Brevet FR2435645A1 — publié le 19800404

La présente invention concerne un inverseur automatique pour l'alimentation continue d'un appareil dtutilisation au moins, a partir de deux sources de fluide sous pression au moins, du type comportant un corps creux muni d'au moins deux orifices d'admission et d'au moins un orifice de sortie et un piston mobile en translation soumis, a ses deux extrêmitbs, a la pression des dites sources et prévu pour obturer, selon sa position, l'un ou l'autre des dits orifices d'admission. Un tel inverseur permet le passage automatique par exemple d'une source en service a une source en réserve dès que la baisse de pression de la source en service, par suite de son tarissement, atteint un certain niveau. Les sources de fluide sous pression peuvent être par exemple des bouteilles ou ensembles de bouteilles de gaz comprimés, dissous ou liquéfiés, des évaporateurs de gaz liquéfiés, des compresseurs, etc... ces sources, même utilisées pour l'alimentation d'un seul appareil d'utilisation, peuvent être de natures identiques ou différentes et contenir des fluides identiques ou différents. L'appareil d'utilisation peut être un dispositif de soudage ou de chauffage, une installation de traitements chimiques, un appareil respiratoire, etc... On connait déjà des inverseurs du type sus mentionné, utilisés en particulier pour l'alimentation d'un appareil de chauffage a partir de deux bouteilles de gaz liquéfié. Le positionnement du piston de ces inverseurs connus est dû a la pression différentielle qui le maintient en ltune des positions de fermeture pour une différence de pression de sens donné et l'entraî- ne vers l'autre position de fermeture lorsque cette différence de pression s'inverse. L'étanchéité de la fermeture et la rapidité d'inversion étant fonction essentiellement de la pression différentielle qui s exerce sur le piston, il en résulte une incertitude, quant à cette étanchéité et à cette rapidité, avec les variations de cette pression différentlelle que l'on peut rencontrer selon les types de sources utilisées, ou, pour des sources de même type, selon les variations qui se produisent au cours du temps. Ceci peut se traduire, en particulier pour des souries de faible pression ou présentant de faibles écarts de presslanX par des fuites permanentes et par une mise en communication de tes sources pendant un laps de temps non négligeable. Le défaut d'étanchéité est particulierement néfaste dans le cas de gaz nocifs, donc dangereux, ou tres purs, donc douteux et sans-i- bles à la pollution par diffusion due à la différence de pression Tar- tielle. De plus, dans de nombreux types d'inverseurs connus, le pis- ton est soumis à des frottements prohibitifs et l'énergie due à la pression des fluides ne lui est pas transmise dans des conditions satisfaisantes, ce qui empêche une inversion rapide et franche La présente invention a essentiellement pour but l'-améliora- tion des caractéristiques constructives et fonctionnelles des inverseurs du type précité et une extension de leurs applications, en particulier en évitant les inconvénients susmentionnés, et elle propose a cet effet un inverseur qui comporte un dispositif de commande d1ln-version -coopé- rant avec le piston précité pour le maintenir appliqué contre l'-orifice d'admission qu il obture et l'entraîner vers l'autre orifice d1admission et l'obturer à son tour, apres que son déplacement en transl & ion ait été initié par la pression différentielle des dites sources Ce dispositif de commande, du fait qu'il applique le piston contre l'orifice d'admission à obturer et qu'il l'entraîne vers l'autre orifice, assure une bonne étanchéité entre les sources et accélère l'inversion. I1 en résulte qu'un inverseur muni d'un tel dispositif de commande est utilisable même pour des fluides à faible pression absolue ou différentielle, ou pour des gaz nocifs ou de haute pureté. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de commande d'inversion précité est un organe bistable susceptible d'occuper deux positions d'équilibre stable situées de part et vautre d'une position d'équilibre instable. Les positions stables de cet organe permettent le maintien du piston contre Orifice à obturer et le passage d'une position stable à l'autre permet l'entraînement dudit piston dtune position de fermeture à l'autre. