FR2718492A1 - Dispositif moteur des pistons et des clapets d'une pompe ou d'un compresseur comportant un organe à mémoire de forme. - Google Patents

Abstract

L'invention s'applique aux pompes et aux compresseurs à pistons pour fluides, et elle concerne le dispositif moteur destiné à communiquer aux pistons tels que (1), et éventuellement aux clapets tels que (1') et (1") des soupapes incorporées, le mouvement linéaire requis. Ce mouvement linéaire est engendré par les ensembles d'organes (11) et (13) pour les pistons, (11') et (13'), (11") et (13") pour les clapets, l'un au moins de ces organes étant réalisé en matériau à mémoire de forme. De manière non limitative, l'invention trouve des applications dans les appareils ménagers, la domotique, les véhicules terrestres ou aériens, le bio-médical, et en règle générale partout où les coûts, l'encombrement ou la simple faisabilité technique posent problème.

Description

La présente invention concerne les pompes et compresseurs à pistons pour fluides, et les soupapes y incorporées, et elle s'applique plus spécialement, mais non exclusivement, aux pompes et compresseurs à faible débit, dans les cas où l'encombrement est limité, ou si le corps de pompe doit adopter une forme géométrique complexe ou changeante, et aussi dans les cas où la génération de pression doit se faire aussi près que possible de son utilisation, sans conduites ni système annexe de distribution de la pression.

Elle trouve des applications dans tous les appareils qui utilisent des déplacements relatifs d'organes dans des conditions difficiles, soit que le coût soit rédhibitoire en technique conventionnelle, soit que des contraintes d'encombrement ou d'accessibilité condamnent les autres solutions.

De manière non limitative, l'invention trouvera ainsi des applications dans les appareils ménagers, la domotique, les véhicules terrestres ou aériens, le bio-médical.

I1 convient, avant d'aborder les dispositions principales de l'invention, de rappeler les difficultés rencontrées lorsque l'on désire communiquer à un piston de pompe ou de compresseur, un mouvement alternatif dans le but de mouvoir le fluide ou d'augmenter sa pression, et également les diverses contraintes technologiques engendrées par la nécessité de diriger et de maîtriser le flux dudit fluide en vue de son utilisation.

Le terme "pompe" est adapté à des fluides incompressibles, alors qu'on lui préfère le terme "compresseur" pour les fluides compressibles, et notamment les gaz. Plus généralement, les pompes et compresseurs seront dénommés "générateurs de pression" par la suite.

Dans les deux cas, le principe consiste à admettre un fluide dans une chambre pendant le mouvement du piston correspondant à la phase dite "d'admission" ou "d'aspiration", puis à refouler ce fluide de ladite chambre pendant le mouvement inverse du piston, ce qui est appelé phase de "refoulement" ou de "compression".

Pendant l'aspiration, le fluide, provenant d'un réservoir, ou même de l'atmosphère s'il s'agit simplement d'air, est admis dans la chambre au travers d'une soupape qui s'ouvre tant que la pression dans la chambre est inférieure à la pression du réservoir.

Lorsque le piston accomplit son mouvement de retour, la pression dans la chambre augmente, ce qui ferme la soupape d'admission; lorsque le fluide de la chambre, sollicité par la face du piston qui est en contact -avec lui, atteint une pression suffisante, la soupape de refoulement, dont le tarage correspond à cette pression, s'ouvre et permet au fluide de s'écouler vers un réservoir, ou vers l'utilisation.

Les soupapes sont le plus souvent passives, c'est-à-dire que leur clapet est simplement mu par l'existence d'une différence de pression à leurs orifices, se combinant à la force exercée par un ressort; quelquefois, elles sont actives, du fait qu'en sus de la différence de pression et de la force exercée par le ressort, un effort extérieur est introduit, par un dispositif auxiliaire, pour manoeuvrer le clapet.

Ces dispositions sont connues, et sont communes à tous les générateurs mentionnés ci-après.

Le problème auquel l'invention apporte une solution concerne la manière dont le mouvement est communiqué au piston, et éventuellement aux clapets des soupapes associées.

La description ci-après concerne tout d'abord le mouvement d'un piston en vue d'engendrer une pression de fluide, ou de forcer le mouvement d'un fluide incompressible dans un réseau.

La plupart du temps, c'est un moteur rotatif, thermique ou électrique, qui fournit l'énergie nécessaire au mouvement du piston. Mais le mouvement circulaire du moteur doit être transformé en un mouvement rectiligne alternatif par l'intermédiaire d'un mécanisme le plus souvent constitué d'un villebrequin et d'une bielle.

Ces organes: moteur, villebrequin, bielle, sont encombrants, coûteux et nécessitent, outre un entretien important, des dispositifs particuliers qui sont fonction de leur technologie propre: lubrification, protection du moteur contre les surcharges, etc... De plus, ils sont bruyants.

Et enfin, il est très coûteux de faire varier le débit engendré, que ce soit par variation de la vitesse du moteur ou par variation du volume de la chambre, obtenue par une grande variété de procédés, allant de la variation de la course du piston à la variation de la forme elle-même de la chambre.

Ces inconvénients condamnent l'emploi de pompes et de compresseurs dans des réalisations de grande diffusion, où pourtant la souplesse d'utilisation apportée par les techniques des fluides serait la bienvenue. C'est le cas, par exemple, d'applications dans lesquelles on désire qu'un mobile, dit alors auto-moteur progresse, sans générateur extérieur de pression de fluide, soit à l'intérieur d'un tube soit à l'extérieur d'un profilé.

L'emploi de pompes et de compresseurs pour des fluides biologiques, éventuellement implantés à l'intérieur même d'un organisme vivant, est également rendu extrêmement difficile, voire impossible, par les inconvénients cités.

D'autres applications seront évoquées lors de la description de divers modes de réalisation, dans lesquelles il apparaît que le coût et l'encombrement des pompes et compresseurs conventionnels sont un obstacle à leur emploi.

