Brevet FR2499164A1 — publié le 19820806

Dispositifs pour comprimer de l'air en utilisant la pression de l'eau et applications. La présente invention a pour objet des dispositifs pour comprimer de l'air ou un gaz en utilisant la pression de l'eau et des applications, notamment à la motorisation de vannes. Le secteur technique de l'invention est celui de l'air comprime. L'objectif de l'invention est de procurer des dispositifs qui permettent de comprimer de l'air ou un gaz en utilisant uniquement l'énergie fournie par la pression de l'eau, meme si cette pression est très faible. Les dispositifs selon l'invention sont des multiplicateurs ou des démultiplicateurs de pression dont le rapport de multiplication peut varier selon les applications par exemple entre 2 et 100 ou inversement. Un objectif particulier de l'invention est d'obtenir de l'air comprimé sous une pression de quelques bars à partir de très faibles hauteurs d'eau, de l'ordre de 20 à 30 cm comme celles dont on dispose dans les canaux à cil ouvert à circulation gravitaire. Cet air comprimé permet d'alimenter des vérins pneumatiques ou tout autre moteur pneumatique équivalent pour motoriser les vannes qui équipent les canaux Cette solution permet de motoriser des vannes,notamment les vannes utilisées sur les canaux d'irrigation gravitaires, sans autre source d'énergie que celle de l'eau, ce qui évite d'avoir à poser des câbles électriques ou un réseau de distribution d'air comprimé ou de disposer de bouteilles de gaz comprimé qui doivent être remplacées périodiquement et permet d'obtenir des installations entièrement autonomes. Bien entendu, les dispositifs selon l'invention peuvent également être utilisés pour comprimer de l'air à partir de la pression de l'eau dans un réseau de distribution d'eau sous pression et, dans ce cas, on utilise des rapports de compression plus réduits ou inversés. Les dispositifs selon l'invention peuvent être utilisés comme petits compresseurs à usage domestique ou artisanal permettant de produire de l'air comprimé pour certains usages à partir de la pression d'eau du réseau de distribution d'eau potable par exemple pour réaliser des gonfleurs ou pour alimenter un pistolet à peinture. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen de dispositifs pour comprimer de l'air en utilisant la pression de l'eau qui comportent un réservoir de stockage d'air comprimé et un compres-- seur hydraulique d'air comportant deux pistons de diamètre différent, un premier piston se déplaçant dans une chambre de co.pre3sion de l'air qui communique avec ledit réservoir s travers un clapet de refoulement et qui communique avec l'atmosphère à travers un clapet d'aspiration et un second piston se déplaçant dans une chamrre à eau qui comnlunique avec une source d'eau sous pression a travers un -}strtbuteur hydraulique à tiroir coulissant et à trois voies, lesquels pistons sont reliés par une tige qui porte un doigt qui commande les changement s de position dudit tiroir coulissant lorsqu'il arrive à chaque f- Selon un mode de realisation préférentiel, le distributeur hydraulique coopère avec une bascule bis table qui est articulée autour d'un axe perpendiculaire à ladite tige et qui comporte deux bras situés de part et d'autre de ladite articulation et l'un desdits bras est appuyé contre un poussoir solidaire du tiroir coulissant dudit distributeur hydraulique tandis que l'autre bras pénètre dans une encoche d'un verrou articule poussé par un ressort et ledit doigt vient en butée à l'une de ses fins de course contre ledit errou qu il repousse et à l'autre fin de course contre une rampe de ladite bascule. De préférence, la chambre à eau équipant un compresseur hydraulique selon l'invention est un verin à membrane deformable. L'invention a pour résultat un nouvel appareil qui permet de comprimer de l'air ou un gaz sous une pression de quelques bars uniquement à partir de l'énergie fournie par de 11 eau sous pression, meme très faible, par exemple à partir d'une faible hauteur d'eau dans un canal