Brevet FR2004593A1 — publié le 19691128

i 2004593 Il est connu qu'il existe des applications techniques dans lesquelles une onde de surpression peut se propager à l'intérieur d'une conduite en raison d'un phénomène fortuit tel qu'une explosion, cette onde pouvant endommager les objets, ou 5 nuire aux personnes, qui se trouvent dans le même local, ou encore endommager les appareillages reliés à la conduite. Il est également connu que, dans ces cas, on munit habituellement les conduites de soupapes spéciales que l'on appelle couramment "soupapes anti-explosion" ou "soupapes antisouffle" et 10 qui sont aptes à se fermer soit sous l'effet d'une commande à dis tance avant l'arrivée de l'onde de choc, soit sous l'action directe de cette onde. La présente invention concerne une soupape particulière de ce type, mais réunissant en elle les deux modes de fonctionne-15 ment distincts, à savoir une fermeture par commande à distance, celle-ci étant par exemple basée sur un signal de danger enregistré par un instrument convenable, et une fermeture due à l'impact direct de l'onde de choc sur la soupape. Par rapport aux versions existantes de tels dispositifs, la soupape objet de l'invention 20 présente certaines particularités qui lui permettent d'une part d'atteindre des vitesses de fermeture très supérieures à celles des soupapes classiques sans qu'il en résulte aucun endommagement pour les parties mobiles et d'autre part de présenter une meilleu re étanchéité à la fermeture ainsi qu'une perte de charge réduite 25 En outre, dans ses versions de grandes dimensions, cette soupape est susceptible de contenir en son intérieur tout l'appareillage électronique, électrique et hydraulique qui sert à son fonctionnement, si bien qu'elle se trouve protégée aussi bien vis-à-vis des effets nuisibles des perturbations électromagnétiques éven-30 tuelles qui ont tendance à interférer avec le fonctionnement cor rect des composants électriques et électroniques, que vis-à-vis des effets de choc induits par exemple par l'explosion sur la structure à laquelle est fixée la conduite sur laquelle est insérée la soupape, ceci évidemment lorsque celle-ci est suspendue 35 élastiquement par rapport à cette structure fixe. A cet effet, l'invention a pour objet une soupape à fermeture rapide dont la fermeture peut être commandée soit de façon indépendante papûne seule commande et par l'intermédiaire d'un circuit électrique, électronique et hydraulique, soit 40 par l'arrivée directe d'une onde de choc qui se propage le long 69 08256 2 2004593 de la tuyauterie, caractérisée par le fait qu'elle comprend un obturateur maintenu en position ouverte par la pression qui existe à l'intérieur d'un cylindre hydraulique au piston duquel cet obturateur est relié de façon à former un équipage mobile, cette 5 pression vainquant une force contraire constamment appliquée et de préférence constituée par la force élastique d'un ou plusieurs ressorts déformables, avec des moyens d'échappement principaux de la pression qui existe dans le cylindre, ces moyens pouvant être mis en service par le jeu d'une télécommande, ainsi que des 10 moyens d'échappement secondaires de cette pression commandés directement par l'arrivée d'une onde de choc dans la tuyauterie, les organes de mise en service de ces moyens d'échappement secondaires commandant dans ce cas en même temps le circuit de télécommande* 15 La description qui va suivre à titre d'exemple non limi tatif et en regard des dessins annexés à uniquement pour but de bien faire comprendre comment les principes de base de l'invention peuvent être mi^én pratique. La figure unique représente un mode de réalisation par-.-20 ticulier d'une soupape conforme à l'invention. Cette soupape est d'un genre profilé particulier t son boîtier extérieur 1, que l'on peut considérer comme étant le prolongement de la conduite à laquelle est reliée la soupape et qui présente le même diamètre intérieur que cette conduite, devient 25 plus étroit de façon à présenter une section restreinte après laquelle la section s'élargit progressivement au moyen d'un diffuseur ZT/pouv atteindre à nouveau la section de passage initiale du fluide. Un noyau 3 est suspendu coaxialement à l'intérieur de la soupape au moyen d'ailettes de soutien radiales 2 qui présentent un 30 profil aérot^namique de façon à offrir une résistance minimale au mouvement. Ce noyau présente en son intérieur une partie cylindrique 4 qui, avec un piston mobile 5 et des organes d'étanchéité convenables visibles sur la figure, forme un cylindre annulaire hydraulique 6 auquel,par une série de