Brevet FR2280006A1 — publié le 19760220

La présente invention concerne un robinet pour distribution d'eau domestique comportant un dispositif automatique propre à interdire l'interception du robinet par gel de l'eau qu'il contient. Jusqu'à présent, on a coutume, pour éviter dans les régions froides le gel des robinets d'eau à usage domestique, de laisser l'eau couler toute la nuit, en période de non utilisation, parce que l'eau en cours d'écoulement gèle difficilement. Cette pratique a l'inconvénient d'entrarner un gaspillage d'eau. Une autre méthode consistç å prévoir un-purgeur souterrain, voisin de la canalisation d'bau principale, agencé pour être manoeuvré depuis le robinet, mais cette méthode présente un double inconvénient d'une part, il faut manoeuvrer le purgeur tous les soirs et, si l'on oublie de le faire, fondre à grand peine la glace formée la nuit pendant la période de non écoulement ; d'autre part, la pose du purgeur sur la tuyauterie entre de gros frais et un travail important. La présente invention repose sur les caractéristiques physiques suivantes, connues, de l'eau : normalement, à l'état statique, l'eau n'a qu'une conductibilité thermique très faible et un échange de chaleur entre deux masses d'eau statiques ou une telle masse et le récipient qui la contient ne peut guère être opéré que par des courants de convection ou par un écoulement d'eau, et la congélation d'eau statique exige, du fait qu'elle libère une grande quantité de chaleur latante, beaucoup de temps pour la transmission de la quantité de chaleur nécessaire au passage de l'eau de l'état liquide à l'état solide. On le sait, le gel d'une conduite d'eau s'amorce au niveau d'un robinet exposé à l'air froid, puis progresse vers la canalisation principale. En conséquence, selon l'invention, on évite le gel de l'ensemble d'une conduite par bref déversement automatique d'eau sur le point de geler et remplacement par de l'eau moins froide, provenant de la canalisation principale qui n'est pas directement exposée à l'air froid. On va maintenant exposer brièvement un mode préféré de mise en oeuvre du principe sus-énoncé, en se référant à la figure 1. L'intérieur du corps de robinet 1, en isolant, est divisé en une chambre supérieure IB, contenant de l'eau statique non gelée, et une chambre inférieure 1C, directement reliée à la canalisation principale souterraine ; une section de gel 2, spécialement con çue pour geler avant toutes les autres parties, est interposée entre un embout 10 de raccordement à la canalisation principale et la chambre supérieure 1B ; un organe d'obturation est interposé à la limite entre les chambres supérieure 13 et inférieure 1C et, lorsqu'il est manoeuvré du fait que la pression d'eau régnant dans la chambre supérieure 1B baisse par suite de l'interception ou blocage par de la glace de la section de gel 2, il provoque le remplacement d'une quantité préfixée de lteau présente dans les chambres supérieure 13 et inférieure 1C par de l'eau moins froide, provenant de la canalisation, ce qui fait fondre la glace formée dans la section de gel 2. Sous l'action de l'organe d'obturation agissant entre les chambres supérieure 13 et inférieure 1C, l'eau statique sur le point de geler emmagasinée dans la chambre supérieure 1B est évacuée instantanément et l'eau, refroidie par l'air froid, présente dans la chambre inférieure 1C se déverse ensuite et est remplacée par de l'eau moins froide provenant de la canalisation ; la glace de la section de gel 2 fond complètement par échange de chaleur dA à l'écoulement d'eau en provenance du tuyau souterrain relativement chaud ; ensuite, l'état statique initial reparatt par rétablissement de l'équilibre entre les deux pressions d'eau régnant, l'une dans la chambre inférieure et, autre dans la chambre supérieure 13, de sorte qu'un-certain temps s'écoule avant que l'en- semble ne soit à nouveau sur le point de geler ; tel est le principe fondamental de l'invention. En dehors des périodes de gel. et lorsqu'on manoeuvre à la main le robinet, on fait tourner la poignée 3 pour ouvrir et fermer l'orifice d'écoulement d'eau 1D et déverser ainsi la quantité d'eau voulue, comme dans les robinets ordinaires. Le tuyau 4 représenté sur la figure 1 relie directement la canalisation principale à la chambre inférieure 10. On comprendra