Brevet FR3019615A1 — publié le 20151009

La présente invention concerne une électrovanne, et plus particulièrement mais non exclusivement une électrovanne pour la commutation d'air comprimé. Dans certaines applications, par exemple dans le domaine du tri, il est nécessaire de disposer d'électrovannes rapides présentant une haute densité d'énergie dans un encombrement limité. L'électrovanne doit être à commutation rapide, avec une largeur réduite et un débit élevé. Les solutions classiques à clapet, dans cet encombrement réduit, ne permettent pas d'obtenir une commutation rapide et un débit élevé avec une puissance de commande modérée. En effet, pour obtenir un débit élevé, la course du clapet doit être importante, ce qui nécessite une puissance élevée lorsque l'on souhaite obtenir une commutation rapide. Dans ce cas, la durée de vie de l'électrovanne est impactée par la vitesse élevée de déplacement de l'obturateur. Généralement, la technologie des électrovannes rapides miniatures repose sur l'utilisation d'un clapet directement actionné par un électroaimant. Cette technologie permet d'atteindre des temps de réponse réduits. Cependant, les performances en termes de débit restent limitées car elles sont liées à la section de passage et à la course, elles-mêmes liées à la puissance fournie par l'actionneur électromagnétic. De plus, le temps de réponse de l'électrovanne est fortement dépendant de la pression d'utilisation. Dans certaines électrovannes, la section de passage d'air du clapet est volontairement élevée afin de permettre une très faible course, pour un débit similaire et une vitesse de commutation élevée. Toutefois, dans ce cas, la dépendance à la pression est beaucoup plus élevée et il est nécessaire d'augmenter la puissance de l'actionneur électromagnétique. De plus, une très faible course impose une maîtrise des tolérances de fabrication des pièces, ce qui peut impacter fortement le coût du Une variante de cette technologie est le clapet équilibré en pression. Cela permet de réduire la dépendance du temps de réponse à la pression d'utilisation. Néanmoins, le débit n'est pas amélioré. L'invention vise à perfectionner encore les électrovannes afin de permettre une commutation rapide et un débit élevé, sous un encombrement et une puissance limités. L'invention a ainsi pour objet une électrovanne ayant une entrée et une sortie de fluide, notamment d'air comprimé, comportant: - un actionneur, - un obturateur entraîné par l'actionneur, mobile entre une position fermée s'opposant à un passage du fluide entre l'entrée et la sortie, et une position ouverte permettant le passage du fluide entre l'entrée et la sortie, l'obturateur présen . t au moins un orifice et se déplaçant au contact d'un siège présentant au moins un orifice correspondant, ce dernier se superposant au moins p 'ellement à l'orifice de l'obturateur quand celui-ci est en position ouverte et le siège obturant l'orifice de l'obturateur quand celui-ci est en position fermée. L'invention permet d'obtenir, notamment en multipliant le nombre d'orifices, une section de passage élevée, donc un débit élevé, pour une course réduite de l'obturateur. De préférence, le ou les orifices de l'obturateur et du siège se présentent sous la forme de fentes, lesquelles sont de préférence disposées parallèlement les unes aux autres, et sont préférentiellement orientées perpendiculairement à la direction de déplacement de l'obturateur. L'obturateur présente par exemple entre 4 et 9 fentes. L'obturateur et le siège sont de préférence constitués par deux plaques compo t chacune des fentes. Ces deux plaques coulissent l'une sur l'autre de manière à 15 laisser passer ou obturer le flux de fluide, en fonction de leur position relative. Par ailleurs, le temps de réponse est peu dépendant de la pression d'utilisation et le débit est favorisé par la possibilité de placer l'obturateur directement dans la veine de fluide. De plus, la faible course de l'obturateur entre les positions ouverte et fermée 20 permet d'utiliser un actionneur de puissance modérée. Cette faible course permet également de limiter les vitesses de déplacement de l'obturateur et donc les chocs, favorisant ainsi la durée de vie de l'électrovanne. Par exemple, la course de l'obturateur entre les positions ouverte et fermée est inférieure ou égale à 0,5 mm. Afin de limiter les frottements et d'augmenter la durée de vie, au moins 1', ,; 25 siège et de l'obturateur est réalisé préférentiellement en matériau céramique. De préférence, à la fois l'obturateur et le siège sont en matériau céramique. Pour des raisons économiques, le siège et l'obturateur peuvent être réalisés dans d'autres matériaux, avec éventuellement certaines des performances dégradées. L'actionneur peut être à noyau mobile tirant ou poussant. 