vignette|Principe de compression par 2 vis hélicoidales.
Un compresseur à vis est un mécanisme destiné à augmenter la pression d'un gaz. C'est aussi, par extension, une machine complète dans laquelle est installé ce mécanisme de compression (aussi appelé « élément de compression » ou « bloc vis »), et incluant châssis, moteur d'entrainement, échangeurs, filtres, tuyauteries, éléments de régulation, armoire électrique… Ces compresseurs assemblés peuvent être fixes ou mobiles.
Le compresseur à vis fait partie de la famille des compresseurs volumétriques rotatifs ; la compression du gaz est réalisée par une diminution mécanique du volume des chambres de compression. Il existe des vis doubles, les plus répandues, et des monovis. Les vis doubles se déclinent en deux catégories : vis non lubrifiées et vis lubrifiées (par injection d'huile ou injection d'eau).
Les deux applications principales des compresseurs à vis sont la production d'air comprimé et la compression de fluides frigorigènes dans les systèmes frigorifiques industriels. L'industrie gazière utilise également cette technique dans les stations de compression. Le compresseur à vis double est aujourd'hui la technique la plus utilisée pour la production d'air comprimé dans l'industrie dans les gammes de pression de et les plages de débit de . Elle équipe également une grande part des systèmes frigorifiques industriels et tertiaires.
Histoire vignette|Évolution des profils de vis double de 1878 à 2000. vignette|Classification des familles de compresseurs. Le compresseur à vis double est inventé en 1878 par l'allemand Heinrich Krigar 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 . Le suédois Alf Lysholm, ingénieur en chef de Ljungstroms Angturbin a repris le développement de cette technologie et déposé plusieurs brevets d'amélioration en 1935 et 1938 pour des vis doubles symétriques à 3 lobes non lubrifiées.
La Société suédoise SRM (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 a 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. Atlas-Copco commercialise le premier compresseur d'air à vis lubrifiées en 1957. La Sté Howden 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 , 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, 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.
Applications 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.
Air comprimé
La production d'air comprimé à moyenne pression (autour de ), 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.
Frigorifique Le secteur du froid utilise des compresseurs à vis, le plus souvent lubrifiés, en tant qu'éléments de compression dans des refroidisseurs. Les gaz comprimés pour cette application sont des fluides frigorigènes (ammoniac (NH), 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 par an.
Industrie gazière 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.
vignette|Compresseur de suralimentation coiffant le moteur d'une Chevrolet Corvette.
La distribution du gaz naturel est réalisée majoritairement dans des gazoducs qui forment un immense réseau de tuyauteries ( en France) reliant les sites d'extraction, les terminaux méthaniers GNL (Gaz Naturel Liquéfié) ou les unités de biogaz aux consommateurs finaux. La compression du gaz provoque, par la différence de pression, son déplacement à environ (). Des stations de compression sont nécessaires tous les , 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 stations de compression, d'une puissance cumulée de
De manière anecdotique en termes de volumes de production, certains moteurs de voitures sont équipées de compresseurs de suralimentation à vis double.
Les éléments de compression vignette|cliquer ici pour l'animation
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, sur les meilleures combinaisons de rotors, de nombre de lobes, ou encore du profil des vis, 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-lobeou 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, mais n'ont pas réussi en 2025 à s'imposer face aux vis doubles.
vignette|Vue écorchée d'un bloc vis lubrifié pour air comprimé.
L'usinage des rotors 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 .
Vis double lubrifiée 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.
vignette|Élément de compression à vis lubrifiées de fluide frigorigène.
L'huile utilisée dans ces compresseurs assure une triple fonction : étanchéité, lubrification et refroidissement. 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 , les faibles jeux mécaniques (de l'ordre de ), et les vitesses de rotation (de ) 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 en compression mono-étagée.
Vis double non lubrifiée 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 ) 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 . Les rotors nécessitent un revêtement de surface (à base de PTFE) pour empêcher la corrosion, ils peuvent aussi être réalisés en acier inoxydable.
Monovis vignette|Bloc vis d'un compresseur monovis.