Brevet FR3119998A1 — publié le 20220826

Titre de l’invention : Unité et installation de pompage ultra haute pression actionnée pneumatiquement pour former un jet de liquide destiné au découpage de matériaux. L’actionneur pneumatique comprend une enveloppe cylindrique rigide (14), une embase (15), une membrane roulante (16) logée dans la dite enveloppe (14) et fixée à l’embase (15), un piston en forme de plaque (32) fixée sur la dite membrane (16) et se déplaçant en va et vient dans la dite enveloppe (14), une entrée-sortie d’air sous pression (30) pour alimenter en air la chambre délimitée par l’ensemble embase-membrane-piston. Un guide de liaison, conçu comme un vérin à double effets, comprend une tige (8) dont une extrémité est fixée au piston (32), l’autre face du piston est fixée au plongeur ultra haute pression (33). L’unité et l’installation de pompage ultra haute pression (UHP) est destinée en particulier à la découpe de matières comestibles par jet d’eau haute pression. Figure pour l’abrégé : [Fig. 1] Unité et installation de pompage ultra haute pression actionnée pneumatiquement pour former un jet de liquide destiné au découpage de matériaux. L’invention concerne une unité de pompage ultra haute pression (UHP), actionné par de l’air comprimé, ainsi qu’une installation de pompage comportant plusieurs de ces unités. L’invention est destinée en particulier à la découpe de matières comestibles par jet d’eau haute pression. Etat de la technique antérieure Il existe des machines de découpe d’aliments par jet d’eau comme celles brevetées par les sociétés Metronics ou Hydroprocess. De façon générale, les pistons ou plongeurs de ces pompes à eau haute pression (2000 à 10000 bars) sont entrainés par des moyens électromécaniques tels que des servomoteurs. Le moteur électrique, la pompe à haute pression et la buse forment un seul bloc qui le plus souvent est monté fixe au-dessus d’un plateau ou table mobile qui supporte la pièce à découper. Du fait entre autres de la taille de l’ensemble moteur-pompe, il est plus aisé de déplacer le support de la pièce à découper que l’ensemble moteur-pompe-buse d’éjection de l’eau haute pression. Il existe également des systèmes de perforation par jet d’eau haute pression chargée d’abrasifs, entrainés par des moyens à air comme divulgués dans les brevets US3520477 et DE2657717 qui décrivent des pompes à eau très haute pression pour la perforation de matière dure, notamment des pierres. L’actionneur pneumatique comprend une chambre cylindrique alimenté en air sous pression dans laquelle se meut un piston. La pression de l’air dans l’actionneur et le rapport entre la grande et la petite face du dit piston détermine de façon connue la pression de l’eau dans la chambre débouchant sur la buse de sortie du jet d’eau. Ce dispositif est également un ensemble monobloc intégrant l’actionneur pneumatique, la pompe à eau haute pression et la buse d’éjection. Il génère des pulsations qui sont destinées à réaliser un travail de perforation et non pas un découpage régulier. Le but de l’invention est de proposer une unité de pompage ultra haute pression (UHP), actionné par de l’air comprimé, de conception modulaire avec un actionneur pneumatique dont le coût de fabrication unitaire est réduit. Un autre but de l’invention est de proposer une installation de pompage comprenant plusieurs unités de pompage UHP qui alimentent une même buse mobile de découpage afin que le jet de découpage soit régulier. Dans la suite du texte le sigle UHP signifie Ultra haute Pression, c’est-à-dire une pression hydraulique de l’ordre de 4000 bars. Selon l’invention, l’unité de pompage ultra haute pression (UHP) actionnée pneumatiquement pour former un jet de liquide destiné notamment au découpage de matériaux, comprend une pompe UHP avec une chambre alimentée en eau dont la sortie est raccordée hydrauliquement à une buse pour former le jet, un plongeur UHP se déplaçant dans la dite chambre dans un mouvement linéaire de va et vient au moyen d’un actionneur pneumatique comprenant une chambre de travail. L’unité de pompage UHP selon l’invention est caractérisée en ce que l’actionneur pneumatique comprend une enveloppe cylindrique rigide, une embase, une membrane roulante logée dans la dite enveloppe et fixée à l’embase, un piston en forme de plaque fixée sur le dite membrane et se déplaçant en va et vient dans la dite enveloppe, une entrée-sortie d’air pour alimenter en air sous pression la chambre de travail délimitée par l’ensemble embase-membrane-piston et pour évacuer l’air sous l’action d’une force de rappel du piston, et en ce qu’elle comprend un guide linéaire dont la partie mobile à tige est fixée au piston et au plongeur UHP. Selon un mode de réalisation préférentielle de l’invention, la force de rappel du piston est exercée par un