Brevet FR2287633A1 — publié le 19760507

La présente invention est relative à une vanne à membrane. On sait que l'on fait fréquemment appel à de telles vannes, notamment dans l'industrie chimique et dans les industries de 1 t eau, en raison de leur simplicité de conception, de leur entretien réduit, de leur bonne étanchéité et de la simplicité des asservissements possibles. Ces vannes sont généralement constituées essentiellement d'un corps de vanne, définissant intérieurement une chambre accew ble par un orifice amont et par un orifice aval, et une membrane imperméable susceptible de venir s'appliquer sur un siège que pré- sente le dit corps, à l'intérieur de la dite chambre, au moins entre les dits orifices.La membrane est généralement maintenue au niveau de sa périphérie par pincement entre le corps de vanne et une tête de vanne, laquelle comporte un sabot de pression appui qué contre la membrane, à l'extérieur de la chambre, et des moyens pour manoeuvrer le dit sabot tt la membrane entre une position de fermeture et une position d'ouverture des orifices, dans laquelle la membrane est respectivement appliquée ou non sur son siège par le sabot. Actuellement, le sabot de pression et le siège de la membrane présentent, vus en plan, la forme d'étoiles d'un relief com plémentaire, qui assure un pincement efficace de la membrane entre eux en position de fermeture. Malheureusement, de telles formes présentent l'inconvénient de favoriser un éclatement de la membrane, avec les fuites qui s'en suivent, du.- fait que cette membrane est insuffisamment maintenue au niveau du sabot et a tendance, sous l'action de la pression dans la chambre, à gonfler entre les branches de 1 'étoile dessinée par celui-ci, ce qui provoque son cisaillement rapide à ce niveau. Un autre inconvénient des vannes à membrane actuellement connues réside dans la possibilité de fuites au niveau de la périphérie de la membrane, les déformations de celle-ci consécutives à son déplacement entre sa position d'ouverture et sa position de fermeture provoquant à ce niveau un fluage dont l'effet est de provoquer un dégagement progressif de la membrane, généralement constituée par un disque de caoutchouc ou d'un matériau similaire simplement pincé à sa périphérie entre la tête de vanne & le corps de vanne.Ce phénomène de fluage s'accentuant lorsque la cadence d'ouverture et de fermeture de la vanne croit, ces fuites périphé riques peuvent intervenir très rapidement, et les opérations d'entretien d'une vanne soumise à un régime de manoeuvre intensif sont nombreuses, limitant l'intérêt que peuvent présenter de telles vannes dans ce cas, malgré leur grande simplicité de réalisation et d'entretien. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un nouveau type de vanne à membrane qui, tout en conservant les qualités connues de telles vannes, se caractérise par un maintien aussi bon que possible de la membrane à la fois à sa périphérie et au niveau où elle s'appuie sur le sabot de pression. La membrane de la vanne selon l'invention étant en total appui sur des parties positives, qu'elle soit en position d'ouverture ou en position de fermeture, aucun gonflement intempestif ni aucun poinçonnage de la membrane par le sabot n1 est plus à craindre. La membrane étant de préférence pré contrainte de fanon à présenter, outre la zone périphérique destinée à sa fixation, une zone centrale appliquée en permanence contre le sabot de pression et une zone intermédiaire se déformant élastiquement lors de la manoeuvre, les contraintes dans la membrane dues à la compression et au retournement sont dissociées, et la fatigue qui en résulte amoindrie. L'élasticité dans la zone de retournement, limitée à la zone intermédiaire, s'en trouve également améliorée. En outre, le bon maintien de la membrane dans sa zone centrale permet de réduire sa course maximale à section de passage égale, en position d'ouverture, ce quipermet de réduire 1 1encom- brement des dispositifs de manoeuvre et évite de plus des distorsions trop prononcées dans la membrane. La durée de vie d'une membrane de vanne selon l'invention est par conséquent beaucoup plus longue que celle d'une vanne classique, et les risques de fuites consécutives à une détérioration de la membrane sont considérablement amoindris. Les risques de fuite entre le corps et la tête i vanne sont également moindres dans le cas de la vanne selon l'invention étant donné que, selon un mode de réalisation préféré