Brevet FR2758162A1 — publié le 19980710

La présente invention concerne une pompe hydropneumatique immergée dans un liquide contenu notamment dans un puits ou un forage utilisant de l'air comprimé comme agent moteur pour refouler en surface ledit liquide. L'utilisation d'une pompe immergée dans le liquide à puiser et à relever est connue depuis longtemps. Pour rendre ces pompes autonomes ou tout au moins indépendantes de tout apport d'énergie spécifique telle qu'électricité ou pétrole, notamment en des lieux isolés, il est souvent fait appel aux éoliennes. Ces éoliennes actionnent généralement une pompe rotative ou alternative, le mouvement étant transmis par un jeu de tringles ou un flexible. Ces pompes sont décrites dans les brevets POLICE-HERBERT FR.A.1.285.923, MERMET FR.A.2.545.886 et DEJOUX-VILLEGER FR.A.2.548.741. Le brevet MARY FR.A.2.488.340 a pour objet un dispositif permettant de transformer de l'énergie hydraulique en énergie pneumatique. Soit l'eau introduite sous pression au niveau inférieur d'un récipient clos en chasse l'air par une canalisation située au niveau supérieur avec une énergie sensiblement équivalente à celle de l'eau introduite, soit l'air est introduit sous pression à la partie supérieure d'un récipient clos qui chasse l'eau par une canalisation située au niveau inférieur. Ce dispositif est destiné à élever l'eau d'un puits quelle que soit sa profondeur. Ce principe de fonctionnement était cependant connu ayant fait l'objet du brevet LAMY FR.A.1.512.529 lequel décrit une pompe statique volumétrique immergée, I'air comprimé est l'agent moteur, les manoeuvres de robinets et clapets sont manuelles. Le fonctionnement de ces dispositifs présente l'inconvénient majeur de ne pas être automatique. Nous citerons, pour mémoire, les brevets PANETTA apportant quelques solutions pour réaliser des pompes à piston utilisant différentes sortes d'énergie dont l'énergie musculaire et l'air comprimé FR.A.2.471.500, 2.549.542, 2.567.206 et 2.576.980, 2.506.806, 2.509.388, 2.588.321. Ces derniers brevets, bien qu'innovants, sont complexes et de réalisations onéreuses, mettant des pièces en mouvement. Les autocommandes ne constituent pas une automatisation complète du fonctionnement de la pompe immergée. Le brevet EDF FR.2.A.621.083 toujours sur le même principe concerne une pompe immergée dont le corps de pompe muni d'un clapet antiretour permet l'admission d'eau dans l'enceinte interdisant son expulsion si ce n'est par un tube de refoulement. Des moyens pneumatiques séquenceurs produisent alternativement la mise sous pression d'une conduite, à une pression supérieure à la pression hydrostatique au point de prélèvement, puis à une pression inférieure à celle régnant au point de récupération. Le brevet PATISSON-MARSAULT FR.A.2.686.378 décrit par ailleurs une pompe alternative à surverse, à débit permanent à fonctionnement par ballasts immergés. Un bloc de commande électropneumatique comprenant, vanne d'arrêt, manomètre, temporisateurs, relais de commande, pilote l'admission d'air comprimé. Les deux dispositifs évoqués ci-dessus comportent des organes, séquenceurs ou bloc de commande, permettant un fonctionnement automatique. L'automatisme ainsi réalisé nécessite des organes complexes, agencés à l'extérieur du puits, mettant en oeuvre simultanément ou successivement plusieurs moyens destinés à piloter l'ensemble immergé constituant le corps de pompe. Par ailleurs les brevets SORELEC FR.A.2.732.079 et 0.80 concernent une pompe alternative verticale dont le piston comporte un clapet destiné à obturer le piston sous le poids de la colonne de liquide ou libérer le passage du liquide lorsque le piston descend dans la colonne d'eau. Ces pompes, bien qu'intéressantes, fonctionnent selon des principes différents de ceux mis en oeuvre dans les dispositifs cités ci-dessus. La présente invention se propose de pallier les inconvénients de l'art antérieur évoqué ci-dessus et de satisfaire les objectifs