Brevet FR2312710A1 — publié le 19761224

L'invention concerne une vanne à étanchéité poussée, en particulier pour des applications de I'ultra-vide, comprenant un siège, un élément obturateur semblable à une rondelle Belleville coopérant avec ce siège et des moyens de butée pour l'élément obturateur. On trouve actuellement sur le marché des vannes convenant à des applications de l'ultra-vide qui utilisent un principe d'étanchéification selon lequel une arête d'étanchéité très dure d'un élément est pressée lors de la fermeture dans un élément d'étanchéité antagoniste fait d'un matériau relativement mou (d'or par exemple). Le nombre des fermetures susceptibles d'être effectuées avec une vanne utilisant ce principe est limité car l'élément d'étanchéité antagoniste susceptible de subir une déformation plastique présente après seulement quelques fermetures déjà des rayures ou des cannelures qui excluent par la suite la fermeture étanche à l'ultra-vide.L'élément d'étanchéité antagoniste en matériau plus mou doit donc être remplacé fréquemment, ce qui nécessite du travail a chaque fois et ce qui est coûteux, en particulier lorsque cet élément est en or. Le brevet des Etats-Unis d'Amerique nO 3.108.780 décrit une vanne correspondant à la définition donnée dans le premier paragraphe du présent mémoire. Cette vanne comprend un siège cylindrique et le mouve medt de son élément obturateur semblable è une rondelle Belleville est q limité. par une butée. Pendant la fermeture de cette vanne connue, élément obturateur est tout d'abord déplacé jusqu'à la butee mais son bord extérieur n'est pas encore en contact à ce moment avec le siège cylindrique.Pour la fermeture complète de la vanne, élément obturateur est ensuite pressé contre la butée de sorte que l'élément obturateur s'aplatit, ce qui entraine l'augmentation de son diamètre extérieur et l'enfoncement de son bord extérieur vif dans le siège, ce qui produit la fermeture hermétique. Cette vanne connue a également l'inconvénient que le nombre des fermetures est limité en raison de la formation de cannelures dans le siège. Le remplacement de ce siège est très difficile et coûteux du fait qu'il est réalisé en une seule pièce avec le corps de vanne.Le brevet cité ci-dessus propose donc de rendre la butée pour l'élément obturateur réglable et de permettre ainsi l'application du bord d'étanchéité extérieur de l'élément obturateur contre une autre partie du siège lorsque la formation d'une rainure dans une partie utilisée précedemment empêche la fermeture hermétique. Quoique cette mesure prolonge la durée de service de la vanne dans certaines limites, la dépense supplémentaire qu'occasionne la prévision d'une butée réglable est relativement élevée. De plus, cette mesure n'élimine pas le problème du remplacement du siège, remplacement qui devient néanmoins nécessaire au bout d'un certain temps. L'objet de l'invention est une vanne telle que définie au début mais qui ne présente pas les inconvénients décrits. Une vanne selon l'invention est essentiellement caractérisée en ce que le siège possède une forme conique telle qu'il constitue en même temps une butée pour l'élément obturateur et en ce que l'élément obturateur et le siège sont faits de matériaux relativement durs. Ces mesures permettent de se dispenser de moyens de butée coûteux. I1 n'est pas davantage nécessaire de prévoir des dispositifs mécaniques particuliers pour aplatir et augmenter ainsi le diamètre extérieur de la rondelle élastique bombée à sa position de fermeture. L'aplatissement de la rondelle élastique bombée dans une vanreselon l'invention s'effectue par la poursuite du mouvement de fermeture de la tige de la vanne.Si, par exemple, cette tige est filetée, l'application à la tige d'un couple de rotation relativement faible permet de presser le bord extérieur de la rondelle avec une grande force contre le siège. La demanderesse a constaté avec étonnement que, même après plus de mille fermetures, une vanne ainsi réalisée est encore capable d'assurer une fermeture convenable pour des applications de l'ultra-vide (jusqu'à 10'10 torr). Même des encrassements provoqués volontairement avec de la poussière de charbon n'ont pas pu entamer de façon sensible cette excellente qualité de l'étanchéité. Le mécanisme d'obturation selon l'invention s'est avéré particulièrement avantageux pour des ouvertures nominales relativement grandes (d'un diamètre de passage libre de plus de 60 mm par exemple).Une vanne selon l'invention réunit par conséquent toutes les qualités que doit avoir une vanne convenant à des applications de l'ultra-vide : grande robustesse, facilité de nettoyage, possiblité d'utilisation à des températures relativement élevées gracie à ltemploi exclusif de métaux et longue durée de service. Sa construction est en outre très simple. Dans un mode de réalisation avantageux d'une vanne selon l'invention, le demi-angle du cône formé par le siège est compris entre 5 et 50 et est de préférence de 150. La partie annulaire - formant le bombement et susceptible d'entre aplatie- de l'élément