Brevet FR2018001A1 — publié le 19700529

Cette invention concerne un transducteur électro-fluidique et, plus particulièrement, un générateur d'énergie électrique utilisant une source fluide comme force motrice. On recherche depuis longtemps des sources d'énergie électriques qui soient facilement disponibles et-foncsionnent sans défaillances dans des conditions extrêmes de température, d'humidité, de pollution atmosphérique, d'accélération, de choc et de vibration. La présente invention se propose de satisfairé à ces contraintes sévères et variées en présentant un générateur électro-fluidique qui tire de l'énergie électrique d'éléments piézoélectriques en flexion en utilisant une source fluide comme force motrice. L'utilisation de cristaux piézoélectriques avec deys dispositifs fluidiques numériques est bien connue dans la technique. Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 269 419 décrit des amplificateurs fluidiques utilisant un cristal piézoélectrique excité électriquement et noyé dans une paroi de l'amplificateur pour permettre une commutation bistable. Le cristal piézoélectrique est employé comme élément de commande. Dans cette technique l'utilisation d'éléments piézoélectriques pour la production de courant n'a jamais été étudiée. L'invention concerne un transducteur électro-fluidique. Un amplifi cateur à fluide du type mural, comprenant une entrée d'alimentation, deux entrées de commande, deux canalisations de sortie et une région d'interaction, est branché comme un oscillateur auto-entretenu par des circuits fluidiques de contre-réaction branchés respectivement entre les entrées de commande et les sorties.Les sorties de l'amplificateur, soit des pressions fluidiques alternatives, sont branchées de manière à appliquer une force le long des axes mécaniques de plusieurs éléments piézoélectriques en flexion (ces élé- ments pouvant être des disques de céramique ou des bandes de Curie) et la sortie électrique est prélevée sur les axes électriques respectifs, les élé ment s étant branchés électriquement en série, en parallèle ou en série-parallèle. La présente invention a donc pour but de réaliser un transducteur électro-fluidique dans lequel l'énergie électrique provenant d'éléments piézoélectriques en flexion est engendrée par un fluide quelconque sous pression. L'invention a encore pour but de réaliser un générateur électrique fonctionnant d'une manière pleinement satisfaisante quelle que soient l'amplitude des variations des conditions d'environnement telles que la température, l'humidité, la pollution atmosphérique, l'accélération, les chocs et les vibrations mécaniques. Au dessin annexé,donné seulement à titre d'exemple - la Fig.l est une vue schématique, partiellemeht en coupe,d'une vue de dessus du transducteur électro-fluidiqué suivant l'invention ; - la Fig.2 est une vue schématique, partiellement en coupe, d'une vue de dessous de ce même transducteur ; - la Fig.3 est une vue en coupe schématique montrant le branchement en parallèle des éléments piézoélectriques en flexion ; - la Fig.4 est une vue en coupe schématique montrant le branchement en série des éléments piézoélectriques en flexion , ; - la Fig.5 est une vue en coupe schématique montrant le branchement en série-parallèle des éléments piézoélectriques en flexion ; - la Fig.6 est un schéma du transducteur électro-fluidique utilisé pour le fonctionnement du dispositif. Aux Fig. 1 et 2, le transducteur électro-fluidique comprend un élément bistable repéré en 10 et un boîtier 12. L'élément bistable 20 comprend un bottier 14 en époxy du autre matière plastique, évidé intérieurement'pour délimiter plusieurs passages pour le fluide. Le boîtier 14 est muni d'une buse d'alimentation 16 à laquelle se trouve convenablement branché une tubulure 18 en plastique ou autre matière souple, reliée à une source d'énergie fluide (non représentée). La buse d'alimentation 16 présente un profil longitudinal convergent qui se termine dans une région d'interaction 20 d'où elle se raccorde aux canalisations de sortie 22, 24. Le repère 26 désigne un répartiteur et les repères 28, 30 des purgeurs ou orifices de- mise à l'air libre.Des boucles du circuits de contre-réaction 32, 34 ramènent une partie du fluide circulant dans les canalisations de sortie 22, 24 vers la zone d'interaction 2Q. Le boîtier 1-2- 12 peut comprendre plusieurs éléments piézoélectriques en flexion, noyés dans une matière plastique et représentés ici pour la clarté du dessin uniquement par deux disques piézoélectriques en céramique 36 