Brevet FR2879681A1 — publié le 20060623

La présente invention concerne un élément thermostatique du type comportant une coupelle de forme allongée contenant une matière notablement dilatable et contractile en fonction du sens de variation de sa température, et un piston mobile par rapport à la coupelle dans la direction longitudinale de celle-ci et couplé à la matière dilatable et contractile pour se déplacer en sens opposés selon que la matière se dilate ou se contracte. L'invention concerne également une cartouche et un robinet thermostatique équipé d'un tel élément. De tels éléments thermostatiques sont utilisés notamment dans le domaine du réglage de la température d'un fluide issu du mélange de deux courants de fluide à des températures différentes, le mouvement relatif du piston et de la coupelle étant mis en oeuvre pour modifier la proportion du mélange des deux courants de fluide. C'est notamment le cas dans les cartouches de robinet mitigeur et dans les robinets mitigeurs. Pour un grand nombre d'applications dans ce domaine, il est nécessaire que la réponse de l'élément thermostatique soit très rapide, c'est-à-dire que la modification de la température du milieu dans lequel se trouve la coupelle entraîne à très bref délai un mouvement correspondant du piston. Cela est particulièrement le cas pour les éléments thermostatiques plongés dans un courant d'eau d'alimentation d'une installation sanitaire, application pour laquelle, une température idéale étant sélectionnée, une baisse de température de trois ou quatre degrés seulement est très désagréable, et une augmentation de quelques degrés peut être la cause de brûlures. Les éléments thermostatiques utilisés classiquement dans ce type d'application comportent, par 35 exemple conformément aux figures 1 et 2, une coupelle métallique 1 ayant une partie courante tubulaire 11 présentant une forme générale cylindrique à base circulaire et d'axe longitudinal X-X. Une extrémité de fond 12 ferme cette partie 11 tandis que l'extrémité opposée s'épanouit pour se raccorder à une collerette 13. Un fourreau 2, ayant une forme de révolution avec un canal central 21, comprend une embase 22 logée dans la collerette de la coupelle de telle sorte qu'hormis l'embase 22, le fourreau 2 s'étend hors de la coupelle en direction opposée à la partie cylindrique 11 de celle-ci, et coaxialement. La collerette 13 est sertie autour de l'embase 22. La partie tubulaire 11 de la coupelle est emplie d'une masse de matière qui est très dilatable et contractile en fonction des variations de température, notamment autour d'une température fonctionnelle, ici une masse de cire 3. L'embase 22 du fourreau comporte dans sa face qui est en vis-à-vis de cette masse de cire, un logement annulaire 23 dans lequel est ancrée la périphérie d'un diaphragme 4 en forme de disque et déformable élastiquement, obturant le canal central 21 du fourreau du côté de la coupelle 1. A l'intérieur du canal 21 du fourreau, est logé un piston 5 assujetti aux mouvements de la région centrale du diaphragme, l'extrémité de ce piston opposée au diaphragme étant plus ou moins en saillie hors du fourreau en fonction du volume occupé par la cire, donc de la température de celle-ci. Un soufflet tubulaire 6 de protection entoure une partie du fourreau 2 et du piston 5, ses extrémités étant immobilisées dans des gorges creusées dans le pourtour de ces deux pièces. Ce soufflet 6, sous la forme d'une membrane souple à déroulement, suit les mouvements du piston sans déformation plastique. Le piston 5 est assujetti aux mouvements de la région centrale du diaphragme 4 par l'intermédiaire d'un tampon 7 en élastomère déformable en contact contre la surface du diaphragme opposée à la masse de cire et d'une rondelle 8 en polymère tel que du PTFE insérée entre le tampon et le piston et ajustée dans le canal 21 pour empêcher le fluage de l'élastomère du tampon autour du piston. La conception générale de ces éléments thermostatiques est bien adaptée à l'utilisation d'une cire dont le coefficient de dilatation est très important par rapport à celui des fluides communs (environ 10 à 20 fois supérieur) et ainsi susceptible de provoquer un mouvement très ample du piston. Malheureusement, ces cires ont une très faible conductibilité thermique (environ 1000 