Brevet FR3081110A1 — publié le 20191122

Description Titre de l'invention : Dispositif pour générer un jet de fluide à haute pression Domaine de l'invention [0001] La présente invention se rapporte à un dispositif pour générer un jet de fluide à haute pression à l'aide d'une buse ayant un corps de buse avec une chambre de pression qui se remplit d'un fluide à haute pression et une aiguille de buse coulissant longitudinalement dans la chambre de pression ; cette aiguille coopère avec un siège d'étanchéité réalisé dans le corps de buse pour commander l'arrivée du fluide de la chambre de pression vers un orifice d'éjection, ayant une ouverture d'entrée circulaire et une ouverture de sortie circulaire. Etat de la technique [0002] Selon l'état de la technique on connait des dispositifs pour générer un jet de fluide à haute pression, en général un jet d'eau à haute pression. Pour cela, on fournit à une buse, de l'eau comprimée à haute pression qui est éjectée par un orifice de buse. Le jet d'eau à haute pression permet de découper même des objets durs notamment de la céramique, de l'acier ou autres corps durs grâce à la vitesse élevée des particules d'eau. Un tel dispositif est, par exemple, décrit dans le document DE 10 2014 225 247 Al. L'orifice d'éjection est réalisé sous la forme d'un perçage dans le corps de buse traversé par l'eau comprimée ou autre fluide et formant ainsi un jet de fluide à haute pression. En aval de la sortie de l'orifice d'éjection, à une certaine distance de la buse le jet de fluide haute pression se décompose lentement de sorte que l'impulsion du jet de fluide haute pression diminue et qu'il en est ainsi de sa capacité à usiner ou découper des objets. Cela complique l'usinage de pièces épaisses ou détériore la qualité de la coupe en fonction de la profondeur à laquelle doit arriver le jet de haute pression dans la pièce. [0003] Exposé et avantages de l'invention [0004] La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet, un dispositif pour générer un jet de fluide à haute pression du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'ouverture d'entrée est arrondie et l'orifice d'éjection a une forme conique de sorte que le diamètre de l'orifice d'éjection diminue de façon continue entre l'ouverture d'entrée et l'ouverture de sortie. [0005] Le dispositif pour générer un jet de fluide à haute pression, selon l'invention, a l'avantage vis-à-vis de l'état de la technique de générer un jet de fluide haute pression ayant une portée plus grande, ce qui permet de découper ou d'usiner des pièces avec une plus grande profondeur de pénétration sans que la qualité de la coupe ou des 2 coupes et la qualité de l'usinage du jet de fluide haute pression ne diminue de façon considérable avec la profondeur. [0006] En d'autres termes, et comme déjà indiqué ci-dessus, le dispositif selon l'invention comporte une buse avec un corps de buse muni d'une chambre de pression recevant du fluide à haute pression. Une aiguille de buse coulisse longitudinalement dans la chambre de pression en coopérant avec un siège d'étanchéité réalisé dans le corps de buse pour commander le passage du fluide, de la chambre de pression vers un orifice d'éjection ; cet orifice d'éjection a une ouverture d'entrée circulaire et une ouverture de sortie circulaire. L'ouverture d'entrée est arrondie et l'orifice d'éjection a une forme conique si bien que le diamètre de l'orifice d'éjection diminue de façon continue entre son ouverture d'entrée et son ouverture de sortie. [0007] Grâce à l'arrondi de l'orifice d'éjection, le fluide sous haute pression sort de la chambre de pression sous un flux relativement régulier dans l'orifice d'éjection si bien qu'il y a peu de turbulences et le risque de cavitation est réduit. De plus, le tracé de l'orifice d'éjection dont le diamètre diminue, ce qui entraîne une accélération supplémentaire du flux et de plus, calme le flux car la réduction du diamètre se traduit par une plus grande perte de charge. Ainsi, on aura un jet de fluide haute pression relativement étroit mais de portée importante qui ne se décompose qu'à une distance relativement grande de la buse et diminue ainsi son impulsion. On arrive ainsi à une plus grande profondeur de pénétration permettant de travailler les pièces relativement épaisses ou de les couper. [0008] Selon un autre développement avantageux de l'invention, l'orifice d'éjection a, au niveau de son ouverture d'entrée, un arrondi dont le rayon dans son rapport avec le diamètre de l'ouverture d'entrée est d'au moins 0,1. Ce rayon