Brevet FR2956451A1 — publié le 20110819

La présente invention appartient au domaine des actionneurs. Plus précisément, l'invention concerne un actionneur thermodynamique sensible à une variation de température et comportant un piston, l'actionneur ayant pour fonction essentielle d'exercer une poussée pour déplacer un objet en faisant émerger le piston. Une application privilégiée de l'actionneur selon l'invention concerne le formage à chaud de pièces métalliques ou composites de grandes dimensions. Certains actionneurs classiques, qu'ils soient hydrauliques, thermiques ou autres, sont destinés à fonctionner à température ambiante et à basse température. D'autres sont destinés à fonctionner à température ambiante et à haute température, généralement inférieure à 473K (200°C). Il n'existe actuellement pas d'actionneurs qui fonctionnent à des températures très élevées, supérieures à 473K. Les actionneurs utilisés à de telles températures sont généralement équipés de systèmes de refroidissement complexes. De tels ensembles actionneur/systèmes de refroidissement s'avèrent compliqués à mettre en place et à utiliser. En plus des contraintes liées aux variations de température, les actionneurs doivent exercer une force de poussée importante. La présente invention vise donc à proposer un actionneur permettant son utilisation pour des températures élevées, supérieures à 473K, capable de transmettre des efforts de l'ordre de 600 kilonewtons, et qui soit simple de mise en oeuvre. Pour cela, elle propose un actionneur thermodynamique comportant : une enveloppe externe comportant un évidement non traversant à une première extrémité de l'enveloppe, d'axe longitudinal XX', une chambre à volume variable, disposée dans ledit évidement, ladite chambre à volume variable étant apte à subir une augmentation progressive de volume principalement dans une direction d'application d'efforts XX', sous l'effet d'une élévation de température. Dans une première variante de réalisation de l'actionneur, la chambre à volume variable comporte : une enceinte comportant un volume de liquide, un piston en contact avec l'enceinte, ledit piston étant apte à coulisser dans ledit évidement dans la direction d'application des efforts XX'. L'augmentation de volume de l'enceinte est obtenue par une augmentation d'une pression interne dans l'enceinte, suite à l'élévation de température qui provoque un changement d'état du liquide contenu dans l'enceinte en vapeur ou gaz. Le liquide est par exemple de l'eau ou de l'azote. Dans un exemple de réalisation de l'enceinte, l'enceinte est réalisée dans un matériau à coefficient de dilatation thermique positif. Dans un autre exemple de réalisation de l'enceinte, l'enceinte est réalisée dans un matériau déformable élastiquement dans une gamme de température souhaitée pour le fonctionnement de l'actionneur. Dans un autre exemple de réalisation de l'enceinte, l'enceinte est réalisée dans un matériau déformable plastiquement dans une gamme de température souhaitée pour le fonctionnement de l'actionneur. Dans une deuxième variante de réalisation de l'actionneur, la chambre à volume variable comporte : un premier tronçon cylindrique, dit tronçon externe, de forme complémentaire à l'évidement, ledit tronçon étant fermé à une première extrémité longitudinale, du coté de la première extrémité de l'enveloppe, un second tronçon cylindrique, dit tronçon interne, formant piston, de diamètre extérieur sensiblement inférieur au diamètre intérieur du tronçon externe, ledit tronçon interne étant fermé à une première extrémité longitudinale située du coté opposé à la première extrémité longitudinale du tronçon externe, ledit tronçon interne étant apte à coulisser dans le tronçon externe dans la direction d'application des efforts XX'. L'augmentation de volume de la chambre à volume variable est obtenue par une augmentation d'une pression interne dans la chambre à volume variable, suite à une augmentation de la température provoquant un changement d'état du liquide contenu dans la chambre en vapeur, faisant coulisser le tronçon interne dans la direction XX'. La description détaillée de l'invention est faite en référence aux figures qui représentent : Figure 1, une vue en écorché de l'actionneur selon l'invention dans une position au repos, selon une première variante de réalisation