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(11) | EP 0 094 131 A2 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Dispositif hydraulique |
| (57) Le dispositif hydraulique comprend un générateur d'impulsions hydrauliques (1), un
moteur hydraulique (3) et un conduit (2) rempli d'un liquide connecté d'une part au
générateur d'impulsions hydrauliques (1) et d'autre part au moteur hydraulique (3).
Le conduit (2) transmet les impulsions hydrauliques par des ondes d'impulsions de
longueur d'onde donnée du générateur hydraulique (1) au moteur hydraulique (3). Afin
de limiter l'atténuation des impulsions hydrauliques dans le conduit (2) on choisit
la longueur du conduit (2) égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde
d'impulsions hydrauliques ± 25% de ce quart de longueur d'onde. |
[0001] La présente invention concerne un dispositif hydraulique comprenant un générateur d'impulsions hydrauliques, un moteur hydraulique et un conduit rempli d'un liquide, connecté par une de ses extrémités au générateur d'impulsions et par l'autre au moteur hydraulique pour transmettre les impulsions hydrauliques par des ondes d'impulsions de longueur d'onde donnée du générateur au moteur hydraulique, ce dernier transformant l'énergie d'impulsions hydrauliques en énergie mécanique. Ce dispositif hydraulique est notamment destiné aux appareils de soins corporels et plus précisément aux pièces à main pour l'hygiène buccale.
[0002] Dans de nombreux champs d'applications il s'est avéré préférable d'utiliser un moteur hydraulique pour l'entrainement de différents appareils. Un tel champ d'application est celui de l'hygiène buccale. Dans ce champ d'application les moteurs hydrauliques sont supérieurs aux moteurs électriques car (1) ils peuvent être construits en matériaux légers non conducteurs et non magnétiques tels que des plastiques (2) ils ne représentent pas de risques de secousse électrique et (3) ils sont plus silencieux. De tels moteurs hydrauliques sont décrits dans les brevets US Nos 3.536.065 3.489.885 et 3.524.208 et comprennent une chambre expansible entrainée par des impulsions hydrauliques d'un liquide à travers un conduit flexible, lesdites impulsions étant introduites dans le conduit par un générateur d'impulsions hydrauliques approprié. Habituellement le liquide après avoir .diffusé son énergie il revient à la source par un conduit séparé. Pourtant, il a été prouvé que ces dispositifs sont en général inefficaces car les conduits flexibles atténuent fortement les impulsions hydrauliques et ainsi la puissance transmise est très faible et imprévisible.
[0003] Le but de la présente invention est de proposer un dispositif hydraulique qui utilise un conduit flexible capable de transmettre les impulsions hydrauliques du générateur d'impulsions au moteur hydraulique entrainé par ces pulsations. Ce but est atteint en déterminant la longueur d'onde moyenne des ondes stationnaires produites par lesdites impulsions dans les conduits et en donnant à la longueur des conduits des valeurs discrètes.
[0004] Le dispositif selon l'invention est caractérisé par le fait que la longueur du conduit est un multiple impair du quart de la longueur d'onde de l'onde d'impulsions hydrauliques, ± 25Z dudit quart de la longueur d'onde. En effet, on a trouvé qu'en choisissant la longueur du conduit égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde qui est une fonction des caractéristiques physiques du conduit, on améliore le rendement du conduit et partant du dispositif hydraulique.
[0005] L'invention sera décrite à l'aide du dessin annexé.
La figure 1 est une représentation graphique du mouvement angulaire d'un moteur hydraulique en fonction de la longueur du conduit reliant le moteur au générateur d'impulsions.
La figure 2 représente une vue schématique des éléments du dispositif hydraulique.
La figure 3 représente une coupe d'un conduit.
La figure 4 représente une distribution des quarts de longueur d'onde L/4 en fonction du diamètre intérieur 0 du conduit et de son épaisseur.
La figure 5 représente à titre de comparaison la force de giclage et l'amplitude du moteur en fonction de la longueur du conduit.
[0006] Le dispositif hydraulique représenté à la figure 1 comprend un générateur d'impulsions hydrauliques 1, un conduit flexible 2 et un moteur hydraulique 3.