30 L'actionneur peut comporter un élément moteur constitué par un matériau à mémoire de forme magnétique, notamment sous forme de barreau s'allongeant lorsque traversé par un champ magnétique. Cela permet d'améliorer encore le temps de réponse et la durée de vie du produit. L'électrovanne peut comporter deux actionneurs en opposition, notamment deux actionneurs comportant chacun un élément moteur constitué par un matériau à 5 mémoire de forme magnétique. Cela permet de réduire la consommation électrique. L'entrée et la sortie peuvent être définies par des orifices débouchant sur une même face de l'électrovanne. Cela peut faciliter le montage de plusieurs électrovannes dans un plan de pose. Les orifices d'entrée et de sortie peuvent être équipés de joints respectifs. 10 La largeur de l'électrovanne peut être inférieure ou égale à 15 mm. Le siège peut être monté, avec interposition d'un joint, contre un insert rapporté dans un corps, notamment maintenu par des vis sur celui-ci. Le corps peut être parcouru par un canal interne communiquant avec une entrée de fluide. Ce canal interne peut être obturé par un capot inférieur. En variante, le canal interne communique avec canal 15 réalisé dans une embase, et débouchant sur une entrée de fluide. L'électrovanne peut comporter --- ressort de rappel de l'obturateur, disposé entre le capot inférieur et le corps. L'invention a encore pour objet l'utilisation de l'électrovanne selon l'invention commuter un flux d'air comprimé. 20 Lorsque l'électrovanne comporte deux actionneurs en opposition, compo chacun un élément moteur constitué par un matériau à mémoire de forme magnétique, ceux-ci peuvent être alimentés par un courant variable, de façon à piloter l'obturateur en mode proportionnel. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée 25 qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 est une coupe axiale d'une électrovanne selon un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 est une coupe de l'électrovanne de la figure 1 dans un plan parallèle au 30 plan d'interface entre le siège et l'obturateur mobile, et - les figures 3 à 7 sont des vues analogues à la figure 1, de variantes de réalisation. On a représenté aux figures 1 et 2 une électrovanne 10 comportant un obturateur 20 entraîné en déplacement par un noyau mobile 30 d'un actionneur électromagnétique, comportant au moins une bobine 31 tée sur une culasse magnétique 32. Dans l'exemple considéré, l'actionneur comporte deux bobines 31 disposées chacune autour d'une culasse 32. Le noyau 30 peut être guidé dans son déplacement par une entretoise 34 ou par l'action conjointe des ressorts plats 50 et 105. Les flux magnétiques circulant dans les culasses 32 rebouclent par l'intermédiaire de plaques inférieure 35 et supérieure 36. Les bobines 31, les culasses 32 et les plaques 35,36 sont logées dans un boîtier 40 et centrées dans celui-ci par l'intermédiaire d'une pièce de centrage 39. Le boitier 40 comporte un capot supérieur 41 portant un connecteur électrique 42 relié à un circuit électronique 43 auquel les bobines 31 se raccordent. Cette liaison peut être réalisée par des fils électriques, non représentés. Le noyau 30 vient en appui, à son extrémité supérieure, contre un ressort de rappel supérieur 50, constitué dans l'exemple illustré par un ressort plat. Des joints toriques 53,54 sont portés par l'entretoise 34 à ses extrémités et viennent en appui respectivement sur les plaques 35 et 36. Des joints toriques 56,57 s'interposent respectivement entre les plaques 35,36 d'une part, et le corps du boitier 40 et la pièce de centrage 39 d'autre part. Le boîtier 40 est fixé sur un corps pneumatique 60 qui reçoit un raccord d'alimentation en air comprimé 70 et un raccord de sortie 80, ces raccords étant par exemple des raccords rapides. L'obturateur 20 se déplace dans chambre qui est reliée aux entrée et sortie en air comprimé. Dans l'exemple illustré, l'obturateur 20 se présente sous la forme d'une plaque en céramique traversée par des fentes 21, visibles à la figure 2, parallèles les unes aux autres et perpendiculaires à la direction X de déplacement de