de l'actionneur, Figure 2, une vue en écorché de l'actionneur selon l'invention dans une position déployée, selon la première variante de réalisation de l'actionneur, Figure 3, une coupe transversale de l'actionneur selon l'invention dans sa position au repos, selon une deuxième variante de réalisation de l'actionneur, Figure 4, une coupe transversale de l'actionneur selon l'invention dans sa position déployée, selon la deuxième variante de réalisation de l'actionneur, Figure 5, un exemple d'application d'un actionneur thermodynamique selon l'invention dans une presse chauffante. Un actionneur thermodynamique 1 selon une première variante de réalisation, représentée sur les figures 1 et 2, non limitative de l'invention comporte les éléments suivants : une enveloppe externe 10 sensiblement indéformable comportant un évidement central 11, d'axe de symétrie longitudinale XX', non traversant à une première extrémité 12 de l'enveloppe, l'axe de symétrie XX' correspondant à l'axe d'application des efforts selon lequel on désire commander un déplacement, une enceinte 20 disposée dans ledit évidement, du coté de la première extrémité 12 de l'enveloppe 10, ladite enceinte comportant un volume de liquide 21, un piston 30 disposée dans ledit évidement, en contact avec l'enceinte 20, ledit piston étant apte à coulisser dans l'évidement 11 selon l'axe d'application des efforts XX'. Dans la forme de réalisation préférée illustrée sur les figures 1 et 2, mais non limitative de l'invention, l'enveloppe 10, l'enceinte 20 et le piston 30 présentent sensiblement une forme cylindrique à section circulaire. L'enceinte 20 est réalisée de sorte à subir une augmentation progressive de son volume, sous l'effet d'une élévation de température. L'augmentation de volume de l'enceinte 20 est obtenue par une augmentation d'une pression interne dans l'enceinte, suite à une augmentation de la température provoquant un changement d'état du liquide contenu dans l'enceinte en vapeur ou gaz. De préférence, le liquide 21 contenu dans l'enceinte 20 est de l'eau ou de l'azote. L'augmentation du volume de l'enceinte 20 est réalisée de manière progressive, sous l'effet de la montée progressive de la température. La durée de la montée est fonction essentiellement de la vitesse de montée en température. Dans un exemple de réalisation de l'enceinte, ladite enceinte 20 est réalisée dans un matériau à coefficient de dilatation thermique positif. Dans un autre exemple de réalisation de l'enceinte, ladite enceinte 20 est réalisée dans un matériau déformable élastiquement sous l'effet de l'augmentation de la pression interne dans l'enceinte, dans une gamme de hautes températures souhaitée, par exemple de l'ordre de 873 à 973 K. Le matériau est par exemple un acier inoxydable ductile et non sensible à la corrosion, tel que l'inox 304, qui est déformable élastiquement pour une température inférieure à 800°C. Le matériau est de faible épaisseur, de préférence compris entre 0,5 à 1,5 mm. Dans les deux exemples de réalisation précédents, il y a réversibilité du processus. Lorsque la température et la pression reviennent à leurs conditions initiales, la vapeur redevient liquide, le matériau de l'enceinte revient dans sa forme initiale. Dans un autre exemple de réalisation de l'enceinte, ladite enceinte 20 est réalisée dans un matériau déformable plastiquement, dans la gamme de hautes températures souhaitée, par exemple de l'ordre de 873 à 973 K. Dans cet exemple de réalisation de l'enceinte, le processus est irréversible. Lorsque le matériau de l'enceinte est déformé plastiquement, il ne peut revenir dans sa forme initiale. L'enceinte 20 est à usage unique. Avantageusement, l'enveloppe 10 est réalisée dans un matériau et avec une épaisseur suffisante pour supporter les hautes températures de chauffage, de préférence supérieure à 473K, par exemple à de l'ordre de 873- 973°K et pour empêcher l'enceinte d'être déformée transversalement par la pression contenue dans l'enceinte, au repos et en fonctionnement. Dans un exemple de réalisation de l'enveloppe, l'enveloppe 10 est réalisée en acier réfractaire, avec une épaisseur de 20mm. Le chauffage des différents éléments de l'actionneur, assurant le fonctionnement de l'actionneur thermodynamique dans un premier sens, dit « d'extension », selon la direction XX', est