i celle-ci, la membrane présente, dans sa zone périphérique, un cordon périphérique engagé dans une gorge que présentent à cet effet le corps et la tête de vanne. Ce cordon jose à ce niveau le rôle d'un joint torique ; il présente en outre l'intérêt d'interdire tout dégage ment de la périphérie de la membrane, restant fixe quelles que soient les sollicitations auxquelles est soumise celle-ci. La vanne à membrane selon l'invention, comportant - un corps de vanne définissant intérieurement une chambre accessible par un orifice amont et par un orifice aval, - une membrane imperméable susceptible de venir s'appliquer sur un siège que présente le dit corps, à l'intérieur de la dite chambre, au moins entre les dits orifices, - une tête de vanne, comportant un sabot de pression appli qué contre la membrane, à 1'extérieur de la chambre, et des moyens pour manoeuvrer le dit sabot et la membrane entre une position de fermeture et une position d'ouverture des dits orifices, dans lesquelles la membrane est respectivement appliquée ou non sur son siège par le sabot, est caractérisée en ce que, respectivement en position de fermeture et en position d'ouverture, la membrane est en appui total soit sur son siège, soit sur le sabot de pression et la tête de vanne. L'invention sera mieux comprise si l'on se réfère à la description ci-dessous, relative à un mode de réalisation non limi tatif de la vanne, ainsi qu'au dessin annexé, qui fait partie intégrante de cette description. La figure unique montre deux demi-vues d'une vanne selon l'invention en coupe axiale, respectivement en position dAouver- ture totale et en position de fermeture totale. Cette figure montre en 1 le corps de vanne, qui se présente ici sous la forme d'une cuvette plate 2, de révolution autour d'un axe vertical 3, dans le fond de laquelle débouchez; respectivement par un orifice amont 4 et par un orifice aval 5, deux coudes 6 et 7 symétriques par rapport à cet axe 3 et reliant l'intérieur de la cuvette 2 à une canalisation horizontale (non représentée ici), à laquelle ils sont reliés par tout moyen connu, et par exemple par des brides de raccordement ou par des manchons tarau dés. Cette cuvette 2 délimite intérieurement, avec une membrane souple 8 dont la périphérie repose sur son bord supérieur 9, qui est ici horizontal , une chambre étanche 10 accessible uniquement par les orifices 4 et 5. Comme il est connu, la membrane 8 est susceptible de se mouvoir à l'intérieur de a chambre 10, sous l'action d'un ensemble de manoeuvre logé dans une tête de vanne 11 reposant également sur le bord 9 de la cuvette 2, de façon à dégager totalement les orifices 4 et 5 en leur permettant de communiquer via la chambre 10, ou encore de façon à interrompre la communication entre ces deux orifices en s'appliquant sur un siège que présente à cet effet, au moins entre eux, le fond de la cuvette 2 : on a représenté à ]a figure unique, respectivement dans la partie gauche et dans la partie droite de celle-ci, les positions d'ouverture et de fermeture totales. Cette position de la membrane 8 est déterminée par celle d'un sabot de pression 12 agissant sur la face 13 de celle-ci autre que sa face 14 tournée vers la chambre 10 et vers les orifices 4 et 5. Ce sabot de pression 12, qui agit dans une zone centrale de la membrane, est susceptible d'une translation par rapport à l'axe 3, sous l'action de tout dispositif connu, et par exemple sous l'action d'un volant de manoeuvre horizontal 15, fixe en translation par rapport à la tête de vanne 11 mais monté à rotation autour de l'axe 3 zone ce volant 15 est solidaire, par exemple par l'intermédiaire d'une vis 16 formant clavette, d'un éonu 17 également axé sur l'axe 3, cet écrou 17 étant taraudé intérieurement complémentairement d'une tige filetée coaxiale 18, mobile en translation mais fixe en rotation, l'extrémité inférieure de cette tige 18 étant solidaire du sabot 12 par l'intermédiaire d'une goupille horizontale 19 ; le blocage du sabot 12 de la tige filetée 18 en rotation est assuré par des butées verticales telles que 20 du sabot 12, susceptibles de coulisser verticalement par rapport à des butées telles que 21 de la tête de vanne 11. Naturellement, ce dispositif de commande manuel, qui autorise aussi bien un fonctionnement en tout ou rien qu'un réglage du débit à travers la vanne, peut être remplacé par un dispositif à servomoteur électrique, qui offre en plus la possibilité d'une régulation du