Brevet FR2196443A1 — publié le 19740315

La prsente invention a pour objet un convertisseur électro-hydraulique ur UL procédé de commande dudit conver- tisseur. L'invention peut être utilisée d'une manie particu- librement avantageuse pour la commande des dispositifs d'entranement dans les systèmes électro-hydrauliques d'automatismes, etc. On ccnnatt des procédés de commande des mécanismes hydrauliques faisant partie des dispositif d'entraînement éLectro-hydrauliques, qui sont fondés sur la variation de la résistance hydraulique dans une zone de la conduite de refoulement par laquelle un liquide de commande, par exemple de l'huile minérale, est amené à un mecanisme d'exécution, par exemple au piston d'un vérin hydraulique. Pour mettre en oeuvre lesdits procédés de commande de mécanismes électro-hydrauliques ont fait appel à des dispositifs du type "tuyère-papillon" ou à un distributeur à tiroir. Dans un dispositif du type "tuyère-papillon", la pression du liquide à la sortie dudit dispositif est variée par déplacement du papillon par rapport à la tuyère, ce qui permet de modifier la résistence hydraulique dans cette zone et donc la pression du liquide à la sortie dudit dispositif. En cas d'utilisatior d'un distributeur à tiroir pour la commande du mécanisme hydraulique, la variation de la résistance hydraulique se fait par fermeture partielle de l'orifice de passage du liquide par le tiroir du distributeur. Tant dans ledit distributeur à tiroir que dans le dispositif du type "tuyère-papillon" précité, le déplacement du plongeur ou du papillon respectivement s'effectue à l'aide d'un moteur électrique. Donc, les conceptions connues des convertisseurs sont caractérisées par une transformation de l'énergie à plusieurs reprises. L'énergie électrique appliquée eu moteur électrique se transforme en énergie mécanique de déplacement des parties mobiles des convertisseurs, et ensuite en énergie de pression d'un liquide, c'est-à-dire que le signal de commande électrique se transforme en signal mécanique, et ce dernier, en signal1 hydraulique de sortie du convertisseur. Ires conceptions connues des convertisseurs présentent un certain nombre d'inconvénients. L'incovénient principal réside dans le fait que les convertisseurs comportent des éléments mécaniques mobiles, ce qui réduit sensiblement la fiabilité du fonctionnement et de la commande des convertisseurs, augmente leur temps de réponse et complique la construction des convertisseurs en général. D'autre part, les distributeurs à tiroir sont assez souvent sujets à ce qu'on appelle un phénomène d'oblitération, qui a pour effet d'accroître de plusieurs fois l'effort nécessaire au déplacement du tiroir du distributeur, d'où les exigences accrues auxquelles doivent satisfaire les moteurs électriques de tels dispositifs, notamment en ce qui concerne leurs dimensions. L'objectif de l'invention est de créer un procédé de variation de la résistance hydraulique dans une zone d'une conduite de refoulement, permettant de transformer l'énergie électrique directement en signal hydraulique, ainsi qu'un convertisseur électro-hydraulique permettant de mettre en oeuvre un tel procédé et ddpourvu d'éléments mobiles mécanique s. Cet objectif est atteint gracie au convertisseur électrohydraulique proposé, dont le procédé de commande consiste en ce que dans la zo-ne de création de la résistance kydrauli- que le courant de liquide est chargé d t électricité statique et qutun champ électrique est crée pour cccpérer avec le courant de liquide chargé, de manière que la variation de l'intensité du champ modifie le regime d'écoulement dudit liquide. I1 est avantageux de efiarger le liquide d'électricité statique par frottement du courant de liquide contre un diélectrique au cours de son écoulement. Ire convertisseur électro-hydraulique pour la mise en oeuvre du procédé proposé comprend un corps pourvu d'une tubulure d'entrée, d 1une tubulure dé sortie communiquant entre elles par un canal de passage du liquidej ainsi que des dispositifs pour la variation de la résistance hydraulique dans la zone considérée de la conduite de refoulement. Selon l'invention; le dispositif pour la variation de la résistance hydraulique est constitué par une électrode extérieure et une électrode intérieure connectées aux piles appropriés d'une source de courant continus et par un élément de charge du liquide, ladite électrode extérieure étant constituée par le corps du