Brevet FR2028266A1 — publié le 19701009

- 2028266 La présente invention est relative aux domaines de la manipulation des fluides, des soupapes et de 11actinnnement de celles-ci. Il existe un besoin pour des soupapes d'arrêt- irtar-5 che légères, sûres et sensibles , en particulier'pour la commande de l'écoulement d'un fluide dans l'industrie de la propulsion par fusée , où de telles caractéristiques sont essentielles pour le succès d'un lancement. Il est très désirable que de telles soupapes fonctionnent pratiquement indépendamment des pressions 10 de fluide, de telle sorte que les temps de réponse puissent être • prévus et soient sûrs dans une large variété de conditions. D' une façon typique, en cherchant à atténuer l'effet des variations de pression du fluide, on a utilisé des soupapes avec des joints glissants comportant des anneaux toriques en Néoprêne. De telles 15 soupapes souffrent de fuite sous haute pression , oit en général une vie utile réduite et présentent des incompatibilités de matière. Il existe également un besoin pour un mécanisme d' actionnement de soupape perfectionné. A l'origine, les soupapes 20 à solénoïde offraient un moyen relativement peu onéreux de commande de l'écoulement du fluide, mais de telles soupapes exigent un relativement long temps pour établir un champ magnétique suffisant pour I'actionnement. Par conséquent, alors que la demande pour une plus grande sûreté et une réponse plus rapide augmentait, 25 • la soupape à-solénoïde s'est révélés trop limitée et des soupapes actionnées par des moteurs exerçant un couple ont été misœ en oeuvre. Toutefois, la soupape à moteur à couple contient des caraD téristiques relatives à la symétrie et à la linéarité de la force de sortie qui nçéont pas nécessaires pour un actionnement de mar-30 che-arrêt et de telles caractéristiques handicapent d'autres caractéristiques de rendement , tout en. augmentant de façon appréciable le prix de revient du dispositif. La présente invention offre une nouvelle génération de soupapes marche-arrêt conçues précisément pour un tel fonction-35 nement . Elle utilise un mécanisme équilibré en pression, qui annule pratiquement toutes les forces de pression. Il ne contient que des pièces métalliques et aucun ajustage glissant. Il s'agit d'une soupape à un étage , ne demandant aucun écoulement de fluide 09 44591 2028266 pilote et elle est suffisamment légère., sûe et sensible pour être utilisée en tant que servo-soupape électro-hydrauliqup "î hr»ut rendement dans des applications sur. des avions ou des mirsu les. A la différence d'une soupape à solénoïde , la présente invention 5 fait appel à un aimant permanent qui a été calculé de façon optimum pour un actionnement marche-arrêt et le circuit magnétique est totalement isié des chambres d'écoulemat de fluide. Au contraire de la soupape à moteur à couple qui produit un couple lors de l'apparition d'un signal , les dispositifs suivant la.présente 30 invention perdent à 1'origine le couple lors de la réception du signal. Les dispositifs suivant l'invention agissent plus rapidement , sont plus légers et plus compacts que les dispositifs de commutation électro-mécaniques actuels qui sont conçus pour les mêmes applications. Ces dispositifs sont de conception relative-15 ment simple et ont un bas prix de reviènt.Le gain en énergie de travail obtenu grâce-à l'équilibrage des forces de pression de fluide engendrées dans la soupape permet d'utiliser des orifices de relativement grand diamètre pour commander des débits relativement importants sous des pressions élevées. 