Brevet FR2090348A1 — publié le 19720114

' 2090348 La présente invention concerne l'industrie de la robinetterie, et plus particulièrement les vannes dont l'obturateur sphérique est enserré dans une garniture d'étanchéité. L'invention s'applique notamment aux vannes ou robinets 5 du plut petit modèle, tels que les vannes utilisées dans les circuits d'instruments de précision. Cependant, bien que la description qui va suivre concerne une telle vanne de petite dimension, il faut noter que l'invention peut également s'appliquer à des vannes de différentes dimensions destinées à des emplois di-10 vers. Les vannes ou robinets du type dans lequel l'obturateur sphérique est enfermé dans une cartouche ou garniture d'étanchéité en résine synthétique élastique, par exemple en polytétra-fluoréthylène, sont bien connus et sont couramment utilisés. 15 Ces vannes comprennent un corps métallique rigide délimi tant une chambre dans laquelle sont disposés la cartouche d'étanchéité et l'obturateur. Les canaux d'entrée et de sortie habituels traversent la paroi du corps et celle de la garniture et débouchent au voisinage de la tête sphérique de l'obturateur. 20 Une tige de manoeuvre solidaire de la tête de l'obturateur passe dans une ouverture de la garniture et dépasse à l'extérieur du corps. ifin général, l'étanchéité entre la tête sphérique de l'obturateur, la tige de manoeuvre et la garniture est assurée par 25 l'application d'une précontrainte de compression de manière que la garniture s'applique en contact étanche contre l'obturateur et contre sa tige. Les paroiq&e la garniture étant relativement minces, au moins dans la zone située sous l'obturateur, elles se comportent comme un ressort très rigide, c'est-à-dire qu'une 30 charge de compression élevée n'entraîne qu'une faible déformation de sa paroi. De ce fait, une légère usure de la garniture réduit considérablement les forces de compression appliquées, et la vanne présente une fuite de fluide autour de l'obturateur et de sa tige. 35 Pour éviter ces inconvénients, les vannes classiques de ce type sont munies de dispositifs mécaniques à ressort relativement compliqués qui compriment la garniture, ainsi que de 71 19366 2 2090348 dispositifs également compliqués destinés à assurer l'étan-chéité autour de la tige de manoeuvre. Ces dispositifs ne permettent pas de résoudre totalement le problème, et leur présence augmente la complication et le prix de la vanne. 5 L'invention apporte une solution très simple permettant de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus. L'invention concerne un dispositif assurant l'étanchéité et le guidage de la tige, qui comprend une seconde garniture d'étanchéité entourant la tige et guidant cette dernière, cette seconde garniture agis-10 sant à la manière d'un ressort qui maintient à une valeur pratiquement constante la force de compression appliquée à la garniture principale entourant l'obturateur. Les vannes de l'invention peuvent être manoeuvrées un très grand nombre de fois avant de perdre leur étanchéité. En outre, 15 grâce au dispositif de l'invention, le resserrage de la garniture s'effectue rapidement sans qu'il soit nécessaire de séparer la vanne de la canalisation sur laquelle elle est montée. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la vanne comprend un corps délimitant une chambre intérieure et des 20 canaux d'entrée et de sortie débouchant dans la chambre. Un obturateur sphérique comportant au moins un canal de passage est disposé à l'intérieur de la chambre et peut être manoeuvré au moyen d'une tige de commande cylindrique dont une extrémité ressort à l'extérieur de la chambre. Une garniture élastique en 25 résine synthétique remplit pratiquement toute la chambre et est appliquée en contact étanche contre la surface extérieure de l'obturateur sphérique et contre les parois intérieures de la chambre. Le dispositif assurant l'étanchéité autour de la tige comprend une garniture auxiliaire disposée autour de cette der-30 nière et un premier presse-étoupe relativement rigide, coulissant sans jeu notable dans le corps et comportant une ouverture de passage de la tige ainsi qu'une première surface de portée placée en contact de la cartouche disposée dans la chambre. Un logement coaxial entoure l'ouverture de passage de la tige et 35 se prolonge au-dessus de ce dernier. Ce logement est de préférence de profondeur relativement importante dans le sens axial de la tige de manoeuvre. Une garniture auxiliaire d'étanchéité 