Compresseur à vis

Le compresseur à vis double est inventé en 1878 par l'allemand Heinrich Krigar^[1] dont le brevet a expiré sans aucune exploitation, faute de disposer à cette époque des moyens techniques suffisants pour fabriquer ce qui n'était alors qu'un prototype à 2 vis à 2 lobes dont la pression ne dépassait pas 200 grammes. Le suédois Alf Lysholm, ingénieur en chef de Ljungstroms Angturbin a repris le développement de cette technologie^[2] et déposé plusieurs brevets d'amélioration en 1935^[3] et 1938^[4] pour des vis doubles symétriques à 3 lobes non lubrifiées.

La Société suédoise SRM^[5] (initialement appelée Ljungstroms Angturbin AB) réalise jusqu'en 1951 de multiples essais de combinaison de lobes de rotors (3+3, 3+4, 4+4, 5+7...) avant d'obtenir des performances suffisantes pour commercialiser ses blocs de compression à vis double ou en vendre les licences. Les premières études portaient sur des éléments de compression non lubrifiés; les recherches sur les possibilités d'injection d'huile ont ensuite été menées mais n'ont abouti qu'en second lieu vers 1954. Des licences ont alors été accordées à des fabricants de machines parmi les leaders, encore actuellement en 2025, de ce secteur d'activité, dont la Sté Howden qui à fabriqué pour SRM son premier bloc vis.

Le premier compresseur d'air comprimé à vis non lubrifié a été commercialisé par MAN-GHH en 1952^[6]. Atlas-Copco commercialise le premier compresseur d'air à vis lubrifiées en 1957^[7]. La Sté Howden^[8] commercialise le 1er compresseur à vis utilisé comme compresseur frigorifique dans les années 1960. L’essor des compresseurs à vis et ses avancées technologiques, lubrifiés et non lubrifiés, n'ont dès lors jamais cessé, jusqu'à devenir une des technologies les plus utilisées pour les pressions de 5 à 15 bar, dès les années 1970 et jusqu'à ce jour en 2025.

Le compresseur monovis Zimmern, inventé en 1965 par le français Bernard Zimmern, bénéficie jusqu'à ce jour en 2025 d'une moindre diffusion. Commercialisé par Peugeot en 1967 comme compresseur d'air comprimé^[9], il trouve aujourd'hui des applications dans le domaine frigorifique, et aussi dans quelques compresseurs d'air à injection d'eau.

La lubrification par injection d'eau est inventée et brevetée par Bernard Zimmern en 1990^[10].

La technologie des compresseurs à vis se développe distinctement et parallèlement dans 2 secteurs d'activité principaux qui représentent les plus gros volumes de production : l'air comprimé et la compression de fluides frigorigènes. Les 2 marchés évoluent en parallèle en utilisant à des fins différentes une technique de compression commune. L'industrie gazière développe elle aussi séparément ses propres applications spécifiques, avec la même technologie. Les éléments de compression à vis sont également utilisés dans des pompes à vide, en se servant du côté aspiration du bloc pour produire le vide… Toutes ces applications sont essentiellement industrielles ou tertiaires.

La production d'air comprimé à moyenne pression (autour de 5 à 10 bar), utilité critique pour toute industrie, est assurée pour 70 à 80 % à partir de compresseurs à vis. Les applications typiques sont l'alimentation de machines et outils pneumatiques, qui transforment l'énergie contenue dans l'air comprimé en mouvements linéaires ou rotatifs, largement automatisés ; ou encore l'usage de l'air en tant que matériau pour du soufflage ou du bullage. Le marché mondial des compresseurs d'air comprimé à vis s'élèverait, selon diverses études de marché, autour de 15 milliards d'euros en 2023^[11].

