Brevet FR2324963A1 — publié le 19770415

L'invention a pour objet une vanne. Dans certaines applications, il est nécessaire qu une vanne destinée à contrôler un débit de fluide n'ait, en dehors de sa fonction de contrôle, aucune influence sur le fluide tant au point de vue de sa température qu'au point de vue de la pollution du fluide par le ou les matériau(x) constitutif(s) de la vanne. G'est le cas, par exemple, d'une vanne destinée à contrôler le débit de vapeur de césium destinée à l'alimentation d'un propulseur ionique d'un engin aérospatial. Les appareils de la technique aérospatiale sont soumis pendant la phase de lancement à des vibrations violentes et fonctionnent ensuite dans un environnement très peu dense à très basse température. Pour certains d'entre eux, notamment les propulseurs à vapeur de césium, le césium, vaporisé à sa sortie du réservoir, ne doit rencontrer aucun point froid jusqu' au propulseur, qui provoquerait sa liquéfaction ou solidification partielle avec, comme conséquence, une perturbation dans la propulsion et des effets qui en sont attendus. Les conditions à remplir sont d'autant plus sévères que le propulseur est mis en route après un long séjour dans ltespace de engin qu'il équipe. D'autre part, on n t est pas parvenu jusqu a présent, après une phase de fonctionnement d'un propulseur au césium suivie d'une interruption volontaire du fonctionnement par la commande de la fermeture de la vanne, à remettre en route le propulseur, par une commande de réouverture de la vanne. Or, pour le pilotage d'un satellite équipé d'un propulseur ionique, il est avantageux que de telles commandes puissent être effectuées plusieurs fois pendant la vie du satellite. La vanne selon l'invention résout ces difficultés et pallie cette lacune. Elle satisfait mieux que les vannes connues jusqu'ici aux conditions qui sont souhaitées pour le contrôle de l'alimentation en vapeur de césium d'un propulseur ionique à partir du césium contenu à l'état liquide dans un réservoir d'engin aérospatial. La vanne selon l'invention est caractérisée par ce fait que, comprenant un diaphragme en tant qu'organe propre à éloigner un clapet de son siège, l'effort moteur s'exerçant sur le diaphragme est fourni par un changement d'état, sous une action thermique, d'un liquide volatil contenu dans une chambre dont le diaphragme constitue une paroi. L'invention prévoit de faire appel à l'augmentation de pression de vapeur saturante qui se produit dans une chambre contenant un corps liquide vaporisable sous l'effet d'un chauffage extérieur à la chambre, qui provoque le changement de phase d'une partie du corps de l'état liquide à l'état gazeux avec augmentation de la pression intérieure à la chambre. On peut ainsi obtenir le développement de forces de pression relativement très élevées. L'intervention même du chauffage en tant que facteur de commande d'ouverture de la vanne permet de porter l'ensemble de celle-ci à une température telle que le risque d'apparition de points froids dans le circuit reliant un vaporiseur de césium ou analogue à un propulseur ionique, est évité avec certitude. Selon un procédé d'utilisation, le moyen de chauffage est une résistance électrique et la vanne est, avant son ouverture, ou entre deux périodes d'ouverture, maintenue à une température pour laquelle la pression développée à l'intérieur de la chambre, quciqu 'insuffi- sante pour provoquer l'ouverture du clapet ou analogue, et au contraire suffisamment éloignée de ladite valeur pour assurer une étanchéité parfaite, est toutefois suffisamment proche de la température à laquelle l'ouverture de la vanne est réalisée, pour que cette dernière température puisse être rapidement atteinte avec une consommation relativement faible de courant. Cette réalisation est particulièrement bien adaptée aux applications aérospatiales, où l'énergie électrique est fournie par des cellules solaires qui ntont qu'une puissance instantanée disponible relativement faible. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 est une vue très schématique d'une installation comportant une vanne selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique d'une vanne selon l'inventkii; - la figure 3 est une vue d'une telle vanne, pour une forme de réalisation. Un réservoir A à césium liquide (figure 1) a son orifice de sortie B garni d'une mèche C qui, pour partie, plonge à l'intérieur du réservoir de césium, et pour partie est logée à l'intérieur d'une tubulure ou conduit D dont l'autre extrémité est abouchée à un ioniseur E faisant partie d'un moteur ionique F. A son raccordement au réservoir A, le conduit D est entouré par un fil de résistance électrique G, ainsi en regard de la partie de la mèche logée dans le conduit D, et c'est le passage d'un courant dans la résistance G qui assure la vapo risation du césium contenu dans cette partie de la mèche. C'est sur le conduit D qu'est interposée une vanne H. Celle-ci comprend un corps cylindrique il (figure 2) en acier inoxydable, se terminant par un fond 12, également en acier inoxydable. A l'intérieur du corps 11 est logé un dispositif de ressort 13 constitué, à la manière connue, par un empilage de rondelles tronconiques 14. La rondelle 141 s'appuie par son centre sur le fond 12 ; la rondelle 142, dont la concavité est tournée vers la concavité de la rondelle l4, s'appuie par sa partie périphérique sur la partie périphérique de cette dernière rondelle ; la rondelle 143 s'appuie par sa partie centrale sur la partie centrale de la rondelle 142 ; etc. La dernière rondelle 14n s'appuie par sa partie centrale sur un clapet 15 dont la queue 16 traverse les orifices centraux des rondelles 14 ledit clapet étant propre à coopérer avec un siège 17. Celui-ci est formé dans une cloison 18 et il met un forage 19 relié au réservoir A en communication avec la partie 21 du conduit D relié au vaporiseur E. La tige 22 d'un poussoir 23 traverse avec étanchéité un guidage 24 et elle est solidaire de la partie centrale d'un diaphragme 29 dont la partie périphérique 32, est soudée tant à la marge 33 de la tête 26 qui prolonge le corps 11, qu'à la marge en regard 34 d'un chapeau 35. Celui-ci se prolonge par un conduit 38 pour le remplissage par un liquide volatil, avantageusement du benzène, de la chambre 39 que limitent le chapeau 35 et le diaphragme 29. Le corps cylindrique 11 et la tête 26 sont entourés par une résistance électrique de chauffage 51. Une autre résistance électrique de chauffage 52 tapisse la face externe du fond 12. Une troisième résistance de chauffage 53 est en contact avec le chapeau 35 et le conduit 38. L'ensemble de la vanne est entouré par un écran thermique 55 avec un corps 56 et deux fonds 57 et 58. De manière courante, la vanne est, bien avant l'utilisation, maintenue à une température pour laquelle le benzène contenu dans la chambre 39 est liquide mais surmonté d'une vapeur dont la pression est à une valeur inférieure à celle requise pour assurer le décollement du clapet 15. Par exemple, seules les résistances électriques 51 et 52 sont alimentées à l'exclusion de la résistance 53. Pour commander l'ouverture de la vanne, il suffit d'alimenter la résistance 53. La température dans la chambre 39 s'élève : une quantité complémentaire de benzène passe de l'étant liquide à l'état gazeux.La pression augmente jusqu a une valeur telle qu'elle devient suffisante pour, grace à la déformation du diaphragme ou membrane 28, à ondulations, faire progresser la tige 22 et le poussoir 23 contre l'action antagoniste des rondelles 14 : le clapet 15 est éloigné de son siège 17. Dans la condition de fermeture de la vanne, aucune communication de fluide n'est possible entre la partie 19 du conduit D relié au réservoir A et la partie 21 reliée à l'ioniseur E. Lorsque le clapet 15 est éloigné de son siège 17, par contre, la vapeur de césium provenant de la tubulure 19, accède à la chambre 62 intérieure au corps ll et par une lumière 63 parvient à la tubulure 21. La vapeur de césium ne rencontre aucun point froid, ce qui évite toute liquéfaction et/ou solidification. L'alimentation de l'ioniseur E est ainsi assurée dans les meilleures conditions. L'ouverture du clapet se fait absolument sans choc et ainsi ne perturbe pas la trajectoire ou l'orientation de l'engin comprenant le propulseur. Par l'interruption du passage de courant dans la ou les résistance(s), une transformation inverse de gaz en liquide se produit dans la chambre 39 ; la pression dans cette chambre diminue ; la force des ressorts 14 devient