Brevet FR2464420A1 — publié le 19810306

L'invention concerne les robinets de dosage à tige mobile, ne prenant généralement pas appui sur un siège. Des robinets de dosage, en particulier lorsqu'ils sont uti- lisés dans des applications de commande de procédés, doivent moduler ou étrangler en continu un écoulement au moyen de changements fréquents de position demandés aux organes de commande et de dosage. Ces robinets présentent un canal de dosage reliant un orifice d'entrée à un canal de sortie. Le canal de dosage est conçu pour recevoir un organe conique de dosage. Une tige, qui part de l'organe conique de dosage, peut être actionnée axialement afin d'augmenter ou de dimi- nuer la section du canal de dosage. Il est évident qu'un canal de commande doit être ménagé dans le corps du robinet, à partir du canal de dosage. Dans des robinets de conception classique, la tige traverse le corps et est actionnée par des organes reliés à elle, à l'extérieur du corps. La tige est entourée d'une ou plusieurs garnitures annulaires rete- nant la pression à l'intérieur du robinet. L'invention concerne des robinets sans garniture, commandés magnétiquement et destinés à des applications à haute pression. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 2 289 574 décrit un robinet à commande magnétique qui n'est cependant pas conçu particulièrement pour des applica- tions à haute pression. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 269 698 décrit un robinet à vis extérieure et à garni- tures plus ou moins typique. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 106 825 décrit également un robinet du type auquel l'invention a trait. Les robinets de dosage à tige mobile, utilisés dans des applications de commande (c'est-à-dire des applications dans lesquelles la tige est déplacée continuellement en réponse à des conditions de procédés, etc.), sont en général conçus de manière que la tige puisse exécuter un mouvement alternatif coulissant dans une garniture, sur une très fai- ble distance et/ou qu'elle ne puisse pas tourner sur plus d'environ un tour lors d'un déplacement axial maximal. Ce mouvement limité de la tige protège la garniture, mais impose une limitation quant à la configuration possible de l'orifice de dosage et de l'organe conique de dosage coopé- rant avec cet orifice. L'avantage connu des robinets à commande magnétique est la suppression du presse-étoupe ou de la garniture qui constitue toujours un inconvénient. L'élimination du presse- étoupe ou de la garniture est particulièrement souhaitable dans le cas derobinets de commande dont l'organe d'actionne- ment est fréquemment déplacé. Cependant, dans le passé, les robinets à commande magnétique ont été limités, dans les cas o ils ont été utilisés, à des applications mettant en jeu des pressions relativement basses. La raison principale est qu'il n'existe pas d'aimant permanent suffisamment puis- sant pour actionner l'obturateur magnétique à travers les parois épaisses nécessaires pour résister aux pressions éle- vées. Des aimants permanents nouvellement disponibles doi- vent être utilisés avec des corps de robinet à paroi épaisse, ce qui offre la possibilité de mettre en oeuvre des robinets à commande magnétique dans des applications à de hautes pressions. L'invention concerne un robinet à commande magnétique pour hautes pressions, réglant de manière fiable un débit d'écoulement avec des couples minimaux (appliqués par les aimants menants aux aimants menés), même sous des pressions supérieures à 14 MPa. Le robinet de dosage à commande magné- tique selon l'invention résiste à des pressions dépassant 70 MPa et il peut être ouvert contre une pression d'obtura- tion dépassant 70 MPa. Ce robinet comporte une tige pouvant effectuer plusieurs tours sur son axe en se déplaçant sur toute la longueur de sa course d'étranglement. Le robinet de dosage selon l'invention comporte un corps résistant à la pression (c'est-à-dire pouvant suppor- ter des pressions supérieures à 14 MPa) qui délimite un canal de dosage de diamètre fixe, entre un canal d'entrée de fluide et un canal de sortie