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Title:
RECIPROCATING DIAPHRAGM PUMP FOR RAISING A NON-LUBRICATING LIQUID - PETROL, ALCOHOL OR LIQUEFIED GAS - TO A VERY HIGH PRESSURE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/031929
Kind Code:
A1
Abstract:
Simple reciprocating pump intended to raise a non-lubricating liquid (petrol, alcohol, liquefied gas, etc.) to a very high pressure, of up to several thousand bar. The pump is made up of a casing (1), the interior of which is separated into two independent chambers (2) and (3) by a metal diaphragm (4) which is impermeable and sufficiently flexible, of the shim kind. The lubricating liquid in the chamber (2), the cyclic pulses of which are created by the device (12), independent of the present patent, imposes its pressure and volume variations on the non-lubricating liquid of the chamber (3) without this non-lubricating liquid being subjected to mechanical friction forces. The diaphragm does not act mechanically on the two liquids that it separates. One possible use: very high-pressure injection of petrol, alcohol, liquefied gas, etc. into internal combustion engines.

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Inventors:
RUAUD, Bernard (Chaumont, Bourganeuf, F-23400, FR)
Application Number:
FR2007/000879
Publication Date:
March 20, 2008
Filing Date:
May 25, 2007
Export Citation:
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Assignee:
RUAUD, Bernard (Chaumont, Bourganeuf, F-23400, FR)
International Classes:
F04B43/06; F04B37/12; F04B45/053
Foreign References:
DE10206667C1
GB1190559A
US5292235A
US3036526A
US3318250A
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Claims:

REVENDICATIONS

1) Dispositif pour la mise à très haute pression d'un liquide non-lubrifiant.

Caractérisé en ce qu'un boîtier fermé (1) , capable de supporter sans inconvénient les hautes pressions demandées et dans lequel, créées cycliquement par un dispositif accessoire (12) , indépendant du présent brevet; les variations de pressions et les variations de volumes d'un liquide lubrifiant, dues au liquide lubrifiant introduit puis retiré cydiquement, y sont transmises à un liquide non-lubrifiant par une membrane métallique (4) , genre clinquant - ou en tout autre matériau de mêmes caractéristiques, c'est-à-dire pratiquement sans élasticité sur son épaisseur - qui sépare passivement - d'une façon étanche et suffisamment souple — le liquide lubrifiant et le liquide non-lubrifiant dans le boîtier (1) .

Le volume et la pression du liquide lubrifiant, successivement introduit au début de chaque cycle dans la première chambre (2) du boîtier (1) par le dispositif accessoire (12) , indépendant du présent brevet, déterminent directement le volume et la pression du liquide non- lubrifiant injecté par la deuxième chambre (3) du boîtier (1) dans l'enceinte d'utilisation (9).

Une ou des canalisations (13) relient la première chambre (2) du boîtier (1) au dispositif accessoire (12) , indépendant du présent brevet.

Une canalisation (5) , pouvant être munie d'un anti- retour (6) , permet au liquide non-lubrifiant, depuis son réservoir (10), d'alimenter la deuxième chambre (3) du boîtier (1) .

Une autre canalisation (7) , pouvant être munie d'un anti-retour (8) , permet au liquide non-lubrifiant, de la deuxième chambre (3) du boîtier (1) , d'être conduit à l'enceinte d'utilisation (9) ou, éventuellement, à un ou des injecteurs (14) .

2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la surface utile de la membrane peut être :

- Circulaire (24) ;

- Ovoide (25) ; - Carrée (26) ou rectangulaire (27) , éventuellement à coins arrondis .

3) Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la membrane a un profil disposant, sur son pourtour, d'un soufflet simple (28) ou d'un soufflet multiple (29) .

4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que l'intérieur du boîtier (1) a une forme adaptée à la forme et au profil de la membrane (4) qui le sépare en deux chambres (2) et (3) .

5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que le retour de la membrane à sa position initiale de départ de cycle de la pompe peut être assisté par tout système, connu ou innovant, comme un ou plusieurs ressorts (19) qui peuvent être hélicoïdaux ou plats à spirales .

