Brevet FR2827356A1 — publié le 20030117

Vanne de commande à disques pour circuit de circulation de fluide L'invention se rapporte à une vanne de commande pour un circuit de circulation de fluide, ainsi qu'aux circuits équipés d'une telle vanne. Elle s'applique notamment à la réalisation d'un circuit de refroidissement pour moteur thermique de véhicule automobile. Un tel circuit de refroidissement est parcouru par un fluide de refroidissement, habituellement de l'eau additionnée d'un antigel, qui circule en circuit fermé sous l'action d'une pompe de circulation. Généralement, un tel circuit de refroidissement comprend plusieurs branches, dont une branche qui contient un radiateur de refroidissement, une branche qui constitue une dérivation du radiateur de refroidissement et une branche qui contient un radiateur, appelé"aérotherme", servant au chauffage de l'habitacle. Il est connu d'utiliser une vanne thermostatique qui comprend une entrée de fluide reliée à la sortie du moteur et deux sorties de fluide qui correspondent respectivement à la branche contenant le radiateur de refroidissement et à la branche formant dérivation. Lors du démarrage à froid du moteur, et tant que la température du fluide de refroidissement n'atteint pas un certain seuil, la vanne fait circuler le fluide de refroidissement dans une branche de dérivation en court-circuitant le radiateur de refroidissement. Dès que la température du fluide de refroidissement atteint et dépasse le seuil précité, le fluide de refroidissement traverse le radiateur de refroidissement et contourne la branche de dérivation. généralement, le nuide ct. e retroidissement circule en permanence dans la branche qui contient le radiateur de chauffage, le chauffage de l'habitacle étant alors obtenu par mixage d'un flux d'air froid et d'un flux d'air chaud qui a balayé le radiateur de chauffage. Il est connu aussi de prévoir une vanne séparée sur le radiateur de chauffage pour régler le débit de fluide de refroidissement qui le traverse. Les vannes généralement utilisées pour cette application sont du type à boisseau. Mais, outre le fait que leur encombrement est important, elles ne permettent pas de garantir une fiabilité acceptable durant toute la vie du véhicule. L'invention vise à procurer une vanne de commande d'encombrement réduit et d'excellente robustesse, destinée à un circuit de circulation de fluide qui, dans une forme de réalisation préférée de l'invention, constitue un circuit de refroidissement d'un moteur thermique de véhicule automobile. Dans cette application particulière, elle vise à procurer une vanne qui permet de gérer indépendamment le débit de fluide de refroidissement dans les différentes branches du circuit de refroidissement du moteur, afin d'optimiser la température du moteur thermique et le chauffage de l'habitacle. A cet effet, l'invention a pour objet, une vanne de commande pour un circuit de circulation de fluide, comprenant un boîtier comportant une paroi de fond munie d'au moins une entrée de fluide, le boîtier étant fermé par un couvercle muni de tubulures de sortie de fluide. Selon une définition générale de l'invention, cette vanne de commande comprend à l'intérieur du boîtier : - un disque fixe distributeur comportant des lumières de passage de fluide en liaison étanche, sur une première face du disque fixe, avec des tubulures de sortie de fluide du couvercle, et - un disque mobile obturateur, propre à obturer les lumières du disque fixe et disposé entre le disque fixe distributeur et la paroi de fond du boîtier, pour permettre un contrôle des sorties de fluide dans les tubulures du couvercle en fonction de la position angulaire du disque mobile obturateur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le disque mobile comporte en son centre, sur la face en regard de la paroi de fond du boîtier, un trou borgne en forme de papillon permettant pour des positions angulaires déterminées du disque mobile l'écoulement du fluide d'entrée dans une ouverture de sortie pratiquée dans la paroi de fond du boîtier, ce qui permet de réduire notablement l'encombrement de la vanne par l'intégration d'un circuit de dérivation dans la partie centrale du corps de la vanne. Il