prépondérante et le clapet est à nouveau appliqué sur son siège L'alimentation du propulseur en vapeur de césium cesse. En maintenant un chauffage partiel, par exemple par les résistances 51 et 52, on se retrouve dans les conditions initiales. Par chauffage complémentaire, en alimentant la résistance 53, on peut ouvrir à nouveau la vanne et ainsi assurer à nouveau l'alimentation du moteur ionique. Dans la forme de réalisation montrée sur la figure 3, les rondelles 14 s'appuient sur une cloison 71 intérieure au corps 11 et qui, par un orifice 72, assure le guidage de la queue 66 d'un support de clapet 73. Celui-ci présente un logement 65 pour une bille 75 qui est le clapet proprement dit et qui coopère avec le siège 17. Le conduit 19 relié au réservoir A communique avec un forage 75, lequel est en communication avec la chambre 62 seulement à la position d'ouverture du clapet montré sur la partie supérieure de la figure. La chambre 62 est en communication permanente par une lumière 63 avec le forage 64 qui prolonge le conduit 21. A son extrémité de raccordement avec la vanne, le conduit 19 est entouré par une partie de la résistance électrique 51 et il en est de même pour l'extrémité de raccordement du conduit 21. Le poussoir 23 qui traverse le fond 18 du corps de vanne est porté par un piston 24' guidé dans une partie cylindrique 67 de la tête 26. Celle-ci a un profil interne 27 conjugué de celui du diaphragme 29, de sorte que ce dernier, lorsqu'il est déformé par la pression régnant à l'intérieur de la chambre 39, vient s'appuyer contre ladite face interne. La partie centrale du diaphragme 29 est fixée sur la face annulaire 31 du piston 24'. Dans une forme de réalisation, la surface latérale du piston 24' coopérant au guidage du poussoir est sphérique. Avec la vanne selon l'invention, c'est seulement lorsque la vanne se trouve dans la condition thermique convenable qu'elle permet le transfert de césium entre.le réservoir et l'ioniseur. Sa compacité permet le chauffage avec un minimum d'énergie. Son fonctionnement ne fait pas intervenir de champ magnétique perturbateur. Aucun fluide de commande n'est expulsé ; il y a conservation de la masse du liquide actif. La vanne demeure rigoureusement fermée, même en présence d'un niveau de vibrations élevé. REVENDICATIONS 1. Vanne pour le contrôle de la circulation d'un fluide, notamment d'un gaz ou vapeur, dans un conduit, spécialement pour des applications aérospatiales, comprenant un clapet et un siège coopérant dans la condition de fermeture de la vanne, le clapet étant soumis à une action antagoniste tarée, caractérisée en ce que la force commandant l'ouverture de la vanne est engendrée par l'accroissement de la pression de vapeur saturante d'un liquide volatil provoqué par 11élévation de sa température obtenue par chauffage. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre pour la réception du liquide de commande et dont une paroi est tapissée à l'extérieur par une résistance électrique. 3. Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une paroi de la chambre est constituée par un diaphragme déformable sous l'effet de la pression développée. 4. Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la chambre présente une surface annulaire qui a un profil conjugué de celui du diaphragme et contre laquelle s'appuie celui-ci lors de sa déformation sous l'effet de la pression dans la condition d'ouverture de la vanne. 5. Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une autre résistance électrique pour le chauffage des parties de vanne distinctes de la chambre à liquide de commande. 6. Vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est enfermée dans une enceinte isolante au point de vue thermique. 7 Procédé d'utilisation d'une vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes dont le facteur de commande est un chauffage par courant électrique, caractérisé en ce que, dans une première phase, le chauffage est conduit pour amener la vanne dans une condition conservant sa condition de fermeture mais non trop éloignée de celle qui correspond à la condition d'ouverture et en ce que, dans une seconde phase, on effectue un chauffage complémentaire avec consommation de courant relativement réduite pour provoquer l'ouverture de la vanne.