Brevet FR3032253A1 — publié le 20160805

- Vanne électro-commandée pour fluide chaud Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des vannes électromagnétiques pour des fluides chauds. Elle concerne plus particulièrement des vannes pour des applications automobiles, notamment des vannes de recirculation de gaz d'échappement. Elle n'est toutefois pas limitée à des applications automobiles et concerne plus généralement des vannes pour commander la circulation de fluides gazeux ou éventuellement liquides, à des températures élevées, typiquement à plus de 200°C, et pouvant atteindre, pour des gaz d'échappement, 700°C. Etat de la technique antérieur On connaît dans l'état de la technique une première famille de solutions où la liaison entre l'arbre de commande de l'organe d'obturation de la vanne, et l'actionneur, se fait par l'intermédiaire de leviers permettant de créer une isolation thermique par la distance entre la vanne soumise à des températures très élevées, et l'actionneur dont la température doit rester modérée. Ces solutions présentent de nombreux inconvénients. Elles impliquent l'utilisation de nombreuses pièces mécaniques pour assurer la transmission. Ces pièces sont soumises à des températures élevées, entraînant des dilatations difficiles à maîtriser. Elles se traduisent aussi par une usure accélérée, résultant des efforts radiaux s'exerçant sur les éléments de transmission. La demande EP2044354 présente un exemple de réalisation. Une deuxième famille de solution prévoit une liaison mécanique directe entre l'organe d'obturation et 35 l'arbre de sortie de l'actionneur, et des moyens de -2 - refroidissement permettant de maintenir la température de l'actionneur à des conditions compatibles avec les contraintes des composants électroniques et électromécaniques. Par contre, ces solutions évitent les inconvénients exposés pour la première famille de solution. Les solutions de l'art antérieur, notamment celles prévoyant une liaison mécanique directe entre l'organe d'obturation et l'actionneur, présentent un inconvénient lié aux contraintes antinomiques sur le plan mécanique et sur le plan thermique. La demande de brevet W02012038351 décrit à ce titre une vanne papillon piloté par un motoréducteur. Pour assurer un couplage mécanique satisfaisant, permettant de transmettre le couple de rotation sans jeu, et de manière fiable, on utilise un axe commun à l'actionneur et à l'organe d'obturation, ou deux axes alignés et emboités, par exemple accouplés par une liaison rigide, par exemple des arbres cannelés. La conséquence est une transmission thermique élevée, et le transfert de la chaleur de la vanne vers l'actionneur. Pour compenser cet effet, on a cherché dans l'art antérieur à refroidir une partie de l'actionneur, par exemple par un circuit de refroidissement. Beaucoup de solutions de l'art antérieur visent à 25 augmenter la transmission de chaleur venant de la vanne vers des zones refroidies de l'actionneur, qui permettent d'évacuer la chaleur. Ces solutions conduisent à des compromis peu satisfaisants : en effet, la vanne est conçue pour fonctionner 30 à des températures nominales élevées, et la liaison thermique avec des zones refroidies ne présente peu d'intérêt, dans la mesure où le fluide circule à sa température nominale. Elles entraînent aussi des gradients thermiques élevés, dans un espace relativement réduit, entre le fluide chaud et le 35 circuit de refroidissement. - 3 - Afin de concilier une liaison mécanique efficace avec un isolement thermique, on a proposé dans l'état de la technique une vanne décrite dans la demande de brevet US2008017816. Ce brevet décrit une vanne d'échappement comprend un corps de soupape, une soupape supportée par un arbre à l'intérieur du corps de soupape, et un actionneur qui entraîne l'arbre pour déplacer la valve par rapport au corps de soupape. Le brevet US8480054 décrit une autre solution connue d'accouplement d'arbre rigide en torsion et thermiquement isolant, avec de multiples degrés de liberté pour autoriser le désalignement. Le dispositif d'accouplement permet de réduire le 15 transfert de chaleur et d'isolation de vibrations entre l'actionneur et la vanne. Le dispositif d'accouplement comprend généralement un arbre d'accouplement accouplé en rotation à ses extrémités opposées aux arbres d'entrée et de sortie par des mécanismes à 20 ressort de torsion. Les mécanismes à ressort de torsion comprennent des étriers de blocage en rotation de l'arbre d'accouplement des arbres d'entrée et de sortie. Les mécanismes à ressort de torsion permettent une gamme limitée de déplacement axial et 25 de pivotement entre