trous pratiqués sur la pé-35 riphérie du cylindre 4,peut parvenir de l'huile sous pression amenée par une pompe hydraulique 7 à travers un étranglement 8. Ces trous présentent des diamètres et des espacements convenables ainsi que le montre la figure. Plus précisément, il existe tout d'abord une série de trous 9 de grand diamètre disposés suivant 40 une circonférence sur le cylindre à son extrémité qui est à droi 69 08256 2004593 te sur la figure, puis également une série de trous 10 de diamètre plus faible qui sont également répartis de façon uniforme sur la périphérie du cylindre et espacés suivant des distances convenables entre chaque file de façon à couvrir la longueur entière 5 du cylindre entre une collerette 11 du piston et le couvercle d'étanchéité 12. Le cylindre 5 est représenté sur la figure dans la position pour laquelle la soupape est ouverte, c'est-à-dire pour laquelle l'obturateur 13 se trouve au contact du noyau 3 de la soupape. Les profils de ce noyau 3, de l'obturateur 13, du 10 boîtier extérieur 1 et du diffuseur 2fsont tels qu'ils garantissent une augmentation et une diminution progressives de la vitesse du fluide susceptibles de réduire au minimum les pertes de charge qu'imposent inévitablement ces variations de vitesse du fluide. Le cylindre intérieur 5 se trouve appliqué dans sa posi-15 tion extrême droite, c'est-à-dire soupape ouverte et obturateur au contact du noyau, par la pression de l'huile qui agit à l'intérieur du cylindre annulaire 6. Cette pression d'huile est contrebalancée par un empilage de rondelles Belleville 14 très puissantes; ainsi, si par un moyen approprié il se produit un abais-20 sèment soudain de la pression d'huile dans le cylindre annulaire 6, le piston principal, sous la poussée des rondelles 14, se déplace vers la position de fermeture jusqu'à ce que l'obturateur soit au contact du boîtier 1, et ce d'autant plus vite que l'effort exercé par l'empilage de rondelles 14 est élevé. On peut as-25 signer à la force des rondelles 1# une limite qui correspond à la possibilité d'endommagement de l'obturateur qui peut survenir lors d'un impact à vitesse trop élevée; cependant, l'une des caractéristiques de l'invention est constituée par une conception particulière de réalisation qui permet justement l'utilisation de ron-30 delles 14 puissantes sans que puisse se produire 11endommagement indiqué plus haut. La figure illustre la caractéristique que l'on vient de mentionner. En effet, supposons que, par un moyen convenable, par exemple par l'ouverture soudaine d'une soupape d'échappement 15, 35 on fasse tomber brusquement la pression dans le cylindre annulaire 6 à une faible valeur. Dans ce cas, n'étant plus contrarié par la force exercée par la pression d'huile, l'empilage de rondelles 14 accélère l'équipage mobile de la soupape vers sa position de fermeture. Ce faisant, le piston 5, 11 chasse l'huile présente 40 dans la chambre 6 à travers les trous 9 et 10. Toutefois, dès que 69 08256 4. 2004593 la collerette 11 du piston a recouvert la série circulaire des trous 9 qui offrent une large section d'échappement, cet échappement ne peut s'effectuer uniquement qu'à travers la série des trous 10 qui, ainsi qu'on l'a déjà dit, ont des dimensions beau-5 coup plus faibles ainsi qu'un espacement dans le sens de l'axe de la soupape convenablement choisi. Pour cette raison, au fur et à mesure que le piston 11 se déplace vers la position de fermeture, il recouvre successivement les trous d'échappement 10, réduisant ainsi la section de passage de l'huile et il s'ensuit nécessaire-10 ment un laminage que l'on peut régler par un choix convenable du diamètre, du nomfcre et de l'espacement des trous, ce choix étant tel que dans la chambre annulaire 6 la pression monte, suivant une loi prédéterminée, à des valeurs telles qu'elle s'oppose à l'action d'accélération des rondelles 14, c'est-à-dire à l'inertie 15 que présente désormais l'équipage mobile du fait de sa vitesse; on réalise ainsi une phase de freinage que l'on peut régler de telle façon que le contact de 1*obturatéur sur son siège puisse se produire non pas à la vitesse élevée qui se manifesterait en l'absence de l'action du freinage, mais à une vitesse résiduelle faible 20 choisie convenablement et de toute façon de manière à garantir l'absence de tout endommagement —-j. des organes fixes et mobiles qui entrent en contact. Cette loi de freinage, qui, comme on l'a vu plus haut, peut être choisie à volonté, peut être telle que non seulement 25 elle garantisse une vitesse résiduelle faible à l'impact, mais également qu'elle donne une