[0007] Les impulsions hydrauliques transmises à travers le conduit peuvent être considérées comme étant des ondes stationnaires et leur équation est :
x étant l'abcisse d'un point du tube et la sortie du générateur d'impulsions étant au point x=0.
[0008] A*p(x) est la valeur complexe de l'onde progressive pour un conduit de longueur x, A*r(x) est l'amplitude complexe de l'onde rétrograde, et g*=a+jB est la constante complexe de propagation a est le coefficient d'atténuation (en Neper ou dB par unité de longueur) B est la constante de phase (en radian par unité de longueur) avec B=w/v, w est la fréquence angulaire (en rad/sec) de la pulsation et v la vitesse de propagation (en unité de longueur par seconde) de l'onde à l'intérieur du conduit.
[0010] Le diagramme de la figure 2 est un résultat expérimental de la distribution de l'amplitude le long du conduit à une fréquence 48,8 Hz l'amplitude étant donnée en degrés et l'abcisse représentant la longueur du conduit en mètres. Le conduit est en élastomère de polyester dont le diamètre intérieur est 2,2 mm et l'extérieur 3,65 mm. Les maximas sont localisés aux abcisses correspondant aux multiples impairs de L/4 et les minimas aux multiples pairs de L/4.
[0011] Dans ce cas expérimental la charge due au moteur hydraulique est adaptée à la source et le conduit à chaque valeur de crête, c'est-à-dire à chaque point où l'abcisse est égale à un multiple impair de L/4.
[0012] Si nous considérons uniquement la composante progressive de l'onde, puisque la composante rétrograde est généralement de moindre importance, nous pouvons écrire
[0013] Le lieu géométrique de la valeur de crête est exprimé en utilisant le coefficient d'atténuation d'amplitude
d'où
A l'exemple illustré à la figure 2 la valeur de a est environ 0,18 Neper/m ou 1,6dB/m.
[0014] Les équations précédentes et la figure 1 montrent que la longueur du conduit doit être approximativement égale à un multiple impair de L/4, 3L/4, 5L/4, 7L/4, etc.
[0015] Pour les matériaux élastiques la vitesse du son est directement calculée par le module de Young et la masse spécifique du matériau par la relation
2 E étant le module de Young en N/m 3 h étant la masse spécifique du conduit en kg/m .
[0016] Ce n'est pas le cas pour les milieux dits visco-élastiques comme le caoutchouc et un nombre d'élastomères synthétiques et aussi les polymères thermoplastiques ayant un poids moléculaire élevé. Autrement dit le module statique de Young ne prend pas en considération le comportement dynamique du matériau.
[0017] Le module statique de Young est donné par la pente d'un diagramme classique effort-allongement. Au fur et à mesure de l'augmentation de la fréquence l'allongement présente un retard de phase par rapport à l'effort. Avec un effort sinusoïdal le diagramme effort-allongement doit être représenté par une boucle elliptique dont la surface représente l'énergie perdue. Le module de Young peut alors s'exprimer comme un vecteur tournant à une fréquence angulaire W et un angle de phase,0 .
[0019] 2 dq est l'effort alternatif appliqué en N/m ; dℓ/ℓo est le rapport de l'allongement alternatif sur la longueur totale.
[0020] Les valeurs de dℓq, dℓ et de l'angle de phase 0 dépendent de la fréquence et de la température. Elles dépendent également mais à un degré inférieur de l'amplitude de pulsation. Le point de fonctionnement statique (c'est-à-dire la pression statique interne) de l'effort-allongement a également une influence.
[0021] La dilatation radiale d'un élément tubulaire est déterminée par la pression pulsée interne et la rigidité.
[0022] Le domaine où l'effort de déformation est appliqué à une section transversale définie par
e étant l'épaisseur du conduit, dx un accroissement de sa longueur et D son diamètre intérieur (voir fig.3).
[0026] On doit noter que la transmission de l'onde le long du tube dépend de la quantité du liquide déplacé par la source d'impulsions et par la forme actuelle prise par le tube le long de son axe.
[0027] La masse du liquide contenu dans l'élément de la figure 3 est
c étant la masse spécifique du liquide contenu dans le conduit.