l'arbre d'accouplement et des arbres d'entrée et de sortie et sont pré-chargés pour éviter l'hystérésis de rotation de la vanne. Le brevet américain US6598619 décrit également une 30 soupape qui comprend un élément de fermeture, un dispositif à force motrice, un élément d'accouplement, et un élément d'espacement. Le corps définit un passage d'écoulement qui est disposé le long d'un axe longitudinal. L'élément de fermeture 35 est disposé dans le passage d'écoulement et comprend un - 4 - premier arbre qui se prolonge le long d'un premier axe qui est oblique par rapport à l'axe longitudinal. L'élément de fermeture peut tourner sur le premier axe entre une première position qui empêche sensiblement l'écoulement à travers le passage d'écoulement et une seconde position qui permet généralement écoulement à travers le passage d'écoulement. Le moteur fait tourner l'élément de fermeture entre la première position et la seconde position, et comprend un 10 second arbre qui peut tourner sur un deuxième axe. L'élément de couplage reliant les premier et second arbres pour transmettre la rotation du dispositif à l'élément de fermeture. L'élément de couplage est élastique par rapport aux premier et second arbres. L'élément d'espacement isole le 15 dispositif par rapport à la paroi, et définit en général un volume qui contient l'élément d'accouplement. Inconvénient de l'art antérieur 20 Les inconvénients de ces solutions connues est que la transmission thermique est certes réduite au niveau des axes, mais subsistent par les liaisons entre le corps de l'actionneur et le corps de la vanne. Ces deux parties sont reliées par des boulons et par des surfaces adjacentes 25 assurant un couplage thermique. Si au contraire, la vanne et l'actionneur sont éloignés, le problème est celui de l'encombrement de l'ensemble. Pour permettre une bonne intégration dans un véhicule, il est nécessaire que la vanne soit compacte et ne 30 présente pas deux parties distinctes éloignées l'une de l'autre. Solution apportée par l'invention - 5 - L'invention vise à résoudre ces problèmes en prenant le contrepied des solutions de l'art antérieur. Elle vise non pas à gérer la conduction thermique entre la vanne et le circuit de gaz chauds, et une zone refroidie liée de manière rigide, mais à dissocier ces deux zones tout en préservant un couplage mécanique efficace et robuste, avec une compacité. Elle permet ainsi d'optimiser la conception de la vanne d'une part, et de la partie actionneur d'autre part. La vanne est conçue pour fonctionner à des températures élevées, sans que l'on cherche à la refroidir ni même à empêcher absolument les fuites de fluides chauds. L'actionneur, de son côté, est conçu pour fonctionner à une température nominale compatible avec ses composants électroniques, magnétiques et électriques, sans qu'il ne soit nécessaire d'organiser la transmission des calories venant du couplage thermique avec la vanne par un axe commun. L'un des buts essentiels de l'invention est de 20 concilier le découplage thermique, la robustesse de la transmission du couple et la compacité de l'ensemble formé par l'actionneur et la vanne. A cet effet, l'invention concerne selon son 25 acception la plus générale une vanne de circulation de fluides chauds électro-commandée constituée d'un actionneur électromagnétique et d'une vanne, ladite vanne présentant un orifice muni d'un organe d'obturation mobile entraîné par un arbre de rotation perpendiculaire à l'axe dudit orifice, ledit 30 actionneur électromagnétique entraînant la rotation dudit arbre, l'axe de sortie dudit actionneur étant sensiblement coaxial avec ledit arbre de rotation, caractérisé en ce que l'extrémité frontale de l'arbre de rotation et l'extrémité frontale de l'axe de sortie ne sont pas en contact direct, et 35 en ce que l'accouplement entre ledit arbre de rotation de la -6 - vanne et ledit axe de sortie de l'actionneur est assuré par un organe d'accouplement placé entre l'extrémité frontale dudit axe de sortie et l'extrémité frontale dudit arbre, ledit organe d'accouplement présentant des moyens de transmission de 5 couple de rotation avec une tolérance de désalignement entre l'arbre de sortie d'une part et l'arbre de rotation de la vanne d'autre part, ladite vanne étant en outre caractérisée par des moyens de liaison mécaniques (isolants thermiquement entre des zones périphériques du corps de l'actionneur et le 10 corps de la vanne. On entend par «isolant thermiquement » une conductivité thermique inférieure à 30 (W.m-1.K-1). A titre d'exemple non limitatif, on pourra choisir de l'acier 15 inoxydable (18 % Chrome, 8 % Nickel) ou bien encore de la céramique. Selon une variante, la vanne comporte au moins une tôle, ou plaque, placée entre la surface frontale de la vanne et la surface frontale de l'actionneur. 