Le problème des organes d'aiguillage et de maîtrise du flux est similaire: une soupape comporte généralement un organe mobile ou clapet, qui peut être assimilé à un piston, dont le rôle est de contrôler le passage d'un fluide au travers d'un orifice, permettant ainsi de condamner, d'autoriser, et quelquefois de limiter le débit du fluide. Ces organes peuvent être passifs, c'est-à-dire qu'ils ne remplissent leur rôle que lorsque la différence de pression entre leur orifice d'entrée et leur orifice de sortie atteint une valeur pré-déterminée; ils peuvent aussi être actifs, c'est-à-dire qu'à la différence de pression existant entre les orifices vient s'ajouter, pour le clapet, un effort extérieur engendré par divers moyens: noyau plongeur mu par un solénoïde le plus souvent, mais aussi arbres à cames et autres dispositifs mécaniques. Les organes actifs sont indispensables dès lors qu'il s'agit de diriger à volonté un flux de fluide vers un dispositif utilisateur ou vers un autre, ou d'inverser à volonté le flux de fluide dans un appareil utilisateur donné.

Ces dispositifs sont encombrants, complexes, et coûteux en entretien. Pour ces raisons, ils sont situés généralement à l'extérieur du générateur de pression, auquel ils sont alors raccordés par des conduites qui posent des problèmes supplémentaires d'étanchéité, ainsi que de coût et d'encombrement.

Le dispositif selon l'invention permet d'éviter ces inconvénients, puisque les pistons, et éventuellement les clapets des soupapes incorporées aux générateurs de pression, sont directement mus par des organes capables d'exercer les efforts rectilignes alternatifs exigés, et modulables à volonté. I1 convient de noter que la manoeuvre d'organes de contrôle de passage de fluide tels que des tiroirs de distributeurs, de la manière simple décrite ci-après, a déjà été envisagée, toutefois sous une forme et dans un but différents. Le brevet européen EP144790 en fournit un exemple, pour une utilisation de pilotage d'une soupape principale. Le dispositif selon l'invention utilise ces organes moteurs linéaires pour la génération de pression elle-même, dans tous les cas (ce qui n'est pas enseigné dans le brevet précité), et optionnellement dans des combinaisons de soupapes incorporées au générateur dans le but de provoquer différents effets complémentaires et originaux.

L'invention concerne à cet effet le dispositif moteur de chacun des pistons et optionnellement des clapets d'une pompe ou d'un compresseur pour fluides, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un organe, dit "à mémoire de forme", dont la forme varie en fonction de la température d'une portion de l'espace qui l'englobe partiellement ou totalement, cette variation de forme provoquant le mouvement du piston ou du clapet.

Grâce à ces dispositions principales, on réduit de façon simple le côut, l'encombrement, le bruit, et l'entretien des pompes et compresseurs, et il devient possible de moduler leur débit, et éventuellement leur pression, à volonté de manière économique. De plus, l'organe moteur étant réduit à une seule pièce, éventuellement associée à un nombre réduit d'organes auxiliaires, une miniaturisation extrême devient possible.

D'autres caractéristiques apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit de quelques uns des modes de réalisation de l'invention, donnés ici à titre d'exemple, et représentés sur les dessins joints dans lesquels:
- la figure 1 est une vue en coupe d'un générateur de pression simplifié, destinée à expliquer le principe moteur du piston,
- la figure 2 représente le même générateur, mais pendant la phase de génération de la pression,
- la figure 3 est une vue en coupe partielle d'un générateur de pression similaire au précédent, mais montrant que le piston peut être mu par d'autres modèles d'actionneurs utilisant le même procédé,
- la figure 4 est une vue en coupe d'un générateur de pression simple effet élémentaire mettant en oeuvre l'un de ces actionneurs,
- la figure 5 est une vue en coupe du générateur de pression de la figure 4, en fin de phase d'aspiration,
- la figure 6 est une vue en coupe d'une soupape de refoulement qui peut fonctionner, soit de manière passive, soit de manière active sous le contrôle d'un actionneur utilisant le même procédé que celui utilisé pour mouvoir un piston,
- la figure 7 est une vue en coupe d'une soupape d'admission, qui peut fonctionner, soit de manière passive, soit de manière active sous le contrôle d'un actionneur utilisant le même procédé que celui utilisé pour mouvoir un piston,
- la figure 8 est une vue en coupe d'un actionneur selon l'invention, montrant à titre indicatif une autre forme de réalisation,
- la figure 9 est une vue en coupe d'un compresseur simplifié mettant en oeuvre l'actionneur décrit figure 8, mais ne nécessitant aucun dispositif extérieur de contrôle des phases d'admission et de refoulement,
- la figure 10 est une vue en coupe d'un ensemble complet formant pompe, avec des soupapes actives incorporées,
- la figure 11 est une vue en coupe montrant à titre d'exemple l'utilisation de la pompe de la figure 10 pour la réalisation d'un piston automoteur utilisé dans un compacteur de matériaux,
- la figure 12 est une vue en coupe selon deux surfaces perpendiculaires, avec ses deux sections sorties A et B, montrant une application de l'invention au pompage de liquides biologiques dans un conduit pas nécessairement rectiligne, le tout pouvant s'insérer dans un organisme vivant, comme le corps humain par exemple.

- la figure 13 est un diagramme sur lequel sont précisés les symboles utilisés dans la description de la commande électrique des actionneurs précités, par un courant continu pulsé,
- la figure 14 est un diagramme équivalent à celui de la figure 13, mais pour du courant alternatif pulsé.

Suivant l'invention ainsi qu'il est représenté aux figures 1 à 14, on décrira tout d'abord le principe de fonctionnement de l'actionneur d'un piston avant d'expliquer sa mise en oeuvre aux figures 3 à 5 et 8 à 14, les figures 6 et 7 servant à montrer des possibilités de réalisation des soupapes incorporées aux générateurs de pression construits selon l'invention.

L'actionneur est désigné par la référence générale (in).

I1 se compose d'un organe (11) de forme variable selon la température, reliant le piston (1) à un flasque (12) solidaire du corps de cylindre (2); il est clair que la variation de longueur de l'organe (11) va provoquer le mouvement du piston (1).