réalisé par exemple soit par un échange de chaleur avec l'environnement, soit par des moyens de chauffage (non représentés) associés à l'enveloppe 10. Ces moyens de chauffage sont par exemple constitués par des résistances électriques ou par tout système analogue susceptible d'élever la température de l'enveloppe de manière contrôlée. De préférence, l'actionneur thermodynamique 1 comporte des moyens d'extraction (non représentés) de l'enceinte 20 et du piston 30 hors de l'enveloppe, par exemple lorsque le processus est irréversible, en vue du remplacement de l'enceinte déformée. Dans un exemple de réalisation des moyens d'extraction (non représentés), l'enveloppe 20 comporte au niveau de sa première extrémité 12, une perforation en direction de l'enceinte de sorte à permettre le passage d'une tige poussant l'enceinte et le piston dans la direction XX' jusqu'à leur extraction hors de l'évidement de l'enveloppe. Lorsque l'actionneur thermodynamique 1 selon l'invention est au repos, les différents éléments qui le constituent occupent la position illustrée sur la figure 1. De préférence, la pression interne dans l'enceinte 20 est de l'ordre de 105 Pa et la température ambiante est de l'ordre de 293 K. Dans une telle position, l'actionneur thermodynamique 1 présente avantageusement un encombrement réduit. L'actionneur thermodynamique 1 est chauffé progressivement à une température déterminée, jusqu'à une température élevée, de préférence supérieure à 473K, par exemple de l'ordre de 973 K. Lorsque la température atteint 373 K, le liquide 21 contenu dans l'enceinte 20 commence à se vaporiser et la pression interne de l'enceinte s'élève. A mesure que la température et la pression augmentent progressivement, l'enceinte 20 subit une augmentation progressive de son volume, principalement longitudinalement, provoquant un déplacement du piston 30, qui coulisse dans l'évidement, vers l'extérieur de l'actionneur, dans le sens d'extension, comme illustré sur la figure 2. On obtient ainsi une longueur de course Al importante pour l'actionneur thermodynamique 1 et une transmission d'efforts importante. Exemple Dans un exemple de réalisation, le liquide est de l'eau. L'enceinte présente une hauteur de 20mm, un diamètre de 80mm, et une masse d'eau comprise entre 10 et 70g. La longueur de course obtenue varie entre 15 et 30mm. La force de poussée mesurée est de 20T. Dans un mode amélioré de cette première variante de réalisation de l'actionneur thermodynamique, pour augmenter la longueur de course, la chambre à volume variable comporte deux enceintes ou plus, superposées les unes sur les autres, puis le piston. Ainsi la longueur de course totale correspond aux augmentations de volume de chaque enceinte. Ainsi, pour deux enceintes identiques contenant le même liquide, la longueur de course est multipliée par sensiblement par deux. Les enceintes peuvent contenir indifféremment le même liquide ou contenir des liquides différents. Un actionneur thermodynamique 1 selon une deuxième variante de réalisation, représentée sur les figures 3 et 4, non limitative de l'invention comporte : une enveloppe externe 50 indéformable comportant un évidement central 51 d'axe de symétrie longitudinale XX', non traversant à une première extrémité 52 de l'enveloppe, l'axe de symétrie XX' correspondant à l'axe d'application des efforts selon lequel on désire commander un déplacement, une chambre à volume variable, disposée dans ledit évidement, ladite chambre comportant deux parties 60, 70 imbriquées l'une dans l'autre et mobiles l'une par rapport à l'autre, entre une configuration initiale, au repos, et une configuration en fonctionnement, déployée. Sur la figure 3, la chambre à volume variable est dans la configuration au repos. Sur la figure 4, la chambre à volume variable est dans la configuration déployée. La chambre à volume variable comporte un volume de liquide 61. De préférence, le liquide est de l'eau ou de l'azote. La chambre à volume variable est apte à subir une augmentation progressive de son volume, sous l'effet d'une élévation de température, principalement dans une direction d'application d'effort XX'. La chambre à volume variable comporte plus précisément : un premier tronçon cylindrique, dit tronçon externe 60, de forme complémentaire à l'évidement 51, ledit tronçon étant fermé à une