Domaine technique
[0001] L'invention concerne une unité de pompage ultra haute pression (UHP) de l'ordre de
4000 bars, comprenant un actionneur pneumatique et une pompe à liquide haute pression
pour former un jet de liquide destiné au découpage de matériaux, notamment de matières
comestibles. L'invention concerne également 'une installation de pompage comportant
plusieurs de ces unités
Etat de la technique antérieure
[0002] Il existe des machines de découpe d'aliments par jet d'eau comme celles brevetées
par les sociétés Metronics ou Hydroprocess. De façon générale, les pistons ou plongeurs
de ces pompes à eau haute pression (2000 à 10000 bars) sont entrainés par des moyens
électromécaniques tels que des servomoteurs. Le moteur électrique, la pompe à haute
pression et la buse forment un seul bloc qui le plus souvent est monté fixe au-dessus
d'un plateau ou table mobile qui supporte la pièce à découper. Du fait entre autres
de la taille de l'ensemble moteur-pompe, il est plus aisé de déplacer le support de
la pièce à découper que l'ensemble moteur-pompe-buse d'éjection de l'eau haute pression.
[0003] Il existe également des systèmes de perforation par jet d'eau haute pression chargée
d'abrasifs, entrainés par des moyens à air comme divulgués dans les brevets
US3520477 et
DE2657717 qui décrivent des pompes à eau très haute pression pour la perforation de matière
dure, notamment des pierres. L'actionneur pneumatique comprend une chambre cylindrique
alimenté en air sous pression dans laquelle se meut un piston. La pression de l'air
dans l'actionneur et le rapport entre la grande et la petite face du dit piston détermine
de façon connue la pression de l'eau dans la chambre débouchant sur la buse de sortie
du jet d'eau. Ce dispositif est également un ensemble monobloc intégrant l'actionneur
pneumatique, la pompe à eau haute pression et la buse d'éjection. Il génère des pulsations
qui sont destinées à réaliser un travail de perforation et non pas un découpage régulier.
[0004] Le brevet
GB1161982 décrit une unité de pompage ultra haute pression (UHP) actionnée pneumatiquement
pour former un jet de liquide destiné notamment au découpage de matériaux, comprenant
un piston étagé UHP pourvu de plusieurs segments d'étanchéité pour assurer l'étanchéité
entre le dit piston et un carter-cylindre, lequel carter-cylindre est fixé rigidement
à l'actionneur pneumatique à membrane roulante pourvu à cet effet d'un couvercle.
Le guidage du piston est assuré par l'extérieur càd le boitier de l'actionneur et
le carter-cylindre du piston de l'actionneur, fixés rigidement l'un à l'autre. Ce
type de guidage est nécessaire du fait que la pompe UHP est à piston et non à plongeur.
D'autre part si cette structure compacte assure un guidage axial correct, elle n'est
pas modulaire et, en conséquence, ne permet pas de changer les propriétés du guidage
sans modifier l'ensemble de l'unité de pompage.
[0005] Dans la suite du texte le sigle UHP signifie Ultra haute Pression, c'est-à-dire une
pression hydraulique de l'ordre de 4000 bars.
[0006] Le but de l'invention est de proposer une unité de pompage ultra haute pression (UHP)
à actionneur pneumatique, pour former un jet de liquide destiné au découpage de matériaux,
de conception modulaire tout en assurant un bon guidage linéaire axial du plongeur
de la pompe UHP. Le but aussi est de proposer plusieurs modules de guidage linéaire
ayant beaucoup d'éléments en commun permettant de remplacer un module de guidage par
un variant sans modifier le reste de l'installation de pompage.
[0007] Un autre but de l'invention est de proposer une installation de pompage comprenant
plusieurs unités de pompage UHP qui alimentent une même buse mobile de découpage afin
que le jet de découpage soit régulier.