71 19366 3 2090348 constituée par une douille de matière synthétique élastique est disposée dans le logement et un dispositif réglable lui applique une charge de compression axiale dirigée vers la première surface de portée du presse-étoupe, de manière que la gar-5 niture auxiliaire assure l'étanchéité autour de la tige et applique en mime temps une charge de compression à la cartouche ou garniture principale disposée dans la chambre. De préférence, cette garniture auxiliaire d'étanchéité est en polytétrafluor-éthylène ou en matière du même type. 10 En raison de sa longueur, cette garniture auxiliaire se comporte comme un ressort relativement puissant, c'est-à-dire que pour une augmentation importante de l'effort qui lui est appliqué, sa déformation est faible. De ce fait, une légère usure de la matière de la garniture autour de la sphère de l'ob-15 turateur n'entraîne qu'une faible variation de la charge de compression. En outre, en raison de sa forme, cette garniture auxiliaire constitue un guide de la tige qui absorbe les efforts latéraux pouvant être appliqués à la tige par l'utilisateur, ou créés par un mauvais alignement de cette dernière. 20 L'invention a donc pour objet une vanne simple, facile à fabriquer, peu coûteuse, facilement réglable même lorsqu'elle est en service, fille comprend un nouveau dispositif de compression des garnitures, supprimant les problèmes posés par les dispositifs classiques dans lesquels, notamment,une légère usure de 25 la garniture autour de l'obturateur entraîne une diminution importante de la charge de compression. Dans la vanne de l'invention, la garniture assurant l'étanchéité de la tige constitue un ressort comprimant la garniture assurant l'étanchéité de l'obturateur. 30 D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'examen de la description non limitative qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre d'exemple un mode de réalisation de l'invention. Dans ces dessins : t 35 La figure 1 est une coupe longitudinale d'une forme de réalisation préférée de la vanne de l'invention. 71 19366 4 2090348 La figure 2 est une coupe selon la ligne 2-2 de la figure 1 . La figure 3 représente à plus grande échelle la partie cerclée de la figure 2, et 5 La figure 4 est une vue explosée en perspective montrant les éléments de la vanne de la figure 1. La figure 1 est une coupe d'une forme de réalisation préférée de la vanne de l'invention. Cette vanne comprend un corps 10 qui comporte une chambre intérieure 12 et des canaux d'entrée 10 et de sortie 14 et 16. Dans cet exemple, le corps 10 de la vanne est du type "usiné dans la barre", c'est-à-dire qu'il est usiné dans un bloc unique de bronze, d'acier inoxydable, ou d'autre matière convenable. Bien entendu, cette pièce peut être un corps classique moulé, et être composé d'une ou de plusieurs pièces 15 rapportées. Dans cet exemple, la chambre 12 est formée axiale-ment dans le corps 10. Les canaux d'entrée et de sortie 14 et 16 sont de préférence cylindriques, ils sont percés perpendiculairement à l'axe de la chambre qui est considéré comme l'axe de la vanne, et ils débouchent dans cette chambre. Bien que la vanne 20 représentée soit une vanne standard à passage direct, elle peut être également à plusieurs voies, par exemple à trois voies et présenter un circuit d'écoulement en I. Les canaux d'entrée et de sortie 14 et 16 débouchent dans des embouts filetés 18 et 20 qui permettent de raccorder la vanne 25 à la canalisation dans laquelle l'écoulement doit être réglé. Bien entendu, d'autres types de dispositifs de raccordement peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention. Un obturateur sphérique 22 est disposé dans la chambre et permet de régler l'écoulement d'un fluide circulant entre les ca-30 naux d'entrée et de sortie 14 et 16. Dans cet exemple, l'obturateur 22 (voir figure 4) est de forme générale sphérique et comporte un canal de passage 24 percé transversalement. Il est usiné en une seule pièce avec une tige de manoeuvre 26 dont l'axe est perpendiculaire au canal de passage 24 et passe par le centre 35 de la sphère. Un tourillon 28 concentrique à la tige de manoeuvre 26 est disposé sur -"-a surface inférieure de la sphère. La face inférieure du tourillon 28 peut porter contre la paroi 30 71 19366 5 2090348 du fond de la chambre 12. Un obturateur de ce type et son tourillon sont décrits dans la demande de brevet français déposé* ce jour au nom de la Demanderesse et intitulée "Vanne à obturateur sphérique supporté par un tourillon". 