Brevet FR2007679A1 — publié le 19700109

i 2007679 La présente invention a pour objet une soupape bistable, notamment pour contrôler l'écoulement d'un fluide au travers d'une ouverture pratiquée dans une paroi séparant deux milieux, dont l'un est alimenté en permanence par une source de fluide 5 sous pression, comprenant une membrane élastique tendue au devant de l'ouverture, du côté de la paroi correspondant au milieu relié à la source, montée de manière étanche par ses bords et dont la surface est percée au voisinage de ces bords par des fenêtres permettant le passage du fluide, ladite membrane étant susceptible 10 de se déformer élastiquement pour se plaquer contre la paroi et obturer l'ouverture lorsque la différence des pressions régnant sur ses deux faces atteint une valeur déterminée. On connaît déjà une soupape de ce genre, notamment du brevet allemand 596,239, plus particulièrement destinée à assurer 15 la fermeture d'une conduite d'alimentation en gaz sous pression, lorsque cette pression dépasse une valeur limite déterminée ou que sa vitesse d'écoulement s'accroît de façon exagérée, par exemple par un abaissement inopiné de la pression en aval de la soupape, à la suite d'une rupture de conduite ou de vanne notam-20 ment. Dans ce genre de soupape, la vitesse d'appel à la fermeture dépend de trois facteurs : l'élasticité de la membrane, sa surface et la différence de pression existant sur ses deux faces. Pour une qualité donnée de la matière constituant la 25 membrane, les qualités élastiques de cette membrane ne dépendent que de son épaisseur qui doit par ailleurs être suffisante pour que la membrane soit à même d'offrir une bonne résistance mécanique lorsque la soupape est fermée et que sa face amont est soumise à une pression intense. 30 C'est donc principalement sur l'étendue de la surface de la membrane que l'on peut agir pour obtenir une vitesse d'appel donnée dans le cas d'une dépression maximum déterminée en cas d'incident. C'est dire que les soupapes connues, du genre mentionné 35 précédemment, n'offrent, pour un encombrement donné, qu'une vitesse d'appel limitée. Certaines applications nouvelles des soupapes, comme dans le cas de l'alimentation d'une piste de convoiement de marchandises par flottage pneumatique, demandent, en vue de la li- 13911 2 2007679 mitation de la puissance installée.pour les compresseurs d'air, que les soupapes utilisées pour produire le coussin d'air de sustentation aient une fermeture pratiquement instantanée dès que l'article à sustenter a quitté le champ d'action de chaque soupape 5 Cette exigence n'a pu être réalisée qu'en faisant usage de soupapes de construction bien plus compliquée que ne l'est celle des soupapes à membrane citées précédemment. Mis à part leur prix de revient relativement important, leur complexité technique est parfois la cause de pannes inopinées dont on entrevoit facilement J-0 les conséquences : discontinuité dans le transport des objets par suppression locale du coussin d'air sustentateur, endommagement de certaines parties de ces objets par rencontre et frottement avec le fond de la piste de convoiement, basculements inopinés dus à la décélération brusque qui s'ensuit, etc. L'invention se propose notamment de permettre le remplacement de ces soupapes de construction compliquée par des soupapes à Hembrane à vitesse d'appel suffisante, supérieure à celle qu'on pourrait attendre d'une soupape de ce genre conçue de façon traditionnelle, comme c'est par exemple le cas pour la soupape dé- -20 crite dans le brevet allemand 596.239 cité. A cet effet, la soupape selon l'invention se caractérise par le fait que la distance séparant la paroi et la membrane et/ ou celle, radiale, comprise entre chaque fenêtre et l'ouverture de cette paroi, sont choisies de manière que l'écoulement du flui-25 de dans l'espace délimité par la membrane et la paroi, desdites fenêtres vers l'ouverture, s'effectue à une vitesse suffisamment intense pour que, par la dépression dynamique créée sur la face aval de la membrane, cette membrane se déforme en position d'obturation si la différence des pressions statiques des deux mi-30 lieux est inférieure