mieux l'invention d'après les dessins annexés, sur. lesquels les pièces homologues portent sur toutes les figures les mêmes références numériques ; sur ces dessins : la figure 1 est une vue de profil du robinet d'eau selon 1' invention, dont elle montre les principales sections la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un robinet selon un mode de réalisation préféré ;; la figure 3 montre ce robinet en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2 et représente en plan un piston situé à la limite entre les chambres supérieure et inférieure ménagées dans le corps de robinet la figure 4 est une vue de profil du piston représenté sur la figure 3 et de la soupape de commande de l'écoulement la figure 5 représente schématiquement le dispositif qui limite la course du piston la figure 5 représente un obturateur à commande par gel de structure préférée interposé dans la section de gel la figure 7 représente en coupe de profil l'obturateur montré sur la figure 6. Comme indiqué dans le bref exposé donné à propos de la figure I, les organes exposés du corps de robinet 1 sont en matière à faible conductibilité thermique, telle que chlorure de polyvinyle dur, sous réserve de la section de gel 2 et du chapeau de robinet 11. La figure 2 montre un embout 10 qui est ré lié à la canalisation non représentée, recouverte d'isolant thermique, et est orienté de façon que l'orifice de déversement 1D soit dirigé vers le bas. L'eau arrivant par l'entrée la passe en majeure partie directement dans la chambre inférieure 1C ménagée dans le corps 1, par le tuyau 4, mais en partie aussi dans la chambre supérieure 1B du corps à travers la section de gel, refroidie par rayonnement du fait qu'elle est en métal bon conducteur de la chaleur. - La poignée tournante 3, en résine synthétique telle que chlorure de polyvinyle dur, est montée au-dessus du corps 1, pour recouvrir en coupole sa partie supérieure, et fixée à un arbre métallique creux 12, vertical, vissé dans le chapeau métallique 11 qui referme hermétiquement la chambre supérieure IB. L'arbre 12 est taraudé de son sommet jusqu'un peu au-delà de la moitié de sa hauteur. Un ressort 20, logé dans l'arbre creux 12 de la poignée, porte par son sommet contre une vis de réglage 22 logée dans le taraudage de l'arbre 12 et par sa base contre un tampon taraudé 21, bloqué sur la tige 18 d'un disque 16 ; on règle la force de rappel exercée par le ressort 20 en agissant sur la vis de réglage 22. Le disque ou opercule mobile 16, muni d'une garniture étanche en caoutchouc 16a, présente une tige centrale 18 qui pénètre dans l'arbre creux 12 de la poignée, avec interposition d'un joint#to- rique 19. Le disque 16 a un diamètre supérieur à celui de la tige de la soupape 13 et inférieur à celui d'un piston d'obturation 17, ce qui ménage un interstice ds destiné à transmettre la variation de la pression régnant dans la chambre supérieure 1B. C'est le piston d'obturation 17 qui divise le corps 1 en deux chambres, supérieure 1B et inférieure 1C ; comme le montrent les figures 2 et 4, ce piston est muni sur son pourtour d'un joint torique 23 et dans son alésage d'un joint torique 24 dans lequel la tige de soupape 13 est insérée de manière étanche et mobile axialement. Comme le montre la figure 3, le piston d'obturation présente dans sa face supérieure des rainures 17a ménageant des passages entre le piston 17 et la garniture étanche 16a de l'opercule 16, et empêchant le piston de coller à la garniture. La tige 13 de la soupape de déversement est creuse et présente dans sa partie supérieure deux ou plusieurs petites encoches 13a. La profondeur de ces encoches 13a est sensiblement égale à l'amplitude de la course du piston d'obturation 17 (limitée comme décrit ci-dessous par un doigt d'arrêt 26) et l'eau présente dans la chambre supérieure 1B se déverse à l'extérieur à travers ces encoches et l'intérieur de la t'ge de soupape 13 quand le piston 19 s'enfonce du fait d'une hausse de la pression d'eau régnant dans la chambre supérieure 1B. Les encoches 13a sont décalées par rapport aux rainures 17a du piston 17 pour éviter des fuites d'eau. La tige de soupape 13 est munie d'un doigt d'arrêt 26 qui la traverse au-dessous du piston 17 et la course précitée du piston a une amplitude, d'environ 1,6mm, égale à la distance#séparant 