5 L'obturateur sphérique 22 est disposé dans la chambre 12 et son axe 32 coïncide avec l'axe/de la chambre. Il est contenu dans une garniture 36 en résine synthétique élastique, par exemple en polytétrafluoréthylène. Dans cet exemple, cette garniture d'étanchéité est en deux parties comme on le voit sur la figure 10 4. Elle se compose de deux sections symétriques 38 et 40 de forme générale semi-cylindrique. Chaque section comporte une portée intérieure 41 s'appliquant en contact intime sur la surface extérieure de l'obturateur sphérique 22. Des ouvertures permettent le passage de la tige 56 et du tourillon 28. En outre, 15 des ouvertures formées latéralement dans les sections 38 et 40 permettent de mettre en communication les canaux d'entrée et de sortie 14 et 16 avec l'obturateur sphérique 22. De préférence, des bagues tubulaires métalliques, telles celles décrites dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n2 3 236 495 sont disposées 20 dans les trous latéraux de la garniture. En outre, des disques rigides rapportés 42 sont interposés entre l'obturateur sphérique et la paroi intérieure de la chambre 12, comme on le voit sur la figure 2. Ces disques 42 sont par exemple du type décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nS 3 236 495 précité et 25 sont destinés à éviter le fluage de la matière de la garniture dans le canal de passage 24 lorsque l'obturateur tourne en se déplaçant vers sa position de fermeture. Les sections 38 et 40 de la garniture sont de dimension telle que lorsque l'ensemble est emboîté dans la chambre 12, la 30 garniture est appliquée contre la paroi interne de cette dernière et contre la surface extérieure de l'obturateur sphérique 22. Pour assurer l'étanchéité entre les surfaces extérieures des sections 38 et 40 et la paroi interne de la chambre 12, ainsi que l'étanchéité autour de la surface extérieure de l'obturateur 22, 35 les sections de la garniture sont appliquées l'une contre l'autre dans la chambre de la vanne et sont soumises à une précontrainte de compression. Conformément à l'invention, cette précxm- 71 19366 6 209Û348 trainte est appliquée par un nouveau dispositif assurant le guidage et l'étanchéité de la tige de manoeuvre et appliquant en même temps une contrainte de compression pratiquement uniforme à la cartouche ou garniture principale, même après qu'une 5 certaine usure relative se soit produite entre cette garniture et la surface de l'obturateur sphérique. Bien que, conformément à l'invention, ce dispositif puisse être réalisé de différentes manières dans le cadre de l'invention, dans l'exemple représenté il comprend un premier presse-étoupe 44 relativement rigide (fi-10 gures 2 et 3). Ce presse-étoupe est emboîté en emmanchement coulissant dans l'extrémité supérieure de la chambre 12 et il comporte une première face 46 qui porte contre la surface supérieure de la cartouche 36. Dans cet exemple, le presse-étoupe 44 est cylindrique, il comporte une ouverture centrale 48 percée axia-15 lement et dont le diamètre est légèrement supérieur au diamètre extérieur de la tige 26. Un suralésage profond 49 coaxial à l'ouverture 48 prolonge cette dernière jusqu'à l'extrémité supérieure du presse-étoupe 44. Un coussinet cylindrique en matière synthétique élastique, de préférence en polytétrafluoréthylène est dis-20 posé dans le logement constitué par ce suralésage et porte à la fois contre la surface délimitant le logement et contre la surface extérieure de la tige 26. De préférence, la longueur du coussinet 50 est légèrement inférieure à la profondeur axiale du logement 48. Toutefois, la longueur de ce coussinet est de 25 préférence notablement supérieure à la hauteur du tourillon. Un second presse-étoupe 52 est disposé autour de la tige 26 et repose sur la surface supérieure du coussinet élastique 50, comme on le voit sur la figure 3. Il faut noter que ce second presse-étoupe 52 est introduit en emmanchement glissant dans 30 l'extrémité supérieure du logement 50 et qu'il comporte une ouverture centrale 54 dont le diamètre est sensiblement supérieur au diamètre extérieur de la tige 26. Lorsqu'une force axiale est appliquée sur la surface supérieure du second presse-étoupe 52, le coussinet élastique 50 est soumis à une charge de compression, 35 il se déforme et il se plaque en contact étanche contre la surface extérieure de la tige 26. En outre, en raison de sa longueur, le coussinet 52 se comporte comme un ressort relativement