Brevet FR2697589A1 — publié le 19940506

La présente invention concerne un dispositif comportant une membrane annulaire déformable formant cloison mobile pour une chambre à volume et pression variables. De tels dispositifs sont illustrés notamment par des pompes à membrane à actionnement mécanique. Dans les pompes à membrane actionnées mécaniquement la chambre de pompage comporte une paroi constituée par une membrane déformable. Cette membrane est attelée par son centre à un organe d'actionnement mécanique, en général l'extrémité d'un embiellage, qui assure son rapprochement et son éloignement cycliques de la paroi opposée de la chambre, créant ainsi les variations de volume de la chambre de pompage. La membrane est dans certains cas à base d'elasto- mère qui peut être recouverte d'un revêtement en matière plastique (polytétrafluoréthylène) sur sa face en contact avec le fluide pompé. La réalisation d'une telle membrane est chère car il faut prévoir la mise en place d'un insert métallique pour sa fixation à ltembiellage. Cet insert est intégré par la membrane au moment de sa vulcanisation. Dans d'autres cas, la membrane est une simple feuille de matière plastique (polytétrafluoréthylène) chimiquement inerte à ltegard du fluide pompé. Dans ce cas la membrane est maintenue dans le corps de pompe par pincement de sa périphérie et attelée à l'embiellage également par pincement. La présence de la matière plastique, son élasticité propre et sa résistance à la fatigue font que les courses du débattement ne peuvent être que faibles par rapport au diamètre extérieur de la membrane. Pour atteindre certaines valeurs de cylindrée, il est donc nécessaire de mettre en oeuvre des membranes de diamètre important, ce qui augmente la surface de celle-ci soumise à la pression. Les efforts mécaniques à développer sont donc accrus pour une pression d'échappement déterminée. En outre, le volume mort de la chambre hydraulique est important. Ce type de membranes possède de nombreux inconvénients qui résultent de cette faible capacité de débattement. Ainsi, on mentionnera le faible rendement hydraulique de la pompe sur des petites courses (inférieures à 20 % de la course maximale de l'embiellage). On constate en effet dans cette plage de fonctionnement une production de débits très inférieurs à la fraction du débit maximal qui aurait dû correspondre à la fraction de course maximale choisie. Les caractéristiques de la pompe (débit en fonction de la course) perdent leur linéarité ce qui s'explique par le fait que l'influence de déformations internes de la membrane (élasticité, fluage du matériau sous l'effet de la pression) n'est plus négligeable en regard des dimensions du volume balayé pour les petites courses. Ces déformations de la membrane sous l'effet de la pression ont également une conséquence sur les caractéristiques de la pompe qui sont différentes selon le niveau de pression auquel la pompe travaille. On constate en effet un fléchissement du débit (à course et cadence données) dès que la pression de la pompe augmente. On notera enfin un dernier inconvénient de ces pompes à membrane en matière plastique qui réside dans le fait qu'une telle membrane est généralement préformée (par exemple en forme de coupelle concave vers la chambre de pompage). Au cas où il se produit une perturbation dans la ligne d'aspiration (obstruction) la dépression dans la chambre de pompage engendre une cavitation et un retournement préjudiciable de la membrane. Ce retournement donne en général naissance à un faux-pli qui est irréversible et constitue une ligne d'affaiblissement de la membrane. Ce retournement est d'autant plus fréquent que la membrane est de grande dimension, sa résistance propre au retournement étant alors faible. Il constitue enfin une limite au rende ment de la pompe. On comprend bien que pour cela les pompes ne sont pas adaptées à une aspiration sous vide. La présente invention entend remédier à ces inconvénients en proposant une pompe dans laquelle la forme de la membrane, son mode de fixation à l'embiellage mécanique qui l'entraîne et le profil des surfaces sur lesquelles elle prend appui concourent lors du fonctionnement de la pompe à une déformation cyclique de cette membrane qui est reproductible dans une grande plage de fonctionnement d'où des caractéristiques stables et un rendement hydraulique élevé à tous les régimes de fonctionnement. A cet effet l'invention a donc pour objet une pompe comportant une chambre à pression et volume variables, délimitée par une paroi fixe appartenant à un corps attelé à un bâti et une paroi mobile formée par une membrane pincée à sa périphérie entre le corps et le bâti et attelée dans sa partie centrale à l'extrémité