2D Plus précisément, on prévoit une soupape comprenant une tête de soupape, des moyens définissant une première chambre et une lumière pour celle-ci et des moyens comprenant une première paroi qui est reliée mécaniquement à la tête de soupape et - qui possède une partie qui est déformée élastiquement lorsque la 25 tête de soupape se trouve dans une position présélectionnée. Un ' siège pour la tête de soupape est prévu et il définit une seconde lumière pour la chambre , tandis que des moyens sont piévus pour commander la position de la tête de soupape. La paroi déformée agit en tant que plaque en porte-à-faux et, conformément à la 33 présente invention, les superficies efficaces du sièuri de soupape et de la paroi déformée sont calculées de façon à être pratiquement équivalentes, afin d'équilibrer pratiquement les forces de pression du fluide dans la chambre. Des moyens sont prévus poui rappeler la tête de soupape à la position présélectionnée et p„ur 35 diminuer le rappel. La paroi déformée élastiquement possède un moment de ressort suffisant pour écarter la tête de soupape de sa position présélectionnée lors de la réduction du rappel. Dans des formes de réalisation particulières, on pré- COPY 44591 3 2028266 voit des moyens définissant une seconde chambre et une lumière pour celle-ci, les seconds moyens de chambre comportant une seconde paroi déformable élastiquement qui est également connectée mécaniquement à la tête de soupape. Les superficies efficaces de cette seconde paroi et : de la surface de la tête de soupape dirigées vers elles sont également calculées de façon à être pratiquement équivalentes pour équilibrer en pratique les forces de pression du fluide dans la seconde- chambre. L^tésultat est une soupape dans laquelle un carter définit une enceinte avec deux chambres et une lumière dans chacune d'elles , et une paire de parois déformables élastiquemat disposées à l'opposé. Une tige de transmission de force connecte des parois déformables et porte entre celles-ci une tête de soupape ou "champignon" . L'enceinte est divisée' en deux chambres par des moyens qui définissent un siège pour la tête de soupape afin d'exposer les surfaces de tête opposées aux parois déformables respectives lorsque la tête de soupape est ^juyée sur son siège. Des moyens sont prévus pour rappeler la tête de soupape vers une position présélectionnée par rapport au siège. A ce-sujet, on applique un potentiel magnétique avec une force'prédéterminée poiir rappeler la tête de soupape à la position présélectionnée. Des moyens sont également prévus pour diminuer cette force prédéterminée , de telle sorte que les moments de ressort des parois déformées repoussent la tête de soupape suivant une direction opposée. Plus précisément , on utilise un aimant permanent pour produire un potentiel magnétique qui agit sur une armature connectée mécaniquement à la tête de soupape par l'intermédiaire des parois déformées afin d'imposer une charge préalable appliquant la tête de soupape sur son siège. Une bobine est disposée sur l'armature et peut-être excitée de façon à produire un potentiel magnétigue en opposition avec le potentiel magnétique permanent pour diminuer ainsi la force d'aimant permanent sur. l'armature et permettre à l'effet de ressort des parois d'écarter la tête de soupape de son siège. D'autres détails et particularités de 1'invention ressortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels La figure 1 est une vue schématique en coupe trans 44591 4 2028266 versale d'une soupepe suivant la présente invention. La figure 2 est un diagramme moment-déviatinn pour une soupape suivant l'invention. La figure 3 est un diagramme illustrant une courbe 5 de désaimantation typique pour un aimant permanent du type Alrieo VIII. ■ En se référant à la figure 1, on a représenté une sou pape 10 avec un carter 12 définissant une enceinte 14 ainsi que des lumières d'admission et de sortie 16 et 18, respectivement^et 10 qui est surmontée par un couvercle 15.Une paire de parois d'isolement 20 et 22, disposées à l'opposé, est prévue sur les côtés opposés de l'enceinte 14. Une aile annulaire 24 fait saillie vers 1'intérieur à partir de la surface interne du carter 12 entre les parois d'isolement 20 et 22 et parallèlement avec celles-ci. L'ai-15 le annulaire 24 définit, avec les parois d'isolement 20 et 22, des chambres supérieure et inférieure 26 et 28 , respectivement, dans l'enceinte 14.La paroi d'isclement supérieure 20 est soudée à un épaulement annulaire 30 formé sûr la surface interne supérieure du carter 12 généralement cylindrique.La paroi d'isolement 23 " inférieure 22 est de même soudée à un épaulement annulaire 32 formé sur la surface interne inférieure