puissant 71 19366 7 2090348 et il applique une charge axiale au premier presse-étoupe 44 qui à son tour applique la précontrainte désirée à la cartouche ou garniture principale 36. En conséquence, non seulement le coussinet élastique 50 constitue un dispositif d'étanchéité se-5 condaire autour de la tige mais il transmet également une force élastique à la cartouche 36. Du fait que le coussinet 50 constitue un ressort puissant, c'est-à-dire qu'une légère variation de sa déformation entraîne une variation importante de la force qu'il exerce, l'usure des surfaces frottantes de la cartouche 10 36 et de l'obturateur 22 n'entraîne qu'une modification insignifiante de la charge de compression. En raison du fait que la charge de compression est appliquée par le premie'r presse-étoupe 44, un espace est ménagé entre la surface inférieure 46 de ce dernier et la surface supérieure d'une portée 56 de plus grand 15 diamètre de l'extrémité inférieure de la tige 26. Différents dispositifs peuvent être utilisés pour appliquer une force axiale réglable au second presse-étoupe 52. De préférence, et conformément à une des caractéristiques de l'invention, cette force réglable est appliquée au presse-étoupe 52 par un écrou 58 vissé 20 dans l'extrémité supérieure de la chambre 12. L'écrou 58 comporte un trou central 60 d'un diamètre légèrement supérieur à celui du corps de la tige 26. Bien que différents dispositifs puissent être utilisés pour commander la rotation de 1*écrou 58 afin de régler sa position axiale dans la chambre et de ce fait régler 25 la force qu'il exerce sur le presse-étoupe 52, dans l'exemple représenté, l'écrou comporte à sa partie supérieure une tête polygonale 62 dont les plats 64 peuvent recevoir les branches d'une clef de serrage. La poignée de manoeuvre 66 protège la tête 62 de l'écrou 30 58. Comme on le voit sur les figures 1 et 2 » le moyeu de la poignée comporte un trou central borgne dans lequel est engagée l'extrémité supérieure de la tige de manoeuvre 26. Un évide» ment 68 formé dans la partie inférieure du moyeu et dont le diamètre est supérieur à la largeur maximale sur angles de la 35 tête 62 recouvre cette dernière. La poignée est fixée à la tige par un moyen quelconque, par exemple par une vis de blocage 70 qui porte sur un plat usiné sur la surface de l'extrémité supé 71 19366 2090348 rieure de la tige. De préférence, le débattement angulaire de la poignée est limité à 905 par des butées qui déterminent ses positions ouverte et fermée. Dans cet exemple, ces butées sont constituées par les faces verticales diamétralement opposées 74 5 et 76 d'un décrochement formé à la partie supérieure du corps (voir figure 4). Le corps en arc de cercle 80 d'une butée rapportée 78 est engagé dans la section surélevée 82 limitée par les faces verticales 74 et 76. Les pattes extérieures 84 et 86 de la butée rapportée 78 sont plaquées contre les surfaces ver-10 ticales 74 et 76. La partie inférieure du moyeu de la poignée comporte un cran en relief 86 limité par deux surfaces verticales 88 et 90 espacées angulairement de 909 exactement. Lorsque la poignée est montée, ce cran peut se déplacer dans la partie décrochée 82 et une de ses surfaces verticales 88 et 90 peuvent 15 venir en contact avec l'une ou l'autre face verticale 92 et 94 des pattes 84 et 86 de la butée rapportée 78 qui délimitent mécaniquement les positions ouverte et fermée de la vanne. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite ci-dessus qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que 20 l'on pourra y apporter toutes modifications sans sortir de son cadre. 71 19366 ? 2090348 REVENDICATIONS 1. Vanne-robinet à obturateur sphérique, comprenant un corps délimitant une chambre intérieure, des canaux d'entrée et de sortie du fluide débouchant dans la chambre, un obturateur 5 sphérique disposé dans la chambre et traversé par au moins un canal de passage, une tige de manoeuvre dont une extrémité est solidaire de l'obturateur sphérique et dont l'autre extrémité ressort à l'extérieur du corps, cette tige de manoeuvre permettant de faire tourner l'obturateur sphérique, une matière rési-10 neuse remplissant la chambre et étant appliquée en contact étan-che contre les parois de la chambre et contre la surface de l'obturateur sphérique, cette vanne-robinet étant caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif d'étanchéité disposé autour de la tige et constitué par un premier presse-étoupe relativement ri-15 gide emboîté en emmanchement glissant dans la chambre et comportant une ouverture de passage de la tige de manoeuvre, un évide-ment profond du premier presse-étoupe entourant le bord intérieur de l'ouverture et contenant un coussinet en matière synthétique élastique, et un mécanisme réglable appliquant une char-20 ge axiale de compression au coussinet de manière à comprimer ce dernier pour qu'il se plaque en contact étanche contre la surface extérieure de la tige et que le premier presse-étoupe exerce une charge de compression sur la matière résineuse remplissant la chambre. 