Brevet FR2528123A1 — publié le 19831209

Pompe hydraulique pour liquides La présente invention se rapporte à des pompes hydrauliques pour liquides du type comprenant un corps, un ro- tor cylindrique entouré par et monté dans un support extérieur ce corps comportant un orifice d'entrée et un orifice de sor- tie du liquide à pomper et le rotor portant une pluralité de cylindres répartis à intervalles angulaires égaux qui sont dis- posés parallèlement à l'axe du rotor ou en partent radialement, des pistons contenus dans des cylindres effectuant un mouve- ment de va-et-vient lorsque le rotor tourne sous l'action d'un système de type came tel qu'une surface inclinée par rapport à l'axe du rotor ou l'inclinaison de l'axe du rotor lui-même, pour pomper le liquide Lorsque le rotor tourne, les cylindres franchissent séquentiellement l'orifice d'entrée alors que du liquide est aspiré dans les cylindres et franchissent séquen- tiellement l'orifice de sortie alors que le liquide est refoulé des cylindres sous l'action des pistons. Ces pompes à pistons ont tendance à fonctionner bruyamment L'une des causes de ce bruit est l'irruption sou- daine de liquidé à haute pression d'un orifice de sortie à haute pression dans le cylindre qui vient d'être éloigné par rotation d'un orifice d'entrée de pression, l'irruption ayant lieu à cause de la légère compressibilité du fluide Il est de prati- que courantede prévoir des moyens pour faire déboucher le cylindre sur la sortie de haute pression relativement lente- ment et, bien que cela permette d'obtenir une amélioration im- portante, le comportement qui en résulte n'est pas satisfaisant pour certaines applications Il est également de pratique cou- rante de prévoir une zone de précompression, de façon que le piston de chaque cylindre se déplace pour précomprimer le flui- de avant que le cylindre débouche sur la sortie de haute pres- sion L'utilisation d'une zone de précompression en même temps que des moyens d'ouverture lente donne de bons résultats sur une gamme limitée de cylindrées, vitesses et pression de la pom- pe. Pour obtenir un comportement acceptable pour des applications demandant une gamme étendue de cylindrées, vites- ses et pressions de la pompe, il est nécessaire de prévoir une zone de précompression aussi importante que possible et une soupape automatioue qui débouche sur l'orifice de sortie des hautes pressions pour empêcher que la précompression ait lieu dans le cylindre Sans cette soupape de précompression, la pression du cylindre pourrait monter à des valeurs très élevées ce qui entraînerait du bruit et des charges de percussion. Les réalisations connues de soupapes de précom- pression ne réussissent pas en général, du fait qu'elles sont d'un fonctionnement trop lourd aux hautes fréquences requises ou insuffisamment robustes pour supporter l'ouverture et la fermeture constante sous la variation des basses et hautes pressions. On a fait de nombreuses tentatives pour obtenir une soupape de précompression satisfaisante On trouve des exem- ples d'approches antérieures du problème dans les brevets suivants 1 Le brevet US No 3 382 813, 14 Mai 1968, Schauer, indique l'utilisation de soupapes-champignons relati- vement lourdes et de ressorts légers En raison de leur poids, les soupapes-champignons ne s'ouvrent pas entièrement aux vi- tesses élevées de la pompe et, en raison de la combinaison de leur poids avec les ressorts légers, elles sont fermées de façon violente et destructrices, selon l'expérience actuelle des demandeurs, par la pression de refoulement totale. 2 Le brevet US N O 3 199 461, 10 Août 1965,Wolf, enseigne l'utilisation de plongeurs glissants qui ont l'aspect de clapets plats, mais n'assurent pas d'ouverture débouchant dans l'orifice de sortie. 3 Le brevet US N O 3 179 060, 20 Avril 1965, Lehrer, indique des clapets à bille et ressort, mais enseigne "qu'on peut utiliser tout clapet antiretour bien connu dans la technique" L'expérience des présents demandeurs montre que les clapets à bille et ressort, tout en étant bon marché et d'une fabrication facile, sont trop lourds pour des vitesses de pompe élevées et se ferment invariablement violemment sous l'effet de la pression totale du système, du fait qu'il est im- possible de disposer de ressorts suffisamment solides et cela contredit l'idée qu'on peut utiliser avec succès n'importe quel clapet anti-retour. 