6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que le retour de la membrane, lorsque la membrane est métallique et magnétisable, peut être assisté par un champ magnétique qui lui est appliqué, aidé au besoin par une plaque centrale légère (20) fixée sur la membrane et sensible au champ magnétique qu'un circuit électrique extérieur (21) crée, au moment adéquat.

7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce qu'une surface d'appui de la membrane, lorsque celle-ci est à sa déformation maximale, c'est-à- dire plaquée par la pression du liquide sur un fond du boîtier (1) , soit du côté d'une chambre (22) , soit du côté de l'autre chambre (23), ou encore successivement sur le

fond des deux chambres (22) et (23), sert d'appui-limite en interdisant à la membrane (4) de dépasser son module d'élasticité.

Cet appui (22) ou (23), au fond de l'une ou l'autre chambre (2) ou (3) ou au fond des deux chambres (2) et (3) , épouse le profil exact sur toute la surface de la membrane dans sa déformation maximale admissible; cet appui (22) ou (23) est adapté, selon les cas, au profil de la membrane simple, lorsque la membrane a un profil plan; il est adapté au profil plus complexe d'une membrane à soufflets.

Le ou les appuis peuvent faire partie intégrante du boîtier (1) ou être amovibles et construis séparément du boîtier (1) .

8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce qu'un limiteur de pression maximale est destiné à éviter les surpressions accidentelles dans les circuits de la pompe, objet du présent brevet. Ce limiteur de pression peut être : - Intégré à la première chambre (2) ;

- Ou à la deuxième chambre (3) ;

- Ou aux conduits (5) ; (7) ; (13) qui font arriver ou font partir le liquide de chacune des chambres (2) et (3) du boîtier (1) ; - Ou intégré dans les fonctions du dispositif accessoire (12) , indépendant du présent brevet;

- Ou dans le fonctionnement de l'injection de la chambre d'utilisation (14) .

9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que la pompe peut fonctionner normalement à des températures élevées ou, dans d' autres applications , à des températures très basses; on peut faire appel à un ou plusieurs échangeurs de température, comme par exemple:un réchauffage ou un refroidissement par tout système connu ou innovant adaptable, répondant aux exigences de maintien d'une température moyenne dans des limites compatibles avec les constituants du système de la pompe et des liquides de

la pompe objet du présent brevet, c'est-à-dire, soit à l'un ou plusieurs d'entre eux, et selon les cas:

- Le boîtier (1) et sa membrane (4) ;

- Les deux liquides; - Les diverses canalisations (5) ; (7) ; (13) et leur anti- retour (6) ; (8) ;

- Le dispositif accessoire (12) , indépendant du présent brevet.

10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications, caractérisé en ce qu'un système de pompage peut être composé de plusieurs pompes interconnectées, et chacune conforme à l'objet du présent brevet, pour permettre, pratiquement, l'alimentation en continu d'un circuit commun d'alimentation sous pression d'un liquide non-lubrifiant.

Description:

Pompe alternative pour mettre à très haute pression iquide non-lubrifiant: essence, alcool, gaz liquéfié, etc. L'objet du présent brevet est un système de pompe alternative, destiné à mettre à très haute pression - jusqu' à plusieurs milliers de bars - un liquide non-lubrifiant, comme par exemple de l'essence, ou de l'alcool, ou un gaz liquéfie, ou un acide, etc.

Ce système, de mise en très hautes pressions d'un liquide non-lubrifiant, est composé, comme indiqué en coupe figure 1, d'un boîtier fermé (1) capable de supporter sans inconvénient les hautes pressions demandées. Boîtier dans lequel, cycliquement, les variations de pression et les variations de volume d'un liquide lubrifiant sont transmises à un liquide non-lubrifiant sans que ce liquide non-lubrifiant soit soumis à des frottements mécaniques.

Une membrane métallique, genre clinquant, ou en tout autre matériau de mêmes caractéristiques, sépare d'une façon étanche et suffisamment souple les deux liquides dans le boîtier (1) .