première extrémité longitudinale 62, du coté de la première extrémité 52 de l'enveloppe 50, un second tronçon cylindrique, dit tronçon interne 70, formant piston, de diamètre extérieur sensiblement inférieur au diamètre intérieur du tronçon externe 60, ledit tronçon interne étant fermé à une première extrémité longitudinale 71 située du coté opposé à la première extrémité longitudinale 62 du tronçon externe 60. Le tronçon interne est apte à coulisser dans le tronçon externe dans une direction d'application des efforts XX'. Dans la forme de réalisation préférée illustrée sur les figures 3 et 4, mais non limitative de l'invention, l'enveloppe 50, les tronçons externe 60 et interne 70 présentent sensiblement une forme cylindrique à section circulaire. L'augmentation de volume de la chambre à volume variable est obtenue par une augmentation d'une pression interne dans la chambre à volume variable, suite à une augmentation de la température provoquant un changement d'état du liquide contenu dans la chambre en vapeur, faisant coulisser le tronçon interne 70 dans la direction XX'. L'augmentation du volume de la chambre à volume variable est réalisée de manière progressive, sous l'effet de la montée progressive de la température. Dans un exemple de réalisation de la chambre à volume variable, la chambre est réalisée dans un matériau apte à supporter de préférence les hautes températures, supérieures à 473K, et pression. Avantageusement, l'enveloppe 50 est réalisée dans un matériau et avec une épaisseur suffisante pour supporter les hautes températures de chauffage, de préférence supérieures à 473K, par exemple de l'ordre de 873-973K et pour empêcher l'enceinte d'être déformée transversalement par la pression contenue dans l'enceinte, au repos et en fonctionnement. Le chauffage des différents éléments de l'actionneur, assurant le fonctionnement de l'actionneur thermodynamique 1 dans un premier sens, dit « d'extension », selon la direction XX', est réalisé par exemple soit par un échange de chaleur avec l'environnement, soit par des moyens de chauffage (non représentés) associés à l'enveloppe 50. Ces moyens de chauffage sont par exemple constitués par des résistances électriques ou par tout système analogue susceptible d'élever la température de l'enveloppe de manière contrôlée. De préférence, la chambre à volume variable comporte, entre le tronçon interne 70 et le tronçon externe 60, des moyens d'étanchéité (non représentés) destinés à assurer l'étanchéité entre les deux tronçons. Dans un exemple de réalisation des moyens d'étanchéité (non représentés), ces moyens d'étanchéité sont une lèvre annulaire radiale d'étanchéité. Dans un mode de réalisation de la chambre à volume variable, le tronçon externe 60 comporte une collerette interne de retenue ménagée en saillie radiale vers le tronçon interne 70, à une seconde extrémité longitudinale 63 du tronçon externe 60, et le tronçon interne 70 comporte une collerette externe ménagée en saillie radiale vers le tronçon externe 60, à une seconde extrémité longitudinale 72 du tronçon interne 70, de sorte à empêcher le tronçon interne 70 de s'échapper au delà du tronçon externe 60. Lorsque l'actionneur thermodynamique 1 selon l'invention est au repos, les différents éléments qui le constituent occupent la position illustrée sur la figure 3. De préférence, la pression interne dans la chambre à volume variable est de l'ordre de 105 Pa et la température ambiante est de l'ordre de 293 K. Dans une telle position, l'actionneur thermodynamique 1 présente avantageusement un encombrement réduit. L'actionneur thermodynamique 1 est chauffé progressivement à une température déterminée, jusqu'à une température élevée, de préférence supérieure à 473K, par exemple de l'ordre de 973 K. Lorsque la température atteint 373 K, le liquide contenu dans chambre à volume variable commence à se vaporiser et la pression interne de chambre à volume variable s'élève. A mesure que la température et la pression augmentent, on observe un déplacement du tronçon interne, qui coulisse dans le tronçon externe, vers l'extérieur de l'actionneur, dans le sens d'extension, comme illustré figure 4. On obtient ainsi une longueur de course Al importante pour l'actionneur thermodynamique 1 et une transmission d'efforts importante. Dans un exemple de réalisation, pour une température de 973°K, des estimations de forces de poussée de l'ordre de 600 à 1000KN et de longueurs 20 de course comprises entre 5 et 20mm ont été obtenues. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation qui viennent d'être décrites à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. Ainsi, si l'actionneur thermodynamique 1 selon l'invention présente avantageusement un axe de symétrie, cette disposition n'est pas essentielle. 25 Application Un tel actionneur, quelque soit la variante de réalisation, trouve particulièrement, mais non limitativement, application pour le formage à chaud de pièces composites ou métalliques, tels que le titane, de grandes dimensions dans des presses chauffantes. 30 Le formage à chaud consiste à déformer, à chaud, une pièce en matériau composite ou métallique, en utilisant une matrice de formage. Effectuer une déformation de la pièce au cours de la montée en température permet ainsi de ne pas endommager la pièce. La presse chauffante 9, comme illustrée figure 5, comporte un four comportant : - un plateau inférieur 91 portant une forme 911 correspondant au profil que l'on veut obtenir pour la pièce 3 à former, laquelle est placée sur cette forme, - un plateau supérieur 92 comportant au moins un actionneur thermodynamique 1. Chaque actionneur thermodynamique 1 est relié rigidement au niveau de la première extrémité 12, 52, de l'enveloppe 10, 50 au plateau supérieur 92 et le piston 30, 70 est en vis à vis à la pièce que l'on souhaite déformer selon l'axe XX'. Lorsque le four est mis sous pression et chauffé à très haute température, de préférence supérieure à 473K, par exemple de l'ordre de 873- 973K, la montée en température fait chuter les caractéristiques mécaniques de la pièce à former. Les actionneurs se dilatent pendant la montée en température et viennent appliquer, au moyen du piston 30, 70 la pièce contre la forme. L'actionneur selon l'invention présente ainsi l'avantage d'être utilisable dans des conditions de température élevée, d'être de constitution simple et d'un encombrement restreint. REVENDICATIONS1 - Actionneur thermodynamique (1) caractérisé en ce qu'il comporte : - une enveloppe externe (10, 50) comportant un évidement (11, 51) non traversant à une première extrémité (12, 52) de l'enveloppe, d'axe longitudinal XX', - une chambre à volume variable (20, 30, 60, 70), disposée dans ledit évidement, ladite chambre à volume variable étant apte à subir une augmentation progressive de volume principalement dans une direction d'application d'efforts (XX'), sous l'effet d'une élévation de température. 2 - Actionneur thermodynamique (1) selon la revendication 1 dans lequel la chambre à volume variable comporte : - une enceinte (20) comportant un volume de liquide (21), - un piston (30) en contact avec l'enceinte (20), ledit piston étant apte à coulisser dans ledit évidement dans la direction d'application des efforts (XX'). 3 - Actionneur thermodynamique (1) selon la revendication 2 dans lequel l'enceinte (20) est réalisée dans un matériau à coefficient de dilatation thermique positif. 4 - Actionneur thermodynamique (1) selon la revendication 2 dans lequel l'enceinte (20) est réalisée dans un matériau déformable élastiquement dans une gamme de température souhaitée pour le fonctionnement de l'actionneur. 5 - Actionneur thermodynamique (1) selon la revendication 2 dans lequel l'enceinte (20) est réalisée dans un matériau déformable plastiquement dans une gamme de température souhaitée pour le fonctionnement de l'actionneur. 6 - Actionneur thermodynamique (1) selon la revendication 1 dans lequel la chambre à volume variable comporte : - un premier tronçon cylindrique, dit tronçon externe (60), de forme complémentaire à l'évidement (51), ledit tronçon étant fermé à une première extrémité longitudinale (62), du coté de la premièreextrémité (52) de l'enveloppe (50), - un second tronçon cylindrique, dit tronçon interne (70), formant piston, de diamètre extérieur sensiblement inférieur au diamètre intérieur du tronçon externe (60), ledit tronçon interne étant fermé à une première extrémité longitudinale (71) située du coté opposé à la première extrémité longitudinale (62) du tronçon externe (60), ledit tronçon interne étant apte à coulisser dans le tronçon externe dans la direction d'application des efforts XX'.