convertisseur lui-mêmei l'électrode intérieure et l'élément de charge du liquide étant disposés à l'intérieur dudit corps de manière à former entre eux et celui-ci le canal précité de passage du liquide. Un tel convertisseur ne comporte pas d'éléments mobiles mécaniques et, pour cette raisons présente un faible encombrement et une bonne fiabilité en fonctionnement. Ire procédé proposé de commande dtun tel convertisseur est caractérisé par le fait que le signal électrique se transforme directement en signal de sortie hydraulique, ce qui permet de réduire le temps de réponse du convertisseur. Selon un mode de réalisation du convertisseur proposé, son électrode intérieure est constituée par une tige cylindrique métallique comportantj sur ses extrémités arrondies; des évidements équidistants disposés suivant la circonférence extérieure desdites extrémités et recevant les fils de l'élément précité de charge du liquide, ladite tige métallique étant montée dans ledit corps par l'intermédiaire de douilles en diélectrique pourvues de fentes pour l'écoulement du liquide. Un tel convertisseur peut entre incorporé dans la zone considérée de la conduite de refoulement sans sortir des limites de son encombrement. Lorsque les électrodes du convertisseur sont alimentées par la source de courant continuj il se crée entre elles un champ électrique dont l'intensité dépend de la puissance de la source de courant. A son tour, le liquide passant le long de la surface de 11 électrode intérieure sur laquelle sont disposés les fils de l'élément de charge du liquide, acquiert une charge électrique statique par suite de son frottement contre lesdits fils. Du fait de l'interaction du champ électrique et du courant de liquide ainsi charge,' le régime d'écoulement de celui-ci varie et il en résulte une variation du signal de sortie hydraulique du convertisseur. Selon un autre mode de réalisation, à l'intérieur du corps du convertisseur est fixée rigidement une tige en diélectrique comportant des rainures à section rectangulaire diamétralement opposéesj disposées suivant les génératrices de ladite tigej tandis que l'électrode intérieure est constituée par une bande métallique logée au fond desdites rainures et portant les fils dudit élément de charge du liquide, ladite bande se trouvant en contact avec une tige métallique engagée dans un orifice ménagé àl'une des extrémités de ladite tige en diélectrique. Ires essais effectués ont montré que le débit du liquide s'écoulant à travers des fentes circulaires est notablement inférieur à celui s'écoulant à travers des fentes de section rectangulaire . Dans le cas considéré, ce sont les rainures rectangulaires ménagées dans la tige diélectrique fixées à l'intérieur du corps qui servent de canal pour le passage du liquide. C'est pourquoi un convertisseur ainsi conçu peut titre utilisé dans des conduites permettant un débit relativement élevé de liquide. Le procédé proposé est fondé sur les phénomènesphysicluez suivants . En l'absence d'un signal électrique d'entrée au convertisseur; il se forme dans le canal du corps de celui-ci un courant laminaire du liquide, qui est caractérisé par le nombre de Reynolds Rye (2700. La chute de pression dans cette zone s'exprime par l'équation: P1 - P2 = K1 V , où P1 et P2 sont la pression du liquide à l'entrée et à la sortie du ccnvertisseur , respectivement; K1 est un ccefficient de proportionnalité dépendant de la nature du liquide et des paramètres de construction du convertisseur; V est la vitesse du curant de liquide. Lorsqu'un signal d'entrée est appliqué au convertisseur, un champ électrique est engendré entre les électrodes; ce qui provoque une turbulence du courant et un accroissement de la chute de pression dans le convertisseur. P1 - P2 = K2VZ où K2 est le coefficient de proportionnalité; &alpha; est un coefficient caractérisant le degré de turbulence du courant, 1 Donc, pour un débit constant du liquide à travers le convertisseur,' la chute de pression dans celui-ci crott avec l'augmentation du signal d'entrée. Ire débit de liquide est maintenu constant à l'aide d'un régulateur du débit. # p = K2V&alpha; - K1V Ci-après est donnée une description détaillée de plusieurs exemples non limitatifs de réalisation de l'invention, illustrés par les dessins annexés qui représentent: - la figure li une vue schématique d'un convertisseur electro-hydraulique conforme à l'invention,en coupe longitu spinale; - la figure 2, un