l'obturateur 20. L'obturateur 20 se déplace au contact d'un siège 90 constitué par une plaque fixe en céramique, traversée par des fentes 91 qui se superposent aux fentes 21 quand l'obturateur 20 est en position ouverte. Les fentes 91 sont parallèles entre elles et orientées perpendiculairement à la direction de déplacement X. Quand l'obturateur 20 est en position fermée, la plaque de siège 90 obture les fentes 21 et l'air ne peut traverser l'électrovanne entre l'entrée 70 et la sortie 80. Une pièce de support 94 s'étend de part et d'autre des plaques d'obturateur et de siège, comme visible sur la figure 2, pour positionner celles-ci latéralement. L'obturateur 20 est en appui inférieurement sur un poussoir inférieur 96 I. même appuie contre un ressort inférieur 97, le est de préférence, comme illustré, r.n ressort plat. Le noyau 30 présente, sur sa portion qui relie le corps engagé dans l'entretoise 34 et l'obturateur 20, un épaulement 100 qui prend appui contre un ressort intermédiaire 105, lequel est, de préférence, comme illustré, un ressort plat. Ce dernier sollicite le noyau en déplacement vers le haut, de même que le ressort inférieur 97. Le corps pneumatique 60 est fermé par un capot inférieur 61. Le raccord de sortie 80 est porté par un insert 110 contre lequel s'applique la plaque de siège 90, avec interposition d'un joint 111. L'insert 110 est par exemple, comme illustré, maintenu dans le corps pneumatique 60 par des vis 115. Un joint torique 117 assure l'étanchéité entre le corps 60 et le boîtier 40, autour du ressort intermédiaire 105. L'insert 110 porte un joint torique 118 qui assure son montage étanche dans le corps 60. Dans l'exemple des figures 1 et 2, l'actionneur est de type "tirant", c'est-à-dire 20 que le noyau 30 est attiré vers le haut quand les bobines 31 sont excitées électriquement. L'obturateur 20 passe d'une position basse fermée, quand les bobines 31 sont non alimentées, à une position haute ouverte, quand les bobines 31 sont alimentées. Pour réduire la puissance nécessaire, notamment dans le cas de l'utilisation de plaques à fentes pour l'obturateur et le siège, il peut être avantageux d'utiliser un 25 actionneur électromagnétique de type "poussant", tel qu'illustré à la figure 3. Dans ce cas, lorsque les bobines 31 sont excitées, le poussoir 96 comprime le ressort inférieur 97. Le ressort intermédiaire 105 est comprimé par le noyau 30. L'obturateur 20 peut passer d'une position haute fermée, lorsque les bobines 31 sont non excitées, à une position basse ouverte, lorsque les bobines 31 sont alimentées. 30 En comparaison avec le système tirant, l'effort de rappel nécessaire est plus faible sur un système poussant. En effet, l'effort de rappel sur un système tirant résulte de l'effort cumulé de deux ressorts en opposition. Les variations d'efforts liées aux tolérances de fabrication sont alors cumulées. L'actionneur électromagnétique doit alors être surdimensionné pour prendre en compte ces variations. Cependant, sur un système poussant, le nombre de maillons de la chaîne de cotes axiale est plus important que sur le système tirant, ce qui peut impacter la course et donc les performances. Dans le but de favoriser le temps de réponse de l'appareil, il est souhaitable de réduire la masse des pièces en mouvement. Pour cela, il peut être avantageux d'utiliser -- actionneur électromagnétique utilisant un élément moteur réalisé en matériau à mémoire de forme magnétique. La figure 4 représente une électrovanne 10 équipée d'un obturateur 20 à plaque à fentes tel que décrit précédemment et d'un actionneur électromagnétique à élément moteur en matériau à mémoire de forme magnétique. L'actionneur comporte dans l'exemple de la figure 4 un barreau à mémoire de forme 130 disposé entre deux entretoises magnétiques 134, entre lesquelles peut circuler un champ magnétique. Le matériau du barreau à mémoire de forme est par exemple un alliage monocristallin de Nickel (Ni), Manganèse (Mn) et Galiurn (Ga). Il peut être commercialisé par les sociétés ADAPTAMAT, ETO ou GOODFELLOW. Deux étriers magnétiques 136 portent chacun une bobine 131. Les étriers 136 sont disposés en vis-à-vis de façon à reboucler le flux magnétique généré par les deux bobines 131, et qui circule entre les entretoises 134 à travers le barreau 130. Un support 140 permet de bloquer le barreau 130 à son extrémité supérieure. Des goupilles 137 viennent solidariser les deux bobines 131 entre elles par l'intermédiaire