d'un organe mobile le long d'un axe sensiblement perpendiculaire à la membrane, le corps comprenant un conduit d'aspiration et un conduit de refoulement en communication avec la chambre. Selon l'une des caractéristiques principales de l'invention, la membrane comprend, entre une portion périphérique plane pour son pincement entre le corps et le bâti et une portion centrale plane pour son attelage à l'organe mobile, une portion intermédiaire dont la section par un plan contenant l'axe de déplacement de l'organe mobile est en forme de V de concavité tournée vers la chambre, tandis que l'organe mobile possède derrière la membrane une surface d'appui dont le diamètre est croissant depuis la portion centrale de pincement et que le bâti possède derrière la membrane une surface d'appui dont le diamètre est décroissant depuis la portion périphérique de pincement, les cônes tangents à ces surfaces aux points où la membrane les quitte étant inverses l'un de l'autre, et que l'attelage de la membrane à l'organe mobile est réalisé par un nez de serrage venant coiffer l'organe mobile et la membrane sur une partie au moins de la surface d'appui. Cette disposition permet lors de la course d'aspiration de la pompe, de transmettre à la membrane des efforts de compression vers l'arrière qui tendent à raidir la portion de membrane en appui sur l'organe mobile, à plaquer fermement la partie de membrane sur la surface d'appui du bâti au fur et à mesure que celle-ci vient à son contact et à créer dans la voûte sensiblement torique qui relie ces deux parties de membrane des contraintes internes tendant à la rigidifier. L'ensemble de la membrane (ses deux parties en contact et la voûte torique les reliant) possède ainsi une meilleure résistance à l'encontre de l'effort de retournement que la dépression dans la chambre de travail de la pompe exerce sur cette membrane. L'expérience a montré que cette résistance est même suffisante pour faire travailler la pompe dans des conditions d'aspiration sous certaines conditions de vide. Dans un mode de réalisation économique de l'invention les surfaces d'appui de la membrane sont coniques, l'une concave (celle portée par le bâti), l'autre convexe (celle portée par l'organe mobile. De manière avantageuse, la forme libre de la membrane correspond à sa forme au point mort arrière de la pompe entre la phase d'aspiration et la phase de refoulement. Enfin, le diamètre intérieur de la zone de pincement périphérique de la membrane, à l'état libre est légèrement supérieur au plus grand diamètre de la surface conique et concave du bâti. La membrane est ainsi montée légèrement contrainte en direction radiale dans le bâti. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après d'un exemple de sa réalisation. Il sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est une vue en coupe schématique partielle d'une tête de pompage comportant les dispositions de l'invention. - la figure 2 est une coupe partielle d'une première variante de réalisation des surfaces d'appui de la membrane, - la figure 3 est une coupe partielle d'une seconde variante de la réalisation de ces mêmes surfaces d'appui. Une pompe à membrane actionnée mécaniquement comporte une tête de pompage 1 attelée à un bâti 2 dans lequel est monté l'organe d'actionnement 3 de la membrane 4. Sur la figure le bâti 2 et l'organe d'entraînement 3 ne sont représentés que partiellement. Dans une disposition classique l'organe d'actionnement 3 est constitué par l'extrémité d'une bielle dont la tête est montée tournant sur un tourillon excentré entraîné en rotation dans des paliers au moyen de la roue de sortie d'un réducteur assurant la transmission entre l'excentrique et l'arbre de sortie d'un moteur. L'autre extrémité de la bielle peut être articulée à un piston coulissant dans le bâti le long de l'axe, ce piston étant attelé à la membrane. Elle peut également être montée flottante, soutenue en position par la membrane et par un dispositif à ressort de compression disposé entre le bâti et la tête de bielle. Ainsi une rotation de l'excentrique engendre un mouvement alternatif rectiligne de la membrane attelée au piston articulé avec la tête de bielle, ou sensiblement rectiligne de cette membrane si la tête de bielle est montée flottante. On considèrera que les débattements angulaires de la bielle montée flottante sont pratiquement négligeables au niveau de la tête, la valeur de l'excentrique étant souvent petite devant la longueur de la bielle. Ce mouvement alternatif de la membrane s'effectue donc entre deux positions extrêmes qui définissent les points morts avant (fin de course d'échappement) et arrière (fin de course d'aspiration) de la pompe. Le réglage du débit