10 doigt 26 de la face inférieure du piston 17. Deux brides à écrous 25, fixées sur le disque 16, traversent la garniture en caoutchouc 16a et le piston 17 et reçoivent les deux extrémités du doigt 26, qui limite ainsi la course descendante du piston à 1,6 mm. La tige de soupape 13 est munie à la base d'une soupape de déversement- en caoutchouc 15, portant contre un siège 14 formé dans l'orifice de déversement 1D, à travers lequel l'eau se déverse en régime de commande manuelle du déversement. Le tronçon du chapeau métallique 11 qui-est vissé dans l'arbre creux 12 de la poignée est prolongé en 28 vers le bas dans la chambre supérieure 1B et sa partie inférieure est en contact étanche avec la partie inférieure de l'arbre 12, grace à un joint torique 27. Ce prolongement inférieur 28 du chapeau métallique 11 présente en 29 un filetage sur lequel est vissé un manchon métallique taraudé 30, qu'on peut régler verticalement pour ajuster l'air de transmission de chaleur exposée.Ce réglage a pour but d'ajuster la vitesse de refroidissement de l'eau statique présente dans la chambre supérieure 1B, par réglage de l'aire métallique de rayonnement de chaleur, selon la rigueur du climat régnant dans la région dtutilisation du robinet, de façon à éviter tout risque de voir l'eau contenue dans la chambre supérieure 1B geler avant celle contenue dans la section de gel 2 ou l'eau présente dans la chambre inférieure 1C refroidir plus vite que celle présente dans la chambre supérieure 1B. Au lieu de prévoir ce mécanisme d'ajustement. de la vitesse de refroidissement, on peut aussi réaliser une partie du corps 1 en métal recouvert d'un collier manchon permettant de régler 1' aire métallique exposée (variante non illustrée). La section de gel 2 est muni d'un obturateur à commande par gel 33, agencé pour geler avant toutes les autres pièces afin d' interdire l'écoulement et pour rétablir l'écoulement quand la glace ainsi formée fond du fait d'un écoulement d'eau. Les figures 6 et 7 illustrent un mode préféré de réalisation de l'obturateur 33 interposé dans la section de gel 2. Comme expo sé à propos de la figure 1, la section de gel 2 est interposée sur le tronçon de tuyau reliant la chambre supérieure à l'entrée 1A. Comme représenté sur la figure 6, la section de gel 2 comprend un cylindre métallique 31, exposé à l'atmosphère froide, qui peut être muni d'éléments d'échange de chaleur tels qu'ailettes ou tiges rayonnantes 32 (figure 2) saillant dans l'air ambiant pour faire geler la section de gel 2 avant toutes les autres parties du robinet. L'obturateur 33 est disposé en travers du trajet emprunté par l'eau dans la section de gel 2 et présente un trou central 34a et plusieurs trous périphériques 34b permettant à l'eau de le traverser quand la section 2 n'est pas gelée. Par choix judicieux du diamètre du trou central 34a ainsi que du diamètre et du nombre de trous périphériques 34b, on peut ajuster non seulement le délai de gel, mais aussi, dans une certaine mesure, la périodicité de remplacement de l'eau, correspondant au délai qui s'écoule entre deux temps de gel consécutifs du cycle opératoire : geldéversement en 1B - déversement en 1C - arrivée d'eau - dégel état statique - gel.L'obturateur 33 représenté à titre d'exemple sur les figures 6 et 7 présente deux faces paraboliques afin que la couche de glace formée soit relativement uniforme, le gel et le dégel aisés et que les effets d'interruption et de rétablissement de l'écoulement par l'obturateur 33 soient positifs. Pendant le temps de gel, la glace commence à se former sur le pourtour de l'obturateur 33, en contact direct avec les éléments d'échange de chaleur 32, et intercepte en dernier lieu le trou central 34a. Au voisinage immédiat du trou central 34a de 11 obturateur à -faces paraboliques 33, la glace se forme à l'état de givre tendre, présentant de fines lacunes, et l'on peut exploiter ce phénomène en faisant intercepter le trou central 34a et les trous périphériques 34b par de la glace tendre facile à fondre, pendant le temps de gel, ce qui permet de fondre efficacement la glace, ensuite, par écoulement d'une faible quantité d'eau. Lorsqu'en variante, on prévoit dans la section de gel un obturateur 33 rectangulaire on constate que, du fait qu'elle commence à se former sur le pourtour, la couche de