Exposé de l'invention
[0008] Selon l'invention, l'unité de pompage ultra haute pression (UHP), actionnée pneumatiquement
pour former un jet de liquide destiné au découpage de matériaux, comprenant une pompe
UHP avec une chambre alimentée en liquide, en général de l'eau, dont la sortie est
raccordée hydrauliquement à une buse pour former le jet, un plongeur UHP se déplaçant
dans la dite chambre dans un mouvement linéaire de va et vient au moyen d'un actionneur
pneumatique à membrane roulante comprenant une chambre de travail, est caractérisée
en ce que l'actionneur pneumatique comprend une enveloppe cylindrique rigide, une
embase fixée sur la partie inférieure d'un bâti, une membrane roulante logée dans
la dite enveloppe et fixée à l'embase, un piston en forme de plaque fixée sur le dite
membrane et se déplaçant en va et vient dans la dite enveloppe une entrée-sortie d'air
pour alimenter en air sous pression la chambre de travail délimitée par l'ensemble
embase-membrane-piston et pour évacuer l'air sous l'action d'une force de rappel du
piston, et en ce qu'elle comprend un guide linéaire dont la partie mobile comprend
une tige dont une extrémité est fixée au piston en forme de plaque et l'autre extrémité
au plongeur UHP de la pompe UHP fixée à la partie supérieure du bâti, l'extrémité
du plongeur vissée sur la tige étant pourvue d'un piston ou d'une bague se déplaçant
en va et vient dans un corps cylindrique fixé à la pompe UHP. Selon un premier mode
de réalisation de l'invention, le guide linéaire est conçu comme un vérin-amortisseur
à double effets contenant de l'huile. Le guide linéaire comprend un piston d'amortissement
fixé à la tige ou au plongeur et se déplaçe en va et vient dans un corps cylindrique
renfermant deux chambres d'amortissement à volume variable remplies d'huile et séparées
par le dit piston.
[0009] Selon un autre mode réalisation, le guide linéaire comprend plusieurs bagues en polymère
dont une bague en polymère (109) de diamètre réglable, à l'extrémité du plongeur au
niveau de la jonction avec la tige et se déplaçant en va et vient dans un corps cylindrique
renfermant une chambre remplie d'air.
[0010] La force de rappel du piston de l'actionneur est exercée de préférence par un ressort
hélicoïdal.
[0011] La membrane de l'actionneur pneumatique est en caoutchouc et l'enveloppe cylindrique
a un diamètre supérieur à la somme du diamètre du piston et de quatre fois l'épaisseur
de la membrane pour permettre à la membrane de rouler le long de la paroi intérieure
de l'enveloppe lors du mouvement de va et vient du piston.
[0012] Une installation de pompage est généralement constituée d'au moins trois unités de
pompage selon l'invention alimentant en liquide une seule buse mobile de découpage
à haute pression.
Description détaillée
[0013] Les caractéristiques et avantages de l'appareil de découpage à jet d'eau selon l'invention
ressortiront mieux de la description qui suit en référence aux dessins annexés dans
lesquels : [0016]
[Fig. 1] représente une vue en coupe longitudinale d'une unité actionneur-pompe selon
l'invention comprenant un premier mode de réalisation de guide linéaire.
[Fig. 2] est une vue de dessus de la pompe selon l'invention.
[Fig. 3] est une vue 3D de la pompe selon l'invention.
[Fig. 4] est une vue 3D d'une installation de pompage comprenant quatre unités actionneur-pompe
selon l'invention.
[Fig. 5] à [Fig. 9] représentent le guide linéaire selon l'invention.
[Fig. 10] représente une variante de la figure 1, avec un guide linéaire selon un
deuxième mode de réalisation. Dans cette figure, les repères numérotés au-delà de
cent, identifient les éléments identiques ou équivalents à ceux de la figure 1. Les
repères en deçà de 100 sont des éléments spécifiques à ce deuxième mode de réalisation.
