Brevet FR2694365A1 — publié le 19940204

La présente invention concerne une vanne action- née par un actionneur à électroaimant, et plus particu- lièrement une vanne de ce type à écoulement proportionnel. Une telle vanne est représentée dans le brevet des Etats Unis N 4 921 208 Cette vanne permet d'avoir un débit d'écoulement de fluide à travers la vanne propor- tionnel à la quantité de courant électrique appliquée à l'électroaimant de l'actionneur commandant la vanne Dans ce type d'agencement, l'actionneur se comporte de manière linéaire c'est à dire que la force produite par l'armature de l'électroaimant est proportionnelle de manière linéaire au courant appliqué à l'électroaimant Il en résulte que l'armature de l'électroaimant travaille de manière linéaire à l'encontre du ressort de fermeture qui repousse de manière constante l'obturateur vers le siège de vanne De cette manière, la distance sur laquelle l'obturateur est éloigné du siège de vanne est proportionnelle à la quantité de courant appliquée à l'électroaimant. Des vannes à écoulement proportionnel trouvent leur utilité dans la réalisation de mélanges et de mesures. Par exemple, des vannes proportionnelles sont utilisées pour mélanger de manière précise différentes essences pour obtenir des caractéristiques voulues, telles qu'un taux d'octane particulier, et pour mélanger de l'eau chaude et de l'eau froide pour obtenir une température voulue. Egalement, une vanne proportionnelle peut être utilisée lorsqu'on le désire pour avoir une vanne s'ouvrant de manière graduelle de telle sorte que l'écoulement du fluide commandé, tel que de l'eau chaude, commence doucement, de manière à empêcher de s'ébouillanter, après quoi la vanne peut être complètement ouverte. De manière typique, la puissance appliquée à l'actionneur à l'électroaimant est un courant continu impulsé de manière rapide, la quantité de courant variant avec la longueur des temps d'impulsions "marche" et "arrêt" (parfois considéré comme une modulation de largeur d'impul- sion). La vanne du brevet US mentionné ci-dessus no 4 921 208 a été trouvée comme réalisant de manière admirable sa fonction prévue Cependant, la vanne présente plusieurs problèmes Tout d'abord, elle est constituée d'un nombre relativement important de parties, ce qui la rend relative- ment coûteuse à fabriquer et à assembler, et accroît le coûts des stocks De plus, lorsque le fluide de travail est à une pression située dans certaines plages de pression, il s'est avéré que la vanne est quelque peu difficile à ouvrir. Par conséquent, un but de la présente invention consiste à fournir une vanne à écoulement proportionnel ayant tous les avantages offerts par la vanne du brevet n 4 921 208, mais qui comporte beaucoup moins de parties, c'est à dire moins de la moitié du nombre de parties de la vanne antérieure Il en résulte que la vanne selon la présente invention est beaucoup moins coûteuse à fabriquer, puisque le coût des parties et le temps d'assemblage sont tous deux réduits de manière importante Egalement, le coût de stockage des parties est réduit. C'est un autre but de la présente invention de fournir une vanne du type décrit ci-dessus qui agit de manière fiable à travers toutes les plages de pression de fluide. A la fois la vanne du brevet mentionné ci- dessus et la vanne de la présente invention utilisent un action- neur à électroaimant comportant une armature dont la position est déterminée par la quantité de courant élec- trique appliquée à l'électroaimant de l'armature Les deux vannes utilisent également un élément de pression qui lorsqu'il est mis sous pression par le fluide provenant de l'orifice d'entrée de la vanne équilibre la force de la pression de fluide entrant s'exerçant sur l'obturateur principal Cependant, les deux vannes agissent selon des principes différents. Dans la vanne du brevet N 4 921 208, l'élément de pression sert uniquement à équilibrer la force s'exerçant sur l'obturateur principal, et le déplacement de l'armature de l'électroaimant est transmis directement à l'obturateur principal de telle sorte que la position de l'armature prescrit directement la position de l'obturateur principal. Au contraire, dans la présente invention, l'élément de