4 Le brevet britannique N O 684 551, 17 Décembre 1952, Ldw von Roll'schen Eisenwerke AG, enseigne l'utilisation d'une 'oupape très légère" en accord avec l'expérience des demandeurs Il y a lieu de noter que les seuls ressorts indi- qués sont des ressorts hélicoïdaux et que l'on n'indique pas qu'il est désirable d'utiliser un ressort de rappel dur Selon l'expérience des demandeurs, les soupapes de ce brevet seraient détruites par une fermeture violente et des vitesses élevées de la pompe. Le brevet US N O 2 642 809, 23 Juin 1953, Born, enseigne aussi l'utilisation d'un ressort hélicoïdal appliqué à un "clapet anti-retour à bille soumis à la pression d'un ressort" Le brevet indique que l'application de la pression de sortie à la bille aide le ressort à maintenir la bille en position fermée Il est indiqué que, pour cette raison, on peut utiliser un ressort relativement léger qui offrira une résis- tance très faible au moment d'ouverture de la soupape Bien qu'une "faible résistance" soit désirable, l'expérience des demandeurs indique que l'utilisation d'un ressort hélicoïdal relativement léger ne réussirait pas, en raison de la destruc- tion de la soupape par fermeture violente. 6 Le brevet US N O 2 529 309, 7 Novembre 1950, Purcell, indique un autre exemple de l'utilisation d'un clapet à bille et ressort. 7 Le brevet britannique N O 506 685 enseigne l'u- tilisation de clapets à bille et à tulipe qui auraient les in- convénients précités. 8 Le brevet britannique N O 442 450,10 Février 1936, Koppler, indique l'utilisation d'une soupape à disque et d'un ressort hélicoïdal qui présenterait aussi les inconvénients précités. Malgré les nombreuses tentatives faites pour ré- soudre le problème de la présente demande, autant que le sa- chent et le croient les demandeurs, il n'existe pas dans le commerce de soupape de précompression dans une pompe hydrau- lique. En dehors desbrevets précités, qui sont en liai- son directe avec la solution proposée par la présente inven- tion, il y a d'autres brevets prévoyant un clapet anti-retour de précompression pour chaque cylindre; bien que cet agence- ment donne beaucoup plus de temps pour la fermeture de la soupape, il est très complexe et d'un coût de revient très éle- vé Les brevets US n 2 781 775, 2 661 695 et 2 553 655 indi- quent de tels agencements. Un autre groupe de brevets présente des ensem- bles de soupape complexes pour éviter d'avoir à utiliser un clapet antiretour de précompression à action rapide Comme exemples de tels brevets, il y a lieu de citer le brevet bri- tannique n 1 589 601, le brevet US No 3 956 969 et bien d'au- tres Cependant, ils décrivent tous des structures relativement complexes et coûteuses. La présente invention a pour objet un clapet de précompression susceptible de supporter une pression supérieure variant à des fréquences plus élevées que les structures con- nues, ce qui assure un fcnctionniement de la pompe à pistons à des niveaux de bruit plus faibles en rendant une telle pompe appropriée pour une iamime d'applications plus étendue. On atteint l'objectif de l'invention en utili- sant un clapet élastique plat, c'est-à-dire un clapet en matiè- re en feuille plate élastique, typiquement de l'acier Le cla- pet lui-même n'est pas forcément complètement plat, mais il peut être légèrement bombé ou incurvé Il s'est avéré qu'un tel clapet peut être conçu pour se fermer suffisamment rapide- ment apres le passage d'un cylindre pour qu'au moment o le cylindre suivant est en communication avec le clapet de pré- compression celui-ci soit pratiquement fermé Si cela n'a pas lieu, le clapet subit, tout en étant encore ouvert, une pres- sion de fermeture soudaine importante de l'orifice de sortie, qui provoque sa fermeture violente avec une possibilité de dé- térioration corrélative. La présente invention consiste en une pompe hy- draulique pour liquides comprenant un corps, un rotor cylin- drique entouré par et monté dans un support extérieur, ce corps comportant une face dans laquelle se trouvent un orifice d'entrée et un orifice de sortie pour le liquide à pomper, le rotor portant une pluralité de cylindres répartis à intervalles angulaires réguliers, disposes parallèlement à l'axe du rotor ou en partant radialement, des pistons contenus dans les cylin- dres subissant des mouvements de va-et-vient lorsque le rotor tourne sous l'action d'un système de type came, les cylindres franchissant séquentiellement sur ladite face l'orifice d'en- trée alors que du liquide est aspiré dans le cylindre et fran- chissant séquentiellement l'orifice de sortie alors que le li- quide est expulsé de l'orifice de sortie par l'action des pistons, ladite face comportant entre l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie une zone de précompression que les cylin- dres franchissent en passant de l'orifice d'entrée à l'orifice de sortie, ladite zone comportant une ouverture communiquant avec l'orifice de sortie, caractérisée en ce que cette commu- nication est normalement coupée par un clapet élastique plat ce clapet étant agencé pour s'ouvrir lorsque la pression de liquide dans un cylindre dépasse