d'irrigation à ecoulement gravitaire. Un avantage d'un dispositif selon l'invention réside dans le fait qu'il s'arrête automatiquement dès que la pression de l'air dans le réservoir atteint la valeur pour laquelle le dispositif a été calculé et il reprend automatiqumeent dès que l'on prélève de l'air dans le réservoir, de sorte qu'il renouvelle automatiqumeent la réserve d'air comprimé à mesure qu'elle est utilisée. Les dispositifs selon l'invention permettent notamment de motoriser les vannes qui équipent les réseaux de distribution d'eau à écoulement gravitaire en utilisant uniquement l'énergie de l'eau. Les dispositifs selon l'invention peuvent également être utilisés comme petits compresseurs à usage domestique ou artisanal pour fournir de l'air comprimé à partir de la pression d'un réseau de distribution d'eau potable par exemple pour alimenter un pistolet à peinture ou un pulvérisateur de substances par exemple de liquides de traitement de plantes dans un jardin ou pour constituer de petits gonfleurs. Dans ce cas, les compresseurs peuvent délivrer de l'air comprimé à une pression supérieure égale ou inférieure à celle de l'eau. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation et d'application de dispositifs selon l'invention. La figure I est une vue d'ensemble schématique de l'application d'un dispositif selon l'invention pour réaliser une commande pneumatique d'une vanne placée sur un canal d'irrigation. La figure 2 est une coupe axiale d'un compresseur d'air à moteur hydraulique selon l'invention. Les figures 3 et 4 sont des coupes selon III-III et IV-IV de la figure 2. La figure 5 est une vue analogue à la figure 3 montrant la deuxième position d'équilibre de la bascule. La figure 6 est une coupe axiale d'un distributeur hydraulique. La figure 1 représente un canal 1 qui fait partie d'un réseau de distribution d'eau d'irrigation à écoulement gravitaire. Ce canal est placé par exemple au-dessus du niveau du sol 2 qui est le niveau des cultures. Un talus de terre 3 s'étend de chaque côté du canal. Ce canal I est équipé de vannes 4 qui sont par exemple des vannes dites à guillotine ou martelières, constituées par une plaque qui coulisse verticalement dans des glissières. Des canaux peuvent également être branchés en dérivation sur le canal I pour alimenter des parcelles cultivées et une vanne peut être placée en tête de chacun de ces canaux dérivés. Le problème posé est de motoriser ces vannes sans utiliser d'autre énergie que celle de l'eau de façon à obtenir une installation entièrement autonome. La vanne 4 est équipée d'un vérin hydraulique 5 disposé sur un portique 6. I1 est précisé que la vanne 4 pourrait être de tout autre type équivalent, par exemple une vanne basculante ou pivotante et le vérin pneumatique 5 peut être disposé différemment. Un dispositif selon l'invention comporte un réservoir de stockage d'air comprimé 7 qui alimente en air comprimé le vérin 5. Un même réservoir 7 peut alimenter un ou plusieurs verins. Des distributeurs 8 de tout type connu,peuvent être placés sur la canalisation reliant le réservoir 7 au vérin 5. De préférence, les distributeurs 8 sont autonomes, par exemple des distributeurs temporisés par un mouvement d'horlogerie. Un dispositif selon l'invention comporte un compresseur d'air désigné dans son ensemble par le repère 9, qui peut être placé par exemple dans un cuvelage 10. Le compresseur 9 comporte deux chambres superposées 11 et 12 dans chacune desquelles se déplace un piston. Les deux pistons sont reliés entre eux par une tige rigide 13. Le piston inférieur 11 a une section S supérieure à la section s du piston supérieur. Il est précisé que le terme piston est employé dans un sens générique pour désigner soit un piston rigide qui coulisse dans un cylindre, soit une membrane déformable. Le compresseur 9 comporte un distributeur hydraulique 14 à trois voies. Le distributeur 14 est placé approximativement au niveau du sol 2 et la voie d'entrée du distributeur est connectée au canal par une canalisation 