ressort hélicoïdal. Le guide linéaire est conçu comme un vérin à double effets contenant de l’huile, comprenant deux chambres à volume variable dans lesquelles se déplace en va et vient un piston au moyen d’une tige fixée au piston de l’actionneur pneumatique, l’autre face du piston étant fixée au plongeur UHP. La membrane est en caoutchouc et l’enveloppe cylindrique a un diamètre supérieur à la somme du diamètre du piston et de quatre fois l’épaisseur de la membrane pour permettre à la membrane de rouler le long de la paroi intérieure de l’enveloppe lors du mouvement de va et vient du piston. Selon un perfectionnement avantageux de l’invention, plusieurs unités -actionneur pneumatique, guide linéaire, pompe UHP – sont regroupées dans un même bâti pour réaliser une installation de pompage UHP alimentant en liquide une seule buse mobile de découpage à une haute pression à peu près régulière sans pulsions. Description détaillée Les caractéristiques et avantages de l’appareil de découpage à jet d’eau selon l’invention ressortiront mieux de la description qui suit en référence aux dessins annexés dans lesquels : représente une vue en coupe longitudinale d’une unité actionneur-pompe selon l’invention. est une vue de dessus de la pompe selon l’invention. est une vue 3D de la pompe selon l’invention. est une vue 3D d’une installation de pompage comprenant quatre unités actionneur-pompe selon l’invention. à représentent le guide linéaire selon l’invention. En référence à la , l’unité actionneur-pompe comprend un actionneur pneumatique avec son piston (32), une pompe hydraulique haute pression avec son piston plongeur (33) et un guide linéaire reliant les deux pistons (32), (33). L’actionneur pneumatique convertit la pression de l’air en force linéaire. Il est constitué d’une enveloppe cylindrique rigide fixe (14), d’une embase fixe (15), d’un piston (32), d’une membrane roulante en caoutchouc (16). L’extrémité supérieure de cette membrane présente une lèvre qui permet de fixer par emmanchement cette extrémité sur un épaulement du piston (32), ce qui assure aussi l’étanchéité entre la membrane (16) et le piston (32). Le diamètre extérieur maximum du piston (32) est inférieure à la somme du diamètre intérieure de l’enveloppe (14) et de quatre fois l’épaisseur de la membrane (16) afin de permettre à cette membrane de rouler le long de la surface intérieure de l’enveloppe cylindrique lors du mouvement de va et vient du piston (32). L’extrémité inférieure de la membrane (16) est fixée à l’embase (15) et à la partie basse intérieure de l’enveloppe (14) fixé par sertissage entre l’embase (15) et l’enveloppe emmanché en force par une presse. La membrane roulante, le piston et l’embase délimitent une chambre étanche de travail (39) dans laquelle débouche au niveau de l’embase un conduit d’entrée-sortie d’air (30). A cet effet, l’embase est percée au centre pour l’entrée-sortie d’air (30) et sa fixation sur un bâti. Le mouvement de rappel du piston pneumatique (32), pour l’évacuation de l’air de la chambre (39) et du plongeur UHP (33), est obtenu au moyen d’un ressort hélicoïdal (31) coaxial à la tige (8) et au plongeur (33), une extrémité du ressort prenant appui sur une plaque de verrouillage (24, 25) fixée au guide linéaire et l’autre extrémité prenant appui dans une rainure circulaire du piston (32) de l’actionneur pneumatique. La membrane roulante est réalisée dans une matière caoutchoutée analogue à celle utilisée dans les suspensions pneumatiques de camions. La pression d’air maximum dans la chambre (39) est comprise, à titre indicatif, entre 6 et 10 bars, de préférence 7 bars. Un compresseur à vis, non représenté alimente en air cet actionneur. L’enveloppe (14) empêche la membrane de gonfler limitant les volumes d’air mort. Cet actionneur pneumatique à membrane roulante peut effectuer plusieurs millions de cycles sans maintenance. Il ne craint ni la pollution, ni l’humidité car il n’y a pas de joint d’étanchéité et de frottements au niveau du piston. Un insert inox taraudé (17) est fixé au centre de la partie supérieure du piston (32) pour fixer par vissage la tige inférieure (8) du guide linéaire ( et 7). Ce guide linéaire a plusieurs fonctions : Le guide linéaire retransmet la force de l’actionneur pneumatique sur le plongeur UHP. Il contraint le vérin et le plongeur UHP à rester alignés pendant tout le mouvement de translation. Il transmet au plongeur UHP seulement les forces axiales mais pas les forces transversales nuisibles au bon fonctionnement du plongeur UHP. Il assure pendant le rappel par ressort du vérin pneumatique, l’alignement de l’ensemble vérin/guide/plongeur et la limitation de vitesse par freinage hydraulique. Il assure la butée mécanique si un capteur de fin de course défaillant n’arrête pas la montée empêchant ainsi, la collision