Brevet FR2835901A1 — publié le 20030815

Le secteur technique de la présente invention est celui des dispositifs du type vanne et plus particulièrement celui des dispositifs de régulation de débit pour fluides de toute nature tels que l'eau, le carburant ou encore le gaz. Par exemple, dans un domaine particulier comme celui de l'aéronautique, les systèmes de régulation des fluides se doivent d'être de plus en plus performants pour répondre aux caractéristiques techniques requises. Ces dispositifs de régulation sont notamment utilisés pour la régulation du débit d'air d'alimentation et d'extraction des caissons d'altitude, du débit de carburant, du débit d'injection pour les grilles de givrage, du débit d'air de prélèvement moteur ou encore du débit d'eau dans le circuit de refroidissement. Dans ce domaine pouvant être apparenté à celui de la robinetterie, de multiples réalisations ont déjà été proposées. Il existe en effet dans l'art antérieur un nombre très important de dispositifs de régulation de débit du type vanne, ces derniers pouvant être catégorisés selon leur réalisation technique en différents groupes parmi lesquels on compte ceux des vannes à pointeau, des vannes à papillon ou encore des vannes à boisseau. Malgré la pluralité de réalisations existantes, la solution à de nombreux inconvénients n'a toujours pas été présentée, particulièrement pour des vannes destinées à supporter des fluides les traversant à des vitesses et pressions très importantes comme cela est souvent le cas dans le domaine de l'aéronautique. Parmi ces inconvénients, on trouve de fortes perturbations aérodynamiques de l'écoulement en aval de la vanne, de grandes difficultés à réguler un écoulement amont du type supersonique, la nonlinéarité de la réponse de la vanne ou l'absence de contrôle sur la vitesse et la précision de la régulation. De l'art antérieur est également connu les vannes à diaphragme qui répondent à certains critères techniques évoqués ci-dessus en ne déviant que très peu la trajectoire du fluide, mais ce type de vannes ne permet pas, du fait de sa structure composée notamment de flancs pouvant se déployer en porte-à-faux, de supporter de fortes pressions comme celles traversant les vannes utilisées dans le domaine de l'aéronautique. De plus, des perturbations aérodynamiques sont toujours présentes en raison de la géométrie du passage qui, quelque soit le nombre de flancs utilisé, ne permet pas d'obtenir un cercle parfait sur l'intégralité de la course. Le but de la présente invention est donc de remédier aux inconvénients cités ci-dessus en réalisant un dispositif du type vanne pouvant être utilisé dans tout domaine, et permettant de véhiculer toute sorte de fluide. Pour ce faire, l'invention a pour objet un dispositif du type vanne muni de moyens de réglage et comportant en outre un corps creux tel qu'un carter ayant deux extrémités cylindriques opposées d'axes respectifs (x) et (y) parallèles entre eux, chacune de ces extrémités étant destinée à coopérer avec un conduit cylindrique, ce dispositif présentant, suivant l'action voulue effectuée sur les moyens de réglage, un passage unique permettant de passer d'une extrémité à l'autre et dont la section est un disque de surface variable, caractérisé en ce que ce dispositif comporte dans le corps creux un tore d'axe (z) parallèle aux axes (x) et (y) et fixé de manière à ce que le passage unique permettant de passer d'une extrémité à l'autre du dispositif se situe à l'intérieur de ce tore, ainsi qu'un nombre n de rouleaux de forme identique pilotés par les moyens de réglage et situés de telle sorte que leur assemblage sur le tore permette à la fois l'étanchéité entre ce dernier et la face intérieure de ces rouleaux, ainsi que le déplacement de ces rouleaux autour dudit tore, ces rouleaux étant réalisés de façon à ce que pour une position quelconque donnée des rouleaux par rapport au tore : (a) l'intersection entre le plan médian dudit tore et la surface extérieure de chacun des rouleaux corresponde à un arc de cercle de rayon r étant identique à celui voulu pour le passage, de centre identique à celui du tore et de longueur S étant égale au produit du rayon r par l'angle alpha défini selon la relation alpha = 2*pi/n, et que (b) tout point de l'un quelconque des rouleaux n'appartenant pas à l'arc de cercle se situe à une distance de l'axe (z) étant strictement supérieure à r. Ce dispositif présente l'avantage d'offrir une régulation linéaire tout au long de la course, à savoir une proportionnalité entre la position de l'obturateur et la perte de charge du fluide. De plus, de part le passage présentant un cercle parfait, ce dispositif présente en sortie du système une très bonne homogénéité des vitesses et des pressions du fluide, retardant ainsi l'apparition des phénomènes de vibration et de bruit. Un autre avantage de la présente invention est de conserver une vanne à haut débit tout en assurant un fort taux de détente et une régulation précise sur l'intégralité de la course, notamment dans le cas d'un écoulement amont du type supersonique. Enfin, ce dispositif est avantageusement conçu pour assurer l'imbouchabilité du système. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description détaillée, non limitative, ci-dessous. Cette description sera faite notamment au regard des dessins annexés parmi lesquels : - les figures 1A à 1D représentent des vues de face schématiques explicitant la forme des faces extérieures des rouleaux utilisés dans le dispositif selon l'invention, - les figures lE à IH représentent respectivement des vues en coupe transversale des figures 1A à lD, - les figures 2A et 2B représentent respectivement une vue en coupe longitudinale et une vue de face du dispositif du type vanne selon l'invention en position ouverte dont la diamètre correspond au diamètre nominal de la tuyauterie, - les figures 3A et 3B représentent respectivement une vue en coupe longitudinale et une vue de face du dispositif du type vanne selon l'invention en position fermeture pleine, - la figure 4 représente une vue de face de l'assemblage tore-rouleaux utilisé dans le dispositif selon l'invention, - la figure 5 représente une vue en coupe de la figure 4 prise selon le plan A-A. le principe de cette invention se trouve dans la conception de la vanne basée sur l'utilisation d'un obturateur qui permet de faire varier de façon strictement continue, la section de passage du fluide, de façon circulaire, et ceci de la pleine fermeture jusqu'à une ouverture correspondant au diamètre nominal de la tuyauterie. En référence aux figures 2A, 2B, 3A et 3B, nous pouvons voir un dispositif 1 du type vanne comprenant plusieurs éléments. Celui-ci est d'abord constitué d'un corps creux 4 du type carter ayant deux extrémités cylindriques SA et 5B d'axes respectifs (x) et (y) parallèles entre eux. Ces extrémités sont destinées à coopérer avec le reste du système en étant rattachées à des conduits hydrauliques de diamètre intérieur identique. Selon un mode particulier de l'invention, ces axes sont confondus ; c'est en effet dans cette configuration que les pertes de charges sont les plus minimisées. Pour passer de l'une des extrémités à l'autre, le dispositif est tel que le fluide doit emprunter un passage unique 6, dont la section correspond à un disque de surface variable. A l'intérieur du carter 4, se situe un tore 7 d'axe (z) parallèle aux autres axes (x) et (y) des extrémités SA et 5B, cet axe (z) étant, selon une réalisation préférentielle de l'invention, confondu avec les axes (x) et (y). Ce tore 7 est fixé à l'intérieur du carter 4 de manière à ce que le passage unique 6, pour permettre au fluide de passer d'une extrémité à l'autre, se situe à l'intérieur de ce tore 7. L'intérieur du tore 7 doit être interprété comme signifiant l'espace vide encerclé par ledit tore, et non par le tore lui-même et son volume propre. On peut par conséquent concevoir des moyens de fixation du tore sur le carter remplissant également la fonction d'obturation de tout autre passage permettant de relier les deux extrémités, autre que celui correspondant à l'espace intérieur défini par la géométrie spécifique du tore. Toujours en référence aux figures 2A, 2B, 3A et 3B, le dispositif selon l'invention comprend une pluralité de rouleaux 8 coopérant avec le tore 7. Ce sont ces rouleaux 8, au nombre de n, qui par leur forme identique et spécifique permettra d'obtenir une section pour le passage unique 6 du type disque de surface variable. Ces rouleaux 8 sont montés sur le tore 7 de telle sorte que leur assemblage permette d'assurer une double fonction. Notons tout d'abord la première partie de la fonction qui correspond à l'étanchéité entre lesdits rouleaux 8 et le tore 7. Cela est essentiel pour le contrôle du débit de la vanne ; la moindre partie non-étanche entre le tore et les rouleaux viendrait à permettre au fluide de passer d'une extrémité à l'autre sans emprunter le passage unique 6, entraînant ainsi l'imprécision dans le réglage de la vanne pouvant aller jusqu'à la détérioration totale de celle-ci. Cette étanchéité est donc réalisée au niveau des faces intérieures 8A des rouleaux 8, ces faces étant la partie en contact des rouleaux avec le tore 7. La seconde partie de la fonction de l'assemblage est celle du déplacement des rouleaux 8 par rapport au tore 7. C'est en effet ce déplacement qui rendra possible la variation de la surface du passage unique en forme de disque. C'est donc dans