fois inférieure à celle du cuivre), et ainsi la température de la masse entière de la cire ne reflète qu'imparfaitement et avec un grand retard celle du fluide qui baigne la coupelle. Pour cette raison, la cire est généralement chargée d'une poudre en matière présentant une bonne conductibilité thermique, par exemple une poudre de cuivre de granulométrie appropriée. Par simplification, dans la suite, on désignera par cire aussi bien les matières chargées que les mélanges non chargés et les cires à composant unique. Cependant, tous ces artifices sont insuffisants pour obtenir un élément thermostatique à réponse rapide utilisable sans précaution particulière dans une installation sanitaire. Pour remédier en particulier à cet inconvénient, on a proposé, notamment dans FR-A-2 775 780 et EP-A- 0 967 536, de rapporter, à l'intérieur de la coupelle de l'élément thermostatique, un insert métallique en contact avec la paroi périphérique de la coupelle. Cet insert est par exemple positionné dans la coupelle 1 des figures 1 et 2, en contact avec la partie 11 et/ou le fond 12. De la sorte, la chaleur de la paroi périphérique de la coupelle est transmise plus rapidement à l'insert métallique interne qu'à la cire, cette dernière étant alors chauffée par l'insert en complément de son chauffage par la paroi périphérique de la coupelle. Cependant, la mise en place d'un tel insert rapporté se révèle être une opération complexe, qui nécessite une attention particulière pour s'assurer d'un contact suffisant et stable entre l'insert et la paroi externe de la coupelle pour transmettre efficacement la chaleur de la coupelle jusqu'à l'insert. Le but de la présente invention est d'apporter une solution alternative à la présence d'un insert rapporté tel qu'évoqué ci-dessus et de proposer un élément thermostatique à réponse rapide qui soit plus fiable et de fabrication plus simple. A cet effet, l'invention a pour objet un élément thermostatique, comportant une coupelle contenant une matière dilatable et contractile en fonction du sens de variation de sa température, et un piston mobile par rapport à la coupelle suivant une direction axiale de celle-ci et couplé à la matière dilatable et contractile pour se déplacer en sens opposés selon que la matière se dilate ou se contracte, caractérisé en ce que la coupelle est réalisée d'une seule pièce métallique dans laquelle sont délimitées au moins deux cavités internes de réception d'au moins une partie de la matière dilatable et contractile. L'utilisation de la pièce métallique d'un seul tenant pour recevoir la matière dilatable et contractile simplifie l'obtention de l'élément thermostatique puisque aucune opération de mise en place d'un insert rapporté et de solidarisation de cet insert n'est nécessaire. En outre, les parois de la coupelle délimitant les cavités sont raccordées à la face extérieure de la coupelle par une continuité de matière métallique, ce qui assure une conduction thermique optimale entre l'extérieur de la coupelle en contact avec le milieu ambiant et la matière stockée dans les cavités. De plus, à l'usage, la tenue en service de l'élément thermostatique selon l'invention est meilleure que celle d'un élément thermostatique à insert rapporté, les zones de contact entre cet insert et la paroi périphérique de la coupelle risquant, à la longue, d'être altérées alors que, avec l'élément selon l'invention, la matière métallique constituant la coupelle et délimitant les cavités est sollicitée thermiquement d'un seul tenant. Par rapport à l'élément thermostatique classique des figures 1 et 2, le flux thermique transmis, via la coupelle métallique d'une seule pièce, de l'extérieur de l'élément selon l'invention vers la matière dilatable et contractile répartie dans les cavités, est considérablement augmenté, réduisant significativement le temps de réponse de l'élément thermostatique selon l'invention. Suivant d'autres caractéristiques de cet élément 20 thermostatique, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: chaque cavité est borgne et débouche du côté de la coupelle tourné vers le piston; - chaque cavité s'étend en longueur suivant 25 une direction sensiblement parallèle à la direction axiale de la coupelle; - chaque cavité présente une forme globalement cylindrique à base