relativement important de l'arrondi calme le flux d'entrée évitant que ne se développent des turbulences et des bulles de cavitation qui se traduiraient par une décomposition prématurée du jet de fluide haute pression à sa sortie de l'orifice d'éjection. [0009] Selon un autre développement avantageux, la longueur de l'orifice d'éjection mesuré dans sa direction longitudinale entre son ouverture d'entrée et son ouverture de sortie est comprise entre 1,0 et 2,5 mm. Cet orifice d'éjection relativement long calme le flux qui le traverse et permet ainsi d'avoir une distance de décomposition relativement importante, c'est-à-dire une distance relativement importante du point de la buse où le jet de fluide haute pression se décompose à un niveau tel qu'il ne permet plus d'avoir l'effet de coupe ou d'usinage souhaité. [0010] Selon un autre développement avantageux, la différence de diamètre de l'ouverture d'entrée et de l'ouverture de sortie de l'orifice d'éjection est au moins égale à 15 [Lm, de préférence au moins égale à 30 [um. La conicité qui en résulte pour l'orifice d'éjection produit l'accélération de la veine de fluide dans l'orifice d'éjection, ce qui 3 est lié à une plus grande perte de charge ; mais cette conicité constitue un compromis entre une augmentation de la perte de charge et le gain en vitesse et en impulsion du fluide éjecté. [0011] Selon un autre développement avantageux, on a au moins deux orifices d'éjection dans le corps de buse. Les deux orifices d'éjection peuvent être soit parallèles, soit faire entre eux un angle supérieur à zéro degré. Cela permet ainsi de générer plusieurs jets d'éjection qui arrivent simultanément sur la pièce à usiner. Les jets d'éjection ainsi disposés et leur angle relatif permet d'optimiser la buse d'éjection en fonction du travail à effectuer, c'est-à-dire, par exemple, pour agir sur une zone aussi grande que possible de la pièce, ce qui augmente la vitesse d'usinage si, par exemple, on veut travailler, c'est-à-dire décaper une surface. Dans le cas de deux orifices d'éjection, l'un derrière l'autre dans la direction de travail, un orifice d'éjection peut faire le préusinage de la pièce et le second orifice d'éjection fera le travail de finition ou celui correspondant à une plus grande profondeur de coupe. [0012] Selon un autre développement avantageux, le diamètre de l'ouverture d'entrée de l'orifice d'éjection est compris entre 80 et 200 [Lm, ce qui permet d'avoir un flux suffisamment grand à travers l'orifice d'éjection tout en ayant des impulsions fortes, ce qui est important pour découper une pièce. Présentation des dessins [0013] La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation de dispositifs pour générer un jet de fluide haute pression représentés dans les dessins annexés dans lesquels : [0014] [fig.1] est une vue d'ensemble schématique du dispositif ne montrant que les composants principaux, [0015] [fig.21 est une vue en coupe à échelle agrandie de la buse d'éjection dans la région de l'orifice d'éjection, [0016] [fig.31 montre un autre exemple de réalisation, [0017] [fig.41 montre un agrandissement de l'orifice d'éjection et de ses dimensions, [0018] [fig.5a] montre un autre exemple de réalisation d'une buse d'éjection selon l'invention et [0019] [fig.5b] est une vue de dessus de la buse de la figure 5a, [0020] [fig.6a] montre un autre exemple de réalisation d'une buse selon l'invention et, [0021] [fig.6b] est une vue de dessus du corps de la buse de la figure 6a, [0022] [fig.71 montre un autre exemple de réalisation avec un corps d'adaptateur pour un agent abrasif et, [0023] [fig.81 est une représentation qualitative de l'impulsion du jet de fluide haute pression en fonction de la distance à partir de la buse. 4 [0024] Description du mode de réalisation de l'invention [0025] La figure 1 montre schématiquement un dispositif pour générer un jet de fluide à haute pression selon l'invention. Le dispositif comprend une buse 1 avec un corps de buse 2 dans lequel est réalisée une chambre de pression 4 d'axe longitudinal 8. La chambre de pression 4 est remplie en fluide à haute pression à partir d'une conduite à haute pression 18. Le fluide à haute pression est prélevé dans un réservoir 15 par une conduite d'aspiration 17 pour alimenter une pompe haute pression 16 qui comprime le fluide à une pression élevée et alimente la chambre de pression 4 par la conduite haute pression 18. La chambre de pression 4 loge une aiguille de buse 5 en forme de piston coulissant longitudinalement et dont l'extrémité comporte une surface