Brevet FR2794209A1 — publié le 20001201

ELECTROVANNE A STRUCTURE MONOLITHIQUE EN MATERIAU FERROMAGNETIQUE La présente invention concerne une nouvelle structure d'électrovanne. Elle concerne plus particulièrement une électrovanne miniature, prévue pour être alimentée sous faible tension, au moyen notamment d'une source d'énergie autonome, du type batterie ou pile. L'invention trouve son application dans tous les domaines o il s'avère utile de bloquer ou de laisser circuler un fluide (liquide ou gaz), et par exemple, mais non exclusivement un fluide sous pression. Les électrovannes miniatures actuellement disponibles sur le marché comportent de manière usuelle un corps d'électrovanne, qui est généralement en plastique, qui est associé à un clapet et dans lequel sont ménagés un conduit d'admission et un conduit d'échappement d'un fluide. Ces deux conduits d'admission et d'échappement débouchent dans une cavité ouverte du corps de l'électrovanne, cavité dans laquelle est ménagé le siège du clapet. Le clapet se présente sous la forme d'un noyau mobile en translation entre deux positions: une position de fermeture de l'électrovanne dans laquelle le noyau vient s'appliquer contre le siège du clapet en sorte d'obturer l'entrée du conduit d'échappement, et empêcher toute circulation d'un fluide entre le conduit d'admission et le conduit d'échappement; une position d'ouverture de l'électrovanne dans laquelle le noyau n'est pas en contact avec le siège du clapet, un fluide pouvant ainsi circuler entre le conduit d'admission et le conduit d'échappement. Pour assurer la fermeture étanche de l'entrée du conduit d'échappement, la face du noyau qui vient en contact avec le siège du clapet est pourvue d'un tampon élastomère. Le déplacement du noyau entre les positions de fermeture et d'ouverture de l'électrovanne est commandé par des moyens électromagnétiques. De préférence, le noyau coopère avec un ressort de rappel qui le ramène dans sa position de fermeture, en l'absence de sollicitation des moyens électromagnétiques, et les moyens électromagnétiques, lorsqu'ils sont sollicités, provoquent le déplacement du noyau à fonction de clapet et son maintien en position d'ouverture 2 2794209 de l'électrovanne. Les moyens électromagnétiques se présentent sous la forme d'une bobine génératrice d'un champ magnétique associée à un circuit magnétique qui permet de canaliser le flux magnétique généré par la bobine. La bobine est réalisée au moyen d'un ou plusieurs fils électriquement conducteurs qui sont enroulés sur une carcasse cylindrique, et qui sont prévus pour être alimentés par un courant électrique. La carcasse cylindrique est creuse en étant ouverte à ses deux extrémités, et est réalisée dans un matériau isolant, tel que par exemple du plastique. L'une des deux extrémités ouvertes de la carcasse est positionnée en vis à vis du siège du clapet de l'électrovanne, I'autre extrémité ouverte étant obturée de manière étanche par un bouchon rapporté. Le noyau à fonction de clapet est logé en partie dans la carcasse cylindrique. Le circuit magnétique de l'électrovanne est généralement constitué de trois pièces distinctes en matériau ferromagnétique, par exemple en fer doux: le bouchon précité, une armature en forme de U, dont la base vient au contact du bouchon et dont les deux branches s'étendent sensiblement parallèlement à l'axe de la bobine, et une bague qui relie les deux branches de l'armature en U, qui est appliquée contre l'extrémité ouverte non obturée de la carcasse de la bobine, et qui est traversée par le noyau à fonction de clapet. Les électrovannes précitées présentent une structure relativement complexe, qui rend leur fabrication coûteuse. Egalement l'étanchéité de ces électrovannes, qui est indispensable pour éviter toute fuite du fluide en circulation dans l'électrovanne, est difficile à réaliser et nécessite la mise en oeuvre de trois joints d'étanchéité: un premier joint monté sur la périphérie du bouchon du circuit magnétique pour réaliser l'étanchéité entre ce bouchon et la carcasse de la bobine; un deuxième joint assurant l'étanchéité entre la carcasse de la bobine et la bague du circuit magnétique; un troisième joint assurant l'étanchéité entre la bague du circuit magnétique et le corps de l'électrovanne. 