FR2650362A1 - Electrovanne de modulation du debit d'un fluide sous pression et ses applications - Google Patents

Abstract

L'électrovanne 1 de modulation comprend un électroaimant 2 avec son solénode 5 alimenté à partir d'une source de courant de type alternatif 8 pour déplacer suivant un mouvement progressif le noyau 7 de l'électroaimant 2. Le noyau 7 est relié à une tige 12 dont l'extrémité libre est solidaire d'un clapet progressif 4a qui coopère avec un siège 21 placé dans un conduit 20a, 20b d'alimentation en fluide sous pression. Un amortisseur hydraulique 3 est associé au déplacement de la tige pour supprimer les oscillations du clapet 4aafin d'obtenir un débit proportionnel au courant d'excitation.

Description

La présente invention concerne une électrovanne de modulation du débit d'un fluide sous pression, du type comprenant un électroaimant à noyau mobile relié par une tige à un dispositif d'obturation associe à un ressort de rappel qui maintient le dispositif d'obturation dans une position déterminée en l'absence d'excitation de 1' électroaimant.

Dans un système classique de modulation du débit d'un fluide sous pression utilisant une telle électrovanne, le dispositif d'obturation est généralement constitué par un clapet qui coopère avec un siège ménagé à le intérieur d'un conduit où circule le fluide destiné a alimenter un appareillage par exemple. En l'absence d'excitation de l'électroaimant, le clapet est maintenu en appui sur son siège par la force exercée par le ressort de rappel et l'appareil n'est pas alimenté en fluide. L'application d'un courant continu au solénoïde de l'électroai > ant engendre une force électromagnétique qui entraîne le soulèvement du clapet de son siège dès l'instant où elle est supérieure à la force antagoniste exercée sur le clapet par le ressort de rappel.Le clapet est soulevé jusque a une position correspondant au point d'équilibre entre les forces précitées, et l'appareillage est alimenté en fluide avec un débit qui est fonction de la position atteinte par le clapet.

Dans le cas de ' l'utilisation d'une électrovanne équipée d'un electroaimant à pales progressifs ou électroaimant dit proportionnel dans un tel système de modulation d'un fluide sous pression, ' il n'y a pas seulement deux positions d'équilibre qui correspondent aux positions fermée et ouverte du clapet (fonctionnement par tout ou rien), mais plusieurs positions d'équilibre en fonction de l'intensité du courant continu d'excitation de l'électroaimant, et à chaque position d'équilibre correspond un débit de fluide différent pour alimenter l'appareillage.

Cependant, si l'on trace la courbe du débit de fluide en fonction du courant continu d'excitation de l'électroaimant, cette courbe présente une hystérésis inhérente à l'utilisation d'un électroaimant. Il en résulte qu'a un courant de commande i donné correspond un débit Q1 si le débit précédent était nul (clapet ferme), et un débit Q2 si le débit précèdent était maximum < clapet ouvert au maximum > . Ainsi, pour un méme courant continu de commande peut correspondre deux débits différents, comme décrit plus loin en référence a la figure 2
Une telle hystérésis rend difficile l'utilisation d'une telle électrovanne de modulation en tant qu'actionneur dans une boucle de régulation en température par exemple, et détériore la précision de la régulation.

D'une manière générale, il est connu de réduire les effets de l'hystérésis d'un électroaimant en alimentant son solénoïde en courant alternatif. Dans ce cas, l'écart entre les débits Q1 et Q2 pour un meme courant de commande peut devenir très réduit et acceptable.

Cependant, lorsque l'on alimente en courant alternatif l'électroaimant d'une électrovanne du type précité, le débit de fluide résultant est pulsé à la fréquence du courant de commande et peut présenter des oscillations importantes, notamment lorsque le clapet est proche de son siège. La solution apportée à la reduction de l'hystérésis par une commande en courant alternatif n'est donc pas encore suffisante pour utiliser une telle électrovanne dans une boucle de régulation en température par exemple.

L'invention a pour but de pallier cet inconvénient et elle propose à oet effet une électrovanne du type précité qui se caractérise en ce qu'elle est commandée par un courant de type alternatif, et en ce qu'elle comprend un amortisseur qui contrôle le déplacement du dispositif d'obturation.

Selon une autre disposition de l'invention, l'amortisseur est avantageusement du type hydraulique.