glace va s'amincissant en ménisque biconcave vers le centre. Si l'on prévoit de préférence un obturateur 33 à faces paraboliques, c'est parce que cette forme correspond à celle naturellement prise par la glace et permet d'obtenir plus facilement le givre tendre précité. On va maintenant décrire le fonctionnement du robinet à protection automatique contre le gel selon le mode de réalisation préféré. D'abord, l'eau présente dans ce robinet se.refroidit à mesure que la température ambiante baisse, puis celle contenue dans la section de gel 2 commence à geler en premier lieu sous 1' action de l'air froid ambiant, parce que la section 2 est en métal conducteur de la chaleur. Après celle contenue dans la section de gel 2, l'eau la plus froide est celle contenue dans la chambre supérieure 1B parce que le chapeau 11, ainsi que le manchon réglable 30, sont aussi en métal#conducteur de la chaleur. Quand l'eau a gelé dans la section de gel 2, ce qui isole hermétiquement la chambre supérieure 1B, la pression d'eau augmente rapidement dans la chambre supérieure 1B, à une température inférieure à LCOC, à mesure que l'eau contenue dans cette chambre se refroidit, tandis que la pression d'eau régnant dans la chambre inférieure 1C demeu re la même que dans la canalisation, du fait que la chambre 1C est reliée à cette canalisation par le tuyau 4. En conséquence, la pression d.'eau étant plus forte dans la chambre supérieure 1B que dans la chambre inférieure 1C, le piston obturateur 17 descend jusqu a la fin de course définie par le doigt d'arrêt 26, tandis que l'.opercule 16 demeure en position initiale. En conséquence, le piston 17 est séparé de l'opercule 16 par une distance correspondant à l'amplitude de sa course descendante et les encoches de déversement 13a se trouvent démasquées, bien que l'opercule 16 demeure appliqué contre le sommet de la tige 13 de la soupape de déversement, et l'eau froide contenue dans la chambre supérieure 1B se déverse alors par lés encoches 13a et par l'intérieur de la tige creuse 13. Après déversement de l'eau contenue dans la chambré supérieure 1B, la pression d'eau régnant dans cette chambre baisse rapidement et devient inférieure à celle régnant dans la chambre inférieure 1C, qui est égale à la pression d'eau de la canalisation. En conséquence, à ce stade, le piston 17 remonte sous l'effet de l'écart de pression d'eau entre les chambres supérieure 1B et inférieure 1C, puis cet écart - devenant supérieur à la force engendrée par le ressort de rappel 20 - soulève l'opercule 16 et la soupape de déversement 15, de sorte que l'eau froide présente dans la chambre inférieure 1C se déverse et est remplacée par de l'eau moins froide provenant de la canalisation, qui en s'écoulant fond la glace interceptant la section de gel 2, de l'eau pénétrant alors dans la chambre supérieure 1B.La pression d'eau régnant dans la chambre inférieure 1C baisse du fait du passage du régime statique au régime d'écoulement, celle régnant dans la chambre su périeure 1B est exactement égale à celle régnant dans la canalisation et l'écart entre ces deux pressions ramène l'opercule 16 et la soupape 15 en positions hautes initiales. Ce nouvel état statique de l'eau se maintient jusqu a ce que l'obturateur à action par gel 33 intercepte à nouveau la section. de gel 2, à l'aide de glace formée sous l'action de l'air froid ambiant, un nouveau délai s1 écoulant ainsi avant que le gel ne s'amorce à nouveau. Alors, quand l'obturateur 33 est à nouveau fermé par de la glace, il y a répétition automatique du cycle décrit : gel-déversement en 1B - déversement en 1C - arrivée d'eau dégel - état statique - gel. Four assurer par manoeuvre manuelle classique un déversement d'eau à l'aide du robinet selon l'invention, à protection auto matique contre le gel, on fait tourner la poignée 3 afin de soulever la soupape 15 juste dans-la mesure voulue- pour obtenir le déversement désiré. On va maintenant indiquer des résultats obtenus pendant fonctionnement expérimental d'un robinet selon l'invention dans une chambre frigorifique à une température de -150C. Quand l'eau utilisée est à l30C, on note les résultats suivants - Délai écoulé jusqu'au premier déversement : environ 45 mn. - Durée du déversement : environ 20 s. - Volume unitaire déversé : environ 1,0 1. Le robinet expérimental a un fonctionnement très stable et ne présente pas de fuites. Le volume déversé étant réglable, on l'ajuste de préférence pour assurer tout juste le remplacement de l'eau qui remplit le tronçon de tuyau vertical. Comme exposé en détail, l'invention permet d'éviter automatiquement le gel total d'une conduite d'eau par déversement automatique, en un temps bref, d'une -faible quantité d'eau sur le point de geler, ce qui assure un échange de chaleur et le remplacement, dans le robinet, d'eau statique par de l'eau en cours d'écoulement. Légende des dessins. 