Brevet FR2841943A1 — publié le 20040109

DISPOSITIF DE POMPAGE, MEMBRANE AVEC DE TELS DISPOSITIFS ET SERVOMOTEUR PNEUMATIQUE AVEC UNE TELLE MEMBRANE. L'invention est relative à un dispositif de pompage du genre de ceux qui comportent une chambre de travail de volume variable, avec au moins un orifice d'entrée muni d'un clapet d'admission et un orifice de sortie muni d'un clapet de refoulement, la chambre de travail étant limitée par au moins une paroi flexible pouvant se déplacer, en réponse à un effort d'actionnement, pour faire augmenter et diminuer alternativement le volume de la chambre et créer un pompage. Un tel dispositif de pompage est connu, par exemple sous forme de pompe à membrane. Les déformations de la membrane sont généralement commandées par un système mécanique relativement encombrant et présentant une certaine inertie. L'invention a pour but, surtout, de fournir un dispositif de pompage, en particulier pneumatique, du genre défini précédemment qui présente un faible encombrement et une faible inertie pour pouvoir fonctionner à fréquence élevée. Selon l'invention, un dispositif de pompage du genre en 20 question est caractérisé par le fait que la paroi flexible est multicouche et comprend un élément plat dont la géométrie est sensible aux variations d'une tension électrique appliquée à cet élément, et au moins une couche flexible isolante électriquement située de chaque côté de l'élément plat. De préférence, l'élément plat est constitué d'un élément piézo25 électrique disposé entre deux électrodes plates séparées par une couche diélectrique, les électrodes étant elles-mêmes entourées par les couches isolantes électriquement, l'ensemble étant prévu pour que des variations de différence de potentiel appliquées entre les électrodes provoquent des vibrations de l'élément piézo-électrique et des déplacements de la paroi flexible engendrant le pompage. Avantageusement, la couche flexible isolante, située vers l'intérieur, comprend une zone mince propre à vibrer délimitant la chambre de travail, cette zone mince étant liée à une face d'une électrode. La chambre de travail peut être délimitée, du côté opposé à 35 cette zone mince propre à vibrer, par une superposition d'au moins deux plaques en matière souple. Chaque clapet est avantageusement formé par une languette découpée dans une plaque en matière souple. La couche isolante extérieure de la paroi flexible est de préférence en matière élastomère; elle est liée à une face de l'électrode éloignée de la chambre de travail. L'élément plat, notamment piézo-électrique, peut être inséré dans la couche diélectrique. L'élément piézo-électrique peut comprendre du titanate de baryum, du titanate de plomb ou encore des alliages titanate de plomb et titanate de zirconium. La commande des vibrations peut être assurée par un oscillateur de puissance, en particulier de type Colpitts, aux bornes duquel sont branchées les électrodes entourant l'élément piézo-électrique. L'orifice d'entrée de la chambre de travail est situé d'un côté de la paroi flexible tandis qu'un passage de sortie débouche avantageusement du côté opposé. Selon une variante, l'élément plat est constitué d'un élément propre à se dilater par chauffage électrique. L'invention concerne également une membrane multicouche qui comporte une pluralité de dispositifs de pompage tels que définis précédemment, disposés de manière à pouvoir travailler en parallèle, les orifices d'entrée étant tous situés d'un même côté de la membrane tandis 20 que les passages de sortie débouchent du côté opposé. Avantageusement, les chambres de travail de chaque dispositif de pompage sont disposées suivant une matrice à colonnes et rangées orthogonales; un adressage peut être prévu pour permettre de commander séparément ou simultanément chaque dispositif de pompage élémentaire. L'invention est également relative à un servomoteur d'assistance pneumatique pour installation de freinage de véhicule automobile, comprenant: une enveloppe rigide traversée par une tige constituant un organe de commande manuelle, cette enveloppe étant séparée intérieurement en deux chambres par une cloison mobile suivant 30 la direction de l'axe de la tige, la cloison comprenant une jupe rigide munie d'ouvertures, fixée à la tige et reliée suivant son contour extérieur à la paroi intérieure de l'enveloppe par un soufflet en matière souple déformable permettant les déplacements axiaux de la jupe; une membrane avec dispositifs de pompage tels que définis précédemment 35 appliquée et maintenue contre la jupe rigide; et une commande des électrodes de la membrane prévue pour assurer une assistance de l'effort exercé sur la tige par augmentation de la pression d'air dans une chambre du servomoteur. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées cidessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins ci-annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins: Fig. 1 est une coupe verticale schématique d'un dispositif pneumatique de pompage selon l'invention. Fig.2 est une coupe schématique verticale à plus petite échelle d'une membrane comportant plusieurs dispositifs de pompage selon Fig. 1. Fig.3 est une vue de dessus partielle, à plus petite échelle de la membrane de Fig.2. Fig.4 est un schéma illustrant le branchement des électrodes du dispositif de pompage. Fig.5, enfin, est une coupe schématique d'un servomoteur d'assistance pneumatique, pour installation de freinage, équipé d'une membrane de pompage selon Fig.2. En se reportant à Fig.1 des dessins, on peut voir un dispositif de pompage pneumatique 1 qui comporte une chambre de travail 2 de volume variable avec un orifice d'entrée 3 muni d'un clapet d'admission 4 et un orifice de sortie 5 muni d'un clapet de refoulement 6. La chambre de travail 2 est limitée par une paroi flexible 7 25 multicouche qui peut se déplacer, en se déformant, suivant la direction verticale selon la représentation de Fig. 1, pour faire augmenter et diminuer alternativement le volume de la chambre 2 et créer un pompage. La paroi flexible 7 comprend un élément piézo-électrique plat 8, également appelé transducteur céramique. Un tel élément piézo-électrique 30 présente les caractéristiques suivantes: il entre en vibration lorsqu'une tension alternative est appliquée à ses bornes et se comporte alors comme un quartz; il est en mesure de générer à ses bornes une tension électrique lorsqu'il est soumis à des vibrations mécaniques. L'élément piézoélectrique 8 peut comprendre du titanate de baryum, du titanate de plomb 35 ou encore des alliages titanate de plomb et titanate de zirconium. La fréquence de vibration d'un tel élément peut atteindre 10 MHz. Dans le dispositif 1, l'élément piézo-électrique 8 est utilisé pour sa propriété d'entrer en vibration lorsqu'il est soumis à une tension électrique alternative. L'élément 8 est disposé entre deux électrodes plates 9, 10 constituées par exemple par une feuille métallique flexible et séparées par une couche diélectrique 11 isolante. L'élément piézo-électrique 8 peut avoir la forme d'un disque circulaire qui est inséré dans une ouverture correspondante de la couche diélectrique 11 de même épaisseur que l'élément 8. La paroi 7 comprend une zone mince 12 propre à vibrer délimitant la chambre de travail 2 et fixée contre la face de l'électrode 9 la plus proche de la chambre 2. La zone 12 est formée par une partie d'épaisseur réduite d'une plaque 13 de matière élastomère, ou matière équivalente, dans laquelle est prévu un évidement correspondant à la 15 chambre 2. Cette chambre est délimitée, du côté opposé à la membrane 12, par un substrat d'au moins deux plaques superposées 14, 15 en matière souple. L'orifice d'entrée 3 est prévu dans la plaque 15 la plus éloignée de la chambre 2. Cet orifice 3 présente une partie cylindrique prolongée, 20 vers l'intérieur, par une partie tronconique dont le diamètre diminue en direction de la chambre 2, jusqu'à l'interface avec la plaque 14. Le clapet 4 est formé par une languette 16, d'épaisseur réduite par rapport à la plaque 14, découpée dans le fond d'un évidement 17 de cette plaque 14. La languette 16, par exemple de forme rectangulaire, est attenante à la 25 plaque 14 par un côté formant charnière et s'applique naturellement, de manière étanche, contre l'orifice d'entrée 3. L'orifice de sortie 5 est prévu dans la plaque 14, qui