du carter 12. Une tige de transmission de force 34 est fixée rigidement entre les parois d'isolement 20 et 22 et une aile y est disposée annulairement en définissant une tête de soupape ou "cham 25 pignon" 36.L'aile de carter 24 disposée vers l'intérieur est munie d'une surface supérieure 38 constituée par une rondelle de carbure de tungstène annulaire qui définit un siège pour la tête 36 et cette dernière est dotée d'une surface inférieure 40 en carbure de tungstène. La tige de transmission 34 est connectée 30 à ses extrémités opposées aux parois d'isolemafc supérieure et inférieure 20 et 22, de telle sorte qu'un déplacement de la tête de soupape 36 a pour résultat une flexion identique des deux parois 20 et 22. Les parois d'isolement 20 et 22 , qui peuvent éga-35 lement être dénommées ressorts d'isolement , sont semblables à des diaphragmes flexibles plans, uniquement en cé qu'ils isolent physiquement l'enceinte 14 pour la séparer-des zones d'actionnement de la soupape et qu'ils fléchissent en réponse au dé- 69 44591 ' . 2028266 placement de la tête de soupape , mais ils sont beaucoup plus ê-pais et ont des- moments de ressort de beaucoup plus grande amplitude que les diaphragmes à flexion typiques. L'épaisseur et le taux de ressort des parois d'isolement 20 et 22 sont très impor-5 tants pour le fonctionnement de la soupape . Les parois d'isolement doivent être déformables mais suffisamment épaisses pour résister à une pression élevée et offrir une résistance mécanique suffisan-" te pour déplacer rapidement la tête de soupape. Les parois d'isolement 20 et 22 peuvent être construites de la façon illustrée, 10 en tant qu'organes distincts soudés au carter 12 otl elles peuvent • faire partie du carter 12 lui-même, c'est-à-dire en tant que parois intégrales suffisamment minces pour être déformables. Les dimensions-des parois 20 et 22 , de la tête 36 et du siège de soupape 24 sont choisies soigneusement pour obtenir 15 un système équilibré en pression. On utilise une géométrie de sys-tème qui tient compte des superficies efficaces des surfaces opposées de la tête 36 et des configurations adoptées par les parois d'isolement 20 et 22 lorsqu'elles sont déformées. A ce sujet, ces parois d'isolement 20 et 22 agissent en tant que plaques en porte-20 à-faux et des dimensions convenables pour le siège 24 , la tige de transmission 34 et les parois 20 ,22 peuvent être calculées en utilisant des équations bien connues (voir par exemple les cas 19 et 20 à la page 222 de l'ouvrage" "Formulas for Stress and Strain" de R.J.Roark, McQraw Hill Book Company, New York , 4ème 25- édition, 1965 ).De la sorte, l'effet de la charge de pression sur la tête de soupape est annulé par les forces opposées appliquées aux surfaces des parois d'isolement. Le résultat est un équilibre de pression permettant le coulissement de la tête 36 par rapport au siège 24 , avec une indépendance pratique vis-à-vis de la 30 pression de fluide. Dans un cas particulierr un équilibre de pression est obtenu en utilisant une tige de transmission 34 avec ■ un diaimètre de 3,37 centimètres , un diamètre de siège moyen i de 5, 1 centimètres et des diamètres égaux, de 7,87 centimètres pour les parois dlisolement 20 et 22. 35 En ce qui concerne le mécanisme d'actionnement, un arbre de support 42 s'étend en tant que prolongement de la tige . de transmission de force 34 à travers la partie centrale plus ■épaisse 29 de la paroi d'isolement supérieure 2Q, à travers une 69 44591 2028266 ouverture 44 dans le couvercle de carter 15 pour se terminer dans une armature 46 , disposée perpendiculairement , en matière magnétiquement perméable. Un organe de châssis supérieur circulaire ±8 en matière magnétiquement perméable est disposé au-dessus de 5 l'armature 46 et en est séparé à l'aide d'ailes 50 s'étendant vers le bas à.partir de cet organe de châssis supérieur 48. Un organe de châssis inférieur 52 en matière Magnétiquement perméable est supporté par le couvercle de carter 15. L'arbre de support 42 traverse une ouverture 54 dans l'organe de châssis infé-10 rieur 52. L'armature 46 est supportée , par l'intermédiaire de l'arbre de-support 