Brevet FR2986301A1 — publié le 20130802

VANNE A BOULE MOTORISEE La présente invention concerne une vanne motorisée comportant un corps, au moins une entrée et une sortie, un obturateur présentant un orifice traversant et guidé en rotation pour libérer ou obturer un passage entre l'entrée et la sortie par la mise en relation ou non de l'entrée et de la sortie par l'intermédiaire de l'orifice traversant, et un actionneur pour commander la rotation de l'obturateur. Le contexte de l'invention est celui des automatismes électropneumatiques « proportionnels » pour l'industrie manufacturière et les industries de procédés, en particulier industries de l'emballage et du moulage sous pression et notamment injection soufflage, extrusion soufflage, extrusion gonflage et thermoformage. Cette invention peut être avantageusement étendue à des applications de modulation de puissance, au niveau du débit ou de la pression, de fluide liquide ou gazeux en général. Les brevets JP 4092174 et JP 9236182 décrivent des motorisations de vannes à boule faisant appel à des moteurs électriques synchrones ou asynchrones, mais associés soit à des réducteurs mécaniques, soit à des variateurs de fréquences. Ces techniques classiques et bien connues dans les industries de contrôle des fluides sont principalement dédiées aux vannes de diamètres de passage importants et présentent l'inconvénient d'être encombrantes, complexes, et d'un coût élevé, mais de fonctionnement relativement sûr. Le brevet W02007/064310 reprend d'ailleurs cet argumentaire par rapport à la solution qu'il propose d'une motorisation piézo-électrique. Le principe de motorisation retenu présente l'inconvénient de générer des ondes acoustiques hautes fréquences et harmoniques et nécessite un entrainement par friction entre le rotor et le stator de ce moteur. Ces ondes et ces vibrations peuvent être transmisses aux éléments mécaniques et d'étanchéité de la vanne, diminuant ainsi l'espérance de vie de ceux-ci. L'invention a donc pour but, surtout, de proposer une vanne motorisée qui pallie au moins partiellement les inconvénients évoqués ci-dessus et permette une ouverture et une fermeture de la vanne fiables et sans à-coups. De cette façon il est possible de moduler le débit d'un fluide, par exemple de l'air comprimé, de telle sorte que sur des volumes variables ou fixes, différentes dynamiques de mise sous pression puissent être obtenues et adaptées à l'application, par programmation de la vitesse de rotation de l'obturateur et de la position de celui-ci. Selon l'invention une vanne motorisée comportant un corps 1, au moins une entrée et une sortie, un obturateur présentant un orifice traversant et guidé en rotation pour libérer ou obturer un passage entre l'entrée et la sortie par la mise en relation ou non de l'entrée et de la sortie par l'intermédiaire de l'orifice traversant, et un actionneur pour commander la rotation de l'obturateur, est caractérisée en ce que l'actionneur est un moteur électrique pas à pas équipé d'un capteur de position et que ladite vanne motorisée est équipée d'un moyen de pilotage prévu pour commander le moteur électrique pas à pas lors de l'ouverture et de la fermeture de la vanne. La vanne peut comprendre deux flasques de raccordement enserrant avec une pression prédéterminée l'obturateur et le corps. La vanne peut comprendre deux sièges placés de part et d'autre de l'obturateur, entre l'obturateur et chaque flasque. Les deux flasques de raccordements peuvent être interchangeables et permettre l'adaptation à plusieurs diamètres de tubes de raccordement. Avantageusement au moins un flasque comporte au moins une rainure ou cavité permettant, par l'insertion d'étriers adaptés, la fixation de la vanne et/ou la fixation d'accessoires associés à la vanne motorisée. La vanne peut comprendre un moyen de couplage, disposé entre le moteur et l'obturateur, apte à maximiser les degrés de liberté au niveau des guidages de l'obturateur et de l'axe de rotation du moteur. La vanne peut être associée à au moins un sous ensemble électronique apte à générer des dynamiques programmables de remplissage de volumes fixes ou variables. La vanne peut également être associée à au moins un sous ensemble électronique apte à générer des dynamiques programmables de vidage de volumes fixes ou variables. Enfin la vanne peut également être associée à au moins un sous ensemble électronique apte à asservir ou réguler des débits en lignes. L'invention