[0028] La pulsation propre radiale du liquide et la rigidité du tube de l'élément est donnée par la relation
et en remplaçant (11) et (12) dans (13) on obtient
Etant donné que la fréquence angulaire propre du tube entier est proportionnelle à W' nous pouvons écrire
Ko comprend aussi les constantes de l'équation (14).
[0029] En remplaçant (15) dans (2) on obtient
ou
Avec la formule (6) on obtient
Pour simplifier cette relation on peut supposer que les différents matériaux pour les tubes ont la même densité 3 3 qui est d'environ 10 kg/m pour la plupart des plastiques et élastomères et on obtient alors
[0030] L'analyse précédente révèle que pour une fréquence donnée le quart de longueur d'onde d'un conduit donné dépend des dimensions de la section transversale du conduit comme indiqué par l'équation (19).
[0031] Par l'équation (2) il est connu que la longueur d'onde est inversement proportionnelle à la fréquence ainsi l'équation (19) peut être réécrite comme suit :
[0032] Un certain nombre de conduits de dimensions et matériaux différents ont été testé à 48,8 Hz pour déterminer la valeur de K2. Les résultats obtenus sont représentés à la figure 4, l'axe vertical représente L/4 et l'axe horizontal représente D √(D+e)/e.
[0033] De cette représentation graphique on peut voir que
D'autre part, l'inventeur a trouvé que les caractéristiques de la figure 4 sont mieux approchées par la formule
[0035] Le terme Do peut être expliqué par le fait qu'il existe un diamètre minimum au-dessous duquel le conduit ne peut pas être connecté au générateur d'impulsions et au moteur de manière qu'une transmission de puissance soit obtenue.
[0036] Finalement si on suppose que le rapport du diamètre interne du conduit sur son épaisseur est constant (ce qui est le cas pour la plupart des conduits que l'on peut trouver sur le marché) alors l'équation (20) peut se réduire à
[0038] Ainsi on arrive au résultat selon lequel le quart de la longueur d'onde est une fonction d'une part de la fréquence des impulsions générées et d'autre part des dimensions transversales du conduit.
[0039] L'inventeur a également trouvé que pour améliorer la stabilité et le rendement d'une machine hydraulique, le mouvement angulaire de la machine doit être limité à 1/√2 (ou 70X) de l'amplitude de l'onde stationnaire comme défini à l'équation (4), en choisissant une longueur de conduit légèrement différente de L/4 (voir fig.5) où la longueur optimale du tube est inférieure à L/4. Donc en général on ne travaille pas exactement en régime de résonance, mais à un point de travail déplacé de l'un ou de l'autre côté du maximum de l'amplitude de ladite onde stationnaire, ce déplacement peut atteindre 25Z du quart de la longueur d'onde.
[0040] Cette limitation conduit à un avantage supplémentaire non prévu: les moteurs hydrauliques sont utilisés en plus de l'entrainement des brosses à dents et dispositifs similaires, pour l'irrigation buccale par des jets d'eau répétitifs pour le massage des gencives. Naturellement cette utilisation amène à un déplacement de la longueur d'onde, ainsi un conduit qui a une longueur optimale pour une machine hydraulique il fournira moins que la force optimale de giclage.
[0041] Pourtant l'inventeur a trouvé qu'en limitant l'amplitude du moteur hydraulique comme décrit précédemment, la force de giclage est encore proche de son maximum.
[0042] La figure 5 illustre à titre de comparaison la réponse du moteur hydraulique et de la force de giclage. On peut voir que aux multiples impairs de L/4, la force de giclage bien qu'elle soit passée par ses maximas conserve un niveau élevé.
[0043] Le tube à utiliser avec le dispositif décrit précédemment peut être fait en tout matériau thermoplastique ayant un poids moléculaire relativement élevé comme le nylon, un élastomère de polyester, polyuréthane ou un matériau composé renforcé.
[0044] Bien que théoriquement il n'y ait pas de limitations concernant les dimensions des conduits des considérations pratiques aménent aux paramètres suivants pour les conduits.