20 Avantageusement, elle comporte au moins deux tôles séparées par une lame d'isolant, placées entre la surface frontale de la vanne et la surface frontale de l'actionneur. 25 Selon une première variante de réalisation, ledit organe d'accouplement est réalisé en acier inoxydable. Selon une deuxième variante, ledit organe d'accouplement est réalisé en céramique. 30 Selon une troisième variante, ledit organe d'accouplement est un joint de Oldham. - 7 - Avantageusement, l'actionneur présente au moins trois zones de liaison périphériques pour la fixation sur la vanne. Selon un mode de réalisation préférentiel, ledit organe d'accouplement présente une surface discale de déflexion dirigée vers la surface frontale de la vanne. Description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit concernant un exemple non limitatif de réalisation d'une vanne de circulation selon 15 l'invention, se référant aux dessins annexés où : - la figure 1 représente une vue en coupe d'un premier exemple de réalisation, - la figure 2 représente une vue en perspective du premier exemple de réalisation, 20 - la figure 3 représente une vue en coupe d'un deuxième exemple de réalisation, - la figure 4 représente une vue en perspective d'un troisième exemple de réalisation. 25 La vanne décrit en référence aux figures 1 et 2 comporte de manière connue actionneur électromagnétique (1) assurant le déplacement angulaire d'un arbre (2) métallique. Dans l'exemple décrit, reprenant un exemple de réalisation d'une vanne de recirculation de gaz d'échappement, 30 l'actionneur (1) comprend un corps avant (3) métallique, par exemple en moulage d'aluminium ou en alliage assurant une bonne conduction thermique. Ce corps avant (3) présente des cavités (4) pour la circulation d'un fluide caloporteur permettant d'assurer le refroidissement de l'actionneur. - 8 - La vanne (5) comprend un corps de vanne (6) métallique définissant un orifice (7) qui peut être obturé par un organe d'obturation (8). Cet organe d'obturation (8) est commandé en rotation par un arbre d'entraînement (26). Cet arbre (26) est guidé par un palier avant (28) et un palier arrière (27) étanchéifié. La liaison mécanique entre l'actionneur (1) et la vanne (5) est assuré par trois vis (9, 10 et 11) s'engageant dans des taraudages filetés (12) prévus sur le corps avant (3) 10 de l'actionneur (1). La surface frontale avant (15) du corps de l'actionneur (1) présente trois protubérances annulaires (16 à 18) entourant le débouché des taraudages filetés (12). Ces protubérances annulaires (16 à 18) permettent de réduire les 15 surfaces de contact entre le corps (3) de l'actionnaire (1) et le corps de la vanne (5) et donc de réduire la conduction thermique. Pour réduire encore la conduction thermique entre le corps de la vanne (5) et le corps de l'actionneur (1), des 20 rondelles d'isolation thermiques (19 à 21) sont interposées entre lesdites protubérances annulaires (16 à 18) et le corps de la vanne (5). De même des rondelles d'isolation thermiques (22 à 24) sont interposées entre le corps de la vanne (5) et les têtes des vis (9 à 11). 25 Ces rondelles isolantes sont par exemples des rondelles céramiques ou verre-époxy, ou bakelisées, ou encore en toute autre matériau de faible conductivité thermique. La partie arrière du corps (6) de la vanne (5) présente une cavité cylindrique (25) dans laquelle est logé un 30 système d'accouplement de l'arbre (2) de l'actionneur avec l'arbre de rotation (26) de l'obturateur (8) de la vanne. L'arbre (2) de l'actionneur et l'arbre (26) de l'obturateur sont alignés et coaxiaux. Leurs extrémités 35 frontales sont décalées longitudinalement pour réserver un - 9 - espace d'air limitant la conduction thermique entre les deux arbres (2, 26). L'accouplement entre les extrémités des deux arbres (2, 26) est assuré par la coopération entre une pièce (29) de 5 section transversale rectangulaire fixée à l'extrémité de l'un desdites arbres (2), engagée dans une rainure diamétrale formée dans une pièce discale (30) complémentaire fixée à l'extrémité de l'autre desdites arbres. La pièce rectangulaire (29) et/ou la pièce discale (30) sont réalisées en un matériau 10 isolant thermiquement. L'organe d'accouplement (41) ainsi formé peut aussi être réalisé par un joint d'Oldham, utilisé de manière inhabituelle pour deux axes quasiment alignés et non pas 15 fortement décalés. Ce mode d'accouplement prévoyant une pièce rectangulaire engagée dans une rainure complémentaire permet d'absorber de faibles décalages axiaux entre les deux arbres 20 (2, 26) et surtout d'isoler thermiquement les deux arbres. La figure 3 représente une variante de réalisation se distinguant par la présente d'une plaque (31) formée par une tôle fine placée entre la vanne (5) et l'actionneur (1). 