3 2794209 Dans une électrovanne miniature, le volume disponible pour la bobine est faible, et qui plus est cette bobine est généralement alimentée avec un courant de faible intensité délivrée par exemple par une pile. Il en résulte que le champ magnétique créé par la bobine est faible et autorise un fonctionnement de l'électrovanne avec une course maximale du noyau à fonction de clapet, qui est faible et qui est typiquement inférieure à 0,25mm. Or après un certain nombre de cycles de fonctionnement d'une électrovanne, le tampon élastomère du noyau a tendance à se déformer en se creusant sous l'effet des contacts répétitifs avec le siège du clapet, ce qui a pour effet dans le temps d'augmenter la course du noyau. Il peut arriver que cette course devienne supérieure à la course maximale autorisée pour le noyau, ce qui se traduit dans ce cas par un dysfonctionnement de l'électrovanne. L'invention a pour objet une nouvelle structure d'électrovanne qui présente notamment pour avantages de simplifier la construction et l'obtention de l'étanchéité de l'électrovanne, et qui de surcroît, comparativement aux électrovannes précitées de l'art antérieur, permet d'obtenir pour la commande du déplacement du noyau, un champ magnétique d'intensité plus élevée, et par là même d'augmenter la course maximale autorisée pour le noyau. L'électrovanne de l'invention est connue en ce qu'elle comporte: - un conduit d'admission et un conduit d'échappement d'un fluide, - un noyau mobile à fonction de clapet, qui permet en fonction de sa position de bloquer ou de laisser circuler un fluide entre le conduit d'admission et le conduit d'échappement, - et des moyens électromagnétiques qui permettent de commander le déplacement du noyau. De manière caractéristique selon l'invention, les moyens électromagnétiques comportent: - une structure monolithique qui est en matériau ferromagnétique, et dans laquelle sont ménagés d'une part une cavité servant de logement au noyau à fonction de clapet et d'autre part au moins l'un des deux 4 2794209 conduits d'admission ou d'échappement, lequel conduit débouche dans ladite cavité, - au moins un fil électriquement conducteur qui est enroulé sur la structure monolithique, et qui est destiné à être alimenté par un courant électrique, - et au moins une armature en matériau ferromagnétique qui relie les deux extrémités polaires de la structure monolithique. Dans le cadre de l'invention, l'armature qui permet avec la structure monolithique de former un circuit magnétique fermé peut être fixée à demeure sur la structure monolithique, ou être séparée et prévue dans le système utilisant l'électrovanne, par exemple sous la forme d'un socle au contact du lequel on vient appliquer les extrémités polaires de la structure monolithique lors de la mise en oeuvre de l'électrovanne. Selon l'invention, la structure monolithique fait office à la fois de carcasse de bobine tout en faisant partie du circuit magnétique de l'électrovanne. Etant donné que dans l'électrovanne de l'invention, la carcasse de la bobine est en matériau ferromagnétique, d'une part lors de l'alimentation du fil de la bobine, le champ magnétique créé par le fil bobiné induit, dans la structure monolithique en matériau ferromagnétique, un champ magnétique supplémentaire qui vient s'ajouter au champ magnétique de la bobine. D'autre part on réduit l'entrefer entre le noyau et l'enroulement de la bobine comparativement aux électrovannes de l'art antérieur précédemment décrites. On augmente ainsi l'intensité du champ magnétique global qui est créé, et par là- même la force électromagnétique appliquée au noyau pour son déplacement, contrairement à ce qui est obtenu avec les électrovannes de l'art antérieur qui mettent en oeuvre une carcasse de bobine isolante, qui d'une part ne permet pas l'induction de ce champ magnétique supplémentaire, et qui d'autre part oblige le champ magnétique à traverser une surface à très faible perméabilité magnétique (carcasse isolante de la bobine). L'obtention d'un champ magnétique d'intensité plus élevé permet avantageusement de réaliser une électrovanne dont 2794209 le noyau peut présenter un course maximale plus importante, ce qui permet de fiabiliser le fonctionnement dans le temps de l'électrovanne. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux dessins annexés sur lesquels: - La figure 1 est une représentation en coupe longitudinale d'une première variante de réalisation d'une électrovanne de l'invention, présentant une structure monolithique ferromagnétique formée par I'assemblage étanche de deux pièces, - La figure 2 est une représentation en coupe longitudinale d'une deuxième variante de réalisation d'une électrovanne de l'invention, dans laquelle la structure monolithique ferromagnétique est réalisée en une seule pièce, - La figure 3 représente une variante préférée de réalisation d'un enroulement multifilaire pour constituer la bobine génératrice du champ magnétique, - et la figure 4 représente une variante d'un conduit d'admission muni de moyens de filtration du fluide à l'admission. En référence à la figure 1, dans une première variante de réalisation, l'électrovanne 1 comporte une structure monolytique constituée par l'assemblage de deux pièces 2 et 2', qui sont réalisées en matériau ferromagnétique, par exemple en fer doux. La première pièce 2 comporte une première partie cylindrique 2a qui est évidée en sorte de former une cavité intérieure cylindrique 3. Cette cavité 3 présente une ouverture d'accès 3a qui est réalisée dans la face avant 2b de la partie cylindrique 2a. A l'opposé de cette face avant 2b, la partie cylindrique 2a se prolonge par une portion arrière 2c qui est pleine, et qui de préférence forme un épaulement par rapport à la portion centrale 2a. Dans l'exemple particulier illustré, cette portion arrière 2c est de forme rectangulaire ou carrée. A l'intérieur de la cavité 3 est logé un noyau métallique 4 à fonction de clapet qui prend appui sur le fond 3b de la cavité 3, par 6 2794209 l'intermédiaire d'un ressort de rappel R. Dans l'exemple illustré, la partie arrière 4a du noyau présente un diamètre plus faible et est enfilée sur le ressort R, et la partie avant 4b du noyau forme, par rapport à la partie arrière 4a un épaulement sur lequel vient prendre appui le ressort de rappel R. Sur la face avant 4c du noyau 4 est prévu un tampon élastomère 5 qui est fixé, par exemple en étant collé, dans un renfoncement prévu dans la face avant 4c du noyau 4. La deuxième pièce 2' en matériau ferromagnétique se présente sous la forme d'une pièce pleine de forme parallélépipèdique. Dans une des faces 2'a de cette pièce 2' est ménagée une petite cavité ouverte 6 de forme circulaire, dont le fond 6a forme au niveau du centre de la cavité une partie en saillie 7 destinée à former le siège du clapet. Dans cette pièce 2' sont en outre ménagés deux conduits 8 et 9 de circulation d'un fluide. Dans l'exemple illustré, le conduit 8 est rectiligne, traverse de part en part la pièce 2', et débouche à son extrémité 8a à l'intérieur de la cavité 6 de la pièce 2' et à son extrémité opposée 8b dans la face supérieure 2'b de la pièce 2'. Le conduit 9 est un conduit rectiligne qui traverse également la pièce 2', et qui débouche à une première extrémité 9a au sommet du siège du clapet 7 et à son extrémité opposée 9b dans la face arrière 2'c de la pièce 2'. Préalablement à l'assemblage des deux pièces 2 et 2', le noyau 4 à fonction de clapet et son ressort R sont introduit dans la cavité 3 de la portion cylindrique 2a de la pièce 2. Une fois cette opération réalisée, on réalise l'assemblage des pièces 2 et 2' en fixant l'une contre l'autre, par exemple par collage ou par soudure, la face avant 2b de la portion cylindrique 2a et la face avant 2'a de la pièce 2', en s'assurant que la liaison entre les deux pièces 2 et 2' est parfaitement étanche. La pièce 2' est positionnée par rapport à la pièce 2 de telle sorte que la cavité intérieure 3 et la cavité intérieure 6 se trouvent dans le prolongement l'une de l'autre, et que le sommet du siège 7 du clapet vient au contact du tampon élastomère 5 du noyau 4. Sur la périphérie extérieure de la portion cylindrique 2a est enroulé au moins un fil électriquement conducteur 10 formant une 7 2794209 pluralité de spires de préférence jointives et superposées. Le fil conducteur 10 est par exemple un fil de cuivre émaillé. Ce fil 10 forme avec la portion cylindrique 2a une bobine dont la carcasse constituée par la portion cylindrique 2a est en matériau ferromagnétique. Le