circulaire; - la face latérale extérieure de la coupelle est essentiellement cylindrique dans une direction sensiblement parallèle à la direction axiale de la coupelle; - la forme essentiellement cylindrique de la face latérale extérieure de la coupelle est à base 35 circulaire; - la forme essentiellement cylindrique de la face latérale extérieure de la coupelle est ajustée sur la forme des cavités; - au moins 80 % de la matière dilatable et 5 contractile est stockée dans les cavités; - la coupelle est munie de nervures externes saillantes vers l'extérieur. L'invention a également pour objet une cartouche thermostatique ou un robinet thermostatique, muni d'un élément thermostatique tel que défini ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un élément thermostatique connu qui a été décrit plus haut; - la figure 2 est une coupe transversale de l'élément thermostatique de la figure 1, selon le plan 20 II-II de cette figure; - les figures 3, 5, 7 et 9 sont des vues analogues à la figure 1, de respectivement quatre formes différentes de réalisation d'un élément thermostatique selon l'invention; et - les figures 4, 6, 8 et 10 sont respectivement des coupes transversales des éléments thermostatiques des figures 3, 5, 7 et 9, selon respectivement les plans IV-IV, VI-VI, VIII-VIII et IX-IX de ces figures. L'élément thermostatique connu des figures 1 et 2 ayant été décrit plus haut, il ne sera pas détaillé ici de nouveau. Par commodité, les organes des éléments thermostatiques selon l'invention qui correspondent à des organes de l'élément connu portent les mêmes repères numériques. Comme l'élément thermostatique connu, les éléments thermostatiques représentés aux figures 3 à 10 sont destinés à équiper une cartouche de robinet ou un robinet thermostatique et comportent: une coupelle métallique 1 s'étendant le long d'un axe central X-X, ayant une partie courante 11 de forme allongée emplie d'une masse de matière essentiellement dilatable et rétractile 3, telle que de la cire, et munie, à une extrémité, d'une paroi transversale de fond 12 fermée tandis que l'extrémité opposée s'épanouit pour se raccorder à une collerette 13, et un fourreau 2 ayant une forme de révolution avec un canal central 21 et une embase 22 logée dans la collerette de la coupelle, la collerette 13 étant sertie autour de l'embase 22, et la coupelle et le fourreau s'étendant coaxialement suivant l'axe X-X dans des directions opposées. Les éléments thermostatiques des figures 3 à 10 comportent également un diaphragme 4 élastiquement déformable, un piston 5 assujetti au mouvement de la région centrale de ce diaphragme par l'intermédiaire d'un tampon 7, avec interposition d'une rondelle 8, ainsi qu'un soufflet de protection 6. Ces composants ne seront pas ici détaillés de nouveau puisqu'ils ont été présentés précédemment, en regard des figures 1 et 2. En s'intéressant maintenant aux différences par rapport à l'élément des figures 1 et 2, et en considérant plus en détail le mode de réalisation des figures 3 et 4, la coupelle 1 est réalisée d'une seule pièce qui délimite intérieurement quatre cavités cylindriques distinctes 14A, à l'intérieur desquelles est stocké l'essentiel de la cire 3, tandis qu'extérieurement, la coupelle présente une face latérale 11A sensiblement cylindrique à base circulaire, centrée sur l'axe X-X. Chaque cavité cylindrique 14A s'étend en longueur suivant une direction sensiblement parallèle à l'axe X-X. Latéralement, chaque cavité est fermée par une paroi constituée par la partie courante 11 de la coupelle métallique 1. De plus, chaque cavité 14A est fermée, à. une de ses extrémités longitudinales, par la paroi de fond 12 de la coupelle tandis qu'à leur extrémité opposée, les cavités 14A débouchent sur le diaphragme 4, axialement au niveau de la collerette 13. Avantageusement, plus de 80 %, voire de 90%, de la cire 3 est stockée dans les cavités 14A. Les cavités 14A sont par exemple creusées dans un fût métallique plein destiné à constituer, après finition, la coupelle 1, par usinage, matriçage ou analogue. En fonctionnement, lorsque l'élément thermostatique des figures 3 et 4 passe d'un premier état dit froid , dans lequel sa cire 3 présente une température homogène égale à la température 00 du milieu extérieur, tel que de l'eau mélangée en sortie