obturateur est avantageusement orientée sous un angle compris entre 5 et 30 par rapport au plan défini par le bord extérieur de l'élément obturateur, cet angle étant de préférence de 200. Des essais ont en effet démontré que de telles grandeurs pour ces angles sont particulièrement avantageuses. Selon une autre caractéristique de llinvention, l'élément obturateur est fait d'un matériau ayant la dureté d'écrouissage et possédant une excellente résistance à la corrosion, de préférence d'un alliage de nickel ayant une teneur en nickel de plus de 35 7. et contenant en outre du chrome, du cobalt et d'autres éléments d'alliage comparables. I1 est possible aussi d'utiliser d'autres alliages qui se caractérisent par une grande dureté, une résistance à la traction élevée et, en même temps, par une excellente aptitude à la déformation plastique. Conne matériau pour le siège, on peut utiliser un matériau qui est soit légèrement plus dur soit légèrement plus mou que celui de élément obturateur. Les matériaux connus sous le nom de "Stellites", dont les principaux éléments d'alliage sont le cobalt, le chrome et le tungstène, conviennent particulièrement pour un siège légèrement plus dur que l'obturateur. Les alliages d'acier fin comme composant principal et de chrome, nickel; molybdène et/ou titane, qui possèdent également une excellente résistance à la corrosion, conviennent pour des sièges légèrement plus mous que les éléments obturateurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une coupe axiale d'une vanne à clapet selon l'invention; - les figures 2 et 3 sont des coupes longitudinales, respectivement à l'état d'ouverture et à l'état de fermeture, d'une vanne à tiroir selon l'invention; et - la figure 4 est une coupe axiale partielle d'une vanne à clapet selon l'invention qui est munie d'un dispositif particulier de protection contre la corrosion. La figure 1 ne montre que les parties essentielles d'une vanne d'équerre à clapet selon l'invention. Elle comprend une tige 1, un corps 3 en deux parties qui sont maintenues ensemble par des boulons 2, un orifice d'admission 3a et un orifice de sortie 3b. L'axe de la vanne est désigné par 4. Le siège est formé d'un anneau 5 encastré partiellement dans chacune des deux parties du corps 3 et pourvu d'un passage axial dont une partie longitudinale forme un c8ne dont le demi-angle est désigné par a. La tige 1 porte un embout o sur lequel est fixé un élément obtu rateur 7 semblable à une rondelle Belleville ou rondelle élastique bombée dont le bord est tourné vers le cône formant le siège proprement dit. L'élément obturateur 7 est fixé sur l'embout 6 au moyen d'une vis 8 et d'une rondelle interposée 9. L'embout 6 présente une rainure annulaire 10 recevant u9 joint métallique ll qui est également appliqué contre ltélé- ment obturateur 7 et qui assure l'étanchéité de la fixation de l'élément obturateur sur l'embout. Il est possible aussi de souder l'élément obturateur 7 sur l'embout 6, auquel cas la rainure 10 et le joint 11 pourraient être supprimés.La vanne est représentée à sa position fermée, où l'angle B entre la partie annulaire ou jupe - formant le bombement et susceptible d'être aplatie - de l'élément obturateur 7 est orientéesous un angle d'environ 200 par rapport au plan défini par le bord extérieur de cette jupe, c'est-à-dire de l'élément obturateur 7. Ce bord extérieur, formant le bord d'étanchéité proprement dit, est arrondi. Les phénomènes de frottement entre ce bord et le siège sont ainsi réduits au minimum. La formation de rayures ou de cannelures est également évitée. Lors de la fermeture de la vanne qui vient d'être décrite, là tige 1 portant l'élément obturateur 7 est déplacée en direction du siège 5 jusqu'à ce que le bord extérieur de l'élément obturateur 7 s'applique contre ce siège. Le déplacement de la tige 1 ne s'arrente pas à cet instant mais se poursuit encore sur une faible distance dans le même sens, ce qui a pour effet que le bord extérieur de l'élément obturateur 7 est pressé avec une grande force contre le siège 5. L'élément obturateur 7 de la vanne à tiroir représenté schématiquement sur les figures 2 et 3 est fixé sur une plaque 12 avec laquelle il constitue un plateau d'étanchéité 13. L'élément obturateur 7 est fixé sur la plaque 12 au moyen d'un disque 14 et de plusieurs vis 15. Cette fixation pourrait également être remplacée par une soudure par exemple. Comme dans Itexemple de la figure 1, la fixation de l'élément obturateur 7 sur son support comprend un dispositif d'étanchéité constitué d'une rainure 10, ménagée ici dans la plaque 12, et d'un joint annulaire d'étanchéité métallique ll place dans cette rainure. Le plateau d'étanchéité 13 est couplé de façon en soi connue par des ressorts de rappel 16 à un plateau d'appui 17. Entre le plateau d'étanchéité et le plateau d'appui se trouve en outre un mécanisme d'écartement qui est désigné dans son ensemble par 18 et qui est manoeuvré au moyen d'une tige de commande 19. Lors de la fermeture de cette vanne, les plateaux 13 et 17 sont tout d'abord déplacés en direction