25 2. Vanne-robinet selon la revendication 1, caractérisée en ce que lçdnécanisme réglable comprend un second presse-étoupe entourant la tige et comportant une première et une seconde surfaces opposées, la première surface portant contre le coussinet élastique et la seconde surface étant en contact avec un organe 30 vissé dans le corps de la vanne. 3. Vanne-robinet selon la revendication 1, caractérisée en ce que le coussinet élastique est cylindrique, la tige de manoeuvre passant dans l'ouverture centrale de ce dernier. 4. Vanne-robinet selon la revendication 3, caractérisée 35 en ce que le mécanisme réglable comprend un organe vissé dans le corps de la vanne et entourant la tige, cet organe vissé appuyant sur le coussinet élastique par l'intermédiaire d'un / 71 19366 10 2090348 second presse-étoupe disposé autour de la tige et intercalé entre l'organe vissé et le coussinet, ce second presse-étoupe pénétrant en emmanchement glissant dans le premier presse-étoupe et confinant le coussinet élastique dans l'évidement du presse-5 étoupe. 5. Vanne-robinet selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier presse-étoupe est de forme cylindrique et comporte une première extrémité dont la surface est appliquée contre la matière résineuse remplissant la chambre, et une se- 10 conde extrémité dont la surface est en contact avec le mécanisme réglable, l'évidement étant situé entre ladite seconde surface et un emplacement situé axialement au voisinage de la première surface. 6. Vanne-robinet à obturateur sphérique, caractérisée en 15 ce qu'elle comprend un corps de vanne comportant une chambre cylindrique qui comprend une extrémité inférieure fermée et une extrémité supérieure ouverte, des canaux d'entrée et de sortie traversant les parois du corps de vanne et débouchant dans la chambre, les axes des canaux de passage étant perpendiculaires à 20 l'axe de la chambre, un obturateur sphérique disposé dans la chambre et pouvant tourner autour d'un axe coïncidant avec l'axe de la chambre, l'obturateur sphérique étant traversé par au moins un canal de passage de manière à régler l'écoulement du fluide entre les canaux d'entrée et de sortie en fonction de sa position 25 angulaire, la chambre étant remplie d'une matière résineuse élastique appliquée en contact étanche contre les parois intérieures de la chambre et contre la surface extérieure de l'obturateur sphérique, des canaux de passage de la matière résineuse étant alignés sur les canaux d'entrée et de sortie correspondants et 30 ayant un diamètre égal au diamètre des canaux d'entrée et de sortie correspondants, un presse-étoupe métallique relativement rigide étant disposé dans l'extrémité ouverte de la chambre, une tige de manoeuvre solidaire de l'obturateur sphérique passant dans une ouverture cylindrique percée dans le presse-étoupe, 35 un logement relativement profond étant ménagé autour de l'ouverture de passage de la tige, un coussinet en matière résineuse élastique remplissant complètement le logement, et un mécanisme 71 19366 11 2090348 réglable appliquant une force de compression au coussinet élastique et au presse-étoupe. 7. Vanne-robinet selon la revendication 6, caractérisée en ce que le mécanisme réglable comprend un écrou vissé à 1 ' ex- 5 trémité supérieure de la chambre cylindrique. 8. Vanne-robinet selon la revendication 7, caractérisée en ce que le mécanisme réglable comprend un second presse-étoupe interposé entre l'écrou et le coussinet élastique, 9. Vanne-robinet selon la revendication 7, caractérisée 10 en ce que le mécanisme réglable est monté autour de la tige de manoeuvre de l'obturateur sphérique et porte contre l'extrémité extérieure du coussinet élastique par l'intermédiaire d'un second presse-étoupe. 10. Vanne-robinet selon l'une quelconque des revendications 15 7 à 9, caractérisée en ce que le second presse-étoupe est emboîté en emmanchement glissant dans le premier presse-étoupe.