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EMI1.1
Vanne à débit proportionnel
Cette invention concerne une vanne actionnée par un actuateur électrique à solénoïde, et plus particulièrement une vanne à débit proportionnel de ce type.
Une telle vanne est décrite dans le brevet US-4 921 208. Cette vanne permet le passage à travers la vanne d'un débit de fluide qui est proportionnel à la quantité de courant électrique appliquée au solénoïde de l'actuateur commandant la vanne. Dans ce type d'agencement, l'actuateur se comporte de manière linéaire, c'est-àdire que la force produite par l'induit du solénoïde est linéairement proportionnelle au courant appliqué au solénoïde. Le résultat en est que l'induit du solénoïde travaille de manière linéaire, en opposition au ressort de fermeture qui repousse en permanence le membre de vanne vers le siège de vanne. De cette manière, la distance de laquelle le membre de vanne est écarté du siège de vanne est proportionnelle à la quantité de courant appliquée au solénoïde.
Les vannes à débit proportionnel trouvent leur utilité dans l'exécution de fonction de mélange et de mesure. Par exemple, des vannes proportionnelles sont utilisées pour mélanger avec précision différentes essences, pour obtenir des caractéristiques voulues telles que des taux d'octane particuliers, et pour mélanger de l'eau chaude et de l'eau froide, pour obtenir une température voulue.
De même, une vanne proportionnelle peut être utilisée lorsque l'on souhaite qu'une vanne s'ouvre graduellement de telle sorte que l'écoulement du fluide commandé, tel que de l'eau chaude, commence lentement, de manière à empêcher l'ébouillantement, après quoi la vanne peut être complètement ouverte.
Typiquement, l'énergie appliquée à l'actuateur à solénoïde est un courant continu à pulsations rapides, la quantité de courant variant avec la longueur des durées
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de"marche"et d"'arrêt"des pulsations (parfois désignées sous le terme de pulsations modulées en largeur).
La vanne du brevet US-4 921 208 mentionné ci-dessus s'est avérée réaliser admirablement la fonction qu'on en attendait. Cependant, la vanne pose en réalité deux problèmes. Tout d'abord, elle contient un nombre relativement important de pièces, ce qui la rend relativement coûteuse à fabriquer et à monter, et augmente les coûts d'inventaire. De plus, lorsque l'on traite des pressions de fluide dans certaines plages de pression, il s'est avéré que la vanne est parfois difficile à ouvrir.
Un objet de la présente invention est dès lors de fournir une vanne à débit proportionnel possédant tous les avantages fournis par la vanne du brevet US-4 921 208, mais qui contienne un nombre beaucoup plus réduit de pièces, c'est-àdire moins de la moitié du nombre des pièces de la vanne antérieure. Le résultat en est que la vanne de la présente invention est beaucoup moins coûteuse à fabriquer, puisque le coût des pièces et la durée du montage sont tous deux significativement réduits. De même, le coût d'inventaire des pièces est réduit.
Un autre objet de l'invention est de fournir une vanne du type décrit plus haut, qui fonctionne de façon fiable à travers toutes les plages de pression du fluide.
Tant la vanne de la présente invention que la vanne du brevet mentionné cidessus utilisent un actuateur à solénoïde, comprenant un induit dont la position est déterminée par la quantité de courant électrique appliquée au solénoïde de l'induit. Les deux vannes utilisent également un membre de pression qui, lorsqu'il est mis sous pression par le fluide provenant de l'orifice d'entrée de la vanne, équilibre la force de la pression du fluide à l'entrée du membre principal de la vanne. Cependant, les deux vannes fonctionnent suivant des principes différents.
Dans la vanne du brevet US-4 921 208, le membre de pression sert uniquement à équilibrer la force sur le membre principal de la vanne, et le déplacement de l'induit du solénoïde est directement transmis au membre principal de la vanne, de sorte que la position de l'induit définit directement la position du membre principal de la vanne. En revanche, dans la présente invention, le membre de
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pression possède une surface efficace plus grande que le membre principal de la vanne, de sorte que lorsque le membre de pression est soumis à la pression d'entrée du fluide, le membre de pression tend à écarter le membre principal de la vanne du siège principal de la vanne, pour ouvrir la vanne et la maintenir ouverte.
