Brevet FR2726331A1 — publié le 19960503

Cette invention se rapporte à une pompe à fluide, et plus particulièrement à une pompe à fluide ayant un piston double. Les pompes à fluide actuellement disponibles sont sujettes à différents défauts. Ces défauts sont suffisamment significatifs pour limiter les pompes de ce type à des petites tailles avec des capacités de sortie de faible volume à pressions élevées ou de pressions élevées à faible volume. D'une manière typique, la taille de pompe est d'environ 6,35 cm2 avec une longueur de 15,2 cm au total. La sortie s'échelonne de 108 cm3 par minute à 2,07 3 Pa à 1080 cm par minute à 0,34 105 Pa. Les caractéristiques indésirables sont: 1. Le bruit 2. Les fluctuations de pression 3. Les vibrations de la pompe 4. L'échauffement, si la pompe fonctionne à vide et/ou si on la laisse fonctionner avec la sortie fermée 5. L'impact et l'endommagement du piston si la pompe fonctionne à vide 6. Le rendement réduit avec le rapport énergie de sortie sur énergie d'entrée de l'ordre de 1%. Par conséquent, c'est un objectif principal de l'invention que de procurer une pompe à fluide à piston magnétique efficace qui élimine les défauts des pompes de ce type actuellement disponibles. Selon une forme de réalisation de l'invention, il est prévu une construction de pompe magnétique ayant: des pistons flottants doubles, un premier ressort portant contre un des pistons, un deuxième ressort réglable axialement destiné à limiter la course des déplacements et à emmagasiner de l'énergie cinétique, une soupape d'étranglement destinée à limiter la course du piston. Une pompe construite de cette manière présente des performances supérieures comparées aux pompes actuellement disponibles. Les objectifs et avantages de l'invention vont être plus complètement exposés dans la description à venir, réalisée en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une pompe construite selon une forme de réalisation de l'invention; La figure 2 est une illustration schématique destinée à expliquer les vibrations qui caractérisent les pompes actuellement disponibles; La figure 3 est une vue en perspective d'une version simplifiée de l'appareil de la figure 1; et La figure 4 est une illustration de l'appareil de la figure 1 dans un état de fonctionnement à vide. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une pompe construite selon une forme de réalisation de l'invention, qui illustre également les composants de base de ce type de pompe. Des pistons en matière magnétique 3 et 6 oscillent à l'intérieur du tube en matière magnétique 23, qui est fendu au milieu et relié à un tube en matière non magnétique 19. Afin de compléter le passage magnétique, les tubes contiennent des brides 26 et un tube extérieur 25. L'enroulement électrique 24 est circonférentiel et une tension à courant alternatif est appliquée au moyen de fils 8. Un fil contient une diode 7 qui redresse l'onde sinusoïdale. L'entrée à demi-onde crée une force magnétique à peu près la moitié du temps d'un cycle, qui rapproche les pistons 3 et 6, un ressort 18 permettant ensuite de séparer les pistons pendant l'autre moitié du cycle. La nouvelle conception consiste en deux pistons flottants coulissant librement dans le tube 23, alors que les pompes actuellement vendues ont un piston fixé fermement au tube. Lorsqu'un piston est fixé rigidement au tube, la résultante des forces de l'aimant et du ressort est transmise au carter, ce qui provoque une vibration substantielle et du bruit comme cela est illustré sur la figure 2. A contrario, si la goupille 31 de la figure 2 est enlevée, la force de 445 N réagit entre les deux blocs 32 et 33 et il n'y a pas de force (excepté une friction) transmise à la base. Par ailleurs, si un seul piston oscille, une moitié du cycle met en pression le fluide et l'autre moitié remplit la chambre par aspiration, ce qui entraine une grande fluctuation de pression de sortie. A l'inverse, une pompe avec des pistons doubles peut être modifiée avec des changements minimes mais significatifs afin de procurer différentes propriétés de sorties telles que: - des pressions constantes (ou une pression constante réglable) - un volume constant (ou un volume constant réglable) - un volume et/ou une pression constants avec des tensions d'entrée qui fluctuent - des caractéristiques pression/volume adaptées à des applications spécifiques. La figure 1 illustre les détails d'une forme de réalisation de l'invention. L'invention présente les propriétés de sortie précédentes, plus des capacités d'amortissement éliminant l'impact, et des capacités de fonctionnement à vide et de coupure sous haute pression. De plus, en positionnant le grand ressort 22 derrière le piston 6, la surface frontale des deux pistons peut être maximisée pour la force de traction magnétique maximum, ce