Brevet FR2037102A1 — publié le 19701231

MEMOIRE DESCRIPTIF à l'appui d'une demande de B R E V E T D ' I N V E N T I O N pour par la Société : AUTOTROL CORPORATION, 5855 North Glen Park Road, MILWAUKEE, Wisconsin (Etats-Unis d'Amérique). Priorité de deux demandes de brevet déposées aux Etats-Unis d'Amérique, le 19 février 1969, sous le N 800.481 et le 31 décembre 1969, sous le N0 (Continuation-in-part), au nom de David Graham Prosser, dont la demanderesse est l'ayant droit. La présente invention appartient à la classe des dispositifs qui utilisent un diaphragme flexible imperméable sépa étant deux chambres, en sorte que le diaphragme puis se être d- placé dans l'une ou l'autre de ces chambres en réponse à l'éta- blissement d'une différence de pression entre ces deux chambres, ou pour engendrer une certaine pression dans l'une des chambres ou dans les deux en réponse à une force externe. Par suite, un tel dispositif constitue un système de transmission permettant de transférer le mouvement du- diaphragmè -à l'extérieur du dispositif pour réaliser une fonction désire, oú pour transfWrer un mouvement ou des forces externes à l'intérieur du dispositif. Dans certains cas, la différence de pression est mise en oeuvre pour réaliser le travail, comme dans les essuie-glaces d'automobiles actionnés sous vide. Dans d'autres cas, on utilise des commandes à diaphragme opérant par différence de pression pour détecter une différence de pression et commander un instrument. Lorsque l'extrémité de travail de la- commande se trouve à l'intérieur du système scellé et que ltextrémité d'application de la force se trouve à l'extérieur, la commande peut réaliser une série d'opérations, par exemple, celles d'une pompe, d'un amor- tisseur, d'un ressort, etc... La présente invention est née d'un besoin de commandes pour mécanismes d'adoucisseurs d'eau automatiques, qui amorcent automatiquement la régénération de résines lorsque la dureté de l'eau s'écoulanthors de l'adoucisseur d'eau atteint un niveau prédéterminé. Une commande était nécessaire pour détecter et signaler une variation de volume d'une résine sensible lavée à l'aide d'un échantillon d'eau quittant l'adouciSSeUrv indi- quant que la résine de l'adoucisseur était épuisée. Une commande adaptée à un tel emploi doit être secellée aisément et de manière durable à l'encontre des déperditions.Comme remploi direct par les consommateurs dans les habitations constitue un grand marché pour les adoucisseurs d'eau, une telle commande doit être stable, durable et fiable, en sorte qu'elle puisse fonctionner pendant des périodes prolongées sans entretien d'aucune sorte. De même une commande utilisée-dans une telle ing- tallation doit être sensible à des différences de pression re nativement faibles; mais la sortiè'- de commande doit avoir une puissance suffisante sans amplification supplémentaire pour commander ou actionner des dispositifs mécaniques.Enfin, la commande doit avoir une structure simple et doit se révéler bon marché à la fabrication, en sorte que son prix soit suffisarment bas pour le mettre à la portée des consommateurs individuels sur les dispositifs d'adoucissement d'eau du commerce montés dans les maisons d'habitation Cependant, une commande satisfaisant à de telles exigences présente une certaine utilité dans de nombreuses autres applications. La présente invention est relative à une com ande à diaphragme, telle que des forces puissent être transmises dans un système ou hors d'un système; plus particulièrentent, l'invention réside dans un levier rigide, qui possède un bras interne assujetti à une membrane montée périphériquement dans un système, une partie pivotante montée à pivotement par ltinter- médiaire d'un joint étanche de pivotement flexible, et un bras externe faisant saillie au-delà du joint de pivotement, à l'ex- térieur du système. Conformément à la présente invention, une commande à diaphragme comprenant une membrane de matière flexibledéfor- mable séparant deux chambres est caractérisée par un élément d'etanchéité formé solidairement sur la périphérie de la membrane entre les chambresprécitées, ainsi que par un levier rigide comportant un bras intérieur assujetti à la membrane, une partie pivotante noyee dans l'élément d'étanchéité et un bras externe séparé du bras interne par la partie pivotante, le levier rigide étant à même de pivoter au niveau de la partie précitée par déformation et flexion de 11 élément d'étan chéité. Une commande à diaphragme conforme à l'invention, comme mentionné ci-dessus seravextrêmement couple en ce sens qu'er adoptant les configurations et les dimensions correctes pour le diaphragme et le levier, lesquelles dimensions sont calculables, elle peut être a meme de répondre aux exigences d'une grande variés d'installations