1. Gas compressor characterized by a casing (10,31,32) defining a compression chamber (31), a piston (30) which can be driven in a reciprocating movement inside said chamber (31) and connected for driving at one end of a driving screw (20) which cooperates with a nut (14) which drives it linearly and forms part of the rotor assembly (12) of an electric motor (16).

2. Compressor according to claim 1, charac terized by a second casing (10,41,42) defining a second compression chamber (41), a second piston (40) being capable of being reciprocated within said second chamber (41) and being connected to the other end of said driving screw (20), a conduit (50) interconnecting the two compression chambers (31,41) the assembly being arranged so that the compressor is a two-stage compressor.

3. Compressor according to either of the preceding claims, characterized in that the piston, or each piston, comprises a self-lubricating and leaktight annular seal (35,45).

4. Compressor according to one of the preceding claims, characterized in that said electric motor (16) has the characteristics of a direct current electric motor.

5. Compressor according to claim 4, charac terized in that the electric motor (16) is controlled by a control assembly for the purpose of reversing the direction in which it drives the screw when one or other of the pistons (30,40) abuts on the head of its cylinder (32,42).

6. Compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the compression chamber, or each compression chamber (31,41) has a cylinder head (32,42) whose general shape is complementary to that of the head of the corresponding piston (30,40), so that the volume of the chamber or of each chamber (31,41) is minimized when the corresponding piston (30,40) is at the top of its stroke.

7. Compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor assembly (12) of said electric motor (16) comprises a rigid cage (13) connecting said nut (14) to the frame of said motor (16).

8. Compressor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the rotor (12) of said electric motor (16) comprises a semi-rigid cage connecting said nut (14) to the frame of said motor (16).

9. Compressor according to one of the preceding claims, characterized in that said nut (14) is of the "ball recirculation" type.

10. Compressor according to one of claims 1 to 8, characterized in that said nut (14) is of the type for roller screws.