qui donne des pressions maximum. En fonctionnement, la force magnétique rapproche les pistons 3 et 6, ce qui amène le fluide présent entre les deux pistons à s'écouler dans la direction indiquée par la flèche 34, grâce aux soupapes 17. Si il n'y a pas d'étranglements dans les raccords de sortie, le ressort 22 pousse les deux pistons dans la direction de la flèche 34 jusqu'à ce que l'extrémité du piston 15 vienne en contact avec la butée à joint torique 14. Le bouchon d'extrémité de tige 2 est retenu dans l'alésage du piston 3 avec un anneau élastique 36. Des trous axiaux 37, 38 sont prévus dans les bouchons d'extrémité de tige 2 et 27 pour le libre écoulement du liquide à travers la pompe. Trois modes de fonctionnement sont rencontrés lorsqu'une pompe réalisée selon l'invention est utilisée. 1. Un fonctionnement normal stabilisé, o la pompe a une alimentation en fluide suffisante, et pompe vers la sortie de pression normale. 2. Un fonctionnement à vide pendant le démarrage ou lorsque l'alimentation en fluide est épuisée et que de l'air entre dans le système. 3. Un blocage à haute pression lorsque l'écoulement de sortie est coupé avec la pompe excitée. Nous allons examiner successivement ces trois modes de fonctionnement. Le premier mode est le mode normal stabilisé. Si l'on suppose qu'il y a un étranglement suffisant en aval de la pompe afin de générer une pression de fluide interne qui est suffisamment grande pour exercer une pression contre le piston 3 et légèrement comprimer le ressort 22, alors, lorsque les pistons se rapprochent, une partie du fluide s'écoule hors de la pompe et le reste s'accumule, sous pression (du fait du ressort 22), derrière le piston 3. Lorsque la force magnétique tombe à zéro, le ressort 18 sépare les deux pistons mais l'écoulement continue du fait que le ressort 22 pousse constamment le piston 3 dans la direction d'écoulement de fluide. Pendant cet intervalle de temps, le piston 6 est accéléré vers la droite par le ressort 18. Après un certain intervalle de temps, avant que le piston 3 atteigne la fin de sa course "à mouvement libre", la force magnétique est à nouveau appliquée, du fait de l'entrée à courant alternatif. Le piston 6 est normalement poussé vers la droite jusqu'à ce que l'extrémité 9 touche la rondelle élastique ondulée raide 10. Ces mouvements de piston remplissent l'espace entre les deux pistons en préparation pour le cycle suivant. Le piston 6 peut se déplacer vers la droite avec une vitesse suffisante pour provoquer une vibration externe ennuyeuse. Par conséquent, le diamètre du piston au niveau de l'extrémité 9 est dimensionné afin de procurer une action d'amortissement hydraulique avec la cavité de la rondelle élastique ondulée 10. La rondelle élastique ondulée 10 est comprimée, pousse alors le piston dans la direction opposée, ce qui conserve la majeure partie de l'énergie cinétique du piston 6. Du fait que la temporisation d'oscillation doit être ajustée avec précision, des moyens réglables (11) tel qu'un insert vissé sont utilisés pour l'étalonnage de la précompression réglable du ressort (22). La figure 3 illustre la dynamique décrite ci- dessus. La force magnétique rapproche les pistons, ce qui amène le fluide à s'écouler vers la gauche. Approximativement la moitié du fluide s'écoule hors de la pompe, et l'autre moitié s'accumule derrière le piston 3 et pousse le piston contre le ressort 22. A ce moment là, le piston 3 agit en tant qu'accumulateur et également comme piston revenant vers sa position de remplissage. Lorsque la force magnétique est relâchée, un écoulement continu (et une pression) est créé par le ressort 22 agissant sur le piston 3. Le ressort 18 repousse le piston 6 vers sa position de départ de remplissage normal. L'action des deux pistons contribue à un écoulement continu régulier avec peu de vibrations externes. Les enroulements en cuivre génèrent de la chaleur qui doit être dissipée. Pendant un fonctionnement normal, le fluide qui passe à travers la pompe dissipe la chaleur générée par les fils. Du fait que cette pompe est fondamentalement un dispositif à induction élevée, l'écoulement de courant varie largement en fonction du fait que les pistons sont ouverts ou fermés. Le deuxième mode de fonctionnement de la pompe, sans fluide, est couramment appelé fonctionnement à vide. Le fonctionnement à vide d'une pompe est normalement néfaste du fait de l'échauffement et également du fait de l'endommagement par impact dû aux forces élevées appliquées sur les pistons. Ces problèmes peuvent être éliminés en réduisant les forces magnétiques et de ressort avec une entrée de courant électrique plus faible et également en limitant l'entrefer entre les deux pistons. Ces correction dégradent le potentiel de sortie et limitent la pompe à une catégorie à faibles performances. Les