d'une cartouche de robinet mitigeur, à un état échauffé résultant d'une augmentation soudaine de la température du milieu extérieur jusqu'à une valeur 01, un flux thermique se produit du milieu extérieur vers la coupelle 25 1 et de la coupelle 1 vers la cire thermodilatable 3, jusqu'à ce que, au bout d'une durée A, l'élément thermostatique, en particulier sa cire 3, atteigne une température homogène égale à la nouvelle température chaude 01 du milieu extérieur. La chaleur circule très rapidement dans tout le métal de la coupelle 1, notamment jusqu'aux parois de la coupelle délimitant les cavités internes 14A. La température de la cire 3 ayant augmentée de 00 à 01r elle se dilate et, comme l'ensemble coupelle 1/fourreau 2 n'est pas déformable, la cire 3 déforme, en se dilatant, le diaphragme 4 qui, à son tour, déforme le tampon 7, ce dernier translatant la rondelle 8 et le piston 5 dans le canal 21 du fourreau. Ainsi, une augmentation soudaine de la température du milieu extérieur entraîne la translation du piston 5 hors du fourreau 2, au bout de la durée A, appelée en pratique temps de réponse . Ce temps de réponse est d'autant plus court que le flux thermique vers la cire thermodilatable 3 est important. Comme le matériau de la coupelle 1 présente un bien meilleur coefficient de conduction thermique que celui de la cire, le flux thermique précité dépend essentiellement de la différence des températures 00 et 01r de la surface de contact entre la cire 3 et la coupelle et de la distance maximale, en coupe transversale, entre la coupelle et toute particule de la cire. Plus précisément, le flux thermique augmente avec la différence 00 - 01 et avec la valeur de la surface de contact tandis qu'il diminue avec la distance maximale coupelle/cire. Sur les figures 1 et 2, la surface de contact, indiquée en pointillés pour plus de visibilité, est notée S et la distance maximale coupelle/cire est notée e. Sur les figures 3 et 4, la surface de contact à considérer correspond à la somme des quatre surfaces élémentaires, notées SA, de contact entre les parois délimitant les quatre cavités 14A et la cire, et la distance maximale coupelle/cire est notée eA, étant remarqué que cette distance est la même au niveau de chaque cavité 14A. Avec l'élément thermostatique des figures 3 et 4, la somme des surfaces de contact SA est plus importante que la surface de contact S associée à l'élément thermostatique classique des figures 1 et 2, tandis que la distance eA est plus petite que la distance e, et ce pour un volume de cire et une longueur de coupelle identique. Le temps de réponse est donc considérablement plus court avec l'élément thermostatique des figures 3 et 4 qu'avec l'élément des figures 1 et 2. Dans la forme de réalisation des figures 5 et 6, la coupelle métallique 1 de l'élément thermostatique délimite intérieurement, comme aux figures 3 et 4, quatre cavités internes cylindriques 14B de réception de la majorité de la cire 3. A la différence des cavités 14A, la section transversale des cavités 14B n'est pas rigoureusement circulaire, mais forme un motif en goutte, dont la pointe est dirigée vers l'axe X-X. A la différence de la face latérale extérieure 11A de la coupelle des figures 3 et 4, la face latérale extérieure 11B de la coupelle 1 des figures 5 et 6 est ajustée sur la forme des cavités 14B, c'est-à-dire qu'en coupe transversale, elle présente un contour quadrilobé, globalement en forme de trèfle à quatre feuilles. Autrement dit, suivant la périphérie de la coupelle, l'épaisseur de métal entre la face 11B et la paroi opposée délimitant la cavité 14A correspondante est sensiblement constante. Dans le mode de réalisation des figures 7 et 8, la face latérale extérieure 11C de la coupelle 1 est globalement cylindrique à base circulaire, comme aux figures 3 et 4. En revanche, contrairement aux modes de réalisation des figures 3 à 6, la pièce métallique d'un seul tenant constituant la coupelle 1 des figures 7 et 8 ne délimite que deux cavités internes 14C de stockage de la cire 3. Ces deux cavités sont séparées l'une de l'autre par une cloison plane 15 qui s'étend dans un plan diamétral de la coupelle 1, en étant venue de matière avec le reste de la coupelle à la fois au niveau de la partie courante 11, ici tubulaire, et de la paroi