42 à partir de la paroi d'isolement supérieure 20. Pour un transfert maximum de la force d'obturation , dans la position de fermeture inférieure, l'armature 46 touche à peine un prolongement en forme d'aile 56 de l'organe de châssis 15 inférieur 52, sur le côté gauche (au dessin), et ùne pièce- polaire 58 sur le côté droit , mais la. tête de soupape est appliquée énergiquement par la tige de transmission 34 contre son siège 24. La pièce polaire 58 et le côté droit de l'organe de châssis inférieur 52 enserrsfcun aimant permanent Alnico 60. Une bobine 20' .62 est disposée sur l'armature 46 , sur le côté gauche de celle-ci, entre l'organe de châssis supérieur et l'aile de prolongement 56. Des fils électriques 64 sont prévus sur la bobine 62 pour y appliquer un courant. La pièce polaire 58, les moyens de châssis 48 et 52 et l'aimant permanent 60 sont fixés au couvercle de 25 carter 15 à l'aide de vis (non représentées). On a prévu une plaque de couverture 66 chevauchant l^èircuit magnétique et fixée par vissage au couvercle de carter 15 , en 68. Lors du fonctionnement, la soupape 10 est normalement fermée par une force de rappel préalable exercée sur la 30 tête 36£piest égale au moment produit par l'aimant permanent 60 moins le moment requis pour faire fléchir les parois d'isolement 20 et 22, sans tenir compte d'aucune différence de pression, étant donné que le système est équilibré en pression. Dans une position de fermeture, sans entrefers, la force magnétique atteint 35 son maximum . L'attraction magnétique exercée par l'aimant permar.sTt 60 s'exerce sur l'armature 46, de façon à l'attirer vers la pièce polaire 58 et l'aile 56 de l'organe de châssis inférieur. Lorsque la bobine 62 est mise sous tension, un poten- COPY 69 44591 ' 2028266 tiel magnétique est produit dans l'armature 46 et il s'oppose au potentiel de l'aimant permanent 60. avec une diminution en résultant de la force de l'aimant permanent. Le potentiel de la bobine 62 engendre également un flux magnétique autour des ailes 50 de 5 l'organe de châssis supérieur 48, dans toutes les positions de l'entrefer en cet endroit.Lorsque le moment magnétique total est égal aux moments de flexion dè ressort des parois d'isolement supérieure et inférieure 20 et 22 , -,1 ' assemblage armature -tête de soupape 46 -34-36 se déplace de la position de fermeture à 10 celle d'ouverture. •. • En se référant plus en détail au fonctionnement de la sciupape 10, la figure 2 illustre des variations du moment magnétique et du moment de ressort par rapport aux variations de déviation des parois d'isolement 20 et 22. La soupape 10 est nor-15 malement fermée par une force d'aimant permanent de rappel préalable exercée par l'intermédiaire de l'armature 46 et de la tige de transmission 34 sur la tête 36. Dans la position de fermeture initiale, la force magnétique de rappel préalable atteint son maximum, étant donné qu'en l'absence d'entrefer, la réluctance 20 du circuit magnétique,en cet endroit est minimum. Les parois- d' isolement 20 et 22 agissant en tant que ressorts ne sont soumises à aucun effort lorsque la tête 36 e'st située à mi-distance entre les positions d'ouverture et de fermeture, mais exercent une force s' opposant au moment de l'aimant permanent lorsque la tête 36 25 est appuyée sur son siège.Par-conséquent, la force de rappel préa lable est égale au moment engendré 'par la force magnétique de 1' aimant permanent 60 moins le moment nécessaire pour faire fléchir les parois d'isolement 20 et 22. En se référant à la figure 2, la force de rappel préalable est égale à Fmo moins Fsp,q'est-à-di 30 re 150 - 175 = 75 unités de force. Lorsque la bobine 62 est excitée , un potentiel magnétique est engendré dans l'armature 46.Ce potentiel s'oppose à celui de l'aimant permanent 60, en diminuant ainsi la force due à cet aimant permanent 60. Cet effet peut être illustré en se 35 référant à la figure 3 ,qui représente les courbes de produit d' énergie ainsi que les courbes de boucle d'hystérésis majeure (A) et mineure (B) d'un aimant permanent de type Alnico VIII. Chose important® , une désaimantation survient sur la boucle d'hys 69 