la pression de liquide à l'orifice de sortie. Selon un mode d'exécution préféré de l'invention, le clapet de précompression est constitué par un clapet plat élastique comportant une portion centrale pourvue de deux ou plus de deux doigts élastiques d'un seul tenant, c'est-à-dire situés au-dessus d'une surface plane dans laquelle est formée une ouverture en forme de trou reliant le cylindre prêt à s'ouvrir à l'orifice de sortie de haute pression L'espace en- tourant le clapet est relié à la sortie de haute pression Le claplet est conformé de façon que sa propre élasticité tende à le maintenir au-dessus du trou, formant ainsi une obturation étanche pour empêcher le fluide sous haute pression de péné- trer dans le cylindre Lorsque le piston comprime le fluide dans le cylindre, la pression augmente jusqu'à être égale à la haute pression régnant dans l'orifice de sortie, et à ce moment le clapet s'ouvre automatiquement pour permettre au fluide de quitter le cylindre Peu après, le cylindre s'ouvre à la sortie de haute pression grâce à des moyens de communication par ori- fices normaux, de sorte qu'une même pression règne de part et d'autre du clapet, ce qui lui permet de se fermer ou au moins de se fermer partiellement, sous l'effet de sa propre élastici- té, avant que le trou ne soit relié au cylindre suivant, toujours à basse pression, ce qui oblige le clapet à se fermer par ser- rage sous l'effet de la pression aval qui la serre sur le trou de façon hermétique. La légèreté et la rigidité élastique inhérentes du clapet plat à ressort selon l'invention permet de l'appliquer 6 2528123 avec succès à une gamme de tâches étendue. On décrit l'invention dans son application à des pompes comportant des pistons disposés parallèlement à l'axe du rotor, mais on peut l'appliquer également à des pompes hydrau- liques dont les cylindres partent radialement de l'axe de la pompe. On va décrire à présent des exemples de réalisa- tion préférés non limitatifs de l'invention, en regard du des- sin annexé dont: La figure 1 représente une pompe à piston à dé- placement à débit variable d'un type auquel peut s'appliquer l'invention La figure 2 est une vue de la face de la pompe pourvue d'orifices; La figure 3 est une coupe partielle de la face pourvue d'orifices de la pompe; Les figures 4 et 5 sont des vues en plan des clapets plats élastiques selon l'invention. En se référant à -la figure 1, une pompe à pistons à déplacement variable comporte un ensemble d'arbre rotatif 1 qui entraîne un rotor cylindrique 2 tournant contre une face 3 à inclinaison réglable, de sorte que plusieurs pistons 4 effec- tuent des mouvements de va-et-vient dans des cylindres 5, faisant entrer et sortir du liquide par des orifices ( 6 et 7, sur la figure 2) formés dans la face 3 Le déplacement angulaire du bloc à orifices 8 contre une surface d'appui 9 modifie l'an- gle d'inclinaison de la face 3, ce qui modifie la course du piston et le débit de la pompe Les orifices 6 et 7 sont reliés à des tubes 10, par des canaux, ce qui permet au liquide d'en- trer dans la pompe à pistons et d'en sortir Le bloc à orifices est représenté comme étant réalisé en deux parties, 8 et 8 a. En se référant à la figure 2, lorsque le rotor tourne dans le sens dextrorsum, les cylindres s'ouvrent consé- cutivement et continuellement à l'orifice d'entrée de basse pression 6, tandis que les pistons se rétractent, en aspirant du liquide dans les cylindres, puis ils entrent en liaison avec l'orifice de sortie de haute pression 7 lors du retour des pistons, refoulant du liquide en dehors des cylindres Une zone de précompression 11 est préconstituée pour permettre au 7 2528123 piston de précomprimer le liquide avant que le cylindre ne s'ouvre sur l'orifice 7 Un trou 12 assure une communication entre cette zone et le clapet de précompression 13 représentée sur la figure 3 Le clapet plat élastique 13 présente, de préférence, l'une des formes représentées sur les figures 4 et 5 Dans les deux cas, les extrémités des bras 19 sont en- serrées entre les parties 8 et 8 a du bloc à orifices et l'ori- fice central 18 des sièges de soupape sur une face d'étanchéi- té 14 formée autour du trou 12 Le clapet 13 se trouve dans une chambre 16 reliée par des passages 15 à l'orifice de sortie 7. Le déplacement du clapet 13 est limité par le bossage 17, ce qui garantit une fermeture rapide du clapet et l'empoche d'être surcontraint Lorsque la pression du cylindre atteint l'orifice de refoulement 7, du liquide sous pression descend suivant le trou 12, écarte le clapet de la face d'étanchéité 14 et passe par le passage 15 de la chambre 16 à l'orifice 7. En continuant à tourner, le rotor fait déboucher le cylindre directement sur l'orifice de haute pression 7, ce qui permet