pression a une surface efficace plus grande que l'obtura- teur principal, de telle sorte que lorsque l'élément de pression est soumis à la pression de fluide entrant, l'élément de pression tend à déplacer l'obturateur princi- pal en l'éloignant du siège principal de vanne pour ouvrir la vanne et la maintenir ouverte Une vanne pilote comporte un obturateur pilote porté par l'armature d'électroaimant et un siège de vanne pilote fixé sur l'obturateur principal et l'élément de pression et mobile avec ces derniers La vanne pilote commande la pression de l'écoulement de fluide entrant vers l'élément de pression Il en résulte que la position de l'armature commande de manière indirecte la position de l'élément de pression et de l'obturateur principal en commandant la pression de l'écoulement de fluide entrant vers l'élément de pression Un trou de soutirage soutire de manière continue du fluide sous pression à partir de la face sous pression de l'élément de pression de manière à maintenir l'élément de pression sensible à la commande de pression du fluide entrant par la vanne pilote. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront de la description qui va suivre, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure l est une vue en coupe d'une vanne à écoulement proportionnel selon la présente invention, l'actionneur à électroaimant n'étant pas sous tension et la vanne étant fermée, La figure 2 est une vue analogue à la figure 1, représentant l'électroaimant mis sous tension et la vanne pilote ouverte, mais juste avant l'ouverture de la vanne principale, la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 représentant l'électroaimant mis sous tension et la vanne principale ouverte, la figure 4 est une vue en perspective de l'élément de liaison qui relie l'obturateur principal et l'élément de pression, et la figure 5 est une vue partielle à plus grand échelle du siège et de l'ouverture de la vanne principale. En se reportant à la figure 1, la vanne 10 à écoulement proportionnel choisie pour représenter la présente invention comporte un corps 11 de vanne ayant un orifice 12 d'entrée de fluide, un orifice 13 de sortie de fluide et un siège 14 de vanne principale (voir figures 3 et 5) situé entre ces orifices en entourant une ouverture principale 15 Une plaque inférieure 16 est fixée sur le corps 11 de vanne par des dispositifs de fixation adaptés 17 (un seul étant représenté), un joint 18 assurant une liaison étanche au fluide entre la plaque inférieure et le corps de vanne Une plaque 19 formant couvercle est fixée à la partie supérieure du corps 11 de vanne par des dispositifs de fixation adaptés 20 (un seul étant repré- senté), un joint 21 assurant une liaison étanche au fluide entre la plaque formant couvercle et le corps de vanne. Un actionneur 24 à électroaimant est agencé au- dessus de la plaque 19 formant couvercle Ltactionneur comporte un bobinage de fil 25 conducteur de l'électricité enroulé sur une bobine 26 réalisée en matériau non conduc- teur de l'électricité et non magnétique Des bornes adaptées (non représentées) sont prévues pour être reliées à une source de courant électrique pour mettre sous tension le bobinage Un boîtier 27, en matériau magnétique, entoure le bobinage. Une armature fixe, ou bouchon, 28 est située à l'intérieur de la partie supérieure de la bobine 26 Un tube central 29 est suspendu à partir du bouchon et s'étend à travers le reste de la bobine A son extrémité inférieu- re, le tube central 29 est formé d'un collier 30 analogue à un écrou ayant un diamètre agrandi à partir duquel un raccord fileté extérieurement 31 fait saillie versle bas. Le raccord 31 est vissé dans un alésage taraudé intérieure- ment 32 de la plaque 19 formant couvercle, un joint 33 assurant une liaison étanche au fluide entre le collier 30 et la plaque 19 formant couvercle. Une armature mobile 36 en matériau magnétique est agencée de manière à pouvoir coulisser axialement à l'inté- rieur du tube central 29 L'armature 36 est munie d'un alésage axial 37, et le bouchon 28 est muni d'un alésage correspondant 38 Un ressort de compression 40, en appui dans les alésages 37 et 38, repousse de manière constante l'armature mobile 36 vers le bas en l'éloignant