est ainsi possible de gérer le débit de fluide au travers des différentes sorties de la vanne, et cela en fonction de la position angulaire donnée au disque mobile de la vanne. De cette manière, la distribution du fluide peut être commandée selon une loi prédéfinie. Selon une autre caractéristique de l'invention, le disque mobile est entraîné par un moteur extérieur au boîtier. Avantageusement, le disque mobile est couplé à une extrémité de l'arbre de transmission du moteur par l'intermédiaire d'un disque d'entraînement placé à l'intérieur d'un trou situé au centre du disque fixe. Il est avantageux que le disque d'entraînement comporte des ergots engagés dans des logements du disque mobile obturateur. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la paroi de fond comporte des entrées de fluide séparées, situées à l'aplomb des ouvertures d'extrémité des tubulures en liaison étanche avec le disque fixe distributeur. Le trou borgne en forme de papillon est de préférence entouré par un joint comprimé entre le disque mobile obturateur et la paroi de fond afin de séparer les entrées de fluide de la paroi de fond situées à l'aplomb des ouvertures d'extrémité des tubulures en contact avec le disque fixe distributeur de celles permettant l'introduction d'un fluide d'entrée dans le trou borgne en forme de papillon. De préférence encore, l'étanchéité entre le disque mobile et le disque fixe est obtenue par le contact de leurs surfaces entre elles. Ces surfaces de contact sont avantageusement réalisées dans un matériau réputé indéformable, à faible coefficient de frottement, comme la céramique. La pression de contact des surfaces des disques mobile et fixe est assurée de préférence par un joint logé dans une rainure du couvercle servant également au cloisonnement des ouvertures du disque fixe. La vanne de l'invention peut ainsi équiper un circuit de circulation de fluide, et en particulier un circuit de refroidissement d'un moteur de véhicule automobile, pour gérer indépendamment les débits de fluide de refroidissement dans les différentes conduites du circuit. Suivant une application préférentielle de l'invention, le circuit est réalisé sous la forme d'un circuit de refroidissement d'un moteur thermique de véhicule automobile qui est parcouru par un fluide de refroidissement sous l'action d'une pompe de circulation. Dans cette application, la vanne de commande est une vanne à trois voies, dont l'entrée de fluide est reliée à une arrivée de fluide de refroidissement en provenance du moteur, et dont les trois sorties sont reliées respectivement à des entrées de fluide d'un radiateur de refroidissement du moteur et d'un aérotherme pour le chauffage de l'habitacle ainsi qu'à une conduite de dérivation du radiateur de refroidissement facilitant le démarrage à froid du moteur. Dans la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une vanne de commande selon l'invention ; - les figures 2a à 2e sont des vues de face et de profil, de dessus et de dessous de la vanne de commande de la figure 1 , - les figures 3 et 4 sont des vues éclatées en perspective respectivement par le de dessus et par le dessous de la vanne de commande de la figure 1 ; - les figures 5 à 8 sont des vues en coupe prises respectivement suivant les lignes AA, BB, CC, DD des figures 2a à 2b ; - les figures 9a à 9v montrent différentes positions occupées par le disque rotatif des figures 3 et 4 ; et - la figure 10 montre un circuit de refroidissement d'un moteur thermique de véhicule automobile équipé d'une vanne de commande ou régulation selon l'invention. Selon les figures 1 à 8 où les éléments homologues portent les mêmes références, la vanne de commande représentée comprend un boîtier cylindrique 1 d'axe de révolution XX', limité par une paroi de fond 2 et une paroi cylindrique latérale 3. Le boîtier cylindrique 1 est fermé par un couvercle 4 supportant des tubulures 5 et 6 de sortie de fluide orientées suivant des directions parallèles et de sens opposés et débouchant dans le fond du couvercle par des orifices 5a et 6a placés à sa périphérie. Comme représenté sur la vue en coupe de la figure 5, l'orifice 5a a la forme d'un secteur d'arc de cercle de rayon Ri dont le centre est