Brevet FR2638217A1 — publié le 19900427

! CLAPET A BILLE A ACTION INSTANTANEE. L'invention concerne un clapet & bille & action instantanée, du type comprenant une cloison séparatrice séparant l'un de l'autre deux volumes & pressions différentes, une ouverture de clapet, prévue dans cette cloison s6paratrice, dont le bord constitue un siège de clapet, une bille formant un obturateur servant & fermer cette ouverture de clapet et un dispositif de manoeuvre qui comprend un élément de manoeuvre pouvant etre entraîné en direction de la bille, transversalement au siège de clapet, par un électro-aimant. Pour des applications déterminées, on a besoin de clapets & action instantanée qui soient en mesure de laisser passer brusquement un courant de fluide et d'avoir une fréquence élevée de succession des manoeuvres. L'une de ces applications est la spectroscopie de temps de vol dans un appareil & jet moléculaire. Dans la spectroscopie de temps de vol, on libère un jet de gaz de courte durée et on détermine le temps que les atomes du gaz mettent pour parcourir un trajet fixé & l'avance. Grace à l'écoulement de gaz intermittent qui est interrompu par le clapet & action instantanée, on diminue le remplissage en gaz et on réduit la puissance nécessaire de la pompe. Jusqu'& présent, on utilise un jet de gaz de manière continue dans l'appareil et on le libère brièvement, pour le trajet de mesure, au moyen du clapet d'interruption. On connaît des clapets dans lesquels une tige soumise & l'action d'un ressort est appliquée sur un siège de clapet. Pour ouvrir le clapet, la tige est soulevée du siège de clapet au moyen d'un électro- aimant. Dans de tels clapets, la faible fréquence de répétition constitue un inconvénient. Les masses de la tige et de l'obturateur doivent etre accélérées ensem- ble, ce qui provoque un retard. L'invention a pour but de fournir un clapet & bille & action instantanée du type précité, qui puisse libérer par impulsions un courant de fluide, qu'on puisse faire fonctionner & une fréquence élevée de répétition et qui, par suite d'une faible usure, possède une durée d'utilisation élevée. Conformément à l'invention, ce but est atteint par le fait que l'élément de manoeuvre est disposé de façon & impartir & la bille un mouvement de roulement sensiblement exempt de frottement, que, dans sa position rétractée, cet élément de manoeure se trouve & distance de la bille et que, lors d'une exci- tation de l'électro-aimant, il parvient & une vitesse de base, une fois écoulée une phase d'accélération sur la bille au repos et par le fait que le retour de la bille s'effectue uniquement sous l'effet de l'écoulement de fluide traversant l'ouverture de cla- pet. Dans le clapet à bille conforme à l'invention, la bille obture l'ouverture sous l'effet de la différence de pression entre les deux volumes. Pour dégager l'ouverture, la bille est frappée sur le coté, avec une brève impulsion, par le dispositif de manoeuvre de façon & libérer l'ouverture. Le retour de la bille sur le siège de clapet s'effectue uniquement sous l'effet de l'écoulement de fluide traversant l'ouverture. Les brèves durées de manoeuvre et la fréquence élevée de répétition résultent du fait que c'est exclusivement la masse de la bille qui est à accélérer et que le dispositif de manoeuvre ne présente aucun couplage direct avec la bille. L'élément de manoeuvre du dispositif est accéléré avant de frapper la bille, de sorte que celle-ci ne subit qu'une courte impulsion de choc. La bille ne se trouve pas sous l'influence d'une pièce mécanique quelconque, mais elle peut au contraire se déplacer librement et notamment n'est pas soumise & la précontrainte d'un ressort. Du fait que la bille ne se trouve pas en contact frottant avec d'autres éléments il n'existe pratiquement pas d'usure de frottement. Afin que la bille et le dispositif de manoeuvre ne soient pas endommagés par les chocs, les surfaces soumises & l'impact sont avantageusement en métal dur. Un avantage particulier du clapet & bille réside dans le fait que son fonctionnement est indépendant de son orientation, étant donné que l'action de la pesanteur n'intervient pas dans ce fonctionnement. C'est l'écoulement du fluide qui repousse la bille, de sorte que, dans le cas d'une différence de pression suffisamment importante, l'influence de la pesanteur est négligeable. Le clapet & bille conforme & l'invention se prête tout particulièrement & une utilisation dans un appareil & jet moléculaire pour la spectroscopie de temps de vol. Dans ce cas, le clapet est utilisé pour libérer et interrompre un jet de gaz. D'autres possibilités d'application sont constituées par la libération-coupure de liquides, par exemple de dispo- sitifs d'injection de carburant pour moteurs & combus- tion. Le clapet se prête aussi & une utilisation dans le cas de basses températures pour la libération- coupure de liquides cryogéniques. Etant donné que le fonctionnement du clapet & bille est indépendant de la température, le clapet se prête aussi à des applica- tions à températures élevées. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention est exposé ci-après de manière plus détaillée, en regard du dessin annexé. Le dessin représente schématiquement une coupe longitudinale d'un clapet & bille. Ce clapet se trouve disposé entre deux volumes 10 et 11 & pression différente de gaz. Ces volumes 10 et 11 sont séparés l'un de l'autre par une cloison séparatrice 12. Dans cette cloison séparatrice 12 est ménagée une ouverture 13 dont le bord forme un siège de clapet 14. Dans le volume 10, vers lequel est tourné ce siège de clapet 14, la pression du gaz est nettement plus élevée que celle régnant dans le volume 11. C'est dans ce même volume 10 que se trouve située une bille 15 qui, en position de fermeture, s'appuie'sur le siège de clapet 14 et obture ainsi l'ouverture 13 de manière étanche aux gaz. Afin de limiter les déplacements de cette bille 15, une cham- bre 18 est séparée du volume 10 par une cloison séparatrice 16 comportant des ouvertures 17. A la place de cette cloison séparatrice 16, il pourrait aussi être prévue une cage qui serait disposée autour de l'ouverture 13 et qui servirait à limiter le champ de déplacement de la bille 15. Un dispositif de manoeuvre 19 comprend un électro-aimant fixe 20 et un élément de manoeuvre 21 mobile. Lorsque l'électro-aimant 20 est excité, cet élément de manoeure 21, en forme de tige, se déplace latéralement contre la bille 15, de façon à lui faire quitter le siège de clapet 14 en roulant. Cet élément de manoeuvre 21 est soumis & l'action d'un ressort de rappel 22 qui le tire en arrière lorsque l'électro- aimant 20 cesse d'être excité. L'impact de l'élément de manoeuvre 21 a lieu parallèlement & la cloison séparatrice 12, de sorte que la bille 15 est frappée exactement sur l'équateur (parallèlement & la cloison séparatrice 12). Une fois que la bille 15 est décollée de son siège 14, elle est saisie par l'écoulement de gaz qui passe par l'ouverture 13 et est ramenée sur le siège de clapet, indépendamment de l'orientation dans laquelle se trouve le clapet. Pour la bille 15 et le siège de clapet 14, on utilise avantageusement une matière & résistance mécanique élevée et résistante & l'usure, notamment du saphir ou un métal dur. De même, l'élément de manoeuvre 21, ou au moins sa partie avant d'impact devrait être en une matière de ce type. La durée d'ouverture et fermeture du clapet est soumise & l'influence de la différence de pression entre les volumes 10 et 11, de la masse de la bille 15 et du diamètre du perçage 13. Une bille de faible masse et un écoulement de gaz puissant lorsque le cla- pet est ouvert permettent de courtes durées d'ouverture et fermeture. Sur le dessin, l'élément de manoeuvre 21 est représenté dans sa position de repos, donc avec l'électro-aimant 20 non excité. Dans cette position, l'élément de manoeuvre 21 est situé & une certaine distance latérale de la bille 15. Lors de l'excitation de l'électro-aimant 20, après avoir achevé sa-phase d'accélération, l'élément de manoeuvre 21 arrive sur la bille 15 au repos & une vitesse de base vo. Etant donné que la masse de l'élément de manoeuvre 21 est nettement supérieure & celle de la bille 15, celle-ci est écartes d'une manière brusque du siège de clapet 14 sous l'effet de la quantité de mouvement résultant du choc. C'est ainsi qu'est obtenu le comportement souhaité & ouverture instantanée du clapet. REVENDICATIONS 1. Clapet & bille à action instantanée, du type comprenant une cloison séparatrice (12) séparant l'un de l'autre deux volumes (10, 11) à pressions différentes, une ouverture de clapet (13), prévue dans cette cloison séparatrice (12), dont le bord constitue un siège de clapet (14), une bille (15) formant un obturateur servant & fermer cette ouverture de clapet (13) et un dispositif de manoeuvre (19) qui comprend un élément de manoeuvre (21) pouvant être entraîné en direction de la bille, transversalement au siège de clapet (14), par un électro-aimant (20), caractérisé en ce que l'élément de manoeuvre (21) est disposé de façon & impartir à la bille (15) un mouvement de roulement sensiblement exempt de frottement, que, dans sa position rétractée, cet élément de manoeuvre (21) se trouve & distance de la bille (15) et que, lors d'une excitation de l'électro-aimant (20), il parvient à une vitesse de base, une fois écoulée une phase d'accélération, sur la bille (15) au repos et en ce que le retour de la bille s'effectue uniquement sous l'effet de l'écoulement de fluide traversant l'ouverture de clapet (13). 2. Clapet à bille suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de manoeuvre (21) est soumis & la précontrainte d'un ressort (22) dans le sens du rappel. 3. Clapet à bille suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans un appareil & jet moléculaire pour inter- rompre un jet de gaz.