limite directement la chambre 2, sous forme d'un passage tronconique dont le diamètre diminue à partir de la chambre 2. Le clapet 6 est formé par une 30 languette 18 découpée dans le fond d'un évidement 19 de la plaque 15. La languette 18, par exemple de forme rectangulaire, est attenante à la plaque 15 par un côté formant charnière et s'applique naturellement de manière étanche contre l'orifice 5. L'évidement 19 communique avec l'extérieur par un passage de sortie 20 qui traverse la plaque 14, la plaque 13 et la paroi 7, et débouche du côté opposé à l'orifice d'entrée 3. Les clapets 4 et 6 reviennent dans la position fermée par élasticité de la languette 16, 18 qui les constitue. Il est possible de prévoir un système, en particulier électrostatique, pour confirmer la fermeture des clapets 4 et 6. Une couche isolante souple 21, par exemple en matière élastomère, recouvre l'électrode supérieure 10. En variante, les électrodes 9 et 10 peuvent être réalisées par métallisation de la couche isolante adjacente, par exemple métallisation de la face supérieure de la zone 12 et de la face inférieure de la couche 21. Les électrodes 9 et 10 sont reliées par des conducteurs électriques C9, CIO aux bornes d'un oscillateur de puissance G (Fig.4), 10 par exemple un oscillateur de type Colpitts, générant des signaux de tension alternative propres à faire vibrer l'élément piézo-électrique 8. L'oscillateur G est avantageusement à quartz Q, avec des moyens d'ajustement de la fréquence. L'ensemble du dispositif de pompage 1 forme une structure 15 aplatie, c'est à dire présentant un rapport E / L Ceci étant, le fonctionnement du dispositif de pompage 1 de Fig. 1 est le suivant. Au repos, l'élément piézo-électrique 8 se trouve dans un plan contenant la couche diélectrique 11. Lorsque des oscillations électriques appropriées sont appliquées par le générateur G aux électrodes 9 et 10, l'élément piézo-électrique 8 entre en vibration, ce qui provoque une déformation de la paroi 7, 25 ( déformation accentuée sur Fig. 1 pour faciliter la lecture du dessin), avec des phases d'augmentation et de diminution du volume de la chambre 2. Au cours d'une phase d'expansion de la chambre 2 ( paroi 7 convexe vers l'extérieur) de l'air est aspiré à travers l'orifice d'entrée 3, 30 avec soulèvement du clapet 4 comme illustré en tirets sur Fig. 1, tandis que le clapet de refoulement 6 est fermé. A la phase d'expansion de la chambre 2 succède une phase de contraction par un retour de la paroi 1 dans la configuration plane, avec possibilité d'une déformation en sens inverse de celle illustrée sur Fig.1. L'air contenu dans la chambre 2 est comprimé et refoulé par l'orifice de sortie 5 avec ouverture du clapet de refoulement 6 comme illustré en tirets sur Fig. 1, le clapet d'admission 4 étant fermé. L'air est évacué par le passage de sortie 20. Si l'entrée 3 communique avec une enceinte fermée, le dispositif de pompage 1 permet d'augmenter le niveau de vide dans cette enceinte. Si le passage de sortie 20 débouche dans une enceinte fermée, le dispositif de pompage I permet d'augmenter la pression dans cette enceinte. Le dispositif 1 peut servir, en particulier, de pompe auxiliaire permettant de gonfler un pneumatique de véhicule. Fig.2 montre une structure aplatie formée par une membrane 10 flexible A multicouche comportant une pluralité de cellules élémentaires 1, la, lb correspondant chacune à un dispositif de pompage tel que celui illustré sur Fig.l. Tous les orifices d'entrée 3, 3a, 3b,... sont situés d'un même côté de la membrane A, du côté inférieur selon Fig.2, tandis que tous les passages de sortie 20, 20a,... débouchent du côté opposé, le côté supérieur selon Fig.2. Les cellules 1, la, lb... sont avantageusement disposées suivant une matrice à lignes et colonnes à angle droit comme illustré sur Fig.3. On peut prévoir un système d'adressage des électrodes de chaque cellule de manière à pouvoir commander séparément les cellules. Il est ainsi 20 possible de faire fonctionner soit l'ensemble des cellules soit une partie de celles-ci. Le fonctionnement de chaque cellule élémentaire de la structure aplatie A de Fig.2 est semblable à celui décrit