corrections pour l'échauffement et l'endommagement par impact sont faites avec les mesures suivantes dans l'invention. Comme cela est représenté sur la figure 4, sans fluide dans la pompe, le ressort 18 pousse le piston 6 contre le bouchon d'extrémité de tige 27, jusqu'à ce que l'anneau élastique 21 vienne en contact avec le bouchon 27. Simultanément, le ressort 22 pousse les deux pistons vers la gauche, jusqu'au point o l'extrémité de piston 15 appuie contre la butée à joint torique 14. Dans cette position, la surface frontale 28 du piston 6 est alignée avec le bord 29 du tube magnétique 19. Cette position du piston 6 procure un bon circuit magnétique pour le flux, ce qui réduit le courant (et l'échauffement) à travers les enroulements et procure une faible oscillation du piston 6, trop petite pour provoquer un impact des deux pistons, mais suffisamment grande pour amorcer la pompe et démarrer un fonctionnement normal. Lorsque la pompe se remplit avec du fluide et que la pression s'accumule, les deux pistons se déplacent rapidement vers la droite, la force et l'amplitude d'oscillation augmentent, et un fonctionnement normal reprend. Les valeurs de courant électrique d'une forme de réalisation de l'invention sont à peu près comme suit: Courant avec les pistons fermés: 1 A Courant avec les pistons ouverts avec un espace de 0,32 cm: 2 A Courant avec les pistons en position de repos : 1,5 A Courant de fonctionnement normal: 2 A. Le troisième mode de fonctionnement normalement rencontré lors de l'utilisation de la pompe réalisée selon l'invention est une coupure à haute pression. Sur la figure 3, si la sortie de la pompe est totalement bloquée, les pistons 3 et 6 sont toujours rapprochés, lorsque la puissance est appliquée, et restent rapprochés tant que la pression provenant de la force magnétique est supérieure à la pression exercée par le ressort, du fait que les deux pistons sont libres d'osciller. Si les pistons sont bloqués ensemble du fait d'un blocage de sortie, le circuit magnétique a une réluctance minimum et par conséquent une circulation de courant minimum à travers les bobines. Dans les pompes actuelles, un seul piston mobile est normalement prévu. Un insert en matière magnétique, fonctionnant comme une partie du bâti, est prévu et fonctionne comme piston fixe. Si le piston 3 était fixé fermement au cylindre comme dans les conceptions actuelles, la force magnétique tire le piston 6 dans la direction d'écoulement. Par conséquent, la force magnétique procure la pression et l'écoulement. Avec cet agencement, le piston 6 oscille librement pendant un fonctionnement à vide, et le courant chute régulièrement comparé à un fonctionnement à pleine sortie et l'impact dans les deux directions se produit avec une force maximum. Une coupure à haute pression empêche le piston 6 de se déplacer, ce qui crée un entrefer important et maximise le courant électrique. Si le piston 6 est fixé fermement au cylindre comme dans les conceptions actuelles, la force magnétique tire le piston 3 dans la direction de "remplissage". Le ressort 22 procure la pression d'écoulement et le déplacement. Pendant un fonctionnement à vide, avec un piston fixe, les mêmes conditions néfastes existent comme cela a été décrit ci- dessus, avec un piston fixé fermement. Lorsqu'une coupure à haute pression apparaît, les pistons se rapprochent pour un effet bénéfique de la même manière que dans l'invention. J Fluctuation Fonctionne- Coupure à Pour des pompes de pression ment à vide haute d'approximativement de pression la même taille vibration Sortie maximum ________ _____ ____ _ __ _Pression x Volume Invention faible pas pas 36 watts d'impact d'impact chaleur = chaleur = 1/2 normale 1/2 normale Piston importante impact piston *0,3 à 2 watts gauche 3 ouvert chaleur = chaleur = 2 % normale x normale Piston importante impact piston *0,3 à 2 watts droit 6 fermé chaleur = chaleur = % normale 1/2 normale * sortie limitée principalement à cause de l'impact et du bruit Pour une pompe à pression constante, le ressort 22 doit être modérément puissant et long, assemblé dans la pompe avec une précompression élevée. La forte précompression procure une force de ressort relativement constante pendant la course normale du piston 3. Pour une pompe à volume constant, le bouchon d'extrémité de tige 2 est étendu et se rétrécit en forme de pointe. Un insert d'orifice d'étranglement 13 est vissé dans le bouchon d'extrémité 12. Cet insert a un diamètre intérieur qui a un faible jeu par rapport au bouchon d'extrémité de tige 2. En fonctionnement normal, la course du piston 3 est limitée par le fluide qui est piégé dans une cavité 30 du fait que la sortie est fermée. Ceci assure un volume constant pompé à chaque course. L'action de soupape de coupure procure également une autre fonction importante. Le