de fond 12. Dans la forme de réalisation des figures 9 et 10, la coupelle 1, de partie courante extérieurement cylindrique à base circulaire, délimite intérieurement quatre cavités 14D de stockage de la cire 3. En coupe transversale, ces cavités ne présentent pas un contour circulaire ou en forme de goutte comme aux figures 4 et 6, mais correspondant à une portion de la section circulaire de la partie courante 11 de la coupelle 1. En effet, les cavités 14D sont délimitées par, en plus de la paroi tubulaire de la partie 11 et de la paroi de fond 12, par deux cloisons internes à la coupelle, analogues à la cloison 15 des figures 7 et 8 et venues de matière avec le reste de la coupelle, qui s'étendent respectivement suivant des plans diamétraux de cette coupelle, perpendiculaires l'un à l'autre. En outre, la partie courante 11 de la coupelle est munie de nervures 16 qui s'étendent en saillie, vers l'extérieur, de la face latérale 11D et qui sont destinées à être au contact du milieu extérieur à l'élément thermostatique. Le mode de réalisation des figures 9 et 10 se distingue par ailleurs des modes de réalisation précédents par le fait que sa coupelle 1 est plus courte suivant l'axe X-X. A titre d'exemple, la longueur de cette coupelle, c'est-à-dire sa dimension prise suivant l'axe X-X, est sensiblement égale à son diamètre. Divers aménagements et variantes aux éléments thermostatiques décrits ci-dessus sont bien entendu envisageables. En particulier, on peut prévoir notamment des formes de réalisation présentant des dimensions différentes, appropriées à l'application spécifique de l'élément thermostatique, et des formes de cavités très diverses. De même, diverses géométries de coupelles sont envisageables, avec des coupelles dont la face extérieure latérale présente davantage de plats, de dépressions et/ou de bombements ou dont =La longueur est plus faible que le diamètre. 13 REVENDICATIONS 1. Elément thermostatique, comportant une coupelle (1) contenant une matière (3) dilatable et contractile en fonction du sens de variation de sa température, et un piston (5) mobile par rapport à la coupelle suivant une direction axiale (X-X) de celle-ci et couplé à la matière dilatable et contractile pour se déplacer en sens opposés selon que la matière se dilate ou se contracte, caractérisé en ce que la coupelle (1) est réalisée d'une seule pièce métallique dans laquelle sont délimitées au moins deux cavités internes (14A; 14B; 14C; 14D) de réception d'au moins une partie de la matière dilatable et contractile (3). 2. Elément thermostatique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cavité (14A; 14B; 14C; 14D) est borgne et débouche du côté de la coupelle (1) tourné vers le piston (5). 3. Elément thermostatique suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque cavité (14A; 14B; 14C; 14D) s'étend en longueur suivant une direction sensiblement parallèle à la direction axiale (X-X) de la coupelle (1). 4. Elément thermostatique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque cavité (14A) présente une forme globalement cylindrique à base circulaire. 5. Elément thermostatique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face latérale extérieure (11A; 11B; 11C; 11D) de la coupelle (1) est essentiellement cylindrique dans une direction sensiblement parallèle à la direction axiale (X-X) de la coupelle. 6. Elément thermostatique suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la forme essentiellement cylindrique de la face latérale extérieure (11A; 11C; 11D) de la coupelle (1) est à base circulaire. 7. Elément thermostatique suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la forme essentiellement cylindrique de la face latérale extérieure (11B) de la coupelle (1) est ajustée sur la forme des cavités (14B). 8. Elément thermostatique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins 80 % de la matière dilatable et contractile (3) est stockée dans les cavités (14A; 14B; 14C; 14D). 9. Elément thermostatique suivant l'une 15 quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la coupelle (1) est munie de nervures externes (16) saillantes vers l'extérieur. 10. Cartouche thermostatique ou robinet thermostatique équipé d'un élément thermostatique conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.