concerne également un dispositif hydropneumatique comprenant au moins une vanne telle qu'évoquée ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit avec référence aux dessins annexés mais qui n'a aucun caractère limitatif. Sur ces dessins : Fig. 1 est une coupe latérale d'une vanne selon l'invention, Fig. 2 est une coupe longitudinale de la vanne de Fig. 1, Fig. 3 est une coupe similaire à Fig. 2, le plan de coupe étant orthogonal au plan de coupe de Fig. 2, Fig. 4 est une vue en perspective d'une vanne selon l'invention, illustrant l'interchangeabilité et l'adaptabilité des flasques de raccordements, Fig. 5 est une vue similaire à Fig. 4, illustrant les formes particulières permettant la fixation ou l'association de la vanne motorisée avec des accessoires, Fig. 6 est une vue similaire à Fig. 4, illustrant la configuration mécanique générale de la vanne à boule motorisée, Fig. 7 est un schéma de la chaine d'actionnement de la vanne à boule motorisée et asservie en position et vitesse, et Fig. 8 est une représentation schématique d'un exemple de dynamiques de mise sous pression de volumes variables. En se référant à Fig. 1, 2 et 3 on peut voir que la vanne comprend un corps de vanne 1 recevant un obturateur à boule 2 enserré entre deux sièges 3 centrés sur des flasques de raccordement 4, l'ensemble étant rendu solidaire et étanche par quatre tirants 5. Cette solution originale permet un montage simple, sans moyen additionnel de réglage précis de la pression des sièges sur l'obturateur, celle-ci étant avantageusement obtenue par les seules dimensions d'assemblages tolérancées du corps, de l'obturateur, des sièges et de l'élasticité des deux joints d'étanchéité 6 des sièges. Dans ce mode de réalisation préféré de l'invention, les flasques de raccordements sont interchangeables et permettent l'adaptation de plusieurs diamètres de tubes de raccordements comme illustré Fig. 4. De plus, de par les formes particulières de rainures et de cavités sur la face avant de ces flasques, l'insertion d'étriers permet de fixer sur panneau la vanne motorisée ou encore d'associer des accessoires tels que filtres, régulateur de pression, lubrificateur, ou silencieux d'échappement. Les formes particulières, illustrées Fig. 5, consistent en des rainures en forme de T permettant la mise en place de deux vis 101. Ces deux vis 101 permettent le serrage de deux étriers 102 s'insérant dans les cavités adaptés des flasques de raccordements 4 assurant ainsi la tenue mécanique de la vanne motorisée si celle-ci est fixée sur panneau, ou la tenue et l'étanchéité par l'intermédiaire d'un joint 103 avec l'accessoire associé à la vanne motorisée. Dans ce même mode de réalisation préféré de l'invention les pièces de transmission du mouvement de l'arbre du moteur pas à pas à l'obturateur comprennent un système tenon et mortaise 7 intermédiaire entre l'obturateur et l'axe prolongateur 8 du moteur. Ce dispositif permet avantageusement de respecter les degrés de liberté de guidage entre l'obturateur et l'axe de rotation du moteur. En effet l'arbre moteur possède un système de guidage qui lui est propre. De même l'obturateur est guidé par un autre ensemble de guidage dimensionné pour encaisser les efforts notamment dus à la pression du fluide. L'axe moteur et l'obturateur ont donc des axes de rotation qui peuvent être légèrement différents. Par ailleurs il nécessaire d'éviter en particulier que les efforts axiaux supportés par l'obturateur ne soient transmis à l'arbre moteur. Ce même système tenon et mortaise est guidé et arrêté en translation par une bague intermédiaire 9 dans le corps de vanne. Une bride d'adaptation 10 permet la fixation du moteur pas à pas sur le corps de vanne. Un capteur de position 203 est fixé sur la partie supérieure du moteur pas à pas 202, lui même fixé de la manière décrite ci-dessus à la partie mécanique 201 de la vanne motorisée comme illustré Fig. 6. Le fonctionnement de la vanne est décrit ci-après. Le contrôle de l'énergie véhiculée par un fluide implique le contrôle des transferts de ce fluide, soit de la source de pression vers le processus, soit du processus vers l'atmosphère ou un réservoir à la pression atmosphérique en utilisant un ou plusieurs orifices de sections variables. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, on utilise un seul orifice variable, généré par l'orientation de l'orifice cylindrique intégrant l'obturateur à boule de la vanne motorisée. En conséquence le dispositif pourra se localiser indifféremment entre « source et processus » ou « processus et atmosphère », et constituera un modulateur de puissance fluidique en débit, faisant correspondre à la variable électrique d'entrée, c'est à dire le signal représentant la sortie désirée, à une section de passage. En outre la dynamique de variation du signal électrique entrainera une dynamique de variation de débit et, dans le cas du soufflage de matières plastiques, pour un soufflage dans un volume variable ou fixe une dynamique propre de variation de pression. Dans ce mode de réalisation préféré de l'invention, la structure de la chaine d'actionnement illustrée Fig. 7, découle de la nécessité de contrôler la section de passage de l'orifice variable. Il est alors nécessaire de prévoir : - Une partie électronique de commande apte à recevoir le signal électrique représentant la dynamique de sortie désirée, et le signal de retour en position donnée par le capteur fixé sur le moteur pas à pas. Cet ensemble électronique élabore un signal de vitesse obtenu à partir de variation de position en fonction du temps, et en se basant sur le signal d'entrée et les informations obtenues en retour de capteur, génère un signal de commande apte à piloter une électronique de puissance. - Une partie électronique de puissance apte à faire se mouvoir le moteur pas à pas dans la position et la dynamique désirée. - Un ensemble mécanique comprenant la vanne à boule motorisée telle que décrit précédemment. De nombreux types de dynamique de mise sous pression de volumes variables sont possibles et certains sont illustrés Fig 8 pour différents signaux d'entrée dans un temps de réponse de l'ordre de 200 ms. REVENDICATIONS1. Vanne motorisée comportant un corps (1), au moins une entrée et une sortie, un obturateur (2) présentant un orifice traversant et guidé en rotation pour libérer ou obturer un passage entre l'entrée et la sortie par la mise en relation ou non de l'entrée et de la sortie par l'intermédiaire de l'orifice traversant, et un actionneur pour commander la rotation de l'obturateur (2), caractérisée en ce que l'actionneur est un moteur électrique pas à pas équipé d'un capteur de position et que ladite vanne motorisée est équipée d'un moyen de pilotage prévu pour commander le moteur électrique pas à pas lors de l'ouverture et de la fermeture de la vanne. 2. Vanne motorisée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend deux flasques de raccordement (4) enserrant avec une pression prédéterminée l'obturateur (2) et le corps (1). 3. Vanne motorisée selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend deux sièges (3) placés de part et d'autre de l'obturateur (2), entre l'obturateur (2) et chaque flasque (4). 4. Vanne motorisée selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que les deux flasques de raccordements (4) sont interchangeables et permettent l'adaptation à plusieurs diamètres de tubes de raccordement. 5. Vanne motorisée selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que au moins un flasque (4) comporte au moins une rainure ou cavité permettant, par l'insertion d'étriers adaptés, la fixation de la vanne et/ou la fixation d'accessoires associés à la vanne motorisée. 6. Vanne motorisée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen de couplage, disposé entre le moteur et l'obturateur (2), apte à maximiserles degrés de liberté au niveau des guidages de l'obturateur (2) et de l'axe de rotation du moteur. 7. Vanne motorisée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est associée à au moins un sous ensembles électronique apte à générer des dynamiques programmables de remplissage de volumes fixes ou variables. 8. Vanne motorisée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est associée à au moins un sous ensemble électronique apte à générer des dynamiques programmables de vidage de volumes fixes ou variables. 9. Vanne motorisée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est associée à au moins un sous ensemble électronique apte à asservir ou réguler des débits en lignes 10. Dispositif hydropneumatique comprenant au moins une vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes ainsi qu'une partie électronique de commande apte à recevoir le signal électrique représentant la dynamique de sortie désirée et une partie électronique de puissance apte à faire se mouvoir le moteur pas à pas dans la position et la dynamique désirée.