du plongeur dans l’étage UHP. En référence aux figures 1, 6 à 9, ce guide linéaire est constitué comme un vérin à double effets, sans entrée et sortie hydraulique, avec deux chambres hydrauliques (36, 37) cylindriques remplies d’huile, communicantes par des perçages (41) dans le piston (9). Il comprend un corps (10) aligné et fixé à la tête UHP (6) via une chappe (20) et un écrou (1). Le chambre inférieure (36) est fermée à sa partie basse par la tête (7) du guide linéaire. La tige primaire (8) qui est fixée sur le piston de l’actionneur pneumatique (32) et sur le piston (9) du guide linéaire fait deux fois le diamètre de la tige secondaire qui est le plongeur UHP (33) vissé dans la tige primaire (8) taraudée à son extrémité. Le piston est percé (41) rendant les deux chambres hydrauliques (36, 37) qu’il sépare communicantes et non pressurisées lors des translations en va et vient du piston (9). Le corps du guide linéaire est au 3/4 rempli d’huile non toxique. Une poche d’air absorbe le volume de la tige primaire (8) en se comprimant légèrement lorsque que celle-ci est rentrée. L’huile amortit la fin de course du mouvement de rappel par ressort (31) et assure la lubrification des frottements portés uniquement sur les joints (21, 34, 35) de tiges (8, 33) et de piston (9). L’huile lubrifie également une partie du plongeur UHP (33) qui en garde une fine pellicule après le passage du joint racleur (21) en sortie de guide linéaire afin d’accroître la durée de vie des joints UHP. Le guide linéaire comprend une chambre intermédiaire (38, ), entre la chambre (37) du guide linéaire et la chambre (40) de la tête UHP (6), qui récupère et draine d’éventuelles fuites d’eau internes provenant du cylindre UHP vers un réceptacle après la sortie de fuites internes (23). Ce dispositif empêche l’eau de rentrer dans le guide linéaire en cas de défaillance et de se mélanger à son l’huile. Il permet également de signaler de manière visuelle la présence de fuites internes. Comme dit précédemment, la tige secondaire (33) du guide linéaire fait fonction de plongeur UHP (33) qui se déplace en va et vient dans une chambre cylindrique (40) formée dans la tête UHP (6). La tête UHP (6) comporte une entrée et une sortie d’eau, chacune étant pourvue d’un clapet anti-retour, respectivement (18) et (19). La sortie (18) de la tête haute pression est raccordée à la buse mobile de découpage par un tuyau métallique flexible (non représenté). La tige du plongeur UHP (33) est en inox polie en surface et est filetée à son extrémité dans le guide linéaire. Certains détails de construction utiles au bon fonctionnement de la pompe hydraulique UHP, sont également représentés et référencées sur les figures 1 et 6. Sont représentés notamment les bagues de guidage (2), (5) des tiges du guide linéaire, le moyen (4) comprimant les joints UHP (12) contre la surface du plongeur UHP, les capteurs inductifs de position basse (28) et de position haute (29) du piston (32) de l’actionneur pneumatique. Ces capteurs inductifs à effet Hall, comprennent un aimant (26) et un support d’aimant (27). D’autres détails de montage sont représentés comme la rondelle plate (13) et le contre écrou (11) au niveau de la fixation vissée de la tige primaire (8) dans le piston pneumatique (32). L’unité - actionneur pneumatique, guide linéaire, pompe UHP - est fixée sur un bâti au moyen de différents organes, comprenant notamment des plaques de verrouillage (24), (25), d’écrou de fixation (3) et de bague de maintien (22). Il est avantageux de grouper plusieurs unités par exemple quatre unités - actionneur pneumatique, guide linéaire, pompe UHP - pour réaliser une installation de pompage UHP alimentant en liquide une seule buse de découpage à une haute pression à peu près régulière sans pulsions. A titre d’exemple en référence à la , une installation composée de quatre unités - actionneur pneumatique, guide linéaire, pompe UHP – amène du liquide, à une pression 3600 Bar, à travers une buse de 80 microns générant un jet d’eau filaire supersonique avec un débit de 0,164 Litre/minute. Ce dispositif a été conçu pour des applications de découpe à jet d’eau potable dans un environnement agroalimentaire ou pour d’autres fluides comme de l’azote liquide. Il pourra aussi être utilisé dans d’autres applications non alimentaires comme la découpe de cuir, textile, joints et à terme dans des applications avec abrasif pour des découpes de pierres, métaux et autres. Ce système utilise comme source de puissance un compresseur d’air à vis qui aspire 810 litres d’air par minute et refoule cet air à une pression de 7-8 bar maximum. Ce volume est compressé dans ce système à 7-8 bar, avec une consommation électrique de 5500 W. Le dispositif d’air comprimé est contenu dans un circuit fermé qui évite de condenser l’eau de l’air