1. Le diamètre intérieur du conduit peut être compris entre 1.0 et 20.0 mm, mais de préférence entre 2 à 8 mm
2. L'épaisseur du conduit peut être comprise entre 0,2 mm et 5 mm, mais de préférence entre 0,3 mm et 2 mm.
3. La longueur du conduit peut être comprise entre 0,2 m et 5m mais de préférence entre 0,5 m et 2 m et surtout entre 1 m et 1,50.
[0045] Etant donné qu'en général la valeur de L est comprise entre 1,80 et 2,20 mètres la longueur du conduit pour l'entrainement d'une brosse à dent est choisi de préférence égal à 3L/4 + 257 de L/4 afin de limiter la réponse du moteur hydraulique à 70% environ de la valeur de crête. En pratique la longueur maximale du conduit ne dépasse pas 7L/4 car pour les longueurs supérieures la réponse du moteur hydraulique est fortement atténuée (fig.1).
1. Dispositif hydraulique comprenant un générateur d'impulsions hydrauliques, un moteur
hydraulique et un conduit rempli d'un liquide, connecté par une de ses extrémités
au générateur d'impulsions et par l'autre au moteur pour transmettre les impulsions
hydrauliques par des ondes d'impulsions de longueur donnée du générateur au moteur
hydraulique, ce dernier transformant l'énergie des impulsions hydrauliques en énergie
mécanique, caractérisé par le fait que la longueur du conduit est un multiple impair
du quart de la longueur d'onde de l'onde d'impulsions hydrauliques ± 25% dudit quart
de la longueur d'onde.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le quart de longueur
d'onde (L/4) est lié à la fréquence (f) du générateur d'impulsions et aux dimensions
transversales du conduit par la relation
D et e étant respectivement le diamètre intérieur et l'épaisseur du conduit en m et K'2=19'500.
D et e étant respectivement le diamètre intérieur et l'épaisseur du conduit en m et K'2=19'500.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le quart de longueur
d'onde (L/4) est lié à la fréquence (f) du générateur d'impulsions et aux dimensions
transversales du conduit par la relation
-3 avec Do=2,2.10 m
D et e étant respectivement le diamètre intérieur et l'épaisseur du conduit en m.
-3 avec Do=2,2.10 m
D et e étant respectivement le diamètre intérieur et l'épaisseur du conduit en m.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le quart de longueur
d'onde (L/4) est lié à la fréquence (f) du générateur d'impulsions et aux dimensions
transversales du conduit par la relation
-3 Avec Do'=1,35.10 m K4=93'900 et D le diamètre intérieur du conduit en mm.
-3 Avec Do'=1,35.10 m K4=93'900 et D le diamètre intérieur du conduit en mm.
5. Dispositif selon l'une des revendications 2,3 ou 4, caractérisé par le fait que
le moteur hydraulique a une réponse qui est limitée au 70Z de l'amplitude de crête,
par le choix de la longueur du conduit telle qu'elle soit différente du multiple impair
du quart de la longueur d'onde.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le tube est construit
d'un matériau thermoplastique tel que nylon, élastomère, ou polyester, polyéthylène,
polyuréthane ou un matériau renforcé.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la
longueur du conduit est comprise entre 0,2 et 5 m, de préférence de 0,5 à 2 m, que
l'épaisseur du conduit est comprise entre 0,2 et 5 mm, de préférence entre 0,3 et
2 mm, et que le diamètre intérieur du tube est compris entre 1 et 20 mm, de préférence
entre 2 et 8 mm.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la
fréquence est comprise entre 10 et 200 Hz, de préférence entre 20 et 120 Hz.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le
conduit est enroulé sous forme hélicoidale et la force maximale pour étendre le conduit
est comprise entre 0 et 40 N, de préférence 1 à 5 N.
10. Méthode pour préparer un conduit destiné à être connecté par une de ses extrémités
à un générateur d'impulsions hydrauliques et par l'autre à un moteur hydraulique,
caractérisée par le fait que l'on détermine le quart de la longueur d'onde des impulsions
hydrauliques selon l'une des revendications 2 à 4 et que l'on coupe le conduit à une
longueur égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde ± 25% dudit quart
de la longueur d'onde.