du bouchon 28 La face supérieure de l'armature mobile 36 et la face inférieure du bouchon 28 sont profilées de manière complé- mentaire de telle sorte que les deux faces engrènent lorsque l'armature mobile se déplace vers le haut vers le bouchon A son extrémité inférieure, l'armature 36 porte un obturateur pilote 39 formé de matériau élastique. A l'intérieur du corps Il de vanne est situé un obturateur principal 42, en matériau élastique, mobile en se rapprochant et s'éloignant du siège 14 de vanne princi- pale pour fermer et ouvrir respectivement la vanne. Egalement situé à l'intérieur du corps de vanne se trouve un élément de pression sous la forme d'un piston rigide 43 pouvant coulisser axialement à l'intérieur d'une cavité cylindrique 44 formée dans le corps de vanne Un joint 45 assure un contact coulissant étanche au fluide entre la périphérie du piston 43 et le paroi de la cavité 44. L'obturateur principal 42 et le piston 43 sont reliés l'un à l'autre de manière rigide, en formant un ensemble, par un élément de liaison 46 représenté plus clairement sur la figure 4 L'élément 46 est monté coulis- sant axialement à l'intérieur d'un alésage 47 situé dans le corps Il de vanne, l'alésage étant un prolongement de l'ouverture 15, et formant une partie du trajet d'écoule- ment pour un fluide provenant de l'orifice d'entrée 12, à travers l'ouverture 15 et l'alésage 4, vers la sortie 13. L'élément de liaison 46 comporte une partie cen- trale tubulaire 50 délimitant un passage axial central qui s'étend sur toute la longueur de l'élément A proximité de son extrémité inférieure, l'élément 46 présente un moyeu 52 destiné à supporter le piston 43, un joint 53 assurant le contact étanche au fluide entre le piston 43 et le moyeu 52 En saillie à partir du moyeu 52 se trouve un bossage 54 fileté extérieurement qui reçoit un écrou 55 pour retenir le piston 43 sur l'élément 46. A proximité de son extrémité supérieure, l'élé- ment 46 est muni d'une collerette 58 et d'un moyeu 59 destiné à supporter l'obturateur principal 42 Le moyeu 59 porte également une rondelle de retenue 60 qui aide à supporter l'obturateur principal 42 Une extrémité d'un ressort de compression 51 est en appui contre la rondelle de retenue 60, et l'autre extrémité est en appui à l'inté- rieur d'une gorge annulaire formée dans la plaque 19 formant couvercle Le ressort 61 repousse constamment l'obturateur principal 42 vers le siège 14 de vanne principale tendant à fermer la vanne Un bossage 62 fileté extérieurement fait saillie vers le haut à partir du moyeu 59, et un écrou 63 coopère avec le bossage pour fixer l'obturateur principal 42 et la rondelle de retenue 60 sur l'élément 46 La face supérieure du bossage 62 est biseau- tée pour définir un siège 64 de vanne pilote (voir figure 2) pouvant coopérer avec l'obturateur pilote 39. Entre le moyeu 52 et la collerette 58, la partie tubulaire 50 de l'élément de liaison 46 est munie de plusieurs ailettes 65 s'étendant radialement, quatre dans le présent exemple Les bords extérieurs des ailettes 65 sont en contact de manière coulissante avec la paroi de l'alésage 47 pour guider le déplacement axial de l'élément de liaison 46 et par conséquent l'obturateur principal 42 et le piston 43 Bien que les ailettes 65 réalisent leur fonction de guidage, elles n'interfèrent pas avec l'écoule- ment de fluide provenant de l'ouverture 15 vers l'orifice de sortie 13 Puisque le fluide s'écoulant à travers l'ouverture 15 peut parfois être quelque peu turbulent, cet écoulement de fluide a tendance à agir sur les ailettes 45 entraînant l'élément 46 à tourner autour de son axe Pour minimiser cet effet "centrifuge", chaque ailette 65 est formée comportant une zone découpée 66. Pour aider encore à la stabilité de la vanne, et de la commande de l'écoulement de fluide à travers celle- ci, l'ouverture 15 (voir figure 5) a à peu près le même diamètre que le siège 14 sur uniquement une courte distance axiale L'ouverture a ensuite un diamètre qui se réduit, dans une zone de transition 67, jusqu'au diamètre plus petit de l'alésage 47 Ce profil a pour effet de déplacer la zone de turbulence du fluide du siège 14 vers la zone de transition 67 c'est à dire que la zone de différentiel