Brevet FR2836536A1 — publié le 20030829

fermoe, la clef (24) reste prisonnière du verrou. Vanne piézoélectrique Domaine technique de l'invention L'invention concerne une vanne comportant un corps de vanne, un siège, situé dans une chambre de pression et solidaire du corps de vanne, et un pointeau mobile dont le déplacement est contrôlé par un actionneur piézoélectrique amplifié. Etat de la technique La vanne décrite dans le brevet US-A4808874 et destinée à réguler le passage 1s de gaz chauds est actionnée par un actionneur piézoélectrique amplifié. L'intérêt principal d'un actionneur piézoélectrique amplifié dans ce type d'application est la possibilité d'obtenir un actionneur permettant de tirer une tige d'actionnement, sous l'application d'une tension électrique à l'actionneur. Un autre type d'actionneur amplifié, décrit dans le brevet FR-A-2740276, permet également de réaliser cette opération. Il en résulte la possibilité de construire une vanne normalement fermée avec une géométrie particulièrement avantageuse, pour réaliser une vanne proportionnelle. Cependant, dans les vannes connues, I'isolation entre l'actionneur et une ç chambre de pression remplie de gaz dans laquelle est situé le siège de la vanne est obtenue par l'intermédiaire d'un joint torique, ce qui présente deux inconvénients: des problèmes de frottement conduisant à une durée de vie limitée et / ou à la génération de particules qui peuvent être gênantes dans certaines applications, par exemple dans le domaine spatial ou en instrumentation, notamment lorsque le déplacement du pointeau doit étre seulement de l'ordre de quelques micromètres à 1 50m. À Ia création d'une force de frottement rendant le contrôle fin de la position de la tige d'actionnement plus difficile. Le brevet EP-A-1070844 décrit une vanne pilotée par un actionneur piézoélectrique amplifié dans laquelle l'actionneur piézoélectrique amplifié n'est pas isolé de la chambre de pression et, en conséquence, est placé dans le gaz, ce qui peut entraner des problèmes de contamination. De plus, lorsque le gaz est corrosif, cette configuration nocessite de protéger l'actionneur piézoélectrique. Objet de ltinvention L'invention a pour but une vanne ne présentant pas les inconvénients des vannes con n ues et, plus particu liè rement, une van ne piézoalectriq ue sans aucune pièce mobile l'une par rapport à l'autre, à l'exception du siège et du zo pointeau. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que!a vanne comporte un soufflet, entourant une zone intermédiaire du pointeau et solidaire, à une première extrémité, du corps de vanne et, à une seconde extrémité, du pointeau, de z manière à isoler l'actionneur de la chambre de pression, au moins une lame élastique de guidage du pointeau étant fixée, d'une part, au corps de vanne et, d'autre part, au pointeau. Selon un développement de l'invention, la vanne comporte une seconde lame élastique de guidage, les lames élastiques de guidage étant disposoes de part et d'autre du soufflet pour réaliser un guidage de type parallélogramme. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention o donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 illustre, sous forme schématique, en coupe, un premier mode de réalisation d'une vanne, normalement fermée, selon la présente invention. La figure 2 représente plus en détail, en coupe, un mode de réalisation particulier de la vanne selon la figure 1. La figure 3 illustre, sous forme schématique, en coupe, un second mode de réalisation d'une vanne, normalement fermée, selon la présente invention. Les figures 4, 5 et 6 représentent trois variantes de réalisation d'une lame o élastique de guidage d'une vanne selon l'invention. Les figures 7 et 8 illustre un mode particulier d'implantation d'un capteur de position à base de jauges de contrainte, sur une lame élastique de guidage selon la figure 4, respectivement en vue de dessus et en vue de dessous. La figure 9 représente une vue agrandie de l'implantation du capteur de position sur la lame élastique de guidage selon la figure 7. La figure 10 illustre, sous forme d'un schéma électrique, le capteur de position selon les figures 7 et 8. La figure 11 illustre un mode particulier de réalisation de l'impiantation, dans une vanne selon l'invention, d'un capteur de position constitué par un capteur capacitif différentiel. La figure 12 illustre, sous forme schématique, en coupe, un troisième mode de réalisation d'une vanne, normalement ouverte, selon la présente invention. La figure 13 illustre, sous forme schématique, en coupe, un quatrième mode de réalisation d'une vanne, normalement fermée, selon la présente invention. La figure 14 représente un mode de