Brevet FR2678751A1 — publié le 19930108

Régulateur de pression de fluide à commande électronique, et vanne à commande thermique, notamment pour des fluides d'alimentation de moteurs spatiaux L'invention concerne un régulateur de pression de fluide à commande électronique, ainsi qu'une vanne à commande thermique utilisable notamment pour un tel régulateur. Elle est en particulier destinée aux circuits d'alimentation en fluide des moteurs spatiaux, compte tenu des contraintes très sévères d'environnement et de fiabilité d'une telle application, pour laquelle l'invention se révèle parfaitement adaptée. L'objet d'un régulateur de pression est de réduire la haute pression d'un fluide, par exemple celle régnant dans un réservoir, en une basse pression - constante ou variable, selon les cas - compatible avec l'organe d'utilisation. Un exemple, bien entendu aucunement limitatif, en est l'alimentation des moteurs à propulsion ionique de véhicules spatiaux notamment les moteurs de commande orbitale, moteurs qui doivent être alimentés en une pression de l'ordre de 2 bars par un gaz stocké sous une pression de l'ordre de 100 bars dans un réservoir. Les régulateurs de pression proposés jusqu'à présent pour ce type d'application spatiale reposaient sur deux concepts distincts, à savoir les régulateurs électroniques numériques, et les régulateurs mécaniques. Un régulateur électronique numérique, dont le principe est illustré schématiquement figure 1, comporte essentiellement, en aval d'une entrée de fluide haute pression 1, un filtre 2 suivi d'un étranglement ou orifice calibré 3 introduisant dans le circuit de fluide une perte de charge induisant un abaissement de la pression du fluide. En aval de cet étranglement 3 est disposée une vanne primaire de contrôle de débit 4 assurant, par une commande tout ou rien séquencée de façon appropriée, une modulation du débit de fluide. L'étranglement 3 est conçu de manière à réduire suffisamment le débit pour que le temps d'ouverture de la vanne soit élevé par rapport au temps de réponse de la vanne, condition nécessaire pour un asservissement convenable du régulateur. Cette vanne primaire 4 est rendue redondante par ajout d'une seconde vanne 5, ouverte en fonctionnement normal, assurant une sécurité à l'encontre d'un refus de fermeture de la vanne 4. La sécurité à l'encontre d'un refus d'ouverture de la vanne pnmaire 4, est obtenue par un dédoublement des éléments 2 à 5 en des éléments identiques 2' à 5', disposés entre eux en série, l'ensemble étant disposé en parallèle sur la série d'éléments 2 à 5. Les sorties des deux vannes 5 et 5' sont reliées ensemble et aboutissent à un ballon accumulateur 6 permettant d'absorber les àcoups de débit et délivrant par une sortie 7 le fluide sous basse pression régulée. La commande de la vanne primaire 4 (ou des vannes secondaires 5, 4' et 5') est asservie à la mesure de la basse pression, effectuée par un capteur 8 de basse pression, de préférence doublement redondant (capteurs 8' et 8") agissant sur une électronique de commande 9 pilotant les différentes vannes 4, 5, 4' et 5'. L'électronique de commande 9 assure la commutation tout ou rien de la vanne 4 en fonction d'un niveau de consigne de basse pression prédéterminé, et actionne les vannes secondaires 5, 4' et 5' au cas où la pression en sortie dépasse un niveau d'alerte révélateur d'un refus de fermeture de la vanne primaire 4, ou tombe au-dessous d'un niveau minimal révélateur d'un refus d'ouverture de la vanne primaire 4. Ce premier concept de régulateur, bien qu'il soit suffisamment précis et fiable et qu'il assure une bonne protection à l'encontre des défauts de fonctionnement de la vanne primaire, est néanmoins de structure relativement complexe compte tenu de la multiplicité des composants, ce qui limite considérablement ses possibilités d'utilisation dans des applications spatiales, où il est essentiel de disposer de structures simples, pour être fiables et légères. Le second concept est celui du régulateur mécanique, illustré schématiquement figure 2, qui comporte essentiellement, en aval de l'entrée 1 et du filtre 2 et en amont du ballon accumulateur 6 et de la sortie basse pression 7, un organe régulateur 10 à