Brevet FR3127530A1 — publié le 20230331

L’invention concerne une pompe volumétrique à lobes (10) comprenant : - un stator (11) comportant une paroi interne définissant un volume statorique ; - un rotor (14) mobile en rotation à l’intérieur du volume statorique ; le rotor (14) comportant au moins deux lobes (15) configurés pour définir un volume de pompage (Vp) ; et - un clapet (16) monté au niveau de la cheminée d’extraction (13) de sorte à coopérer avec les lobes (15) pour contraindre les fluides, présents dans le volume de pompage (Vp), à être déplacés dans une cheminée d’extraction (13) ; les lobes (15) présentant une extrémité radiale (18-19) en forme d’au moins un chevron de sorte que la mise en communication hydraulique du volume de pompage (Vp) avec la cheminée d’extraction (13) soit progressive, le clapet (16) présentant une forme d’au moins un chevron complémentaire avec celle des lobes (15). Figure pour l’abrégé : Fig 1 p ompe volumétrique à lobes Domaine de l’invention L'invention concerne une pompe volumétrique à lobes. Au sens de l'invention, une « pompe volumétrique » est une pompe dans laquelle le pompage d’un fluide résulte de la variation d'un volume occupé par le fluide à l’intérieur de la pompe, dit volume de pompage. Les « pompes volumétriques à lobes » regroupent les pompes pour lesquels plusieurs lobes permettent de définir ce volume de pompage à l’intérieur de la pompe. L'invention peut être utilisée pour pomper un fluide liquide ou pâteux incorporant des éléments solides. L’invention montre une application particulièrement avantageuse pour pomper les produits de la vendange pour la fabrication du vin. état de la technique Le fonctionnement d'une pompe volumétrique à lobes est notamment décrit dans les documents FR 2°645°915, FR 2°622°935 et FR 3°053 743. Les pompes volumétriques à lobes comportent un stator présentant une entrée de fluide et une sortie de fluide, également appelée cheminée d'extraction. Le stator présente une chambre cylindrique interne formant un volume statorique en communication hydraulique avec l'entrée de fluide et la cheminée d'extraction. Pour pomper un fluide depuis dans l'entrée de fluide jusqu'à la cheminée d'extraction, un rotor à lobes est disposé à l'intérieur du volume statorique. Chaque lobe présente typiquement une forme cylindrique de section ovoïde avec une extrémité radiale destinée à racler la paroi interne de la chambre cylindrique interne du stator. Ainsi, lors des déplacements des lobes du rotor entre l’entrée de fluide et la cheminée d'extraction, le volume entre deux lobes est tout d’abord positionné en regard de l’entrée de fluide de sorte à injecter les fluides dans le volume statorique, par exemple au moyen d’une vis d’Archimède. Le mouvement de rotation du rotor déplace ensuite le volume ente deux lobes en regard de la paroi interne du stator, délimitant ainsi le volume de pompage. Le volume entre deux lobes est continuellement déplacé jusqu’à arriver en regard de la cheminée d’extraction. Dans cette position, un clapet vient frotter contre le lobe disposé en regard de la cheminée d’extraction de sorte que le mouvement de rotation du rotor déplace les fluides du volume de pompage dans la cheminée d’extraction. Cependant, lors de la mise en communication hydraulique du volume de pompage avec la cheminée d'extraction, une contre-pression intervient dans le volume de pompage puisque la tuyauterie fixée sur la cheminée d'extraction est classiquement soumise à une pression bien plus importante que celle imposée dans le volume de pompage par la rotation du rotor. Par exemple, lors du pompage des produits de vendange, la pression dans la tuyauterie connectée à la cheminée d'extraction est d'environ deux bars et on observe une contre-pression très importante lorsqu'un lobe du rotor passe d'un état où il frotte contre la paroi interne du stator à un état dont son extrémité radiale est située en regard de la cheminée d'extraction. La transition brutale entre ces deux états est visible au niveau de la tuyauterie. En effet, avec une tuyauterie translucide, on voit les produits de vendange avancer par à-coup dans la tuyauterie. Typiquement, dans la tuyauterie, les produits de vendange avancent pendant une période d'environ une seconde puis, durant quelques millisecondes, les produits de vendange s'arrêtent. Ils reculent ensuite dans la tuyauterie lors de la mise en communication hydraulique du volume de pompage avec la cheminée d'extraction en raison de la détente de la pression de la tuyauterie dans le volume statorique. Après cette détente, les produits de vendange avancent de nouveau sous la pression appliquée par la rotation du rotor. Ces phases de détente de la pression de la tuyauterie sont si intenses qu’il est presque systématiquement nécessaire d'utiliser