de la pièce 140, tout en assurant une étanchéité par compression des deux joints 133. Un poussoir supérieur 138 permet de transmettre l'allongement du barreau 130 à l'obturateur 20. Ce poussoir 138 se déplace dans la p. "e basse de la pièce 140. L'obturateur 20 est déplacé vers le bas lors de l'allongement du barreau 130 sous l'effet du champ magnétique d'excitation généré par les bobines 131. Lorsque les bobines 131 sont non alimentées, l'obturateur est en position haute sous l'effet de rappel du ressort 97 et les fentes 21 sont fermées par la plaque de siège 90. Lorsque les bobines 131 sont alimentées, le barreau 130 s'allonge et l'obturateur 20 est poussé vers le bas jusqu'à sa position ouverte, où les fentes de l'obturateur 20 se superposent à celles du siège. Dans les exemples des figures 1 à 4, le retour en position fermée de l'obturateur 20 est réalisé à l'aide d'au moins un ressort de rappel. Cela implique de rester alimenté électriquement pendant toute la période d'ouverture de l'obturateur 20. Une alternative à ce rappel par ressort, permettant une amélioration du temps de réponse et une baisse de la consommation électrique, repose sur l'utilisation de deux actionneurs électromagnétiques à élément moteur réalisé en matériau à mémoire de forme, placés en opposition, comme illustré à la figure 5. La figure 5 représente une électrovanne 10 équipée d'un obturateur 20 à plaque à fentes et d'un siège 90 à plaque à fentes, identiques à ceux des figures 1 à 4, et de deux 10 actionneurs électromagnétiques à élément moteur en matériau à mémoire de forme magnétique, chacun identique à celui décrit en référence à la figure 4. Lorsque l'actionneur du haut est excité et que celui du bas ne l'est pas, l'obturateur 20 est déplacé par le barreau 130a du haut vers le bas, en position ouverte. Les fentes 21 se superposent aux fentes 91 et l'air peut circuler à travers l'électrovanne entre 15 l'entrée 70 et la sortie 80. Lorsque l'actionneur du bas est excité et que celui du haut ne l'est pas, l'obturateur 20 est déplacé par le barreau 130b du bas vers le haut, en position fermée. Les fentes 21 sont obturées par le siège 90 et l'électrovanne 10 n'est pas passante. De par les efforts de frottement entre l'obturateur et le siège, ainsi que 20 l'absence de ressort de rappel, l'obturateur 20 peut conserver la position dans laquelle il a été amené lorsqu'aucun des deux actionneurs n'est excité. L'association des deux actionneurs à mémoire de forme, placés en opposition, permet également de piloter l'obturateur en mode proportionnel, en faisant varier le courant d'alimentation. 25 Dans les exemples des figures I à 5, le raccordement pneumatique peut être réalisé par l'utilisation de raccords rapides pour tubes souples. Cependant, afin de simplifier le montage d'une pluralité d'électrovannes sur une embase commune, une variante de raccordement pneumatique à plan de pose, pour les électrovannes à simple actionneur électromagnétique, peut être proposée, comme illustrée sur la figure 6. 30 L'électrovanne 10 est équipée d'un obturateur 20 à plaque à fentes et d'un siège 90 identique à ceux des exemples des figures 1 à 5. L'actionneur électromagnétique est adapté au montage sur une embase. A cet effet, l'électrovanne 10 comporte un socle 160 qui remplace le capot inférieur 61 des exemples précédemment décrits. Le socle 160 comporte un canal 163 qui communique avec une entrée 170 débouchant sur une face 11 de l'électrovanne 10. Des vis 12 peuvent permettre de plaquer 5 la face 11 contre le plan de pose défini par une plaque porteuse de raccords, non représentée. Les électrovannes pourront se raccorder sur une embase percée. Le canal 163 communique avec un canal 165 réalisé dans le corps pneumatique 60. Un joint torique 166, reçu dans une gorge 167 réalisée dans le corps 60, assure l'étanchéité du raccordement entre les canaux 163 et 165. 10 Le raccord 70 des exemples précédents a été remplacé par I a bo ,c1-on 171. Le raccord 80 a été remplacé par une pièce 180 sur laquelle appuie un joint torique 183. Un joint 173 repose sur un lamage 175, dans le fond duquel débouche le canal 163. Les joints 173 et 183 dépassent légèrement de la face 11, ce qui leur permet de s'appliquer de façon étanche sur la plaque contre laquelle l'électrovanne est fixée. 15 Pour des applications spécifiques, hors celle de la figure 6, une buse 280 peut être montée à la place du raccord rapide de sortie, directement en sortie de l'électrovanne, comme illustré à la figure 7. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. Par exemple, on peut modifier la forme des orifices de l'obturateur, par exemple le nombre de 20 fentes et leur disposition. Le cas échéant, une partie du noyau 30 ou des poussoirs 96 et 138 peut être réalisée dans le même matériau que l'obturateur 20. L'expression "campo t un" doit se comprendre comme étant synonyme de "comprenant au moins REVENDICATIONS1. Electrovanne (10), ayant une entrée et une sortie de fluide, notamment d'air comprimé, comportant un actionneur, un obturateur (20) entraîné par l'actionneur, mobile entre une position fermée s'opposant à un passage du fluide entre l'entrée et la sortie, et une position ouverte permettant le passage du fluide entre l'entrée et la sortie, électrovanne caractérisée par le fait que l'obturateur (20) présente au moins un orifice (21) et se déplace au contact d'un siège (90) présentant un orifice correspondant (91), ce dernier se superposant au moins partiellement à l'orifice (21) de l'obturateur (20) quand celui-ci est en position ouverte, et le siège (90) obturant l'orifice (21) de l'obturateur (20) quand celui-ci est en position fermée. 2. Electrovanne selon la revendication 1, l'orifice (21) de l'obturateur (20) étant sous forme de fente, de préférence orientée perpendiculairement à la direction de déplacement de l'obturateur (20). 3. Electrovanne selon la revendication 1 ou 2, l'obturateur (20) comportant plusieurs orifices (21) sous forme de fentes et siège (90) comportant des fentes correspondantes (91). 4. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, l'obturateur (20) é t en matériau céramique. 5. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, le siège (90) étant en matériau céramique. 6. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, l'obturateur (20) étant sous forme de plaque. 7. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, le siège (90) étant sous forme de plaque. 8. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, l'actionneur étant à noyau mobile tirant (30). 9. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications à 7, l'actionneur étant à noyau mobile poussant (30). 10. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, l'actionneur étant à élément moteur constitué par un matériau à mémoire de forme magnétique, notamment sous forme de barreau (130) s'allongeant lorsque traversé par un champ magnétique. 11. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, comportant deux actionneurs en opposition, pour agir sur l'obturateur (20), no ent deux actionneurs comportant chacun un élément moteur constitué par un matériau à mémoire de forme magnétique, pouvant être alimentés par un courant variable de façon à piloter l'électrovanne en mode proportionnel. 12. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, l'entrée et la sortie étant définies par des orifices débouchant sur une même face (11) de l'électrovanne. 13. Electrovanne selon la revendication 12, les orifices d'entrée et de sortie étant équipés de joints respectifs (173, 183). 14. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, la largeur de l'électrovanne étant inférieure ou égale à 15 mm. 15. Electrovanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, le siège (90) t monté, avec interposition d'un joint (111), contre un insert (110) rapporté dans un corps (60), notamment maintenu par des vis (115) sur celui-ci. 16. Electrovanne selon la revendication 15, le corps (60) étant parcouru par canal interne (165) communiquant avec une entrée de fluide. 17. Electrovanne selon la revendication 16, le canal interne (165) étant obturé par un capot inférieur (61). 18. Electrovanne selon la revendication 16, le canal interne (165) communiquant avec un canal (163) réalisé dans une embase (160), et débouchant sur une entrée (170) de fluide. 19. Electrovanne selon l'une des revendications 16 et 17, compo t un ressort (97) de rappel de l'obturateur, disposé entre le capot inférieur (61) et le corps (60). 20. Utilisation d'une électrovanne (10) telle que définie dans l'une quelconque des revendications précédentes pour commuter un flux d'air comprimé. 21. Utilisation selon la revendication 20, l'électrovanne comportant deux actionneurs en opposition, comportant chacun un élément moteur constitué par un matériau àmémoire de forme magnétique, alimentés par un courant variable de façon à piloter l'obturateur en mode proportionnel.