fonctionnement purement mécanique, généralement un régulateur à deux étages compte tenu de la précision de régulation requise et du rapport élevé entre pression d'entrée et pression de sortie. On prévoit une vanne de coupure 11 en amont du régulateur 10, rendue redondante par ajout en parallèle d'une seconde vanne identique 11' qui assure une sécurité à l'encontre des refus d'ouverture de la vanne 11. Ce second concept de vanne, du fait du caractère essentiellement mécanique de la commande de régulation, présente une moins bonne précision et une moins bonne fidélité de la régulation. Toutefois, compte tenu de son caractère robuste et compact, il est utilisé dans la majeure partie des applications spatiales nécessitant une telle régulation. Un des buts de l'invention est de proposer un nouveau type de régulateur, de type électronique et donc dérivé du premier concept précité, mais qui soit de conception beaucoup plus simple, tout en présentant des performances au moins égales et un même degré de sécurité à l'encontre des refus d'ouverture ou de fermeture de la vanne primaire. On verra également que le régulateur de l'invention ne fonctionne pas en mode numérique tout ou rien comme les régulateurs antérieurs, mais en mode analogique, ce qui procure une modulation beaucoup plus fine de la pression à réguler. L'invention porte également, en tant que produit industriel nouveau, sur la vanne de type particulier équipant le régulateur, considérée indépendamment de ce régulateur. Essentiellement, l'invention utilise les avantages d'un type de vanne en lui-même connu, mais modifié en fonction des buts recherchés, la vanne à commande thermique ou ETV (Electro-Thermally operated Valve), qui est une vanne, comportant très peu de pièces mobiles, où l'ouverture et la fermeture du clapet de la vanne sont commandées par la dilatation ou la rétraction thermique d'un élément dilatable.Une telle vanne ETV connue est par exemple décrite dans le US-A-3 211 414 ; dans la vanne décrite par ce brevet, le clapet est sollicité contre son siège par un ressort appliquant de façon positive une pression permettant une obturation étanche ; un système de butée permet de surmonter avec une relativement faible force de dilatation la pression de fermeture du clapet afin de provoquer l'ouverture de la vanne. À la fermeture, la présence du ressort garantit un temps de fermeture acceptable pour ce type de valve. On verra en particulier que l'invention procure les avantages suivants: très grande fiabilité, en dépit d'une durée de vie importante, simplicité de structure, faible coût (aussi bien direct qu'indirect), faible masse, faible besoin en énergie électrique d'alimentation, - durée de vie importante, en nombre de cycles, faible sensibilité à la contamination particulaire, donc faible risque de blocage de ce fait, - excellente caractéristique de régulation (faible dépassement de part et d'autre du niveau de consigne, très grande stabilité de boucle), et - facilité de test. Plus précisément, l'invention concerne un régulateur de pression de fluide à commande électronique, comportant une entrée de fluide, une sortie de fluide et des moyens pour réduire de façon contrôlée la pression de ce fluide entre l'entrée et la sortie, notamment pour des fluides d'alimentation de moteurs spatiaux. De façon caractéristique de l'invention, les moyens pour réduire de façon contrôlée la pression du fluide comprennent : une vanne à commande thermique comprenant, logés dans un corps de vanne un organe obturateur formé d'un clapet et d'un siège de clapet mobiles l'un par rapport à l'autre de manière à définir entre eux un passage de section variable entre une position d'ouverture, correspondant à une section maximale du passage, et une position de fermeture, correspondant à une section minimale du passage, un élément dilatable, coopérant avec l'organe obturateur de manière que la dilatation ou la rétraction de cet élément sous l'effet de la température modifie la position relative du clapet et du siège et, corrélativement, la section du passage, et des moyens de chauffage contrôlé de l'élément dilatable ; des moyens de mesure de la pression en aval de la vanne, et des moyens de commande, recevant en