Ainsi, une électrovanne conforme å l'invention peut être avantageusement utilisée dans une boucle de -régulation en température pour contrôler par exemple la commande d'un brûleur d'une chaudière à gaz ou il sera dorénavant possible d'adapter très précisément le débit gaz d'alimentation du brûleur en fonction de la demande.

Dans une telle application, il est important de noter un certain nombre d'avantages procures par l'électrovanne conforme à l'invention, en plus de celui d'adapter le fonctionnement du.brûleur à la demande de chauffage. La présence de l'amortisseur fait passer de façon progressive ' et en douceur le débit de l'électrovanne d'un débit faible à un débit plus grand.

Il en résulte que les bruits engendrés par les brûleurs sont notablement réduits lors de changements brusques de débit, et en outre on supprime le bruit propre à 1' electrovanne.

L'électrovanne conforme à l'invention peut être également avantageusement utilise comme actionneur dans un régulateur, en particulier dans un régulateur de pression à passage direct commandé par un courant et dans un régulateur de pression piloté commandé par un courant.

D'autres avantages, caractéristiques et détails de l'invention ressortiront de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement A titre d'exemple et dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'une électrovanne conforme a l'invention, - la figure 2 représente graphiquement le débit Q d'un fluide en fonction du courant d'excitation pour montrer la réduction de l'hystérésis avec une électrovanne conforme à l'invention, - la figure 3 est une vue schématique d'une installation de chauffage d'eau chaude sanitaire équipée d'une électrovanne conforme à l'invention, - la figure 4 est une vue schématique d'un régulateur de pression à passage direct dont l'actionnur est constitué par une électrovanne conforme à l'invention, et - les figures 5 a 7 illustrent graphiquement trois types de commande à courant alternatif pour l'électrovanne conforme à l'invention.

En se référant à la figure 1, l'électrovanne l conforme à l'invention comprend un électroaimant 2, un amortisseur 3 de type hydraulique et un dispositif d'obturation progressif 4 qui vont être décrits ciaprès
L'électroaimant 2 comprend un solénoïde 5, un circuit magnétique fixe ou culasse 6 et un noyau mobile 7 à l'intérieur du solénoïde 5. La culasse 6 et le noyau 7 forment les pôles de l'électroaimant 2, et il sont conçus de façon à entraîner le noyau 7 suivant un déplacement proportionnel à l'intensité du courant d'excitation fourni par une source de courant 8 de type alternatif.

L'amortisseur hydraulique 3 est formé par un cylindre 10 rempli d'huile. Vers une extrémité, le cylindre 10 communique avec l'espace intérieur cylindrique 11, rendu étanche, du solénoïde 5 où se déplace le noyau 7 de l'électroaimant 2. Un épaulement annulaire 9 est délimité entre le cylindre 10 et l'espace intérieur 11 de plus petit diamètre que le cylindre.

L'amortisseur hydraulique 3 comprend une tige 12 solidaire du noyau 7 de l'électroaimant 2 et qui supporte un piston 12a en forme de disque dont la surface périphérique externe est sensiblement en contact glissant avec la paroi interne du cylindre 10 en délimitant ainsi deux chambres 10a, lOb . Un ressort de rappel 13 est monté dans la chambre 10a entre l'épaulement 9 et la face adjacente du piston 12a. Un soufflet cylindrique 14 coaxial à la tige 12, est monté à l'intérieur de la chambre lOb avec l'une de ses extrémités raccordées à la paroi de fond 15 du cylindre 10, alors que son autre extrémité est raccordée de manière étanche au piston 12a. Les deux chambres 10a, lOb communiquent entre elles par un canal latéral 16 à section calibré et réglable comme schématisé en 17 pour former un dispositif de réglage de l'amortissement.

L'amortisseur hydraulique 3 est complété par un clapet anti-retour 18 logé dans un deuxième canal latéral 19 qui débouche de part et d'autre du piston 12a, et dont la fonction sera explicitée plus loin. La tige 12 traverse le soufflet 14 et est rendu solidaire, à son extrémité libre, du dispositif d'obturation 4.

Dans l'exemple considéré ici, le dispositif d'obturation 4 est constitué par un clapet progressif 4a situe a l'intérieur d'un conduit d'alimentation 20 ou circule un fluide sous pression. Schématiquement ce conduit d'allmentation ? comprend deux tronçons 20a < côté source d'alimentation > , 20b (côté appareillage à alimenter) raccordés l'un a l'autre de manière à délimiter une section de passage formant siège 21 pour le clapeto4a. En l'absence de courant d'excitation de l'éléctroaimant 2, le clapet 4a est en appui sur son siège 21 par la force exercee par le ressort de rappel 13.