[0014] En référence à la figure 1, l'unité actionneur-pompe comprend un actionneur pneumatique
avec son piston (
32), une pompe hydraulique haute pression avec son piston plongeur (
33) et un guide linéaire reliant les deux pistons (
32), (
33). L'actionneur pneumatique convertit la pression de l'air en force linéaire. Il est
constitué d'une enveloppe cylindrique rigide fixe (
14), d'une embase fixe (
15), d'un piston (
32), d'une membrane roulante en caoutchouc (
16). L'extrémité supérieure de cette membrane présente une lèvre qui permet de fixer
par emmanchement cette extrémité sur un épaulement du piston (
32), ce qui assure aussi l'étanchéité entre la membrane (
16) et le piston (
32). Le diamètre extérieur maximum du piston (
32) est inférieure à la somme du diamètre intérieure de l'enveloppe (
14) et de quatre fois l'épaisseur de la membrane (
16) afin de permettre à cette membrane de rouler le long de la surface intérieure de
l'enveloppe cylindrique lors du mouvement de va et vient du piston (
32). L'extrémité inférieure de la membrane (
16) est fixée à l'embase (
15) et à la partie basse intérieure de l'enveloppe (
14) fixé par sertissage entre l'embase (
15) et l'enveloppe emmanché en force par une presse. La membrane roulante, le piston
et l'embase délimitent une chambre étanche de travail (
39) dans laquelle débouche au niveau de l'embase un conduit d'entrée-sortie d'air (
30). A cet effet, l'embase est percée au centre pour l'entrée-sortie d'air (
30) et sa fixation sur un bâti (
42a,
42b,
42c). Le mouvement de rappel du piston pneumatique (
32), pour l'évacuation de l'air de la chambre (
39) et du plongeur UHP (
33), est obtenu au moyen d'un ressort hélicoïdal (
31) coaxial à la tige (
8) et au plongeur (
33), une extrémité du ressort prenant appui sur une plaque de verrouillage (
24,
25) fixée au guide linéaire et l'autre extrémité prenant appui dans une rainure circulaire
du piston (
32) de l'actionneur pneumatique.
[0015] La membrane roulante est réalisée dans une matière caoutchoutée analogue à celle
utilisée dans les suspensions pneumatiques de camions. La pression d'air maximum dans
la chambre (
39) est comprise, à titre indicatif, entre 6 et 10 bars, de préférence 7 bars. Un compresseur
à vis, non représenté alimente en air cet actionneur.
[0016] L'enveloppe (
14) empêche la membrane de gonfler limitant les volumes d'air mort. Cet actionneur pneumatique
à membrane roulante peut effectuer plusieurs millions de cycles sans maintenance.
Il ne craint ni la pollution, ni l'humidité car il n'y a pas de joint d'étanchéité
et de frottements au niveau du piston.
[0017] Selon une variante cette enveloppe peut s'étendre en hauteur jusqu'à la partie supérieure
(
42a) du bâti pour améliorer la rigidité de l'ensemble.
[0018] Un insert inox taraudé (
17) est fixé au centre de la partie supérieure du piston (
32) pour fixer par vissage la tige inférieure (
8) du guide linéaire (Fig. 6 et 7).
[0019] Ce guide linéaire a plusieurs fonctions :
Le guide linéaire transmet la force de l'actionneur pneumatique sur le plongeur UHP.
Il contraint l'axe du piston de l'actionneur et le plongeur UHP à rester alignés pendant
tout le mouvement de translation. Il transmet au plongeur UHP seulement les forces
axiales mais pas les forces transversales nuisibles au bon fonctionnement du plongeur
UHP. Il assure pendant le rappel par ressort de l'actionneur, l'alignement de l'ensemble
actionneur/guide/plongeur. Il assure la butée mécanique si un capteur de fin de course
défaillant n'arrête pas la montée empêchant ainsi, la collision du plongeur dans l'étage
UHP.