d'étanchéité 7 ; cette surface a pratiquement une forme conique. L'aiguille de buse 5 coopère avec la surface d'étanchéité 7 qui a également un siège de buse 6, de forme conique ; l'aiguille ouvre et ferme la section de passage entre le siège de buse 6 et la surface d'étanchéité 7 par son mouvement longitudinal. En variante, on peut également envisager d'autres formes de l'aiguille de buse 5 et de son siège 6, par exemple, un siège plat ou un siège sphérique. Au-delà du siège de buse 6, le corps 2 a un orifice d'éjection 9 comportant une ouverture d'entrée 109 et une ouverture de sortie 209. Le fluide à haute pression sortant de l'orifice d'éjection 9 forme un jet de fluide à haute pression 20 dirigé vers une pièce 22 à usiner, notamment à découper comme le montre la figure 1. [0026] L'aiguille de buse 5 est guidée dans chambre de pression 4, dans la zone à l'opposé de la surface d'étanchéité 7. L'aiguille est sollicitée par un ressort d'obturation 25 précontraint, en direction du siège d'étanchéité 6 par une force d'obturation. Un électroaimant 26 permet de déplacer l'aiguille de buse 5 dans sa direction longitudinale. L'électroaimant est logé dans le boîtier 2 et son alimentation génère une force exercée dans la direction longitudinale sur l'aiguille de buse 5 s'opposant à la force développée par le ressort de fermeture 25 ; ainsi l'alimentation et la coupure de l'alimentation de l'électroaimant 26 commandent le mouvement longitudinal de l'aiguille de buse 5. En variante, on peut également prévoir un autre moyen d'entraînement électrique ou hydraulique pour l'aiguille de buse 5, par exemple un entraînement piézoélectrique. Le jet de fluide à haute pression 20 arrive à la distance (a) sur la pièce à usiner 22. [0027] La figure 2 montre à échelle agrandie et en coupe, le corps de buse 2 dans la région de l'orifice d'éjection 9. L'orifice d'éjection 9 a une forme conique, c'est-à-dire que le diamètre de l'ouverture d'entrée 109 est plus grand que le diamètre de l'ouverture de sortie 209. Ce n'est que lorsque l'aiguille de buse 5 est soulevée par rapport au siège d'étanchéité 6 que du fluide à haute pression peut passer de la chambre de pression 4 dans l'orifice d'éjection 9. Le diamètre qui diminue selon le tracé de l'orifice d'éjection 9 accélère le fluide à haute pression entre l'ouverture d'entrée 109 et l'ouverture de sortie 209 dans l'orifice d'éjection et augmente ainsi son impulsion. La perte de charge qui augmente du fait de la conicité de l'orifice d'éjection 9 se traduit certes par une réduction de l'efficacité de la pression d'éjection disponible à l'ouverture de sortie 209 de l'orifice d'éjection 9, mais cette forme de l'orifice d'éjection 9 avec sa conicité et sa longueur relativement importante comme cela sera décrit ultérieurement, stabilise le flux et permet ainsi d'avoir un jet de fluide à haute pression 20, sortant avec une impulsion plus forte. [0028] La figure 3 montre un autre exemple de réalisation de la buse 1 ou de l'orifice d'éjection 9. L'orifice d'éjection 9 n'est pas situé sur l'axe longitudinal 8 de l'aiguille de buse 5 mais il fait un angle par rapport à cet axe de sorte que l'orifice sort latéralement du corps de buse 2. Cela permet de générer un jet de fluide à haute pression 20, incliné par rapport à l'axe longitudinal 8 du corps de buse 2 ou de l'aiguille de buse 5, ce qui est avantageux en particulier pour usiner les surfaces latérales d'une pièce. [0029] La figure 4 montre un orifice d'éjection 9 sous une forme très agrandie. La région de l'ouverture d'entrée 109 de l'orifice d'éjection 9 a une forme arrondie ; l'arête d'entrée a un rayon de courbure r. Le rayon de courbure r est avantageusement tel que le rapport entre le rayon de courbure r et le diamètre de l'ouverture d'entrée de soit au moins égal à 0,1. En aval de l'arête d'entrée arrondie, l'orifice d'éjection 9 présente une forme conique ; l'ouverture d'entrée 109 marque le début du segment conique de l'orifice d'éjection 9. Pour un diamètre de l'orifice d'entrée 109 qui est, par exemple de 200 [um, on obtient ainsi un rayon de courbure ou congé d'au moins 20 [um mais des rayons de courbure plus importants sont possible. L'arrondi à l'entrée de l'orifice d'éjection 9 se traduit par un écoulement laminaire dans l'orifice d'éjection 9 évitant les effets de cavitation et autres mouvements turbulents à l'entrée du fluide haute pression dans l'orifice d'éjection 9. [0030] Ensuite, le flux à travers l'orifice d'éjection 9 sera accéléré par la réduction du diamètre de l'orifice d'éjection 9 de