entrée un signal de pression délivré par les moyens de mesure et délivrant en sortie, en fonction de ce signal d'entrée, un signal d'asservissement commandant les moyens de chauffage. Très avantageusement, l'organe obturateur est essentiellement dépourvu de moyens de rappel élastiques, la section maximale du passage est choisie de manière à assurer ladite réduction contrôlée de la pression du fluide, celle-ci étant alors opérée directement par l'organe obturateur, et les moyens de chauffage contrôlé de l'élément dilatable sont dédoublés et commandés distinctement. L'invention couvre aussi, en tant que produit industriel nouveau, une vanne à commande thermique, notamment pour des fluides d'alimentation de moteurs spatiaux, qui comprend, logés dans un corps de vanne : un organe obturateur formé d'un clapet et d'un siège de clapet mobiles l'un par rapport à l'autre de manière à définir entre eux un passage de section variable entre une position d'ouverture, correspondant à une section maximale du passage, et une position de fermeture, correspondant à une section minimale du passage, cet organe obturateur étant essentiellement dépourvu de moyens de rappel élastiques ; un élément dilatable, coopérant avec l'organe obturateur de manière que la dilatation ou la rétraction de cet élément sous l'effet de la température modifie la position relative du clapet et du siège et, corrélativement, la section du passage ; et des moyens de chauffage contrôlé de l'élément dilatable. 0 On va maintenant déclire un exemple de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés. La figure 1, précitée, montre le schéma d'un régulateur électronique de type classique. La figure 2, précitée, montre le schéma de principe d'un régulateur mécanique de type classique. La figure 3 illustre une vanne selon l'invention, de type normalement fermé , en position de repos. La figure 4 illustre la vanne de la figure 3 en position active. Les figures 5 et 6 sont homologues des figures 3 et 4, pour une vanne de type normalement ouverte . La figure 7 montre le schéma de principe d'un régulateur selon l'invention, réalisé autour des vannes des figures 3 et 5. 0 La figure 3 montre le schéma général d'une vanne selon l'invention, du type normalement fermée (on entendra par normalement fermée une vanne fermée lorsqu'aucune énergie ne lui est appliquée de l'extérieur, cette vanne s'ouvrant sous l'effet d'une application d'énergie - et inversement, pour une vanne de type normalement ouverte ). La vanne 12 comprend essentiellement, à l'intérieur d'un logement cylindrique 13 parcouru par le fluide dont on veut réguler la pression, un disque transversal 14 muni de larges perforations 15 et supportant l'extrémité d'une tige axiale 16 portant, à son autre extrémité (extrémité libre) un clapet 17 de fermeture de la vanne. Ce clapet 17 est par exemple pourvu de reliefs circulaires concentriques 18 dont les sommets viennent porter, en position fermée, sur un siège de clapet 19. Le matériau de la tige 16 est un matériau dilatable afin que, par chauffage, l'élévation de température du matériau vienne dilater la tige 16 et dégager le clapet 17 du siège 19, permettant ainsi une ouverture graduelle de la vanne. Ce chauffage de la tige 16 est réalisé par une résistance électrique 20 bobinée régulièrement autour de la tige sur la majeure partie de la longueur de celle-ci. Par sécurité, ce bobinage est rendu redondant, le basculement de l'un à l'autre bobinage 20 ou 20' étant effectué par un commutateur 21 sur détection d'un mauvais fonctionnement. Le bobinage sélectionné 20 ou 20' est relié à une source de courant électrique 22 par fermeture d'un interrupteur 23, commandé sélectivement lorsque l'on souhaite obtenir l'ouverture de la vanne. Plus précisément, la vanne est activée lorsque on ferme l'inter rupteur 23, ce qui alimente le bobinage 20 ou 20' et établit le niveau de température voulu au sein de la tige dilatable 16. L'accroissement de température de celle-ci dégage le clapet 17 du siège 19, laissant apparaître un intervalle annulaire 24 par lequel le fluide va pouvoir passer (figure 4). Très avantageusement, on dimensionne l'intervalle 24 de manière à introduire dans le circuit de fluide une perte