Le reglage du débit de fluide qui alimente l'appareillage est ainsi fonction de l'intensité du courant d'excitation de l'électroaimant 2. Ce courant d'excitation tend a provoquer un déplacement du noyau 7, de la tige 12, du piston 12a et du clapet 4a, dans le sens du soulèvement de ce dernier de son siège 21. Dès que la force électromagnétique engendrée par l'électroaimant 2 est supérieure a la force mécanique engendrée par le ressort 13, le clapet 4a se soulève jusqu'à atteindre une position correspondant au point d'équilibre entre les deux forces antagonistes précitées. Le déplacement du clapet 4a est contrôlé par l'amortisseur hydraulique 3 de manière à obtenir un déplacement progressif sans aucune oscillation ou vibration.Le déplacement du piston 12a force le liquide a passer de la chambre l0a à la chambre lOb par le canal latéral 16 suivant un débit qui est réglé par le dispositif de réglage d'amortissement 17, d'une façon connue en soi. Le clapet anti-retour 18 a pour fonction de réduire l'amortissement dans le sens de la fermeture du clapet 4a en procurant un temps de fermeture plus faible offrant plus de sécurité, notamment lorsque le fluide dont on veut contrôler le débit est un gaz.

Selon l'invention, la source de courant 8 qui alimente l'électroaimant 2 délivre un courant de type alternatif, c'est-a-dire que la valeur efficace de ce courant suit sensiblement les mêmes variations que celles de la valeur d'un courant continu qui produirait sensiblement les mêmes déplacements progressifs du noyau 7. Un tel courant de type alternatif peut être fourni par différentes sortes de sources alternatives, comme explicité plus loin.

Un tel courant a essentiellement pour fonction de réduire considérablement l'hystérésis inhérente à l'électroaimant 2, comme cela ressort clairement de la figure 2 où les courbes A et B représentent les variations de débit Q en fonction du courant d'excitation i dans le cas d'une commande en courant continu et d'une commande en courant de type alternatif < i étant alors la valeur efficace de ce courant > .

Ainsi, selon l'invention à chaque courant i compris entre 0 et i max correspond sensiblement un seul débit
Q cotpri; entre 0 et Q max indépendemment du débit précédent qui pouvait être 0 ou Q max, ce qui n'est pas le cas avec une commande en courant continu comme déja explique précédemment < débits Q1 et Q2 pour un meme courant continu d'exc'itation).

Le courant de commande de l'électroaimant 2 est généralement fourni par un module électronique qui est lui-meme piloté par au moins un parametre dont l'évolution est liée au fonctionnement de l'appareillage dont l'4lectrovanne 1 doit contrôler le débit d'alimentatlon par exemple.

Concrètement, l'électrovanne 1 conforme à l'invention peut être avantageusement utilisée dans une boucle d'asservissement en température, comme par exemple dans une installation de chauffage au gaz d'eau chaude sanitaire telle que schématiquement Heprésentée a la figure 3.

Cette installation 30 comprend un brûleur 31 associé å un premier échangeur de chaleur 32 qui alimente un second échangeur de chaleur 33 par un conduit aller 34 avec retour par un conduit 35 et interposition d'une pompe de circulation 36. L'échangeur de chaleur 33 coopère avec le circuit d'eau chaude sanitaire comprenant un serpentin 37 logé dans l'échangeur et relié d'un cote à un conduit arrivée eau froide 37a et de l'autre côté å un conduit départ eau chaude 37b se terminant par un robinet 38.

Le montage de la figure 1 est repris au niveau de cette installation 30 et constitue l'étage d'alimentation du brûleur 31. Un capteur de température 40 est placé dans l'échangeur 33 d'eau chaude sanitaire et est relié å l'entrée d'un module électronique 41 qui inclut la source de courant 8 de type alternatif, et qui délivre en sortie le courant d'excitation à l'électroaimant 2 de l'électrovanne 1.

Le module électronique 41 inclut un ensemble de circuits classiques, comme des circuits intégrés, qui ont pour fonction de convertir les variations de température détectées par la capteur 40 en variations de courant transmises à l'électrovanne 1 qui va pouvoir adapter de façon précise le débit de gaz d'alimentation du brûleur 31 à la demande d'eau chaude sanitaire.