Le secteur du froid utilise des compresseurs à vis, le plus souvent lubrifiés, en tant qu'éléments de compression dans des refroidisseurs^[12]. Les gaz comprimés pour cette application sont des fluides frigorigènes (ammoniac (NH3), R134, R1234, R513...en constante évolution). En 2019, le marché mondial des compresseurs à vis pour des applications frigorifiques s'élevait à environ 130 000 unités^[13] par an.

L'industrie du gaz naturel est une grande utilisatrice de compresseurs, pour ses procédés de production comme pour le transport et le stockage du gaz. Les compresseurs majoritairement employés sont des compresseurs à pistons ou des compresseurs centrifuges mais des compresseurs à vis de grosse puissance sont aussi utilisés dans cette industrie^[14].

La distribution du gaz naturel est réalisée majoritairement dans des gazoducs qui forment un immense réseau de tuyauteries (32 000 km en France) reliant les sites d'extraction, les terminaux méthaniers GNL (Gaz Naturel Liquéfié) ou les unités de biogaz aux consommateurs finaux^[15]. La compression du gaz provoque, par la différence de pression, son déplacement à environ 5 m/s (15 à 20 km/h). Des stations de compression^[16] sont nécessaires tous les 100 à 200 km, équipées de compresseurs de très grosse puissance (le coût de la compression du gaz représente 10 à 15 % de l'énergie contenue dans le gaz véhiculé). Aux États-Unis, il y a près de 1 400 stations de compression, d'une puissance cumulée de 16 000 MW^[17]

De manière anecdotique en termes de volumes de production, certains moteurs de voitures sont équipées de compresseurs de suralimentation à vis double.

Conçus historiquement sur la base de deux vis hélicoïdales enfermées dans un logement fixe appelé stator; ces deux vis, un rotor mâle et un rotor femelle, s'imbriquent l'une dans l'autre et sont mobiles en rotation grâce aux roulements sur lesquelles elles sont montées. Les filets des vis sont appelés des lobes, convexes sur la vis mâle et concaves sur la vis femelle ; leur nombre peut être variable mais l'association la plus fréquemment rencontrée est une vis mâle à 5 lobes avec une vis femelle à 6 lobes. Le profil des vis (la forme des lobes vus en coupe) est dit symétrique lorsque le dessin du lobe mâle est identique au dessin de l'empreinte entre 2 lobes femelles ; l'emploi de vis à profil asymétrique s'est généralisé dès la fin des années 1960 pour leurs meilleures performances. De constantes recherches d'amélioration des performances^{[note 1]}, sur les meilleures combinaisons de rotors^[18], de nombre de lobes^[19], ou encore du profil des vis^[20], conduisent les fabricants à proposer, selon l'utilisation et la nature des fluides comprimés, un grand nombre de variantes de ces blocs vis: monovis, vis double, mono-lobe^[21]ou multi-lobes… Les plus courants sont les compresseurs à vis doubles à injection d'huile, avec un profil asymétrique, dont la technologie aujourd'hui aboutie offre un bon compromis performance / fiabilité. Les compresseurs monovis, technologie plus récente et encore en développement, offrent théoriquement de meilleures performances^[22], mais n'ont pas réussi en 2025 à s'imposer face aux vis doubles.

L'usinage des rotors^[23] est réalisé sur des tours à partir de cylindres d'acier, les stators sont généralement en fonte. Les plus gros blocs vis, employés pour la compression de GNL ou de fluides frigorigènes, peuvent peser plus de 10 tonnes.

Le compresseur à vis comporte deux vis hélicoïdales sans fin (un rotor mâle et un rotor femelle) installés dans un stator. Les deux rotors sont généralement montés sur trois roulements à bille chacun. Le stator comprend un corps principal usiné au diamètre des vis, fermé à ses extrémités par deux flasques intégrant les logements des roulements de vis. Les chambres de compression sont constituées par les espaces vides entre les rotors et le stator. Une seule des deux vis (le rotor mâle) est accouplée au moteur d'entraînement ; elle assure l'entraînement de la seconde vis qui est libre en rotation.