une cloche anti-pulsatoire ou cloche anti-coup de bélier disposée sur la cheminée d'extraction pour éviter de détériorer les produits de vendange lors du pompage. Même avec cette cloche anti-pulsatoire, ces phases de détente sont très bruyantes et les produits de la vendange risquent toujours de subir des dégradations lors du pompage. Le problème technique invention est donc d'obtenir une pompe volumétrique à lobes permettant d'obtenir un transfert de fluide efficace en réduisant ces phases de détente au niveau de la cheminée d'extraction. Pour répondre à ce technique, l'invention propose d'utiliser un rotor à lobes avec des lobes en forme de chevron de sorte que la mise en communication hydraulique du volume de pompage avec la cheminée d'extraction soit progressive. Pour ce faire, le clapet présente également une forme en chevron complémentaire avec celle des lobes de sorte à obtenir le guidage des fluides depuis le volume statorique jusqu’à la cheminée extraction. Au sens de l’invention, une « forme de chevron » correspond à une forme dans laquelle deux segments s’intersectent avec un angle compris entre 120 et 170 degrés. À cet effet, l’invention concerne une pompe volumétrique à lobes comprenant : - un stator comportant une paroi interne définissant un volume statorique ; le stator présentant une entrée de fluide et une cheminée d’extraction ; l’entrée de fluide et la cheminée d’extraction étant en communication hydraulique avec le volume statorique ; - un rotor, mobile en rotation à l’intérieur du volume statorique, comprenant au moins deux lobes ; chaque lobe comportant une extrémité radiale destinée à racler la paroi interne du stator de sorte à obtenir un volume de pompage entre deux lobes consécutifs lorsqu’ils sont positionnés entre l’entrée de fluide et la cheminée d’extraction ; - un clapet monté au niveau de la cheminée d’extraction de sorte à coopérer avec les lobes pour contraindre les fluides, présents dans le volume de pompage, à être déplacés dans la cheminée d’extraction lors de la rotation du rotor ; et - des moyens de rappel du clapet configurés pour déplacer le clapet contre les lobes lorsque les lobes sont déplacés au niveau de la cheminée d’extraction. L’invention se caractérise en ce que l’extrémité radiale de chaque lobe présente une forme d’au moins un chevron de sorte que la mise en communication hydraulique du volume de pompage avec la cheminée d’extraction soit progressive, le clapet présentant une forme d’au moins un chevron complémentaire avec celle des lobes de sorte à garantir l’herméticité de la communication hydraulique entre le volume de pompage et la cheminée d’extraction. Ainsi, la forme de l’extrémité radiale de chaque lobe permet d’obtenir une progressivité dans la mise en communication hydraulique entre le volume statorique et la pression contenue dans la tuyauterie connectée sur la cheminée d’extraction. En effet, dans l’état de la technique tel que décrit dans les documents FR 2°645°915, FR 2°622°935 et FR 3°053 743, l’extrémité radiale des lobes est droite ainsi que l’ouverture de la cheminée d’extraction dans le volume statorique. Il s’ensuit que le passage de l’extrémité radiale d’un lobe au niveau du bord de l’ouverture de la cheminée d’extraction dans le volume statorique engendre une détente très rapide de la pression de la tuyauterie dans le volume statorique. Dans l’invention, le bord droit de l’ouverture de la cheminée d’extraction coopère avec un bord en forme de chevron de l’extrémité radiale de chaque lobe de sorte que la détente de la pression de la tuyauterie soit beaucoup plus lente. Ainsi, l’invention permet d’obtenir une détente progressive à mesure des déplacements du rotor, limitant ainsi les phases de compression et de dilatation que subit le fluide lors du pompage. En outre, en limitant les phases de compression et de dilatation que subit le fluide lors du pompage, il est possible de ne pas utiliser une cloche anti-pulsatoire sur la cheminée d’extraction, de limiter le bruit, et d’améliorer la vitesse de pompage. Par ailleurs, la forme du stator n’est pas nécessairement modifiée si bien qu’il est possible, dans un mode de réalisation, de transformer une pompe existante en remplaçant simplement le rotor et le clapet. Lorsque l’invention est mise en œuvre pour pomper des produits de vendange, la limitation des sollicitations subies par les produits de vendange lors du pompage permet de protéger la qualité de la récolte, c’est-à-dire de garantir au maximum l’intégrité de la vendange. La complexité de mise en œuvre de l’invention réside dans la forme spécifique des lobes du rotor et du clapet associé. Plus particulièrement, le rotor est mobile sur un axe et il peut présenter une longueur variable à l’intérieur du volume statorique en fonction du volume de