Une vanne pilote comprend un membre de vanne pilote porté par l'induit du solénoïde, et un siège de vanne pilote fixé au membre principal de la vanne et au membre de pression et pouvant se déplacer avec eux. La vanne pilote contrôle le débit résultant de la pression d'entrée du fluide sur le membre de pression. Le résultat en est que la position de l'induit contrôle indirectement la position du membre de pression et du membre principal de la vanne, en contrôlant le débit résultant de la pression d'entrée du fluide sur le membre de pression. Un orifice de drainage laisse passer en continu du fluide sous pression depuis la face mise sous pression du membre de pression, de manière à maintenir le membre de pression sensible au contrôle de la pression d'entrée du fluide effectué par la vanne pilote.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description ci-dessous, dans laquelle il est fait référence aux dessins annexés. Dans ces dessins : la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une vanne à débit proportionnel selon la présente invention, l'actuateur à solénoïde étant inactivé et la vanne fermée ; la figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1, représentant le solénoïde activé et la vanne pilote ouverte, mais juste avant l'ouverture de la vanne principale ; la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 1, représentant le solénoïde activé et la vanne principale ouverte ; la figure 4 est une vue en perspective du membre d'interconnexion qui relie le membre principal de la vanne et le membre de pression ;
et la figure 5 est une vue partielle, à échelle agrandie, du siège principal de la vanne et de l'orifice de la vanne.
Si nous nous référons à la figure 1, la vanne à débit proportionnel 10 choisie pour illustrer la présente invention comprend un corps de vanne 11 possédant un orifice d'entrée de fluide 12, un orifice de sortie de fluide 13, et un siège principal
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de vanne 14 (figures 3 et 5) situé entre ces orifices et entourant un orifice principal 15. Un plateau inférieur 16 est fixé au corps de vanne 11 par des dispositifs 17 de fixation appropriés (dont seul un est représenté), un joint 18 assurant une liaison hermétique entre le plateau inférieur et le corps de vanne. Un plateau à bonnet 19 est fixé sur le haut du corps de vanne 11 par des dispositifs 20 de fixation appropriés (dont seul un est représenté), un joint 21 assurant une liaison hermétique entre le plateau à bonnet et le corps de vanne.
Au-dessus du plateau à bonnet 19 est placé un actuateur 24 à solénoïde.
L'actuateur comprend un bobinage de fil électriquement conducteur 25 enroulé sur un cylindre 26 réalisé en un matériau non électriquement conducteur et non magnétique. Des bornes appropriées (non représentées) sont prévues pour la connexion à une source de courant électrique destiné à activer le bobinage. Un boîtier 27 en matériau magnétique entoure le bobinage.
Un induit fixe, ou douille filetée 28, est disposé dans la partie supérieure du cylindre 26. Un tube creux 29 prolonge la douille vers le bas et traverse le reste du cylindre. A son extrémité inférieure, le tube fileté 29 est configuré en forme de collier 30 du type écrou, de diamètre agrandi, duquel un mamelon 31 fileté extérieurement déborde vers le bas. Le mamelon 31 est vissé dans un alésage 32 à filet intérieur pratiqué dans le plateau à bonnet 19, un joint 33 assurant une liaison hermétique entre le collier 30 et le plateau à bonnet 19.
Un induit mobile 36 en matériau magnétique coulisse axialement dans le tube creux 29. L'induit 36 est configuré avec un alésage axial 37, et la douille 28 est configurée avec un alésage 38 correspondant. Un ressort de compression 40, logé dans les alésages 37 et 38, écarte en permanence l'induit mobile 36 de la douille 28, en le repoussant vers le bas. La surface supérieure de l'induit mobile 36 et la surface inférieure de la douille 28 sont profilées de manière correspondante de telle sorte que les deux surfaces s'adaptent l'une dans l'autre lorsque l'induit mobile se déplace vers le haut en direction de la douille. A son extrémité inférieure, l'induit 36 porte un membre 39 de vanne pilote réalisé en matériau élastique.
A l'intérieur du corps de vanne 11 est disposé un membre principal de vanne 42,
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en matériau élastique, pouvant se rapprocher et s'écarter du siège principal de vanne 14, pour fermer et ouvrir la vanne, respectivement. Un membre de pression, en forme de piston rigide 43 coulissant axialement dans une cavité cylindrique 44 pratiquée dans le corps de vanne, est également disposé dans le corps de vanne. Un joint 45 assure un contact coulissant hermétique entre la périphérie du piston 43 et la paroi de la cavité 44.
Le membre principal de vanne 42 et le piston 43 sont solidaires l'un de l'autre, pour former un ensemble, par un membre d'interconnexion 46 représenté plus clairement en figure 4. Le membre 46 peut coulisser axialement dans un alésage 47 pratiqué dans le corps de vanne 11, l'alésage étant un prolongement de l'orifice 15 et faisant partie du parcours d'écoulement du fluide entre l'orifice d'entrée 12 et l'orifice de sortie 13, via l'orifice 15 et l'alésage 47.
Le membre d'interconnexion 46 comprend une partie tubulaire centrale 50 contenant un passage axial central 51 qui s'étend sur toute la longueur du membre. A proximité de son extrémité inférieure, le membre 46 présente un moyeu 52 de support d'un piston 43, un joint 53 assurant un contact hermétique entre le piston 43 et le moyeu 52. Une saillie 54 filetée extérieurement déborde du moyeu 52 et reçoit un écrou 55 destiné à maintenir le piston 43 sur le membre 46.