25 Le corps avant (3) de l'actionneur (1) présente des colonnes (32 à 34) cylindriques traversées par vis (35 à 37) assurant la liaison avec le corps (6) de la vanne. Des entretoises isolantes thermiquement (38 à 40) sont interposées 30 entre l'extrémité des colonnes (32 à 34) et la tôle (31). La tôle (31) est constituée de deux feuilles métalliques séparées par une lame d'air. Elle réfléchit le rayonnement thermique émis par la vanne (5). Elle est percée - 10 - par une lumière pour le passage de l'arbre (2) de l'actionneur. Elle peut être légèrement incurvée pour former un bouclier thermique concave, vu du côté de la vanne (5). Dans cet exemple de réalisation, l'actionneur (1) comporte : - un corps inférieur (3) métallique, avec un circuit de refroidissement débouchant sur un embout (42), et - un corps supérieur (43) en un matériau faiblement 10 conducteur thermiquement, par exemple une matière plastique. Ce corps supérieur faiblement conducteur thermiquement permet de limiter la transmission thermique résiduelle entre l'arbre (2) et l'actionneur, et notamment le circuit électronique équipant l'actionneur. 15 La figure 4 présente un autre mode de réalisation spécifiquement dédié à une vanne de décharge d'un conduit principal (44), aussi communément appelé « waste-gate ». On y retrouve les éléments constitutifs de l'invention avec 20 notamment l'actionneur (1) qui déplace en rotation un organe d'obturation (8), régulant l'ouverture de la vanne (5) servant de conduit de diversion du fluide chaud du conduit principal (44). 25 REVENDICATIONS1 - Vanne de circulation de fluides chauds électrocommandée constituée d'un actionneur électromagnétique (1) et d'une vanne (5), ladite vanne (5) présentant un orifice (7) muni d'un organe d'obturation (8) mobile entraîné par un arbre (26) de rotation perpendiculaire à l'axe dudit orifice, ledit actionneur électromagnétique (1) entraînant la rotation dudit arbre (26), l'axe de sortie (2) dudit actionneur (1) étant sensiblement coaxial avec ledit arbre de rotation (26), caractérisé en ce que l'extrémité frontale de l'arbre de rotation (26) et l'extrémité frontale de l'axe de sortie (2) ne sont pas en contact direct, et en ce que l'accouplement entre ledit arbre de rotation (26) de la vanne et ledit axe de sortie (2) de l'actionneur est assuré par un organe d'accouplement (41) placé entre l'extrémité frontale dudit axe de sortie (2) et l'extrémité frontale dudit arbre (26), ledit organe d'accouplement (41) présentant des moyens de transmission de couple de rotation avec une tolérance de désalignement entre l'arbre de sortie (2) d'une part et l'arbre de rotation de la vanne (26) d'autre part, ladite vanne étant en outre caractérisée par des moyens de liaison mécaniques (19 à 21 ; 38 à 40 ; 22 à 24) isolants thermiquement entre des zones périphériques du corps de l'actionneur et le corps de la vanne. 2 - Vanne électro-commandée selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit organe d'accouplement (41) est réalisé au moins en partie en un matériau de faible 30 conductivité thermique. 3 - Vanne électro-commandée selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une tôle (31) placée entre la surface frontale de la vanne (5) et la 35 surface frontale de l'actionneur (1).- 12 - 4 - Vanne électro-commandée selon la revendication 3 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux tôles (31) séparées par une lame d'isolant, placées entre la surface 5 frontale de la vanne et la surface frontale de l'actionneur. - Vanne électro-commandée selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit organe d'accouplement (41) est réalisé en partie en acier inoxydable. 6 - Vanne électro-commandée selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit organe d'accouplement (41) est réalisé au moins en partie en céramique. 7 - Vanne électro-commandée selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit organe d'accouplement (41) est un joint de Oldham. 8 - Vanne électro-commandée selon la revendication 20 1 caractérisée en ce que l'actionneur présente au moins trois zones de liaison périphériques pour la fixation sur la vanne. 9 - Vanne électro-commandée selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit organe d'accouplement présente 25 une surface discale de déflexion dirigée vers la surface frontale de la vanne.