situé au milieu du couvercle 4 et qui est tronqué à son sommet par un secteur circulaire de rayon R2 plus petit que le rayon Ri de même angle au sommet. L'orifice 6a est situé à proximité de l'orifice 5a et a la forme d'un cercle dont le diamètre est sensiblement égal à la différence des rayons RI et R2 des deux secteurs circulaires précités et dont le centre est situé à la distance R2 + (RI - R2)/2 du centre du couvercle. Des oreilles 7a et 7b permettent de fixer le boîtier 1 et le couvercle 4 sur un dispositif d'amenée de fluide, non représenté. La paroi de fond 2 comporte des ouvertures 8,9 d'entrée de fluide ayant des formes et dimensions respectivement identiques à celles des orifices 5a et 6a. Les ouvertures 8 et 9 sont d'autre part disposées autour de deux ouvertures 10 et 11 d'entrée/sortie de fluide disposées près du centre de la paroi de fond 2 et respectivement à l'aplomb des ouvertures 5a et 6a. Sur la paroi de fond 2 repose un disque mobile 12 sensiblement de même diamètre, traversé par une lumière 13 de passage de fluide, de forme similaire mais de dimension plus longue et orientée de façon à pouvoir venir par rotation autour de l'axe XX'au dessus des ouvertures 8 et 9 et embrasser dans cette configuration tout le fluide sortant des ouvertures 8 et 9 et l'occulter partiellement ou totalement pour des angles de positionnement autour de l'axe XX'qui sont différents. La face en contact avec la paroi de fond 2 comporte en son centre un trou borgne 14, par exemple en forme de papillon, qui permet en fonction de la position angulaire du disque mobile 12, lorsqu'il recouvre totalement ou partiellement les ouvertures 10 et 11, une circulation de fluide au travers de celles-ci. Le disque mobile 12 est entraîné en rotation autour de l'axe XX'par un disque d'entraînement 15 comportant des ergots 16 engagés dans des logements borgnes 17 pratiqués dans le disque mobile 12 sur la face opposée à celle qui repose sur la paroi de fond 2. Le disque d'entraînement 15 comporte en son centre un trou carré 18 permettant d'engager l'extrémité d'un arbre d'un moteur d'entraînement, non représenté. Au dessus du disque mobile 12 repose un disque fixe 19 retenu en rotation sur la paroi du boîtier par des ergots (non représentés) et traversé en son centre par un trou circulaire 20 dans lequel tourne librement le disque d'entraînement 15. Des lumières 21 et 22 de passage de fluide ayant respectivement des formes et des dimensions sensiblement identiques à celles des ouvertures 8 et 9 d'entrée de fluide de la paroi de fond 2, sont pratiquées autour du trou circulaire 20 au travers de l'épaisseur du disque fixe 19. Les lumières 21 et 22 sont situées respectivement à l'aplomb des ouvertures 8 et 9 ainsi que des orifices 5a et 6a avec lesquels elles peuvent communiquer par l'intermédiaire de la lumière 13 du disque mobile 12. Le liquide entre dans le boîtier 1 par l'ouverture 8 en regard de la lumière 21 du disque fixe 19 et de l'orifice 5a de la tubulure 5. Il entre également dans le boîtier 1 d'une part, par l'ouverture circulaire 9 en regard de l'ouverture 22 du disque fixe 19 et de l'orifice 6a de la tubulure 6 et d'autre part, par l'ouverture 10 du circuit de dérivation formé par le trou borgne 14. Le liquide qui entre dans le corps de vanne ne peut s'échapper dans les tubulures 5 et 6 et/ou s'écouler simultanément dans les ouvertures 10 et 11 que lorsque le disque mobile 3 occupe une position autour de l'axe XX', telle que la lumière 13 et/ou le trou borgne 14 mettent en communication les orifices d'entrée 5a et 6a et/ou les ouvertures 10 et 11. Sur les figures 9a à 9v, qui représentent de 150 en 150 différentes positions prises par le disque mobile 12 en rotation dans le sens horaire, seules les configurations des figures 9a, 9b, 9c, 9d et 9v permettent au liquide d'entrée de s'échapper à la fois dans les tubulures de sortie 5 et 6 et au travers des ouvertures 10 et 11. Sur les figures 9e et 9f, le liquide d'entrée ne peut s'échapper que par la tubulure 6 et au travers des ouvertures 10 et 11. Sur les figures 9g et 9h, seule la tubulure 6 est alimentée par le fluide d'entrée. Sur les figures 9i à 9m, seules les ouvertures 10 et 11 sont alimentées par