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'organe bistable est un ressort hélicoïdal traversant un alésage ménagé dans la partie centrale du piston, perpendiculairement à sa direction de translation et en appui, par ses deux extrémités, sur des butées coaxiales, l'axe commun aux dites butées passant par le point milieu de la course du piston. Un tel ressort est un organe de construction tres simple, effectuant un basculement sans point dur et qui est donc d'un fonctionnement tres sur. Toujours selon l'invention, le piston comporte, à chaque extrémité, un clapet cylindro-conique dont la partie conique est munie d'une bague d'étanchéité et prévue pour coopérer avec un siège, également conique, de orifice d'admission, le logement dudit piston étant muni, à chacune de ses extrémités, d'un segment souple contre lequel la partie cylindrique du clapet vient en appui lorsque ce dernier est en position de fermeture. Cette forme donnée au clapet permet d'amplifier la force exercée par la pression différentielle sur le piston. Le segment joue le rôle de segment à fuite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa râîtront au cours de la description qui va suivre. Dans les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif - la figure 1 est une- coupe axiale d'un inverseur selon l'invention ; - la figure 2 est une coupe selon la ligne II - II de la figure !. Selon le mode de réalisation représenté, l'inverseur comporte essentiellement un corps cylindrique 1 d'axe XX' et de section circulaire, traversé par un alésage axial 2 aux deux extrémités duquel sont vissés deux embouts 3a et 3b. Chaque embout 3a, 3b est muni d'un embrèvement fileté 4a, 4b destiné à recevoir une canalisation reliée à une source de fluide sous pression (non représentée), d'un orifice central 5a, 5b qui constitue un orifice d'admission du fluide sous pression dans l'alésage 2 et d'une face intérieure cynique 6a, 6b formant siège pour un clapet qui sera décrit plus loin. Les orifices 5a, 5b et les sièges 6a, 6b sont centrés sur l'axe XX'. Le corps 1 est traversé par un second alésage 7, d'axe YY', perpendiculaire à XX', aux deux extrémités duquel sont vissés deux embouts 8a, 8b. Chaque embout 8a, 8b est muni d'un embrèvement fileté 9a, 9b destine à recevoir une canalisation reliée à un appareil d'utilisation (non représenté), d'un orifice central 10a, 10b qui constitue un orifice de sortie du fluide sous pression après que ce dernier ait traversé les alésages 2 et 7. Chaque embout 8a, 8b comporte en outre une cavité pila, llb recevant un ressort qui sera décrit plus loin. L'alésage 2 constitue un logement pour un piston ou tiroir, monté coulissant de façon à pouvoir occuper deux positions extrêmes pour chacune desquelles il obture l'un des orifices d'admission 5a, 5b. Le piston 12 prend appui sur la paroi interne de son logement 2 par l'intermédiaire d'aretes de guidage 13 qui assurent un frottement minimal et permettent le passage du fluide entre elles, et est muni d'extrémités cylindro-côniques identiques et coaxiales 12a, 12b qui constituent des clapets coopérant avec les orifices 5a, 5b. Les parties coniques 14a, 14b des dits clapets, prévues pour venir s'appliquer contre les sièges 6a, 6b, sont munies de bagues d'étanchéité toriques 15a, 15b et sont prolongees par des parties cylindriques 16a, 16b de diamètre De inférieur à celui du logement 2. Le piston 12 est traversé, dans sa partie centrale, par un alésage 17, d'axe perpendiculaire à l'axe de ses extrémités 12a, 12b, donc à XX > et présentant la forme de deux troncs de cône identiques, opposés par leurs plus petites bases communes. Le piston 12 est entraîné en translation dans son logement 2 par un dispositif de commande d'inversion 20 constitué par un ressort hélicoldal bistable qui traverse l'alésage 17 et dont l'une des extrémités est en appui sur le fond de la cavité Ilb de l'embout 8b, ce fond constituant une butée fixe, son autre extrémité étant en appui sur une butée réglable 21 vissée dans la cavité lia et l'embout 8a. Le ressort 20 présente à l'état détendu, c'est-à-dire non comprimé, une longueur sensiblement supérieure à la distance, selon l'axe YY', entre les deux butées précitées de sorte qu'il comporte une position d'équilibre instable pour laquelle il est comprimé et coaxial à YY', et deux positions d'équilibre stable, disposées symétriquement de part et d'autre de YY', et pour lesquelles il n'est que partiellement détendu. Le ressort 20 présente alors une forme incurvée dans un sens ou dans l'autre, avec une flèche A par rapport à la position médiane d'équilibre instable, l'une de ces positions étant représentée à la figure 1. Pour chacune de ces positions d'équilibre stable, le ressort exerce sur le piston une force non nulle dont la composante axiale applique le clapet contre son siège. Lorsque le ressort 20 passe d'une position stable à l'autre, il entraîne le piston 12 en translation dans son logement sur une longueur B = 2 A. La forme donnée à l'alésage 17 permet au ressort de s'incurver librement. Aux deux extrémités du logement 2-sont montés des segments identiques 18a, 18b, présentant la forme de couronnes annulaires minces allant en s incurvant à partir de la paroi dudit logement vers ltori- fice d1admission correspondant Sa, 5b. Ces segments sont faits en un matériau souple et élastique tel que celui connu sous la marque déposée: TEFLON. Les segments 18a, 18b ont, à l'état libre, un diamètre interne D sensiblement inférieur au diamètre D de la partie cylindrique 16a, s c 16b de chaque clapet de sorte qu'ils viennent en contact de ladite partie cylindrique lorsque le clapet est en position d'obturation (cas du segment 18a), ce contact assurant une étanchéité