Il est à noter que dans cette application, l'électrovanne 1 sert également d'organe de sécurité pour la coupure du débit de gaz. En effet, en cas de défaut de flamme ou de surchauffe et en cas de panne de courant électrique, l'électrovanne coupe le débit de gaz, ce qui offre une sécurité supplémentaire.

L'électrovanne 1 conforme à l'invention peut être également avantageusement utilisée comme actionneur dans un régulateur de pression à passage direct commandé par un courant comme illustré à la figure 4.

Le régulateur de pression a passage direct 50 représenté à la figure 3 est connu en soi. Le clapet 4a de l'électrovanne 1 est logé dans une chambre 51 en communication avec l'atmosphère et est relié à un ressort de tarage 52 dont l'autre extrémité est en appui sur une face d'une membrane 53 de surface S. L'autre face de la membrane 53 supporte l'extrémité d'une tige 54, axialement alignée avec le ressort 52 et la tige 12 de l'électrovanne 1, et dont l'autre extrémité est solidaire d'un clapet 55 de surface s qui coopère avec un siège 56 qui assure la communication entre deux chambres 57a, 57b . La chambre 57a est en communication avec un conduit d'entrée 58 relié à une source de fluide sous pression tel un gaz < non représentée), alors que la chambre 57b est en communication avec un conduit de sortie 59 termine par un injecteur 59a par exemple.

Le clapet 4a de l'électrovanne ne coopère plus directement avec un siège comme dans le cas des figures 1 et 3 pour agir directement sur le débit du fluide, mais il agit sur le ressort de tarage 52 du régulatur en le comprimant plus ou moins suivant le courant d'excitation de l'électroaimant 2. En se comprimant, le ressort 52 applique une force F a la membrane 53 qui, par la tige 54, soulève le clapet 55 de son siège 56 en entraînant une augmentation du débit en direction de l'injecteur 59a.

En choisissant la surface S de la membrane 53 notablement supérieure å la surface s du clapet progressif 55, la pression à la sortie du régulateur est quasiment proportionnelle au courant d'excitation de l'électtoaimant 2, et le débit Q en sortie du régulateur conditionné par la pression régnant dans la chambre 57a est quasiment proportionnel au courant d'excitation de l'électroaimant.

Comme indiqué précédemment, l'électrovanne 1 peut etre également utilise en tant qu'actionneur dans un régulateur de pression piloté commandé par un courant, connu en soi. Dans ce cas, le clapet 4a de .'électrovanne 1 agit également sur le ressort de tarage du régulateur en le comprimant plus ou moins suivant le courant d'excitation de l'électroaimant 2, le débit du fluide en sortie du régulateur étant également quasiment proportionnel au courant d'excitation de 1' électroaimant.

Il est donné à titre d'exemple en référence aux figures 5 å 7 les représentations graphiques de trois types de -coztimande en courant alternatif délivrés par la source 8 des figures 1 et 4 ou le module électronique 41 de la figure 3. Sur la figure 5, la commande est obtenue par un circuit de conversion amplitude/temps d'impulsion, connu en soi. Les impulsions d'amplitude constante ont une largeur variable, c'est-a-dire une durée qui varie dans le temps pour passer d'un courant efficace nul (clapet fermé, débit nul) à un courant efficace déterminé (clapet soulevé, débit Q). Sur la figure 6, la commande est obtenue par un circuit de commande par angle de phase à partir du secteur, et sur la figure 7, la commande est obtenue par un circuit qui superpose une composante alternative à un courant continu.

En se reportant à nouveau à la figure 1, il est a noter que les pôles progressifs de l'électroaimant 2 sont constitués du noyau plongeur 7 et du circuit magnétique 6 . Ce circuit comprend avantageusement des bagues 6a, 6b qui délimitent l'espace intérieur 11 dans lequel se déplace le noyau 7. Plus précisément, dans l'exemple considéré ici, le circuit 6 comprend deux bagues 6a en acier par exemple avec interposition d'une bague 6b en laiton par exemple. L'expérience montre que la longueur des bagues 6a par rapport à la bague 6b influence la courbe Q = f(i), ce qui permet d'adapter celle-ci à des conditions déterminées en ne jouant que sur la longueur desdites bagues. Il est ainsi possible d'adapter le fonctionnement de l'électrovanne à la nature et aux caractéristiques du fluide
L'utilisation d'une électrovanne conforme à l'invention n'est pas limite aux applications décrites précédemment et données à titre d'exemples . D'une manière générale, elle peut hêtre utilisée dans tout système de modulation d'un fluide sous pression ou il est nécessaire d'avoir un débit dont les variations sont proportionnelles à celles d'un paramètre du système, les variations de ce paramètre étant transformées en variations de courant pour commander d'une façon correspondante l'électroaimant de 1' électrovanne.