suivants : réaliser une pompe immergée, de faible encombrement pour fonctionner dans des forages de petits diamètres, ne présentant aucune pièce en mouvement si ce n'est soupapes ou flotteurs, dont le fonctionnement est entièrement automatique ne nécessitant qu'une source d'air comprimé produit par tout moyen disponible localement dont l'éolienne. Cette pompe devra être simple, robuste, fiable, peu onéreuse, capable de fonctionner dans différentes sortes de milieux liquides. Selon l'invention la pompe volumétrique, hydropneumatique, immergée dans un liquide, utilise de l'air comprimé introduit en partie haute du corps de pompe, agissant comme piston sur le liquide introduit et puisé en partie basse pour le refouler en surface, ladite pompe comporte une mise à l'air libre. Ladite pompe est caractérisée en ce que - un flotteur lesté, de masse spécifique légèrement supérieure à celle du liquide, contrôle l'accès de ce liquide à la base du corps de pompe, un mécanisme d'automatisation constitué d'un réservoir, muni d'une purge et de clapets, relié à la mise à l'air libre et à une canalisation de trop plein, contrôle les variations cycliques des niveaux du liquide et de la pression à l'intérieur du corps de pompe, lesquels, flotteur et mécanisme agissant en combinaison permettent d'automatiser le fonctionnement de ladite pompe. Avantageusement le flotteur lesté contrôle l'accès du liquide à la base du corps de pompe, ouverture et admission du liquide lorsque la pression interne est inférieure à la pression externe, fermeture et refoulement du liquide lorsque la pression interne est supérieure à la pression externe De préférence le réservoir muni d'un clapet en partie basse obture l'orifice de purge pendant le remplissage et pendant le refoulement lorsque le liquide dans le corps de pompe atteint le niveau supérieur de ce clapet. Selon une autre caractéristique le réservoir, relié en partie basse à la canalisation de trop plein, est rempli par le liquide dès que son niveau atteint dans le corps de pompe le niveau supérieur du trop plein, ce qui correspond à la variation de pression interne qui d'inférieure à la pression externe devient supérieure à cette dernière. Avantageusement le réservoir muni d'un clapet en partie haute obture l'orifice de la canalisation de mise à l'air libre dès que le niveau du liquide dans le réservoir atteint le niveau supérieur de ce clapet ceci jusqu'à ce que l'orifice de purge soit ouvert, c'est-à-dire dès que le niveau de liquide, dans le corps de pompe, atteint lors du refoulement le niveau inférieur dudit clapet. Ainsi la pompe volumétrique, selon l'invention, fonctionne de la manière suivante décrite ci-dessous, le corps de pompe étant immergé et comportant des canalisations de mise à l'air libre d'admission d'air comprimé et de refoulement d'eau. Le flotteur lesté dégage l'orifice d'accès du liquide situé à la base du corps de pompe, la pression interne étant alors inférieure à la pression externe. Le niveau de l'eau monte dans le corps de pompe jusqu'à fermeture par un clapet de l'orifice de purge du réservoir. L'eau continue de monter dans le corps de pompe jusqu'à le remplir et atteindre le niveau du trop plein. Par cette canalisation de trop plein le réservoir se remplit jusqu'à obturer par un clapet l'orifice de canalisation de mise à l'air libre. La pression exercée par l'air comprimé en haut du corps de pompe, agissant comme un piston sur le liquide pousse le niveau du liquide vers le bas. La pression ainsi exercée sur le flotteur obture l'accès du liquide en partie basse du corps de pompe, l'eau est alors refoulée dans une canalisation débouchant en surface. Le niveau d'eau continue à baisser jusqu'à ouverture par son clapet de l'orifice de purge du réservoir, I'eau contenue dans le réservoir est ainsi évacuée, L'orifice de mise à l'air libre est alors ouvert par son clapet. Dès que la pression interne dans le corps de pompe est inférieure à la pression externe