L'aspiration du gaz se fait au plus près du flasque avant du stator (côté arbre d'entrainement), au milieu des deux vis. Le refoulement est à l'autre extrémité des vis et du côté opposé. L'air aspiré est emprisonné entre les rotors et le stator lors de la rotation des vis. Chacun de ces espaces constitue une chambre de compression dont le volume est ensuite réduit par les lobes de la vis opposée au fil de la rotation des rotors. Le gaz comprimé s'évacue du bloc vis par l'orifice de refoulement.

L'huile utilisée dans ces compresseurs assure une triple fonction^[9] : étanchéité, lubrification et refroidissement^[24]. Le compresseur à vis lubrifiées présente peu de pertes mécaniques par frottement par rapport à d'autres compresseurs volumétriques comme les palettes ou les pistons. Le contact entre les vis mâles et femelle est réduit par le lubrifiant, omniprésent sur toutes les surfaces et assurant ainsi l'étanchéité propice à la diminution des fuites internes, tant entre vis qu'entre vis et stator. Le profil des vis^[25] , les faibles jeux mécaniques (de l'ordre de 5 à 15 centièmes de mm), et les vitesses de rotation (de 1 500 à 7 000 trs/min) sont déterminants pour l'obtention du rendement énergétique. Le taux de compression d'un bloc vis à injection d'huile permet d'atteindre des pressions jusqu'à 28 bar en compression mono-étagée^[8].

Ce compresseur à vis comporte également deux vis hélicoïdales sans fin installés dans un stator mais la rotation des 2 vis est synchronisée par un train d'engrenage pour assurer qu'elles n'entrent pas en contact l'une avec l'autre. Il n'y a de ce fait pas de pertes mécaniques par frottement entre les vis. L'engrenage pour la synchronisation des vis nécessite une lubrification, indépendante de la chambre de compression et sans contact direct avec cette dernière (des joints d'étanchéité sur l'arbre des rotors assurent la séparation entre les chambres). Les stators intègrent parfois des circuits de refroidissement usinés dans la masse pour leur refroidissement.

L'absence d'étanchéité entre les deux rotors et le stator (assuré par le film d'huile dans le cas des compresseurs à vis lubrifiées) nécessite des vitesses de rotation importantes (jusqu'à 25 000 trs/min) pour compenser les fuites internes au bloc vis, et engendre des taux de compression moindres que les vis lubrifiées (rapport 3/1). L'absence de lubrifiant dans le processus de compression provoque également des températures de compression plus élevées, de l'ordre de 200 °C. Les rotors nécessitent un revêtement de surface (à base de PTFE) pour empêcher la corrosion, ils peuvent aussi être réalisés en acier inoxydable.

Une seule vis hélicoïdale constitue le rotor, dans l'axe de l'arbre d'entrainement^[26], elle est flanquée de part et d'autre par deux roues dentées, satellites en forme d'étoile libres en rotation et entrainés par ce rotor^[27], dont les dents s'imbriquent dans les parties creuses des lobes de vis. Les chambres de compression sont constituées des espaces libres entre stator, parties creuses des lobes de vis et roues dentées^[28]. L'ensemble est logé dans un stator.

La compression réalisée simultanément de chaque côté du rotor diminue considérablement les charges radiales et axiales supportées par les roulements du rotor, en comparaison avec les vis doubles, augmentant ainsi en théorie leur longévité^[29]. Les pertes mécaniques par frottement entre satellites et rotor sont moindres qu'entre les deux rotors des vis doubles, les satellites ne subissant pas de poussée axiale liée à la compression. Le contact entre les roues dentées et le rotor est assuré par une pièce d'usure en matériau composite (à base de polymère). L'érosion progressive de cette pièce lors du fonctionnement entraine une augmentation des jeux fonctionnels^[30], donc des fuites internes, entre le rotor et les satellites. Le bon rendement énergétique initial n'est donc pas constant, contrairement aux vis doubles, et nécessite pour son maintien une maintenance préventive systématique de remplacement de ces roues dentées^[31].