loi de diminution de vitesse rendant ' minimales les sollicitations du freinage sur les organes mobiles. Sur la figure, l'abaissement soudain de pression dans le cylindre annulaire 6 nécessaire pour démarrer le mouvement de l'équipage 30 mobile de la soupape s'obtient schématiquement sous l'action de l'ouverture soudaine de l'obturateur d'une soupape 15 que l'on appellera "soupape d'ouverture rapide". Quel que soit le mode de commande de cette soupape d'ouverture rapide, l'invention se base sur la propriété que les circuits qui effectuent cette commande 35 sont tels que, une fois la soupape fermée, le réarmement, c'est-à-dire la réouverture de la soupape anti-explosion, doit nécessairement se fâire à la main. L'invention se caractérise en outré par la possibilité de fermeture de la soupape sous l'action directe d'une onde de 40 pression qui l'atteint, par exemple du fait du non fonctionnement copy j 69 08256 5 2004593 des circuits qui font-s'ouvrir la soupape 15» A cet effet, la soupape est munie d'un petit piston 16 contenu à l'intérieur du piston principal 15. Dans les conditions normales, ce piston 16 est maintenu par un ressort 30 dans sa position de repos, qui se 5" trouve à droite sur la figure. Le piston 16 est relié par l'intermédiaire d'un axe 17 à un disque 18 qui fait saillie hors du corps intérieur de la soupape et qui peut par conséquent être directement atteint par l'onde de choc. Le piston 16 contrôle des lumières d'échappement 19 pratiquées dans le piston 5> ainsi que 10 d'autres lumières 20 pratiquées plus à droite dans ce piston. Quand,sous l'effet d'une pression agissant sur le disque 18, le piston 16 se déplace vers la gauche, l'intérieur du cylindre annulaire 6 se trouve mis en communi.cation avec la chambre d'échappement 21 qui communique elle-même avec la bâche d'échappement du 15 circuit hydraulique. Cette communication a lieu à travers les lumières 19 et 20 et, du fait de la chute soudaine de pression dans la chambre 6, le piston 5 commence immédiatement à se déplacer vers sa position de fermeture. Il existe en outre sur la soupape un interrupteur de fin de course 22 sur lequel vient s'appliquer 20 le disque 18.dès qu'il a quitté sa position de reposj ainsi, la commande directe de la soupape par l'onde de choc qui l'atteint est telle que le circuit de télécommande qui actionne la soupape d'ouverture rapide 15 entre également en service au même instant. L'enveloppe 3 se termine, dans sa partie extrême droite, 25 par un prolongement 23 sur lequel est disposé l'interrupteur de fin de course 22 et contre lequel vient s'arrêter le disque 18. De ce fait, le mouvement du piston 16 se trouve interrompu et, tandis que le piston principal 5 et l'obturateur 13 qui lui est relié se dirigent vers la.position de fermeture, les lumières 19 ,30 et 20 vont se trouver à nouveau fermées du fait de cet arrêt du piston 16. Le mouvement de l'obturateur ne se trouve pas gêné par le fait que, comme il a été dit plus haut, l'intervention de l'interrupteur de fin de course 22 provoque la mise en service du circuit hydraulique de fermeture de la soupape. La fermeture se pro-35 duit donc de la façon décrite plus haut,-à savoir avec l'action de freinage due .à la diminution progressive de la section de passage présentée par la série des trous. 10..Dans ces conditions, le piston 16 n'a pas d'autre rôle que de/démarrer .le mouvement en agissant de façon à ce que celui-ci se poursuive et s'achève avec 40 le résultat voulu de fermeture de la soupape sous l'effet de l'ou 69 08256 6 2004593 verture de la soupape à échappement rapide 15. Toutefois, dans la phase au cours de laquelle le disque 18 est atteint par l'onde de choc et se déplace vers la gauche jusqu'à une butée 24 qui fait partie Intégrante du piston 5, ce dernier se trouve appelé à se 5 déplacer non seulement sous la force de l'empilage de rondelles, mais également sous la force exercée par la surpression du choc sur le disque 18; ainsi, la phase d'accélération de l'équipage mobile se trouvé accrue par cet effet secondaire et cet accroissement de l'accélération initiale sera d'autant plus élevé que- la 10 surpression de l'onde de choc est élevée. En d'autres termes, la soupape fait varier sa vitesse de fermeture en l'accroissant en raison de la sévérité de l'onde de choc qui arrive sur elle. Compte tenu du fait que la vitesse de propagation de l'onde de choc est liée à la surpression de cette onde, une plus grande sur-15 pression correspondant à une plus grande vitesse de propagation, cette caractéristique de l'invention permet d'obtenir une vitesse de fermeture