de pression est éloignée du siège 14. Le piston 43 et la plaque inférieure 16 définis- sent entre eux une chambre 68 dans laquelle du fluide sous pression élevé s'écoule lorsque la vanne est ouverte Un trou de soutirage 69 fournit une communication constante entre la chambre 68 et l'orifice de sortie 13 La surface transversale d'écoulement la plus grande du trou de soutirage 69 est plus petite que la surface transversale d'écoulement la plus petite du passage 51. Lorsque le bobinage 25 de l'électroaimant n'est pas sous tension et que la vanne est reliée à une source de fluide sous pression, la force du fluide sur l'obturateur principal 42, combinée à la force du ressort 61, maintient l'obturateur principal 42 contre le siège 14 de vanne principale pour fermer la vanne Lorsque la bobinage 25 est mis sous tension à l'aide d'un courant électrique, l'arma- ture 36 est attirée vers le bouchon 29, et par conséquent, se déplace vers le haut à l'encontre de la force du ressort (voir figure 2) Lorsque l'armature 36 s'élève, elle déplace l'obturateur pilote 39 en l'éloignant du siège pilote 64, permettant ainsi au fluide entrant de s'écouler à travers le passage 51 jusque dans la chambre 68, de telle sorte que la face inférieure du piston 43 est sous pres- sion Puisque le piston 43 est nettement plus grand que l'obturateur 42, la force résultant de la pression du fluide entrant à la fois sur le piston 43 et l'obturateur principal 42 est une force nette dirigée vers le haut s'appliquant sur l'ensemble comportant le piston 43, l'obturateur 42 et l'élément de liaison 46 En conséquence, cet ensemble s'élève et l'obturateur principal 42 s'éloigne du siège 14 de vanne principale (voir figure 3) ouvrant ainsi la vanne principale et permettant l'écoulement de fluide à partir de l'orifice d'entrée 12 vers l'orifice de sortie 13. L'ensemble 42, 43, 46 continue à s'élever jusqu'à ce que le siège pilote 64 vienne en contact avec l'obtu- rateur pilote 39 c'est à dire que la vanne pilote est fermée Il en résulte que le fluide sous pression élevée ne peut plus s'écouler à travers le passage 51 vers la chambre 68. En même temps, la pression de fluide existant dans la chambre 68 est relâché puisque le fluide s'écoule de manière constante à partir de cette chambre à travers le trou de soutirage 69 vers l'orifice de sortie 13 Lorsque la pression dans la chambre diminue de manière suffisante, le fluide sous pression élevée agissant sur l'obturateur 42 produit une force suffisante pour déplacer l'ensemble 42, 43, 46 vers le bas Aussitôt que ce déplacement vers le bas est amorcé, la vanne pilote 39, 64 s'ouvre en permettant une fois encore l'écoulement de fluide haute pression vers la chambre 68 Une position d'équilibre s'établit rapide- ment dans laquelle l'ensemble 42, 43, 46 oscille constam- ment sur une très courte distance lorsque la vanne pilote 39, 64 est ouverte et fermée de manière répétée L'emplace- ment de l'ensemble lorsqu'il oscille est déterminé par la position de l'armature 36 et par conséquent de l'obturateur pilote 39 Cette position détermine également l'écartement entre l'obturateur principal 42 et le siège 14 de vanne principale et par conséquent détermine la quantité de fluide s'écoulant à travers la vanne. La position de l'armature 36, à tout moment, est déterminée par la quantité de courant appliquée à la bobine de l'électroaimant Par exemple, si la tension de modulation de largeur d'impulsion est alimentée à 50 % du temps et coupée à 50 % du temps, le courant s'écoulant à travers la bobine sera à 50 % du maximum Il en résulte que l'armature 36 s'élèvera sur la moitié de sa course maximale entre sa position dans laquelle la vanne est fermée (voir figure 1) et sa position dans laquelle sa face supérieure est en contact avec la face inférieure du bouchon 28 (voir figure 3) En conséquence, l'ensemble 42, 43 et 46 pourra s'élever uniquement sur 50 % de son élévation maximale, et par conséquent l'obturateur 42 sera écarté du siège 14 d'environ la moitié de l'écartement maximum possible Donc, approximativement la moitié du débit d'écoulement maximum à travers la vanne sera autorisée entre l'orifice d'entrée 12 et l'orifice de sortie 13 Si la tension est alimentée