fluide qui s'écoule a une inertie suffisante à travers le système pour continuer à passer même une fois que le piston change de sens. La contre-pression décélère le fluide jusqu'à un arrêt lorsque la pression de pompe diminue. Le volume de passage varie en fonction de la pression de sortie. Par conséquent, le débit est bien plus constant si l'écoulement est amené à s'arrêter totalement à chaque cycle. Des liquides qui sont pompés ne peuvent être arrêtés instantanément, et par conséquent, afin d'éviter un impact du fluide et de la pompe, un cône 1 est prévu. Ceci permet à toutes les parties de ralentir jusqu'à l'arrêt. Le volume de sortie peut être modifié en changeant la position de l'insert 13. Afin d'éliminer l'impact des pistons 3 et 6, une petite saillie 4 est prévue sur le piston 3. Cette saillie pénètre dans l'alésage à ajustement serré 5 du piston 6 qui piège le fluide entre les deux pistons et qui à son tour assure une décélération amortie des deux pistons. Les détails significatifs de l'invention sont exposés ci-dessous 1. Pistons flottants doubles; 2. Lors d'un fonctionnement à vide, des moyens destinés à déplacer le piston 3 dans une position qui procure un meilleur passage magnétique et par conséquent une chaleur et un impact de piston réduits. 3. Un ressort puissant positionné sur le côté opposé de l'interface magnétique et appliquant sa force sur le piston par l'intermédiaire d'un élément rigide, à travers l'interface et sur le piston sur l'extrémité éloignée; 4. Le fait de prévoir un amortissement de fluide à la fin des oscillations au moyen d'une cavité (30) normalement ouverte, adjacente à une extrémité d'au moins un desdits pistons (3, 6); 5. Un ressort d'impact puissant réglable axialement destiné à limiter la course et également à récupérer l'énergie cinétique du piston; 6. Une soupape d'étranglement destinée à limiter la course du piston et/ou arrêter l'écoulement de fluide. REVENDICATIONS 1. Pompe à fluide, caractérisée en ce qu'elle comporte, en combinaison: un tube en matière magnétique (23), une paire de pistons (3, 6) formés dans une matière magnétique et disposés de façon librement coulissante dans ledit tube (23), des moyens magnétiques destinés à générer de manière sélective un flux magnétique afin de rapprocher lesdits pistons (3, 6), chacun desdits pistons (3, 6) ayant des moyens de soupape (17) destinés à supporter l'écoulement de fluide dans une direction à travers ledit tube (23), et des moyens à ressort (22) disposés dans ledit tube (23) et reliés à un piston afin de pousser l'un desdits pistons (3, 6) vers une direction en aval dudit écoulement, l'autre piston de ladite paire n'ayant pas de moyen à ressort le poussant vers une direction amont. 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des deuxièmes moyens à ressort (18) interposés entre lesdits pistons (3, 6), lesdits deuxièmes moyens à ressort (18) étant prévus pour forcer lesdits pistons (3, 6) à s'écarter sauf lorsque ledit flux magnétique est appliqué. 3. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un enroulement électrique (24) destiné à générer ledit flux magnétique lorsque ledit enroulement (24) est alimenté en courant électrique. 4. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit tube (23) se compose de deux tubes magnétiques alignés axialement, lesdites parties étant séparées par un tube non magnétique (19). 5. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une cavité (30) normalement ouverte adjacente à une extrémité d'au moins un desdits pistons (3, 6) pour un mouvement d'amortissement hydraulique dudit piston. 6. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens à ressort comportent un ressort hélicoïdal (22) aligné axialement avec ledit tube (23), et des moyens réglables (11) qui butent contre une extrémité dudit ressort hélicoïdal (22) pour une précompression réglable dudit ressort hélicoïdal (22). 7. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (18, 22) destinés à déplacer la position d'au moins un desdits pistons (3, 6) vers ladite direction aval lorsque la pompe fonctionne à vide, afin de modifier le passage dudit flux magnétique et réduire ainsi la génération de chaleur et l'impact desdits pistons (3, 6). 8. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un insert d'orifice d'étranglement (13) destiné à limiter la course d'au moins un desdits pistons (3, 6). 9. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un insert d'orifice d'étranglement (13) destiné à arrêter l'écoulement de fluide à travers ladite pompe. 10. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit ressort (22) est un ressort de compression positionné sur le côté d'entrée desdits pistons (3, 6) et comprenant une tige de petit diamètre reliée au piston en aval, ladite tige s'étendant à travers le piston en amont.