15, de telle sorte que, lorsque le canal est rempli d'eau, la surface de l'eau est à une hauteur h au-dessus de la chambre à eau. Là hauteur h est par exemple de l'ordre de 20 à 30 cm. Une des voies de sortie du distributeur 14 est connectée par une canalisation 16 sur le compartiment inférieur de la chambre à eau 11. La deuxième voie de sortie du distributeur 14 est connectée sur une canalisation de vidange 17 qui s'écoule par exemple dans un fossé ou qui rejoint le canal 1 en un point situé en aval de la vanne 4. Le distributeur 14 comporte un tiroir coulissant pouvant occuper deux positions dans lesquelles il met la voie d'entrée 15 en communication respectivement avec la canalisation 16 ou avec la vidange 17. La tige 13 porte un doigt 18 qui fait basculer un dispositif bistable 19 dont la description détaillée est donnée ci-après. Le dispositif bis table commande les changements de position du tiroir hydraulique du distributeur hydraulique. Le compartiment supérieur de la chambre de compression supérieure 12 est connecté au réservoir 7 par une canalisation 20 a travers un clapet de refoulement 21. La canalisation 20 porte un clapet d'aspiration d'air 22. Le fonctionnement est le suivant. On part de la position inférieure des pistons. Dans cette position, le doigt 18 a placé le distributeur, par l'intermédiaire de la bascule 19, dans la position qui fait communiquer les canalisation 15 et 16. L'eau pénètre dans le compartiment inférieur de la chambre à eau 11 et-repousse les pistons vers le haut en comprimant l'air contenu dans la chambre 12. Lorsque la différence de pression entre l'air contenu dans la chambre 12 et dans le réservoir 8 est suffisante, le clapet de refoulement 21 s'ouvre et l'air comprimé pénètre dans le réservoir 7. Lorsque le doigt 18 arrive en haut de course, il agit sur la bascule 19 et celle-ci libère le tiroir du distributeur 14 qui met la conduite 16 en communication avec la vidange 17. La chambre inférieure il se vide jusqu'à ce que le doigt mobile 18 arrive en bas de sa course et qu'un nouveau cycle recommence. La pression de l'air contenu dans le réservoir 7 croît progressivement jusqu'à ce qu'elle atteigne une pression P qui s est sensiblement égale à la hauteur h multipliée par le rapport Lorsque la pression d'équilibre P est atteinte, le doigt mobile 18 ne peut plus aller jusqu'en haut de sa course et le fonctionnement du compresseur d'air s'arrête automaitquement. il reprend automatiquement dès que l'on prélève de l'air comprimé dans le réservoir 7 et que la pression dans celui-ci devient inférieure à la pression d'équilibre P. La figure 2 représente une coupe axiale d'un mode de réalisation d'un compresseur hydraulique selon l'invention. On retrouve sur cette figure la chambre à eau 11, la chambre de compression 12, la tige 13, le doigt 18, la bascule 19, le distributeur hydraulique 14 et les trois voies 15, 16 et 17 de celui-ci, le réservoir 7 et les clapets 21 et 22. Dans ce mode de réalisation, la chambre à eau 11 comporte un boîtier plat en deux parties 23a et 23b qui est divisé en deux compartiments par une membrane déformable 24 qui est renforcée dans sa partie centrale par deux rondelles 25a et 25b entre lesquelles elle est placée. Le compartiment inférieur 23b comporte un embout d'arrivée d'eau 26 qui est connecté par une canalisation 16 sur une des voies de sortie du distributeur 14. Etant donné que l'on utilise de l'eau brute qui peut être chargée d'impuretés, la réalisation du vérin inférieur Il sous la forme d'un vérin à membrane déformable est un mode de réalisation préférentiel car un verin à piston ne pourrait admettre une eau brute chargée d'impuretés. On peut également utiliser un vérin en forme de soufflet déformable en un matériau élastomere. La tige 13 est fixée au centre de la membrane par tout moyen. Par exemple, elle est soudée à la rondelle inférieure 25b et un écrou 25c est visse sur la tige qui est filetée. La tige 13 est composée, de préférence, de deux parties 13a et 13b blées entre elles par un manchon fileté 27 afin de àcilater le démontage de l'appareil. Le doigt 18 est serré entre le manchon 27 et un écrou 28. La boîtier 23a porte un deuxième boîtier 29 ou des entretoises, qui entourent la tige 13 et qui supportent la chambre de compression 12. L'appareil comporte un ressort de rappel 30 qui entoure la tige 13 et qui prend appui, d'une part cur la plaque de base de la chambre de compression 12 et, d'autre part, sur l'écrou 28. Le ressort exerce sur la membrane 24 une action antagoniste de la pression de liteau. