Brevet FR2814792A1 — publié le 20020405

La présente invention a pour but de décrire le fonctionnement et la réalisation d'une vanne bidirectionnelle utilisée notamment dans le brassage de l'eau de mer en aquariophilie marine. La réussite de l'équilibre d'un biotope aquatique nécessite la maîtrise d'un grand nombre de paramètres. Parmi ces paramètres, le brassage de l'eau est l'un des plus important, et paradoxalement, il n'y a pas très longtemps qu'il est devenu la clé de la réussite de l'aquariophile marine en particulier. Le brassage nécessaire en eau douce, devient capital en eau de mer, et notamment dans les aquariums récif aux. Dans ces derniers, il est normal d'utiliser avec succès des installations de pompage capables de brasser, en 1 heure, jusqu'à 20 fois le volume du bac. Généralement, deux circuits hydrauliques sont nécessaires, l'un assure la filtration et le traitement de l'eau, l'autre réalise le brassage. Dans la réalité, une pompe de brassage est toujours insuffisante et l'on doit faire appel à deux, voir trois ou quatre, pompes si le bac est de grande taille, pour être certain de ne pas créer des courants préférentiels et des zones mortes dans l'aquarium. Ces zones mortes voient s'accumuler des débris organiques qui rapidement deviennent des sources de pollution en nitrates et en phosphates détruisant l'équilibre du bac. Les différentes pompes de brassage sont mises en services de façon alternée par l'intermédiaire de programmateurs, et certaines peuvent être munies de buses orientables pour distribuer les courants d'eau au mieux des décors. De telles installations sont coûteuses, bruyantes et disgracieuses, car ces pompes sont immergées près de la surface pour être facilement orientées, entretenues et nettoyées. De plus circonstance aggravante, elles réchauffent l'eau du bac obligeant l'utilisation d'un groupe froid pour maintenir l'été une température convenable, autre paramètre également critique. L'aspect financier n'est pas négligeable dans ce type d'installation relativement coûteuse, et l'utilisation de plusieurs pompes performantes en brassage, pèse sur le coût total du système ainsi que sur son entretien. La présente invention a pour but la suppression des pompes internes tout en assurant un excellent brassage sans bruit ni échauffement. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation du système proposé et des parties de celui-ci. Le système se compose d'une vanne à plusieurs sorties qui, prenant l'eau à la sortie d'une pompe extérieure, permet de la distribuer dans différentes directions. La vanne est prévue pour fonctionner aussi bien à l'extérieure du bac, que dans la galerie ou immergée dans le bac lui-même. Sa petite taille permet de la dissimuler facilement et son échauffement est nul. La figure 1 montre une coupe longitudinale du corps principal de cette vanne, et de ses constituants. La figure 2 montre une coupe longitudinale et latérale de l'obturateur de la vanne. La figure 3 est une coupe du corps de vanne montrant le cheminement de l'eau et sa répartition autour de l'obturateur. La figure 4 montre de façon non limitative le bloc diagramme d'un système de commandes aléatoires. Sur la figure 1, et sous sa forme la plus simple, elle se compose d'un corps rectangulaire A en plastique, qui reçoit l'eau par une extrémité B, et permet son acheminement vers deux sorties en Y, C et D. Dans un exemple non limitatif, un débit de 4000 litres par heure peut utiliser sans problème des orifices de circulation de 20 millimètres. Ces deux sorties débouchent dans une cavité de forme triangulaire inversée F surmontée d'une forme rectangulaire E. Le sommet du triangle inversé possède une cavité cylindrique G qui servira d'axe à un obturateur central possédant un axe de rotation N. L'angle engendré par les deux sorties est prévu pour qu'une sortie étant obstruée par l'obturateur, l'autre reçoive l'eau avec une perte de charge aussi proche que possible de celle d'un tube droit de section identique. De part et d'autre de la partie rectangulaire, deux cavités K et L vont permettre de recevoir un actuateur qui sera décrit plus loin. Au centre du corps de vanne, et axé dans la cavité cylindrique G, un obturateur mobile H va permettre de sélectionner l'un ou l'autre des deux orifices de sortie. Pour cela les pentes 1 et J des faces inférieures de l'obturateur H doivent être identiques à celles du triangle inversé du corps de vanne. L'étanchéité produite par le placage de l'obturateur étant importante, il est nécessaire de réaliser de légères striures