En référence aux dessins en annexe, l'intérieur de ce boîtier, figure 1, est constitué de deux chambres indépendantes (2) et (3), séparées d'une façon étanche par une membrane métallique suffisamment souple (4)- ou en toute autre matière compatible avec les liquides qui traversent, chacun dans leur chambre, le boîtier (1) . Des canalisations assurent les communications de chacune des chambres: la canalisation (13) fait communiquer le dispositif accessoire (12) avec la chambre (2) pour le liquide lubrifiant.

La canalisation (5) et son « anti-retour » (6) mettent en communication la chambre (3) avec son alimentation reliée au réservoir (10) de liquide non-lubrifiant. L'anti-retour (6) interdit au liquide de retourner de la chambre (3) vers le réservoir (10) . à titre démonstratif et non limitatif, l'alimentation peut être éventuellement équipée d'une pompe basse-pression (11) qui peut aider au remplissage de la chambre (3) pendant sa phase d'aspiration et aider ainsi la membrane (4) à retrouver sa position initiale en fin de cycle sans création de cavitation (dépression atteignant et dépassant

la tension de vapeur des liquides employés)

La canalisation (7) , avec son anti-retour (8) , met en communication la chambre (3) avec la chambre d'utilisation symbolisée par (9), munie éventuellement d'une tête d'injection symbolisée par (14). L 1 anti-retour (8) interdit au liquide non-lubrifiant de retourner de la chambre d'utilisation (9) vers la chambre (3) .

Le liquide lubrifiant occupe entièrement la chambre (2) . Ses variations de pressions et de volumes sont conduites par un dispositif accessoire (12) , indépendant du présent brevet et dont les fonctions, durant les cycles de la pompe, sont détaillées plus loin.

Le liquide non-lubrifiant occupe entièrement la chambre (3) . II subit, transmise par la membrane (4) , les variations de pression et les variations de volume du liquide lubrifiant de la chambre (2) .

La membrane (4) sépare, de façon étanche et suffisamment souple, les deux liquides des chambres (2) et (3) .

Le liquide lubrifiant dans la chambre (2) , par exemple de l'huile donné ici à titre démonstratif et non limitatif, (dont les pulsations cycliques - débit et pression - sont mis en œuvre par le dispositif accessoire (12) indépendant du présent brevet) impose ses variations de pression et ses variations de volume au liquide non-lubrifiant, de la chambre (3) , sans que les deux liquides soient en contact direct, car séparés dans le boîtier par la membrane étanche (4) .

Les pulsations du liquide lubrifiant, dans la partie (2) du boîtier (1) , créent leurs exactes répliques de pressions et aussi de volumes dans le liquide non-lubrifiant dans la chambre (3) du boîtier (1) , sans que ce liquide non-lubrifiant soit soumis à un appareillage subissant des frottements mécaniques .

Selon l'objet du présent brevet, la membrane

étanche (4) est en métal très mince (genre cliquant) , ou en tout autre matériau de mêmes caractéristiques, c'est-à- dire: 1 - résistante aux liquides employés; 2 - suffisamment souple pour permettre de faibles, mais suffisantes, déformations pendant chaque cycle de la pompe; 3 - pratiquement sans élasticité notable sur son épaisseur, pour éviter des perturbations gênantes des volumes complémentaires des deux liquides des chambres (2) et (3) durant chaque cycle.

Cette membrane (4) qui sépare passivement et de façon étanche, dans le boîtier, le liquide lubrifiant et le liquide non-lubrifiant, leur interdit de se mélanger. Dans la chambre (3) le liquide non-lubrifiant à injecter subit directement les variations de volume et atteint les mêmes variations instantanées de pression que celles du liquide lubrifiant de la chambre (2) transmises par la déformation de la membrane (4) .

La membrane n'intervient pas mécaniquement sur les deux liquides qu'elle sépare. Elle épouse librement et passivement leur différence de volume par ses déformations adaptées à l'amplitude des variations des volumes des deux liquides .

Lorsque le dispositif accessoire (12) - indépendant du présent brevet - envoie un volume précis à une pression précise du liquide lubrifiant dans la chambre (2) par le conduit (13) , le volume du liquide lubrifiant, déjà présent dans la chambre (2) augmente. La membrane se déforme pour que le volume de la chambre (2) corresponde au volume du liquide lubrifiant ainsi augmenté.