ou d'emplois sirs. En modifiant la surface du diaphragme, la force totale disponible peut être augmentée ou réduite et en faisant varier les bras de levier de l'extrémité d'application de la force vis-à-vis du pivot ainsi que de l'extrémité de travail vis-à-vis du pivot également, la force et la vitesse de sortie désirées sont aisément atteintes. Une telle commande à diaphragme peut être à même de répondre de maniere précise à des différences de pression ténues, à la fois du fait des propriétés précitées et du fait qu'elle ne comporte pas de pièces mobiles en contact de friction. Le levier est monté dans un élément d'étanchéité mou et flexible qui permet le pivotement du levier avec une force très faible et ramène le levier à sa position d'équilibre lorsque la force est retirée. Par suite, en choisissant la matière, la structure et le montage de l'élément d'étanchéite autour du pivot ainsi que la structure et le montage de ce dernier, la sensibilité de la commande à diaphragme est réglée aisément et précisément. Les mêmes propriétés permettent à la commande à diaphragme de constituer une pompe, un amortisseur ou un système analogue d'une grande efficacité, d'une grande souplesse et d'une certaine durabilité. Du fait de -l'absence de pièces mobiles, une commande à diaphragme selon la présente invention est aisément fabri-quée et assem blée à un prix minimum et peut fonctionner sans entretien ou réparation jusqu'à ce que les-matières se soient usées complètement. Lorsqu'unie réparation ou un entretien est nécessaire, on peut y remCdier rapidement et à bon marché. Une telle com mande à diaphragme peut constituer un joint d 'étanchéité très efficace et durable entre des parties d'un système ainsi qu'entre le système et son environnement extérieur. L'invention sera mieux comprise en se rapportant à la description suivante réalisée en se référant aux dessins ciannexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en plan d Tune commande à diaphragme selon la présente invention, montée dans un bottier, en sorte de séparer les deux chambres de ce dernier; - la figure 2 est une vue en élévation latérale de la commande à diaphragme montée dans le bottier illustré dans la figure 1, certaines parties étant éclatées pour révéler la structure interne; - la figure 3 est une vue en perspective de la commande à diaphragme illustrée dans les figures 1 et 2; - la figure 4 est une vue en plan de la commande à diaphragme illustrée dans la figure 3; - la figure 5- est une vue en coupe de la commande à diaphragme selon la ligne 5-5 de la figure 3;; - la figure 6 est une vue en coupe de la commande à diaphragme selon la ligne 6-6 de la figure 4; - la figure 7 est une vue en plan d'une seconde forme de réalisation d'une commande à diaphragme selon l'invention; et - la figure 8 est une vue en plan d'une troisième forme de réalisation d'une commande à diaphragme selon l'in La première forme de réalisation est montée dans un bottier 1 qui est circulaire en vue en plan, comme on peut l'observer dans la figure 1; le bottier 1 est constitué de deux éléments en forme de godet 2 et 3, chacun d'entre eux présen tant une bride annulaire s'étendant radialement 4 et 5, respectivement, pour assembler les deux godets 2 et 3 l'un à l'autre. Les brides 4 et 5 présentent des alésages d'assemblage 6 à travers lesquels des boulons 7 sont fixés afin de maintenir solidairement les godets 2 et 3. Les godets 2 et 3 sont constitués d'une matière plastique rigide, telle que du Nylon ou du Téflon et chacun d'entre eux porte un raccord en laiton 8 et 9, respectivement, vissé dans des ouvertures prévues dans sa paroi terminale 10 et 112 respectivement, pour former des orifices 8 et 9 permettant d'accéder aux chambres respectives 12 et 13. Lcs godets S et 3 sont scellés ltun à 1'autre par une bague d'étanchéité 14 qui est inmobilisêe dans un siège annulaire forme par des rainures correspondantes des brides 4 et 5 des godets 2 et 3. La bague d'étanchéité 14 fait également partie intégrante d'un diaphragme 15 qui délimite avec les godets 2 et 3 les chambres 12 et 13 et les sépare en sorte de les isoler l'une de l'autre.La bague d'étanchéité 14 a également pour rôle d'ancrer un bord périphérique 16 d'une membrane 17 du diaphragme 15 à l'intérieur des parois latérales cylindriques 18 et 19 des godets 2 et 3 pour sceller ces derniers l'un à l'au- tre et pour sceller chacune des chambres 12 et 13 individuellement. Outre la membrane 17, cette forme de réalisation de com à mandegdiaphragme selon la présente invention comprend un levier d'acier inoxydable rigide 20. Le levier 20 possède un bras 21 assujetti à la membrane 17 à l'intérieur du bottier 1 par noyage de ce bras en position centrale à l'intérieur de la membrane 17, le bras interne 21 et la membrane 