fil conducteur 10 est prévu pour être alimenté en courant, par exemple au moyen d'une source de tension autonome, du type pile permettant d'appliquer une faible tension continue au deux extrémités du fil conducteur 10 et de générer un courant dans l'enroulement de la bobine. Avantageusement l'une des deux extrémités du fil sera soudée directement sur la pièce 2, la structure monolithique constituée par les pièces 2 et 2' faisant office de masse. Lorsqu'un courant d'excitation alimente l'enroulement 10, celui-ci génère un champ magnétique, qui induit, dans la portion 2a en matériau ferromagnétique un champ magnétique supplémentaire venant s'ajouter au champ créé par l'enroulement de la bobine. La structure monolithique se trouve ainsi polarisée, la partie arrière 2c formant une première extrémité polaire tandis que la pièce 2' forme une extrémité polaire opposée. Pour assurer la fermeture du circuit magnétique formé par la structure monolithique, on prévoit une armature A ferromagnétique, en forme de plaque dans l'exemplaire illustré, qui réunit les deux extrémités polaires de la structure monolithique, c'est-à-dire dans l'exemple de la figure 1 la pièce 2' à la partie arrière 2c de la pièce 2. Cette armature A peut être fixée de manière définitive sur la structure monolithique de l'électrovanne. Dans une autre variante, cette armature peut ne pas être fixée à demeure sur la structure monolithique, mais peut être intégrée au système utilisant l'électrovanne, en formant par exemple un socle sur lequel on vient adapter la structure monolithique de la figure 1. Le fonctionnement de l'électrovanne 1 est le suivant. En l'absence de courant d'excitation dans l'enroulement du fil conducteur 10, le noyau 4 a fonction de clapet est dans la position illustrée à la figure 1, dite position de fermeture de l'électrovanne. Dans cette position, la tête 4b du noyau 4 est maintenue appliquée, par la force de rappel du ressort R, contre le siège 7 du clapet, le tampon 5 élastomère venant obturer de 8 2794209 manière étanche l'orifice 9a du conduit 9. Dans cette position, aucun fluide (liquide ou gaz) ne peut circuler à l'intérieur de l'électrovanne entre les deux conduits 8 et 9. Il convient de noter que les conduits 8 et 9 peuvent indifféremment faire office de conduit d'admission ou d'échappement du fluide. Lorsque l'enroulement 10 de la bobine est alimenté par un courant d'excitation, le champ magnétique créé par la bobine et celui induit dans la carcasse de la bobine en matériau ferromagnétique (portion cylindrique 2a) polarisent la structure monolithique et provoque le coulissement du noyau 4 vers l'arrière, c'est-à-dire en direction de la partie arrière 2c, et à l'inverse de la force de rappel du ressort R qui ce fait est plus fortement comprimé. Lors de ce mouvement de recul du noyau 4, le tampon élastomère 5 quitte le siège 7 du clapet et libère l'ouverture 9a du conduit 9, laissant libre le passage d'un fluide entre le conduit 8 et le conduit 9 via les cavités 3 et 6. Tant que le courant d'excitation est maintenu, l'électrovanne reste en position ouverte. On comprend à la lumière de la description précitée de la figure 1 que comparativement aux électrovannes de l'art antérieur décrites en première partie, I'étanchéité de l'électrovanne de l'invention est plus facile à réaliser puisqu'il suffit dans la variante de la figure 1 de s'assurer uniquement de l'étanchéité de la liaison entre les deux pièces 2 et 2', cette étanchéité de surcroît ne nécessitant pas la mise en oeuvre d'un joint torique d'étanchéité, mais pouvant être obtenu directement par le joint de colle ou de soudure entre les deux pièces. Dans l'électrovanne de l'invention, la carcasse de la bobine de l'électrovanne étant en matière ferromagnétique, et donc thermiquement conductrice, elle permet en outre avantageusement d'évacuer rapidement la chaleur dégagée par le passage du courant dans l'enroulement de la bobine, et par là même d'assurer un meilleur refroidissement de la bobine. On a représenté également sur la figure 1 par la distance d, la course du noyau 4 qui correspond à la distance qui sépare la partie arrière 4a du noyau 4 du fond 3b de la cavité 3. En cours de' fonctionnement de l'électrovanne, cette course d a tendance à