sur les sièges de sortie, afin d'éviter un arrêt complet de la circulation. Un arrêt complet est à proscrire dans une application eau de mer, pour éviter les encrassements rapides de la tuyauterie. La figure 2 représente une coupe de l'obturateur mobile dont la base cylindrique N vient s'encastrer dans le logement G du corps principal. Cet encastrement génère un axe de rotation qui permet aux deux faces de l'obturateur de venir alternativement obstruer les deux sorties C et D. Au sommet de l'obturateur un aimant terre rare M est encastré de façon définitive. Le choix d'un aimant terre rare est important pour obtenir une grande densité de champs magnétique pour un poids réduit. Par ailleurs, l'aimant étant sollicité par l'actuateur en inversion de pôle, seule les terres rares supportent ce type de fonctionnement sans altération des propriétés magnétiques. Les pentes de l'ogive du sommet de l'obturateur sont parfaitement symétriques, et suivant l'invention, jouent un rôle important dans le fonctionnement du système. L'inversion de l'obturateur fait appel à deux électroaimants disposés dans les cavités K et L, tandis que la partie haute de la palette H abrite l'aimant terre rare M montré sur la figure 2, et dont les surfaces sont en regard des noyaux magnétiques des bobines. Cet aimant n'a pour but que de polariser l'obturateur H pour permettre aux deux électroaimants K et L de travailler en opposition sur l'aimant M, l'un tirant, l'autre poussant. Cette disposition devrait, en théorie, être suffisante pour faire fonctionner l'ensemble, mais la réalité est différente. Lorsqu'on se propose de faire passer un débit dans une canalisation, il y a création d'une perte de charge et donc d'une pression qui, dans notre cas, va s'exercer sur l'une des faces de l'obturateur en s'opposant à son basculement. Cette force conduirait à utiliser des bobines puissantes, lourdes coûteuses et surtout consommatrices d'énergie avec risque d'échauffement. Pour éviter cet inconvénient majeur, et dans le cadre de l'invention, on a imaginé de profiler de façon symétrique l'extrémité de l'obturateur qui reçoit le courant d'eau envoyé par la pompe. n est alors soumis à deux forces, l'une due à la perte de charge qui tend à le plaquer contre la paroi, l'autre qui, par réaction sur son autre face, tend à l'éloigner de la paroi. Selon l'invention, la résultante de ces deux forces doit être aussi faible que possible. La figure 3 montre la répartition des courants d'eau CE sur l'obturateur. On réalise ainsi un système métastable qui permet à l'obturateur d'osciller en permanence au hasard de la modulation des courants de sortie de la pompe. Pour stabiliser le système il suffit de présenter une masse magnétique devant la palette H. Le noyau des bobines K et L joue parfaitement ce rôle et bloque la vanne dans une position stable. Le basculement est alors réalisé par simple annulation du champ de l'aimant à l'aide d'une très petite impulsion électrique dans les bobines. En fait la vanne n'est jamais alimentée, sauf pendant les quelques millièmes de seconde de la commande, et la consommation énergétique de son basculement est fournie en hydraulique par la pompe de circulation. Les deux bobines peuvent être excitées séparément, en parallèle ou en série, par des impulsions avec respect des polarités par rapport à l'aimant de l'obturateur. Ce dernier peut basculer par excitation d'une seule bobine ou en push-pull par excitation des deux. L'énergie de la commande est très faible au point que la vanne peut être alimenter par pile permettant de supprimer l'alimentation secteur toujours dangereuse dans des bacs d'eau de mer. A la mise en service on constate toujours une dissymétrie dans les énergies de commande des deux bobines. Cette dissymétrie provient essentiellement du régime d'écoulement de l'eau, toujours très turbulent à la sortie d'une pompe. Si l'on souhaite obtenir une consommation énergétique identique sur les deux bobines, il est préférable d'attaquer la vanne en flux laminaire. Cette condition assure en même temps la consommation énergétique la plus basse. L'équilibre d'un biotope marin est d'autant meilleurs que la reproduction de conditions naturelles est possible. Il est clair que malgré beaucoup d'efforts et d'imagination, il est difficile dans un bac de quelques centaines de litres, de reproduire la nature, mais certains paramètres peuvent avoir une grande importance. La grande variété des rythmes de la nature est une des difficultés que l'aquariophile devrait prendre en compte. Hors pour des