Brevet FR2394003A1 — publié le 19790105

La présente invention concerne un dispositif, du type dénomé couramment "soupape d'évacuation d'air", ou "purgeur d'air", destiné à être monté au point le plus haut de circuits ou canalisations contenant de l'eau, tels que les circuits ou canalisations des chaudières de chauffage ou des installations complètes de chauffage, Ce champ d'application desdits dispositifs ou soupapes ne comporte aucun caractère limitatif étant donné que la soupape réalisée selon le principe de ltinvention, et telle tutelle sera mieux définie dans ce qui va suivre, peut trouver dtéventuelles autres applications avantageuses dans des branches techniquement équivalentes. Bes soupapes de ce genre sont bien connues des techniciens de la partie; d#une manière typique, leur fonction est de permettre d'éliminer dXun circuit ou dsllne canalisation (notamment du point le plus haut de celle-ci) lsair susceptible de se dégager et de staccumuler en bulles ou poches, par exemple sous lseffet du travail de pompes également prévues dans le circuit, ou du rassemblement de nmicrobulles", dont la présence dans 'eau est inévitable, etc..L'élimination de cet air est, d'une façon bien connue, nécessaire pour assurer la continuité de la veine liquide au sein du circuit tout entier, continuité qu'il faut maintenir pour être assuré dtun service correcte Le système le plus traditionnel pour assurer la saturation de ces ins- tallations ou circuits, consiste à ajouter, -au point le plus haut du circuit, une conduite stétendant à un niveau bien audelà dudit point le plus haut du circuit, conduite associée éventuellement à une chambre ou un réservoir, En plus de certains problèmes d'encombrement et dtinstallation quXils posent, ces systèmes traditionnels ont pour inconvénient que la pression maximale à laquelle on peut faire face dans le circuit, doit ne pas dépasser la pression statique résultant du niveau du point d'évacuation.Cela conduit, évidemment, à exclure la mise en oeuvre et le fonctionnement d'installations opérant à des pressions importantes, de l'ordre de plusieurs atmosphères, Dtautre part, les installations de type moderne sont en état d'opérer, et pratiquement opèrent, à des pressions très variables s'étendant depuis des valeurs très faibles, de lgordre des fractions d'atmosphère, jusqu'à des valeurs de l'ordre dgune dizaine d'atmosphères, et même plus élevées. La sensibilité d'une soupape d'évacuåtion, laquelle comprend, en principe, un orifice qui est fermé, en règle géne- rale, par un flotteur ayant tendance à s'élever lorsqu'il est entièrement ou presque immergé dans l'eau, et qui s'ouvre lorsque, par contre, le flotteur ntest immergé qu'en partie, du fait que l'espace, ou chambre, contenant ce flotteur, rempli en par tie avec une bulle dtair qui a atteint le niveau maximum de ltinstallation, est influencé aussi par la pression.En effet, la force par laquelle le corps de soupape, associé audit flotteur, est maintenu en appui adhérent contre l'orifice dtévacua- tion (purge), est constituée par la somme de la poussée hydrostatique appliquée par le flotteur et de la pression, existant dans l'installation, qui ssexerce sur la zone dudit corps de soupape, circonscrite au contour de l'orifice.En particulier, dans le cas de soupapes d'évacuation modernes, de dimensions globales très faibles, cette pression constitue une fraction non indifférente de la force appliquée au corps qui a adhére à ltori- fiche, Dtautres phénomènes perturbateurs sont dus au fait que le volume de la bulle d'air présente à tout instant dans le diSpQ- sitif est à son tonr influencé, ctest-à-dire réduit par ladite pressions On sait, en pratique, que lton considère comme impossible de réaliser des soupapes dtévacuation en état d'opérer dtune manière satisfaisante avec le maximum de sûreté et de régularité dans une gamme de pressions très large, clest-à-dire une gamme dans laquelle la pression maximale peut atteindre llne valeur meme plusieurs dizaines de fois plus grande que la valeur de la pression minimale de travail. Cela posé, la présente invention a pour objet une soupape dtevacuation qui