réalisation particulier d'un dispositif de limitation de pression du pointeau sur le siège dans une vanne selon la figure 2. Description de modes particuliers de réalisation. La figure 1 représente une vue schématique, en coupe, d'une vanne proportionnelle normaiement fermée, comportant un actionneur piézoélectrique amplifié 1. L'actionneur piézoélectrique amplifié est. de préférence, du type décrit dans le brevet FR-A-2740276. Sur les figures 1 et 2, I'actionneur 1 comporte, à sa partie inférieure, une base, faisant face au siège 2 de la vanne, et, à sa partie supérieure, un sommet mobile opposé à la base et dont un point o A, situé sensiblement au centre du sommet, est solidarisé avec le corps de vanne 3. La vanne comporte un pointeau 4 fixé à l'actionneur piézoélectrique amplifié en un point B de la base, situé sensiblement au centre de la base. L'actionneur 1 est ainsi connecté, dune part, au corps de vanne 3, et, d'autre part, au pointeau 4, I'application d'une tension électrique à l'actionneur provoquant le déplacement du pointeau 4 vers le haut, à l'écart du siège 2, de manière à ouvrir la vanne et à permettre le passage contrôlé d'un fluide (gaz ou liquide) d'une entrée 5 vers une sortie 6 de la vanne. Le siège 2 est situé dans une chambre de pression 7 communiquant en permanence avec l'entrée 5. Une première lame élastique de guidage 8 est fixée, d'une part, au corps de vanne 3 et, d'autre part, au pointeau 4. Elle a essentiellement pour fonction de guider le pointeau et contribue, de plus, à son centrage, permettant ainsi de limiter les vibrations. Sur les figures 1 et 2, ia lame élastique de guidage 8 est disposée dans la chambre de pression 7, dans la partie inférieure de la vanne. Un soufflet 9, entourant une zone intermédiaire du pointeau 4, est solidarisé, à une première extrémité, au corps de vanne 3 et, à une seconde extrémité, au pointeau 4. Le soufflet 9 peut étre électroformé ou hydroformé. Sur la figure 1, la première extrémité du soufflet est fixée sur un capot 10 solidarisé avec le corps o de vanne 3 par tout moyen approprié. La lame élastique est alors, de préférence, fixée au corps de vanne 3 par encastrement de sa périphérie entre le capot 10 et le corps de vanne 3. Sur les figures 1 et 2, le pointeau 4 est fixé à l'extrémité supérieure du soufflet 9, dont l'extrémité inférieure est fixée au capot 10. L'intérieur du soufflet 9 est ainsi placé dans la chambre de pression 7. Par contre, dans le mode de réalisation de la figure 3, le pointeau 4 est fixé à l'extrémité inférieure du soufflet 9, dont l'extrémité supérieure est fixée au capot 10. L'extérieur du soufflet 9 est alors placé dans la chambre de pression 7. Une telle configuration peut étre préférée pour une meilleure tenue du souffiet lorsque la pression amont est importante. Dans les deux cas, le soufflet 9 isole l'actionneur piézoélectrique 1 de la chambre de pression 7, protégeant ainsi l'actionneur. Les liaisons étanches du soufflet avec le capot 10, d'une part, et le pointeau 4, d'autre part, sont réalisées par tout moyen approprié, par exemple par brasage ou par soudage. Une seconde lame élastique de guidage 11 est. de préférence, fixée, comme la première, d'une part, au corps de vanne 3 et, d'autre part, au pointeau 4. Les lames élastiques de guidage sont alors disposées de part et d'autre du soufflet 9. La seconde lame élastique de guidage est ainsi disposée, comme I'actionneur 1, à l'extérieur de la chambre de pression 7. On obtient ainsi un guidage en parallélogramme du pointeau 4 et une compensation de l'absence de raideur du soufflet 9. Le pointeau 4 fait ainsi partie d'un assemblage mobile comportant également le soufflet 9, la première lame élastique de guidage 8 et, éventuellement, la seconde lame élàstique de guidage 11. La structure de l'assemblage mobile décrit ci-dessus permet d'obtenir une 0 vanne sans aucune pièce mobile l'une par rapport à l'autre, à l'exception du siège 2 et du pointeau 4. L'absence de pièces mobiles les unes par rapport aux autres permet d'éviter toute génération de particules susceptibles d'obstruer ultérieurement l'orifice de la vanne. De plus, il est alors possible d'échanger l'actionneur sans démontage de l'assemblage mobile de la vanne. Une isolation en pression entre le capot 10 et le corps 3 est. de préférence, réalisée par un joint torique 12. Le siège 2 est supporté par un porte siège 13 connecté au corps de vanne 3 par une liaison filetée. Celle-ci permet, au montage de la vanne, une mise en contact du sièpe et du pointeau avec un zo effort progressif permettant le centrage du pointeau. L'étanchéité entre le corps de vanne et le porte siège 13 est. de préférence, réalisoe par un joint torique 