sur 75 % du temps et coupée sur 25 % du temps, l'armature 36 s'élèvera sur les 3/4 de sa course maximale, et il en résultera que la vanne principale sera ouverte de manière à permettre un écoulement correspondant approximativement à 75 % du maximum à travers la vanne Il sera noté par conséquent que le débit de l'écoulement à travers la vanne principale est proportionnel à la quantité de courant appliquée au bobinage 25 de l'électroaimant. Comme déjà noté ci-dessus, la vanne répond de manière plus efficace lorsqu'on applique une source de courant continu impulsé au bobinage 25, par comparaison avec une variation simple de la valeur d'un courant continu stable En impulsant le courant, on applique un tremblement à l'armature 36 qui permet une commande plus grande de la position de l'armature en réponse à la quantité de courant appliquée à la bobine 25. En outre il a été trouvé qu'une performance optimale est obtenue lorsque la fréquence des impulsions de courant continu correspond à la dimension de la vanne à commander De manière plus spécifique, la fréquence de modulation de largeur d'impulsion doit être modifiée en fonction inverse de la dimension de l'ouverture 15 de vanne, c'est à dire que plus l'ouverture est grande plus la fréquence est faible Par exemple, la performance optimale a été obtenue avec une vanne ayant une ouverture de 6,3 mm de diamètre ( 1/4 de pouce) en utilisant une fréquence de modulation de largeur d'impulsion de 95 Hz; avec des vannes ayant des ouvertures de 12,3 mm et 18,5 mm ( 1/2 pouce et 3/4 de pouce) à des fréquences de 75 Hz et 33 Hz respec- tivement on aboutit à une performance optimale. En sortant de ces fréquences optimales on arrive à une augmentation de l'hystérésis de la vanne c'est à dire que dans certains cas des débits d'écoulement différents sont rencontrés, au niveau de la même valeur de courant, selon que le courant a été augmenté pour atteindre cette il valeur ou diminué pour atteindre cette valeur Au contrai- re, lorsque la fréquence optimale pour une vanne de dimension particulière est utilisée, les débits d'écoule- ment à travers la vanne, lorsque des courants différents sont appliqués à la bobine, sont pratiquement les mêmes pour chaque valeur de courant appliquée que le courant appliqué soit augmenté ou diminué pour atteindre la valeur particulière de courant appliqué. Si la vanne est utilisée dans une position verti- cale, comme représenté sur les dessins, le ressort 71 peut être éliminé puisque la force de la gravité remplira la fonction de ce ressort Cependant, la présence du ressort permet à la vanne dtêtre utilisée dans toute orientation. L'invention a été représentée et décrite sous une forme préférée uniquement, et à titre d'exemple uniquement, et différentes modifications peuvent être réalisées dans la présente invention tout en restant comprises à l'intérieur de sa protection Il sera compris par conséquent que l'invention n'est pas limitée à une forme spécifique ou à un mode de réalisation spécifique pour autant que de telles limites sont comprises dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1 Vanne ( 10) à écoulement proportionnel compor- tant un corps ( 11) de vanne comportant un orifice ( 12) d'entrée, un orifice ( 13) de sortie et une ouverture ( 15) située entre les orifices ( 12, 13), entourée par un siège ( 14) de vanne principale, un obturateur principal ( 42) mobile pour venir en contact et sortir de contact avec le siège ( 14) de vanne principale pour fermer et ouvrir la vanne respectivement, la pression du fluide provenant de l'orifice d'entrée ( 12) repoussant l'obturateur ( 42) en contact avec le siège ( 14) de vanne lorsque la vanne est fermée, un élément de pression ( 43) mobile par rapport au siège ( 14) de vanne principale, des moyens ( 46) pour relier de manière rigide l'élément de pression ( 43) et l'obturateur ( 42) de telle sorte qu'ils se déplacent en étant réunis comme un ensem- ble, des moyens ( 50) formant passage, situés à l'inté- rieur des moyens ( 46) de liaison, à travers lesquels un fluide haute pression provenant de l'orifice ( 12) d'entrée peut s'écouler vers l'élément de pression ( 43) de manière à créer une force s'opposant à la force créée par le fluide