Le volume de la chambre (3) , contenant le liquide non-lubrifiant doit diminuer du même volume.

Le liquide non-lubrifiant de la chambre (3) est contraint alors de s'échapper par le conduit (7), muni de son anti-retour (8) , vers la chambre d'utilisation (9) , éventuellement avec l'emploi d'un système d'injection symbolisé par (14) .

La pression du liquide non-lubrifiant s ' échappe à la même pression que la pression, à cet instant, du liquide lubrifiant de la chambre (2) .

Les fonctions du dispositif accessoire (12) , indépendant du présent brevet, et nécessaires au fonctionnement de la pompe objet du présent brevet sont les suivantes :

1 - Dans la première séquence du cycle de la pompe objet du présent brevet, le dispositif accessoire (12) a pour fonction d'envoyer, sous une pression déterminée, une quantité précise (et ajustable, selon les besoins prévus d' utilisation de la pompe) , de liquide lubrifiant dans la chambre (2) du boîtier (1) par le conduit (13) . Ceci a pour effet de pousser la membrane (4) vers la chambre (3) . Le dispositif accessoire (12) peut être muni d'un limiteur de pression pour éviter des surpressions destructrices de tout ou partie de l'appareillage.

2 - Dans la deuxième séquence du cycle de la pompe, le dispositif accessoire (12) , indépendant du présent brevet, a pour fonction d'évacuer de la chambre (2), par la chute de pression du liquide lubrifiant, puis par aspiration, le volume de liquide lubrifiant admit pendant la première séquence du cycle de la pompe dans la chambre (2) . Ceci a pour effet de rappeler la membrane (4) à sa position initiale de début de cycle.

3 - Le dispositif accessoire (12) permet également, cycle après cycle, d'ajuster la quantité de liquide lubrifiant admise dans la chambre (2) , selon les besoins en quantité de liquide non-lubrifiant à injecter par la pompe objet du présent brevet et, commandés par l'utilisateur et, accessoirement de compenser toute déperdition de volume de liquide causée, par exemple, par des fuites éventuelles .

A titre démonstratif et non limitatif :

Pour remplir les fonctions du dispositif accessoire (12) , indépendant du présent brevet et selon son objet:

- On peut créer un équipement spécifique, intégré ou non à la pompe et remplissant les fonctions décrites ci-dessus ;

- On peut aussi adapter un système existant capable de remplir les fonctions décrites ci-dessus .

A titre démonstratif et non limitatif, on peut citer parmi des systèmes connus qui peuvent être utilisés : 1 - Les pompes à pistons à course fixe ou à course variable; 2 - Les appareillages, identiques dans leurs principes, aux pompes à injection de gazole pour les moteurs diesels mais où le gazole est remplacé, dans cet emploi nouveau, par un liquide lubrifiant, par exemple de l'huile, capable de supporter les pressions maximales requises; 3 - Les pompes-injecteurs à très hautes pressions destinées aux moteurs diesels modernes ;

4 - Tous systèmes à vibrations créateurs de mouvements alternatifs où les fréquences de vibrations sont adaptées au débit nécessaire à la pompe, objet du présent brevet.

Le cycle complet de la pompe, objet du présent brevet, se décompose en deux séquences successives :

- Au début de la première séquence du cycle, le liquide non-lubrifiant et le liquide lubrifiant sont préalablement suffisamment dé-bulles par un système classique. La membrane (4) est à sa position initiale de départ du cycle; le liquide lubrifiant occupe entièrement la chambre (2) . Il est, au début de cette séquence, à sa pression et à son volume minimum.