Le principe de fonctionnement, illustré par la figure 1, est décrit ci-après. Par souci de clarté, les joints d'étanchéité et autres dispositions constructives indispensables au fonctionnement ne sont pas figurés, car connus par ailleurs.

L'organe (11) change de forme selon la température à laquelle il est soumis. Ce changement de forme est provoqué par un réarrangement cristallin du matériau constitutif majoritaire de l'organe (11). Ce phénomène, n'ayant pas de rapport avec la simple dilatation, est connu sous le nom de "mémoire de forme". Autrement dit, un tel matériau, se comportant comme tout matériau ordinaire de sa classe dans une certaine gamme de températures, est capable de retrouver rapidement, au-delà (ou en deçà, selon les cas) d'un certain seuil de température dit "seuil de transition", la forme qu'il possédait lors de son élaboration; en quelque sorte, on peut dire que ce matériau a "mémorisé" une certaine forme, et qu'il cherche à la retrouver dès lors qu'il est soumis à la température adéquate. Cette forme est dénommée: forme apprise.

Si, comme dans la figure 1, l'organe (11) est constitué d'un fil rectiligne, ou de plusieurs fils rectilignes réunis en faisceau, d'un tel matériau, cet organe se comportera comme un muscle, capable soit de modifier sa longueur soit de résister à un effort extérieur, par le seul effet de la température auquel il est porté.

De nombreux matériaux possèdent cette propriété, mais le choix se portera sur ceux qui sont capables de développer des efforts importants, avec des déformations importantes, et ce pour des gammes de températures aisément utilisables. A titre d'exemple, les alliages Nickel-Titane sont particulièrement adaptés à l'usage décrit.

Le fait que les matériaux les plus performants soient des alliages métalliques ajoute un avantage décisif: ils sont électriquement résistants et peuvent donc être échauffés par le passage d'un courant électrique (effet
Joule), ce qui procure un moyen privilégié d'obtention de la température de transition, lorsque celle-ci est supérieure à la température de repos du dispositif global.

Lorsque la température franchit en sens inverse le seuil de transition, le matériau à mémoire de forme se comporte comme un matériau ordinaire de mêmes caractéristiques élastiques. En particulier, il cesse de s'opposer à l'effort antagoniste délivré par un quelconque système d'accumulation d'énergie potentielle, que ce soit la simple gravité, une pression de fluide, ou un ressort.

La forme d'équilibre ainsi obtenue sera appelée par la suite: forme de repos, par opposition à la forme apprise.

D'autres dispositions que le fil rectiligne ou la réunion de fils parallèles en faisceau peuvent être envisagées: ainsi, dans la figure 3, l'organe (11) est constitué d'un fil à mémoire de forme enroulé en ressort hélicoïdal: un tel ressort peut s'allonger, ou se retracter, selon la forme qui lui a été conférée lors de sa confection, et peut donc mouvoir le piston tout comme le "muscle" de la figure 1.

I1 convient de noter que l'utilisation par elle-même de matériaux à mémoire de forme impose l'utilisation d'une force antagoniste pour ramener ces matériaux à leur forme de repos, cette force antagoniste pouvant agir en permanence ou à la demande, et provenir d'un système quelconque, à accumulation d'énergie ou autre, éventuellement à mémoire de forme lui-même. Ces matériaux à mémoire de forme étant connus, leurs modalités d'emploi découlent nécessairement de leurs caractéristiques, et l'invention, à ce titre, ne concerne que leur utilisation dans les actionneurs de pompes et de compresseurs, et dans les actionneurs des clapets incorporés, le cas échéant.

Le fonctionnement de la pompe ou du compresseur découle naturellement de ce qui précède. I1 sera expliqué ici dans le cas d'une pompe simple effet, gavée de liquide par gravité, par raison de commodité. Les explications valent également pour un gaz.

Au début du cycle, représenté sur la figure 1, le liquide (3) emplit la chambre du cylindre et l'organe (11) est parcouru par un courant électrique qui l'échauffe; son matériau constitutif est tel que cet échauffement provoque sa contraction, et donc le mouvement du piston qui refoule le fluide au travers de la soupape (4) à la pression de sortie P2.

Lorsque le piston a accompli sa course, ce que représente la figure 2, un détecteur de présence, non représenté, agit sur le dispositif d'alimentation en courant et interrompt le passage de celui-ci dans le matériau à mémoire de forme; dès lors, celui-ci se refroidit, et ne cherche plus à recouvrer sa forme apprise: on peut donc l'étirer, ce que fait la pression P1 du liquide entrant, qui remplit à nouveau la chambre au travers de la soupape d'admission (5). Un autre capteur détecte que le piston est de retour dans sa position initiale, et le cycle peut recommencer par la mise en énergie de l'organe (11). La configuration est revenue à celle illustrée par la figure 1.

Rien ne s'oppose à ce que l'organe moteur soit baigné par le fluide: il faut et il suffit que ce fluide soit un isolant électrique, et que sa température ne contrecarre pas l'effet désiré, mais au contraire concoure à son obtention.

La facile miniaturisation d'un actionneur fonctionnant sur ce principe procure des solutions jusqu'ici hors de portée des moteurs classiques. C'est ainsi que par exemple, une pompe miniature selon l'invention peut prendre elle-même place dans le piston d'un appareil plus gros. I1 est également envisageable de fabriquer des pompes miniatures pouvant fonctionner dans le corps humain, ou dans des appareils extrêmement petits.

Le corps (2) de la pompe est figuré jusqu'ici par un cylindre indéfini, réalisé en matériau rigide. Mais rien dans le principe n'interdit l'utilisation d'un matériau souple, pourvu que le guidage des éléments mobiles ou déformables soit assuré: la pompe pourra alors se loger dans une structure déformable, que ce soit une conduite d'appareil industriel ou ménager, un vaisseau du corps humain, ou autre...