17 se combinant pour constituer le diaphragme 15. Dans la première forme de réalisation, l'extrémité du bras interne 21 du levier 20 est circulaire.Un prolongement rectangulaire contigu du bras interne 21 du levier 20 forme un autre bras 22 qui fait saillie hors du boîtier 1 Ce bras externe 22 fait saillie du boîtier 1 à travers une ouverture 23 de ce dernier forme par des encoches correspondantes 24 et 25 pratiquées dans les parois latérales 18 et 19, respectivement, des godets 2 et 3 Le levier 20 possède une par tie pivotante 2i situé e Td niveau de l'ouverture 23 où la bague d'étanchéité 14 forme un joint étanche fermant l'ouverture 23 étroitement autour de la partie pivotante 26 en sorte de préserver le joint étanche qui enserre les chambres 12 et 13, et une partie 27 de la bague d'étanchéité 14 c-.li scelle ltouverture 23 autour de la partie pivotante 25 du levier de la coiaaande 20, constitue également un pivot pour le levier 20. Par suite, la partie 27 de la bague d'étanchéité 14 situe au niveau de l'ou- verture 23 peut eAtre dénomme le joint de pivotement 27. Entre la p-riphwrie 1@ de la membrane 17 et l'extrémité circulaire du bras interne du levier 2C, la membrane 17 présente un pli annulaire 28 qui peut être déformé et allongé pour faciliter le déplacement du levier 20. La membrane 17 peut être constitue de caoutchouç Buna-iT, mou, flexible et élastique, en sorte qu'il soit aisément étiré par une ingère tension et retourne de manière précise à sa forme normale aussitôt que la force de sollicitation est retirée. Cette même matière molle pourrait former également la bague d'étanchéité 14, notamment le joint de pivotement 27. Aussi le levier 20 peut-il pivoter sans frottent et de manière aisée autour de son support sur le joint de pivotaient 27 de la bague d'étan chité molle 14 par déformation et élargissement du joint 27. Ce type de support pivotant, en éliminant toutes les surfaces de frottement et en permettant un mouvement libre, rend possi ble la réalisation soit d'une commande à diaphragme actionnée par différence de pression très sensible et très précise, soit d'un système de transmission très efficient permettant de transmettre des forces mécaniques ou des mouvements rigides dans un système scellé. Le mouvement et la force transmis par la commande à diaphragme selon l'invention, ou encore sa sensibilité, peuvent être augmentés en. modifiant la configuration de la commande en sorte d'obtenir un avantage mécanique supérieur, comme illustré dans la seconde et la troisième formes de réalisation de l'invention. La seconde forme de réalisation utilise un levier .29 muni d'un bras interieur rectangulaire et allongé 30 qui est également noyé dans une membrane 31 qui comporte une bague d'é tanchité 32 pour monter le diaphragme entre les éléments du bottier ou godets (non illustrés) et pour sceller les chambres (non représentées) autour du diaphragme. La membrane 31 comporte une partie plissée 32 entourant le bras interne 30 du levier 29 pour minimiser la résistance vis-à-vis du déplacement de ce levier. Le levier 29 comporte également un bras extérieur 34 qui fait saillie hors du boiter (non illustré) de la mame manière que le bras extérieur 22 du levier 20 dans la première forme de réalisation. Dans la troisième forme de réalisation, une membrane 35 en forme de poire présente une extrémité circulaire 36 sur un bras interne allongé 38 d'un levier 377 cette extramité circulaire 36 étant noyée dans sa partie élargie. Une partie pivotante 39 de la membrane 35 est formée à latex trémité de faible largeur de l'élément en forme de poire 35. Un bras externe 40 fait saillie de la membrane 35 à sa petite extrémité et s'étend hors du boiter (non illustre') à peu près de la même manière que le bras externe 22 du levièr 2C de la commande de la première forme de réalisation. Dans la troisième forme de réalisation, on- combine l'avantage du bras de levier obtenu du fait de la longueur du bras 38 et de la force totale accrue susceptible d'être applique au niveau de l'extrémité interne 36 du fait de la surface relativement importante de l'ex trémie circulaire 36, qui peut recevoir ou transmettre et grossir les forces. La présente invention est aisément adaptée à la satisfac- tion des besoins d'une situation quelconque, dans laquelle une commande å diaphragme actionnée par diffurence de pression serait souhaitée, par exemple, dans le cas de la commande pour adoucisseur d'eau mentionnée, ou encore dans le cas d'un détecteur thermique qui fonctionnerait sur la principe de la dilatation de fluides ou de la volatilité de liquides, ou encore dans le cas d'un baromètre ou d'un altimètre, ou bien d'un manomètre, etc... Dans ces formes de réalisation, le bras de levier interne 21, 30 et 38 serait le bras d'application