haute pression sur l'obturateur ( 42), la surface de l'élément de pression ( 43) soumise à la pression du fluide provenant de l'orifice d'entrée étant nettement plus grande que la surface de l'obturateur principal ( 42) soumis à la pression du fluide provenant de l'orifice d'entrée ( 12), de telle sorte que lorsque l'élément de pression est mis sous pression une force nette est appliquée sur l'élément de pression et l'ensemble ( 42, 43, 46) formant obturateur, qui déplace l'obturateur principal ( 42) en l'éloignant du siège ( 14) de vanne principale pour ouvrir la vanne, un obturateur pilote ( 39) situé dans le trajet de déplacement des moyens ( 50) formant passage pour commander l'écoulement de fluide provenant de l'orifice ( 12) d'entrée à travers les moyens ( 50) formant passage, et un actionneur ( 24) à électroaimant pour position- ner l'obturateur pilote ( 39) pour déterminer l'écartement de l'obturateur principal ( 42) à partir du siège ( 14) de vanne principale lorsque le passage ( 51) est fermé, la position de l'obturateur pilote ( 39) et par conséquent l'écartement de l'obturateur principal ( 42) à partir du siège ( 14) de vanne principale étant proportionnel à la quantité de courant appliquée à l'actionneur. 2 Vanne selon la revendication 1, comportant des moyens pour relâcher la pression de fluide provenant de l'orifice ( 12) d'entrée qui est appliquée sur l'élément de pression ( 43). 3 Vanne selon la revendication 2, comportant une chambre ( 68) située sur le côté de l'élément de pression ( 43) opposé au côté dirigé vers l'obturateur principal ( 42), le fluide provenant de l'orifice ( 12) d'entrée s'écoulant à travers les moyens ( 51) formant passage vers la chambre ( 58) lorsque la vanne pilote est ouverte, et des moyens ( 69) pour soutirer constamment du fluide à partir de la chambre 68 vers l'orifice ( 13) de sortie. 4 Vanne selon la revendication 1 ou 3, dans laquelle l'élément de pression ( 43) est un piston pouvant coulisser à l'intérieur du corps ( 11) de vanne, le diamètre du piston étant plus grand que celui de l'obturateur principal ( 42). 5 Vanne selon la revendication 1, dans laquelle l'extrémité des moyens ( 51) formant passage plus proche de l'obturateur principal ( 42) se termine en un siège ( 62) de vanne pilote pouvant coopérer avec l'obturateur pilote ( 39). 6 Vanne selon la revendication 5, dans laquelle l'actionneur ( 24) à électroaimant comporte une armature mobile ( 36), l'obturateur pilote ( 39) étant porté par l'armature. 7 Vanne selon la revendication 1, dans laquelle l'ouverture ( 15) de vanne a un diamètre réduit en un emplacement écarté vers l'aval à partir du siège ( 14) de vanne principale. 8 Vanne selon la revendication 1, dans laquelle les moyens de liaison ( 46) comportent un corps de manière générale tubulaire ayant plusieurs ailettes ( 65) s'étendant radialement, et le corps de vanne comporte un alésage pour recevoir de manière coulissante les ailettes, de manière à guider le déplacement des moyens de liaison ( 46) tout en permettant au fluide de s'écouler à travers l'alésage. 9 Vanne selon la revendication 8, dans laquelle chacune des ailettes ( 65) comporte une découpe ( 66) pour permettre au fluide de s'écouler à travers l'ailette, minimisant ainsi la tendance du fluide s'écoulant à faire tourner les moyens de liaison ( 46). Procédé de mise en oeuvre de vanne à écoule- ment proportionnel comportant un actionneur ( 24) à élec- troaimant pour positionner un obturateur pilote ( 39) pour déterminer l'écartement d'un obturateur principal ( 42) à partir du siège ( 14) de vanne principale, la position de l'obturateur pilote ( 39) et par conséquent l'écartement de l'obturateur principal ( 42) à partir du siège ( 14) de vanne principale étant proportionnels à la quantité de courant appliquée à l'actionneur ( 24), le procédé consistant à appliquer un courant continu impulsé à l'électroaimant, et à utiliser une fréquence d'impulsion correspondant à la dimension de l'ouverture ( 15) de vanne principale de manière à minimiser l'hystérésis de la vanne. 11 Procédé selon la revendication 10, dans lequel la fréquence d'impulsion utilisée est une fonction inverse de la dimension de l'ouverture ( 15) de vanne principale.