pompage recherché. Pour garantir la progressivité de la mise en communication hydraulique du volume de pompage avec la cheminée d’extraction, il est possible d’utiliser un ou plusieurs chevrons au niveau de l’extrémité radiale des lobes. Selon un mode de réalisation avec un chevron, le rotor présente une première hélice circulaire avec un pas à gauche fixée sur une seconde hélice circulaire avec un pas à droite. Au sens de l’invention, une hélice circulaire est inscrite dans un cylindre de révolution de sorte que l’extrémité radiale de l’hélice, c’est-à-dire celle du rotor, peut coopérer avec la paroi interne cylindrique du stator pour former une cavité sensiblement hermétique. En outre, le rotor peut comporter deux, trois ou quatre lobes sans changer l’invention. Avec un rotor à deux lobes dont l’extrémité radiale de chaque lobe forme un seul chevron, la section du rotor est ovoïde et le rotor est relativement simple à concevoir et à réaliser. Par exemple, la réalisation du rotor peut être obtenue en réalisant les deux parties d’hélice indépendamment et en les fixant après réalisation. Le rotor peut également être moulé d’un seul tenant en coulant une âme en acier inoxydable avec une technique de moulage en cire perdu. Cette âme en acier inoxydable peut ensuite être recouverte d’un élastomère alimentaire destinée à recevoir les frottements du clapet. En outre, l’âme en acier inoxydable recouverte d’un élastomère alimentaire peut être enserrée entre deux flasques en acier inoxydable, également réalisées par une technique de moulage en cire perdu. Les deux flasques sont préférentiellement réalisées en même temps que l’âme. En variante, une impression tridimensionnelle peut être réalisée pour obtenir cette forme complexe. Cette impression tridimensionnelle est préférée lorsque chaque lobe présente plusieurs chevrons. Par exemple, avec deux chevrons, le rotor peut présenter une première hélice circulaire avec un pas à gauche fixée sur une deuxième hélice circulaire avec un pas à droite, elle-même fixée sur troisième hélice circulaire avec un pas à gauche, elle-même fixée sur une quatrième hélice circulaire avec un pas à droite. Ce mode de réalisation permet d’obtenir une bonne progressivité pour la mise en communication hydraulique du volume de pompage avec la cheminée d’extraction, notamment pour les pompes de gros volume. En ce qui concerne l’axe du rotor, celui-ci peut être fixe ou mobile, par exemple en formant un train épicycloïdal. Les moyens de rappel du clapet peuvent également correspondre à tous les moyens connus, tels que les ressorts. De préférence, pour limiter l’encombrement et faciliter les opérations de maintenance, les moyens de rappel du clapet correspondent à des moyens magnétiques. Selon un mode de réalisation, les moyens de rappel du clapet comportent : - un premier support annulaire d’aimants, le premier support étant fixe par rapport au stator ; et - un deuxième support annulaire d’aimants, le deuxième support étant fixe par rapport au clapet ; les deux supports étant coaxiaux avec l’axe de rotation du clapet et positionnés en regard l’un de l’autre ; les pôles des aimants du premier support étant décalés par rapport aux pôles des aimants du deuxième support de sorte que la force magnétique des aimants tende à déplacer le clapet contre les lobes. Pour améliorer la course de ces moyens de rappel, ils comportent préférentiellement un troisième support annulaire d’aimants, le troisième support étant libre en rotation entre le premier support et le deuxième support, les pôles des aimants du troisième support étant décalés entre les pôles des aimants du premier support et des aimants du deuxième support. Selon un mode de réalisation, les moyens de rappel du clapet comportent des moyens de fixation amovibles des supports permettant d’ouvrir les moyens de rappel afin de modifier la puissance magnétique ou le nombres des aimants lorsqu’il est recherché de modifier la force de rappel des moyens de rappel. brève description des figures L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels : la est une vue en coupe d’un pompe volumétrique à lobes selon un mode de réalisation de l’invention ; la est une vue en perspective et en coupe de la pompe de la ; la est une vue en perspective selon un premier angle de la liaison entre le clapet et le rotor de la pompe de la ; la est une vue en perspective selon un deuxième angle de la liaison entre le clapet et le rotor de la pompe de la ; la est une vue en perspective selon un troisième angle de la liaison entre le clapet et le rotor de la pompe de la ; la est une vue en perspective selon un quatrième angle de la liaison entre le clapet et le rotor de la pompe de la ; la est une vue de dessus du rotor de la pompe de la ; la est une vue de dessus d’un rotor selon un autre