de la force et le bras de levier externe 22, 34 et 40 serait le bras de travail.Si, dans une application particulière, une différence de pression importante est prévue et que l'on désire obtenir de la commande une force de sortie relativement faible, la longueur du bras interne du levier peut être réduite et~sa surface diminuée.Si une action rapide avec une force notable est désirée dans le cas où seule une différence de pression relativement faible est disponible, la surface du bras interne peut-être augmentée, en sorte de multiplier la force totale et sa-longueur peut etre ré duite~de telle manière que puisse s'éta=clir~un~fonctionnement à vitesse élevée. Naturellement, en allongeant-le bras de levier de l'extrémité d'apiilication de la force par rapport à ltextré- mité de travail, on peut obtenir une augmentation des avantages mécaniques aux dépens d'une vitesse de fonctionnement réduite. La caractéristique importante de l'invention est que n'importe quelle commande actionnée par différence de pression selon l'invention peut être aisément faite sur mesure pour s'adapter aux exigences de n'importe quelle mpplication. La commande à diaphragme selon itinvention est également à même de servir aisetlent dans une série de dispositifs qui requièrent la transmission-de forces, par exemple, d'un système mécanique rigide à un système à fluide, par exemple, dans des pompes, des amortisseurs, des dispositifs d'amortissement pneumatique, etc. . Dans ces formes de réalisation, le bras du levier externe 2;, 34 et 4O serait le bras d'application de la force et le bras du levier interne 21, 30 et 38 serait le bras de travail.Un amortisseur utilisant un liquide incompressible peut être conçu à partir de la forme de réalisation illustrée dans les figures 1 et 2 en remplissant les deux chambres 12 et 13 par le liquide et en raccordant ces chambres par les orifices 8 et 9 à l'aide d'un conduit resserré- (non illustré). De même, des orifices ae communication pratiquée à travers le diaphragme pourraient être utilisés, au lieu d'un conduit externe, pour constituer un amortisseur à liquide. Le mécanisme à amortir peut alors être raccordé au bras de levier externe 22. Si le fluide était un gaz compressible, un amortisseur ou un dispositif d'amortissement pneumatique pourrait être constitué à partir de la première forme de réalisation, en remplissant les chambres 12 et 13 par le gaz et en obturant les orifices 8 et 9. Si jiri liquide est utilisé- dans' urr- amortris.seur, un système de réglage appr-oprié monté dans le-conduit (non illustré) joignant les orifices 8 et 9 pourrait fournir l'amortissement différentiel entre les deux centres de déplacement du bras de levier 22. Pour constituer une pompe à partir de la forme de réalisation illustrée dans les figures 1 et 2, il est seulement utile de connecter les orifices 8 et 9 à un système contenant un réservoir (non illustré) de fluide à pomper ainsi qu'à un système approprié (non illustr) de conduite et de soupapes; on peut galement prévoir des orifices de com.:unication supplémentaires. Les spécialistes apprécieront le fait que le boitier 1 convient presque idéalement avec ses chambres 12 et 13 et les orifices 8 et 9 à toute sorte d'application. Les formes de réalisation représentées dans les dessins semblent optimales dans le domaine d'application mentionné des adoucisseurs d'eau. Pour tous les autres domaines, le boîtier 1, avec ses chambres 12 et 13 et ses orifices 8 et 9, est simplement représentatif d'un système scellé généralisé, qui, dans la pratique, peut prendre d'innombrables formes différentes.Le bras externe 22 pourrait éventuellement être noyé dans une autre membrane formant un diaphragme dans un second système scull. Dans cette dernière forme de réalisation, l'invention serait utilisée comme système de communication rigide entre deux systèmes scellés, au lieu d'établir la communication entre un système scellé et un système rigide. Outre les avantages fonctionnels mentionnes ci-dessus, la présente invention permet également des avantages collatéraux qui peuvent être encore plus importants. La commande à diaphragme entière peut être moulée dans des matières plastiques, cap elle ne nécessite aucune surface usinée ou de précision. Cette construction permet d'éliminer également les problèmes de cor roion en n 'exposant qu'une matière plastique relativement inertes Comme la commande à diaphragme entière et le boîtier immédiat requièrent au maximum trois éléments solidaires seulement qui peuvent être aisément assemblés et démontés sans outils spéciaux, le prix de fabrication est minimisé et les. réparations et 1'entretien ne requièrent presque pas de travail et très peu d'habile, L'étanchéité des chambres 12 et 13 est virtuellement parfaite et sûre, si bien que