de charge suffisante pour réaliser directement l'abaissement de pression recherché, sans qu'il soit nécessaire de prévoir un étranglement spécifique pour réaliser cette fonction, comme dans la technique antérieure. La section du passage de fluide en position ouverte dépend à la fois de la dilatation de la tige 16 (paramètre qui peut éventuellement être modulé en faisant varier l'apport d'énergie électrique de chauffage) et du diamètre du clapet 17, paramètre dont dépend la surface de clapet en regard du siège 19. Dans le cas de l'invention, si l'on prévoit par exemple une tige en aluminium de 50 mm de long et de 3 mm de diamètre, une augmentation de température de 40"C permet d'aboutir, avec un diamètre de clapet de 10 mm, à une fente annulaire d'environ 1 mm2 (la valeur exacte étant fonction des propriétés du matériau d'étanchéité utilisé et de la pression de fermeture requise), valeur tout à fait suffisante pour les applications envisagées. À la fermeture, l'ouverture de l'interrupteur 23 isole le bobinage et la tige 16 se refroidit rapidement - et ce, d'autant plus rapide ment que, d'une part, la tige se trouve, du fait de sa position axiale, entourée par le fluide en mouvement et que, d'autre part, elle est en contact thermique avec le disque 14 et le clapet 17, ces éléments participant donc au refroidissement de la tige -, ce qui provoque la fermeture progressive du clapet. On notera, et ceci est un aspect important de l'invention, que cette vanne est dépourvue de tout ressort de rappel, à la différence des vannes à commande thermique connues de l'art antérieur, qui prévoyaient toujours un tel ressort de rappel pour garantir un temps de fermeture acceptable. Pour une puissance d'alimentation électrique de 2 W, on obtient avec la vanne de l'invention un temps d'ouverture de l'ordre de 1 s et un temps de fermeture de l'ordre de 5 s, valeurs tout à fait compatibles avec les applications spatiales envisagées plus haut, avec une conductibilité thermique du disque porte-tige 14 optimisée à une valeur d'environ 50 mW/K. il est éventuellement possible, toujours sans prévoir aucun ressort de rappel, d'obtenir des temps de réponse plus courts en modifiant les valeurs des divers paramètres ; on notera cependant qu'il devient alors nécessaire de prévoir une alimentation électrique de puissance notablement plus élevée, imposant un contrôle thermique plus strict du comportement d'ensemble. Les figures 5 et 6 sont homologues des figures 3 et 4, pour une vanne du type normalement ouverte . Sur ces figures, les mêmes références numériques désignent des éléments homologues, et l'on peut voir que la seule différence essentielle est que, dans le cas des figures 5 et 6, le clapet 17 est situé en amont du siège 19, de manière que la dilatation de la tige 16, au lieu de venir écarter le clapet 17 du siège 19 vienne au contraire le rapprocher de ce dernier. La figure 7 est un schéma d'un régulateur selon l'invention, utilisant une vanne de commande primaire 12 du même type que celle illustrée figure 3, c'est-à-dire une vanne à commande thermique sans ressort de rappel. On retrouve sur la figure 7 les mêmes éléments 1 (entrée haute pression), 2 (filtre), 6 (ballon accumulateur), 7 (sortie basse pression), 8, 8', 8" (capteurs basse pression) et 9 (électronique de commande) que dans le dispositif de la figure 1, avec des fonctions comparables. On notera, en premier lieu, que l'absence de ressort mécanique de rappel supprime le risque de refus d'ouverture pour cause mécanique, risque qui, dans les régulateurs classiques tels que ceux illustrés figure 1, doit être couvert par un doublement complet de la chaîne de régulation (éléments redondants 2', 3', 4' et 5' de la figurel). Le seul risque de refus d'ouverture résulterait, dans le régulateur de l'invention, d'un défaut de fonctionnement du bobinage chauffant 20. Cependant, la présence d'un double bobinage 20, 20' assure très simplement et très efficacement une sécurité à l'encontre d'un tel refus d'ouverture. La seule redondance qui soit nécessaire est une redondance de protection à l'encontre d'un refus de fermeture de la vanne primaire 12, protection qui peut être assurée en prévoyant en aval de celle-ci une vanne