14. Diverses variantes de réalisation des lames élastiques de guidage 8 sont illustrées sur les figures 4 à 6. Les lames élastiques de guidage 11 peuvent être z identiques aux lames 8. Chaque lame élastique de guidage 8 comporte, de préférence, une zone centrale 15, destinée à être fixée au pointeau 4, et une zone périphérique 16, destinée à être fixée au corps de vanne 3. Sur les figures 4 et 5, la zone centrale 15 est connectée à la zone périphérique 16 par l'intermédiaire de bras 17, sensiblement radiaux. Le nombre (3 sur les figures 4 et 5) et les dimensions des bras 17 sont déterminés en fonction de l'élasticité désirée pour la lame élastique de guidage. Sur la figure 5, les bras ont sensiblement la forme d'un S. Dans la variante représentée à la figure 6, la lame élastique 8 est constituée par un disque présentant des lumières 18 lui conférant l'élasticité désirée. Pour réduire le diamètre du corps de vanne 3 et, en conséquence, la masse de la vanne, les variantes des figures 5 et 6 sont préférables. En effet, pour une course et une raideur données, elles conduisent à un diamètre extérieur o moindre pour les lames élastiques de guidage 8 et 11. La variante de la figure 5 est particulièrement intéressante, dans la mesure o la lame élastique présente alors une élasticité tangentielle utile pour aider au centrage du pointeau 4 dans le siège 2. Les lames élastiques de guidage 8 et 11 peuvent être réalisée en tout matériau élastique, notamment métallique, par exemple en acier inoxydable, en un alliage bronze-bérylllum ou en titane. La vanne comporte, de préférence, un dispositif de détection de la position du pointeau 4. Un tel dispositif permet notamment de linéariser le fonctionnement de la vanne, plus particulièrement dans le cas d'une vanne proportionnelle. zo Dans un premier mode de réalisation, illustré aux figures 7 à 10, le dispositif de détection de la position du pointeau 4 comporte un pont de jauges de contrainte supporté par l'une des lames élastiques de guidage. Les figures 7 et 9 représentent, en vue de dessus, une lame élastique de guidage 8 dont l'un des bras 1 7a, porte deux jauges de contrainte 1 9a et 1 9b, disposées z perpendiculairement l'une par rapport à l'autre. Deux autres jauges de contrainte 20a et 20b sont portées, de manière analogue, par la face opposée du même bras 17a, comme représenté, en vue de dessous à la figure 8. Les jauges de contrainte 19a et 20a, placées au plus près du point d'encastrement de la lame élastique de guidage, c'est- à-dire à proximité de sa zone périphérique 16, constituent deux jauges de mesure, tandis que les jauges de contraintes 1 9b et 20b constituent deux jauges de référence. Les quatre jauges de contrainte 19a, 19b, 20a et 20b sont connectées électriquement, de la manière représentée à la figure 10, pour former un pont de Wheatstone donnant I'image des contraintes de flexion générées dans la lame élastique de guidage 8 et, en conséquence, une image de la position du pointeau 4. Dans un autre mode de réalisation, illustré à la figure 11, le dispositif de détection de la position du pointeau 4 comporte un capteur capacitif différentiel disposé entre le pointeau 4 et une face interne du capot 10. Le capteur capacitif différentiel comporte, par exemple, une électrode 21, portée par le pointeau, et des électrodes 22a et 22b, portées par la face interne 23 du capot 10. Les électrodes 21, 22a et 22b sont sensiblement concentriques et leurs positions respectives permettent de déterminer la position du pointeau. Ce type de s capteur est insensible à la concentricité du pointeau 4 par rapport au corps de vanne 3. D'autres types de capteurs de position peuvent étre utilisés, notamment un capteur constitué par un transformateur différentiel variable linéaire (dit LVDT, ). zo La figure 12 illustre un autre mode de réalisation particulier d'une vanne, normalement ouverte. Dans ce cas, le pointeau 4 est connocté au point A du sommet de l'actionneur 1 et traverse l'actionneur. La base de l'actionneur 1 est alors solidarisée avec le corps de vanne 3 dans une zone entourant le pointeau. z Un autre mode de réalisation particulier de la vanne, normalement fermée, illustré à la figure 13 est plus particulièrement destiné à des applications supportant, en amont du siège 2, une pression amont élevée. Le pointeau 4 est. comme sur la figure 12, connecté au point A du sommet de lactionneur 1 et traverse l'actionneur, dont la base est connectée au corps de vanne 3. Ainsi, dans les vannes des figures 12 et 13, lorsque l'actionneur 1 est alimenté, le pointeau 4 est poussé et non tiré comme dans les vannes des figures 1 à 3. Pour réaliser une vanne normalement fermée à l'aide d'un pointeau