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, la chambre de compression 12 est un vérin mécanique comportant un piston 31 qui se déplace dans un cylindre 32. Bien entendu, ce vérin mécanique pourrait utre remplacé par un verin à membrane. La partie supérieure du cylindre 32 comporte un raccord 33 qui est connecté sur la canalisation 20 qui la relie au réservoir 7 à travers un clapet de refoulement. Un clapet d'aspiration 22 est connecté en dérivation sur la canalisation 20. On a représenté sur la figure 2 la course c du piston 31 qui est égale à la hauteur de deplacement de la membrane 24. L'air est aspiré dans le cylindre 32 à la pression atmosphérique. La figure 3 est une vue selon III-III de la figure 2 et la figure 4 est une vue selon IV-IV de la figure 3. La figure 5 est une vue analogue à la figure 3 montrant la deuxième position d'équilibre de la bascule 19. On voit sur les figures 2 à 4 une platine verticale 34 qui est fixée sur l'une des entretoises 29 et qui supporte le distributeur hydraulique à trois voies 14 équipé de trois embouts isba, 16a et 17a, qui sont connectés respectivement sur les canalisation 15, 16 et 17. Le distributeur hydraulique 14 comporte un tiroir coulissant solidaire d'un poussoir 35 qui fait saillie à l'extérieur du distributeur. Un ressort de rappel tend à repousser le poussoir 35 vers l'extérieur. L'appareil distributeur comporte, en outre, une bascule 19 qui est articulée autour d'un axe 36 qui est perpendiculaire à l'axe de la tige 13. La bascule 19 comporte deux bras 19a et 19b situés de part et d'autre de l'axe 36. La bascule 19 est une bascule bistable ayant deux positions d'équilibre stable comme on l'explique ci-après. L'appareil distributeur comporte, en outre, un verrou 37 dont une extrémité est articulée autour d'un axe 38 parallèle à l'axe 36 et dont l'autre extrémité comporte une encoche 39 dans laquelle pénètre l'extrémité du bras 19b. Un ressort 40 pousse le verrou 37 vers la bascule 19. La figure 3 représente la première position d'équilibre de la bascule 19 pendant la course montante de la tige 13. On a représenté sur cette figure la position du doigt 18 qui correspond au bas de la course des vérins. Dans cette position, l'extrémité du bras inférieur 19a est appuyée contre le poussoir 35 et maintient celui-ci en position rentrée en comprimant le ressort de rappel situé dans le distributeur 14. Dans cette position, le tiroir du distributeur fait communiquer la voie d'entrée 15a avec la voie de sortie 16a et le compartiment inférieur du vérin Il est alimenté en eau. Le doigt 18 se déplace progressivement vers le haut et la bascule est maintenue dans la première position d'équilibre par le verrou 37. Lorsque le doigt 18 a parcouru la course c vers le haut, il vient buter contre l'exrrémité libre du verrou 37 et il fait basculer celui-ci autour de l'axe 38 en comprimant le ressort 40. La bascule 19 est libérée et sous l'action du poussoir 35 qui est repoussé par le ressort contenu dans le distributeur 14, la bascule 19 vient occuper une deuxième position d'équilibre représentée en traits pleins sur la figure 5 et conserve cette position pendant toute la course descendante des vérins. Dans cette position du poussoir 35, le tiroir du distributeur 14 met en communication la voie 15 avec la vidange 17. Sous la poussée du ressort de rappel 30, la membrane 24 se déforme en châssant l'eau contenue dans le compartiment inférieur de la chambre 11. Lorsque le doigt 18 arrive en bas de la course, il