augmenter, le tampon élastomère 5 ayant tendance à se creuser au contact du siège de clapet 7. Grâce à la mise en oeuvre dans l'électrovanne d'une carcasse de bobine (portion cylindrique 2a sur la figure 1) qui est en matériau ferromagnétique, on est en mesure de créer un champ magnétique (résultant de la somme du chemin magnétique créé par la bobine et du champ magnétique induit dans la carcasse) qui est supérieur à celui qui serait crée au moyen d'une bobine dont la carcasse est isolante. On est donc capable de générer un champ magnétique intense et par là même de tolérer une plus grande variation dans le temps de la course du noyau 4 liée à l'usure du tampon 5, sans préjudice pour le fonctionnement de l'électrovanne. En référence à la figure 3, l'enroulement de la bobine est dans une variante formée de trois fils conducteurs 10, 10' et 10", dont la structure externe est recouverte d'un matériau isolant 14 et qui sont prévus pour être alimentés en parallèle. Ces trois fils 10, 10' et 10" sont avantageusement torsadés pour une question d'encombrement. Ainsi pour un nombre de spires (n) donné, la résistance de l'enroulement est divisée par trois par rapport à un enroulement comportant le même nombre de spires mais composé d'un seul fil. Il s'en suit que ce type d'enroulement composé de plusieurs fils en parallèle (au moins deux) permet de créer un champ magnétique plus intense. Une deuxième variante de réalisation d'une électrovanne 1' de l'invention va à présent être décrite en référence à la figure 2. Les éléments de cette deuxième variante de réalisation qui sont communs avec la première variante de la figure 1 sont référencés à l'identique et ne seront donc pas décrits. La variante de la figure 2 se différencie de celle de la figure 1 essentiellement par la mise en oeuvre d'une structure monolithique ferromagnétique qui est réalisée en une seule pièce 2 ". Cette pièce 2" comporte deux parties 2 "a et 2 "b. La partie 2 "a est similaire sur le plan structurelle à la première pièce 2 de la variante de la figure 1, à la 2794209 seule différence près que le conduit 8 d'admission ou d'échappement d'un fluide est ménagé dans la portion arrière 2c. et débouche dans la cavité 3 au niveau du fond 3b de cette cavité. La partie 2 "b a sensiblement la même forme extérieure que la pièce 2" et comporte un évidemment cylindrique 11 qui est situé dans le prolongement et présente un diamètre légèrement supérieur à celui de la cavité 3 de la portion 2 "a. Cet évidemment présente à l'opposé de la cavité 3 une ouverture d'accès 11 a permettant l'introduction du noyau 4 et de son ressort R à l'intérieur de la structure monolithique et sa mise en place jusque dans la cavité 3. Dans cet évidemment 11 est serti un insert rapporté 12 de forme cylindrique qui est par exemple en matériau plastique. De préférence la face avant 12a de cet insert rapporté vient en appui contre un épaulement intermédiaire entre la cavité 3 et l'évidement 11, par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité torique 13. La face avant 12a de cet insert comporte une partie centrale en saillie 7 formant le siège du clapet. Le conduit 9 d'admission ou d'échappement est ménagé en partie centrale de cet insert 12. Plus particulièrement, dans l'exemple de la figure 2, le conduit 9 se termine par une chambre 13a sensiblement hémisphérique, qui communique avec le conduit 9, et qui à l'opposé est fermée par une surface perforée 13b. Lorsque le conduit 9 est utilisé comme conduit d'échappement d'un liquide, la chambre 13a et la surface perforée 13b forment une buse permettant la pulvérisation du liquide sous la forme d'une multitude de jets. A l'inverse lorsque le conduit 9 est utilisé comme conduit d'admission, la paroi perforée 13a permet de filtrer le fluide à l'admission. En référence à la figure 4, dans une variante de réalisation de l'électrovanne, le conduit 8, qui dans cette variante fait office de conduit d'admission, se termine au niveau de son extrémité 8b par une cavité ouverte 14, à l'intérieur de laquelle est monté un élément filtrant 15, tel que par exemple une toile métallique. La position et la forme des conduits d'admission et d'échappement 8, 9 n'est pas limitative de l'invention. En particulier la 1 1 position des conduits 8 