des butées 20 et 21 au moyen de la tige de commande 19. Le mouvement de la tige 19 se poursuivant après l'application des plateaux contre les butées 20 et 21, le plateau 17 est poussé contre le corps 3 et l'élément obturateur 7 est poussé contre le siège 5. Un léger déplacement supplémentaire de la tige 19 provoque ensuite l'augmentation de ltécartement des plateaux par le mécanisme d'écartement 18 et le pressage du bord extérieur de l'élément obturateur contre le siège 5 avec une force élevée. Le siège conique 5 de cet exemple n'est pas formé par un anneau particulier mais fait directement partie du corps 3. Le siège 5 de la vanne représentée sur la figure 4 est également réalisé directement dans le corps de vanne 3 et est également doté d'une forme conique, conformément à l'invention. La vanne de cet exemple est une vanne à clapet comme celle de la figure 1 mais elle s'en distingue essentiellement par la présence d'une coupelle 22 servant à la protection de l'embout 6 et de l'élément obturateur 7 contre la corrosion. Cette coupelle est soudée de façon étanche au vide sur une bague profilée 23, sur le côte opposé de laquelle est soudé un soufflet 24 servant à la séparation étanche de l'espace intérieur de la vanne par rapport à sa partie centrale contenant la tige 1. La bague profilée 23 est montée avec une possibilité de mouvement limité au moyen d'une rondelle Belleville 25 sur l'embout 6.La rondelle 25 est maintenue en place autour de l'embout 6 par une bague de retenue 26 et est engagée par son bord extérieur dans un rentrant 27 de la bague profilée 23. La bague de retenue 26 est maintenue en place dans une gorge circulaire extérieure 28 de l'embout 6, dans laquelle est maintenu également le bord intérieur de l'élément obturateur 7 en forme de rondelle élastique bombée. Cette gorge est formée de façon avantageuse par la réalisation du tronçon inférieur de l'embout 6 sous forme d'une partie tubulaire 29 dont le diamètre extérieur est réduit par rapport à la partie restante de l'embout 6 et, après la mise en place de la bague de retenue 26 et de l'élément obturateur 7 sur cette partie tubulaire, par le rabattement vers l'extérieur du petit bout 30 qyi dépasse après cela de l'élément obturateur. La coupelle 22 est faite d'un métal possédant une certaine élasticité, de préférence d'acier fin. La bague de retenue 26 présente un talon 31 qui est dirigé vers l'élément obturateur 7 et qui est destiné à empêcher le repliage de ce dernier vers la tige 1. REVENDICATIONS 1. Vanne à étanchéité poussée, en particulier pour des applications de l'ultra-vide, comprenant un siège, un élément obturateur semblable à une rondelle Belleville coopérant avec ce siège et des moyens de butée pour l'élément obturateur, caractérisée en ce que le siège possède une forme conique telle qu'il constitue en même temps une butée pour l'élément obturateu et en ce que l'élément obturateur et le siège sont faits de matériaux relativement durs. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le demi-angle du cône formé par le siege est compris 5 et 50 et est de préférence de 150. 3. Vanne selon la revendication lou 2, caractérisée en ce que la partie annulaire - formant le bombement et susceptible d'être aplati de l'élément obturateur est orientée sous un angle compris entre 5 et 300 par rapport au plan défini par le bord extérieur de l'élément obturateur, cet angle étant de préférence de 200. 4. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 å 3, caractérisée en ce que l'élément obturateur est fait d'un matériau ayant la dureté d'écrouissage et possédant une bonne résistance à la corrosion, de préférence d'un alliage de nickel ayant une teneur en nickel de plus de 35 Z et contenant en outre du chrome et/ou du cobalt. 5. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 & caractérisée en ce que le singe est en Stellite. 6. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le siège est fait d'un alliage d'acier fin et de chrome, nickel, molybdène et/ou titane. 7. Vanne selon l'une quelconque des revendications là 6, caractérisée en ce que l'élément obturateur est fixé par soudage. 8. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'élément obturateur est fixé au moyen d'un dispositif de fixation et d'étanchéité comprenant une ou plusieurs vis et au moins un joint annulaire d'étanchéjté en métal. 9. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle est réalisée sous forme d'une vanne d'équerre. 10. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 a 8, caractérisée en ce qu'elle est réalisée sous forme d'une vanne à tiroir. 11. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le bord extérieur de élément obturateur est arrondi. 12. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend une coupelle protectrice faite d'un métal élastique (de préférence d'acier fin) qui assure une séparation étanche entre l'élément obturateur et l'espace intérieur de la vanne. 13. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle comprend une butée en regard de la face arrière de l'élément obturateur.