à ladite valeur déterminée d'une quantité correspondant, au plus, à ladite dépression dynamique. Dans le cadre d'une utilisation d'une telle soupape dans une installation de transport d'objets par flottage pneumatique, à titre d'organe d'alimentation en air comprimé d'une partie de 35 la piste de convoiement de ces objets, il est prévu, selon l'invention, de rendre une telle soupape au'to-amorçante à l'ouverture dès l'instant où l'un des objets à transporter vient se placer au droit de l'ouverture obturée par cette soupape, ouverture pratiquée dans la piste elle-même. 13911 3 2007679 A cet effet, la membrane présente au moins un passage ayant une section très inférieure à celle des fenêtres, ce passage étant ménagé dans sa partie faisant face à l'ouverture de la paroi et produisant une fuite permanente de fluide en direction de 5 cette ouverture. - D'autres caractéristiques et particularités de la soupape selon l'invention seront maintenant décrites en se référant aux dessins schématiques annexés, donnés à titre d'exemple et dans lesquels : 10 La fig. 1 montre une coupe verticale d'une soupape; La fig* 2 est une vue de détail de la fig. 1, à plus grande échelle; La fig. 3 est une vue similaire à celle de la fig. 1, selon une variante d'exécution. 15 La fig. 4 montre une disposition particulière de la soupape illustrée en fig. 1. La soupape représentée au dessin est formée par un boîtier cylindrique 1 fermé à sa partie supérieure par une paroi 2 et à. sa partie inférieure par une cloison 3 solidaire d'un con-20 duit 4, partiellement représenté, destiné à être relié à une source d'air sous pression, non visible au dessin, devant être distribué au-dessus de la paroi 2 au travers d'une ouverture centrale 5 ménagée dans cette dernière. Dans l'exemple d'exécution considéré, la paroi 2 cons-25 titue un élément de la surface d'une piste de convoiement d'objets à sustentation pneumatique, par formation d'un coussin d'air de flottage sur cette piste. Le contrôle du débit d'air est obtenu dans cette soupape par la présence d'une membrane 6 encastrée par sa périphé-^ rie dans une rainure annulaire la^ de la paroi latérale du boîtier 1, ménagée le long du bord de la face inférieure 2a de la paroi 2 laquelle est avantageusement de forme concave pour les raisons qui seront citées par la suite. La membrane 6, en matière souple et élastique, est 35 percée, au voisinage de son bord extérieur, de fenêtres 7 au travers desquelles l'air provenant du conduit 4, à pression constante, p^, dans le boîtier 1 s'écoule radialement, de façon centripète, en direction de l'ouverture 5 au travers de l'espace 8 délimité par la paroi 2 et la membrane. 40 Dans la soupape représentée, la distance sépavantles 13911 .4 2007679 fenêtres 7 et l'ouverture 5 est grande par rapport à la dimension de cette ouverture de sorte que la section annulaire de passage de l'air en direction de ladite ouverture, diminue fortement au fur et à mesure qu'on s'éloigne d'une fenêtre 7 pour se rapprocher de 5 ladite ouverture 5. Il s'ensuit que la vitesse d'écoulement de l'air est particulièrement intense dans l'espace 8, de beaucoup plus élevée que sous la membrane où règne la pression p^. Comme on le sait, toute surface caressée par un courant 10 de fluide est l'objet d'une dépression de caractère dynamique dont l'intensité est donnée par la relation de Bernouilli selon laquelle A p = . v2 2g 15 où p * dépression dynamique V * vitesse d'écoulement du fluide Y = poids spécifique du fluide g = accélération terrestre. Si donc la vitesse d'écoulement du fluide est sous la membrane 20 6 et Vg dans l'espace 8 (valeur moyenne), la dépression moyenne produite sur la face supérieure de la membrane 6 sera : A P = L. (V2 vj), 2g 25 Si la membrane présente une rigidité telle qu'elle reste sensiblement horizontale, dans la position représentée, lorsque les pressions en amont et en aval s'équilibrent et si F est la force de rappel qu'elle est capable de produire élastiquement lorsqu'elle est déformée comme représenté en traits mixtes au dessin, il s'ensuit que cette déformation aura lieu dès que 30 p^ . S^,p2 .S + F- a p. S ou S = surface de la membrane p^ = pression statique en amont de la membrane 35 = pression statique en aval de la membrane a p = dépression dynamique = Y . (V2 - V2 ). . 