qui est poussé vers le bas, il est nécessaire d'adopter une géométrie de pointeau inversée. Ainsi, sur la figure 13, I'extrémité inférieure du pointeau 4 traverse le siège 2 et est conformée de manière à venir en appui contre le siège en position de repos de la vanne. Pour une meilleure tenue en pression, la surface extérieure du soufflet 9 est préférentiellement placée à l'intérieur de la chambre de pression 7, comme dans la vanne selon la figure 3. Cette configuration est o particulièrement avantageuse pour les vannes supportant une pression amont élevée et pour des vannes rapides car, lorsque la pression amont augmente, le pointeau tend à remonter sous l'effet de la pression, ce qui conduit à une augmentation de la force d'étanchéité. De plus, la masse mobile pour obtenir une vanne normalement fermée qui pousse pour s'ouvrir est optimisée avec un pointeau traversant l'actionneur et conduit donc à une vanne rapide. Dans les modes de réalisation des figures 12 et 13, il est avantageux de placer la seconde lame élastique de guidage 11, extérieure à la chambre de pression, à l'extrémité supérieure du pointeau, à proximité du sommet de l'actionneur, au zo dessus de celui-ci. Sur la figure 14, une vanne selon la figure 2 est complétée par un mode de réalisation particulier d'un dispositif de limitation de pression du pointeau sur le siège 2. En effet, la vanne est sensible à la pression dans la chambre, le z pointeau tendant à remonter sous leffet de la pression dans la chambre 7. Ainsi, pour des pressions élevées, il peut être nécessaire d'anticiper cette pression et donc d'appuyer avec une pression importante sur le siège. On risque alors un effet de fluage du siège et un dispositif de limitation de pression peut devenir utile. Sur la figure 14, le pointeau 4 est constitué de deux parties. En effet, le pointeau comporte une tige d'actionnement 24, munie, à sa partie inférieure, d'une large collerette 25 solidaire de la tige d'actionnement. Le pointeau comporte également une pointe 26, qui forme la partie du pointeau destinée à venir en contact avec le siège 2. La pointe 26 est mobile à l'intérieur de I'extrémité inférieure de la tige d'actionnement, ce qui permet de limiter la pression de la pointe 26 et, en conséquence, du pointeau sur le siège 2. En effet, lorsque l'effort entre la pointe 26 et le siège 2 dépasse une certaine valeur, la pointe 26, guidée par une troisième lame élastique 27, connectée entre la pointe et la collerette 25, se sépare de son appui intérieur sur la tige o d'actionnement et se déplace vers le haut à l'intérieur de la tige d'actionnement 24, limitant ainsi l'effort exercé sur ie siège 2. La figure 14 représente la vanne dans la situation o il n'y a pas de pression dans la chambre intérieure 7 et o le réglage de l'effort d'étanchéité a été effectué pour une pression importante. Lorsque la pression est appliquée dans la chambre 7, la tige d'actionnement 24 du pointeau remonte et le contact entre la tige d'actionnement 24 et la pointe 26 est retrouvé. La vanne s'ouvre ensuite sous l'action de traction de l'actionneur. zo La lame élastique 27 peut avoir la même forme que les lames élastiques de guidage 8 et 11. La tige d'actionnement 24 comporte, à sa partie inférieure, des évidements permettant la connexion de la lame élastique 27 et de la pointe 26 à l'intérieur de la tige d'actionnement. z Les vannes selon l'invention peuvent être des vannes à actionnement rapide, fonctionnant en tout ou rien ou, de préférence en proportionnel et destinées à contrôler le passage de tout type de fluide (gaz ou liquide). La combinaison de la résolution quasi infinie de l'actionneur piézoélectrique 1 et du guidage élastique du pointeau 4 permet d'obtenir un guidage fin et précis du pointeau. Ce guidage permet, par ailleurs, d'éviter toute pièce glissante l'une par rapport à l'autre, susceptible de générer de l'usure ou des particules contaminatrices. Dans un mode de réalisation préférentiel, I'actionneur piézoélectrique amplifié 1 comporte des inserts, de préférence en aluminium, destinés à compenser thermo-macaniquement les dilatations de l'actionneur. Ces inserts 29 peuvent être disposés aux extrémités ou, de préférence, au centre d'un ensemble 28 d'éléments piézoélectriques (figure 2) disposé classiquement à l'intérieur de l'actionneur pour produire une déformation longitudinale de celui-ci, transformée par l'actionneur amplifié en déformation selon l'axe du pointeau (4). En effet, on recherche pour ces inserts, un coefficient de dilatation élevé permettant de compenser la faible dilatation du matériau piézoélectrique. Placés au centre, ces inserts ont en général une température plus élevée à cause de l'échauffement (en actionnement) et de la faible conductibilité thermique du matériau piézoélectrique. Le terme soufflet couvre tout élément élastiquement déformable. Revendications 1. Vanne comportant un corps de vanne (3), un siège (2), situé dans une chambre de pression (7) et solidaire du corps de vanne, et un pointeau mobile (4) dont le déplacement est contrôlé par un action n eu r pi ézoélect riq ue am pl ifié (1), vanne caractérisée en ce qu'elle comporte un soufflet (9), entourant une zone intermédiaire du pointeau (4) et solidaire, à une première extrémité, du corps de vanne (3) et, à une seconde extrémité, du pointeau (4), de manière à o isoler l'actionneur (1) de la chambre de pression (7), au moins une lame élastique (8, 11) de guidage du pointeau étant fixée, d'une part, au corps de vanne et, d'autre part, au pointeau. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le soufflet (9) est fixé de manière à ce que lintérieur du soufflet soit placé dans la chambre de pression (7). 3. Vanne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le soufflet (9) est fixé de manière à ce que lextérieur du soufflet soit placé dans la chambre de pression (7). 4. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la lame élastique de guidage (8, 11) comporte une zone centrale (15), fixée au pointeau (4), et une zone périphérique (16), fixée au corps de vanne (3). 5. Vanne selon la revendication 4, caractérisé en ce que la zone centrale (15) de la lame élastique (8, 11) est connectée à sa zone périphérique (16) par l'intermédiaire de bras (17) sensiblement radiaux. 6. Vanne selon la revendication 5, caractérisé en ce que les bras (17) ont sensiblement la forme d'un S. 7. Vanne selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lame élastique de guidage (8, 1 1) est constituée par un disque présentant des lumières (18) . 8. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'elle comporte un capot (10), solidaire du corps de vanne (3), ia première extrémité du soufflet (9) étant fixée sur le capot, la fixation de la lame élastique o (8, 1 1) sur le corps de vanne étant réalisée par encastrement entre le capot (10) et le corps de vanne (3). 9. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'elle comporte une seconde lame élastique de guidage (11), les lames élastiques de guidage (8, 11) étant disposées de part et d'autre du soufflet (9). 10. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, I'actionneur (1) comportant une base mobile, faisant face au siège (2), et un sommet opposé à la base et dont un point (A) est solidarisé avec le corps de zo vanne (3), le pointeau (4) est fixé à l'actionneur piézoélectrique amplifié en un point (B) de la base. 11. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que, I'actionneur (1) comportant une base, faisant face au siage (2) et z solidarisée avec le corps de vanne (3), et un sommet mobile opposé à la base, le pointeau (4) est fixé à l'actionneur piéxoélectrique amplifié en un point (A) du sommet et traverse l'actionneur (1). 12. Vanne selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'il comporte une seconde lame élastique de guidage (11), fixée au pointeau (4) à proximité du sommet de l'actionneur (1). 13. Vanne selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisée en ce qu'une extrémité du pointeau (4) traverse le siège (2) et est conformée de manière venir en appui contre le siège en position de repos de la vanne. 14. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce o qu'elle comporte des moyens de détection de la position du pointeau. 15. Vanne selon la revendication 14, caractérisée en ce que les moyens de détection de la position du pointeau comportent un pont de jauges de contrainte (19a, 1 9b, 20a, 20b) supporté par l'une des lames élastiques de guidage (8). 16. Vanne selon la revendication 14, caractérisée en ce que les moyens de détection de la position du pointeau comportent un capteur capacitif différentiel (21, 22a, 22b) disposé entre le pointeau (4) et un capot (10) solidaire du corps de vanne (3). 17. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisée en ce que le pointeau comporte une tige d'actionnement (24) et une pointe (26), mobiie à l' intérieu r d'u ne extrémité de la tige d'action n em ent et destinée à ven i r en contact avec le siège (2), ia vanne comportant une troisième lame élastique (27) connectée entre la pointe (26) et une collerette (25) solidaire de la partie inférieure de la tige d'actionnement (24). 18. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisée en ce qu'elle comporte, au centre d'un ensemble (28) d'éléments piézoélectriques de I'actionneur, des inserts destinés à compenser thermo- mécaniquement les