Enfin, dans le cas d'un fluide incompressible, l'obtention d'un débit moyen déterminé, sur une période de temps donnée, est aisée: en effet, il suffit de chauffer et de refroidir un tel actionneur périodiquement, de façon qu'il provoque le nombre requis de courses complètes du piston pour assurer le débit voulu dans le temps imparti.

La figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'actionneur du générateur de pression selon l'invention.

Cette figure illustre 10 cas de base possibles de réalisation:
- 1 cas: le ressort hélicoïdal (11) est réalisé en matériau à mémoire de forme, dont la longueur bout à bout de la forme apprise est supérieure à la même longueur mesurée au repos; le ressort (13) est alors un ressort ordinaire de traction, contre laquelle devra lutter l'effort développé par le ressort (11);
- 2" cas: le ressort (11) est réalisé en matériau à mémoire de forme, dont la longueur bout à bout de la forme apprise est inférieure à la même longueur mesurée au repos; le ressort (13) est alors un ressort ordinaire de compression, contre laquelle devra lutter l'effort développé par le ressort (11);
- 3 cas: c'est le ressort (13) qui est réalisé en matériau à mémoire de forme, avec une longueur apprise supérieure à la longueur au repos, et le ressort (11) est un ressort ordinaire de traction;
- 4 cas: le ressort (13) est réalisé en matériau à mémoire de forme, avec une longueur apprise inférieure à la longueur au repos, et le ressort (11) est un ressort ordinaire de compression;
- 5" cas: les deux ressorts (11) et (13) sont réalisés tous deux en matériau à mémoire de forme, avec des températures de transition pouvant être différentes.

Le nombre de cas est doublé, du fait du choix des températures de transition, choix qui se résume à:
- l'échauffement du matériau à mémoire de forme provoque son retour à la forme apprise;
- ou bien: l'échauffement du matériau à mémoire de forme provoque son abandon de la forme apprise, et son retour à la forme d'équilibre prise par un matériau ordinaire possédant les mêmes caractéristiques élastiques à la même température.

En dehors de ces 10 cas de base, un grand nombre de combinaisons peut s'envisager à partir du cinquième cas en particulier.

La figure 4 représente l'un des modes préférés de réalisation d'une pompe selon l'invention. I1 s'agit d'une vue en coupe montrant la pompe en début de phase d'aspiration. Les soupapes (simplement figurées par un trait d'axe) respectivement d'admission (5) et de refoulement (4) sont, soit passives, soit commandées par un actionneur à mémoire de forme. Dans ce dernier cas, leur fonctionnement sera illustré par les figures 7 et 6 respectivement.

Dans la figure 4, le dispositif moteur (11) est un simple fil en alliage métallique à mémoire de forme. Son extrémité (A) est soumise à un potentiel U2 par l'intermédiaire d'une borne (42). Le fourreau (40), et les rondelles isolantes (43) ont pour but d'isoler électriquement l'extrémité (A) du fil (11) du reste de la pompe. Les rondelles (43) ont aussi pour rôle d'isoler électriquement le ressort (13) du reste de l'appareil.

L'extrémité (B) du fil (11) est reliée électriquement à la borne (41), soumise au potentiel U1 qui est également celui de la masse de la pompe. La liaison électrique de (B) à (41) se fait via le piston (1), les bagues conductrices (22), le fourreau (20) et finalement le flasque (12).

Pour résumer, le fil (11) est soumis en permanence à une différence de potentiel U = U2 - U1.

Lorsque cette différence de potentiel U est nulle, l'état de la pompe est celui de la figure 4.

Si maintenant, la différence de potentiel U, qui peut être continue ou alternative, atteint une valeur Ut (qui est une valeur efficace dans le cas d'une tension alternative) suffisante pour porter le fil (11) au-delà de la température de transition, ce fil va recouvrer sa forme apprise, ce qui l'amène dans ce cas à se contracter, ce que montre la figure 5. Le générateur de pression va admettre le fluide (3), ici un liquide, mais pas nécessairement, dans la chambre, au travers de la soupape (5), à la pression P1.

Le retour de la différence de potentiel U à une valeur nulle va interrompre l'échauffement du fil (11), qui va revenir progressivement à la température d'équilibre de l'ensemble du dispositif, par convection et conduction.

La convection s'opère avec un fluide, par exemple de l'air, qui se renouvelle grâce aux orifices (30). La conduction agit par le contact intime du fil (11) avec le piston (1) d'une part, et le flasque (12) via les rondelles (43) électriquement isolantes mais conductrices de la chaleur d'autre part.

Lorsque le fil (11) est revenu à une température inférieure au seuil de transition, le ressort (13) peut à nouveau l'allonger, refoulant ainsi le fluide (3) à la pression P2 au travers de la soupape (4).

Un moyen très simple de régulation du débit moyen d'un fluide incompressible sur une période de temps donnée découle de ces dispositions, puisqu'à chaque cycle comportant un passage rapide de la différence de potentiel
U de la valeur O à la valeur Ut, un maintien à la valeur
Ut, puis un retour rapide et un maintien à la valeur 0, et à condition bien entendu que le piston ait accompli sa course complète, la pompe aura délivré exactement le débit correspondant à sa cylindrée. La variation de la fréquence de commutation de O à Ut, associée à des capteurs de contrôle de la course du piston, procure ainsi un moyen simple d'assurer un débit moyen très précis.

Les figures 13 et 14 décrivent la forme de la différence de potentiel U à adopter pour la commande, respectivement dans le cas d'une tension continue, et alternative.

Le cycle de durée totale DO est constitué de quatre durées enchaînées, à savoir:
- une durée DOt de montée de la tension U de la valeur
O à la valeur Ut,
- une durée Dmt de maintien de la tension U à la valeur Ut,
- une durée DtO de redescente de la tension U de la valeur Ut à la valeur 0,
- une durée DmO de maintien de la tension U à la valeur 0.

Dans le cas d'une tension alternative (figure 14), les valeurs des tensions sont des valeurs efficaces.

La différence de potentiel U, dite rectangulaire, nécessaire à ce type de commande peut être engendrée par diverses sortes de circuits, dont la technique est connue.

