Brevet FR3151070A1 — publié le 20250117

L'invention propose une vanne de régulation (16) destinée à réguler la quantité d'hydrogène alimentant au moins une cellule d'une pile à combustible, la vanne de régulation (16) présentant un axe principal A et comportant notamment une vanne (18) qui est destinée à être alimentée en hydrogène et un actionneur (20) qui entraine la vanne (18), pour ouvrir et/ou fermer de manière sélective et commandée la vanne (18), la vanne (18) et l'actionneur (20) étant empilés axialement l'un sur l'autre, caractérisée en ce que l'actionneur (20) est un moteur de type pas à pas comportant deux bobines (38) empilées selon l'axe principal de la vanne de régulation (16) et un noyau (40) consistant en un aimant permanent, le noyau (40) étant relié à un composant mobile (34) de la vanne (18) par un dispositif de transformation de mouvement. Figure pour l’abrégé : Figure 2 . vanne de régulation à moteur intégré L'invention concerne une vanne de régulation destiné à alimenter des piles à combustibles, elles mêmes destinées aux transports dans leur conception générale. La vanne de régulation a pour fonction principale de réguler la pression et le débit d'hydrogène alimentant la pile à combustible pour assurer un fonctionnement du système conformément à la demande, à la fois en termes de performance et d'efficacité. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Une vanne de régulation a pour but de fournir de l'hydrogène à des cellules de piles à combustible avec des critères de pression et de débit précis, afin de satisfaire la demande en termes de performances des piles à combustible. Une vanne de régulation est constituée principalement d'un actionneur commandé électroniquement et d'une vanne qui est entrainée par l'actionneur et qui permet, selon son degré d'ouverture, de fournir la quantité de fluide, ici de l'hydrogène sous pression, correspondant à la demande. Selon un mode de réalisation connu, l'actionneur d'une vanne de régulation est un solénoïde. Un tel actionneur présente l'avantage d'avoir un temps de réponse réduit mais sa précision est particulièrement faible. En effet, pour une même instruction de commande qu'il peut recevoir, le solénoïde peut présenter plusieurs positions de son axe de sortie. De plus, une vanne de régulation comportant un actionneur de type solénoïde présente une hystérésis particulièrement marquée. La est un graphique représentant, pour différents types de vannes de régulation, le débit d'hydrogène en sortie de la vanne (ordonnées) en fonction de la modulation de largeur d'impulsion (PMW pour Pulse Width Modulation) (abscises). Les trois premières courbes 10, 12 et 14 montrent les mesures pour trois différentes vannes de régulation à actionneur solénoïde. On constate dans ces courbes que l'hystérésis est relativement importante, ce qui nuit à l'efficacité et la répétabilité des points de fonctionnement de la pile à combustible. Cela réduit aussi la plage d’exploitation de la puissance de la pile à combustible. En effet, une intervalle de débits imprécise implique que l'intervalle de puissances correspondantes de la pile à combustible sont interdites. L'invention a pour but de proposer une vanne de régulation présentant des performances améliorées par rapport aux vannes de régulation selon l'état de la technique. L'invention propose une vanne de régulation destinée à réguler la quantité d'hydrogène alimentant au moins une cellule d'une pile à combustible, la vanne de régulation présentant un axe principal A et comportant notamment une vanne qui est destinée à être alimentée en hydrogène et un actionneur qui entraine la vanne, pour ouvrir et/ou fermer de manière sélective et commandée la vanne, la vanne et l'actionneur étant empilés axialement l'un sur l'autre, caractérisée en ce que l'actionneur est un moteur de type pas à pas comportant deux bobines empilées selon l'axe principal de la vanne de régulation et un noyau consistant en un aimant permanent, le noyau étant relié à un composant mobile de la vanne par un dispositif de transformation de mouvement. L'utilisation d'un actionneur de type moteur pas à pas permet de fonctionner avec une position angulaire précise de l'arbre de l'actionneur. Cet arbre étant relié à la vanne par un dispositif adéquat, la position de la vanne, en ouverture/fermeture est par conséquent pilotable avec précision. De préférence, la vanne comporte une ouverture d'entrée d'hydrogène, une ouverture de sortie d'hydrogène et une soupape qui est mobile dans la vanne pour ouvrir ou fermer l'ouverture de sortie et une tige de soupape monté mobile en translation dans la vanne, dans laquelle la tige de soupape porte la soupape et est reliée au noyau par le dispositif de transformation de mouvement. De préférence, la vanne comporte une tige de soupape monté mobile en translation dans la vanne, qui porte la soupape et qui est reliée au noyau par le dispositif de transformation de mouvement. De préférence, la tige de soupape s'étend en partie à l'intérieur de l'actionneur. De préférence, dispositif de transformation de mouvement consiste en un système à vis et écrou comportant un organe rotatif, un organe mobile en translation et un organe de