[0020] En référence aux figures 1, 6 à 9, ce guide linéaire est constitué comme un vérin
à double effets, sans entrée et sortie hydraulique, avec deux chambres hydrauliques
(
36,
37) cylindriques remplies d'huile, communicantes par des perçages (
41) dans le piston (
9). Il comprend un corps (
10) aligné et fixé à la tête UHP (
6) via une chappe (
20) et un écrou (
1). Le chambre inférieure (
36) est fermée à sa partie basse par la tête (
7) du guide linéaire. La tige primaire (
8) qui est fixée sur le piston de l'actionneur pneumatique (
32) et sur le piston (
9) du guide linéaire fait deux fois le diamètre de la tige secondaire qui est le plongeur
UHP (
33) vissé dans la tige primaire (
8) taraudée à son extrémité. Le piston est percé (
41) rendant les deux chambres hydrauliques (
36,
37) qu'il sépare communicantes et non pressurisées lors des translations en va et vient
du piston (
9). Le corps du guide linéaire est au 3/4 rempli d'huile non toxique. Une poche d'air
absorbe le volume de la tige primaire (
8) en se comprimant légèrement lorsque que celle-ci est rentrée. L'huile amortit la
fin de course du mouvement de rappel par ressort (
31) et assure la lubrification des frottements portés uniquement sur les joints (
21,
34,
35) de tiges (
8,
33) et de piston (
9). L'huile lubrifie également une partie du plongeur UHP (
33) qui en garde une fine pellicule après le passage du joint racleur (
21) en sortie de guide linéaire afin d'accroître la durée de vie des joints UHP. Le
guide linéaire comprend une chambre intermédiaire (
38, Fig 8), entre la chambre (
37) du guide linéaire et la chambre (
40) de la tête UHP (
6), qui récupère et draine d'éventuelles fuites d'eau internes provenant du cylindre
UHP vers un réceptacle après la sortie de fuites internes (
23). Ce dispositif empêche l'eau de rentrer dans le guide linéaire en cas de défaillance
et de se mélanger à son huile. Il permet également de signaler de manière visuelle
la présence de fuites internes.
[0021] Comme dit précédemment, la tige secondaire (
33) du guide linéaire fait fonction de plongeur UHP (
33) qui se déplace en va et vient dans une chambre cylindrique (
40) formée dans la tête UHP (
6). La tête UHP (
6) comporte une entrée et une sortie d'eau, chacune étant pourvue d'un clapet anti-retour,
respectivement (
18) et (
19). La sortie (
18) de la tête haute pression est raccordée à la buse mobile de découpage par un tuyau
métallique flexible (non représenté).
[0022] La tige du plongeur UHP (
33) est en inox polie en surface et est filetée à son extrémité dans le guide linéaire.
[0023] Certains détails de construction utiles au bon fonctionnement de la pompe hydraulique
UHP, sont également représentés et référencées sur les figures 1 et 6. Sont représentés
notamment les bagues de guidage (
2), (
5) des tiges du guide linéaire, le moyen (
4) comprimant les joints UHP (
12) contre la surface du plongeur UHP, les capteurs inductifs de position basse (
28) et de position haute (
29) du piston (
32) de l'actionneur pneumatique. Ces capteurs inductifs à effet Hall, comprennent un
aimant (
26) et un support d'aimant (
27).
[0024] D'autres détails de montage sont représentés comme la rondelle plate (
13) et le contre écrou (
11) au niveau de la fixation vissée de la tige primaire (
8) dans le piston pneumatique (
32).
[0025] L'unité -actionneur pneumatique, guide linéaire, pompe UHP - est fixée sur un bâti
(
42a,
42b,
42c) au moyen de différents organes, comprenant notamment des plaques de verrouillage
(
24), (
25), d'écrou de fixation (
3) et de bague de maintien (
22).
[0026] Il est avantageux de grouper plusieurs unités par exemple quatre unités-actionneur
pneumatique, guide linéaire, pompe UHP-, pour réaliser une installation de pompage
UHP alimentant en liquide une seule buse de découpage à une haute pression à peu près
régulière sans pulsions.
[0027] A titre d'exemple en référence à la figure 4, une installation composée de quatre
unités - actionneur pneumatique, guide linéaire, pompe UHP - amène du liquide, à une
pression 3600 Bar, à travers une buse de 80 microns générant un jet d'eau filaire
supersonique avec un débit de 0,164 Litre/minute. Ce dispositif a été conçu pour des
applications de découpe à jet d'eau potable dans un environnement agroalimentaire
ou pour d'autres fluides comme de l'azote liquide. Il pourra aussi être utilisé dans
d'autres applications non alimentaires comme la découpe de cuir, textile, joints et
à terme dans des applications avec abrasif pour des découpes de pierres, métaux et
autres. Ce système utilise comme source de puissance un compresseur d'air à vis qui
aspire 810 litres d'air par minute et refoule cet air à une pression de 7-8 bar maximum.
