Brevet FR2743129A1 — publié le 19970704

CLAPET ANTI-RETOUR A COMMANDE PIEZOELEC1RIQUE La présente invention concerne un clapet anti-retour. La publication FR-2.248.451 décrit un clapet anti-retour reliant entre eux deux conduits et permettant l'écoulement unidirectionnel d'un fluide. Ce clapet anti-retour comprend un obturateur appliqué par un ressort de rappel contre un siège situé dans un conduite reliant entre elles deux parties l'une amont, l'autre aval d'un dispositif hydraulique. Lorsque la pression différentielle entre l'amont et l'aval dépasse une valeur déterminée par le tarage du ressort de rappel, le fluide agissant à l'encontre de la force exercée par le ressort, décolle l'obturateur de son siège, ce qui permet l'écoulement du fluide de l'amont vers l'aval. Dès que la pression différentielle entre l'amont et l'aval repasse en deçà de cette valeur, I'obturateur est de nouveau appliqué contre son siège par le ressort, ce qui interrompt l'écoulement du fluide. Un tel clapet anti-retour ne permet pas d'obtenir des cycles d'ouverture du clapet à une fréquence supérieure à 25 Hz. L'utilisation de vannes électromagnétiques permet tout au plus de repousser cette limite à 100 Hz. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients et se propose notamment d'obtenir des temps d'ouverture du clapet sensiblement inférieurs. La présente invention Propose un dispositif pour le réglage de la circulation d'un fluide comprenant un boîtier muni d'un canal d'amenée et d'un canal d'évacuation de fluide, un actionneur et un clapet de contrôle de l'écoulement d'un fluide entre lesdits canaux, le clapet comprenant un siège de soupape et un pointeau mobile entre une position de fermeture du clapet dans laquelle le pointeau est sollicité contre le siège par un ressort de rappel, et une position d'ouverture du clapet autorisant l'écoulement unidirectionnel du fluide du canal d'amenée vers le canal d'évacuation, l'actionneur étant disposé coaxialement au clapet. Selon l'invention, l'actionneur est constitué d'un empilement piézo-électrique disposé dans le canal d'amenée du fluide, commandé par un signal représentatif de la pression différentielle de fluide entre le canal d'évacuation et le canal d'amenée. Selon une autre caractéristique de la présente invention, un élément frontal et un élément postérieur en matériau non conducteur montés à coulissement dans le canal d'amenée du fluide sont fixés respectivement aux extrémités de l'empilement piézo-électrique. Selon une autre caractéristique de la présente invention, la masse de l'élément postérieur est sensiblement supérieure à la masse de l'ensemble constitué par l'empilement et l'élément frontal de manière à ce que l'excitation de l'empilement piézo-électrique génère principalement un déplacement de l'élément frontal. Selon une autre caractéristique de la présente invention, les éléments frontal et postérieur sont percés de part en part d'orifices longitudinaux d'écoulement du fluide en communication avec un canal de passage du fluide qui traverse longitudinalement l'empilement piézo-électrique. Selon une autre caractéristique de la présente invention, I'élément frontal coopère avec l'extrémité du pointeau opposée au ressort de rappel dudit pointeau contre son siège, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un coulisseau monté dans un canal reliant les canaux d'amenée et d'évacuation. Selon une autre caractéristique de la présente invention, L'ensemble constitué de l'empilement piézo-électrique, des éléments frontal et postérieur ainsi que du coulisseau éventuel est maintenu en contact avec le pointeau, le clapet étant fermé, par un ensemble constitué d'un ressort dont l'une des extrémités s'appuie contre l'élément postérieur et dont l'extrémité opposée coopère avec un élément de réglage de la tension du ressort mobile en translation dans le canal d'amenée. Selon une autre caractéristique de la présente invention, I'ouverture du clapet est assistée par de brèves impulsions de tension appliquées à l'empilement piézo-électrique, le maintien ultérieur du clapet en position d'ouverture résultant des seules forces de pression exercées par le fluide sur le pointeau. On comprendra mieux les buts, aspects et caractéristiques de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention présenté à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel - La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif équipé d'un clapet anti-retour selon l'invention. - la figure 2 est une courbe représentative d'un signal de commande de l'actionneur piézo-électrique du clapet anti-retour. - la figure 3 représente les réponses de l'actionneur et du clapet au signal de la figure 2. En référence à la figure 1, on a représenté un clapet anti-retour destiné à être placé dans une conduite d'un circuit hydraulique afin de permettre l'écoulement unidirectionnel d'un fluide dans le sens indiqué par la flèche non référencée. Le clapet est monté dans un corps 1 comportant un canal longitudinal d'amenée 1' du fluide et un canal longitudinal d'évacuation 1" du fluide qui débouchent à l'extérieur du corps 1 respectivement par des orifices d'entrée et de sortie du fluide. Les canaux (1' , 1") sont taraudés sont une partie de leur longueur de manière à permettre le montage d'un élément fileté à l'intérieur. Les canaux d'amenée 1' et d'évacuation 1" communiquent entre eux par un canal axial 2. Le canal d'amenée 1' possède un diamètre inférieur au diamètre du canal d'évacuation l". Le canal d'évacuation 1" et le canal 2 communiquent entre par une section de profil tronconique. Cette section tronconique constitue un siège sur lequel vient s'appuyer un pointeau 3 lorsque le clapet est en position d'ouverture. Le pointeau 3 peut avantageusement être remplacé par une bille. Le pointeau 3 coopère avec l'une des extrémités d'un ressort 4 de rappel dont l'autre extrémité s'appuie contre un élément de réglage 5 de la valeur du tarage du ressort 4. Cet élément de réglage 5 est constitué d'un élément fileté, tel qu'une vis, vissé dans l'alésage d'évacuation. Un orifice 5' de passage du fluide traverse l'élément de part en part. Le réglage de la position de l'élément fileté dans le canal permet aisément de faire varier le tarage du ressort de rappel 4. A cet. effet, I'élément de réglage 5 peutcomporter une empreinte femelle, par exemple polygonale, dans laquelle peut être introduite une clé mâle de forme complémentaire. Le clapet peut occuper une position de fermeture, dans laquelle le pointeau 3 est appliqué contre son siège par le ressort de rappel 4 et une position d'ouverture pour laquelle le pointeau 3 est décollé de son siège sous l'effet de forces agissant à l'encontre de la force exercée par le ressort de rappel 4. Un organe d'actionnement piézo-électrique est disposé dans l'alésage d'amenée. Cet actionneur comprend un empilement piézo-électrique 6 à disques céramiques polarisés dans le sens de l'épaisseur. Les disques sont séparés par des électrodes, non représentées sur les figures, lesquelles sont alternativement connectées à des fils (non représentés) reliés à un dispositif de commande 14, tel qu'une source de tension. En appliquant une différence de potentiel entre les faces de chaque disque par les fils qui y sont respectivement connectés, I'empilement piézo-électrique 6 va se dilater ou se contracter axialement suivant le signe de la tension appliquée entre les faces des disques céramiques. Les deux extrémités de l'empilement piézo-électrique sont fixées, par exemple par collage, à deux éléments terminaux : un élément frontal 7' est disposé du côté de canal 2 de liaison entre les deux alésages 1' et 1". L'élément terminal, appelé postérieur 8, fixé à l'autre extrémité de l'empilement 6, de masse sensiblement plus importante que celle de l'ensemble composé de l'empilement 6 et de l'élément frontal 7, forme contre-masse lors du fonctionnement de l'actionneur. L'ensemble constitué de l'empilement piézo-électrique 6 et des deux éléments terminaux (6,8) est traversé longitudinalement par un canal 6', de passage du fluide, qui débouche dans une chambre 11 délimitée par l'élément frontal 7 et le pointeau 3 en position d'obturation, par deux perçages 7' symétriques par rapport à l'axe longitudinal médian de l'ensemble et qui s'étendent selon deux directions sensiblement inclinées à 45" par rapport audit axe. Un coulisseau 8' est monté à coulissement dans le canal 2 de liaison des deux alésages (1',1"). Le coulisseau 8' comprend un piston qui coopère avec la surface du canal par deux bagues fixées sur la surface extérieure de cet élément tubulaire. Le coulisseau 8' coopère respectivement avec l'élément frontal 7 de l'actionneur piézoélectrique et avec le pointeau 3 du clapet. Le coulisseau 8' n'est pas