Elle peut même être engendrée par la pompe elle-même, comme il sera vu lors de la description du dispositif de la figure 9.

Dans le cas où une grande précision n'est pas nécessaire, il est possible de se dispenser des capteurs de contrôle de course.

En effet, et c'est encore un avantage décisif de cet actionneur, il n'y a pas de risque de surcharge ou de détérioration de l'actionneur si le piston, pour une raison quelconque, n'accomplit pas sa course complète, contrairement à ce qui se passe avec les actionneurs à moteur rotatif, dont le blocage est souvent critique.

Un autre moyen simple de variation de débit, si le débit moyen n'a pas à être régulé très précisément, consiste à diminuer les durées Dmt et DmO des paliers de maintien de U aux valeurs Ut et O.

Ainsi, le piston pourra n'accomplir qu'une course partielle, puisque l'effet moteur cessera avant que la forme apprise, ou selon les cas la forme au repos, de l'organe à mémoire de forme, soit complètement acquise, par manque du temps nécessaire. Cette possibilité est particulièrement intéressante dans les cas où l'on désire asservir la position du piston à une grandeur quelconque du système, par exemple une pression.

Les figures 6 et 7 montrent qu'un actionneur (10) peut être utilisé pour manoeuvrer un clapet. Ainsi, les soupapes (4) et (5) des figures précédentes peuvent être, soit des soupapes passives conventionnelles, soit des soupapes actives dotées d'un actionneur comportant au moins un organe à mémoire de forme. Les soupapes actives se comportent comme des soupapes passives lorsque leur actionneur est au repos, mais elles peuvent laisser passer le fluide lorsque l'actionneur est activé pour lutter contre la pression du fluide ou d'un ressort. Il a déjà été exposé que l'idée de monter deux éléments en opposition, dont l'un au moins est en alliage à mémoire de forme, pour manoeuvrer un tiroir de distributeur, est connue par ailleurs et fait partie de l'état de la technique.

Cependant, les figures 6 et 7 décrivent des agencements originaux, individuellement et en combinaison, en ce sens que, comme les pistons générant la pression, les clapets des soupapes se trouvent avoir à lutter directement contre la pression du fluide circulant dans le circuit principal.

Ainsi, l'association de deux éléments antagonistes dont l'un au moins est en alliage à mémoire de forme, association pratiquement obligatoire et évidente dès que l'on fait appel à de tels matériaux, ne constitue-t-elle pas l'objet de l'invention, mais est utilisée à l'obtention de caractéristiques originales et nouvelles des pompes à fluides, comme il sera vu ci-après.

La figure 6 montre ainsi une soupape de refoulement, qui laisse passer le fluide à une pression P2 qui découle de la force de tarage du ressort (13), lorsque le fil (11) n'est pas chauffé.

Mais si ce fil (11) est porté à une température supérieure (dans ce cas) à sa température de transition, il va contraindre le ressort (13) à se comprimer, soulevant ainsi le clapet (1) de son siège (14), et le fluide (3) pourra s'écouler librement, dans un sens ou dans l'autre, à la pression du réseau, aux pertes de charge près.

Le repère 14 cerclé d'un rond se réfère aux figures 4 et 5, pour indiquer une possibilité intéressante: le flasque (14) de ces figures 4 et 5 peut contenir, sous le repère (4), une soupape comme celle représentée figure 6.

Cette possibilité est offerte par la simplicité du dispositif selon l'invention, lequel se prête à une miniaturisation poussée.

La figure 7 montre de même une soupape d'admission, capable d'admettre dans la chambre le fluide (3) à la pression P1, mais qui peut aussi, si le fil hélicoïdal (11) en matériau à mémoire de forme (voir la figure 3) se détend, repousser le clapet (1) de son siège (14). Le repère 14 cerclé d'un rond se réfère aux figures 4 et 5, montrant que le flasque (14) de ces figures peut contenir, sous le repère (5), une soupape d'admission comme celle représentée sur la figure 7. Une fois activée par le passage d'un courant qui échauffe le fil hélicoïdal (11), celui-ci repousse le clapet contre la pression aval, et le fluide peut alors circuler librement dans un sens ou dans l'autre, à la nouvelle pression du réseau, aux pertes de charge près.

Sur les figures 4 et 5, dans lesquelles le flasque (14) est muni d'une soupape d'admission (5) telle que celle de la figure 7, et d'une soupape de refoulement (4) telle que celle de la figure 6, le fluide traverse librement la chambre de la pompe, dès lors que les deux soupapes sont commandées. Ceci permet une égalisation des pressions amont et aval (aux pertes de charge près), ce qui est utile pour permettre l'inversion du sens d'écoulement du fluide. Ce n'est pas le moindre avantage d'une telle pompe, qui ne nécessite aucun organe extérieur pour ce faire. Ainsi, si une pompe selon la figure 4 ou 5, dotée de soupapes selon les figures 6 et 7, est insérée entre un réservoir et le vérin d'un cric par exemple, le poids de la charge fera retourner le liquide vers le réservoir lorsque les soupapes seront commandées, et ceci sans aucune vanne extérieure.

La même pompe équipée de clapets commandés peut même de manière autonome inverser le débit du liquide qui la traverse; ceci est obtenu en intervertissant artificiellement les rôles des deux soupapes: la soupape d'admission de la figure 7 peut devenir une soupape de refoulement si le ressort (11) à mémoire de forme est alimenté par une tension Ut.

Il est même possible de créer une perte de charge de valeur déterminée, comme le ferait un clapet plaqué sur son siège par un ressort taré, en limitant le déplacement du clapet par la commande électrique, ainsi qu'il a été expliqué plus haut.