ntest pas assuJettie auxdits limitations et autres inconvénients précités. Ea particulier, 12 présente invention a pour objet une soupape dlévacuation, ou de purge, qui possède les propriétés susmentionnées et qui est, en outre, caractérisée en ce qu'elle comprend un nombre minimum d'éléments mobiles, ce qui, en plus de rendre la fabrication industrielle de cette soupape économiquement avantageuse, permet aussi de réduire au minimum les résistances parasites dues au mouvement d'éléments reliés entre eux Far des articulations ou autres moyens. Ces caractéristiques et propriétés avantageuses sont dues essentiellement au fait que la soapedJévacuation-du et d'air comprend un orifice de purge d'air trés petite par rapport à la poussée hydrostatique qui peut stappliquer au flotteur, pour réaliser la fermeture de la soupape et maintenir celle-ci en position fermée lorsque, dans ltenceinte où se trouve placé ledit flotteur, il y a également de l'eau à un niveau tel que lon a une production de ladite poussée hydrostatique, cette condition étant, de préférence, combinée à celle d'une géométrie telle dudit flotteur que celui-ci se maintient dans ltétat de flottement même dans le cas de présence initiale d'une bulle d'air qui atteint ladite enceinte, tandis qu'il se produit une chute soudaine de ladite poussée hydrostatique dès le dépassement de conditions prédéterminées dgim- mersion, lors du passage au-delà d'une nette condition de tran sition. Dsune manière préférable, en outre, le flotteur est constitué par un corps essentiellement en forme d'un gobelet renversé, dont la cavité recouvre la sortie du passage à travers lequel l'eau existant dans l'installation atteint Itenceinte où ledit flotteur se trouve placé, de sorte que les bulles d'air ou, de toute façon, ltair qui se dégage de l'eau existant dans ltinstallation, se rassemblent au début à l#intérieur dudit flotteur, en augmentant le volume effectif de flottement de celui-ci et, de ce~f2it, la poussée hydrostatique qui en résulte. Selon un mode d'exécution particulièrement préféré de ltinventiòn, les parois dudit corps en gobelet renversé portent des ouvertures à un niveau prédéterminé, de sorte que, lorsque la bulle d'air, qui va progressivement en slaccroissant dans ledit corps, atteint, en stétendant vers le bas, Ie niveau desdites ouvertures, l'air pénètre dans l'espace entourant le flotteur, en expulsant l'eau de celui-ci, ce qui a pour conséquence la chute soudaine de la poussée hydrostatique, qui est amenée à passer, presque instantanément, d'une valeur maximale à une-valeur minimale, Selon une caractéristique importante de l'invention, cet espace environnant a un volume très petit, de façon que le liquide peut en être éloigné par la présence d'une faible quantité d'air, qui dépasse la quantité pour laquelle on a la condition de poussée hydrostatique minimale, mais positive. Ces caractéristiques ainsi que d'autres, non encore énoncées de la soupape d'évacuation d'air selon l2invention, ainsi que quelques exemples des solutions techniques et constructives avantageuses, que lton peut adopter pour sa mise en oeuvre, ressortiront de la description détaillée qui va suivre, de quelques modes d'execution de ltinvention, donnés à simple titre d'exemples et représentés aux dessins annexéss qui font partie de la description, et dans lesquels:: Fig.1 représente, vu en coupe verticale diamétrale suivant I-I (Big.2), un exemple préféré de mise en oeuvre de la soupape, dont les dimensions sont plus grandes que celles adop- tées industriellement; Fig.2 en est ame vue en coupe transversale suivant les différents plans II-II-II-II de la figure 1, Fig.3 en est une vue éclatée, à plus petite échelle, partie en coupe et partie en perspective; Fig.4 représente la soupape de la figure 1 en position de fereeture de ltévacuation, et avec indication des niveaux atteints par l'eau á l'intérieur lors de l'établissement de différentes conditions;; Fig.5 montre une variante dSexécution de la soupape, qui comporte un flotteur constituant un corps fermé pourvu d'une cavité interne pour obtenir le rapport désiré entre son poids et le volume immergé, et