de la soupape d'autant plus élevée que l'onde de choc qui l'atteint est plus sévère. Une autre caractéristiqu^Ôe l'invention qui a déjà été 20 citée est.constituée par l'obtention d'une étanchéifcé parfaite à la fermeture de lî^feoupape. Pour cette raison, l'obturateur 13 n'est pas relié de façon rigide au piston 5, mais il est calé avec un certain jeu sur un axe 25 par-lequel se termine la partie antérieure du piston, un empilage de rondelles Belleville 26 étant 25 disposé entre 1'obturateur et le piston 5» Du fait du jeu qui existe dans la liaison entre l'obturateur 13, l'axe 25 et les rondelles 26, l'obturateur est libre de se déplacer dans tous les sens entre certaines limites, par exemple en s'inclinant et en se désaxant par rapport au piston 5» Cette propriété permet à l'obtu-30 rateur de se placer de lafaçon la plus parfaite possible lorsqu'il vient au contact de son siège sur le boîtier 1. Pour améliorer l'adhérence, une couche de caoutchouc synthétique 29 est vulcani*-sée sur l'obturateur 13 dans sa zone de contact avec son siège sur le boîtier, cette couche permettant non seulement d'améliorer 35 l'adhérence, mais égalementjfde diminuer ultérieurement les effets de l'impact de l'obturateur contre son siège. Dans le cas de soupapes de grande dimension, on peut utiliser l'espace 28 délimité par la partie centrale et par la partie périphérique du noyau delausoupape pour y installer les 4.0 appareillages électroniques, électriques et hydrauliques qui 69 08256 7 2004593 commandent le fonctionnement de la soupape. Dans une solution de ce genre, il est alors suffisant de faire arriver les fils d*alimentation et les fils de commande de la fermeture à travers des trous convenables ménagés dans les ailettes 2. .Cette 5 disposition présente l'avantage de protéger les circuits électroniques, électriques et hydrauliques des effets de choc si la soupape est suspendue élastiquement par rapport à la structure fixe qui la soutient et lorsque cette dernière structure se trouve soumise à des chocs, à des séismes, à des trépidations, 10 etc. de nature quelconque. Les appareillages électroniques et électriques se trouvent en outre protégés contre les effets nuisibles des perturbations électromagnétiques éventuelles de nature quelconque qui se manifestent dans la région où est installée la soupape. 15 Le diffuseur 27* qui est destiné à reconvertir en énergie de pression l'énergie cinétique acquise par le fluide dans la section restreinte de la soupape, ceci dans la but de réduire au maximum les pertes de charge de la soupape, peut être du type classique à cône avec un faible angle d'ouverture au soin» 20 met ou du type à cônes concentriques qui permet d'obtenir le même résultat avec un encombrement en longueur beaucoup plus réduit. Il est bien évident que, sans sortir du cadre de la présente invention défini par les revendications qui suivent, on £5 peut apporter diverses modifications à ce qui vient d'être décrit et représenté à seul titre d'exemple pour l'illustration de l'invention et que l'on peut en réaliser diverses variantes. 69 08256 8 2004593 REVENDICATIONS 1.- Soupape à fermeture rapide dont la fermeture peut être commandée soit de façon indépendante par une seule commande et par l'intermédiaire d'un circuit électrique, électronique et 5 hydraulique, soit par l'arrivée directe d'une onde de choc qui se propage le long de la tuyauterie, caractérisée par le fait qu'elle comprend un obturateur maintenu en position ouverte par la pression qui existe à l'intérieur d'un cylindre hydraulique au piston duquel cet obturateur est relié de façon à former un 10 équipage mobile, cette pression vainquant une force contraire constamment appliquée et de préférence constituée par la force élastique d'un ou plusieurs ressorts déformables, des moyens d'échappement principaux étant prévus pour la pression qui existe dans le cylindre, ces moyens pouvant être mis en service par le 15 jeu d'une télécommande, ainsi que des moyens d'échappement secondaires de cette pression commandés directement par l'arrivée d'une onde de choc dans la tuyauterie, le^arganes de mise en service de ces moyens d'échappement secondaires commandant dans ce cas en même temps le circuit de télécommande. 20 2.- Soupape suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que la course de l'équipage mobile comprend une phase d'accélération libre sous l'action des ressorts moteurs et une phase de freinage de loi déterminée. 3.