Au cours de cette première séquence du cycle de la pompe, le liquide lubrifiant augmente de volume et de pression dans la chambre (2), par l'apport en liquide lubrifiant venu du dispositif accessoire (12) , indépendant du présent brevet; l'augmentation de volume du liquide lubrifiant dans le boîtier (1) , sous une pression déterminée par le dispositif accessoire (12) repousse la membrane (4) vers la chambre (3) . La chambre (3) diminue

ainsi d'un volume exactement correspondant: à l'augmentation du volume du liquide lubrifiant introduit dans la chambre (2) . Le liquide non-lubrifiant de la chambre (3) qui est porté aussi à ce moment à la haute pression du liquide lubrifiant de la chambre (2) , se trouve contraint de s'évacuer de la chambre (3) par le conduit (7) et son anti-retour (8) vers l'enceinte d'utilisation (9), tout le temps que dure l ' augmentation du volume du liquide lubrifiant dans la chambre (2) .

II est à remarquer que la pression du liquide non-lubrifiant de la chambre (3) est, à chaque instant, pratiquement la même pression que celle du liquide lubrifiant envoyé dans la chambre (2) par le dispositif accessoire (12) . Le volume du liquide non-lubrifiant de la chambre (3), injecté dans l'enceinte d'utilisation (9) éventuellement par la tête d'injection (14), est, dans cette phase du cycle de la pompe, pratiquement l'exact volume de liquide lubrifiant envoyé dans la chambre (2) par le dispositif accessoire (12) .

Lorsque, à la fin de cette première séquence du cycle de la pompe, le volume maximum de liquide lubrifiant introduit dans la chambre (2) par le dispositif accessoire (12) est atteint, l'expulsion, sous pression, du liquide non-lubrifiant de la chambre (3) , par la canalisation (5) et son anti-retour (7) vers la chambre d'utilisation (9), cesse.

La pression et le volume du liquide lubrifiant ont atteint les maximums déterminés par le dispositif accessoire (12) indépendant du présent brevet.

C'est la fin de la première séquence du cycle de la pompe.

- Au début de la deuxième séquence du cycle de la pompe, le retrait du liquide lubrifiant de la chambre (2) , par l'action du dispositif accessoire (12), fait chuter la pression du liquide lubrifiant dans la chambre (2) jusqu'à sa valeur minimale. Pendant le retrait de liquide

lubrifiant de la chambre (2) , qui peut retourner au réservoir (17) par le conduit (18) , une dépression s'installe dans la chambre (2). Cette dépression rappelle la membrane (4) à sa position initiale de début du cycle. Par le rappel de la membrane vers sa position initiale, cette dépression se communique en même temps au liquide non-lubrifiant de la chambre (3) qui aspire alors un volume correspondant de liquide non-lubrifiant, depuis le réservoir (10) , par le conduit (5) et son anti-retour (7) . Le volume aspiré de liquide non-lubrifiant est égal au volume du liquide lubrifiant retiré de la chambre (2) par le dispositif accessoire (12) . Les volumes des deux liquides retrouvent chacun leur volume de départ du cycle . Et la membrane retrouve sa position initiale de début de cycle .

C'est la fin de la deuxième séquence du cycle de la pompe .

Sauf arrêt de la pompe, un nouveau cycle complet de la pompe commence.

Des réalisations possibles de l'objet du présent brevet, variantes données ici à titre démonstratif et non limitatif, sont illustrées par les figures correspondantes. La surface utile de la membrane peut être: - Circulaire comme indiqué figure 2, vue de face;

- Ovoïde comme figure 3, vue de face;

- Carré ou rectangulaire, éventuellement à coins arrondis, comme indiqué figure 4, vue de face.

Le boîtier (1) , figure 1, est adapté à la forme de la membrane de forme géométrique simple, au besoin plane.

Une autre réalisation possible de l'objet du présent brevet, variante donnée ici à titre démonstratif et non limitatif, est illustrée en coupe figure 5, où la membrane (4) a un profil disposant, sur son pourtour, d'un soufflet simple, ou d' un soufflet multiple dont le profil est illustré en coupe par l'exemple figure 6.

Cette réalisation particulière permet à la membrane à soufflet une plus grande capacité à se déformer, c'est-à-

dire permet à la pompe, objet du présent brevet, de disposer de débits de liquides plus importants pour un même encombrement extérieur du boîtier (1) que dans le cas d'une membrane simple de surface plane plus grande qui exigerait alors des dimensions plus importantes du boîtier (1) .

