Brevet FR2425599A1 — publié le 19791207

La présente invention, due aux travaux de Messieurs Robert BOYER et Claude DUVAL de la COGEXAf concerne une vanne de reglage du deit d'un fluides Elle s'applique notamment au. contrôle des débits gazeux extrêmement faciles, plus particuv librement dans les installations mettant en oeuvre la technique du vide ou l'introduction de gaz neutre ou corrosifs dans des enceintes à très basse pression. En spectrométrie de masse par exemple, les appareils comprennent des sources d'ions pour gaz neutres ou corrosifs dont le débit gazeux doit entre réglahle à quelques fractions de centimètres cubes par 24 heures, dans des conditions normales de température et de pression. Dans ce domaine, il est en effet nécessaire de régler des débits de tordre de quelques dixièmes de centimètres cubes par 24 heures.Ces débits doivent être maintenus constants avec une très grande précision. Les vannes existantes, généralement qualifiées de vannes de fuite, comprennent le plus souvent, des pièces Solides, présentant des déformations plus ou moins élastiques permettant de contrôler le débit. Le clapet de. ces vannes est souvent constitue de composes élastomères qui subissent des phénomènes de fluage et rendent les seponses de ces vannes, aléatoires. La commande de ces vannes est la plupart du temps mécanique , cette commande mécanique comprend des systèmes de leviers éventuellement actionnés par des moteurs. Ces leviers introduisent des jeux préjudiciables au bon fonctionnement des vannes et notamment au centrale correct du débit. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et notamment de réaliser une vanne permettant de contrôler des dobits gazeux extrêmement faibles, sans utiliser de leviers Lie démultiplication dont les jeux sont préjudiciables à un contrôle correct des déhits. La présente invention a pour objet une vanne de ré glage du débift d'un fluide, comprenant un clapet solidaire d'une tige et des mayens pour appliquer le clapet sur un siège par l'intermédiaire de la tege, caractérisée en ce que ladite tige coopere en outre avec au moins un empilement piézoélectrique, de sorte qu'une différence de potentiel appliquée a des électrodes de commande de cet empilement, entraine une augmentation d'épaisseur de l'empilement, provoquant l'écartement du clapet par rapport b son siège. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la tige traverse de manière coulissante une pièce de guidage solidaire dudit siège, ledit empilement étant interposé en la pièce de guidage sur laquelle elle prend appui et une pièce de butée solidaire de la tige, à l'opposé dudit clapet. Selon une caractéristique particulière de l'fwentSon, lempilement piézoélectrique comprend un assemblage de rondel les de céramiques piézoélectriques entourant ladite tige, ces rondelles étant entretoisées par des électrodes de commande portées à des potentiels entraînant une augmentation dr#p.SiS seur de chaque rondelle. Selon une autre caractéristique de l'invention > la vanne comprend des moyens de réglage des potentiels appliqués aux rondelles de céramique piézoélectrique. Selon une autre caractéristique, les moyens pour appliquer le clapet sur son siège sont constitués par un ressort, interposé entre le clapet et ladite pièce de guidage. Selon une autre caractéristique, le ressort entoure la tige entre le clapet et la pièce de guidage. Selon une caractéristique particulière, le clapet est un clapet à bille. Selon d'autres caractéristiques particulières, la bille est en rubis, le clapet et la tige sont en acier au nickel, à très faible coefficient de dilatation thermique, le siège est en bronze au béryllium. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée en référence à la figure schématique annexée, représentant an coupe longitudinale, une vanne de réglage conforme à l'inven- tison. En référence à la figure, on a représenté en coupe longitudinale une vanne de réglage conforme à l'invention. Cette vanne comprend un clapet constitué d'une pièce élaativ que 1, métallique par exemple, supportant une bille 2 devant un orifice 3 d'un conduit 4 d'arrivée de gaz par exemple, dans une enceinte 5. Lorsque la bille est soulevée, c'est-à- dire lorsque le clapet est ouvert, le fluide gazeux parcourt le conduit 4, traverse l'orifice 3 puis pénètre dans l'en- ceinte 5 par le conduit Sr La pièce 1 du clapet, qui supporte la Bille 2 est solidaire d'une tige 7 qui permet d'appliquer le clapet et notamment la bille 2 qu'il supporte, sur le piège -8, en retard de l'orifice 3.A cet effet, des moyens élastiques 3 sont prévus pour pousser le clapet en direction de- son siège 8. Ces moyens sont constitués par un ressort ou par un ensemble de rondelles 9, élastiques,qut entoure la tige 7 au voisinage du clapet. Ce ressort