Ce volume est compressé dans ce système à 7-8 bar, avec une consommation électrique
de 5500 W. Le dispositif d'air comprimé est contenu dans un circuit fermé qui évite
de condenser l'eau de l'air ambiant, rendant le déshumidificateur ou séparateur d'eau
facultatif. Le ratio de pression entre l'entrée et la sortie de l'unité de pompage
est de 1:600, càd 1 bar en air génère 600 bars en eau. Le système est administré par
un automate programmable qui pilote trois électrovannes pneumatiques par actionneur
pneumatique via un capteur à effet Hall de position basse (
28) et un capteur à effet Hall de position haute (
29) de chaque piston (
32). L'automate gère également une phase de récupération d'air d'échappement redistribué
sur l'actionneur précédent (N -1) qui se précharge et soutient la pression hydraulique
pendant les transitions de pressurisation des actionneurs pneumatiques.
[0028] La figure 10 représente en comparaison à la figure 1 un autre mode de réalisation
de guide linéaire qui renforce la qualité du guidage sans amortissement à huile.
[0029] Il comporte trois bagues en polymère haute performance (
41, 109, 47) présentant une certaine élasticité, à savoir :
En partie haute du guide une bague (41) dans la chappe (120) de fixation du guide linéaire à la tête de pompe UHP (106). La surface intérieure de cette bague (41) est en contact avec la surface cylindrique du plongeur UHP (133). La partie haute conserve les bagues de guidage notamment la bague (102) du mode de réalisation de la figure 1. Cette bague supplémentaire (41) en partie haute améliore le guidage.
En partie intermédiaire du guide, une bague (109) se substitue au piston d'amortissement (9) de la figure 1. Cette bague (109) est enserrée sur la partie inférieure du plongeur (133). Le dessin montre des rondelles ressorts (44), une rondelle d'appui (43) et un écrou (42) sur le plongeur permettant de comprimer verticalement la bague (109) en serrant l'écrou. Ce serrage permet de régler la force de contact de la surface
périphérique de la bague sur la surface intérieure cylindrique en inox du corps du
guide (110). En cas d'usure de la bague, les rondelles ressorts s'étendent axialement et permettent
de rattraper le jeu.
En partie inférieure du guide linéaire, une bague (47) est insérée dans la tête (107) du guide linéaire qui est vissée sur le corps (110) du guide linéaire. Les rondelles ressorts (45) et le vissage de la tête (107) sur le corps (110) permettent de comprimer axialement la bague (47) et de régler ainsi la force de contact de la surface intérieure de la bague sur
la surface extérieure cylindrique de la tige (108) du guide linéaire. Dans ce mode de réalisation, le corps du guide ne comprend qu'une
chambre (137) remplie d'air. Lors du mouvement de va et vient de l'ensemble tige-plongeur-bague
(108, 110, 109) dans le corps (110), le volume de la chambre (137) varie, l'air se comprimer et se détend, et peut s'échapper de la chambre (137) par les interstices. Il peut-être cependant avantageux de prévoir des rainures sur
les surfaces latérales des bagues de guidage.
[0030] La figure 10 montre également une variante de fixation de la tige (
108) du guide dans la plaque du piston de l'actionneur pneumatique. Selon cette variante,
la tige (
108) est emmanchée dans un alésage de la plaque-piston d el'actionneur. L'extrémité inférieure
de la tige est taraudée, et la plaque piston est percée en son centre pour y insérer
un vis (
48) qui se visse dans la tige, afin de bien solidariser la plaque-piston à la tige (
108).