En résumé, un générateur de pression selon la figure 4 ou 5, équipé de clapets commandables tels que ceux des figures 6 et 7:
- se comporte comme une pompe ordinaire lorsque les clapets ne sont pas commandés, admettant un fluide à une pression P1 par l'orifice de gauche des figures, et le refoulant à une pression P2 supérieure à P1 dans l'orifice de droite des figures,
- se comporte comme une simple chambre insérée dans un circuit de fluide, lorsque les deux clapets sont commandés simultanément, ce qui conduit à une neutralisation de la pompe, et à une égalisation des pressions sur les orifices, aux pertes de charge près,
- se comporte enfin comme une pompe ordinaire, mais avec un flux de sens contraire à celui du premier cas, lorsque les clapets sont commandés alternativement, et en opposition de phase par rapport à leur fonctionnement libre, provoquant donc une admission de fluide à une pression P1 par l'orifice de droite des figures, et un refoulement à une pression P2 supérieure à P1 dans l'orifice de gauche des figures.

On dispose ainsi d'une pompe à flux réversible, sans l'intervention d'un dispositif extérieur d'aiguillage tel qu'un distributeur. L'économie ainsi réalisée est conséquente, même compte-tenu du coût supplémentaire induit par la génération des tensions rectangulaires nécessaires au fonctionnement des clapets.

La figure 8 montre à titre indicatif un autre mode de réalisation d'un actionneur (10) selon l'invention. Au lieu d'être utilisé dans un élément unique, comme un simple fil rectiligne, ou enroulé en hélice, ou toute autre forme, le matériau à mémoire de forme est employé conjointement dans plusieurs éléments (11) identiques, et éventuellement aussi dans le ressort (13). Cette disposition constructive permet, soit d'engendrer un effort plus important qu'avec un seul fil, soit d'utiliser, pour un même effort donné, plusieurs fils de force moindre, l'avantage résidant alors dans la diminution du temps de recouvrement du matériau, ce qui permet une cadence plus rapide. Les deux effets peuvent évidemment se conjuguer à volonté.

La figure 9 est une illustration de la possibilité de fabriquer des compresseurs miniature à très bas coût. La différence avec les modes de réalisation décrits précédemment réside dans le fait qu'on peut se dispenser d'un circuit électrique de commande extérieur au dispositif. Dans les figures 4, 5 et 8, il fallait établir une différence de potentiel U entre U1 et U2 suffisante pour échauffer le matériau au-delà de sa température de transition, puis ramener les potentiels U1 et U2 à la même valeur ( U=O ) pour que le matériau revienne à sa forme de repos. Ceci était effectué par un circuit électrique (non décrit mais dont l'effet est décrit par les figures 13 et 14), agissant en fonction de l'information de position du piston ou du clapet délivrée par des capteurs (non décrits), ou agissant à une fréquence déterminée. Un tel circuit est indispensable dans les applications qui nécessitent une régulation du débit, mais la figure 9 montre comment s'en passer dans une application où seule une génération de pression, sans précision de débit, est désirée.

La figure 9 montre les fils (11) en alliage à mémoire de forme, contractés selon la forme apprise. Le fluide (3), ici un gaz, par exemple de l'air, est entré à la pression P1 par l'évent (30) pratiqué dans le flasque (12). Le clapet (5) qui s'était soulevé pendant toute la période de contraction des fils (11), vient de se plaquer sur son siège usiné dans le piston (1), puisque la pression dans la chambre délimitée par le piston (1) et le flasque contenant la soupape de refoulement (4), est devenue P1, si l'on néglige le faible tarage du ressort appuyant (5) contre son siège.

Les bornes (41) et (42) sont soumises à une différence de potentiel U = U2 - U1 constante (ou constante en valeur efficace s'il s'agit de courant alternatif). Le flasque (12) est réuni au potentiel U2, qui est communiqué à la base des fils (11).

Le corps de pompe, précedemment repéré (20) dans les figures 4, 5 et 8, est ici scindé en deux corps (20') et (20"), coaxiaux et dans le prolongement l'un de l'autre; le corps (20') est conducteur de l'électricité alors que le corps (20") ne l'est pas. Dans la position du piston (1) représentée sur la figure 9, le potentiel U1 ne parvient plus au piston (1): le matériau de (11) va revenir à l'équilibre de repos, et le piston (1) va remonter dans la chambre sous l'action du ressort (13), comprimant le gaz (3) à la pression de refoulement P2 au travers de la soupape de refoulement (4).

A un certain stade de la remontée du piston (1), la bague conductrice (22) va toucher le corps conducteur (20'), et le piston, donc par conséquent le sommet des fils (11) va se trouver porté au potentiel U1.

Le piston va continuer sa course par inertie, pendant que le passage du courant dans les fils (11) va les échauffer à nouveau, d'où retour du piston vers le bas, fermeture de la soupape de refoulement, et début d'un nouveau cycle d'aspiration par ouverture de la soupape d'admission.

Un compresseur simple, bon marché, peu encombrant, et sans maintenance a été ainsi réalisé. Sa miniaturisation peut permettre de l'incorporer, par exemple, dans la valve de gonflage d'un pneumatique.

La figure 10 représente l'un des modes préférés de réalisation d'une pompe à liquide selon l'invention. Elle se compose d'une pompe (10), associée dans un corps commun (2) avec des soupapes (10') et (10"), ces trois dispositifs utilisant les fils ou groupes de fils (11), (11') et (11") en matériau conducteur à mémoire de forme. La pompe proprement dite (10) comporte, disposés de manière commode, tous les éléments décrits dans les figures 4, 5, ou 8. La particularité est ici que le fluide (3) est canalisé dans un ensemble de tubes télescopiques dans l'axe de la pompe.

La soupape d'admission (10') et la soupape de refoulement (10") sont construites sur le modèle des figures 6 et 7.

Le corps (2) de la pompe est porté au potentiel U1, dit potentiel de masse; l'action de la pompe est commandée par le potentiel U2, intermittent et obtenu par un circuit externe non décrit ici, mais dont l'effet est décrit sur les figures 13 et 14.

La soupape d'admission (10') peut être neutralisée au moyen du potentiel U'2, tandis que la soupape de refoulement (10") peut être neutralisée au moyen du potentiel U"2.

