Brevet FR2683886A1 — publié le 19930521

Le réglage de très faibles débits de fluides peut être réalisé par mise en oeuvre de canaux très longs et de faible section dans lequel l'écoulement est laminaire. Ce type d'écoulement est obtenu lorsque le nombre de Reynolds de l'écoulement, Re, est inférieur à 2000 environ. Re=VD/v V étant la vitesse moyenne de l'écoulement, D le diamètre du tube lorsqu'il est de section cylindrique ou un diamètre hydraulique pour une autre forme de section et v la viscosité dynamique du fluide. Ces canaux sont traditionnellement réalisés au moyen de tubes capillaires. D'autres solutions ont été proposées, parmi lesquelles l'utilisation du jeu existant entre une vis et un écrou ou celui existant entre un disque gravé d'un sillon et un disque non gravé lorsque les deux surfaces sont en contact. Ces deux dernières solutions ont l'intérêt de permettre un démontage du composant, et donc de pouvoir le nettoyer. On peut également, en modifiant la longueur du canal, faire varier le débit de fluide dans l'appareil. La réalisation de ces tuyauteries suppose cependant la mise en oeuvre de techniques d'usinage relativement sophistiquées, et donc assez coûteuses, ceci d'autant plus que la dimension des canaux est faible. La présente invention concerne une méthode de réalisation d'un canal capillaire dans laquelle on utilise le jeu existant entre trois cylindres ou entre deux cylindres et un plan. Par extension, un canal formé entre deux petits cylindres et un troisième d'axe quasi perpendiculaire et de diamètre très supérieur à celui des deux précédents est assimilable au cas de la coopération de deux cylindres et d'un plan. L'intérêt de réaliser un canal par cette technique est essentiellement lié au fait que l'on sait réaliser des petits cylindres de diamètre très précis à très faible coût, et que, par conséquent, le canal résultant est également très précis et bon marché. La figure 1 donne un exemple d'un canal 2 formé entre trois cylindres 1 de même diamètre. La figure 2 donne l'exemple d'un canal 4 réalisé entre deux cylindres 3 et une surface 5 à grand rayon de courbure. La figure 3 donne un exemple d'un canal 8 formé entre un cylindre 6 de grand diamètre et deux petits cylindres 7 enroulés qui lui sont quasi perpendiculaires. Ce dernier arrangement est particulièrement bien adapté à la réalisation d'un capillaire de très grande longueur, puisqu'il suffit pour ce faire, d'enrouler en hélice à spires jointives un fil calibré sur un support cylindrique, ce fil calibré pouvant être un ressort à boudin. Parmi les réalisations possibles du procédé, celle consistant à utiliser un ressort est particulièrement intéressante. On décrit, dans ce qui suit, une réalisation possible, meftant en oeuvre un ressort hélicoïdal en contact avec un cylindre sur sa face interne. Cette solution est prise à titre d'exemple, des ressorts en contact avec un cylindre selon leur enveloppe externe pouvant être envisagés. La figure 4 présente une réalisation possible de l'invention. On met en oeuvre un support constitué d'un cylindre 9, comportant une partie centrale rétrécie 14, portant une arrivée de fluide 10 et un départ 11 et muni d'un circuit distributeur 12 et d'un circuit récupérateur 13 disposés, comme l'indique la figure sous la forme de perçages traversant le cylindre selon son diamètre. Dans la partie rétrécie 14 du cylindre, dans laquelle débouchent les arrivées et départs des circuits distributeur et récupérateur, respectivement 12 et 13, on met en place un ressort hélicoïdal 15, dont les spires jointives forment, avec la paroi de la partie cylindrique adjacente, un canal capillaire analogue à celui de la figure 3 dans lequel il est possible de faire passer un fluide. Cette disposition permet de réaliser une vanne de réglage à capillaire. Cette vanne est, évidemment facile à démonter et à entretenir. La partie externe du ressort est entourée d'un manchon 16 en matière plastique ou en caoutchouc de dureté suffisamment faible pour qu'elle puisse se déformer et pénétrer légèrement entre les spires externes du ressort. Cette