secondaire 25, similaire mais du type normalement ouvert . Enfin, du fait que l'orifice entre siège et clapet peut être contrôlé avec précision, il n'est plus nécessaire de prévoir un étranglement ou orifice calibré distinct (composant 3 de la figure 1), ce qui simplifie encore le montage. Un autre avantage de la nouvelle configuration selon l'invention est que, en cas de panne d'alimentation électrique, la vanne primaire 12 retourne d'elle-même en position fermée, introduisant ainsi une sécurité intrinsèque à l'encontre de ce risque sans recours à aucun élément supplémentaire. En ce qui concerne la commande des vannes 12 et 25 par l'électronique de commande 9, cette commande peut être assurée par des étages de pilotage commandés en mode soit numérique ( tout ou rien ) soit analogique, avec dans ce cas une variation continue, graduelle de la section du passage entre clapet et siège qui, par la perte de charge introduite, commande l'abaissement de la pression. REVENDICATIONS I. Un régulateur de pression de fluide à commande électronique, comportant une entrée de fluide (1), une sortie de fluide (7) et des moyens pour réduire de façon contrôlée la pression de ce fluide entre l'entrée et la sortie, notamment pour des fluides d'alimentation de moteurs spatiaux, caractérisé en ce que les moyens pour réduire de façon contrôlée la pression du fluide comprennent: - une vanne à commande thermique (12 ; 25) comprenant, logés dans un corps de vanne (13): un organe obturateur formé d'un clapet (17) et d'un siège de clapet (19) mobiles l'un par rapport à l'autre de manière à définir entre eux un passage (24) de section variable entre une position d'ouverture, correspondant à une section maxi male du passage, et une position de fermeture, correspon dant à une section minimale du passage, un élément dilatable (16), coopérant avec l'organe obtura teur de manière que la dilatation ou la rétraction de cet élé ment sous l'effet de la température modifie la position rela tive du clapet et du siège et, corrélativement, la section du passage, et des moyens (20) de chauffage contrôlé de l'élément dilata ble, - des moyens (8, 8', 8") de mesure de la pression en aval de la vanne, et - des moyens (9) de commande, recevant en entrée un signal de pression délivré par les moyens de mesure et délivrant en sortie, en fonction de ce signal d'entrée, un signal d'asservissement commandant les moyens de chauffage. 2. Le régulateur de pression de la revendication I, dans lequel l'organe obturateur est essentiellement dépourvu de moyens de rappel élastiques. 3. Le régulateur de pression de la revendication 1, dans lequel la section maximale du passage est choisie de manière à assurer ladite réduction contrôlée de la pression du fluide, celle-ci étant alors opérée directement par l'organe obturateur. 4. Le régulateur de pression de la revendication 1, dans lequel les moyens de chauffage contrôlé de l'élément dilatable sont dédoublés (20, 20') et commandés distinctement. 5. Une vanne à commande thermique (12; 25), notamment pour des fluides d'alimentation de moteurs spatiaux, caractérisée en ce qu'elle comprend, logés dans un corps de vanne (13) : - un organe obturateur formé d'un clapet (17) et d'un siège de clapet (19) mobiles l'un par rapport à l'autre de manière à définir entre eux un passage (24) de section variable entre une position d'ouverture, correspondant à une section maximale du passage, et une position de fermeture, correspondant à une section minimale du passage, cet organe obturateur étant essentiellement dépourvu de mo yens de rappel élastiques, - un élément dilatable (16), coopérant avec l'organe obturateur de manière que la dilatation ou la rétraction de cet élément sous l'effet de la température modifie la position relative du clapet et du siège et, corrélativement, la section du passage, et - des moyens (20) de chauffage contrôlé de l'élément dilatable. 6. La vanne de la revendication 5, dans laquelle la section maximale du passage est choisie de manière à assurer une réduction contrôlée de la pression du fluide. 7. La vanne de la revendication 5, dans laquelle les moyens de chauffage contrôlé de l'élément dilatable sont dédoublés et commandables distinctement.