autre mode de réalisation du conver tisseur électro hydràulique, en coupe longitudinale; - la figure 3, une vue en coupe suivant III-III de la figure 2; - la figure 4i encore un autre mode de réalisation du convertisseur électro-hydraulique, en coupe longitudinale;; - la figure 5, une vue en coupe suivant V-V de la figure 4. Un convertisseur électro-hydraulique conforme à l'invention peut entre incorporé dans une conduite. Dars ce cas le corps 1 (figure 1) du convertisseur est formé par un secteur de tube de diamètre identique à celui de la conduite elle-meme. Le corps 1 est raccordé à la conduite à l'aide de douilles 2 et 3 en diélectrique, par exemple en verre organique. Ire corps I constitue en outre l'une des électrodes du convertisseur. Dans l'exposé qui suit, on le ddsignera par électrode extérieure".A l'intérieur du corps 1 est logé coaxialement une électrode intérieure 4 constituée ,sr une tige métallique à extrémités arrondies fixée dans le corps 1 à l'aide d'éléments réticulaires 5 et 6 en diélectrique, servant aussi d'éléments de charge électrique du liquide. En outre, les éléments réticulaires 5 isolent l'électrode extérieure 1 de l'électrode intérieure 4. Ainsi; la surface intérieure du corps I et l'électrode intérieure 4 forment entre elles un canal de passage du liquide; qui met en communication les tubulures d'entrée 6 et de sortie 7 du corps 1. Pour connecter chacune des électrodes 1 et 4 au pôle correspondant de la source 8 de courant continu; on a prévu dans les douilles 2 et 3 des orifices dans lesquels sont placés des éléments de connexion 9 et 10 en contact électrique avec les électrodes 4 et 1 respectivement. On peut équiper le convertisseur de manomètres M1- 11 et M2 - 12 destinés à mesurer la pression du liquide à entrée et à la sortie du convertisseur respectivement. Selon un autre mode de réalisation du convertisseur propos6; son électrode intérieure 4 (figure 2) est réalisée de la façon suivante. Une tige métallique à extrémités arrondies est fixée coaxialement dans le corps 1 (figure 2) à l'aide de douilles 13 en diélectrique, dans lesquelles sont ménagées des gorges annulaires pour le passage du liquide. Suivant la circonférence des extrémités arrondies de l'électrode 4 sont réalisés des évidements équidistants. L'élément 5 de charge du liquide est constitué par un fil constitué; par exemple; par un copolymère vinylique cornu sur le marché sous le nom de flvinolfl, et enroulé avec le maximum de tension possible le long de la surface latérale de l'électrode 4. Ires spires du fil sont placées dans les évidements précités des extrémités de l'électrode 4. Dans un tel convertisseur la résistance hydraulique est relativement faible. Selon encore un mode de réalisation; une tige 14 cylindrique en diélectrique est engagée à la presse dans le corps 1 (figure 4). Des rainures de section rectangulaire diamétralement opposées sont menagées suivant les génératrices de la tige 14. Au fond de ces rainures est disposée une bande métallique servant d'électrode intérieure 4. Dans les rainures; au-dessus de la bande; sont enroulés les fils de l'élément 5 de charge du liquide. A l'une des extrémités de la tige 14 en diélectrique est percé un orifice dans lequel est engagée une tige métallique 15 en contact avec l'électrode intérieure 4. Dans un tel convertisseur, ce sont les rainures rectangulaires de la tige diélectrique 14 qui servent de canaux pour le passage du liquide. Les essais effectués ont montré que le débit d'un liquide à travers des fentes de section rectangulaire est de plusieurs fois supérieur à celui obtenu quand les fentes sont annulaires; bien que leurs aires de section de passage soient égales. C'est pour cette raison que le convertisseur proposé peut titre utilisé dans les conduites par courues pardoe débits de liquide relativement importants. Le convertisseur fonctionne de la manière suivante. Lorsque les électrodes 1 et 4 sont alimentées par les piles correspondants de la source 8 de courant continuj il se crée entre lesdites électrodes un champ électrique. Le liquide arrive dans la tubulure d'entrée 6 du corps 19 puis dans le canal de passage formé entre la surface intérieure du corps 1j jouant le role d'électrode extérieure; et l'électrode intérieure 4. Le régime d'écoulement du liquide est laminaire; c'est-à-dire caractérisé par un nombre de Reynolds Re ( 2300. En passant entre les électrodes 1 et 4j le liquide entre en contact avec les éléments de charge 5. Par suite de son frottement c;atre les diélectriques le liquide acquiert une charge électrique dont la valeur dépend de la nature du liquide et du matériau de l'élément 5. intensité du champ entre les électrodes 1 et 4 atteint 5 . 