Brevet FR3115335A1 — publié le 20220422

Titre : Pompe comprenant un piston à course variable L’invention concerne pompe (1) comprenant : - un corps de pompe (300) ; - un piston (600) mobile en translation dans le corps de pompe (300), selon un axe de translation (X) ; - des moyens moteurs (101) pour entraîner en translation le piston (600) dans le corps de pompe (300) ; - des moyens de réglage de la course du piston (600), caractérisée en ce que les moyens de réglage de la course du piston (600) comprennent : - un capteur de fin de course (700) du piston (600) ; - un calculateur (701) relié au capteur de fin de course (700) et aux moyens moteurs (101), le calculateur (701) étant paramétré pour générer et transmettre une consigne de fonctionnement aux moyens moteurs (101), à partir d’un signal de sortie du capteur de fin de course (700), et pour ajuster la course du piston (600) dans le corps de pompe (300) selon une course nominale prédéfinie. Figure pour l’abrégé : Fig. 3 Pompe comprenant un piston à course variable Le domaine de l’invention est celui de la conception et de la fabrication des dispositifs de pompage de fluide. Plus précisément, l’invention concerne un piston pour une pompe de fluide cryogénique. Les fluides cryogéniques sont des fluides, généralement des gaz, stockés à l’état liquide, qui sont pompés pour être déplacés d’un réservoir à un autre. Pour cela des pompes sont utilisées. Classiquement les pompes comprennent un corps de pompe définissant une chambre fluidique, le corps de pompe présentant une entrée pour aspirer le fluide dans le corps de pompe, et une sortie pour éjecter le fluide hors du corps de pompe. L’aspiration et l’éjection du fluide sont réalisés par l’intermédiaire d’un piston mobile à l’intérieur du corps de pompe. Plus particulièrement, le piston comprend une tête dont la périphérie radiale est en contact avec l’intérieur de la chambre fluidique pour définir alternativement un volume d’aspiration et un volume d’éjection de fluide à l’intérieur du corps fluidique. Les fluides cryogéniques, par leurs caractéristiques intrinsèques, ont un impact sur les éléments d’une pompe lors de leur circulation dans la pompe. Notamment, les pièces de la pompe, et plus précisément, la tête du piston peut se rétracter si bien que le volume variable de la pompe s’en trouve changé. Le rendement de la pompe est alors diminué et, dans le pire des cas, la pompe peut ne plus permettre l’échange de fluide entre les réservoirs. Pour pallier à cela, il est connu de modifier la course du piston afin de maintenir un taux de compression adéquat dans la pompe, ce qui permet de maintenir un débit d’aspiration et d’éjection souhaité. Une méthode connue de gestion de course de piston se base sur l’ouverture et la fermeture d’une vanne d’alimentation de la pompe. Ainsi, en fonction de la durée d’ouverture de la vanne pour alimenter la pompe en fluide, la course du piston sera modulée pour obtenir un taux de compression souhaité dans la pompe. Toutefois, cette méthode n’est pas adaptée au pompage d’un fluide cryogénique. En effet, la nécessité de modification de la course du piston provient de la rétraction du piston qui, pour une course constante, provoque une augmentation non souhaitée du volume variable et, par voie de conséquence, une diminution du taux de compression. Ainsi, malgré un changement de course en fonction d’une durée d’alimentation de la pompe, la taille du volume variable n’est pas maîtrisée, ce qui nuit au rendement de la pompe. L’invention a notamment pour objectif de palier les inconvénients de l’art antérieur. Plus précisément, l’invention a pour objectif de proposer une pompe dont la course du piston peut être modifiée en fonction de caractéristiques du fluide à pomper. L’invention a également pour objectif de fournir une telle pompe dont la modification de la course du piston est automatique. L’invention a en outre pour objectif de fournir une telle pompe dont la course du piston peut être réglée avec précision sans arrêt de la pompe. Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l’invention qui a pour objet une pompe comprenant : - un corps de pompe ; - un piston mobile en translation dans le corps de pompe, selon un axe de translation ; - des moyens moteurs pour entraîner en translation le piston dans le corps de pompe ; - des moyens de réglage de la course du piston, caractérisée en ce que les moyens de réglage de la course du piston comprennent : - un capteur de fin de course du piston ; - un calculateur relié au capteur de fin de course et aux moyens moteurs, le calculateur étant paramétré pour générer et transmettre une consigne de fonctionnement aux moyens moteurs, à partir d’un signal de sortie du capteur de fin de course, et pour ajuster la course du piston dans le corps de pompe selon une course nominale prédéfinie. Selon le signal de sortie du capteur de fin de course, la course du piston peut être augmentée ou réduite par action sur les moyens moteurs. En fonctionnement normal, l’augmentation continuelle de la distance parcourue par le piston grâce aux moyens moteurs peut être réalisée de sorte à détecter en permanence un signal par le capteur de fin de course. Ainsi, dans le cas d’une pompe pour fluide cryogénique, la rétraction due au froid du fluide cryogénique peut provoquer une diminution de la course du piston dans le corps de pompe, cette course étant alors augmentée via les moyens moteurs de sorte à obtenir un rendement de la pompe égal durant tout le fonctionnement de la pompe ou quasiment. En cas de détection d’un signal, la course du piston peut alors être modifiée et raccourcie par les moyens moteurs, ou au contraire augmentée, par incrémentation de sorte à obtenir ou conserver un rendement de pompage souhaité. De préférence, le capteur de fin de course est positionné sur le corps de pompe, à l’extérieur de celui-ci, le long de l’axe de translation. Le positionnement sur le corps de la pompe du capteur de fin de course permet de limiter l’intrusion et notamment les perturbations du fluide dans le corps de pompe, notamment pour maximiser le rendement de la pompe. Dans ce cas, le capteur de fin de course est avantageusement positionné dans l’axe de translation du piston dans le corps de pompe. Le positionnement du capteur de fin de course dans l’axe de translation du piston dans le corps de pompe permet d’obtenir une mesure fiable et précise du déplacement du piston dans le corps de pompe et ainsi de pouvoir régler finement la course du piston dans le corps de pompe. Selon un aspect avantageux, le capteur de fin de course est un accéléromètre. L’utilisation d’un accéléromètre permet de détecter de manière fiable et précise la position ou le point mort haut du piston dans le corps de pompe, c’est-à-dire la venue en butée du piston dans le corps de pompe. La modulation de la distance de translation du piston dans le corps de pompe peut ainsi être améliorée, cela au bénéfice du rendement de la pompe. Préférentiellement, le piston comprend une tige présentant un filetage externe, et la liaison entre les moyens moteurs et la tige du piston est du type vis à billes ou à rouleaux. L’utilisation d’une liaison du type vis à billes ou à rouleau entre les moyens moteurs et la tige du piston permet de régler finement et rapidement la course du piston dans le corps de pompe. Ainsi, de manière précise et rapide, il est possible de régler et de moduler la course du piston dans le corps de pompe pour obtenir ou maintenir un rendement souhaité de pompage. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation préférentiel de l’invention, donné à titre d’exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 est une vue de dessus d’une pompe selon l’invention, la pompe comprenant un compartiment moteur et deux compartiments de pompage répartis de part et d’autre du compartiment moteur ; la figure 2 est une vue simplifiée en coupe longitudinale de la pompe selon l’invention, sur laquelle est représenté le compartiment moteur et un seul des compartiments de pompage ; la figure 3 est une vue schématique d’une pompe selon l’invention comprenant des moyens de réglage de la course du piston. La figure 1 illustre une pompe 1 comprenant un compartiment moteur 100 et au moins un compartiment de pompage 200. Plus précisément, tel que cela est illustré sur la figure 1, la pompe 1 comprend avantageusement deux compartiments de pompage 200. Les deux compartiments de pompage 200 sont situés chacun de part et d’autre du compartiment moteur 100. En référence à la figure 2, le compartiment moteur 100 intègre des moyens moteurs 