Le tout forme un autre moyen d'obtention d'une réalisation selon l'invention, réalisation déjà décrite précédemment sur les figures 4 et 5, dans lesquelles les soupapes (4) et (5) seraient remplacées respectivement par des soupapes actives décrites respectivement par les figures 7 et 6.

Lorsque U'2 = U"2 = U1, et que U2 est tantôt égal à
U1, et tantôt égal à la valeur choisie pour échauffer les fils (11) au-delà de leur température de transition, la pompe fonctionne, en admettant du fluide à la pression P1 et en le refoulant à la pression P2.

Si maintenant U2 = U1, et U'2 = U"2 à la valeur suffisante, les soupapes sont neutralisées en positions passantes, la pompe ne fonctionne plus, et les pressions P1 et P2 s'égalisent, aux pertes de charge près, ce qui offre un moyen de faire tomber très simplement la pression P2 en aval.

Le flux de fluide au travers de la pompe peut également être inversé, pour certaines applications, en commandant alternativement les clapets en opposition de phase par rapport à leur fonctionnement libre.

Une telle pompe, selon une réalisation non illustrée, montée dans le piston d'un vérin à double tige (la double tige servant à l'égalisation des cylindrées des deux chambres), de manière que l'un des orifices soit en contact avec le fluide de l'une des chambres du vérin (donc affleurant l'une des faces du piston), et que l'autre orifice soit en contact avec le fluide de l'autre chambre (donc affleurant l'autre face du piston), permet d'obtenir simplement le déplacement de la tige du vérin, ou, si cette tige est fixe, le déplacement du corps du vérin le long de cette tige. Si la tige est tubulaire, l'alimentation électrique de la pompe et des clapets peut avantageusement être délivrée par un câble prenant place dans le creux de cette tige, et allant jusqu'au piston, sans aucun contact avec le fluide.

Cette disposition constitue un premier moyen de réaliser un mobile auto-moteur, dont la course de déplacement est toutefois fixée par construction.

Une autre application de la pompe de la figure 10 est décrite par la figure 11, dans laquelle l'ensemble (10, 10', 10") est justement réalisé selon la figure 10. La figure 11 représente un mobile auto-moteur, se déplaçant dans un corps (50) de forme généralement cylindrique, mais pas nécessairement.

Ce mobile, constitué par l'ensemble des objets dont le numéro de repère est supérieur ou égal à 60, progresse de manière autonome dans le corps(50), en exerçant un effort au moyen de la plaque (83), ou en imposant un déplacement à cette même plaque (83), ou les deux.

La plaque (83) peut par exemple comprimer un objet (51) qui peut être un volume de gaz, de liquide, de pâte, ou tout objet composite réunissant des solides, des liquides, et des gaz.

La plaque (83) peut aussi être rendue solidaire d'une tige de vérin, et le mobile auto-moteur servira alors de piston à ce vérin.

Le mobile auto-moteur, comportant sa pompe intégrée, se déplace en faisant varier la distance entre les segments (62) et la plaque (83). Le déplacement s'opère en deux temps:
1" temps: Une réserve (64), contient un fluide (60) qui est acheminé à la pompe (10) via la soupape (10') par une manchette élastique (65); lorsque la pompe (10) fonctionne, elle porte le fluide (60) à une pression suffisante pour pousser le piston (72), à la fois contre l'effort antagoniste du ressort (74), et contre l'effort résistant du dispositif utilisateur, par exemple l'objet (51). La pression du liquide (60), exercée entre le piston (72) et les parois du corps (71) amène les cônes (70) et (73) à s'écarter l'un de l'autre, ces cônes étant respectivement solidaires du corps (71) et du piston (72).

Le cône (70) exerce alors sur les segments (62), libres de s'écarter radialement, mais emprisonnés axialement entre les plaques (61) et (63), un effort qui les plaque fortement contre le corps (50). Le frottement ainsi engendré solidarise momentanément les segments (62) avec le corps (50), et donc tout le corps de vérin (71), qui est empêché de remonter vers le haut de la figure 11.

C'est donc le piston (72) qui doit descendre, et pousser ainsi la plaque (83) par l'intermédiaire du cône (73). Ce cône n'exerce alors aucun effort sur les segments (82), qui glissent librement sur l'intérieur du corps (50).

Les segments (82) sont néanmoins entraînés vers le bas par la plaque (81) contrainte de suivre le mouvement de la plaque (83) par des fixations amovibles, par exemple des vis symbolisées par un trait d'axe.

2 temps: Le piston (72) ayant accompli sa course, et/ou la pression de la pompe (10) ayant atteint la valeur de tarage de la soupape (10"), le fonctionnement de la pompe est interrompu, et les soupapes (10') et (10") sont rendues passantes. Le ressort (74) repousse alors le fluide (60) dans le réservoir (64), et la distance entre les cônes (73) et (70) se raccourcit.

Cependant, le ressort (74) exerce un effort dirigé vers le haut de la figure sur le cône (73), ce qui a pour effet de plaquer les segments (82), analogues des segments (62), sur le corps (50). Le frottement ainsi engendré solidarise temporairement le piston (72) au corps (50), cependant que les segments (62), n'étant plus forcés à s'écarter radialement par le cône (70) qui redescend, coulissent librement sur l'intérieur du corps (50). Les plaques (61) et (63) sont alors libres de suivre le déplacement du cône (70) vers le bas de la figure, déplacement imposé soit par la simple gravité du fait du poids des plaques, soit par la manchette (65), soit par tout autre dispositif.

Lorsque le piston (72) a accompli sa course, le cycle peut recommencer au 1 temps décrit ci-avant. De tels dispositifs de reptation d'un mobile à l'intérieur d'un corps creux, ou à l'extérieur d'un corps prismatique, sont par ailleurs connus, mais l'originalité de celui-ci réside dans sa capacité à accueillir l'ensemble de génération de pression (10, 10', 10") à l'intérieur du mobile lui-même, ce qui est permis par la compacité, la simplicité, et l'absence de maintenance de cet ensemble. Un tel mobile automoteur est capable d'une course qui n'est limitée que par la longueur du corps (50), laquelle peut être rendue aussi grande que nécessaire.