le fluide d'entrée. Sur les figures 9n à 9p, seules les ouvertures 10 et 11 ainsi que la tubulure 5 sont alimentées par le fluide d'entrée. Sur les figures 9q à 9s, seule la tubulure 5 est alimentée par le fluide d'entrée. Sur les figures 9t et 9u, seules les tubulures 5 et 6 sont alimentées par le fluide d'entrée. Ainsi, dans sa progression autour de l'axe XX', le disque mobile 12 permet en masquant tout ou partie des ouvertures 5a, 6a, 10 et 11, de contrôler efficacement et de façon progressive, le débit du fluide sortant des tubulures 5 et 6 ainsi que de celui circulant au travers des ouvertures 10 et 11. Les différentes positions occupées par le disque 12 sont obtenues par un circuit de commande approprié du moteur d'entraînement du disque mobile 12 qui éventuellement peut être un moteur pas à pas. L'étanchéité entre la vanne et le dispositif d'amenée du fluide est réalisée par des joints (non représentés) positionnés sur la paroi de fond 2 à l'extérieur du boîtier, l'un 23 à sa périphérie, l'autre 24 autour des ouvertures 10 et 11. A l'intérieur du boîtier 1, un joint 25 entourant le trou borgne 14, assure l'étanchéité entre les ouvertures 10, 11 et les ouvertures 8 et 9. La présence ou non du joint 25 dépend du niveau de fuite admissible entre le disque mobile 12 et la paroi de fond 2. L'étanchéité entre le disque mobile 12 et le disque fixe 19 est obtenue par contact des surfaces, celles ci étant réalisées de préférence en céramique. La pression de contact est assurée par un joint 28 logé dans une rainure 26 ménagée dans le couvercle 4, ce joint d'appui servant également à cloisonner les passages 21 et 22 du disque fixe 19, ainsi que l'arbre d'entraînement du disque 15 (non représenté). L'étanchéité du couvercle 4 avec le boîtier 1 est obtenue par un joint 27. Les joints 28 et 27 peuvent éventuellement être réunis en un seul joint (non représenté). Dans l'exemple de la figure 10, qui représente schématiquement le montage d'une vanne de commande selon l'invention dans le circuit de refroidissement d'un moteur thermique 40 de véhicule automobile, une vanne de commande 29 selon l'invention assure la distribution du fluide de refroidissement qui circule sous l'action d'une pompe 30. Le fluide, qui est typiquement de l'eau additionnée d'antigel, est échauffé par le moteur 40 et quitte ce dernier par une sortie 31 qui est reliée aux entrées de fluide 8,9 et 10 de la vanne 29. Les tubulures de sortie 5 et 6 alimentent, respectivement par des conduits 32 et 33, un radiateur de refroidissement 34 et un aérotherme 35 servant au chauffage de l'habitacle du véhicule. Après avoir traversé le radiateur de refroidissement 34 et l'aérotherme 35 le fluide retourne à la pompe 30 par des conduits de retour 36 et 37. Un conduit 38 relie directement la sortie 11 de la vanne à la pompe 30. La vanne permet de gérer indépendamment les débits de fluide dans les conduits précités et permet ainsi d'optimiser la température du moteur thermique 40 et le chauffage de l'habitacle. En particulier lors du démarrage à froid du moteur, elle permet de faire circuler le fluide dans le conduit de dérivation 38 sans passer par le radiateur 34. Pendant cette phase de démarrage il est aussi possible de faire passer une partie de fluide dans l'aérotherme 35, si un chauffage est désiré. Lorsque la température du fluide a atteint ou dépassé un seuil prédéterminé, la liaison avec le conduit de dérivation 38 est interrompue et le fluide est mis en circulation dans le radiateur 34, une partie du fluide pouvant également circuler au travers de l'aérotherme 35. Bien entendu, la vanne de l'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Elle n'est bien sûr pas limitée à une vanne à trois voies comme dans la forme de réalisation décrite précédemment. Elle n'est pas non plus limitée à une application pour circuit de refroidissement de moteur thermique de véhicule automobile et peut servir à d'autres usages dans des domaines différents. Revendications 1-Vanne de commande pour un circuit de circulation de fluide, comprenant un boîtier (1) comportant une paroi de fond (2) munie d'au moins une entrée de fluide, le boîtier (1) étant fermé par un couvercle (4) muni de tubulures (5,6) de