à propos de Fig. 1. Le débit de pompage dépend du nombre de cellules élémentaires qui sont mises en 25 action en parallèle. Le débit maximum est obtenu lorsque toutes les cellules de la structure A travaillent en parallèle simultanément. En se reportant à Fig.5 on peut voir une membrane A de pompage conforme à Fig.3, montée dans un servomoteur 22 d'assistance pneumatique d'une installation de freinage pour véhicule automobile. Le servomoteur 22 comprend une enveloppe 23 rigide délimitée par deux parois frontales 23a, 23b traversées par une tige 24. Une pédale de frein 25 est reliée par une articulation à une extrémité de la tige 24. L'enveloppe 23 est séparée intérieurement en deux chambres pneumatiques 26a, 26b par une cloison 27. La cloison 27 comprend une 35 jupe rigide 27a fixée à la tige 24 et reliée, suivant son contour extérieur, à la paroi intérieure annulaire de l'enveloppe 23 par un soufflet déformable 27b. La chambre 26a communique avec l'atmosphère par un ajutage 28. La chambre 26b peut être reliée à l'atmosphère par une électrovalve 29 commandée par l'action du conducteur sur la pédale 25. L'électrovalve 29 se ferme lorsque la pédale 25 est enfoncée et s'ouvre, en mettant en communication la chambre 26b avec l'atmosphère, lorsque la pédale est relâchée. La jupe rigide 27a est munie d'ouvertures 27c. Une membrane de pompage A semblable à celle de Fig.3 est appliquée et maintenue contre la jupe 27a, du côté de la chambre 26b. Les orifices d'entrée ou 10 d'aspiration de la membrane A sont situés du côté de la chambre 26a tandis que les orifices de refoulement débouchent dans la chambre 26b. Les électrodes des cellules de la membrane A sont reliées par des conducteurs C9, C10 à un oscillateur de puissance G. La mise en action de l'oscillateur G est commandée par l'action sur la pédale 25. Le fonctionnement du servomoteur 22 est le suivant. Lorsque le conducteur du véhicule appuie sur la pédale de frein , l'électrovalve 29 se ferme et l'oscillateur G est mis en marche. La membrane A est mise en vibration et produit un effet de pompage qui provoque une augmentation de pression dans la chambre 20 26b. Un effort d'assistance est créé par cette pression sur la paroi 27a qui entraîne la tige 24, vers la gauche selon Fig.5. En position stationnaire de la pédale 25, le générateur G cesse de fonctionner et les cellules de la membrane A restent en position fermée de même que l'électrovalve 29. La pression est maintenue dans la chambre 26b. Dès que la pédale 25 est relâchée, l'électrovalve 29 est ouverte permettant la décompression de la chambre 26b, le générateur G restant hors d'action. Sous l'effet d'un moyen de rappel élastique R, la tige 24 et la paroi 27 peuvent revenir à leur position de repos, vers la droite selon Fig.5. Avec un tel servomoteur d'assistance, on évite une liaison de l'ajutage 28 avec une prise de vide, généralement située dans la tubulure d'admission du moteur. Une telle liaison, classique, peut créer des perturbations sur le fonctionnement d'un moteur à essence. Selon une autre possibilité la membrane A est appliquée contre une paroi de l'enveloppe, cette paroi étant munie d'ouvertures équivalentes aux ouvertures 27c. Bien que la description ait été faite avec référence à un élément piézo-électrique 8, l'invention n'est pas limitée à cet exemple. L'élément piézo-électrique 8 pourrait être remplacé, notamment, par un élément chauffé électriquement qui se dilate et qui provoque les variations de volume de la chambre de travail 2. REVENDICATIONS 1. Dispositif de pompage comportant une chambre de travail (2) de volume variable, avec au moins un orifice d'entrée (3) muni d'un clapet d'admission (4) et un orifice de sortie (5) muni d'un clapet de refoulement (6), la chambre de travail (2) étant limitée par au moins une paroi flexible (7) pouvant se déplacer, en réponse à un effort d'actionnement, pour faire augmenter et diminuer alternativement le volume de la chambre (2) et créer un pompage, caractérisé par le fait que la paroi flexible (7) est multicouche et comprend un élément plat (8) dont la géométrie est sensible aux variations d'une tension électrique appliquée à cet élément, et au moins une couche flexible (12, 21) isolante électriquement située de chaque côté de l'élément plat (8). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément plat est constitué d'un élément piézo-électrique (8) disposé entre deux électrodes plates (9, 10) séparées par une couche diélectrique (11), les électrodes étant elles-mêmes entourées par les couches (12, 21) isolantes 20 électriquement, l'ensemble étant prévu pour que des variations de différence de potentiel appliquées entre les électrodes provoquent des vibrations de l'élément piézo-électrique (8) et des déplacements de la paroi flexible (7) engendrant le pompage. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'élément piézo-électrique (8) comprend du titanate de baryum, et/ou du titanate de plomb et/ou encore des alliages titanate de plomb et titanate de zirconium. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le 30 fait que la couche flexible isolante, située vers l'intérieur, comprend une zone mince (12) propre à vibrer délimitant la chambre de travail (2) cette zone mince étant liée à une face d'une électrode (9). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la 35 chambre de travail (2) est délimitée, du côté opposé à la zone (12) propre à vibrer, par une superposition d'au moins deux plaques (14,15) en matière souple. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que chaque clapet (4, 6) est formé par une languette (16, 18) découpée dans une plaque (14, 15) en matière souple. 7. Dispositif selon la revendication 2, ou l'ensemble de la revendication 2 et de l'une des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait que la couche isolante extérieure (21) de la paroi flexible (7) est en matière élastomère et liée à une face de l'électrode (10) éloignée de la chambre de travail. 8. Dispositif selon la revendication 2, ou l'ensemble de la revendication 2 et de l'une des revendications 3 à 7, caractérisé par le fait que les électrodes (9,10) sont réalisées par métallisation de la couche isolante adjacente (12, 21). 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'élément plat (8) est inséré dans la couche diélectrique (11) . 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par 20 le fait que l'orifice d'entrée (3) de la chambre de travail (2) est situé d'un côté de la paroi flexible (7) tandis qu'un passage de sortie (20) débouche du côté opposé. 11. Dispositif selon la revendication 2, ou l'ensemble de la revendication 25 2 et de l'une des revendications 3 à 10, caractérisé par le fait qu 'il comprend un oscillateur de puissance (G), en particulier de type Colpitts, aux bornes duquel sont branchées les électrodes (9, 10) entourant 1' élément piézo-électrique (8). 12. Membrane multicouche (A) caractérisée par le fait qu'elle comporte une pluralité de dispositifs de pompage selon l'une des revendications 1 à 11, disposés de manière à pouvoir travailler en parallèle, les orifices d'entrée (3, 3a, 3b...) étant tous situés d'un même côté de la membrane (A) tandis que des passages de sortie (20, 20a, 20b,...) débouchent du côté opposé. 13. Membrane selon la revendication 12, caractérisée par le fait que les chambres de travail (2, 2a, 2b,...) de chaque dispositif de pompage sont disposées suivant une matrice à colonnes et rangées orthogonales. 14. Servomoteur d'assistance pneumatique pour installation de freinage de véhicule automobile, comprenant une enveloppe rigide (23) traversée par une tige (24) constituant un organe de commande manuelle, cette enveloppe étant séparée intérieurement en deux chambres (26a, 26b) par une cloison (27) mobile suivant la direction de l'axe de la tige, la cloison 10 comprenant une jupe rigide (27a), munie d'ouvertures (27c), fixée à la tige et reliée suivant son contour extérieur à la paroi intérieure de l'enveloppe par un soufflet (27b) en matière souple déformable, caractérisé par le fait qu'une membrane (A) selon la revendication 12 ou 13 est appliquée et maintenue contre la jupe rigide (27a), et qu'une 15 commande (G, C9, C10) des électrodes de la membrane (A) est prévue pour assurer une assistance par augmentation de la pression d'air dans une chambre (26b) du servomoteur.