Les machines complètes dénommées compresseurs à vis ont pour finalité la compression d'air ou de gaz naturel (Dans le secteur du froid, la machine complète qui comprend un compresseur s'appelle un refroidisseur, un chiller en anglais). L'élément de compression est installé sur un châssis métallique, accouplé à son moteur d'entraînement (électrique ou à combustion interne), et relié par des tuyauteries aux éléments périphériques nécessaires à son fonctionnement: des échangeurs pour réguler les températures des fluides, des filtres, d'éventuels réservoirs, des organes de commande et de régulation; l'ensemble de ces éléments est le plus souvent installé à l'intérieur d'un capotage pour l'insonoriser, ne laissant visible de l'extérieur qu'un parallélépipède, d'une centaine de kg à plusieurs tonnes. Certaines de ces machines sont mobiles, installées sur des remorques routières, on parle de compresseurs de travaux publics.

Ce compresseur à vis lubrifié est le plus répandu de tous les compresseurs à vis, et occupe une place prépondérante dans l'industrie, principalement pour la production d'air comprimé.

L'élément de compression (bloc vis) est entrainé en rotation par le moteur électrique et crée une dépression. L'air ambiant est aspiré au travers du filtre à air et du régulateur d'aspiration, l'huile est injectée simultanément. Le mélange air-huile ainsi créé est comprimé dans les chambres de compression du bloc vis et est refoulé vers le réservoir séparateur. La compression de l'air engendre une élévation de température importante au point de refoulement (environ 80°C). Le mélange air-huile, chaud, arrive dans le réservoir séparateur qui assure plusieurs fonctions: 1° réservoir pour le lubrifiant, 2° séparation mécanique de l'huile et de l'air (par effet centrifuge et/ou gravitaire selon les techniques retenues par les fabricants).

Les 2 fluides (air et huile) vont alors se séparer en 2 circuits distincts : l'huile retombe dans le fond du réservoir sous l'effet de la gravité et l'air, plus volatile mais encore chargé de gouttelettes d'huile, cherche sous l'effet de la pression à s'extraire du réservoir par le haut.

La circulation d'huile est provoquée par la pression de l'air présente dans le réservoir séparateur. Le lubrifiant, à 80°C est envoyé dans un échangeur (huile-air ou huile-eau) afin d'être refroidi pour évacuer l'énergie thermique qu'il a accumulé durant la phase de compression. Une vanne thermostatique assure le maintien d'une température suffisante de l'huile (>65°C) pour obtenir une fluidité satisfaisante pour une bonne lubrification et contrôler d'éventuels phénomènes de condensation des vapeurs d'eau. En cas de température trop basse, elle by-pass l'échangeur de refroidissement; elle permet aussi une montée rapide en température lors du démarrage du compresseur. À la sortie de l'échangeur, l'huile refroidie à environ 60°C est réinjectée dans l'élément de compression après passage dans un filtre à huile pour assurer sa filtration.

L'huile utilisée dans ces compresseurs assure une triple fonction^[9] : étanchéité, lubrification et refroidissement^[24]. Si l'huile est trop chaude, elle n'est plus assez visqueuse pour garantir l'étanchéité et la lubrification. Il est donc nécessaire d'en assurer son refroidissement, via un échangeur huile-air ou huile-eau.

L'air est poussé par sa pression au travers d'un filtre déshuileur (ou filtre séparateur). Il y est débarrassé des gouttelettes d'huile (il subsiste cependant des vapeurs d'huile en suspension dans l'air — de l'ordre de 3 à 5 ppm). Il passe ensuite dans un clapet anti-retour à pression minimum qui a deux fonctions : 1° anti-retour — empêcher le retour de l'air comprimé du réseau vers l'intérieur du compresseur lorsque le cycle de compression sera fini ; 2° pression minimum — assurer une pression interne minimum (de l'ordre de 5 bars) nécessaire à la circulation d'huile lorsque le compresseur est en charge, ainsi qu'une montée rapide en pression lors du démarrage. L'air comprimé arrive enfin dans un échangeur air/air ou air/eau qui permet d'abaisser sa température à environ +10 °C au dessus de la température d'aspiration, pour permettre son utilisation.