ou cet ensemble de rondelles élastiques, est interposé entre le clapet et une pièce de guidage 10 de la tige 7. Le ressort prend appui d'une part sur un épaulement Il de la tige 7 et, d'autre part, sur la bague filetée 12 faisant partie de la pièce de guidage 10. On a également représenté sur cette figure un socle 13, supportant le siège 8 du clapet et permettant de relier de manière étanche, l'enceinte 5 à la pièce de guidage 10. Des vis 14, 15 rendent respectivement solidaires le socle 13 avec l'enceinte 5 et le socle 13 avec la pièce de guidage 10. Des joints d'étanchéité 16, 17, 18, 42 sont respectivement disposés entre la base du socle 13 et l'enceinte 5, entre le siège 8 du clapet et le socle 13, entre le siège- 8 du clapet et la pièce 1 supportant la bille 2 et entre le socle 13 et la paroi de l'enceinte 5. Ces joints peuvent avant#ageusement être choisis de forme annulaire ou torique. La tige 7 coopère avec au moins un empilement piézoélectrique 19J constituée par exemple d'une céramique piézo- électrique, de sorte qu'une différence de potentiel, appliquée à des électrodes de commande 20, 21 provoque une augmentation d'épaisseur de l'empilement, entraînant un déplacement de la tige 7 dans la pièce de guidage la et ainsi l'écartement du clapet, par rapport à son siège 8. La tige 7, qui traverse de manière coulissante, la pièce de guidage au niveau de la bague filetée 12, présente une pièce de butée 22 qui est solidaire de la tige à l'opposé du clapet. L'empllement piézoélectrique 19 est interposé entre la pièce de guidage 32 et cette pièce de butée 22, par l'intermédiaire d'une rondelle 23 et d'une butée à aiguille 24. La pièce de butée 22 peut par exemple être constituee par un écrou se vissant sur l'extrémité filez tée 25, de la tige 7. La butée à aiguille 24 est simplement destinée à éviter de transmettre des efforts de torsion à l'empilement piézoélectrique 19 > lors du serrage de l'écrou 22. I1 est bien évident que cet écrou 22 peut comporter un frein non représenté, évitant sa désolidarisation par rapport à la tige 7 lors du fonctionnement de la 3nn-e L'empilement piézoélectrique 19 comprend un assembla- ge de rondelles 28, de céramique piézoélectrique, entourant la tige 7.Ces rondelles sont entretoisées par des électrodes 27, 31, permettant d1appliquer des diffêrenoas de potentiel électrique aux différentes rondelles piézoélectriques, de manière à provoquer une augmentation de leur épaisseur. On a représenté en 28 et 29 des rondelles isolant-es, p-ermett-ant d'obtenir une isolation électrique convenable entre l'empile- ment piézoélectrique 19, la pièce de butée 22 et la bague de guidage 12. Un manchon isolant 30 entoure la tige 7, notamment au niveau des rondelles piézoélectriques et des électrodes. Les électrodes 20 et 21 de l'empilement piézoelec- trique 19, sont reliées aux électrodes de commande telles que 27 et 31 des rondelles piézoélectriques, de meunière par exem- ple, que l'électrode 20 relie la première électrode de com- mande à la troisième. à la cinquieme, etc... et que l'électro- de 21 relie la deuxième électrode de commande à la quatrième, à la sixième, etc... L'électrode 20 peut être portée à un potentiel négatif tandis que L'électrode 21 peut être portée à un potentiel positif. Un câble électrique 43 est relie à un circuit imprimé qui est représenté de manière schématique en 32 et qui permet l'alimentation électrique des électrodes 20 et 21.Des moyens de réglage des potentiels maximum appliqués à l'ensemble des électrodes de commande telles que 27, 31, par l'intermédiaire des électrodes 2f', 21, sont représentés en 33. Ces moyens de réglage sont constitués par un potentiomètre dont le curseur 34 la différence de potentiel entre les éleco trodes. On a aussi représenté sur la figurer un capot 36, percé d'orifices d'aération 37 38 et fermé par un couvercle 39 > recouvrant l'ensemble de la vanne. Ce capot est fixé à la pièce de guidage sa par l'intermédiaire de vis telles que 40. Lorsqu'une différence de potentiel est appliquée aux électrodes de commande de l'empilement 19, l'épaisseur de chaque rondelle piézoélectrique varie en fonction du potentiel appliqué. Il en résulte que la remontée de la tige 7 est fonction de ce potentiel et qu ' ainsi, le débit de la vanne peut être réglé en fonction de ce potentiel. I1 est bien évident que ce réglage peut être réalisé, à partir de la source élec trique d'alimentation des câbles 31, non représentée sur la figure. Dans le cas, par exemple, ou la vanne décrite est destinée à la régulation de débit de gaz dans un spectromètre de masse, le canal d'entrée 4 peut être constitue par un tube capillaire et le siège 8 de la vanne comprend une pastille 41 percée d'un trou rectifié intérieurement. La bille 2 est généralement une bille