un obturateur réalisé selon une solution technique modrfiéeO Fig.6 montre une autre variante d'exécution de ltinven- tion, représentée à titre d'exemple comme incorporée à la partie supérieure du dispositif selon la figure 5, mais avec obturateur du type utilisé dans le dispositif des Fig.1 à 4. Dans le mode d'exécution, semblant devoir être préféré, des figures 1 à 4, la soupape comprend, de façon générale, un récipient 10 ayant essentiellement la forme dtun gobelet, à ouverture dirigée vers le haut, comportant à son bord supérieur un moyen de solidarisation, par exemple un filetage 12 permettant dty fixer un bouchon 14, solidaire d'un conduit central percé 16, lui-mêse fermé par un bouchon 18 non étanche pourvu, par exemple, d'un trou 20 par lequel l'air peut s'échapper.Le récipient 10 porte, d'une pièce avec son fond, un raccord 22 auquel peut se fixer, par exemple au moyen dtun filetage 24, un tube ou conduite (non représenté) faisant partie de llinstalla- tion et circuit hydraulique, et dont ltextrémité supérieure définit le point de niveau le plus haut dudit circuit. Dfune manière avantageuse, mais non exclusive, les éléments constitutifs 10 et 14 peuvent être réalisés en une matière synthétique, par exemple en résine méthacrylique, l'un, au moins, desdits constituants pouvant être transparent pour permettre la vérification immédiate des conditions dans les- quelles se trouve la soupape, La fermeture hermétique (sauf les conditions indiquées par la suite) de l'intérieur du récipient 10 est assurée par le serrage de la partie périphérique dtun corps en forme de disque 26 en un matériau élastomère, en particulier en résine silicone, qui, en plus de servir en garniture dtétanchéité, porte aussi le passage de purge et la portée contre laquelle le corps de soupape, ou obturateur proprement dit, vient s'appliquer dune manière étanche. Ce passage est réalisé par un petit trou 289 qui traverse le disque 26 et qui débouche au sommet dtune saillie 30 conique ou, de toute façon, amincie vers le bas pour délimiter une surface très petite, notamment un cercle de rayon très faible, agissant comme butée pour ltobturateur. Belon une caractéristique importante de ltinvention, le petit orifice 28 et, par suite, l'entrée du passage de purge, est d'un diamètre généralement compris entre 0,3 et 0,8 mm, préférablement de l'ordre de 0,5 mm, pour des diamètres intérieurs Di du récipient 10 de lsordre de 20 à 30 mm, préférablement de 25 mm environ. A ltintérieur du récipient 10 se trouve logé, à déplacement axial guidé, le flotteur copstitué par un corps 32 en forme de gobelet, dont l'ouverture est dirigée vers le bas, comportant à sa partie supérieure fermée, ou tête, un bouchon rapporté 34 réalisé également en un élastomère tel, par exemple, qutun caoutchouc synthétique. Ce bouchon, qui forme ltobturateur proprement dit 9 est solidarisé au flotteur 32 en étant, par exemple, emboîté ou encastré en partie dans une portion formant logement 36 solidaire du flotteur 32 (fig. 3). La face supérieure de ltobturateur 34 est plane et vient appuyer contre llentrée de la partie, formant sommet, essentiellement conique de l'orifice 289 comme cela est visible sur la figure 40 Bes parois du flotteur 32 sont cy driques et de diamè tre extérieur De plus petit que le diamètre intérieur Dl du récipient 10, la différence de ces diamètres étant peu importante (de l'ordre de 1 ou 2 mm)O Ia surface externe du flotteur 32 porte des nervures 31 assurant le.guidage du corps 32 suivant ltaxe du récipient-10, avec possibilité de déplacements latéraux et de con=nalité très petits, ce qui permet de maintenir une disposition orthogonale constante entre ltobturateur 34 et l'entrée 30 de l'orifice 28, sans qu'il se produise des phénomènes d'adhérence superficielle, par capillarité, de l'eau existant dans ledit espace intérmediaire, à des niveaux différents. L'espace intermédiaire 38, compris entre.les corps 10 et 32 est donc d'un volume très faible, étant donné le faible écart entre les diamètres Di et De. D'une manière préférable, les parois du flotteur 32 présentent des parties rentrantes qui brisenw la continuité