Enfin la figure 12 décrit sous forme d'une demi-coupe selon x-x'(partie gauche), et d'une demi-coupe selon y-y' (partie droite), l'un des modes de réalisation de l'invention, sous la forme d'un générateur de pression (10) pouvant être utilisé pour pomper des liquides biologiques, et susceptible de fonctionner à l'intérieur d'un organisme vivant tel que le corps humain.

Le corps de pompe (2) n'est plus nécessairement rectiligne. Le fil (11), en matériau à alliage de forme, est inclus à l'intérieur d'une manchette en matériau compatible avec le fluide à pomper. Sur la figure 12, cette manchette réunit en une seule pièce, par exemple en élastomère, le piston (1), le ressort (13), le flasque (12), et le clapet d'admission (5); mais ces éléments peuvent être distincts, pourvu que les impératifs d'étanchéité et de compatibilité avec le fluide soient respectés.

La manchette se guide sur la paroi intérieure du corps (2), comme le montre la section sortie (A), et elle sert de guide au fil (11), qui reste astreint à épouser l'axe du corps (2), par l'intermédiaire de bossages ou renflements, comme il est montré sur la section (B).

Un ressort annulaire (90), facultatif, a pour but de plaquer les lèvres du piston (1) sur la paroi interne du corps (2).

Lorsque le fil (11) se raccourcit, le clapet (5) se ferme, et le fluide emprisonné entre l'extérieur de la manchette (13) et la paroi interne du corps (2), est forcé de trouver un passage au travers des lèvres du piston (1) qui s'écartent, de par leur forme en tulipe. Lorsque le fil (11) s'étire à nouveau, sous l'effort de la manchette (13) formant ressort, les lèvres du piston (1), éventuellement aidées par le ressort (90), reprennent leur place sur la paroi de (2), et le piston repousse le fluide vers le haut de la figure. Pendant cette extension, le clapet (5) s'ouvre et admet à nouveau le fluide dans la chambre constituée entre l'extérieur de la manchette (13) et la paroi interne de (2).

Pour provoquer le changement de longueur du fil (11), une variation de température est nécessaire. Celle-ci est provoquée par le passage d'un courant électrique dans le fil (11), qui est relié aux bornes (41) et (42), par exemple par des sertissages, comme indiqué sur la figure.

La borne (41) est portée à un potentiel U1, la borne (42) est portée à un potentiel U2. Ces potentiels leur sont communiqués par une bobine d'induction (100), constituée d'un ou plusieurs enroulements de fil conducteur (101). Un champ magnétique variable, dans lequel a été placée la pompe, provoque une variation du flux magnétique dans l'aire délimitée par le contour spatial de la bobine (100), et donc, par les lois connues de l'électromagnétisme, une différence de potentiel entre les bornes (41) et (42), d'où le courant qui échauffe le fil (11).

Le champ inducteur est délivré par un dispositif non décrit, pouvant consister en une simple bobine, et se trouvant à l'extérieur de la pompe, aussi éloigné que le procédé de génération du champ le permet pour un rendement acceptable. Ainsi, la pompe représentée par la figure 12 est-elle un dispositif complet, étanche, biologiquement compatible, et alimentée en énergie par un champ magnétique externe. En cas d'utilisation d'une telle pompe dans un organisme vivant, le générateur de champ sera avantageusement placé à l'extérieur de l'organisme, par exemple sur l'épiderme.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Dispositif moteur de chacun des pistons d'une pompe ou d'un compresseur pour fluides, et optionnellement des clapets des soupapes y associées, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins un organe (11), dit "à mémoire de forme", dont la forme varie en fonction de la température d'une portion de l'espace qui l'englobe partiellement ou totalement, cette variation de forme provoquant le mouvement du piston ou du clapet, et d'au moins un organe antagoniste (13) dont la forme peut aussi varier selon la température d'une portion de l'espace qui l'englobe partiellement ou totalement, mais pas nécessairement, de manière que l'un au moins des éléments à mémoire de forme constitue un organe moteur apte à engendrer une poussée utilisée en vue de mettre un fluide (3) en mouvement ou de lui communiquer une pression, ou encore de résister à une pression du fluide (3).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément (11) à mémoire de forme est relié, d'une part mécaniquement et électriquement à un piston (1), lequel se trouve porté au même potentiel U1 que le corps (2) ou (20) par l'intermédiaire de joints d'étanchéité (22) conducteurs de l'électricité, et d'autre part mécaniquement à un flasque fixe (12) et électriquement à une borne (42) portée à un potentiel U2, la différence de potentiel variable U= U2 - U1 à laquelle est soumis l'élément (11) servant à l'échauffer à volonté dans le but de modifier sa forme, charge à un élément antagoniste (13) de ramener l'élément (11) à sa forme d'équilibre lorsque la différence de potentiel U le permet, l'élément (13) pouvant lui-même être à mémoire de forme, mais pas nécessairement.

3. Pompe ou compresseur pour fluide, caractérisé en ce qu'il combine un générateur de pression réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, et au moins une soupape réalisée selon l'une quelconque des revendications 1 et 2.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des orifices (30) permettant un échange de chaleur par convection entre le matériau à mémoire de forme, et un fluide circulant au travers de ces orifices.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps (20) englobant le dispositif est constitué d'une partie isolante (20") et d'une partie conductrice (20'), au contact desquelles la partie mobile (1), piston ou clapet, se trouve tantôt portée au même potentiel U1 que la partie (20'), tantôt isolée de tout potentiel par la partie isolante (20"), du seul fait de son mouvement provoqué d'une part par l'organe (11) à mémoire de forme lorsque U1 atteint une certaine valeur et d'autre part par l'organe antagoniste (13) lorsque Ul atteint une autre valeur.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un enroulement (100) de fil conducteur (101), relié aux extrémités de l'organe (11) en alliage à mémoire de forme, et convertissant pour celui-ci l'énergie d'un champ magnétique externe en énergie électrique destinée à l'échauffer à volonté pour modifier sa forme.