d'une pompe à membrane peut s'opérer soit en jouant sur la cadence de pompage (réglage du nombre de tours par minute de l'excentrique), soit sur la course de la bielle 3. Dans ce dernier cas, la course est toujours réglée à partir du point mort avant de la pompe qui demeure fixe, le point mort arrière étant de position réglable. Pour ce faire, on peut soit agir sur la valeur de l'excentricité et la position de l'axe de rotation de ce dernier, par un mécanisme connu en lui-même, soit en commandant le moteur de manière discontinue et en réglant sa plage de rotation alternative autour du point mort avant.Ce rappel montre que les petits débits sont obtenus par un battement de la membrane au voisinage du point mort avant. Sur la figure 1 qui est une vue simplifiée de la partie avant d'une pompe à une seule membrane, dans laquelle on a représenté au-dessus de l'axe 9 le point mort avant et en dessous de cet axe le point mort arrière, la tête de pompage 1 comporte un corps 11 démontable par rapport au bâti 2. Le corps 11 comporte un conduit d'aspiration 12 et un conduit de refoulement 13. Ces conduits sont équipés chacun d'un clapet unidirectionnel 14, 15. Les conduits 12 et 13 débouchent du corps au niveau de sa surface interne 16 qui affecte une forme concave et qui constitue la paroi fixe de la chambre de pompage 17. La paroi mobile de cette chambre est constituée par la membrane 4 en matière plastique telle que du polytétrafluroéthylène (PTFE) qui est de préférence de forme circulaire.Cette membrane est fixée à sa partie extérieure au corps de pompe 11 en étant pincée entre une surface lla perpendiculaire à l'axe de ce dernier et une surface correspondante 2a du bâti 2 (de manière connue). L'extrémité active de la bielle 3 possède une vis 18 sous la tête de laquelle une zone centrale de la membrane peut être logée pour être pincée contre une pièce de révolution 19, la vis assurant également la solidarisation de cette pièce 19 à la bielle 3. La membrane 4 est une membrane mise en forme à sa fabrication qui possède une portion extérieure annulaire 20 sensiblement plane, une portion centrale 21 également sensiblement plane et une portion intermédiaire 22 dont la section par un plan contenant l'axe 9 est en forme de V et dont la concavité est tournée vers la chambre de pompage 17. Par ailleurs, la pièce 19 solidaire de la bielle 3 possède, derrière la membrane 4, une surface d'appui 23 pour l'un des flancs 22a de la portion en V de cette membrane. De même, la pièce du bâti 2, qui coopère au pincement périphérique de la membrane, possède une surface 24 pour l'appui de l'autre flanc 22b de la portion en V de la membrane. Elle est concave et conique, de diamètre décroissant à partir du diamètre D délimitant intérieurement la zone de pincement périphérique de la membrane. A l'état libre, la membrane 4 est dans une forme voisine de celle représentée à la partie inférieure de la figure (point mort arrière de la pompe, fin de phase d'aspiration). Le diamètre intérieur de sa partie annulaire plane 20 est légèrement supérieur au diamètre D de la surface conique 24 de sorte qu'au montage on crée une contrainte radiale de la membrane tendant à rigidifier l'angle formé par l'aile 22b et la partie annulaire 20. Par ailleurs la vis 18 possède une tête 18a qui forme un nez coiffant partiellement dans la zone 18b l'angle entre la partie centrale 21 plane de la membrane et l'aile 22a de celle-ci. On remarquera que les surfaces coniques 23 et 24 sont de conicité inverse et l'angle que forme entre elles leur trace dans le plan de la figure est relativement important, par exemple entre 45 et 900. Ces dispositions (encastrement de l'angle de la membrane sur l'équipage mobile, incidence relativement forte des surfaces d'appui l'une par rapport à l'autre, contrainte radiale sur la partie extérieure de la membrane) confèrent un comportement avantageux à la membrane. En effet quand la bielle 2 passe du point mort avant (partie supérieure de la figure) au point mort arrière (partie inférieure), elle tire sur la membrane en créant un faisceau de forces coniques F transmises à l'intérieur de son aile 22a par l'encastrement 18b. Ces forces de compression tendent à raidir cette aile et par la voûte la reliant à l'aile 22b, du fait de l'angle important entre les deux ailes 22a et 22b, plaque cette aile 22b contre la surface 24. Les efforts ainsi mis en jeu s'opposent efficacement à la tendance au retournement de la membrane due à la dépression dans la chambre de travail.Une telle pompe conserve ses caractéristiques de cylindrée et de rendement même pour des grandes courses et pour des conditions à l'aspiration sévères (dépression, colmatage occasionnel...). Elle