et 38 formant un sandwich acec une plaque 40 et ayant leurs axes électriques convenablement orientés par rapport à leurs axes mécanique-s de manière à réaliser une sortie électrique utile. Les éléments 36 et 38 sont des disques en cera mique"-- polycristalline, polarisés par Ie fabricant sous contrainte électrique au voisinage de la température de Curie. Les éléments 36 et 38 peuvent être aussi des'bandes' de Curie prélevées sur des cristaux piézoélectriques.La plaque 4D est conductrice Sien e' n que la conductivité soit facultative) et peut être en cuivre, bronze au béryllium, etc. @@ Le boîtier 12 comprend également les conduits de fluide sous pression 42 et 44 moulés dans le plastique et choisis pour appliquer directement la pression du fluide à la surface des éléments piézoélectriques en flexion 36 et 38 respectivement. Les conduits 42 et 44 connectent le fluide avec'les l'e's passages 4S et 48, ces derniers étant reliés aux conduits de sortie 22 et 24 par un moyen convenable tel qu'une tubulure souple 50 et 52. Les bornes 54 et 56 sont destinées à réaliser un contact électrique dans le sens des axes électriques des disques piézoélectriques 36 et 38 respectivement comme représenté au dessin. Les bornes 54 et 56 sont munies de cosses 58 et 60 auxquelles sont fixés des fils de sortie électrique 62 et 64 respectivement. Les éléments piézoélectriques en flexion peuvent être branchés en série, en parallèle ou en série-parallèle. Comme l'indique la Fig.3, les disques céramique 36 et 38 sont branchés en parallèle au moyen de barrettes conductrices 66 et 68. Ces dernières sont séparées des éléments piézoélectriques 36 et 38 au moyen des isolants 70 et 72, suivant figure. La barrette 66 de branchement en parallèle de la Fig.3 peut être convenabIement réalisée sous forme de bande distincte ou par déposition. De même la bande conductrice 68 peut être une bande distincte ou être obtenue par déposition. L'isolant 68, 70 peut être une couche de protoxyde de siliciu déposée sous vide. Sur la Fig.4, les disques céramique piézoélectriques 36 et 38 sont branchés en série au moyen de plusieurs conducteurs 74; 76, 78 et 80 branchés conme indiqué. Dans les deux configurations des Fig. 3 et 4-, les marques 82, 84, 86 et 88 indiquent le sens de la polarité positive (+ > repérée par le fabricant. A l'assemblage des disques 36 et 38, on veillera à orienter convenablement les marques 82 à 88 de maniere à produire l'effet électrique désiré. Sur la Fig.5, quatre disques 90, 92, 94 et 96 sont branchés en sérieparallèle. La polarité à respecter est indiquée par les points de repère 98, 10W, 102 et 104. Les bornes 106 et 108 sont reliées électriquement aux disques 90 et 96 respectivement, tandis que la borne 110 est électriquement comnune aux disques 92 et 94 si Iton respecte l'orientation prescrite par les points de repère 100 et 102. Les bornes 106 et 108 sont reliées par les cosses 112 et 114 aux fils 116 et 118 respectivement lesquels sont électriquement reliés à 120. La borne 110 est réunie au fil 124 au moyen de la prise 122.La pression du fluide est appliquée aux éléments piézoélectriques en flexion au moyen des tubulures souples 126 et 128 reliées respectivement aux conduits 22 et 24 de l'élément bistable 10. La tubulure 126 se divise afin de dériver par les sorties 126a et 126b la pression de fluide appliquée aux disques 92 et 94 respectivement. De même, la tubulure 128 se divise afin de dériver par les sorties 128a et 128b la pression du fluide appliquée aux disques 90 et 96 respectivement, Afin d'expliquer le fonctionnement du transducteur électro-fluidique suivant l'inventiony il convient de se reporter à la Fig.6 où les éléments piézoélectriques en flexion sont représentés branchés en parallèle comme à la Fig.3. Toutefois} il reste entendu que le fonctionnement est le meme et que l'explication s'applique également lorsque les éléments piézoélectriques en flexion sont électriquement branchés selon les Fig. 4 ou 5. Le fonctionnement de l'élément bistable 10 en soi est parfaitement connu dans cette technique. Une source de fluide ou alimentation motrice est introduite au moyen de la tubulure 18 et de la buse d'alimentation 16 dans la zone dtinteraction 20. Le fluide traverse un convergent ou une buse qui sert à convertir une bonne partie de l'énergie potentielle de l'alimentation en energie cinétique. Le jet résultant pénètre dans la zone dtinteraction à pression réduite, mais à vitesse élevée. L'élément bistable 10 est un dispo-sitif mural produisant une sortie numérique