enveloppe, une fois mise en pression, sert également de joint et empêche le fluide de fuir vers l'extérieur au travers des spires et aux extrémités du ressort. Le manchon 16 est appuyé sur les extrémités de la pièce cylindrique 9 pour assurer cette étanchéité auxdites extrémités. Pour réaliser la mise en pression du joint et du ressort, on peut disposer autour de l'ensemble un second ressort à boudin, 17 en général plus raide que le premier, un manchon à deux coquilles que l'on peut serrer par des vis. ou toute autre solution équivalente, par exemple un cylindre élastique ouvert selon une génératrice, qui constitue un ressort facile à réaliser. Le fluide pénètre dans l'appareil selon les flèches F, en passant successivement dans les pièces 20,18,10,12, puis dans le canal hélicoïdal formé entre le ressort et le cylindre, et, selon le trajet de sortie formé des éléments 13, 11, 19 et 21. Les pièces 18 et 19 sont des raccords rapides. Les pièces 20 et 21 sont les éléments de tuyauteries de liaison aux parties amont et aval du circuit dont on veut régler les pertes de charge. La figure 5 présente une variante de cet élément de perte de charge, dans laquelle le ressort est plaqué sur la partie interne d'un cylindre 23, la mise en pression du ressort et l'étanchéité se faisant en pressant un cylindre de matière plastique 22 de faible dureté au moyen des vis 23 et 24. Les autres pièces référencées ont le même rôle que celles de la figure 4. Les circuits d'alimentation et de sortie 12 et 13 sont un peu plus complexes que dans le cas précédent, puisqu'il est suggéré dans l'exemple de faire subir au fluide un trajet radial. Nous ne détaillerons pas les solutions technologiques, celles ci faisant partie des régles de l'art. Les flèches F donnent le sens de l'écoulement. Une variante possible consiste, comme le montre la figure 6 à meffre en oeuvre un ressort plat en spirale, placé entre deux plans. On crée dans le cylindre 30, muni d'un fond, un empilement constitué d'une couche d'élastomère 16, puis du ressort spirale à spires jointives 15, puis d'une plaque 27 en matériau dur, permettant, par sa coopération avec 15, de constituer le canal. La plaque suivante, réalisée en matériau dur, est munie d'une encoche radiale 28 permettant d'amener le fluide depuis le centre vers la périphérie, et d'alimenter le canal au travers du trou cylindrique 29. Une couche d'élastomère supplémentaire 31 permet de réaliser une étanchéité latérale avec l'extérieur et d'appliquer une pression constante sur les pièces techniques, contribuant ainsi à la coopération entre 27 et 15. Enfin, le tout est serré par la pièce 25, qui supporte le raccord 18 et la tuyauterie d'amenée 20. D'autres géométries mettant en oeuvre des cylindres de section circulaire en contact avec un cylindre ou une surface assimilable à un plan, un tronc de cône ou un cylindre de grand diamètre sont envisageables, les trois précédentes étant prises à titre d'exemple illustratif. Dans toutes ces solutions, le ressort peut être remplacé par un fil de faible élasticité, parfois plus facile à mettre en oeuvre. On donne un exemple des dimensions de la solution de base représentée sur la figure 4. Le ressort 15 a un diamètre de fil de 0.5 mm. Son diamètre intérieur est de 20 mm et la longueur du ressort située entre l'arrivée et le départ de fluide est de 20 mm. Le nombre de spires formant le canal est donc égal à 40 et la longueur du canal est, de ce fait, d'environ 2.4 m. L'ordre de grandeur du débit d'eau qui passerait dans cette perte de charge sous une pression de 10 000 Pascals serait de 8 10-11 m3/s, soit 7 cm3/jour. On notera que le débit est inversement proportionnel à la longueur du capillaire, à la différence de pression et à la viscosité dynamique F du fluide. II est proportionnel à la puissance 4 des dimensions, donc à la puissance 4 du diamètre des fils. On peut le calculer a priori à partir de méthodes numériques connues pour les écoulements laminaires. On peut également le déduire des lois de similitude énoncées ci-dessus, à partir d'une expérience réalisée sur un