sorte qu'au niveau de l'ouverture de sortie 209 on disposera d'une impulsion relativement importante. La longueur L de l'orifice d'éjection 9, mesuré à partir de l'ouverture d'entrée 109 jusqu'à l'ouverture de sortie 209 est avantageusement de l'ordre de 1,0-2,5 mm. Cette longueur relativement importante calme le flux dans l'orifice d'éjection 9 et se traduit par une impulsion plus élevée du jet de fluide à haute pression et permet une plus grande profondeur de pénétration. La profondeur de pénétration est la distance jusqu'à laquelle le jet de fluide haute pression 20 n'est pas décomposé par son frottement dans l'air et autres effets de turbulence, c'est-à-dire la distance dans laquelle le jet reste regroupé et permet d'usiner de manière précise la pièce. [0031] La figure 8 montre, à cet effet, l'évolution qualitative de l'impulsion p d'un jet de fluide à haute pression 20 selon l'état de la technique, représenté par la courbe B ainsi que la courbe de l'impulsion p en fonction de la distance (a) à partir de l'orifice 6 d'éjection 9 pour un jet de fluide haute pression 20 sortant d'une buse selon l'invention et portant ici la référence A. Comme le montre ce diagramme, l'impulsion p du jet de fluide à haute pression, émis par la buse selon l'invention est encore suffisamment élevée à une distance plus importante de la buse et le jet de fluide haute pression est encore regroupé de manière prononcée alors que pour les buses connues, on constate une décroissance relativement rapide de l'impulsion p et ainsi de la décomposition du jet de fluide à haute pression. [0032] La figure 5a montre un autre exemple de réalisation d'une buse du dispositif selon l'invention. La buse ainsi présentée comporte trois orifices d'éjection 9 dans le corps de buse 2 ; ces orifices sont situés dans un plan ; les orifices d'éjection voisins font entre eux un angle a supérieur à 00. Les orifices d'éjection 9 sont également ici de forme conique et leur disposition est représentée en vue de dessus à la figure 5b du corps de buse 2. Les jets de fluide haute pression 20 sortant des orifices d'éjection 9 sont en forme d'éventail et permettent d'usiner simultanément une plage relativement importante de la pièce 22. En particulier, si les jets de fluide haute pression 20 ne sont pas destinés à découper la pièce 22 mais à traiter la surface de la pièce, par exemple, découper, on pourra traiter simultanément une zone relativement grande de la pièce 22, ce qui réduit par conséquence le temps d'usinage ou de travail. [0033] La figure 6a montre une autre buse du dispositif selon l'invention dans laquelle le corps de buse 2 comporte, à titre d'exemple, en tout 18 orifices d'éjection 9 ; cela apparaît également à la figure 6b qui est une vue de dessus du corps de buse 2. Les orifices d'éjection 9 ont également une forme conique et génèrent ainsi un faisceau de jets de fluide à haute pression 20 permettant de traiter simultanément une plage plus grande de la pièce 22, ce qui convient plutôt pour décaper ou nettoyer la surface de la pièce. [0034] La figure 7 montre la buse 1 selon un autre exemple de réalisation du dispositif de l'invention. Le corps de buse 2 est entouré au niveau de son extrémité, côté orifice d'éjection, par un adaptateur 11. L'adaptateur 11 forme une chambre de mélange 13 qui reçoit un agent abrasif par un canal d'alimentation 12. Le jet de fluide haute pression 20 sortant de l'orifice d'éjection 9 se mélange ainsi dans la chambre 13 avec l'agent abrasif de sorte que le jet de fluide à haute pression 20 mélangé à l'agent abrasif sort du perçage 14 de l'adaptateur 11. Les particules abrasives de l'agent abrasif ainsi entraînées augmentent d'une manière considérable, l'effet de coupe du jet de fluide à haute pression 20 ; comme agent abrasif on utilise, par exemple, du sable de quartz ou autres matériaux en forme de grains fins, très durs. [0035] NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX [0036] 1 Buse [0037] 2 Corps de buse 7 [0038] 4 Chambre de pression [0039] 5 Aiguille [0040] 6 Siège d'étanchéité [0041] 7 Surface d'étanchéité [0042] 8 Axe longitudinal [0043] 9 Orifice d'éjection [0044] 15 Réservoir [0045] 17 Conduite d'aspiration [0046] 18 Conduite haute pression [0047] 20 Jet de fluide haute pression [0048] 22 Pièce à usiner [0049] 25 Ressort d'obturation [0050] 26 Electroaimant [0051] 109 Ouverture d'entrée [0052] 209 Ouverture de sortie 8 [Revendication 11 [Revendication 21 [Revendication 31 [Revendication 41 [Revendication 51 [Revendication 61 [Revendication 71 [Revendication 81