A proximité de son extrémité supérieure, le membre 46 est configuré avec une bride 58 et un moyeu 59 servant à soutenir le membre principal de vanne 42. Le moyeu 59 porte également une rondelle de maintien 60 qui contribue à soutenir le membre principal de vanne 42. Une extrémité d'un ressort de compression 61 s'appuie contre la rondelle de maintien 60, et l'autre extrémité s'appuie dans un sillon annulaire formé dans le plateau à bonnet 19. Le ressort 61 repousse en permanence le membre principal de vanne 42 en direction du siège principal de vanne 14, ce qui tend à fermer la vanne. Une saillie 62 filetée extérieurement déborde vers le haut du moyeu 59, et un écrou 63 coopère avec la saillie pour fixer le membre principal de vanne 42 et la rondelle de maintien 60 sur le membre
46.
La surface supérieure de la saillie 62 est rendue conique de manière à définir un siège de vanne pilote 64 (voir figure 2) pouvant coopérer avec le membre de vanne pilote 39.
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Entre le moyeu 52 et la bride 58, la partie tubulaire 50 du membre d'interconnexion 46 est configurée avec plusieurs ailettes 65 s'étendant radialement, quatre ailettes dans cet exemple. Les bordures extérieures des ailettes 65 coulissent contre la paroi de l'alésage 47, pour guider le déplacement axial du membre d'interconnexion 46, et donc du membre principal de vanne 42 et du piston 43. Lorsque les ailettes 65 remplissent leur rôle de guidage, elles n'interfèrent pas avec l'écoulement du fluide entre l'orifice 15 et l'orifice de sortie 13.
Comme le fluide traversant l'orifice 15 peut parfois être quelque peu turbulent, ce courant de fluide a tendance à agir sur les ailettes 65, ce qui provoque la rotation du membre 46 autour de son axe. Pour minimiser cet effet de"roue à aube"chaque ailette 65 est configurée avec une zone découpée 66.
Pour mieux contribuer à la stabilité de la vanne, et au contrôle du fluide qui la traverse, l'orifice 15 (voir figure 5) possède en substance le même diamètre que le siège de vanne 14 sur seule une petite distance axiale. Le diamètre de l'orifice se réduit ensuite dans une région de transition 67, jusqu'au diamètre plus petit de l'alésage 47. Cette profilation a pour effet de déplacer la zone de turbulence du fluide du siège de vanne 14 vers la zone de transition 67, c'est-à-dire que la zone du différentiel de pression est écartée du siège de vanne 14.
Le piston 43 et le plateau inférieur 16 définissent entre eux une chambre 68 dans laquelle du fluide à haute pression s'écoule lorsque la vanne est ouverte. Un orifice de drainage 69 fournit une communication permanente entre la chambre 68 et l'orifice de sortie 13. La plus grande section transversale d'écoulement de l'orifice de drainage 69 est plus petite que la plus petite section transversale d'écoulement du passage 51.
Lorsque le bobinage 25 du solénoïde est désactivé et que la vanne est reliée à une source de fluide sous pression, la force du fluide sur le membre principal de vanne 42, combinée avec la force du ressort 61, retient le membre principal de vanne 42 contre le siège principal de vanne 14, pour fermer la vanne. Lorsque le bobinage 25 est activé par un courant électrique, l'induit 36 est attiré vers la douille 28, et donc se déplace vers le haut en opposition à la force du ressort 40 (voir figure 2). Lorsque l'induit 36 se relève, il écarte le membre de vanne pilote 39 du siège de vanne pilote 64, ce qui permet au fluide à l'entrée de traverser le
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passage 51 pour pénétrer dans la chambre 68, de sorte que la face inférieure du piston 43 est soumise à une pression.
Comme le piston 43 est en substance plus grand que le membre de vanne 42, la force résultant de la pression du fluide à l'entrée sur le piston 43 et sur le membre principal de vanne 42 est une force nette dirigée vers le haut sur l'ensemble comprenant le piston 43, le membre de vanne 42 et le membre d'interconnexion 46. Par conséquent, cet ensemble se relève et le membre principal de vanne 42 s'écarte du siège principal de vanne 14 (voir figure 3), ce qui ouvre la vanne principale et permet au fluide de s'écouler de l'orifice d'entrée 12 vers l'orifice de sortie 13.
L'ensemble 42,43, 46 continue à se relever jusqu'à ce que le siège de vanne pilote 64 vienne en contact avec le membre de vanne pilote 39, autrement dit, la vanne pilote est fermée. Par conséquent, le fluide à haute pression ne peut plus traverser le passage 51 pour pénétrer dans la chambre 68.