Parmi les variantes possibles envisageables au niveau de l'électrovanne, il est possible de remplacer éventuellement l'amortisseur hydraulique par un amortisseur pneumatique.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1.- Electrovanne de modulation du débit d'un fluide sous pression, du type comprenant un électroaimant à noyau mobile relié par une tige a un dispositif d'obturation associé à un ressort de rappel qui maintient le dispositif d'obturation dans une position déterminée en i'absence d'excitation de l'électroaimant caractérisée en ce qu'elle est commandée par un courant de type alternatif, et en ce qu'elle comprend un amortisseur (3) qui contrôle le déplacement du dispositif d'obturation (4a).

2.- .Electrovanne selon la revendication l, caractérisée en ce que le courant de type alternatif est fourni par une source de courant (8), les variations de la valeur efficace de ce courant étant sensiblement les mêmes que celles d'un courant continu qui serait appliqué à l'électroaimant (2) de l'électrovanne (1).

3.- Electrovanne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'amortisseur (3) est du type hydraulique

4.- Electrovanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'amortisseur hydraulique (3) est formé par un cylindre (10) rempli d 'huile qui communique avec l'espace intérieur < 11) du solénoïde (5) où se déplace le noyau (7) de l'électroaimant (2) , et en ce qu'il comprend une tige (12) solidaire du noyau et qui supporte un piston (12a) en forme de disque dont la surface périphérique externe est sensiblement en contact glissant avec la paroi interne du cylindre (10), le piston < 12a) del1mitant deux chambres (10a, 10b) à l'intérieur du cylindre (10).

5.- Electrovanne selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un ressort de rappel (13) est monté dans la chambre (10a) et prend appui sur le piston < 12a > .

6.- Electrovanne selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un soufflet cylindrique (14), coaxial a la tige (12), monté à l'intérieur de la chambre (lOb) avec l'une de ses extrémités raccordées à la paroi de fond (15) du cylindre < 10) et son autre extrémité raccordée au piston (12a).

7.- Electrovanne' selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que les deux chambres < lOa. lOb) communiquent entre elles par un canal latéral t16) à section calibrée et réglable formant un dispositif de réglage-de l'amortissement (17).

8.- Electrovanne selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un clapet antiretour < 18) logée dans un deuxième canal latéral (19) et qui débouche de part et d'autre du piston (l2a > pour diminuer le temps de fermeture du dispositif d'obturation < 4a)

9 - Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 4 a 8, caractérisée en ce que le dispositif d'obturation (4) est constitue par un clapet progressif (4a) monté l'extrémité libre de la tige < 12) faisant saillie au-dela du cylindre (10) à travers le soufflet < 14).

10.- Electrovanne selon la revendication 9, caractérisée en ce que le clapet (4a) coopère avec un siège (21) ménagé a l'intérieur d'un conduit d'alimentation (20) de fluide sous pression.

11.- Electrovanne selon l'une quelconque des revendications 1 å 10, caractérisée en ce que les pôles progressifs de l'électroaimant (2 > sont constitués du noyau plongeur (7) et d'un circuit magnétique fixe (6) comprenant des bagues (6a, 6b) de longueur variable qui influencent directement la fonction Q = f(i), ou Q est le débit de fluide et i le courant d'excitation.

12.- Boucle de régulation en température pour contrôler la commande d'un brûleur d'une chaudière à gaz, caractérisée en ce que le débit du gaz d'alimentation au brûleur est réglé en fonction de la demande par une électrovanne telle que définie selon l'une des revendications 1 à 10.

13.- Régulateur de pression à passage direct commandé par un courant, caractérisé en ce que l'actionneur du régulateur est constitué par une électrovanne telle que définie selon l'une des revendications 1 å 11.

14.- Régulateur de pression piloté commandé par un courant, caractérisé en ce que l'actionneur du regulateur est constitué par une électrovanne telle que définie selon l'une des revendications 1 à 11.