blocage en rotation de l'organe mobile en translation. De préférence, dispositif de transformation de mouvement comporte un taraudage formé dans le noyau, un filetage formé sur la tige de soupape et qui est complémentaire du taraudage du noyau et une bague de blocage en rotation qui est fixée dans la vanne et qui coopère avec la tige de soupape pour empêcher à la tige de soupape de tourner autour de l'axe principal A. La est un graphique montrant une comparaison entre la courbe de réponse d'une vanne de régulation selon l'invention et les courbes de réponse de vannes de régulation à solénoïde selon l'invention. La est une représentation schématique en section axiale d'une vanne de régulation selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE L’INVENTION On a représenté à la une vanne de régulation 16 destinée à réguler la quantité d'hydrogène alimentant une batterie d'accumulateur électrochimique (non représentée). Dans la description qui va suivre on définit un axe principal A de la vanne de régulation 16 comme étant son axe principal de symétrie. La vanne de régulation 16 comporte une vanne 18 qui est destinée à être installée dans un circuit de circulation d'hydrogène alimentant la batterie d'accumulateur et un actionneur 20 d'entrainement de la vanne 18. La vanne 18 comporte un corps 22 délimitant un volume interne 24. Le corps 22 comporte une ouverture d'entrée 28 par laquelle le volume interne 24 est mis en communication avec une source d'hydrogène sous pression et une ouverture de sortie 26 mettant en communication le volume interne 24 avec la batterie d'accumulateur. De préférence, l'ouverture d'entrée 28 est coaxiale à l'axe principal A de la vanne de régulation 16 et l'ouverture de sortie 26 est orientée principalement radialement par rapport à l'axe principal A, comme on peut le voir à la . Il sera compris que l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et que l'ouverture d'entrée peut être orientée principalement radialement par rapport à l'axe principal A et l'ouverture de sortie peut être coaxiale à l'axe principal A de la vanne de régulation 16 sans sortir du domaine de l'invention. la vanne 18 comporte aussi une soupape 30 qui est mobile dans le corps 22 selon la direction de l'axe principal A. La soupape 30 est destinée à fermer ou à ouvrir de façon plus ou moins importante l'ouverture de sortie 26 du corps 22. Pour cela, l'ouverture de sortie 26 comporte, à son extrémité débouchant dans le volume interne 24, un siège 32 contre lequel la soupape 30 est en appui lorsque la vanne 18 est fermée. Le profil du siège 32 est identique au profil d'une face en vis-à-vis de la soupape 30 permettant, lorsque la soupape 30 est en appui contre le siège 32, à obturer complètement l'ouverture de sortie 26, bloquant le passage à l'hydrogène présent dans le volume interne 24. La soupape 30 est ainsi montée mobile axialement dans le volume interne 24 du corps 22 entre une position de fermeture de la vanne 18 dans laquelle la soupape 30 est en appui contre le siège 32 et plusieurs positions d'ouverture de la vanne 18. La variation de la distance entre la soupape 30 et le siège 32 fait varier permettant de réguler le débit et/ou la pression d'hydrogène sortant de la vanne 18. La vanne 18 comporte aussi une tige de soupape 34 qui est coaxiale à l'axe principal A et qui est mobile dans le corps 22 le long de l'axe principal A. la tige de soupape 34 porte la soupape 30 et elle est reliée à l'actionneur 20, comme on le verra plus en détails par la suite. Le corps 22 de la vanne 18 comporte à cet effet une ouverture de commande 36 qui est coaxiale à l'axe principal A et est située à une extrémité axiale du corps 22. Cette ouverture de commande 36 est traversée par la tige de soupape 34 pour permettre la liaison entre la tige de soupape 34 et l'actionneur 20. L'actionneur 20 est un actionneur du type moteur pas à pas. Il comporte un organe qui est monté en rotation autour de l'axe principal A de la vanne de régulation 16. L'actionneur 20 comporte deux bobines 38 qui sont coaxiales à l'axe principal A et qui sont décalées axialement l'une par rapport à l'autre. Les bobines 38 sont disposées et conçues pour conférer à l'actionneur 20 un nombre de pas qui est généralement de 24 ou 48 pas. L'actionneur 20 comporte aussi un noyau 40 constitué d'un aimant permanent qui est mobile en rotation autour de l'axe principal A et qui est disposé coaxialement à l'axe principal A, dans un volume délimité par les bobines 38. Le noyau 40 est de forme principale annulaire et est coaxial à l'axe principal A de la vanne de régulation 16. Il délimite un volume cylindrique dans lequel une partie d'extrémité de la tige de soupape 34 est reçue. Le déplacement axial le la soupape 30 est obtenu par un système de transformation du mouvement de rotation du noyau 40 en un mouvement de translation de la tige de soupape 34. Selon un mode de réalisation préféré, le système de transformation de mouvement est du type à vis et écrou. Il comporte un taraudage formé dans un organe mobile en rotation, un filetage complémentaire du taraudage formé dans un organe mobile en translation et un organe bloquant la rotation de l'organe mobile en translation. De