de son pourtour circulaire et, à un niveau Légèrement plus haut, des fenêtres 40 mettant en communication, a ce niveau, llintérieur 42 du flotteur avec ltespace intermédiaire 58 qui entoure celuici et, par suite, avec ltintérieur de la partie supérieure 44 de la chambre formée dans le récipient 10 et contenant le flotseur. Sur r la figure 1, la soupape de purge est représentée dans l'état pour lequel il y a, soit absence dteau à l'intéri- eur, soit présence de l'eau à un niveau suffisamment bas pour que la pousée hydrostatique due à une immersion partielle du flotteur dans l'eau (qui, pratiquement, n'immerge que la partie inférieure des parois de celui-ci) soit nettement nnférieu- re au poids propre dudit flotteur, obturateur 54 y comprise Ce niveau correspond par exemple à celui indiqué par L en figure 1. En supposant l'installation en cours d'être alimentée en eau, le niveau de l'eau monte dans le récipient 10 et même à ltintérieur du flotteur 32, tandis que ltair existant au-dessus s'évacue par l'orifice 28, non obturé par l'obturateur 34. Le niveau lu de la fig.4 représente une condition d'équilibre pour laquelle, la pression étant absente, le volume de flotteur immergé est toujours considérable, du fait que, le niveau dteau ayant atteint le niveau des fenêtres 40, l'eau ne peut pas remonter dans ltenceinte close 42. On peut définir cette condition telle que la condition de "niveau eau sans pression". Le niveau d'eau montant davantage par suite de ltaugmen- tation de la pression régnant dans l'installation, l'air existant au-dessus se confine, dtune façon évidente, aussi bien dans llespace intérieur 42 du flotteur que dans ltespace 44 entourant celui-ci, cet espace 44 comprenant également ltespace intermé- diaire 380 Par L", figure 4, est approximativement indiqué le niveau limite supérieur auquel l#immersion du flotteur dans l'eau commence àproduire le phénomène de flottabilité pour lequel lsobturateur 34 est maintenu fortement plaqué contre l'entrée de l'orifice 28. Il est bien connu que, même lorsque le volume immergé du flotteur dlune soupape de ce type est inférieur à la limite de flottabilité, à la poussée hydrostatique vient s'ajouter la différence de pression existant entre l'intérieur et lsatmos- père, ou ambiance extérieure, qui stapplique sur la surface de ltorifice de purge et qui maintient lXobturateur plaqué contre ledit orifice, On peut supposer maintenant que des bulles d?air (ou autre gaz) se forment dans ltinstallation (ces bulles pouvant aussi se former par rassemblement et réunion de "microbullesw qui peuvent se développer dans l'eau, aussi sous l'effet dynamique dérivant du travail de pompes, ou autres)O En remontant vers le haut, ces bulles pénètrent à travers le raccord 22 dans le récipient 329 et plus précisément elles s'élèvent jusquà parvenir dans ltespace 42 intérieur au flotteur 52 qui est situé au-dessus dudit raccord, Par conséquent, le niveau dteau baisse dans ledit espace intérieur 42 sans pour autant monter dans ltespace intermédiaire 58, du fait que la pression se maintient pratiquement constante.De ce fait, le volume émergé, (etest-à-dire la poussée hydrostatique) augmente, et l'eau à l'intérieur du flotteur descend, jusqu'à ce que, son niveau étant amené au-dessous de L' de la figure 4, elle permet à l'air (bulles d'air rassemblées) de sortir par les fenêtres 40 et de remonter le long de ltespace intermédiaire 389 en venant occuper la partie supérieure 44 de l'espace intérieur au récipient 10. Les conditions dtéquilibre hydrostatique (touåours indépendament de la pression) sont brusquement inversées et le poids propre du flotteur est nettement suffisant pour provoquer la descente de celui-ci jusqu'à la position de la figure 1, ce qui a pour conséquence ltévacuation, ou purge, de lgair de 'installation. Le volume de ltespace intermédiaire 38 étant très faible, il est alors suffisant qutune petite quantité d'air stéchappe par les fenêtres 40, pour que celle-ci remplage la quantité flair existant dans ledit espace intermédiaire, en amenant brusquement le flotteur de la condition de flottement à celle de non flottement, puisque