débit, ou par un dispositif hydraulique, par exemple à diaphragme, ne fonctionnant généralement qu'en tout ou rien. Naturellement, l'adoption de l'un ou l'autre de ces dispositifs de commande ne sortirait nullement de l'esprit de l'invention. Selon l'invention, lorsqu'elle se trouve respectivement en position de fermeture totale et en position d'ouverture totale, la membrane 8 est en appui total soit sur son siège 22, soit sur le sabot i pression 12 et sur la tête de vanne 11. A cet effet, la membrane 8 est précontrainte de façon à présenter, malgré sa souplesse, deux formes privilégiées qui cor respondent respettivement à sa position d'ouverture totale et à sa position de fermeture totale. Ici, la membrane comporte, outre sa zone périphérique 23 destinée à assurer sa fixation en s'intercalant entre le bord 9 de la cuvette 2 et la tête de vanne 11, une zone centrale 24 appliquée en permanence contre le sabot de pression 12, que lavanne soit en position de fermeture ou d'ouverture, ce sabot 12 présentant au contact de la face 13 de la membrane une face d'un profil complémentaire de la forme de celle-ci. La membrane 8 comporte en outre, entre ces deux zones 23 et 24, une zone intermédiaire 25 susceptible de se déformer lors de la manoeuvre de façon à permettre que la zone centrale 24 de la membrane vienne, lors de la fermeture, s'appliquer avec un minimum de déformations sur le siège 22, qui présente à cet effet un profil sensiblement complémentaire de celui que présente la face 14 de la membrane dans la zone centrale 24 de celle-ci. Dans l'exemple préféré illustré, le sabot présente, au contact de la face 13 de la membrane, une partie centrale convexe 26, au centre de laquelle l'extrémité inférieure 27 de la tige filetée 18, qui forme tenon, fflt noyée dans la membrane de façon à assurer son maintien contre le sabot 12 notamment lors du mouvement d'ouverture de la vanne, et une partie périphérique concave 28 se raccordant sans discontinuité à la partie centrale convexe 26. La tête de vanne, quant à elle, présente au contact de la face 13 de la membrane 8 une forme concave 29 prolongeant cette elle partie périphérique 28 du sabot 12, à laquelle se raccorde prati- quement sans discontinuité lorsque la vanne est en position d'ouverture totale. Le siège 22, quant à lui, présente un profil sensiblement complémentaire de celui du sabot 12, compte tenu de l'épais- seur de la membrane. Cette dernière, quant à elle, présente une forme précontrainte telle que sa face 13 soit complémentaire des parties centrale 26 et périphérique 28 du sabot 12 et de la face 29 de la tête de vanne 11 lorsque ltensemble est en position d'ouverture totale. Lors de la fermeture de la vanne, la chambre 10 étant remplie du fluide véhiculé par la canalisation, la zone 24 de la membrane en appui contre le sabot se déplace en translation par rapport à l'axe 3 jusqu'à venir au contact du siège 22, pratiquement sans déformation et sans subir de contrainte autre que des contraintes de compression, la déformation étant assurée par la zone intermédiaire 25, qui est quant à elle libre de prendre une position idéale entre la position d'ouverture totale et la position i fermeture totale, cette dernière constituant de préférence également un état stable de la membrane. De préférence, la membrane et ses différentes surfaces d'appui sont de révolution autour de l'axe 3, mais d'autres formes ne sauraient évidemment être exclues, comme par exemple des formes elliptiques. Les formes anguleuses sont de différence exclues, afin d'éviter la création de contraintes localisées trop importantes dans la membrane. Naturellement, la vanne qui vient d'être décrite est susceptible de nombreuses autres variantes sans que l'on sorte pour autant de l'esprit de l'invention. Par exemple, on a représenté un mode de réalisation préféré selon lequel la périphérie 23 de la membrane n'est pas simplement pincée entre la tête 11 et le corps 1, mais présente à ce niveau un cordon périphérique 30 engagé dans une gorge définie de part et d'autre de la membrane par le corps de vanne 1 et par la tête 11. Ce cordon 30 permet d'immobiliser parfaitement la zone périphérique 23 de la membrane, la tête de vanne étant fixée au cogs de vanne par exemple par boulonnage, et constitue en outre un joint torique autour de la chambre 10. On a également représenté, en 31, un dispositif indicateur de la position du sabot et de la membrane, constitué ici par une tige