le positionnement de ces rouleaux ainsi que dans leur forme propre que l'invention trouve tout son fondement. Ces derniers sont réalisés de telle sorte que pour une position quelconque donnée par rapport au tore, ils remplissent les caractéristiques suivantes : - en référence à la figure 5 et l'indication de ce qui est considéré comme le plan médian 9 du tore 7, l'intersection entre ce plan médian 9 et la surface extérieure 8B de chacun des rouleaux 8 correspond à un arc de cercle de rayon r étant identique à celui du passage voulu, cet arc de cercle ayant un centre identique à celui du tore 7 et présentant une longueur S égale au produit du rayon r par l'angle alpha défini selon la relation alpha = 2*pi/n, n étant le nombre de rouleaux 8, tout point de l'un quelconque des rouleaux 8 n'appartenant pas à l'arc de cercle se situe à une distance de l'axe (z) étant strictement supérieure à r. En d'autres termes, ces rouleaux 8 sont tous positionnés de la même manière sur le tore, et adoptent toujours la même position angulaire par rapport au plan médian 9 du tore 7 quelque soit l'endroit de la course où ils se trouvent. De plus, il doit être clair à la vue des caractéristiques techniques de ces rouleaux que ceux-ci présentent une forme tout à fait particulière qui leur permet à chacun, au niveau du plan médian et quelque soit le niveau de la course, d'avoir sur la face extérieure 8B un arc de cercle de rayon r et correspondant à la nième partie d'un cercle de rayon r : cet agencement aboutit alors à l'obtention d'un disque parfait en guise de passage unique 6, permettant d'obtenir les résultats escomptés. Enfin, il est à noter que le fait que l'arc de cercle en question soit la partie du rouleau qui soit la plus proche en distance de l'axe (z), non plus au niveau du plan médian 9 mais tout le long de l'axe (z), traduit le fait que le passage unique 6 formé par la surface extérieure 8B de ces rouleaux 8 n'est obturé par aucun autre élément de ces rouleaux ; il n'y a donc aucune perturbation dans l'écoulement du fluide. En référence aux figure 1A à 1H, il est proposé une explication schématique permettant de mieux comprendre la forme à donner aux faces extérieures 8B des rouleaux 8. Pour ce, il est représenté deux rouleaux cylindriques 11 et 12 en contact l'un avec l'autre et tournant donc dans des sens opposés. Après chaque rotation des rouleaux d'un angle infiniment petit, on réalise dans l'axe perpendiculaire à l'axe des rouleaux et au niveau du plan ou se situait la droite initiale de contact entre lesdits rouleaux 11 et 12, un perçage en augmentant le diamètre du foret (13) d'une valeur également infiniment petite. C'est ainsi que l'on retrouve les arcs de cercle de rayon r, partant d'une valeur nulle et augmentant de manière croissante jusqu'à obtenir un arc de cercle de rayon correspondant au rayon nominal de la tuyauterie. L'invention décrite présente un nombre n de rouleaux 8. Ce nombre n'est pas fixe et dépend de différents paramètres comme le type de déplacement adopté entre le tore 7 et les rouleaux 8, ou encore selon le paramètre des dimensions de la vanne. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le déplacement des rouleaux 8 autour du tore 7 est une rotation. Cette rotation est permise grâce à la réalisation d'usinages cylindriques sur le tore. Ces usinages vont donc avoir une surface complémentaire à celle des faces intérieures 8A des rouleaux, qui sont par conséquent elles aussi cylindriques pour permettre une rotation de ces rouleaux dans les usinages cylindriques, doublée d'une étanchéité entre les différents éléments. On réalise donc autant d'usinages que de rouleaux n, ces usinages cylindriques ayant tous un axe perpendiculaire à l'axe (z). Dans une configuration comme celle indiquée ci-dessus, on se rend naturellement compte que le nombre n sera directement dépendant du nombre d'usinages cylindriques que l'on pourra effectuer dans le tore, ce nombre pouvant fluctuer selon les dimensions du tore. Il n'y a donc aucune restriction dans la couverture de l'invention quant au nombre de rouleaux 8 à utiliser, pour autant qu'ils soient au moins au nombre de deux. Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, le nombre de rouleaux utilisé est de trente-six. Ce dispositif 1 comporte également des moyens de réglage 2,3 et 10 permettant d'agir directement sur le diamètre de passage unique 6. Dans le mode de réalisation particulier où le déplacement des rouleaux 8 sur le tore 7 est une rotation, ces moyens de réglages comportent un moteur 2 pouvant être piloté par l'utilisateur et étant relié à un système d'engrenages 3 par l'intermédiaire d'un axe 10. Le système d'engrenage pourrait bien entendu être remplacé par un système d'entraînement par friction ou tout autre système ayant la même fonction. Ce système d'engrenage 3, comme on peut l'apercevoir sur les figures 2A, 2B, 3A et 3B, peut se situer dans une partie du tore 7 évidée, et assure le contact avec au moins l'un des rouleaux 8. Il n'est en effet pas exclu d'avoir plusieurs contacts entre le système d'engrenage 3 et les rouleaux 8, mais le contact entre ces derniers permet, soit par friction soit par engrènement, de s'entraîner les uns avec les autres, et donc de garder un position angulaire par rapport au plan médian 9 du tore 7 étant toujours identique. Notons pour des raisons de clarté que dans le cas où la face intérieure 8A d'un rouleau 8 est entraînée par le système d'engrenage 3, il faut alors comprendre comme surfaces complémentaires , deux surfaces engrenant l'une avec l'autre. Enfin, l'entraînement des rouleaux les uns avec les autres est possible grâce aux contacts entre ces rouleaux 8 qui se situent au niveau du plan médian 9, niveau correspondant à l'endroit où ces derniers forment un cercle parfait. L'application de ce type de dispositif est donc multiple et convient aux exigences de différents domaines techniques. On peut citer comme exemple l'application de ce dispositif pour obtenir des injecteurs réglables, des vannes pour système de propulsion du type turbine à eau, des cols soniques à géométrie variable, des systèmes stabilisateurs de flammes, des pompes volumiques, des diaphragmes optiques, des appareils de dosage, des organes de dosage, etc. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier au dispositif qui vient d'être décrit, uniquement à titre d'exemple non-limitatif, sans sortir du cadre de protection défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1-Dispositif (1) du type vanne muni de moyens de réglage (2,3) et comportant en outre un corps creux (4) tel qu'un carter ayant deux extrémités cylindriques (5A, 5B) opposées d'axes respectifs (x) et (y) parallèles entre eux, chacune de ces extrémités étant destinée à coopérer avec un conduit cylindrique, ce dispositif (1) présentant, en fonction de l'action effectuée sur les moyens de réglage (2,3), un passage unique (6) permettant de passer d'une extrémité à l'autre et dont la section est un disque de surface variable, caractérisé en ce que ce dispositif (1) comporte dans le corps creux (4) un tore (7) d'axe (z) parallèle aux axes (x) et (y) et fixé de manière à ce que le passage unique (6) permettant de passer d'une extrémité à l'autre du dispositif (1) se situe à l'intérieur de ce tore (7), ainsi qu'un nombre n de rouleaux (8) de forme identique pilotés par les moyens de réglage (2,3) et situés de telle sorte que leur assemblage sur le tore (7) permette à la fois l'étanchéité entre ce dernier et la face intérieure (8A) de ces rouleaux, ainsi que le déplacement de ces rouleaux autour dudit tore (7), ces rouleaux (8) étant réalisés de façon à ce que pour une position quelconque donnée des rouleaux par rapport au tore (7) : (a) l'intersection entre le plan médian (9) dudit tore (7) et la surface extérieure (8B) de chacun des rouleaux (8) corresponde à un arc de cercle de rayon r étant identique à celui voulu pour le passage (6), de centre identique à celui du tore (7) et de longueur S étant égale au produit du rayon r par l'angle alpha défini selon la relation alpha = 2*pi/n, et que (b) tout point de l'un quelconque des rouleaux (8) n'appartenant pas à l'arc de cercle se situe à une distance de l'axe (z) étant strictement supérieure à r ; 2-Dispositif (1) du type vanne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les axes (x), (y) et (z) respectivement des extrémités (5A, 5B) et du tore (7) sont confondus ; 3-Dispositif (1) du type vanne selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le déplacement des rouleaux (8) autour du tore (7) est une rotation de ces rouleaux effectuée par l'intermédiaire de n usinages cylindriques réalisés sur le tore (7) et destinés à recevoir les rouleaux (8), ces usinages ayant une surface cylindrique d'axe perpendiculaire à l'axe (z) du tore et étant complémentaire à la surface des faces intérieures (8A) des rouleaux (8) ; 4-Dispositif (1) du type vanne selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de réglages (2,3, 10) comprennent en outre un moteur (2) relié à un système d'engrenages (3) par l'intermédiaire d'un axe 10, ce système d'engrenages (3) entraînant au moins l'un quelconque des rouleaux (8), la rotation des rouleaux (8) n'étant pas en contact direct avec le système d'engrenages (3) étant réalisée par friction ou engrainement entre lesdits rouleaux (8) ; 5-Dispositif (1) du type vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de rouleaux (8) n est de trente-six.