raisons évidentes la plupart des opérations de maintenance et de gestion d'un aquarium sont programmées, c'est à dire se produisent à heures fixes ou à intervalles de temps fixes. La nature ne procède pas ainsi, et le mouvement des vagues et du ressac sur une barrière de corail est tout sauf régulier. A la base, il ne faut pas oublier que cette agitation permanente est le moteur de l'alimentation et du métabolisme des organismes aquatiques. L'étude de ces rythmes montre qu'ils ne sont pas le fruit d'un hasard, mais qu'ils obéissent à des périodicités qui dépendent généralement des sites considérés. Un ressac qui jouera un rôle important dans l'équilibre d'un écosystème récifal, aura une périodicité, déterminée par le fond marin par exemple. La facilité avec laquelle on peut inverser cette vanne autorise une commande totalement aléatoire sans aucun risque de détérioration même si deux commandes se suivent à moins d'une seconde. Cette condition ne peut pas être réalisée avec un moteur électrique pour lequel l'essentielle de l'usure provient du démarrage. Toujours dans le cadre de l'invention, nous avons réalisé un générateur de hasard périodique, basé sur le glissement de fréquences de trois oscillateurs indépendants. Le hasard provient de la probabilité pour qu'au cours des glissements de fréquences trois informations se superposent, mais la périodicité est fatale puisque chaque oscillateur est stable. La figure 4 montre un système très simple qui se compose de trois oscillateurs X, Y, et Z, dont Z est rendu variable par un potentiomètre permettant de modifier la gamme de fréquences aléatoires. Ces trois oscillateurs mis en forme se mélangent dans des portes logiques Wl, W2. Les signaux sortant, entrent dans un diviseur de fréquence W3, puis sont à nouveau mis en forme en temps et en amplitude en W4 pour venir attaquer les blocs de commande des bobines W6 et W7 par l'intermédiaire d'une bascule D, W5qui inverse et sélectionne les polarités. A noter qu'il est souhaitable en WS d'interdire la possibilité de deux commandes simultanée qui sans être nuisible pour la vanne modifieraient sont cycle. La simple variation du potentiomètre de l'oscillateur Z modifie la fréquence du hasard des commandes permettrant, par exemple, de différencier des périodes particulières de la journée ou de la nuit. Par cette méthode, et dans le cadre de l'invention, il est possible de reproduire avec fidélité le comportement pseudo aléatoire de courants marins sans aucune altération du fonctionnement de la vanne, et ceci même si pour simuler une tempête on impose un rythme de commande de l'ordre de la seconde. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les divers éléments constitutifs de la vanne qui viennent d'être décrit, à titre d'exemple, pourront être remplacés par des éléments équivalents remplissant les même fonctions. REVENDICATIONS 1) Vanne bidirectionnelle, fonctionnant par le déplacement angulaire d'un obturateur mobile H, caractérisée par le fait que la position de cet obturateur est rendue instable par sa taille en biseau dans la veine liquide. 2) Vanne suivant la revendications 1 caractérisée par le fait que cet obturateur H, est polarisé par la mise en place d'un aimant M, et rendu stable par la présence des noyaux perméables de deux bobines K et L, extérieures au corps de vanne. 3) Vanne, suivant les revendications 1 et 2, caractérisée par une commande à l'aide des bobines K et L disposées autour des noyaux perméables, et venant annuler le champ magnétique de l'aimant M, provoquant ainsi le basculement de l'obturateur H. 4) Vanne, suivant la revendication 3, caractérisée par le fait que la commande électrique est très faible, l'énergie hydraulique étant le moteur du basculement. 5) Vanne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'obturateur basculant, possède un profil supérieur en forme de parabole symétrique, orientant les filets d'eau de façon à égaliser les pressions hydrauliques de part et d'autre de l'obturateur. 6) Vanne suivant la revendication 3 caractérisée par le fait que la position stable est obtenue en l'absence d'une énergie extérieure, permettant de rester positionnée sans aucun échauffement. 7) Vanne suivant l'ensemble des revendications précédentes, caractérisée par un fonctionnement très rapide de l'obturateur H, autorisant une grande vitesse de fonctionnement sans aucune usure mécanique, et permettant d'être commandé par un générateur de hasard. 8) Vanne suivant l'ensemble des revendications précédentes, caractérisée par un fonctionnement silencieux.