101 en prise avec un arbre de transmission 110 lui-même raccordé au compartiment de pompage 200. Dans la suite de la description, il n’est fait référence qu’à un seul compartiment de pompage 200, étant entendu que les deux compartiments de pompage 200 sont identiques et présentent les mêmes caractéristiques structurelles et fonctionnelles. Tel qu’illustré sur la figure 2, le compartiment de pompage 200 comprend un corps de pompe 300 à l’intérieur duquel un piston 600 est monté mobile en translation selon un axe de translation X. Le piston comprend classiquement une tige 601 et une tête 602. L’axe de translation X définit une direction longitudinale à la pompe 1. Pour permettre le pompage d’un fluide, le compartiment de pompage 200 comprend également : - un raccord d’alimentation 203 débouchant dans une rampe d’admission 2031 monté autour du corps de pompe 300, et - un raccord d’évacuation 204. Plus particulièrement, la rampe d’admission 2031 se présente sous la forme d’une canalisation annulaire entourant le corps de pompe 300, cette canalisation annulaire ayant une pluralité d’orifices permettant d’alimenter fluidiquement le corps de pompe 300. En outre, la pompe 1 comprend un compartiment intermédiaire 400 intercalé entre le compartiment moteur 100 et chaque compartiment de pompage 200 ainsi que des moyens d’isolation 500. Dans le but de protéger le compartiment de pompage 200, la pompe 1 comprend un carter 201 fermé à l’une de ses extrémités par un bouchon 202a. A l’autre de ses extrémités, le carter 201 s’étend en direction du compartiment moteur 100et est refermé par un capot 202b permettant de définir un volume interne au carter 201 dans lequel le corps de pompe 300 est logé et protégé. De préférence, un vide est réalisé dans le volume interne au carter 201. Tel que cela est visible sur les figures 1 et 2, le raccord d’alimentation 203 et le raccord d’évacuation 204 débouchent chacun dans le carter 201 pour permettre respectivement l’alimentation fluidique et l’extraction de fluide dans ou hors du corps de pompe 300. La liaison entre l’arbre de transmission 110 et le piston 600 est réalisé par des moyens de couplage mécaniques ad hoc, ces moyens de couplage mécanique pouvant être réversibles, c’est-à-dire qu’ils permettent de dissocier l’arbre de transmission 110 du piston 600. Avantageusement, les moyens moteurs 101 comprennent une vis à billes ou, plus avantageusement encore, une vis à rouleau. La vis à billes ou la vis à rouleau permettent de pouvoir transformer un mouvement de rotation des moyens moteurs 101 en un mouvement de translation de l’arbre de transmission 110 et donc du piston 600 dans le corps de pompe 300. Avantageusement, les moyens moteurs 101 comprennent un moteur à courant continu. Le corps de pompe 300 définit une chambre fluidique 301 à l’intérieur de laquelle le piston 600 est mobile en translation selon l’axe de translation X. Par sa mobilité dans la chambre fluidique 301, le piston permet le pompage et l’éjection de fluide depuis une réserve fluidique jusqu’à un réservoir à remplir. Plus particulièrement, et de manière classique, lorsque le piston se déplace dans un premier sens selon l’axe de translation X, de sorte à augmenter le volume dans la chambre fluidique 301, une dépression se crée à l’intérieur de la chambre fluidique 301 pour permettre l’entrée de fluide dans la chambre fluidique 301 via le raccord d’alimentation 203 et plus particulièrement via la rampe d’admission 2031. A l’inverse, lorsque le piston 600 se déplace dans un deuxième sens opposé au premier sens, le volume de la chambre fluidique 301 se réduit au fur et à mesure du déplacement du piston 600 dans la chambre fluidique 301, ce qui provoque la compression du fluide contenu dans la chambre fluidique 301 et donc son évacuation du corps de pompe 300 via le raccord d’évacuation 204, à destination du réservoir à remplir. Le mouvement et la vitesse de déplacement du piston 600 dans le corps de pompe 300 peuvent être modulés pour permettre un remplissage du réservoir à remplir optimal en fonction du temps disponible pour le remplissage du réservoir à remplir, mais également en fonction du type de fluide à pomper et notamment de ses caractéristiques intrinsèques. En effet, certains fluides ne peuvent pas être compressés, ou