4459J 8 2028266 térésis mineure (B), comme illustré par les points 1 à 4 de celle-ci. En revenant à la figure 2, lorsque la bobine 62 est excitée comme décrit, le potentiel de l'aimant permanent est réduit 5 jusqu'à 37,5 unités de force. Le potentiel de la bobine 62 produit également un flux magnétique autour des ailes de châssis supérieures 50, servant de pôles magnétiques dans toutes les positions de l'entrefer en cet endroit, ce flux-.atteignant par exemple 9,4 unités de force. Le résultat est que le moment' magnétique total n' 10 est que de 28,1 unités, valeur qui est opposée par les moments •de flexion de ressort des parois d'isolement 20 et 22, totalisant 75 unités. Ceci a pour résultat un moment total de - 46,9 unités pour déplacer l'assemblage armature-tête de soupape 46 -34 - 36 de la position de fermeture vers la position d'ouverture. Dans la 15 position de ressort nulle des parois d'isolement 20 et 22, le potentiel magnétique d'aimant permanent 60 n'est que de 9;4 unités, ce potentiel étant opposé par un potentiel magnétique d'environ 37,5 unités provenant de la bobine 62, en donnant un moment total de - 28,J unités pour l'accélération de l'assemblage armature-20 tête de soupape 46-34-36 au-delà des pointsruls. Dans la position d'ouverture de la soupape, avec la bobine 62 désexcitée , un potentiel magnétique de là bobine de 160 unités s'oppose au potentiel de l'aimant permanent 60 dé 4,7 unités et dès moments de ressorts additionnés de 75 unités pour une force totale de - 80,3 25 unités , destinée à rappeler la soupape vers la position d'ouverture. Lorsque le courant appliqué à la bobine 62 est supprimé , le moment magnétique dû à cette bobine cesse après quoi le moment de ressort total de 75 unités et le moment de l'aimant permanent 60, de 9,4 unités en ce point, accélèrent l'assemblage armature-30 tête de soupape 46-34-36 vers la position de fermeture, avec une force totale de 84,4 unités . En franchissant les points nuls ou neutres, le seul moment engendré, celui de l'aimant permanent 60, déplace l'assemblage au-delà du point neutre avec une force de 37,5 unités pour appliquer la tête de soupape 36 sur son siège, 35 Un examen du diagramme moment-déviation de la figure 2 révèle qu' il existe des moments statiques disponibles dans toutes les positions de l'armature po.ur accélérer l'assemblage armature-tête de 69 44591 7 2028266 10 soupape vers une position d'ouverture avec un courant dans la bobi ne et vers une position de fermeture lors de la suppression du cou rant dans la bobine. Dans le dispositif décrit ci-avant, on utilise une ma tière magnétiquement perméable uniquement au voisinage du circuit magnétique , de telle sorte que la zone de la chambre à fluide n' est pas affectée par les champs magnétiques produits. Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation ci-avant et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet: LEGENDE DES DESSINS Figures 2 15 20 25 3 II Repères ' "A Soupape ouverte B Soupape fermée C Unités arbitraires de force D Force de ressort -E ' Force magnétique sans courant F Force magnétique avec courant G Déviation H Force de pression I Circuit de bobine : force magnétique due à la bobine J Induction-B-kilogauss E Force de désaimantation-H-oersted 09 44591 10 2028266 REVENDICATIONS 1. Soupape électro-mécanique du type marche-arrêt, destinée à commander un écoulement de fluide , carrctérisée en ce qu'elle comprend une tête de soupape , des moyens destinés à 5 définir une première chambre et une lumière pour celle-ci , des moyens comprenant une première paroi reliée mécaniquement à ladite de soupape et déformée élastiquement jusqu'à une première configuration lorsque la tête de soupape se trouve dans une position prédéterminée, un siège pour ladite tête de soupape définis-10 sant une seconde lumière pour ladite chambre , et des moyens des-" tinés à commander la position de la tête de soupape , les superficie efficaces de la tête de soupape et de ladite paroi étant sélectionnées de façon à équilibrer en pratique les forces de pression du fluide dans la première chambre. 