le flotteur libère l'admission du liquide à la base du corps de pompe, le cycle recommence. De préférence le clapet en partie basse du réservoir est guidé latéralement par un tube ajouré, et en partie inférieure par un treillis métallique. De préférence également les clapets sont constitués par des sphères en matériaux légers fonctionnant par flottaison à la surface du liquide. Selon une autre caractéristique le corps de pompe est alimenté en permanence en air comprimé par le conduit d'arrivée quelle que soit la phase de fonctionnement de la pompe de sorte que le corps de la pompe est mis en pression pendant le remplissage et mis en dépression après vidage par refoulement du liquide en surface. Avantageusement la canalisation de refoulement du liquide comporte à l'extérieur de la pompe un clapet antiretour. Selon une réalisation préférentielle le mécanisme de contrôle est implanté en partie basse du corps de pompe de façon à obtenir un vidage maximal du corps de pompe et ainsi optimiser son volume utile. Ainsi la pompe hydraulique selon l'invention fonctionne automatiquement à partir d'une source d'énergie constitué par de l'air comprimé obtenu de différentes façons selon les possibilités locales. De faible diamètre, sans pièces en mouvement elle répond bien aux objectifs fixés. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'une forme d'exécution de la présente invention donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue schématique en coupe de la pompe selon l'invention. Les figures 2 sont des vues schématiques en coupe de la pompe au cours de son fonctionnement. Quelques dimensions approximatives ou quelques caractéristiques physiques ou mécaniques seront données à titre purement illustratifs. Ces dimensions et caractéristiques dépendent des besoins, et de l'adaptation de la pompe selon l'invention à une utilisation déterminée. On montre sur la figure 1 selon l'invention une vue schématique en coupe de la pompe selon l'invention immergée dans un liquide, de préférence de l'eau, non représenté sur ce schéma. Pour éviter toute confusion les organes constituant la pompe seront repérés par des chiffres alors que les différents niveaux seront repérés par des lettres. Pour un forage de diamètre 127mm, dimension couramment utilisée il est possible d'utiliser un corps de pompe 1 de diamètre 90mm. Ce corps de pompe pouvant être réalisé en acier inoxydable ou en fonderie. De longueur environ I m le volume de liquide exploitable sera d'environ 5 litres. Pour un pompage manuel ou à l'aide d'une éolienne, le puits de diamètre important, peu profond, permettra de recevoir le corps de pompe 1 de gros diamètre par exemple 300mm et une longueur de 50Qmm le volume exploitable étant alors d'environ 30 litres. Le corps de pompe 1 est relié à la surface par trois canalisations : une canalisation 9 de refoulement du liquide, une mise à l'air libre 7 et le conduit d'arrivée de l'air comprimé 10. La canalisation 9 de refoulement débouche à la base du corps de pompe 1 de façon que le vidage du liquide soit maximal, alors que l'arrivée d'air comprimé 10 débouche à la partie supérieure, I'air comprimé agissant comme un piston sur le liquide. Le corps de pompe 1 comporte à sa base un orifice d'accès du liquide. Cet orifice est obstrué par un flotteur 3 de diamètre 50 mm environ. Sa flottabilité doit être suffisante pour que la poussée d'Archimède compense le poids de la colonne d'eau située au-dessus. A l'intérieur du corps de pompe 1, en partie basse est disposé un mécanisme d'automatisation maintenu en position par l'intermédiaire de la canalisation de mise à l'air libre 7. Ce mécanisme d'automatisation est constitué d'un réservoir 2 de diamètre environ 45 mm, de longueur 100 mm, comportant une purge 5 en partie basse munie d'un clapet 4. Ce clapet est un petit flotteur sphérique de diamètre 30 mm environ. Ce petit flotteur réalisé en matériau léger est guidé latéralement par un tube ajouré et en partie