indispensable, on peut avoir un contact direct entre l'élément frontal 7 et le pointeau 3. De même, le passage du fluide peut s'effectuer autrement que par l'intérieur de l'actionneur piézo-électrique. L'ensemble constitué de l'empilement 6 et des deux éléments terminaux ((7,8) peut coulisser dans l'alésage d'amenée 1' du fluide et est maintenu en contact avec le coulisseau 8' grâce à un ressort 9 monté à compression entre l'extrémité de l'élément postérieur 8 et un élément de réglage 9' du tarage dudit ressort 9. Cet élément de réglage 9' est constitué d'une vis telle que celle précédemment décrite vissé dans l'alésage d'amenée taraudé sur une partie de sa longueur. Cette vis est percée d'un orifice 9" longitudinal de passage du fluide vers l'élément terminal postérieur 8. Le pointeau 3 en position d'obturation, la vis du réglage du tarage de son ressort de rappel dudit ressort et la surface intérieure de l'alésage délimitent une chambre 12 communiquant par le canal 2 avec la première chambre 1 I située en amont du clapet. Un capteur de pression différentiel 10 délivre un signal représentatif des pressions qui règnent respectivement dans les chambres précitées (11,12) à une unité centrale 13. L'unité centrale 13 est connectée en sortie au bloc d'alimentation 14 haute tension alternative de l'empilement piézo-électrique. L'unité centrale 13 est capable d'exploiter le signal venant du capteur de pression différentiel 10 et de le transformer en un signal de commande pour le bloc d'alimentation électrique 14 de l'empilement piézo-électrique. Conformément à la description précédente et aux figures 1 à 3, le fonctionnement du clapet anti-retour va maintenant être exposé. Sur la figure 1, le pointeau 3 du clapet est représenté dans une position de repos dans laquelle le pointeau 3 est en appui contre son siège de façon à obturer le passage entre les chambres (11,12). En fonction du signal de consigne en provenance du capteur de pression différentiel 10, l'unité centrale 13 envoie un signal de commande au bloc d'alimentation 14, lequel génère un champ électrique qui dilate ou comprime l'empilement piézo-électrique 6 selon le signe du potentiel imposé à l'empilement. Lorsque l'empilement piézo-électrique 6, opérant en extension, est excité par une impulsion de tension, telle que celle représentée à la figure 2, le pointeau 3 est décollé de son siège et se déplace d'environ 200 microns en 0,6 ms. Ce déplacement du pointeau est représenté à la figure 3, sur la courbe référencée b. L'empilement piézo-électrique 6 s'allonge dans un temps très court et compte tenu de l'inertie de l'élément terminal postérieur 8 formant contre-masse, c'est la partie terminale frontale 7 qui récupère l'énergie mécanique qui est ensuite communiquée au coulisseau 8' lequel va pousser le pointeau 3, provoquant l'ouverture du clapet. Après l'impulsion, l'élément frontal 7, le coulisseau 8' et le pointeau 3 ne sont plus forcément en contact. Une fois le pointeau 3 décollé de son siège, il est maintenu en position d'ouverture par le flux du fluide de la chambre 1 1 vers la chambre 12. Dès que la pression différentielle entre l'amont et l'aval repasse en deçà de la valeur déterminée par le tarage du ressort de rappel 12, l'obturateur est de nouveau appliqué contre son siège par le ressort 12, ce qui interrompt l'écoulement du fluide. Le clapet commandé peut fonctionner selon un mode dit d'accompagnement. Selon ce mode de fonctionnement du clapet, l'empilement piézo-électrique 6 s'allonge et accompagne le pointeau 3 en lui communiquant son énergie cinétique. Lorsque la vitesse du pointeau 3 devient supérieure à la vitesse de l'extrémité libre de l'empilement piézo-électrique 6, le contact entre le pointeau 3 et l'empilement 6 est rompu. Pendant le premier quart de période de l'impulsion, I'empilement 6 s'allonge en poussant le pointeau 3; lorsque la vitesse du pointeau devient supérieure à la vitesse de l'élément frontal 7, le contact entre le coulisseau 8' et le pointeau 3 est rompu. L'énergie cinétique communiquée au pointeau par l'empilement est convertit en énergie potentielle de compression du ressort 4. L'ouverture du clapet peut aussi s'effectuer selon un mode dit de percussion. Selon ce mode de fonctionnement, I'empilement piézoélectrique 6 est d'abord comprimé par l'application d'une tension adhoc, puis s'allonge par l'effet conjoint de l'application