Cette réalisation particulière permet, d'autre part, un plus petit encombrement du boîtier de la pompe, objet du présent brevet, pour les mêmes débits de liquides que dans le cas d' une membrane simple de surface plane. Dans une variante, le retour de la membrane à sa position initiale de départ du cycle de la pompe, peut être assisté par tout système, connu ou innovant.

A titre démonstratif et non limitatif, une variante illustrée figure 7 peut prévoir le retour de la membrane assisté par un ou plusieurs ressorts (19) qui peuvent être de type hélicoïdal ou plat en spirale.

A titre démonstratif et non limitatif, dans une autre variante illustrée figure 8 , le retour de la membrane, lorsqu'elle est métallique et magnétisable, peut être assisté par un champ magnétique qui lui est appliqué, aidé au besoin par une plaque centrale légère (20) fixée sur la membrane et sensible au champ magnétique.

Un circuit électrique (21) , pouvant être constitué d'une ou plusieurs bobines extérieures à la chambre (2) , crée au moment adéquat, la force électromagnétique aidant au retour de la membrane à sa position initiale.

Dans une variante de la pompe, objet du présent brevet, illustrée figure 9 on peut trouver intérêt à prévoir une surface d'appui de la membrane (4) lorsque celle-ci est à sa déformation maximale, c'est-à-dire lorsque la différence de volume entre les deux liquides lubrifiant et non-lubrifiant est élevée et que le volume de l'un des deux liquides est à son maximum et plaque alors, par sa pression, la membrane sur le fond du boîtier, ce qui correspond à la déformation maximale admissible de la membrane .

Ce système d' appui sert d' appui-limite et évite une déformation exagérée de la membrane (4) , en lui interdisant

de dépasser son module d'élasticité lorsqu'elle est à sa déformation maximale . Ce système d' appui peut être d' un côté (22) ou de l'autre (23) dans le boîtier (1), ou des deux côtés (22) et (23) dans le boîtier (1) . Cet appui, au fond de l'une ou l'autre chambre (2) ou (3) , ou au fond des deux chambres (2) et (3) , épouse le profil exact sur toute la surface, de la membrane (4) , dans sa déformation maximale admissible; ce profil d'appui est adapté, selon les cas, au profil de la membrane simple figure 9, lorsque la membrane a un profil plat, il peut être adapté au profil plus complexe d'une membrane à soufflets comme indiqué figure 10.

Le ou les appuis peuvent faire partie intégrante du boîtier ou être amovibles et construits séparément du boîtier.

Une variante non illustrée donnée ici, à titre démonstratif et non limitatif, par une disposition particulière de la pompe, objet du présent brevet, permet à la pompe de fonctionner normalement à des températures élevées ou, dans d'autres applications, à des températures très basses, on peut faire appel à un ou plusieurs échangeurs de température, comme par exemple: un réchauffage ou un refroidissement par tout système connu ou innovant adaptable, répondant aux exigences de maintien d'une température moyenne dans des limites compatibles avec tous les constituants du système de la pompe, ou seulement avec certains d'entre eux, et adapté également aux liquides de la pompe objet du présent brevet, c'est-à-dire, selon les possibilités concernant les constituants suivants : - Le boîtier (1) et sa membrane (4) ;

- Les deux liquides;

- Les diverses canalisations et éventuellement leur anti-retour;

- Le dispositif accessoire (12) . Une variante, non illustrée, prévoit un limiteur de pression maximale destiné à éviter les surpressions accidentelles dans les circuits de la pompe, objet du présent brevet et qui peut être intégré:

- Ou à la chambre (2) ;

- Ou à la chambre (3) ;

- Ou aux conduits (13) ;

- Ou aux conduits (5) et (7) avec chacun leur anti-retour; - Ou intégré dans les fonctions du dispositif accessoire (12) ;

- Ou dans le fonctionnement de l'injection schématisée par (14) .

Dans une utilisation particulière, non illustrée, un système de pompage peut être composé de plusieurs pompes interconnectées, et chacune conforme à l'objet du présent brevet, pour permettre, pratiquement, l'alimentation en continu d' un circuit commun sous pression du liquide non-lubrifiant, connu sous le terme général de « common-rail » .