de rubis sertie dans la pièce 1. Les électrodes de commande 27, -31 des rondelles de céramique piézoélectriques, sont en cuivre. L'application des tensions électriques sur les faces de chacune des rondelles de céramique est réalisée de manière que les variations d'épaisseur de chacune des rondelles s'ajoutent.Il est donc possible, avec cet empilement de rondelles d'obtenir des variations de lon- gueur de l'ensemble de l'empilement, proportionnelles au nombre de rondelles de céramique ainsi qu'à la valeur de la tension appliquée à c'lacune de ces rondelles. Lors du montage de la vanne, le clapet à bille est maintenu au repos, en position d'obturation de l'orifice du siège, grâce à la pression exercée sur la tige de commande 7, par le ressort ou l'ensemble de rondelles élastiques 9. La bague filetée 12, qui fait partie de la pièce de guidage 10 est vissée dans cette pièce, de sorte que la pression exercée par la bille sur l'orifice du siège, soit suffisante pour assurer l'étanchéité du clapet. Les déplacements obtenus grâce à cette vanne peuvent etre de quelques centièmes de micronsC10 6tm), et les débits gazeux peuvent être très faibles et contrôlés avec une très grande précision. De plus, cette vanne qui fonctionne grâce à l'application d'une simple tension électrique, permet, par des montages électroniques appropriés, d'asservir le débit à une grandeur quelconque. En particulier, la es#re de la pression en aval de la vanne, c'esteà=dire dans l'enceinte 5, peut permettre de maintenir constant le débit de cette vanne. Les effets de dilatation thermiques différentiels sont minimisés par l'emploi de métaux appropriés présentant une faible dilatation thermique Cette vanne permet hien d'atteSn- dre les buts mentionnés plus haut, c'ests ire la réduction importante de tout jeu mécanique dans les moyens de commande des déplacements du clapet L'emploi de matériaux approprié--s notamment dans la constitution du clapet et de son siège, permet en outre d'utiliser cette-vanne pour régler le débit de gaz corrosifs ou neutres.La commande étant entièrement électrique, cette vanne peut être de très faible dimension Dans un exemple d'application à un gaz corrosif fluoré, le clapet 1 et la tige 7 sont réalisés dans un alliage d'acier au nickel, à très faible coefficient de dilatation thermique. C'est le cas par exemple d'un alliage connu sous l'appellation commerciale d'"INVAR", qui est un acier contenant 36% de nickel. Le siège 8 est en bronze au béryllium traité de manière à augmenter son durcissement La bille 2 est en rubis, à 0,1 micron d'erreur de sphéricité. Les déplacements contrôles du clapet sont de 10 micron Cette vanne peut fonctionner avec une pression aval extremement faible livide secondaire) et une pression amont importante (pression atmosphérique). I1 est bien évident que dans la vanne qui vient d'être décrite, les moyens utilisés auraient pu être remplacés par des moyens équivalents, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIDNS T. Vanne de réglage du débit d'un fluide, comprenant un clapet solidaire d'une tige et des doyens pour appliquer le clapet sur un siège, par l'intermédiaire de la tige,. caraco térîsée en ce que ladite tige coopère en outre avec au mains un empilement piézoélectrique, de sorte qu'une différence de potentiel appliquée a des électrodes de commande de cet empilement entraîne une augmentation d'épaisseur de l'empilement, provoquant l'écartement du clap-et par rapport è son siège. 2, Vanne selon la revendication I, caractérisée en ce que ladite tige traverse de manière coulissante une pièce de guidage solidaire dudit siège, ledit empilement étant interposé entre la pièce de guidage sur laquelle elle prend appui et une pièce de butée solidaire de la tige, à l'opposé dudit clapet. 3. Vanne selon la revendication 2, caractérisée. en ce que ledit empilement piézoélectrique comprend un assemblage de rondelles de céramique piézoélectrique entourant ladite tige, ces rondelles étant entretoisées par des électrodes de commande, portées à des potentiels entraînant une augmentation d'épaisseur de chaque rondelle. 4. Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de réglage desdits potentiels. 5. Vanne selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits moyens pour appliquer le clapet sur son siège sont constitués par un ressort interposé entre le clapet et ladite pièce de guidage. 6. Vanne selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit ressort entoure ladite tige entre le clapet et la pièce de guidage. 7. Vanne selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit clapet est un clapet a bille, 8, Vanne selon la revendication 7, caractérisée en ce que le clapet et sa tige sont en INVAR, la bille est en rubis, le siège est en bronze au béryllium.