sortie de fluide, caractérisée en ce qu'elle comprend, à l'intérieur du boîtier (1) : - un disque fixe distributeur (19) comportant des lumières de passage de fluide (21,22) en liaison étanche sur une première face du disque fixe (19) avec des tubulures (5,6) de sortie de fluide du couvercle (4), et - un disque mobile obturateur (12) propre à obturer les lumières (21,22) du disque fixe (19), disposé entre le disque fixe distributeur (19) et la paroi de fond (2) du boîtier (1), pour permettre un contrôle des sorties de fluide dans les tubulures (5,6) du couvercle (4) en fonction de la position angulaire du disque mobile obturateur (12). 2-Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le disque mobile (12) comporte en son centre sur la face en regard de la paroi de fond (2) du boîtier (1), un trou borgne (14) en forme de papillon permettant, pour des positions angulaires déterminées du disque mobile (12), l'écoulement du fluide d'entrée dans une ouverture de sortie (11) pratiquée dans la paroi de fond (2) du boîtier (1). 3-Vanne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le disque mobile (12) est entraîné par un moteur extérieur au boîtier (1). 4-Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que le disque mobile (12) est couplé à une extrémité de l'arbre de transmission du moteur par l'intermédiaire d'un disque d'entraînement (15) placé à l'intérieur d'un trou (20) situé au centre du disque fixe (19). 5-Vanne selon la revendication 4, caractérisée en ce que le disque d'entraînement (15) comporte des ergots (16) engagés dans des logements du disque mobile obturateur (12). 6-Vanne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la paroi de fond (2) comporte des entrées de fluide (8,9) séparées, situées à l'aplomb des ouvertures (5a, 6a) d'extrémité des tubulures en liaison étanche avec le disque fixe (19) distributeur. 7-Vanne selon les revendications 2 et 6, caractérisée en ce que le trou borgne (14) en forme de papillon est entouré par un joint (25) comprimé entre le disque mobile obturateur (12) et la paroi de fond (2) afin de séparer les entrées de fluide (8,9) de la paroi de fond (2) situées à l'aplomb des ouvertures (5a, 6a) d'extrémité des tubulures (5,6) en contact avec le disque fixe distributeur (19) de celles (10,11) permettant l'introduction d'un fluide d'entrée dans le trou borgne (14) en forme de papillon. 8-Vanne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'étanchéité entre le disque mobile (12) et le disque fixe (19) est obtenue par le contact de leurs surfaces entre elles. 9-Vanne selon la revendication 8, caractérisée en ce que les surfaces de contact des disques mobile et fixe (12,19) sont réalisées dans un matériau réputé indéformable, à faible coefficient de frottement, comme la céramique. 10-Vanne selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que la pression de contact des surfaces des disques mobile et fixe (12,19) est assurée par un joint (28) logé dans une rainure (26) du couvercle (4) servant également au cloisonnement des ouvertures du disque fixe (19). 11-Circuit de circulation de fluide, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne de commande selon l'une des revendications 1 à 10, dont l'entrée de fluide (8,9, 10) est reliée à une source de fluide et dont les sorties de fluide sont reliées respectivement à des conduits (32,33, 38) du circuit. 12-Circuit selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un circuit de refroidissement d'un moteur thermique (40) de véhicule automobile, qui est parcouru par un fluide de refroidissement sous l'action d'une pompe de circulation (30), et en ce que la vanne de commande (29) est une vanne à trois voies, dont l'entrée de fluide (8,9, 10) est reliée à une arrivée (31) de fluide de refroidissement en provenance du moteur (40), et dont les deux tubulures de sorties de fluide (5,6) sont reliées respectivement à une entrée de fluide d'un radiateur de refroidissement (34) et à une entrée de fluide d'un aérotherme (35) de chauffage de l'habitacle du véhicule et dont la sortie de fluide (11) du circuit de dérivation formé par le trou borgne (14) est reliée à une conduite de dérivation du radiateur de refroidissement (38).