quasiment, tandis que d’autres peuvent l’être de manière importante, et certains fluides présentent des caractéristiques telles qu’en cas de manipulation trop brutale, par exemple compression ou détente trop rapides, ces fluides peuvent s’enflammer, voire créer une explosion qui peut endommager la pompe 1. Il est donc nécessaire de pouvoir moduler la vitesse de déplacement du piston 600 dans le corps de pompe 300. Le pompage d’un fluide du type cryogénique peut par exemple entraîner la rétraction des pièces qui sont en contact avec les fluides. C’est notamment le cas du corps de pompe 301 ou même et plus fréquemment du piston 600, notamment de sa tête 602. Une rétraction des éléments, notamment de la tige 601 et de la tête 602 du piston 600 peut provoquer une baisse de rendement de la pompe 1. Dans le cas d’un fluide cryogénique présentant une détente pouvant provoquer sa combustion immédiate, il est nécessaire de conserver une course constante, ou quasiment, du piston 600 pour éviter toute détente du fluide cryogénique qui pourrait alors provoquer une explosion de la pompe 1 dans le pire des cas. Pour cela, la pompe 1 selon l’invention est équipée de moyens de réglage de la course du piston 600. Les moyens de réglage de la course du piston 600 comprennent : - un capteur de fin de course 700 du piston 600 ; - un calculateur 701 relié au capteur de fin de course 700 et aux moyens moteur 101. Le calculateur 701 est avantageusement paramétré pour générer et transmettre une consigne de fonctionnement aux moyens moteur 101 à partir d’un signal de sortie du capteur de fin de course 700 et ainsi ajuster la course du piston 600 dans le corps de pompe 300 selon une course nominale prédéfinie. En effet, lorsque le piston 600 se rétracte, sa course dans le corps de pompe 300 se trouve diminuée. A titre d’exemple, lorsque la rétraction du piston 60 est d’un millimètre, la course de déplacement du piston dans le corps de pompe 300 est réduite d’autant, c’est-à-dire d’un millimètre. Il en résulte alors un manque de compression du fluide dans la pompe 1 et donc une baisse de rendement de la pompe 1, l’intégralité du fluide pompé n’étant alors pas évacué lors de la phase d’évacuation. Il est donc nécessaire de pouvoir rallonger la course du piston 600, ou au contraire de la rétrécir, afin de conserver une course du piston 600 sensiblement égale à la course nominale prédéfinie et pour laquelle le rendement de la pompe 1 est maximal. Pour cela, le capteur de fin de course 700 est un capteur du type accéléromètre. Le capteur de fin de course 700 est positionné hors du corps de pompe 300. De préférence, le capteur de fin de course 700 est positionné dans l’axe de translation X du piston 600 dans le corps de pompe 300. Un tel positionnement du capteur de fin de course 700 permet d’éviter une intrusion dudit capteur de fin de course 700 dans le corps de pompe 300, ce qui ne diminue pas le volume alloué au fluide dans le corps de pompe 300. Par ailleurs, cela permet de favoriser la maintenance du capteur de fin de course 700 lorsque cela est nécessaire. Lorsque le capteur de fin de course 700 détecte la fin de course du piston 600 dans le corps de pompe 300, il transmet un signal de sortie à destination du calculateur 701 qui génère alors une consigne de fonctionnement à transmettre aux moyens moteur 101. Cette consigne de fonctionnement réside en un allongement ou en un raccourcissement de la course du piston 600 dans le corps de pompe 300. L’allongement ou le raccourcissement de la course du piston 600 est réalisé par réglage des moyens moteur 101 et notamment par réglage de l’action de la vis à rouleau sur la tige 601 du piston 600. Plus précisément, la tige 601 du piston 600 présente un filetage externe en liaison avec les moyens moteur 101, la tige 601 du piston 600 formant avec les moyens moteur 101 une liaison du type vis à bille ou vis à rouleau. Le réglage de la course du piston 600 dans le corps de pompe 300 se fait comme suit. Le capteur de fin de course 700 du piston 600 détecte la venue du piston 600 et notamment de la tête 602 du piston 600 en butée contre le corps de pompe 300. Cette venue en butée correspond au point mort haut du piston 600, c’est-à-dire au volume minimal alloué au fluide dans le corps de pompe 300. Lorsque le capteur de