En même temps, la pression du fluide dans la chambre 68 est relâchée, car le fluide s'écoule en permanence hors de cette chambre à travers l'orifice de drainage 69, en direction de l'orifice de sortie 13. Lorsque la pression dans la chambre a suffisamment diminué, le fluide à haute pression agissant sur le membre de vanne 42 fournit une force suffisante pour déplacer l'ensemble 42, 43,46 vers le bas. Dès que ce mouvement vers le bas est lancé, la vanne pilote 39,64 s'ouvre à nouveau, ce qui permet l'écoulement du fluide à haute pression vers la chambre 68. Une position d'équilibre s'établit rapidement, dans laquelle l'ensemble 42,43, 46 oscille en permanence sur une très courte distance, tandis que la vanne pilote 39,64 s'ouvre et se referme à répétition.
La position de l'ensemble pendant ces oscillations est définie par la position de l'induit 36, et donc du membre de vanne pilote 39. Cette position détermine également l'écart entre le membre principal de vanne 42 et le siège principal de vanne 14, et détermine donc le débit du fluide traversant la vanne.
La position de l'induit 36 à un moment quelconque est déterminée par la quantité de courant appliquée au bobinage 25 du solénoïde. Par exemple, si la tension à pulsations modulées en largeur est branchée 50 % du temps et débranchée 50 % du temps, le courant traversant le bobinage vaudra 50 % du courant maximum. Par conséquent, l'induit 36 se relèvera de la moitié de sa course entre
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sa position lorsque la vanne est fermée (figure 1) et sa position lorsque sa face supérieure vient en contact de la face inférieure de la douille 28 (figure 3). Par conséquent, l'ensemble 42,43 et 46 ne pourra se relever que sur 50 % de son élévation maximale, et donc le membre de vanne 42 sera écarté du siège de vanne 24 d'environ la moitié de l'écartement maximal possible.
Ainsi, environ la moitié du débit maximal de traversée de la vanne sera permis entre l'orifice d'entrée 12 et l'orifice de sortie 13. Si la tension est branchée 75 % du temps et débranchée 25 % du temps, l'induit 36 se relèvera sur trois quarts de sa course maximale, et par conséquent la vanne principale s'ouvrera de manière à permettre environ 75 % du débit maximum traversant la vanne. On remarquera donc que le débit traversant la vanne principale est proportionnel à la quantité de courant appliquée au bobinage 25 du solénoïde.
Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, la vanne répond plus efficacement lorsque l'on applique au bobinage 25 une source de courant continu pulsé plutôt qu'une simple variation de la valeur d'un courant continu constant. Le fait de donner des pulsations au courant confère à l'induit 36 une vibration qui permet un meilleur contrôle de la position de l'induit en réponse à la quantité de courant appliquée au bobinage 25.
De plus, on a découvert que la performance optimale est obtenue lorsque la fréquence des pulsations du courant continu est adaptée à la taille de la vanne contrôlée. Plus particulièrement, la fréquence de modulation de la largeur des pulsations devrait être modifiée en proportion inverse à la taille de l'orifice 15 de la vanne, autrement dit, la fréquence est d'autant plus basse que l'orifice est plus grand. Par exemple, on a obtenu une performance optimale avec une vanne possédant un orifice de 6,35 mm (un quart de pouce) en utilisant une fréquence de modulation de la largeur des pulsations de 95 Hz ; avec des vannes possédant un orifice de 12,7 mm (un demi pouce) et de 19,05 mm (trois quarts de pouce), des fréquences respectives de 75 Hz et de 33 Hz ont fourni la performance optimale.
Un écart par rapport à ces fréquences optimales peut entraîner une augmentation de l'hystérésis de la vanne, c'est-à-dire que dans certains cas on observe différents débits pour une même valeur de courant, suivant que le courant a été
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augmenté pour atteindre cette valeur ou diminué pour atteindre cette valeur. En revanche, lorsque pour une taille particulière de vanne on utilise la fréquence optimale, les débits à travers la vanne sont essentiellement les mêmes pour chaque valeur du courant appliqué lorsque l'on applique différents courants au bobinage, que le courant appliqué ait été augmenté ou diminué pour atteindre la valeur particulière du courant appliqué.
Si la vanne est utilisée en position verticale, comme représenté dans les dessins, on pourrait éliminer le ressort 61 parce que la force de gravité jouera le rôle de ce ressort. Cependant, la présence du ressort permet d'utiliser la vanne dans toute orientation.
L'invention a été présentée et décrite uniquement dans sa forme préférée et à titre d'exemple, et de nombreuses modifications peuvent être faites à l'invention tout en la maintenant à l'intérieur de son esprit. Il faut donc comprendre que l'invention n'est pas limitée à une forme ou un mode de réalisation spécifiques quelconques, sauf si ces limitations sont reprises dans les revendications annexées.