106 V/m. D'une manière générale; l'intensité du champ dépend de la puissance de la source de courant. Le liquide chargé d'électricité subit l'action du champ électrique; il s'ensuit un régime turbulent de son écoulement, c'est-à-dire caractérisé par un nombre de Reynolds Re > 2300. Lors d'un tel écoulementj les pertes dues à la rdsistence hydraulique du convertisseur augmentent et,par conséquent la pression P2 à la sortie du convertisseur décroît. En variant l'intensité du champ on peut obtenir des degrés différents de turbulence du courant et, par conséquent; obtenir une valeur déterminéedu signal hydraulique à la sortie du convertisseur. La relation entre la valeur du signal de sortie hydraulique et les paramètres du convertisseur s'exprime par l'équation suivante: V.1.U P1 - P2 = K, # où V est la vitesse du courant de liquide quand U = 0; 1, la longueur du canal de passage du liquide dans le convertisseur; Ç, la distance entre les électrodes du convertisseur; Uj la tension aux électrodes du convertisseur; K," un coefficient de proportionnalité. Donc; en chaussant d'une manière appropriée les paramètres de construction du convertisseur et la tension aux électrodes 1 et 4 on peut augmenter la valeur du signal de sortie hydraulique 5 P ou P2. Ire convertisseur proposé est caractérisé par son action rapide et sa fiabilité élevée en fonctionnementji car il ne comporte pas d'éléments mobiles mécaniques. Bien entenduj l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisor.s, si cernes-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention, et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé de variation de la résistance hydraulique dans une zone déterminée d'une conduite de refoulement, caractérisé en ce que dans la zone de création de la résistance hydraulique on charge le courant de liquide d'électricité statique et on crée un champ électrique qui agit sur le courant de liquide ainsi chargé, de maniere que quand l'intensité du champ varie le régime d'écoulement dudit liquide varie lui aussi. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est chargé d'électricité statique par frottement contre un diélectrique au cours de son écoulement. 3. Convertisseirélectro-hydraulique pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, du type comportant un corps muni d'une tubulure d'entrée et d 'une tubulure de sortie communiquant entre elles par un canal de passage du liquide, et un dispositif pour la variation de la résistance hydraulique du liquide dans la zone considérée de la conduite de refoulement précitée, caractérisé en ee que le dispositif de variation de la resistance hydraulique est constitué par une électrode extérieure et une électrode intérieure connectées aux piles appropriés d'une source de courant continu , et par un élément de charge électrique du liquide, ladite électrode extérieure étant constituée par le corps du convertisseur, l'électrode intérieure et l'élément de charge du liquide étant logés à l'intérieur dudit corps de manière à former avec celui-ci ledit canal de passage du liquide 4. Convertisseur électro-hXydraulique suivant la revendication 3, caractérisé en que l'électrode intérieure est constituée par une tige métallique cylindrique compor tant, sur ses extrémitées arrondies, des évidements équidistants disposés suivant la circonférence extérieure desdites extrémités et recevant les fils de l'élément précité de charge du liquide, ladite tige métallique étant montée dans ledit corps par l'intermédiaire de douilles en diélectrique pourvues de fentes pour le passage du liquide. 5. Convertisseur électro-hydraulique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'à l'intérieur du corps précité est fixée rigidement une tige cylindrique en diélectrique comportant des rainures à section rectangulaire diamétralement opposées, disposées suivant les génératrices de ladite tige tandis que l'électrode intérieure est constituée par une bande métallique logée au fond desdites rainures et portant les fils dudit élément de charge du liquide,ladite bande se trouvant en contact avec-une tige métallique engagée dans un orifice ménagé à l'une des extrémités de ladite tige en diélectrique.