2 g Ainsi donc la déformation de la membrane en position d'obturation de l'ouverture 5 aura lieu pour une valeur : 13911 5 2007679 A P> - (p - p ) S . Les valeurs F et S sont des constantes; p2 est égale à la pression atmosphérique dans le cas représenté et p^ est 1$ pression d'alimentation en air. 5 Si la pression p^ est choisie insuffisante pour provo quer à elle seule la déformation de la membrane, c'est-à-dire F Pl s cette déformation ne pourra avoir lieu que si la vitesse V a au moins une valeur égale à 10 29 (JL + P2 - Pjt ) en négligeant les différentes pertes de charge en jeu. Pour obtenir cette vitesse on pourra jouer soit sur la distancé séparant les fenêtres 7 de la'membrane et l'ouverture 5 de la paroi 2, pour un écartement déterminé entre la membra-15 ne et la paroi, soit sur cet écartement qu'on pourra par exemple varier de manière que la section de passage de l'air diminue au fur et à mesure qu'on se rapproche de l'ouverture 5, soit bien entendu en combinant l'effet des deux variables ci-dessus. En position d'obturation de la membrane 6, celle-ci est 20- appliquée sur toute son étendue sur la surface concave 2a de la paroi 2 de sorte que les contraintes mécaniques de la membrane sont pratiquement constantes en tout point. Cette membrane demeurera dans cette position d'obturation si 25 Pl . F (en négligeant l'action de la pression p^ sur l'élément de surface de la membrane faisant face à l'ouverture 5), c'est-à-dire si l'action de la pression p^ sur la membrane est supérieure à la force de rappel élastique développée par la membrane elle-même. 30 Dans ces conditions, la soupape resterait fermée après obturation, même lorsqu'un objet viendrait à se placer au-dessus de l'ouverture de la soupape 5 : comme décrit, "c'est précisément alors que la soupape représentée devrait permettre le passage 13911 6 2007679 d'air comprimé pour la formation d'un courant d'air de sustentation de l'objet. A cet effet, la zone de la membrane faisant face à l'ouverture 5 est percée d'une ou de plusieurs micro-ouvertures; il 5 peut s'agit d'une zone poreuse obtenue de toute façon adéquate. Dans ces conditions, la fermeture de l'ouverture 5 par la membrane 6 n'est pas totale et il subsiste en permanence une légère fuite de fluide de l'amont de la membrane 6 vers l'aval, en direction de l'ouverture 5. 10 Si donc un objet (fig. 2) vient se placer au-dessus de cet te ouverture, il se forme entre l'objet en question et la membrane 6 en position obturée une petite chambre dans laquelle la pression augmente peu à peu, au fur et à mesure du passage de l'air au travers des porosités de la membrane, pour atteindre 15 au bout d'un certain temps, fonction de la dimension et/ou du nombre des pores de la membrane, une valeur identique à la pression en amont de cette membrane. Comme la surface s^ de la membrane au droit de l'ouverture 5 est soumise à deux pressions statiques de même intensité, cet-20 te portion de la membrane est alors soumise à la seule force élastique de rappel f qu'elle développe en vue de prendre une position d'équilibre sensiblement horizontale. Mais à partir du moment où la portion de la membrane de surface s^ atteint cette position d'équilibre, il se crée le long des bords de cette sur-25 face un vide v (fig. 2) qui se remplit d'air à pression p^ de sorte que la membrane 6 se décolle encore un peu plus de la surface concave 2a de la paroi 2 et prend la position 6a indiquée en traits mixtes ce qui augmente à nouveau l'étendue de la surface libre supérieure de la membrane soumise à la pression p^. Comme 30 cette surface libre devient de plus en plus grande, la vitesse à laquelle la membrane 6 se décolle de la surface 2a. augmente rapidement et cela jusqu'à ce que la membrane reprenne sa position horizontale de repos, comme indiqué en 6b (fig. 2). Cette vitesse est bien entendu d'autant plus importante que 35 l'élasticité de la membrane 6 est faible et surtout que la vitesse de passage de l'air au travers des pores de la partie centrale de la membrane est élevée. La soupape décrite peut être utilisée aussi bien en position horizontale (fig. 1) qu'en position verticale (fig. 4) ou 40 en toute autre position intermédiaire (non représentée). 