convient donc pour satisfaire des conditions d'emploi rigoureuses et précises telles qu'on peut notamment les rencontrer dans le domaine du dosage. On notera par ailleurs un autre avantage de la pompe selon l'invention, découlant notamment de la forme conique de la surface 23. Il a été rappelé plus haut que pour des réglages d'une pompe à membrane à petit débit (par diminution de la course donc de la cylindrée balayée), par exemple pour des débits inférieurs à 20 % du débit maximum, les caractéristiques de la pompe perdent leur linéarité. Or dans la pompe, selon l'invention, la forme du "piston" qui constitue la pièce 19 associée à la membrane est telle que les variations de cylindrée, par unité de longueur du déplacement selon l'axe 9, sont plus importantes au voisinage du point mort avant qu'au voisinage du point mort arrière. Cette disposition permet de compenser la perte de linéarité des caractéristiques d'une pompe à membrane dans la plage de fonctionnement relative aux petits débits. Elle permet également de réduire le volume mort de la chambre de pompage. A la figure 2, on a représenté au point mort haut de la pompe un autre dessin des surfaces d'appui arrière de la membrane 4. Ainsi, la surface 25 portée par le bâti 2 a une trace sensiblement parabolique dans le plan de la figure. De même pour la surface d'appui 26 portée par l'organe mobile 2, 19. Ces surfaces, plus onéreuses à usiner, sont d'un dessin encore plus adapté à réduire les contraintes en fatigue dans la membrane lors de ses mouvements d'enroulement-déroulement. La résistance au retournement résulte du fait que les surfaces coniques (dont les droites 27 et 28 sont les traces dans le plan de la figure) tangentes aux surfaces 25 et 26 aux points où la membrane 4 les quitte satisfont les mêmes conditions que les surfaces 23 et 24 de la figure 1. A la figure 3 les surfaces 29 et 30 sont plutôt toriques (avec une trace presque circulaire dans le plan de figure) et une même configuration pour les surfaces 31 et 32 coniques tangentes à la membrane quittant les surfaces d'appui. La pompe est ici au point mort arrière. L'invention concerne également une pompe comportant derrière la membrane de travail, une membrane de sécurité identique à la membrane 4 dans sa forme et montée de la même manière entre le bâti 2 et la bielle 3. Cette membrane coopère également avec des surfaces d'appui coniques comme celles 23, 24 décrites précédemment. Une chambre est ainsi délimitée par ces deux membranes et la pression régnant dans cette chambre peut être surveillée ce qui permet d'assurer une surveillance simple du fonctionnement de la pompe. Les moyens de l'invention peuvent être utilisés pour réaliser un amortisseur hydropneumatique destiné à être implanté notamment sur une canalisation de refoulement d'une pompe à débit pulsé, pour "lisser" ce débit. Enfin, l'invention s'applique non seulement aux membranes en PTFE mais aussi aux membranes composites. REVENDICATIONS 1. Pompe doseuse à membrane comportant une chambre (17) à pression et volume variables, délimitée par une paroi fixe (16) appartenant à un corps (11) attelé à un bâti (2) et une paroi mobile formée par une membrane (4) pincée à sa périphérie entre le corps et le bâti et attelée dans sa partie centrale, à l'extrémité d'un organe mobile (3) le long d'un axe (9) sensiblement perpendiculaire à la membrane, caractérisée en ce que la membrane (4) comprend, entre une portion périphérique (20) plane pour son pincement entre le corps (11) et le bâti 2) et une portion centrale (21) plane pour son attelage à l'organe mobile (3), une portion intermédiaire (22) dont la section par un plan contenant l'axe (9) de déplacement de l'organe mobile est en forme de V de concavité tournée vers la chambre (17), en ce que l'organe mobile (3) possède derrière la membrane (4) une surface d'appui (23,26,30) de diamètre croissant depuis la partie centrale de pincement, en ce que le bâti (2) possède derrière la membrane (4) une surface d'appui (24,25,29) de diamètre décroissant depuis la partie périphérique de pincement, les cônes (23,24,27,28,30,31) tangents à ces surfaces aux points où la membrane les quitte étant inverses l'un de l'autre, et en ce que l'attelage de la membrane (4) à l'organe mobile (3) est réalisé par un nez de serrage (18a) venant coiffer l'organe mobile (3) et la membrane (4) sur au moins une partie de la surface d'appui (23). 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la forme de la membrane (4) à l'état libre est celle qu'elle possède, attelée à la pompe, lorsque l'organe mobile (3) est à son point mort arrière. 3. Pompe selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les surfaces d'appui (23,24) sont coniques.