ambiant, rendant le déshumidificateur ou séparateur d’eau facultatif. Le ratio de pression entre l’entrée et la sortie de l’unité de pompage est de 1:600, càd 1 bar en air génère 600 bars en eau. Le système est administré par un automate programmable qui pilote trois électrovannes pneumatiques par actionneur pneumatique via un capteur à effet Hall de position basse (28) et un capteur à effet Hall de position haute (29) de chaque piston (32). L’automate gère également une phase de récupération d’air d’échappement redistribué sur l’actionneur précédent (N -1) qui se précharge et soutient la pression hydraulique pendant les transitions de pressurisation des actionneurs pneumatiques. Unité de pompage ultra haute pression (UHP) actionnée pneumatiquement pour former un jet de liquide destiné notamment au découpage de matériaux, comprenant une pompe UHP avec une chambre (40) alimentée en liquide dont la sortie est raccordée hydrauliquement à une buse pour former le jet, un plongeur UHP (33) se déplaçant dans la dite chambre dans un mouvement linéaire de va et vient au moyen d’un actionneur pneumatique comprenant une chambre de travail, caractérisée en ce que l’actionneur pneumatique comprend une enveloppe cylindrique rigide (14), une embase (15), une membrane roulante (16) logée dans la dite enveloppe et fixée à l’embase, un piston (32) en forme de plaque fixée sur le dite membrane et se déplaçant en va et vient dans la dite enveloppe (14), une entrée-sortie d’air (30) pour alimenter en air sous pression la chambre de travail (39) délimitée par l’ensemble embase-membrane-piston et pour évacuer l’air sous l’action d’une force de rappel du piston, et en ce qu’elle comprend un guide linéaire dont la partie mobile à tige est fixée au piston (32) et au plongeur UHP (33). Unité de pompage selon la revendication 1 caractérisée en ce la membrane (16) est en caoutchouc et en ce que l’enveloppe cylindrique (14) a un diamètre supérieur à la somme du diamètre du piston (32) et de quatre fois l’épaisseur de la membrane (16) pour permettre à la membrane (16) de rouler le long de la paroi intérieure de l’enveloppe (14) lors du mouvement de va et vient du piston (32). Unité de pompage selon la revendication 2 caractérisée en ce que l’extrémité supérieure de cette membrane présente une lèvre qui permet de fixer par emmanchement cette extrémité sur un épaulement du piston (32), ce qui assure aussi l’étanchéité entre la membrane (16) et le piston (32), et en ce que l’extrémité inférieure de la membrane (16) est fixée à l’embase (15) et à la partie basse intérieure de l’enveloppe (14) par sertissage. Unité de pompage selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que le guide linéaire (Fig. 5 et 6) est conçu comme un vérin à double effets contenant de l’huile, comprenant deux chambres (36, 37) à volume variable dans lesquelles se déplace en va et vient un piston (9) au moyen d’une tige fixée au piston (32) de l’actionneur pneumatique, l’autre face du piston étant fixée au plongeur UHP (33). Unité de pompage selon la revendication 4 caractérisée en ce que la pompe UHP comprend un corps UHP (6) fixé au corps (10) du guide linéaire, et renfermant la chambre UHP (40) comprenant une entrée d’eau et une sortie d’eau munies chacune d’un clapet antiretour (18, 19). Unité de pompage selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que la force de rappel du piston pneumatique (32) et du plongeur UHP (33) est obtenue au moyen d’un ressort hélicoïdal (31) coaxial à la tige (8) et au plongeur (33), une extrémité du ressort prenant appui sur une plaque de verrouillage (24, 25) fixée au guide linéaire et l’autre extrémité prenant appui dans une rainure circulaire du piston (32) de l’actionneur pneumatique. Unité de pompage selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la sortie (18) de la tête haute pression est raccordée à la buse mobile par un tuyau métallique flexible. Installation de pompage comportant plusieurs unités de pompage selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les unités sont montés dans un bâti (Fig. 4) et administrées par un automate programmable qui pilote trois électrovannes pneumatiques par actionneur pneumatique via un capteur à effet Hall de position basse (28) et un capteur à effet Hall de position haute (29) de chaque piston (32) des actionneurs pneumatiques. Installation de pompage selon la revendication 8 caractérisée en ce que l’automate gère également une phase de récupération d’air d’échappement redistribué sur l’actionneur précédent (N -1) qui se précharge et soutient la pression hydraulique pendant les transitions de pressurisation des actionneurs pneumatiques. Installation de pompage selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu’elle est utilisée pour découper par jet d’eau des produits comestibles.