inférieure par un treillis. Le guidage ainsi réalisé peut être obtenu différemment à l'aide de moyens équivalents. En partie haute du réservoir 2 la canalisation de mise à l'air libre 7 est munie d'un clapet 6 constitué d'un petit flotteur sphérique semblable au précédent. Latéralement en partie basse le réservoir 2 est muni d'une canalisation de trop plein 8 dont le niveau T' est voisin l'embase supérieure du corps de pompe 1. Les différentes figures 2, sont des vues schématiques en coupe de la pompe illustrant les différentes phases du cycle de fonctionnement décrit précédemment. Pour faciliter la compréhension et éviter d'alourdir les dessins, seuls les niveaux significatifs seront mentionnés, pour les organes repérés par des chiffres il suffira de se reporter à la figure 1. La phase I est le début du cycle de remplissage. Le flotteur lesté 3 atteint le niveau C', dégage l'orifice d'accès du liquide. Le niveau du liquide T monte dans le corps de pompe, le clapet 4 atteint le niveau G', L'orifice de purge 5 est obstrué. Le clapet 6 repose au fond du réservoir 2. La phase Il montre le début du débordement du liquide. Le niveau T' du trop plein est atteint. L'eau pénètre dans la canalisation 8 de trop plein et aboutit à la base du réservoir 2. Le niveau monte dans le réservoir, le clapet 6 atteint le niveau H et flotte. La phase III illustre l'amorçage du mécanisme de mise en pression. Le liquide monte dans le réservoir 2 et atteint le niveau H', le clapet 6 obstrue la mise à l'air libre 7. L'air comprimé amené par le conduit d'arrivée 10 agit comme un piston à la surface du liquide. La pression exercée plaque le flotteur lesté 3 contre l'orifice, atteint le niveau C et obstrue l'orifice d'accès du liquide. Le liquide à l'intérieur du corps de pompe 1 commence à remonter dans la canalisation de refoulement 9. Les phases IV et V montrent la montée en pression, le vidage et refoulement du liquide vers la surface. Le niveau T du liquide baisse dans le corps de pompe 1. Le liquide est refoulé dans la canalisation 9. La phase VI illustre le désamorçage du mécanisme. La mise en dépression et le retour au début du cycle. Le liquide continue de baisser dans le corps de pompe 1 jusqu'à atteindre le niveau G. L'orifice de purge 5 est alors ouvert, le niveau du liquide baisse à l'intérieur du réservoir 2. Le clapet 6 libère l'orifice de mise à l'air libre 7. Le liquide est refoulé jusqu'à ce que la pression dans le corps de pompe soit inférieure à la pression externe. Le flotteur lesté 3 revient au niveau C', libère l'orifice d'accès du liquide dans le corps de pompe. Le cycle recommence. Les performances de la pompe selon l'invention seront variables selon les caractéristiques du forage, la capacité de fourniture d'air comprimé. Pour un compresseur mis en oeuvre par l'énergie humaine ou par une éolienne, particulièrement adapté à des hauteurs de remontées moyennes les débits espérés sont de 2 à 7 m3 /h. Pour des compresseurs à débits importants fournissant 10 à 60 m3 I h à des pressions de 10 à 12 bars, le fonctionnement sera pratiquement continu, le débit serait alors de 5 à 30 m3 /h. La limite de remontée en niveau est théoriquement celle de la pression de liquéfaction de l'air. En fait la limitation proviendra de la capacité de mise en pression et de la nature des matériaux utilisés. Avec des compresseurs performants, des matériaux à haute résistance mécanique la hauteur de remontée estimée est de 200 m environ. Ainsi ia pompe selon l'invention fonctionne automatiquement avec une fourniture continue d'air comprimé. Elle ne comporte pas de pièces en mouvement exceptés le flotteur et les clapets. Robuste et fiable de faible encombrement elle est adaptée à des forages de faible diamètre. Peu onéreuse elle est utilisable dans diverses sortes de milieux liquides. Elle répond bien aux objectifs fixés. Bien entendu entrent également dans le cadre de la présente invention, les modifications ou substitutions