1 : corps de robinet 1A : entrée d'eau 1B : chambre supérieure 1C :chambre inférieure 1D : orifice de déversement d'eau 2 : section de gel 3 : poignée 4 : tuyau de jonction 10 : embout de raccordement 11 : chapeau 12 :arbre creux de la poignée 13 : tige de la soupape 13a: encoches 14 : siège de la soupape 15 : soupape de déversement 16 : opercule mobile 16a : garniture étanche t :' interstice 17 : piston d'obturation 17a: rainures 18 : tige de l'opercule 16 19 : joint torique 20 : ressort 21 : tampon taraudé 22 : vis de réglage 23 : joint torique 24 : joint torique 25 : brides à écrou 26 : doigt d'arrêt 27 :joint torique 28 : prolongement du chapeau 29 :filetage 30 : manchon métallique 31 : cylindre métallique 32 : ailettes ou tiges 33 : obturateur à action par rayonnantes d'échange gel de chaleur 34a: trou central 34b : trous périphériques. REVENDICATIONS 1) Robinet de distribution d'eau protégé contre le gel, caractérisé en ce qu'il comporte un corps, en matière peu conductrice de la chaleur, divisé en deux chambres, supérieure et inférieure, par un piston d'obturation ; une section de gel interposée entre la chambre supérieure et un embout de raccordement à' la canalisation de distribution d'eau ; un tuyau de jonction reliant la chambre inférieure audit embout ; une poignée, surmontant la chambre supérieure, munie d'un arbre creux 12, cet arbre pénétrant dans un chapeau en métal conducteur de la chaleur qui présente un prolongement inférieur situé dans la chambre supérieure et repose sur le sommet du corps ; un opercule, muni d' une garniture étanche, présentant une tige qui pénètre dans 1' arbre de poignée avec interposition d'un joint torique, son autre extrémité étant vissée dans un tampon taraudé 21 ; un ressort interposé entre ce tampon taraudé et une vis de réglage vissée dans l'arbre de poignée creux ; un piston d'obturation coulissant, muni de joints toriques logés, l'un, dans son pourtour et, l'autre, dans son alésage qui reçoit la tige d'une soupape de déversement, ce piston pouvant décrire une course descendante d'amplitude définie par la distance qui sépare la face inférieure du piston d'un doigt d'arrêt traversant la tige de la soupape, les deux extrémités de ce doigt d'arrêt pénétrant dans deux brides à écrou qui sont fixées sur l'opercule et traversent ladite garniture étanche et ledit piston d'obturation, la tige de soupape présentant au sommet deux ou plusieurs petites encoches et portant à la base la soupape de déversement, la tige de poignée creuse, filetée, étant vissée dans la partie supérieure du chapeau, taraudée, et en contact étanche avec le prolongement inférieur du chapeau grtce à un oint torique, de sorte qu'en tournant la poignée, on soulève la soupape de déversement - par l'intermédiaire du tampon taraudé, de la tige d'opercule et de l'opercule, du piston d'obturation et de la tige de soupape - pour assurer le déversement désiré. 2) Robinet selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section de gel est muni d'un ou plusieurs éléments d'échange de chaleur et d'un obturateur à action par gel qui présente un trou central, deux trous périphériques et des faces d'amont et d'aval paraboliques. 3) Robinet selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le prolongement inférieur du chapeau présente un filetage sur lequel est vissé un manchon taraudé qu'on peut régler verticalement pour faire varier l'aire de transmission de chaleur exposée. 4) Robinet selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le piston d'obturation présente dans sa face supérieure deux ou plusieurs rainures qui ménagent des passages entre ledit piston et la garniture étanche, en caoutchouc ou analogue, de 1' opercule et empochent le piston de coller à la garniture.