Le compresseur à vis non lubrifié, bien qu'ayant des performances intrinsèques moins intéressantes que le compresseur à vis lubrifié et des coûts de fabrication supérieurs, présente cependant des atouts certains lorsque la qualité d'air requise à l'utilisation nécessite des niveaux élevés de sécurité et de pureté. Le gaz comprimé produit est totalement exempt d'huile (à l'exception des polluants présents dans l'air ambiant aspiré avant compression), éliminant ainsi la quasi totalité des risques de pollution accidentelle pour des secteurs d'activité sensibles ou l'air comprimé entre en contact avec le produit fini (secteurs pharmaceutiques ou agroalimentaire...), et réduisant les étapes de filtration postérieures au minimum selon la qualité d'air requise. Pour atteindre les pressions habituelles de l'industrie (7 à 10 bars), ces compresseurs nécessitent une compression bi-étagée.

L'air ambiant est aspiré au travers du filtre à air et du régulateur d'aspiration; il est comprimé à près de 3 bars dans le 1er étage de compression, à une température d'environ 170°C. Il passe alors dans un réfrigérant inter-étage suivi d'un séparateur de condensats pour diminuer sa température à un niveau acceptable pour le 2ème étage de compression et purger les condensats issus de ce refroidissement. Il arrive ensuite à l'admission du 2ème étage de compression pour être comprimé à sa pression finale, à une température d'environ 230°C, passe par un clapet anti-retour qui empêche le retour d'air du réseau à la fin du cycle de compression; et est enfin refroidi dans un réfrigérant final.

Le compresseur à injection d'eau peuvent être équipés d'éléments de compression à vis double ou de bloc vis monovis. L'intérêt principal, outre des considérations écologiques par rapport à l'emploi d'un lubrifiant fossile, réside dans la production d'un air comprimé exempt d'huile, à l'instar d'un compresseur non lubrifié. Le refroidissement assuré par l'eau permet des températures de compression plus basses, se rapprochant ainsi d'une compression isotherme et améliorant ainsi la performance énergétique. Le taux de compression n'est toutefois pas aussi élevé que pour un compresseur à vis à injection d'huile; limitant ainsi l'intérêt énergétique du point précédent^[32].

Le compresseur à vis à injection d'eau fonctionne sur le même principe que les compresseurs rotatifs à vis lubrifiées à injection d'huile, mais de l'eau en circuit fermé assure le rôle du lubrifiant^[33]. Un filtre séparateur d'eau remplace le filtre déshuileur dans le réservoir séparateur. Une quantité d'eau non négligeable est entraînée avec l'air comprimé à l'issue du processus de séparation (de l'ordre de 10 Litres/ jour sur un compresseur de 30kW); un appoint d'eau régulier, automatisé, est donc nécessaire au fonctionnement; soit par une alimentation externe, soit par retour de condensation des vapeurs d'eau contenues dans l'air comprimé. Le circuit d'eau nécessite par ailleurs son traitement permanent à l'aide de filtres pouvant aller, selon les constructeurs, d'un simple filtre à coalescence à des filtres à charbon actif ou des filtres à osmose inverse, intégrés dans le compresseur.

Les compresseurs mono-vis sont en 2025 majoritairement utilisés pour la compression^[34] de fluides frigorigènes en tant qu'éléments de compression^[35], Les quelques machines complètes existantes sont des compresseurs d'air à injection d'eau^[36]. Le principe de fonctionnement est identique aux compresseurs à vis à injection d'eau; seul l'élément de compression diffère.