fin de course 700 détecte ce point mort haut, notamment par une vibration dû à la venue en butée du piston 600 contre le corps de pompe 300, il émet un signal de sortie qui est reçu par le calculateur 701. Le calculateur 701 génère alors une consigne de fonctionnement à destination des moyens moteur 101 visant à rallonger ou au contraire à raccourcir la course du piston 600 dans le corps de pompe 300. En fonctionnement, la course du piston 600 est normalement augmentée. Par normalement augmentée, il est entendu que la course du piston 600 est augmentée de manière continue pour que le capteur de fin de course 700 ait une valeur non nulle de signal de sortie. Lorsque la valeur du signal de sortie du capteur de fin de course 700 est nulle, cela signifie que le piston 600 ne se déplace pas selon sa course nominale et qu’une modification de la consigne de fonctionnement doit être effectuée. Cela permet ainsi d’obtenir une nouvelle valeur non nulle du signal de sortie du capteur de fin de course, ce qui signifie qu’il n’y a pas de volume mort dans le corps de pompe 300 lors de la phase d’éjection. Par ailleurs, le calculateur 701 est également paramétré pour effectuer un suivi de fonctionnement de la pompe 1. A titre d’exemple, le calculateur peut transmettre, à un dispositif de contrôle 702 externe à la pompe 1, toutes les consignes de fonctionnement générées et transmises aux moyens moteur 101 ainsi que toutes les valeurs de sortie du capteur de fin de course 700. Le dispositif de contrôle 702 est quant à lui paramétré pour comparer la fréquence de changement des consignes de fonctionnement transmises aux moyens moteur 101 et/ou les valeurs du signal de sorties du capteur de fin de course 700. En cas de valeurs nulles du signal de sortie du capteur de fin de course 700 trop fréquentes, et/ou de changement de consignes trop récurrents, le dispositif de contrôle 702 peut émettre une alerte de dysfonctionnement de la pompe 1 à un opérateur. La transmission entre le calculateur 701 et le dispositif de contrôle 702 peut avantageusement être réalisé sans fil. Une liaison filaire entre le calculateur 701 et le dispositif de contrôle 702 peut être une variante de réalisation. Il est ainsi possible de suivre le fonctionnement de la pompe 1 et de contrôler le bon rendement de la pompe 1 ou alors de prévoir, le cas échéant, une intervention de maintenance de la pompe 1, notamment en cas de dysfonctionnement, ou de consignes de fonctionnement transmises aux moyens moteur 101 de manière trop fréquentes. Le rendement de la pompe 1 s’en trouve ainsi amélioré, tout comme sa durée de vie puisque des phases de maintenance peuvent être mise en place en suivant le fonctionnement de la pompe 1. Pompe (1) comprenant : - un corps de pompe (300) ; - un piston (600) mobile en translation dans le corps de pompe (300), selon un axe de translation (X) ; - des moyens moteurs (101) pour entraîner en translation le piston (600) dans le corps de pompe (300) ; - des moyens de réglage de la course du piston (600), caractérisée en ce que les moyens de réglage de la course du piston (600) comprennent : - un capteur de fin de course (700) du piston (600) ; - un calculateur (701) relié au capteur de fin de course (700) et aux moyens moteurs (101), le calculateur (701) étant paramétré pour générer et transmettre une consigne de fonctionnement aux moyens moteurs (101), à partir d’un signal de sortie du capteur de fin de course (700), et pour ajuster la course du piston (600) dans le corps de pompe (300) selon une course nominale prédéfinie. Pompe (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur de fin de course (700) est positionné sur le corps de pompe (300), à l’extérieur de celui-ci, le long de l’axe de translation (X). Pompe (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le capteur de fin de course (700) est positionné dans l’axe de translation (X) du piston (600) dans le corps de pompe (300). Pompe (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le capteur de fin de course (700) est un accéléromètre. Pompe (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le piston (600) comprend une tige (601) présentant un filetage externe, et la liaison entre les moyens moteurs (101) et la tige (601) du piston (600) est du type vis à billes ou à rouleaux.