35 2. Soupape suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de commande de position de la têtè de soupape comprennent des moyens rappelant cette tête de soupape vers la position présélectionnée par rapport au siège et des moyens pour diminuer ledit rappel. 23 3. Soupape suivant la revendication 2, caractérisée en ce que ladite paroi déformée élastiquement possède un moment de ressor.t suffisant pour écarter la tête de soupape de la position présélectionnée lors de la diminution dudit rappel. 4.Soupape suivant la revendication 1, caractérisée 25'• en ce qu'elle comprend des moyens définissant une seconde chambre et une lumière pour celle-ci, lesdits moyens de seconde, chambre comprenant une seconde paroi reliée mécaniquement à la tête de soupape et déformée élastiquement lorsque la tête de soupape se trouve dans ladite position prédéterminée, les superficies effica-3Q ces de la tête dçfeoupape et de la seconde paroi étant choisies de façon à équilibrer pratiquement les forces de pression du fluide dans la seconde chambre.. 5. Soupape suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens reliant rigidement la première 35 et la seconde parois afin de transmettre une force de déplacement de la première paroi à la seconde. 6. Soupape suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens reliant rigidement la tête de Cûp¥ 69 44591 2028266 soupape auxdites première et seconde, perds , ces première et seconde parois étant déplacées dans la même direction lors d'uii déplacement de la tête de soupape. 7. Soupape suivant la revendication 1, caractérisée 5 en ce que les moyens de commande de la position de la tête de soupape comprennent un organe magnétiquement perméable situé à l'extérieur de la chambre et relié mécaniquement à la tête de soupape afin de déplacer cette dernière avec lui, des moyens destinés à produire un potentiel magnétique agissant de façon à attirer 10 magiéfciquement ledit organe avec une force prédéterminée pour rappeler ainsi la tête de soupape vers la position prédéterminée , et des moyens pour réduire la force prédéterminée. 8. Soupape suivant là revendication 7, caractérisée . en ce que lesdits moyens destinés à produire un potentiel magné- 15 tique sont constitués par un aimant permanent et lesdits moyens destinés à réduire ladite force prédéterminée comprennent une bobine pouvant être excitée de façon à s'opposer au potentiel magnétique précité. 9. Soupape électromagnétique du type marche-arrêt, 20 caractérisée en ce qu'elle comprend un carter définissant une enceinte avec une première et une seconde lumières et une paire de parois déformées élastiquement et disposées à l'opposé, une tige de transmission de force connectant les parois déformées, une tête de soupape portée par ladite tige de transmission entre les parois 25 des moyens destinés à diviser l'enceinte en deux chambres, chaque-chambre étant adjacente à l'une des parois déformées , et définissant un siège pour la tête de soupape afin d'exposer des surfaces opposées de cette tê.te aux parois déformées respectives lorsque la tête est appuyée sur son siège, et des moyens destinés à rappe-30 1er la tête de soupape vers une position prédéterminée par rapport au siège, les superficies efficaces des surfaces exposées de la -• tête de soupape et les superficies"efficaces des parois respectives opposées étant choisies de façon à équilibrer pratiquement les forces de pression du fluide dans l'enceinte. 35 10. Soupape suivant la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend une armature de matière magnétiquement perméable portée à l'extérieur de la chambre et reliée mécaniquement à la tête de soupape afin de déplacer cette dernière avec elle, 69 44591 2028266 un aimant permanent associé activement à Indite armature afin d' attirer cette dernière magnétiquement pour rappeler ainsi la tête de soupape vers ladite position prédéterminée, et une bobine sur l'armature pouvant être excitée de façon à s'opposer au potentiel 5 magnétique de l'aimant permanent pour réduire ainsi son attraction lesâites parois déformées élastiquement possédant un moment de ressort suffisant pour déplacer la tête de soupape à partir de la position *pré