l'établissement d'une pression égale des deux c 8 tés du clapet 13, de sorte qu'il peut se fermer sous l'effet de s-a propre élasticité Le rotor continuant à tourner, le cylin- dre suivant passe sur le trou et le cycle recommence. Les figures 4 et 5 sont des vues en plan de mo- des d'exécution préférés du clapet plat élastique 13 comprenant une partie d'étanchéité centrale 18 et des doigts élastiques 19 Le clapet peut être plat ou légèrement incurvé pour garan- tir un rappel forcé contre la face d'étanchéité Le clapet plat élastique est constitué typiquement par de l'acier à ressorts et il est d'une rigidité telle qu'il se ferme pratiquement lors- qu'il n'y a pas de différence de pression de part et d'autre, c'est-àdire avant que la pression provenant du liquide se trouvant dans l'orifice à haute pression agisse pour le fermer. Les clapets selon les figures 4 et 5 sont cons- titués par une matière convenant pour l'application particuliè- reç L'acier à ressorts convient pour de nombreuses applications mais on peut utiliser aussi des matières telles que l'acier inoxydable ou un alliage cuivre-béryllium lorsque cela convient. Les clapets en acier à ressorts poli selon la figure 4 ont une longueur de 22 mm, une largeur de 8 mm et une épaisseur de 0,6 mm, et ils ont 'été largement testés par les demandeurs, et pendant de nombreuses heures de fonctionnement, dans une pompe à fluide à forte proportion d'eau devant être utilisée dans des mines de charbon et dans une boîte de vit-es- ses hydrostatique pour véhicules à moteur le clapet a fonction- né de façon satisfaisante sur une gamme de conditions étendue, sans que l'on observe de pannes Au contraire, le travail ex- périmental avec des clapets à bille commandés par ressort ont provoqué des pannes dans les conditions de fonctionnement. Un clapet plat à ressort sous forme de clapet à lames, c'est-à-dire un clapet plat élastique fixé à une seule extrémité, peut être utilisé, mais on considère qu'il est moins désirable que le type de clapet représenté sur les figures 4 et S, du fait, que dans ce type de clapet, la concentration très élevée des contraintes due aux moyens de fixation est au point de contrainte de flexion maximale, ce qui donne des possibili- tés de rupture Les clapets réalisés selon les figures 4 et 5 peuvent être plus légers et donc à action plus rapide qu'un clapet à lames. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 Pompe hydraulique pour liquides compren- nant un corps, un rotor cylindrique entouré par et monté dans un support extérieur, ce corps comportant une face dans la- quelle se trouvent un orifice d'entrée et un orifice de sortie pour le liquide à pomper, le rotor portant une pluralité de cylindres répartis à intervalles angulaires réguliers, dispo- sés parallèlement à l'axe du rotor ou en partant radialement, des pistons contenus dans les cylindres subissant des mouve- ments de va-et-vient lorsque le rotor tourne sous l'action de systèmes de type came, les cylindres franchissant séquen- tiellement sur ladite face l'orifice d'entrée alors que du li- quide est aspiré dans le cylindre et franchissant séquentielle- ment l'orifice de sortie alors que le liquide est expulsé de l'orifice de sortie pas l'action des pistons, ladite face comportant entre l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie une zone de précompression que les cylindres franchissent en passant de l'orifice d'entrée a l'orifice de sorite, ladite zone comportant une ouverture communiquant avec l'orifice de sortie, caractérisée en ce que cette communication est normale- ment coupée par un clapet plat ( 13) élastique, ce clapet étant agencé pour s'ouvrir lorsque la pression de liquide dans un cylindre ( 5) dépasse la pression de liquide à l'orifice de sortie. 2 Pompe hydraulique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le clapet plat ( 13) élastique est d'une rigidité telle qu'il se ferme pratiquement sous l'effet de sa propre élasticité en l'absence d'une différence de pression de part et d'autre, après le franchissement par un cylindre ( 5) dudit orifice ( 7) et avant que le cylindre sui- vant soit en communication avec cet orifice. 3 Pompe hydraulique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le clapet plat ( 13) élastique est retenu par le serrage d'au moins une de ses extrémités ( 19) entre des faces de parties ( 8, 8 a) de la pompe hydraulique. 4 Pompe hydraulique selon la revendication 3, caractérisée en ce que le clapet plat ( 13) élastique com- prend une portion centrale ( 18) de laquelle partent radiale- ment deux ou trois bras. Pompe hydraulique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le déplacement du clapet ( 13) plat élastique est limité par une butée ( 17) située en son voisi- nage.