- Soupape suivant la revendication 2, caractérisée 25 par le fait que la loi de freinage est choisie de façon à garantir d'une part une faible vitesse d'impact de l'obturateur sur son siège et d'autre part une réduction à leur valeur minimale des sollicitations imposées aux organes mobiles de la soupape du fait du freinage. 30 Soupape suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée par le fait que, afin d'obtenir la loi de freinage voulue, le cylindre hydraulique présente une série de lumières de passage de diamètre, de nombre et de distances mutuelles convenables, à travers lesquelles l'huile s'échappe du cylindre, 35 ces lumières étant progressivement recouvertes par le piston au cours de son mouvement. 5.- Soupape suivant la revendication 4, caractérisée par le fait que, afin d'obtenir sa fermeture sous l'action directe de l'onde de choc, elle comporte un petit piston intérieur 69 08256 9 2004593 à son piston principal, qui est susceptible d'être déplacé par l'onde de choc, des lumières d'échappement secondaires du cylindre, indépendantes des lumières principales, se trouvant ouvertes lorsque ce petit piston se déplace. 5 6.- Soupape suivant la revendication 5, caractérisée par le fait que le piston principal présente des moyens de butée contre lesquels le petit piston intérieur actionné par l'onde de choc vient s'appuyer après avoir ouvert les lumières d'échappement secondaires, de telle façon que la poussée exercée par l'onde 10 de choc s'associe à celle des ressorts moteurs pour accélérer le mouvement de l'équipage mobile. 7.- Soupape suivant l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée parle fait qu'elle comprend un interrupteur ou autre dispositif convenable qui envoje un signal au circuit électrique, 15 électronique et hydraulique de la soupape de façon à commander la fermeture comme le ferait le signal à distance ou par télécommande pour lequel est prévu ce circuit électronique, électrique et hydraulique, cet interrupteur ou autre dispositif étant actionné par le petit piston qui est mû par l'arrivée de l'onde de choc. 20 8.- Soupape suivant l'une des revendications 5^7, caractérisée par le fait que la structure fixe du corps de soupape présente des moyens de butée pour arrêter, après un bref trajet de course, le petit piston intérieur au moyen duquel l'onde de choc qui arrive sur la soupape en met en mouvement l'équipage mo-25 bile, celui-ci poursuivant son mouvement vers la fermeture et provoquant ainsi la fermeture des lumières d'échappement secondaires de façon à ce que ces lumières n'interfèrent pas avec le processus de freinage réalisé par la réduction progressive de l'aire de passage de l'huile hors du cylindre principal de la soupape. 30 9.- Soupape suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que l'obturateur est relié de façon articulée au reste de l'équipage mobile de la soupape et est calé avec un certain jeu sur un axe en étant maintenu à distance du piston principal par un empilage de rondelles élastiques ou autres res-35 sorts convenables, acquérant ainsi une certaine liberté de mouvement qui lui permet une parfaite adhérence sur son siège d'appui. 10.- Soupape suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait que, dans la zone où a lieu l'appui de l'obturateur sur la structure fixe de la soupape, cet obturateur 40 est recouvert d'un caoutchouc synthétique galvanisé sur lui. 69 08256 . 2004593 11.- Soupape suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisée par le fait que les composants électroniques, électriques et hydrauliques convenablement miniaturisés sont disposés dans la zone intérieure libre de la partie fixe de la sou-5 pape en vue de les protéger, grâce à l'écran offert par l'enveloppe métallique, contre les effets des impulsions électromagnétiques extérieures et également, dans le cas où la soupape est suspendue élastiquement à une structure fixe qui peut être soumise à des séismes naturels ou artificiels, contre ces perturbations. 10 12.- Soupape suivant la revendication 11, caractérisée par le fait que la communication entre les appareillages intérieurs à la soupape et l'extérieur est confiée à des câbles électriques blindés passant à travers des trous pratiqués dans des ailettes de soutien du corps central de la soupape par lesquelles 15 ce corps central est soutenu à l'intérieur du conduit. 13.- Soupape suivant l'une des revendications 1 à 12, caractérisée par le fait que sa partie extérieure est constituée par une portion cylindrique d'entrée présentant le même diamètre que la tuyauterie à laquelle la soupape est raccordée, suivie 20 par une portion profilée jusqu'à une section restreinte qui est à son tour suivie par un diffuseur à cônes concentriques.