préférence, selon le mode de réalisation représenté aux figures, le taraudage est formé dans le noyau 40 et le filetage est formé sur la partie d'extrémité de la tige de soupape 34 qui est située dans le volume délimité par le noyau 40. L'organe bloquant la rotation de la tige de soupape 34 consiste en une bague 42 qui est fixée de manière immobile au corps 22, dans le volume interne 24. Ainsi, lors d'une commande de la vanne de régulation 16, les bobines 38 sont alimentées en électricité de manière contrôlée, ce qui produit une rotation du noyau 40 dans un sens autour de l'axe principal A et selon un degré prédéfini. Cette rotation du noyau 40 est convertie en une translation de la tige de soupape 34 par la coopération de la tige de soupape 34 avec le noyau 40 et avec la bague 42. Par conséquent la soupape 30 translate axialement et se rapproche ou s'éloigne du siège 32 selon une amplitude correspondant à la rotation du noyau 40. Selon une variante de réalisation, la vanne 18 et l'actionneur sont montés dans un même boitier extérieur 46. Ce boitier extérieur 46 permet de solidariser ensemble la vanne 18 et l'actionneur 20, ainsi que leurs composants qui coopèrent les uns avec les autres. Cela qui permet d'avoir un sous ensemble complet prêt à être installé. Cela permet de limiter les opérations lors de l'assemblage du système dans lequel la vanne de régulation 16 est installée. Comme on peut le voir à la , dans laquelle on a aussi représenté une courbe 44 représentative du débit d'hydrogène en sortie de la vanne de régulation 16 selon l'invention, la variation du débit d'hydrogène est plus progressive par rapport aux modes de réalisation de l'art antérieur. Aussi, l'hystérésis est moins importante pour la vanne de régulation selon l'invention. Ces résultats montrent que la vanne de régulation 16 selon l'invention permet de réaliser une régulation plus précise de la pression et/ou du débit d'hydrogène. L'utilisation de la vanne de régulation selon l'invention permet alors d'avoir des performances améliorées du système avec lequel la vanne de régulation 16 est utilisée. Un autre avantage de la vanne de régulation 16 selon l'invention concerne la compacité de celle-ci par rapport aux vannes de régulation selon l'art antérieur. En effet, un solénoïde est plus volumineux qu'un moteur pas à pas pour une même course axiale de la soupape et un même effort axial de pression sur la soupape. NOMENCLATURE : 10 courbe 12 courbe 14 courbe 16 vanne de régulation 18 vanne 20 actionneur 22 corps 24 volume interne 26 ouverture de sortie 28 ouverture d'entrée 30 soupape 32 siège 34 tige de soupape 36 ouverture de commande 38 bobines 40 noyau 42 bague 44 courbe 46 boitier extérieur Vanne de régulation (16) destinée à réguler la quantité d'hydrogène alimentant au moins une cellule d'une pile à combustible, la vanne de régulation (16) présentant un axe principal A et comportant notamment une vanne (18) qui est destinée à être alimentée en hydrogène et un actionneur (20) qui entraine la vanne (18), pour ouvrir et/ou fermer de manière sélective et commandée la vanne (18), la vanne (18) et l'actionneur (20) étant empilés axialement l'un sur l'autre, caractérisée en ce que l'actionneur (20) est un moteur de type pas à pas comportant deux bobines (38) empilées selon l'axe principal de la vanne de régulation (16) et un noyau (40) consistant en un aimant permanent, le noyau (40) étant relié à un composant mobile (34) de la vanne (18) par un dispositif de transformation de mouvement. Vanne de régulation (16) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la vanne (18) comporte une ouverture (28) d'entrée d'hydrogène, une ouverture (26) de sortie d'hydrogène et une soupape (30) qui est mobile dans la vanne pour ouvrir ou fermer l'ouverture de sortie (26) et une tige de soupape (34) monté mobile en translation dans la vanne (18), dans laquelle la tige de soupape (34) porte la soupape (30) et est reliée au noyau (40) par le dispositif de transformation de mouvement. Vanne de régulation (16) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la vanne comporte une tige de soupape (34) monté mobile en translation dans la vanne (18), qui porte la soupape (30) et qui est reliée au noyau (40) par le dispositif de transformation de mouvement. Vanne de régulation (16) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la tige de soupape (34) s'étend en partie à l'intérieur de l'actionneur (20). Vanne de régulation (16) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le dispositif de transformation de mouvement consiste en un système à vis et écrou comportant un organe rotatif (40), un organe (34) mobile en translation et un organe de blocage en rotation de l'organe (34) mobile en translation. Vanne de régulation (16) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le dispositif de transformation de mouvement comporte un taraudage formé dans le noyau (40), un filetage formé sur la tige de soupape (34) et qui est complémentaire du taraudage du noyau (40) et une bague (42)de blocage en rotation qui est fixée dans la vanne et qui coopère avec la tige de soupape (34) pour empêcher à la tige de soupape (34) de tourner autour de l'axe principal A.