d'une tension de sens opposée à la précédente et de son élasticité axiale intrinsèque. Lorsque l'extrémité libre de l'empilement 6 atteint sa vitesse maximale, elle percute le pointeau 3 en appui contre son siège. La commande de l'empilement 6 doit être en avance de phase par rapport à au signal délivré par le capteur de pression différentiel 10. Dans les deux modes de fonctionnement, I'empilement 6 oscille sur son mode propre, lorsque le contact entre le pointeau et l'extrémité de la céramique est rompu. Cette oscillation de l'empilement 6 correspond à la courbe a de la figure 3 Le clapet permet d'obtenir une ouverture du pointeau 3 à une fréquence de l'ordre de 500 Hz, soit une réduction significative des temps morts à l'ouverture par rapport aux dispositifs connus de l'état de la technique. En outre, on utilise de façon optimale les céramiques piézoélectriques qui permettent de générer de fortes contraintes à des vitesses élevées. Selon le dimensionnement de l'empilement piézo-électrique, on peut - soit initier l'ouverture du clapet par une brève impulsion de tension, la différence de pression amont-aval maintenant ensuite celui-ci en position, - soit, si la force du ressort de rappel 4 du pointeau 3 est plus grande que les forces de pression du fluide, obtenir un temps d'ouverture de clapet qui est une fonction de l'amplitude de la tension appliquée à l'empilement piézo-électrique 6. Bien entendu, I'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour le réglage de la circulation d'un fluide comprenant un boîtier muni d'un canal d'amenée (1 ') et d'un canal d'évacuation (1") de fluide, un actionneur et un clapet de contrôle de l'écoulement d'un fluide entre lesdits canaux, le clapet comprenant un siège de soupape et un pointeau (3) mobile entre une position de fermeture du clapet dans laquelle le pointeau (3) est sollicité contre le siège par un ressort de rappel (4), et une position d'ouverture du clapet autorisant l'écoulement unidirectionnel du fluide du canal d'amenée (1') vers le canal d'évacuation (1"), l'actionneur étant disposé coaxialement au clapet, caractérisé en ce que l'actionneur est constitué d'un empilement piézo-électrique (6) disposé dans le canal d'amenée (1') du fluide, commandé par un signal représentatif de la pression différentielle de fluide entre le canal d'évacuation (1") et le canal d'amenée (1'). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un élément frontal (7) et un élément postérieur (8) en matériau non conducteur montés à coulissement dans le canal d'amenée (1') du fluide sont fixés respectivement aux extrémités de l'empilement piézo-électrique (6). 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la masse de l'élément postérieur (8) est sensiblement supérieure à la masse de l'ensemble constitué par l'empilement (6) et l'élément frontal (7) de manière à ce que l'excitation de l'empilement piézo-électrique (6) génère principalement un déplacement de l'élément frontal (7). 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments frontal (7) et postérieur (8) sont percés de part en part d'orifices longitudinaux d'écoulement du fluide en communication avec un canal (6') de passage du fluide qui traverse longitudinalement l'empilement piézo-électrique (6). 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément frontal (7) coopère avec l'extrémité du pointeau (3) opposée au ressort de rappel (4) dudit pointeau contre son siège, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un coulisseau (8') monté dans un canal (2) reliant les canaux d'amenée (1') et d'évacuation (1"). 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble constitué de l'empilement piézoélectrique (6), des éléments frontal (7) et postérieur (8) ainsi que du coulisseau (8') éventuel est maintenu en contact avec le pointeau (3), le clapet étant fermé, par un ensemble constitué d'un ressort (9) dont l'une des extrémités s'appuie contre l'élément postérieur (8) et dont l'extrémité opposée coopère avec un élément (9') de réglage de la tension du ressort mobile en translation dans le canal d'amenée. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture du clapet est assistée par de brèves impulsions de tension appliquées à l'empilement piézo-électrique (6), le maintien ultérieur du clapet en position d'ouverture résultant des seules forces de pression exercées par le fluide sur le pointeau (3).