13911 7 2007679 Selon une variante d'exécution (fig. 3), la face inférieure de la paroi 2 peut être plane et la membrane 6 s'étendre à faible distance de cette paroi, parallèlement à celle-ci. Dans un tel cas, les ouvertures 7 pour le passage de l'air seront pré-5 vues à une distance de la zone d'encastrement ou racine de la membrane telle que, en position déformée, d'obturation de cette membrane, les bords de ces ouvertures viennent en appui de façon étanche sur la face inférieure de la paroi 2. De cette manière, la membrane 6 demeure parfaitement plaquée sur la paroi 2 tant 10 qu'aucun objet ne viendra obturer l'ouverture S. Bien entendu la partie centrale de la membrane 6 sera également poreuse de manière à permettre une fuite permanente d'air en direction de l'ouverture 5. Bien que la description et les dessins ne se soient ré-15 férés qu'à des soupapes pour l'alimentation en air de sustentation d'une installation de convoiement d'obje/ts par flottage pneumatique, il est évident que de telles soupapes pourront être l'objet de bien d'autres usages, notamment de ceux qui leur sont traditionnellement réservés à titre d'organes de sécurité dans 20 des conduites de fluides sous pression. 13911 2007679 REVENDICATIONS 1. Soupape bistable, notamment pour contrôler l'écoulement d'un fluide au travers d'une ouverture pratiquée dans une paroi séparant deux milieux, dont l'un est alimenté en permanence par 5 une source de fluide sous pression, comprenant une membrane élastique tendue au devant de l'ouverture, du côté de la paroi correspondant au milieu relié à la source, montée de manière étanche par ses bords et dont la surface est percée au voisinage de ces bords par des fenêtres permettant le passage du fluide, ladite 10 membrane étant susceptible de se déformer élastiquement pour se plaquer contre la paroi et obturer l'ouverture lorsque la différence des pressions régnant sur ses deux faces atteint une valeur déterminée, caractérisée par le fait que la distance séparant la paroi et la membrane et/ou celle, radiale, comprise entre chaque 15 fenêtre et l'ouverture de cette paroi sont choisies de manière que l'écoulement du fluide dans l'espace délimité par la membrane et la paroi, desdites fenêtres vers l'ouverture, s'effectue à une vitesse suffisamment intense pour que, par la dépression dynamique créée sur la face aval de la membrane, cette membrane se 20 déforme en position d'obturation si la différence des pressions statiques des deux milieux est inférieure à ladite valeur déterminée d'une quantité correspondant, au plus, a ladite dépression dynamique» 2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée par le 25 fait que la partie de la paroi entourant ladite ouverture et faisant face à la membrane présente un profil concave sur toute son étendue et par le fait que la membrane est en contact sur son tour avec le bord de cette concavité. 3. Soupape selon la revendication 1, dans laquelle la par-30 tie de la paroi entourant ladite ouverture et faisant face à la membrane est plane sur toute son étendue, la membrane s'étendant parallèlement à cette partie de paroi, caractérisée par le fait que lesdites fenêtres sont distantes des bords de la membrane d'une quantité supérieure à la distance séparant la zone d'encas-35 trement ou de la membrane et la paroi et au moins suffisante pour que ces fenêtres soient elles-mêmes obturées par contact avec la paroi lorsque la membrane est déformée en position d'obturation de ladite ouverture. 4. Soupape selon la revendication 1, caractérisée par le 13911 9 2007679 fait que la membrane présente au moins un passage ayant une section très inférieure à celle des fenêtres, ménagé dans sa partie faisant face à l'ouverture de la paroi et produisant une fuite permanente de fluide en direction de cette ouverture. 5 5. Soupape selon les revendications 1- et 4, caractérisée par le fait que la membrane est poreuse au moins sur une partie de sa surface située en regard de ladite ouverture.