ce flotteur se trouve pratiquement @ l'état presque entièrement émmergé. Bien que le mode d'exécution de figures 1 à 4 semble devoir être préféré, la solution technique impliquant ltutili- sation d'un rapport très élevé entre, dlune part, la valeur de la variation utilisable de la poussée hydrostatique due à la variation du volume de flotteur immergé et, d'autre part, la poussée pressostatique qui résulte de la différence entre la pression intérieure et la pression extérieure appliquée à la section utile de l'orifice de purge, contre laquelle vient ap- puyer en butée ou stappliquer d'une manière adhérente ltorgane obDul-atenr, peut être mise à profit d'une façon différente. Ain8is par exemple, eomme cela est représenté à la figure 5, lè flotteur 32a est constitué par un corps fermé (pouvant comprendre une cavité intérieure 42a complètement close et n'ayant pour rôle que de permettre d'atteindre le rapport désiré entre volume extérieur et poids total), pourvu eventuellement d'une tige 50 engagée d'une d'une façon guidée dans le raccord 22a qui relie le dispositif à l'installation à contrôler.Des nervires 54 sont prévues, pour servir d'éléments de guidage pour assurer la coaxialité entre le flotteur 32a et le récipient 100 Cette coaxialité est particulièrement importante dans le cas où lSobttlrateur est formé, comme dans l'exemple illustré, par une goupille 34a, en particulier une goupille métallique, se terminant en haut par une pointe 30a apte à obturer ltextrémité, ou sortie inférieure, de ltoriSice de purge 28, celui-e-i étant, dans le cas illustré, pratiqué à travers une garniture 26a en élastomère, logée et fixée tout Frès de ltentrée- du passage dtévacuation 16. Une combinaison des caractéristiques du mode d'exécution préféré de figures 1 à 4 et de la variante de figure 5, est re de présentée sur la figure 6 qui montre une autre variante de l1invention. Dans ce cas, le flotteur 32~ (qui peut être égal au flotteur de figure 5) comporte un organe obturateur 34b en forme de disque, en élastomère, ayant une face supérieure plane apte à venir appuyer en butée contre ltouverture inférieure de l'orifice 28, celui-ci étant pratiqué dans rne pièce annulaire 26 dans une partie en forme de dôme 30 de cette pièce.Ces élé- ments correspondant ou équivalant à ceux du mode des figures 1 à 4, on omettra de les décrire en détail. Il a été constaté que, particulièrement dans le cas dXu- tilisation dtun système obturateur comprenant un corps de soupape mobile, ou obturateur, pourvu dfune face plane établie pour venir appuyer en butée contre lXouverture de ltorifice de purge, celui-ci étant pratiqué à lsextrémité d'une partie tronconique, ou en dôme, la nature et la dureté des matériaux dont sont formés les éléments constitutifs 26 et 54 de ce système ont une importance considérable, tout spécialement en vue de la sensibilité et de la grandeur de la gamme de pressions dans laquelle la soupape peut être appelée à opérera En principe, ces éléments constitutifs doivent être tous deux réalisés en un élastomère. Dtune manière avantageuse, la dureté desdits éléments peut être comprise entre 50 et 80 Shore. Une propriété recherchée, particulièrement importante, est la déformabilité élastique et la non adhésivité du dôme 30, dans le sommet dirigé vers le bas duquel s'ouvre, vers ltintérieur, l'orifice 28 Lteffet de répulsion élastique exercé par ce dôme sur ltobturateur sous-åacent favorise la rapidité dSouverture, lorsque les conditions hydrostatiques et pressostatiques atteintes à ltintérieur de la soupape sont voisines de la valeur de transition entre ouverture et fer mettre, En effet, cette déformabilité élastique -compte tenu de la section très faible qui entre en considération - contribue dans une mesure importante à faire varier lsaire effective dap- pui de ltouverture de ltorifice sur la face de l'obturateur, ctest-à-dire l'aire non assujettie, à soupape fermée$ à la pression interne. Bien entendu, les modes de mise en oeuvre de la soupape selon lXinvention, qu'on vient de décrire et qui sont représentés sur les dessins annexés, ont été donnés à titre dfexemples purement illustratifs nullement limitatifs de la portée de ltin- ventionç Plusieurs autres solutions constructives pourront être conçues et adoptées en fonction de convenances et exigences particulières de fabrication, dfinstallation et de service du dispositif conforme à ltinvention, et cela sans sortir du domaine de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S I.