capillaire de référence. II est intéressant, dans certaines applications, de pouvoir régler le débit de fluide passant dans la vanne. La figure 7 donne une solution permettant de réaliser simplement cette opération en gardant les principes de base exposés ci-dessus. Le ressort 15 est, comme précédemment, enroulé sur un cylindre support 33. il est entouré du manchon 16 et pressé par le ressort 17. Il est maintenu axialement par deux rondelles 40 et par les deux cylindres 35 et 39, eux mêmes montés à l'intérieur du cylindre 32. Le bouchon 41 maintient l'ensemble en position axiale. Le cylindre 33 est libre de se déplacer axialement. Son mouvement est assuré par la vis 36. Celle ci comporte une rainure 38, dont l'extrémité 37 peut se déplacer le long du ressort, ce qui permet de modifier la position du point d'injection de fluide. Le fluide pénètre en 10 dans la rainure décrite ci-dessus. II pénètre dans les spires du ressort en un point 37, variable. II passe dans les spires du ressort, puis rejoint la sortie 11 au travers de la rainure 34 usinée dans le corps 33. On réalise ainsi un capillaire de longueur variable, puisqu'il suffit de déplacer axialement le cylindre 33 pour changer le point d'introduction du fluide. REVENDICATIONS, 1. Dispositif de restriction d'écoulements fluides caractérisé en ce que l'on fait passer le produit dont on veut contrôler le débit au travers d'un tube de grande longueur dont la section de passage est constituée par l'espace vide 2 compris entre trois cylindres 1 tangents entre eux ou par l'espace vide compris entre deux cylindres 3 tangents entre eux et à une surface à grand rayon de courbure. 5, ou encore par l'espace vide compris entre deux cylindres 7 de petits diamètres et un autre cylindre de plus grand diamètre. 2. Dispositif selon la revendication N"1 caractérisé en ce que le tube est formé par la mise en contact d'un élément cylindrique 14 et d'un fil 15 enroulé sous forme d'un hélicoïde à spires jointives le long de l'élément cylindrique, le fil étant enroulé à l'extérieur du cylindre. 3. Dispositif selon la revendication N"1 caractérisé en ce que le tube est formé par la mise en contact d'un élément cylindrique creux 23 et d'un fil 15 enroulé sous forme d'un hélicoïde à spires jointives le long de l'élément cylindrique, le fil étant enroulé à l'intérieur du cylindre. 4. Dispositif selon la revendication N"1 caractérisé en ce que le tube est formé par la mise en contact d'un élément plan 27 et d'un fil 15 enroulé sous forme d'une spirale plane à spires jointives appuyée sur ce plan. 5. Dispositif selon la revendication 1 et l'une des revendications 2 3 ou 4, caractérisé en ce que la face de la couche de fil 15 opposée à la surface de contact rigide formant le tube et permettant de créer la perte de charge, est elle même pressée contre un matériau mou, 16, pouvant pénétrer sous l'effet de ladite pression dans les vides formés des spires et de la surface qui leur est tangente afin de colmater ce passage en tout ou partie, de sorte que le fluide ne puisse quasiment pas passer en dehors du tube, ledit matériau mou pouvant, par ailleurs, servir de joint avec les parois immédiatement en contact avec les extrémités du ressort. 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que la mise en pression du matériau mou est assurée par un ressort 17. 7. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que la mise en pression du matériau mou est réalisée par une vis 24 ou 25 au travers de laquelle on peut éventuellement introduire le fluide. 8. .Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la longueur du tube est modifiée par déplacement continu ou discontinu du point d'introduction du fluide. 9. Dispositif selon la revendication 1 et 8 caractérisé en ce que le cylindre 33 autour duquel est enroulé le fil est muni d'une rainure alimentée en 10 par le fluide dont l'extrémité peut être déplacée axialement en 37 le long de l'hélicoïde de fil de telle sorte qu'on modifie la longueur du tube, le fluide étant récupéré au travers d'une seconde rainure 34, usinée dans le cylindre creux 31.