1. Unité de pompage ultra haute pression (UHP), de l'ordre de 4000 bars, actionnée pneumatiquement
pour former un jet de liquide destiné au découpage de matériaux, comprenant une pompe
UHP avec une chambre (40) alimentée en liquide dont la sortie est raccordée hydrauliquement
à une buse pour former le jet, un plongeur UHP (33) se déplaçant dans la dite chambre
dans un mouvement linéaire de va et vient au moyen d'un actionneur pneumatique à membrane
roulante comprenant une chambre de travail, caractérisée en ce que l'actionneur pneumatique comprend une enveloppe cylindrique rigide (14), une embase
(15) fixée sur la partie inférieure (42c) d'un bâti, une membrane roulante (16) logée
dans la dite enveloppe et fixée à l'embase, un piston (32) en forme de plaque fixée
sur le dite membrane et se déplaçant en va et vient dans la dite enveloppe (14), une
entrée-sortie d'air (30) pour alimenter en air sous pression la chambre de travail
(39) délimitée par l'ensemble embase-membrane-piston et pour évacuer l'air sous l'action
d'une force de rappel du piston, et en ce qu'elle comprend un guide linéaire dont la partie mobile comprend une tige(8) dont une
extrémité est fixée au piston (32) et l'autre extrémité au plongeur UHP (33) de la
pompe UHP fixée à la partie supérieure (42a) du bâti, l'extrémité du plongeur vissée
sur la tige 8 étant pourvue d'un piston (9) ou d'une bague (109) se déplaçant en va
et vient dans un corps (10) fixé à la pompe UHP.
2. Unité de pompage selon la revendication 1 caractérisée en ce la membrane (16) est en caoutchouc et en ce que l'enveloppe cylindrique (14)
a un diamètre supérieur à la somme du diamètre du piston (32) et de quatre fois l'épaisseur
de la membrane (16) pour permettre à la membrane (16) de rouler le long de la paroi
intérieure de l'enveloppe (14) lors du mouvement de va et vient du piston (32).
3. Unité de pompage selon la revendication 2 caractérisée en ce que l'extrémité supérieure de cette membrane présente une lèvre qui permet de fixer par
emmanchement cette extrémité sur un épaulement du piston (32), ce qui assure aussi
l'étanchéité entre la membrane (16) et le piston (32), et en ce que l'extrémité inférieure de la membrane (16) est fixée à l'embase (15) et à la partie
basse intérieure de l'enveloppe (14) par sertissage.
4. Unité de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que le guide linéaire comprend un piston d'amortissement (9) fixé à la tige (8) ou au
plongeur (33) et se déplaçant en va et vient dans un corps cylindrique (10) renfermant
deux chambres d'amortissement à volume variable (36, 37) remplies d'huile et séparées
par le piston (9) (Fig. 5 et 6).
5. Unité de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que le guide linéaire comprend plusieurs bagues en polymère dont une bague en polymère
(109) de diamètre réglable, à l'extrémité du plongeur (133) au niveau de la jonction
avec la tige (108) et se déplaçant en va et vient dans un corps cylindrique (110)
renfermant une chambre remplie d'air (137).
6. Unité de pompage selon la revendication 4 ou 5 caractérisée en ce que la pompe UHP comprend une tête UHP (6) fixée au corps (10) du guide linéaire, et
renfermant la chambre UHP (40) comprenant une entrée d'eau et une sortie d'eau munies
chacune d'un clapet antiretour (18, 19).
7. Unité de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que la force de rappel du piston pneumatique (32) et du plongeur UHP (33) est obtenue
au moyen d'un ressort hélicoïdal (31) coaxial à la tige (8) et au plongeur (33), une
extrémité du ressort prenant appui sur une plaque de verrouillage (24, 25) fixée au
guide linéaire et l'autre extrémité prenant appui dans une rainure circulaire du piston
(32) de l'actionneur pneumatique.
8. Unité de pompage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la sortie (18) de la tête haute pression est raccordée à la buse mobile par un tuyau
métallique flexible.
9. Installation de pompage comportant plusieurs unités de pompage selon l'une quelconque
des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les unités sont montés dans un bâti (Fig. 4) et administrées par un automate programmable
qui pilote trois électrovannes pneumatiques par actionneur pneumatique via un capteur
à effet Hall de position basse (28) et un capteur à effet Hall de position haute (29)
de chaque piston (32) des actionneurs pneumatiques.
10. Installation de pompage selon la revendication 9 caractérisée en ce que l'automate gère également une phase de récupération d'air d'échappement redistribué
sur l'actionneur précédent (N -1) qui se précharge et soutient la pression hydraulique
pendant les transitions de pressurisation des actionneurs pneumatiques.
11. Installation de pompage selon la revendication 9 ou 10 caractérisée en ce qu'elle est utilisée pour découper par jet d'eau des produits comestibles.