partielle aux fluides.Les segments 18a, 18b,lorsqu'ils sont appliqués contre le clapet, jouent le rôle de segments à fuites, ce qui permet d'éviter une éventuelle montée en pression en amont de l'orifice d'admission qui est obturé par le clapet. En supposant que le piston 12 occupe la position réprésentée à figure 1 pour laquelle la source reliée à l'orifice 5a est en réserve tandis que la source reliée à l'orifice 5b est en service, le fluide sous pression de la source en réserve exerce sur le piston une poussée,f de gauche à droite, qui est proportionnelle à la section droite du clapet 12a par un plan perpendiculaire à XX' et passant par le joint torique 15a. A cette poussée de gauche à droite, s'oppose la poussée résultante, de droite à gauche, qui est la somme de la poussée exercée par le fluide de la source en service sur la section droite de la partie et cylindrique 16b du clapet 12bide la composante axiale du ressort 20, la valeur de cette composante étant fonction de la contrainte dudit ressort, c' est-à-dire du réglage de la butée mobile 21. Lorsque, par suite du tarissement de la source en service et de la diminution de sa pression, la poussée du fluide de la sourire en réserve dépasse la poussée résultante précitée, le piston coulisse vers la droite en entraînant le ressort 20 vers sa position aédiaze d'équili- bre instable, contre la composante axiale, qui s' exerce de droite a ga- che, dudit ressort. Lorsque cette position médiane est atteinte puis dépassée, la composante axiale du ressort change de sens, c'est-à-dire qu1elîe s'exerce de gauche à droite et s'ajoute à la poussée de fluide de la source jusqu'ici en réserve, poussée qui s'exerce alors sur ra totalité de la section droite du clapet 16a. Il y a, à partir de cet instant, translation rapide d pi-s- ton de gauche à droite et par conséquent inversion franche de la sour-ce d'alimentation. S'il se produit une montée accidentelle de la pression dans la canalisation reliée à la source en réserve suffisante prsr entraîner un début de déplacement du clapet appliqué contre l'orifice d'admission correspondant (en cas de fuite dans le détendeur interpose entre la source et l'inverseur par exemple), le segment 18a ou 1Eb associé assure une fuite limitée qui empêche que cette pression accidentelle n'entraîne le piston de façon intempestive. Il en résulte que l'inverseur est insensible aux variations accidentelles de pression. On pourrait apporter au mode d'utilisation décrit et reprte- senté de nombreuses variantes sans pour autant sortir du cadre de l'in- vention, c'est ainsi par exemple que le ressort hélicoïdal pourrait ventre remplacé par une lame-ressort susceptible d'occuper également deux positions d'équilibre stable et entraîner le piston en translation REVENDICATIONS 1. - Inverseur automatique pour l'alimentation continue d'un appareil d'utilisation au moins a partir de deux sources de fluide sous pression au moinst du type comportant un corps creux muni d'au moins deux orifices d'admission et d'au moins un orifice de sortie et un piston mobile en translation soumis, à ses deux extrémités, a la pression des dites sources et prevu pour obturer, selon sa position, l'un ou l'autre des dits orifices d'admission et un dispositif de commande dtinversion du piston précité cons titué par un organe bistable susceptible d'occuper deux positions d'équilihre stable situées de part et d'autre d'une position d'équilibre instable, carac térisé en ce que l'organe bistable est un ressort hélicoïdal traversant un alésage menage dans la partie centrale du piston, perpendiculairement à sa direction de translation et en appui, par ses deux extrémités, sur des butées coaxiales disposées de part et d'autre dudit piston, l'axe commun aux dites butées passant par le point milieu de la course du piston. 2. - Inverseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort présente, à 11 état detendu, une longueur sensiblement supérieure à la distance entre les butées précitées de façon à se trouver en position d'éiiilibre instable lorsqu'il leur est coaxial et exercer sur le piston une force parallèle à sa direction de translation lorsque ledit ressort s'incurve dans l'un ou l'autre sens pour occuper l'une ou l'autre position d'équilibre stable. 3. - Inverseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'une des butées est réglable en position selon l'axe commun précité. 4. - Inverseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l1alésage précite présente la forme de deux troncs de cône opposés par une petite base commune. 5. - Inverseur selon la revendication l, caractérisé en ce que le piston comporte, à chaque extrémité, un clapet cylindro-cônique dont la partie conique est munie d'une bague d'étanonéité et prevue pour coopérer avec un siège, également cônique, de l'orifice d'admission associé, le logement dulit piston étant muni, à chacune de ses extrémités, d'un segment souple contre lequel la partie cylindrique du clapet vient en appui lorsque ce dernier est en position de fermeture.