et 9 sera choisie en fonction de l'application visée. Plus particulièrement, dans une autre variante de réalisation il est envisageable de modifier la variante de la figure 2, en utilisant le conduit 9 comme conduit intermédiaire, ce conduit 9 ayant par exemple une forme coudée vers le haut et en faisant communiquer ce conduit 9 avec un conduit supplémentaire (conduit d'admission ou d'échappement) ménagé à travers la pièce 2"b. L'invention trouve son application dans tous les domaines o il s'avère utile de réguler la circulation d'un fluide. Elle trouve plus particulièrement mais non exclusivement son application à la réalisation d'aérosols sous pression incorporant une électrovanne de l'invention pour réaliser le mécanisme de pulvérisation. Elle peut également être avantageusement utilisée dans la fabrication d'un collier anti-aboiement tel que celui décrit dans la demande de brevet européen EP-A-0 154 594. 12 2794209 REVENDICATIONS 1. Electrovanne (1/1') comportant: - un conduit d'admission (8 ou 9) et un conduit d'échappement (9 ou 8) d'un fluide, - un noyau mobile (4) à fonction de clapet, qui permet en fonction de sa position de bloquer ou de laisser circuler un fluide entre le conduit d'admission et le conduit d'échappement, - et des moyens électromagnétiques qui permettent de commander le déplacement du noyau, caractérisée en ce que les moyens électromagnétiques comportent: - une structure monolithique qui est en matériau ferromagnétique, et dans laquelle sont ménagés d'une part une cavité (3,6 / 3,1 1) servant de logement au noyau (4') à fonction de clapet et d'autre part au moins l'un (8 ou 9) des deux conduits d'admission ou d'échappement, lequel conduit débouche dans ladite cavité, - au moins un fil (10) électriquement conducteur qui est enroulé sur la structure monolithique, et qui est destiné à être alimenté par un courant électrique, - et au moins une armature (A) en matériau ferromagnétique qui relie les deux extrémités polaires (2c, 2'b /2c, 2"b) de la structure monolithique. 2. Electrovanne (1') selon la revendication 1 caractérisée en ce que la structure monolithique est constituée d'une seule pièce (2"), et en ce que l'électrovanne comporte un insert (12) rapporté qui forme un siège (7) de clapet, qui est fixé de manière étanche à l'intérieur de la cavité (3, 1 1) de la structure monolithique et qui est traversé par un conduit de circulation (9) du fluide constituant le conduit d'échappement ou d'admission. 3. Electrovanne (1') selon la revendication 1 caractérisée en ce que la structure monolithique est constituée d'une seule pièce (2"), en ce que les deux conduits d'admission et d'échappement sont ménagés dans la pièce formant la structure monolithique, et en ce que l'électrovanne 13 2794209 comporte un insert rapporté (12) qui forme un siège (7) de clapet, qui est fixé de manière étanche à l'intérieur de la cavité (3, 11) de la structure monolithique et qui est traversé par un conduit de circulation du fluide permettant de faire communiquer le conduit d'admission avec le conduit d'échappement. 4. Electrovanne (1') selon la revendication 1 caractérisée en ce que la structure monolithique est réalisée au moyen d'une première pièce (2) en matériau ferromagnétique qui comporte une cavité ouverte (3) dans laquelle peut être introduit le noyau (4), et d'une deuxième pièce (2') en matériau ferromagnétique, qui comprend un siège (7) de clapet, et dans laquelle est ménagée au moins l'un des conduits d'admission ou d'échappement (9), et en ce que les deux pièces (2, 2') sont fixées de manière définitive et étanche l'une avec l'autre, après mise en place du noyau (4) dans la cavité (3) de la première pièce. 5. Electrovanne (1, 1') selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux fils (10, 10') électriquement conducteurs qui sont enroulés sur la structure monolithique et qui sont prévus pour être alimentés en parallèle. 6. Electrovanne (1, 1') selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'une des deux extrémités de chaque fil est soudée directement sur la surface de structure monolithique. 7. Electrovanne (1, 1') selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le conduit d'admission est pourvu de moyens (14, 15) permettant de filtrer le fluide à l'admission.