susceptibles d'être apportées par l'homme de l'art au dispositif décrit et qui, sans en altérer les dispositions originales n'en seraient que de simples équivalents techniques. REVENDICATIONS 1) Pompe volumétrique, hydropneumatique, immergée dans un liquide, utilisant de l'air comprimé introduit en partie haute du corps de pompe (1), agissant comme piston sur le liquide introduit et puisé en partie basse pour le refouler en surface, ladite pompe comportant une mise à l'air libre (7) est caractérisée en ce que - un flotteur lesté (3), de masse spécifique légèrement supérieure à celle du liquide, contrôle l'accès de ce liquide à la base du corps de pompe - un mécanisme d'automatisation constitué d'un réservoir (2), muni d'une purge (5) et de clapets (46), relié à la mise à l'air libre (7) et à une canalisation de trop plein (8), contrôle les variations cycliques des niveaux du liquide et de la pression à l'intérieur du corps de pompe (1), lesquels, flotteur (3) et mécanisme agissant en combinaison permettent d'automatiser le fonctionnement de ladite pompe. 2) Pompe volumétrique, hydropneumatique, selon la revendication 1, caractérisée en ce que le flotteur lesté (3) contrôle l'accès du liquide à la base du corps de pompe (1), ouverture et admission du liquide lorsque la pression interne est inférieure à la pression externe, fermeture et refoulement du liquide lorsque la pression interne est supérieure à la pression externe. 3) Pompe volumétrique, hydropneumatique, selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le réservoir (2) muni d'un clapet (4) en partie basse obture l'orifice de purge (5) pendant le remplissage et pendant le refoulement lorsque le liquide dans le corps de pompe (1) atteint le niveau supérieur (G') de ce clapet (4). 4) Pompe volumétrique, hydropneumatique selon la revendication 3, caractérisée en ce que le réservoir (2), relié en partie basse à la canalisation de trop plein (8), est rempli par le liquide dès que son niveau atteint dans le corps de pompe le niveau supérieur (T') du trop plein, ce qui correspond à la variation de pression interne qui d'inférieure à la pression externe devient supérieure à cette dernière. 5) Pompe volumétrique, hydropneumatique selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le réservoir (2) muni d'un clapet (6) en partie haute obture l'orifice de la canalisation de mise à l'air libre (7) dès que le niveau du liquide dans le réservoir atteint le niveau supérieur (H') de ce clapet ceci jusqu'à ce que l'orifice de purge (5) soit ouvert, c'est-à-dire dès que le niveau de liquide, dans le corps de pompe, atteint lors du refoulement le niveau inférieur (H) dudit clapet (6). 6) Pompe volumétrique, hydropneumatique selon la revendication 3, caractérisée en ce que le clapet (5) en partie basse du réservoir (2) est guidé latéralement par un tube ajouré, et en partie inférieure par un treillis métallique. 7) Pompe volumétrique, hydropneumatique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les clapets (4-6) sont constitués par des sphères en matériaux légers fonctionnant par flottaison à la surface du liquide. 8) Pompe volumétrique, hydropneumatique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de pompe (1) est alimenté en permanence en air comprimé par le conduit d'arrivée (10) quelle que soit la phase de fonctionnement de la pompe de sorte que le corps de la pompe (1) est mis en pression pendant le remplissage et mis en dépression après vidage par refoulement du liquide en surface. 9) Pompe volumétrique, hydropneumatique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la canalisation de refoulement (9) du liquide comporte à l'extérieur de la pompe un clapet antiretour. 10) Pompe volumétrique, hydropneumatique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le mécanisme de contrôle est implanté en partie basse du corps de pompe (1) de façon à obtenir un vidage maximal du corps de pompe et ainsi optimiser son volume utile.