vient buter contre une rampe 41 portée par l'exrrémité du bras 19a et il ramène la bascule 19 à la première position d'équilibre et un nouveau cycle recommence. Le mouvement alternatif des deux pistons se poursuit jusqu'au moment où la pression dans le réservoir 7 atteint la pression d'é S quilibre P sensiblement égale à - x h. A ce moment, le doigt 18 S ne peut plus atteindre le haut de la course et le compresseur s'im- mobilise jusqu'à ce que la pression dans le réservoir 7 redescende audessous de la pression d'équilibre P. La pression d'équilibre P est légèrement inférieure au rapport S.h du fait de l'action du ressort s 30. On voit sur la figure 4 un mode de réalisation du doigt 18 ayant une forme en équerre. La figure 6 est une coupe axiale d'un mode de réalisation d'un distributeur hydraulique 14. Celui-ci comporte un corps en trois parties assemblées par des vis 42. La partie centrale délimite une cavité 43 dans laquelle débouchent trois embouts 15a, 16a et 17a. L'embout 15a est connecté sur la canalisation 15 d'arrivée d'eau et il est placé entre deux sièges 44a et 44b. Le distributeur comporte une tige axiale 45 sur laquellesont fixés deux clapets 46a et 46b en un matériau élastomère qui ont, de préférence, une forme hémisphérique ou conique. L'écartement entre les clapets est supérieur à l'écartement entre les sièges et les deux clapets ainsi que les deux sièges ont des orientations inverses, de telle sorte que lorsqu'un clapet est ouvert, l'autre est fermé et inversement. La tige 45 se prolonge à l'extérieur du corps par un poussoir 35 muni d'une tête 35a de forme arrondie. Un ressort de rappel 47 tend à repousser le poussoir 35 vers l'extérieur et à appliquer le clapet 46b sur son siège. L'embout 16a, qui est connecté au vérin 11, débouche dans le compartiment qui est situé au delà du clapet 46b et le vérin 11- est donc alimenté en eau lorsque le poussoir 35 est repoussé vers l'intérieur par la bascule 19. On a représenté sur la figure 1 un exemple d'application comportant un seul compresseur pour alimenter un réservoir d'air comprimé 5. Bien entendu, si le volume du réservoir d'air comprimé est relativement grand, on peut connecter plusieurs compresseurs selon l'invention en parallèle sur le même réservoir. A titre d'exemple numérique, sans aucun caractère limitatif, si la hauteur h est de 20 cm et si l'on veut produire de l'air S comprimé sous une pression de deux bars, le support - entre la section s de la membrane 14 et celle du piston 31 sera de l'ordre de 100. L'exemple qui vient d'être décrit concerne une application dans laquelle le compresseur est actionné par la faible hauteur d'eau circulant dans un canal à ciel ouvert. Bien entendu, la chambre à eau du compresseur peut également être connectée à travers le distributeur 14 sur un réseau de distribution d'eau d'irrigation ou d'eau potable sous pression ou sur un réservoir de stockage d'eau de grande hauteur. Dans ce cas, le compresseur peut fournir de l'air comprimé sous une pression supérieure, égale ou inférieure à celle de l'eau. Cet air comprimé peut être utilisé pour commander des vérins pneumatiques équipant des vannes disposées sur le réseau ou une vanne d'alimentation automatique d'un chateau d'eau. Le branchement d'un petit compresseur selon l'invention sur un robinet d'eau potable ou d'eau d'arrosage d'un jardin permet d'alimenter de petits appareils domestiques nécessitant une alimentation en air comprimé sous une pression supérieure, égale ou inférieure à celle de l'eau. R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif pour comprimer de l'air, en utilisant la presion de l'eau, caractérisé en ce qu'il comporte url réservoir de stockage d'air comprimé (7) et un compresseur hydraulique d'air comportant deux pistons de diamètre différent,un p.emí piston (31) se déplaçant dans une chambre de compression de l'air (12) qui communique avec ledit réservoir à travers un clapet de rcfoul-arnt (21, et qui communique avec l'atmosphère à travers un clapet d'aspiration (2) et un second piston (24) se déplaçant dans une chambre à eau (11) qui communique avec une source d'eau sous pression a L avers un distribu- teur hydraulique à tiroir coulissant (14) et à trams voies, lesquels pistons sont reliés par une tige (13) qui porte un doigt (18) qui commande les changements de position dudit tiroir coulissant lorsqu'il arrive à chaque fin de course. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que ledit distributeur hydraulique coopère avec une bascule bistable (19) qui est articulée autour d'un axe (36) perpendiculaire à ladite tige (13) et qui comporte deux bras (19a, ,'9b) situés de part et d'autre de ladite articulation (36) et l'un desdits bras (19a) est appuyé contre un poassoir (35) solidaire du tiroir coulissant dudit distributeur hydraulique (14) tandis que l'autre bras (19b) pénètre dans une encoche (39) d'un verrou articulé (37) pousse par un ressort (40)-, et ledit doigt (18) vient en butée à l'une de ses fins de course contre ledit verrou qu'il repousse et à l'autre fin de course contre une rampe (41) de ladite bascule. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 pour comprimer de l'air à partir d'eau brute, caractérisé en ce que ladite chambre à eau (11) est un vérin à membrane ou à soufflet déformable (24). 4. Dispositif selon la revendication 3 pour comprimer de l'air sous une pression absolue supérieure à 1 bar en utilisant les faibles hauteurs de charge de l'eau qui s'écoule dans un canal à circulation gravitaire, caractérisé en ce qu'il comporte un vérin plat (11) de grand diamètre situé sensiblement au niveau du sol, lequel vérin est relié par une tige verticale (13) à un deuxième vérin (32) de petit diamètre qui est connecté audit réservoir d'air comprimé (7). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caracterisé en ce que ledit distributeur hydraulique (14) comporte deux sièges (44a, 44b) de sens inverse et il comporte, de plus, deux clapets (46a, 46b) en un matériau élastomère de forme hémisphérique ou conique, qui sont montés avec des orientations inversées sur une même tige (45) solidaire d'un poussoir (35) qui fait saillie hors du corps du distributeur et qui est repoussé vers l'extérieur par un ressort (47). 6. Application d'un dispositif selon la revendication 4 à la commande motorisée d'une vanne (4) disposée sur un canal (1) à circulation gravitaire, caractérisée en ce que ladite vanne est équipée d'un vérin de manoeuvre à air comprimé (5) qui est connecté sur un réservoir d'air comprimé (7), lequel réservoir est alimenté automatiquement en air comprimé par un dispositif qui comporte un vérin plat de grand diamètre (11) disposé sensiblement au niveau du fond dudit canal (1), un vérin de petit diamètre (12) qui est relié audit vérin (11) par une tige (13) et qui est connecté sur ledit réservoir (7) et un distributeur hydraulique (14) à trois voies qui est connecté audit canal par une première canalisation (15), audit vérin plat par une deuxième canalisation (16) et à un conduit de vidange (17), et ladite tige (13) porte un doigt (18) qui commande les changements de position d'une bascule bistable (19) qui agit sur un tiroir coulissant dudit distributeur. 7. Application d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'on connecte la chambre à eau (11) à travers ledit distributeur (14) à un réseau de distribution d'eau sous pression et on connecte ledit réservoir (7) sur des vérins pneumatiques qui commandent les manoeuvres de vannes disposées sur ledit réseau de distribution d'eau sous pression. 8. Application d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisée en ce que l'on connecte la chambre à eau (11) à travers ledit distributeur (14) sur un robinet d'un réseau de distribution d'eau sous pression Et on 03nnectelachambredz mmpressiondZ l'air (12) soit directement ,soit à travers un réservoir (7) sur un petit appareil tel qu'un pistolet de peinture, un gonfleur ou un pulvérisateur qui utilise de l'air comprimé sous une pression supérieure, égale ou inférieure à celle du réseau.