les forces à mesurer ou à appliquer sont isolées de manière aisée et fiable des influences étrangères. De même, les deux chambres sont idées d'ouvertures d'accès à travers les raccords 8 et 9 si bien que les forces étrangères inévitables peuvent être annulées en les appliquant sur les deux cotés du diaphragme. Cela semble particulièrement important lorsque l'invention est utilise pour mesurer des différences de pression Par exemple, dans une installation d'adoucissement de l'eau, la résine sensible aux ions peut être introduite dans une'chambre 12 ou 13 et l'eau de l'adoucisseur peut être introduite dans les deux chambres, en sorte que la pression hydraulique des deux cotés du diaphragme soit égalisée et que seule la variation du volume de la résine soit détectée par la commande à diaphragme fonctionnant sur le principe de la différence de pression. Cependant, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus, mais on doit considérer que des variantes et des modifications sont possibles qui entrent, naturellement, dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Commande à diaphragme comprenant une membrane de matière flexible déformable séparant deux chambres, caractérisée par un élément d'étanchéité force solidairement sur la péri périe de la membrane entre les chambres précitées, ainsi que par un levier rigide comportant un bras intérieur assujetti à la membrane, une-partie pivotante noyée dans l'élément d'étanchéité et un bras externe séparé du bras interne par la partie pivotante, le levier rigide étant à même de pivoter au niveau de la partie précitee par déformation et flexion de l'élément d'étanchéité. 2 Commande à diaphragme selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bras interne du levier rigide est noyé dans la membrane de matière flexible et déformable. 3. Commande à diaphragme selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractWrisée en ce que l'élément d'étanchéité est formé autour de la périphérie entière de la membrane. 4. Commande à diaphragme selon l'une quelconque des revendications 15 2 ét 3, caractérisée par un bottier comportant un volume intérieur creux et par une ouverture pratiquée à travers une paroi et communiquant avec le volume intérieur précité, le levier étant monté dans l'ouverture précitée et comportant une extrémité d'application de force située à ltin- térieur du bottier, une extrémité de travail faisant saillie hors du boîtier, la partie pivotante précitez étant disposée dans l'ouverture précitée, un montage pivotant de la partie pivotante de la commande étant forme dans L'ouverture préci- tee par une matière flexible et déformable entourant le levier de commande et formant un joint tanche entre le levier de commande et la paroi du boîtier au niveau de l'ouverture, la membrane étant assujettie à l'extrémité d'application de la force du levier et ayant sa périphérie fixée à la partie intérieure du boîtier pour diviser cette dernière afin de délimiter deux chambres sur les cotés opposés de la membrane, permettant ainsi à l'extrémité d'application dé la force du levier de commande de pivoter autour du montage pivotant précité dans la paroi du boîtier en réponse à lsétablissement dwune différence de pression entre les deux chambres. 5. Commande à diaphragme selon la revendication 4, caractérisée en ce que ltextremité d'application de la farce du levier est noyée dans la membrane. 6. Commande à diaphragme fonctionnant sur le principe de la différence de pression selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que la membrane et le montage pivotant du levier de commande sont venus de matière. 7. Commande à diaphragme selon l'une quelconque des revendications 4, 5 et 6, caractérisée en ce que la membrane comporte un pli dilatable formé entre l'extremité d'applica- tion de la force du levier de commande et la périphérie de la membrane. 8. Commande à diaphragme selon l'une quelconque des revendications 4, 5, 6 et 7, caraCtériSée en ce que le boîtier cornporte un volume intérieur creux et comprend deux éléments en forme de godet dont les extrémités ouvertes correspondantes sont assemblées l'une à l'autre, un élément dtétanchéité de matière flexible et déformable est lsnobilisé entre les extremltés ouvertes correspondantes des godets précités pour former avec ces dernières un joint étanche, et la membrane précitée étant assujettie de manière étanche sur sa périphérie aux surfaces internes du volume intérieur du boîtier 9. Commande à diaphragme selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractrisée en ce que la membrane et l'élé- ment d'étanchéité constituent un ensemble unique venu de matière et l'extrémité d'application de la force du levier de commande est noyée dans la membrane et passe à travers l'élé- ment l'étanchéité.