-Soupape d'évacuation d'air, en particulier purgeur diapir pour~chaudières et installations de chauffage fonctionnant sous pression, à haute sensibilité et grande rapidité de réaction pour n'importe quelle valeur dtune large gamme de pressions de travail, et qui comprend un récipient relie en haut avec ltatmosphère extérieure et en bas avec l'installation ou le circuit nécessitant la purge dtair, ainsi qutun flotteur logé à déplacement vertical dans ledit récipient et associé, à son extre- mité supérieure, à un corps obturateur susceptible de venir appuyer en butée contre, et à fermer en conséquence, ltouverture d'un étroit passage, ou orifice, destiné à permettre ltévacua- tion de l'air, soupape caractérisée en ce que la section utile dudit orifice est en rapport avec la poussée hydrostatique mini- male exercée par le flotteur partiellement immergé dans le li- quide, en particulier l'eau qui envahit l'intérieur du récipient, au voisinage de la condition de transition entre ouverture et fewmeture, afin d'obtenir que le gradient de pression entre in- térieur et extérieur, appliquant une force pressostatique ten dant à maintenir l'obturateur appliqué dtune façon adhérente à ltouverture du passage de ltair, influence dans une mesure très faible la variation totale, aux pressions comprises dans ladite gamme, de la poussée constituant la somme de la poussée hydrostatique et de la force pressostatique. 2.- Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le diamètre dudit orifice est inférieur à 1 mm, pour flotteurs de diamètre non supérieur à 30 mm. 3.- Soupape selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit diamètre est compris entre 0,) et 0,8 mm et que, pré férablement, ledit diamètre est de 0,5 mm environ, 4.- Soupape selon ltune des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'un, au moins, des éléments constitutifs ma térialisant ledit obturateur et l'ouverture dudit orifice est réalisé en un matériau élastomère. 5ç- Soupape selon la revendication 4, un caractérisée en ce que lesdits éléments sont tous deux réalisés en/élastomèreO 60- Soupape selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit orifice débouche vers l'interieur du recipient à ltextrémité d'une saillie sensiblement en forme de dôme, et ledit obturateur a une surface plane, orthogonale à l'axe dudit orifice, 70- Soupape selon ltune des revendications 1 à 6, carac- térisée en ce que le flotteur est un corps creux ayant la forme d'un gobelet ouvert vers le bas et placé au-dessus du raccord qui relie le dispositif à ltinstallation, de telle façon que les bulles d'air s'élevant de ladite installation soient obli gées de se rassembler au début à ltintérieur dudit flotteur, en modifiant la portance hydrostatique de celui-ci. 80- Soupape selon la revendication 7, caractérisée en ce que les parois du flotteur en forme de gobelet portent des fenê tres situées à un niveau plus haut que celui de son bord infé rieur, à travers lesquelles ltair qui se confine à lDintérieur dudit flotteur peut stévacuer dans un espace intermédiaire, de volume relativement faible, entourant ledit flotteurS seulement après que le niveau de l'eau dans ledit intérieur a été obligé de baisser au-dessous du niveau défini par lesdites fenêtres, et en se substituant à l'eau existant dans ledit espace inter médiaire, ce qui á pour conséquence une augmentation soudaine de l'état d'émersion dudit flotteur. 9.- SoupSeselon ltune des revendications 1 à 8, caracté risée en ce que ledit espace intermédiaire, dans lequel les différentes viscosités de l'eau et de lair influencent de di verses manières les mouvements dudit flotteur, a une épaisseur préférablement de l'ordre de 1 à 2 mm, et un volume très faible par rapport au volume du flotteur, sous conditions dsimmersion.