mode de réalisation ; la est une représentation de la projection des déplacements du rotor de la sur la paroi interne du stator ; et la est une vue en perspective éclatée des moyens de rappel de la . Pompe volumétrique à lobes (10) comprenant : - un stator (11) comportant une paroi interne définissant un volume statorique ; le stator (11) présentant une entrée de fluide (12) et une cheminée d’extraction (13) ; l’entrée de fluide (12) et la cheminée d’extraction (13) étant en communication hydraulique avec le volume statorique ; - un rotor (14), mobile en rotation à l’intérieur du volume statorique, comprenant au moins deux lobes (15) ; chaque lobe (15) comportant une extrémité radiale (18-19) destinée à racler la paroi interne du stator (11) de sorte à obtenir un volume de pompage (Vp) entre deux lobes (15) consécutifs lorsqu’ils sont positionnés entre l’entrée de fluide (12) et la cheminée d’extraction (13) ; - un clapet (16) monté au niveau de la cheminée d’extraction (13) de sorte à coopérer avec les lobes (15) pour contraindre les fluides, présents dans le volume de pompage (Vp), à être déplacés dans la cheminée d’extraction (13) lors de la rotation du rotor (14) ; et - des moyens de rappel (17) du clapet (16) configurés pour déplacer le clapet (16) contre les lobes (15) lorsque les lobes (15) sont déplacés au niveau de la cheminée d’extraction (13) ; caractérisée en ce que l’extrémité radiale (18-19) de chaque lobe (15) présente une forme d’au moins un chevron de sorte que la mise en communication hydraulique du volume de pompage (Vp) avec la cheminée d’extraction (13) soit progressive, le clapet (16) présentant une forme d’au moins un chevron complémentaire avec celle des lobes (15) de sorte à garantir l’herméticité de la communication hydraulique entre le volume de pompage (Vp) et la cheminée d’extraction (13). Pompe volumétrique à lobes selon la revendication 1, dans laquelle les lobes (15) et le clapet (16) présentent une forme avec un seul chevron, le rotor (14) présentant une première hélice circulaire (20) avec un pas à gauche fixée sur une seconde hélice circulaire (21) avec un pas à droite. Pompe volumétrique à lobes selon la revendication 1, dans laquelle les lobes (15) et le clapet (16) présentent une forme avec deux chevrons, le rotor (14) présentant une première hélice circulaire avec un pas à gauche fixée sur une deuxième hélice circulaire avec un pas à droite, elle-même fixée sur troisième hélice circulaire avec un pas à gauche, elle-même fixée sur une quatrième hélice circulaire avec un pas à droite. Pompe volumétrique à lobes selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle le rotor (14) comporte deux, trois ou quatre lobes (15). Pompe volumétrique à lobes selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle le rotor (14) comporte un axe de rotation fixe. Pompe volumétrique à lobes selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle le rotor (14) comporte un axe de rotation mobile formant un train épicycloïdal. Pompe volumétrique à lobes selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle les moyens de rappel (17) du clapet (16) correspondent à des moyens magnétiques. Pompe volumétrique à lobes selon la revendication 7, dans laquelle les moyens de rappel (17) du clapet (16) comportent : - un premier support (25) annulaire d’aimants (27), le premier support (25) étant fixe par rapport au stator (11) ; et - un deuxième support (26) annulaire d’aimants (28), le deuxième support (26) étant fixe par rapport au clapet (16) ; les deux supports (25, 26) étant coaxiaux avec l’axe de rotation du clapet (16) et positionnés en regard l’un de l’autre ; les pôles des aimants (27) du premier support (25) étant décalés par rapport aux pôles des aimants (28) du deuxième support (26) de sorte que la force magnétique des aimants (27-28) tende à déplacer le clapet (16) contre les lobes (15). Pompe volumétrique à lobes selon la revendication 8, dans laquelle les moyens de rappel (17) du clapet (16) comportent en outre un troisième support (29) annulaire d’aimants (30), le troisième support (29) étant libre en rotation entre le premier support (25) et le deuxième support (26), les pôles des aimants (30) du troisième support (29) étant décalés entre les pôles des aimants (27) du premier support (25) et des aimants (28) du deuxième support (26) de sorte à augmenter la course de rappel des moyens de rappel (17). Pompe volumétrique à lobes selon la revendication 8 ou 9, dans laquelle les moyens de rappel (17) du clapet (16) comportent des moyens de fixation amovibles des supports (25-26, 29) permettant d’ouvrir les moyens de rappel (17) afin de modifier la puissance magnétique ou le nombres des aimants (27-28, 30) lorsqu’il est recherché de modifier la force de rappel des moyens de rappel (17).