verticale prolongeant la tige filetée 18, dont elle est solidaire, cette tige 31 formant une saillie plus ou moins grande par rapport au volant 15 suivant que la vanne est plus ou moins ouverte. Les matériaux utilisés pour constituer les différents éléments d'une telle vanne peuvent être très variés, notamment en fonction de la nature du fluide à intercepter et des conditions mécaniques générales de travail de ces différents éléments. La membrane peut être réalisée en tout matériau souple imperméable susceptible de résister aux effets de la pression. Elle peut être réalisée par exemple en un élastomère armé d'un entoilage, cet élastomère pouvant être par exemple du caoutchouc, ou du butyl, ou de l'hyppalon, ou du néoprène, ou de 1lE.P.T. etc... Le corps de vanne, quant à lui, peut être réalisé en un alliage inoxydable, ou en acier moulé, ou encore en fonte. Pour ces deux derniers cas, on peut avoir recours à différents revêtements pour conférer aux surfaces en contact ave c le fluide une résistance chimique convenable : on peut pratiquer par exemple l'ébonitage, procédé consistant à coller sur toutes les parties du corps de vanne 1 en contact avec le fluide des feuilles de caoutchouc fortement souffrées puis à vulcaniser l'ensemble ; dans certains cas particuliers, on peut avoir recours également à des revêtements par projection type métallogène, ou par vitrification. Quant à la tête de vanne, qui n'est pas en contact avec le fluide véhiculé, elle n'a pas à présenter de résistance chimique particuliere et les matériaux employés peuvent être ceux qui assurent le meilleur rendement mécanique au prix de revient le moins élevé. Les directions "horizontale" et "verticale" auxquelles il est fait allusion dans le présent texte ne sauraient constituer une limitation quant à la position de la vanne, mais doivent être considérés comme une convention de dessin. REVENDICATIONS 1) Vanne à membrane, comportant - un corps de vanne définissant intérieurement une chambre accessible par un orifice amont et par un orifice aval, - une membrane imperméable susceptible de venir s'appliquer sur un siège que présente le dit corps, à l'intérieur de la dite chambre, au moins entre les dits orifices, - une tête de vanne comportant un sabot de pression appliqué contre la membrane, à l'extérieur de la chambre, et des moyens pour manoeuvrer le dit sabot et la membrane entre une position de fermeture et une position d'ouverture des dits orifices, dans lesquelles la membrane est respectivement appliquée ou non sur son siège par le sabt, caractérisée en ce que, respectivement en position de fermeture totale et en position dvouverture totale, la membrane est en appui total soit sur son siège, soit sur le sabot de pression et la tête de vanne. 2) Vanne selon la revendication 1, la membrane comportant une zone périphérique par laquelle elle est fixée au corps de vanne, caractérisée en ce que la membrane est précontrainte et comporte une zone centrale appliquée en permanence contre le sabot de pression, et une zone intermédiaire se déformant lors de la manoeuvre de la membrane de façon à permettre le dit appui total. 3) Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le sabot présente, au contact de la membrane, une partie centrale convexe et une partie périphérique concave se raccordant sans disconti nudité à la dite partie centrale, le siège présentant un profil com plémentaire, en ce que la tête de vanne présente, au contact de la membraneçune forme concave prolongeant la parte périphérique concave du sabot de pression lorsque celui-ci se trouve en position d'ouverture totale, et en ce que la forme précnntrainte i la membrane est telle qu'elle épouse exactement le dit profil du sabot et de la tête de vanne lorsqu'elle est en position d'ouverture totale. 4) Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la membrane présente, dans sa zone périphérique, un cordon périphérique engagé dans une gorge que présentent à cet effet le corps et la tête de vanne. 5) Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de manoeuvre du sabot et de la membrane comportent un dispositif vis-écrou entraîné manuellement au moyen d'un volant. 6) Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens de manoeuvre du sabot et de la membrane sont constitués par un vérin pneumatique. 7) Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens de manoeuvre du sabot et de la membrane sont constitués par un servo - moteur électrique.