par effet Coanda.Les tolérances normales de fabrication assurent que le jet est initialement dirigé de façon qu'il soit totalement attiré vers Lune ou l'autre des tubulures de sortie 22. ou 24, la déviation étant réalisée par les propriétés d'entraînement du jet. Supposons par exemple que le flux soit dirigé vers la tubulure de sortie 24, une partie de cette sortie sous pression sera alors ramenée par le circuit de contreréaction 34 vers la zone d'interaction 20 provoquant la déviation du flux vers la tubulure de sortie 22.A nouveau une partie de la sortie sous pression est ramenée par le circuit de contre réaction 32, de la tubulure de sortie 22 vers la zone d'interaction 20 provoquant la déviation du flux vers la tubulure de sortie 24. I1 en résulte que l'ensemble fonctionne comme un oscillateur à fluide et que le flux est dirigé alternativement vers les tubulures de sortie 22 et 24. La pression de fluide des tubulures de sortie 22 et 24 est alors transmise par les passages 46 et 48 et les tubulures 42 et 44 alternativement aux surfaces des disques céramique 36 et 38. Ces derniers ont donc leurs axes mécaniques sollicités par une pression qui se traduit par l'établissement dtun potentiel électrique sur les axes électriques.La flexion d'un disque céramique dans le sens de son axe mécanique soumet alternativement chaque surface à une contrainte de compression et de traction produisant ainsi des courants de polarité contraire. Les disques 36 et 38 sont assemblés, convenablement orientés par rapport aux points de repère, de sorte que ces effets électriques s'ajoutent conformément aux tensions et/ou intensités exigées par l'application concernée. Du fait que la pression de fluide est alternative l'onde électrique de sortie obtenue est un courant alternatif de forme d'onde approximativement rectangulaire. La fréquence fondamentale de la sortie électrique dépend de la fréquence fondamentale de l'oscillateur fluidique fournie par l'élément bistable 10. La fréquence fondamentale de l'oscillateur peut être augmentée ou diminuée en diminuant ou en allongeant respectivement la longueur du circuit de contreréaction. Le courant alternatif se trouve déphasé par rapport à l'onde de pression du fluide excepté à la fréquence de résonance des éléments piézo électriques en flexion. Les orifices de mise à l'air libre 28 et 30 sont utilisés en aval de la zone d'interaction 20 afin de diminuer la sensibilité des éléments aux effets de charge. Il est également possible, dans Le cadre de la présente invention, d'utiliser un élément analogique pour fournir les pressions de fluide à appliquer aux éléments piézoélectriques en flexion. Toutefois l'élément analogique ne peut pas réaliser les pression différentielles exigées par l'action "tout ou rien" de l'élément numérique. Par conséquent, l'invention a été illustrée et décrite dans son meilleur mode de fonctionnement utilisant un élément numérique fournissant les alternances de pression du fluide. REVENDICATIONS 1 - Transducteur électro-fluidique, pour convertir de l'énergie fluidique en energie électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un oscillateur flui dique à deux sorties fournissant deux pressions périodiques en opposition de phase, un groupe d'éléments piézoélectriques en flexion présentant des axes mécaniques et des axes électriques, chaque élément établissant une polarisation électrique suivant son axe électrique en réponse à l'appli cation d'une contrainte suivant son axe mécanique, des moyens de liaison entre les sorties de l'oscillateur et ces éléments pour leur appliquer des contraintes suivant leurs axes mécaniques et un dispositif de connexion reliant les axes électriques aux bornes de sortie du transducteur où appa ratt une énergie électrique périodique. 2 - Transducteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments piézoélectriques en flexion sont des disques en céramique poly cristalline. 3 - Transducteur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments piézoélectriques en flexion sont des bandes de Curie. 4 - Transducteur conforme à la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les éléments piézoélectriques en flexion sont électriquement reliés en série. ou 3 5 - Transducteur conforme à la revendication 24 caractérisé en ce que les éléments piézoélectriques en flexion sont électriquement reliés en parallè le. ou 3 6 - Transducteur conforme à la revendication 2/, caractérisé en ce que les éléments piézoélectriques en flexion sont électriquement reliés en série parallèle.