de fluide. Un canal, destiné à l'organe de commande du robinet, est réalisé parallèlement à l'axe du canal de dosage. Un chapeau tubulaire non magné- tique résistant à la pression est monté coaxialement au canal de l'organe de commande. Dans d'autres formes, le prolongement de l'axe du chapeau passe par le canal de dosage. Le chapeau est fixé au corps du robinet de manière à communiquer directement avec le canal de l'organe de com- mande et avec le canal d'entrée. Un support cylindrique est monté de manière à pouvoir tourner sur le chapeau et porte des aimants en cobalt et terres rares ayant un nombre pair de pôles nord et de pôles sud. Un ensemble mené, por- tant des aimants en cobalt et terres rares ayant un nombre pair de pôles nord et de pôles sud, est monté de ma- nière à pouvoir tourner dans le chapeau. En général, les aimants menants et les aimants menés ont le même nombre de pâles magnétiques et le même intervalle angulaire entre les pâles. Les aimants peuvent être typiquement des aimants annu- laires cylindriques à plusieurs pôles circonférentiels équidistants. Le cobalt au samarium est préféré. Une tige est placée dans le canal de dosage et peut avantageusement coulisser et tourillonner dans une bague fixée à l'intérieur du canal de l'organe de commande. Un organe conique de dosage, fixé à cette tige, est dimension- né pour régler le débit d'écoulement dans le robinet en mo- difiant la section minimale présentée par le canal de dosage perpendiculairement à la direction de l'écoulement. La tige est associée à l'ensemble à aimants menés de manière que la rotation de cet ensemble dans un sens provoque un déplace- ment de la tige entràînant un accroissement de la section minimale, et qu'une rotation de l'ensemble à aimants menés dans l'autre sens déplace la tige pour diminuer la section minimale. Le robinet n'est en général pas conçu pour se fermer totalement. Dans une forme de réalisation de l'invention, la tige est vissée dans un trou taraudé réalisé suivant l'axe de l'ensemble à aimants menés, et elle est clavetée sur le corps du robinet afin de ne pas pouvoir tourner par rapport à lui. Ainsi, lorsque l'ensemble à aimants menés est mis en rotation, la tige est tirée vers l'intérieur ou repoussée vers l'extérieur de cet ensemble qui, lui-même, doit être fixé au moyen de paliers de butée à l'intérieur du chapeau. Dans une autre forme de réalisation, la tige du ro- binet présente des filets pouvant s'engager avec des filets du corps et/ou du chapeau. L'ensemble à aimants menés est claveté sur la tige de manière que cette dernière tourne avec l'ensemble. Dans cette forme de réalisation, l'ensemble peut être porté par la tige, auquel cas aucun palier de butée n'est nécessaire. De plus, la tige peut être clavetée à l'en- semble afin de pouvoir se déplacer axialement par rapport à lui, et de permettre ainsi le maintien de l'alignement entre les aimants menants et les aimants menés. Lorsque l'ensemble à aimants menés tourne, il fait également tourner la tige, ce qui provoque un mouvement axial de cette dernière sous l'effet des filets engagés les uns avec les autres. Dans une forme préférée de réalisation, les filets sont situés à l'ex- trémité de la tige opposée-à celle portant l'organe de dosage et ils pénètrent dans un trou taraudé réalisé dans un bouchon extrême axial monté dans le chapeau. Un canal est ménagé entre l'intérieur du chapeau et l'espace défini par l'extrémité fi- letéede la tige et le bouchon extrême, afin d'égaliser les pressions régnant dans ces deux zones. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lequel: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une forme de réalisation du robinet selon l'invention dont la tige est vissée dans l'ensemble à aimants menés; et - la figure 2 est une coupe longitudinale d'une autre forme de réalisation du robinet selon l'invention dont la tige est vissée dans la partie supérieure du chapeau. Comme représenté sur la figure 1, le corps 1 du robi- net présente trois alésages se rejoignant dans une zone cen- traie. Un raccord amovible 2, présentant un alésage ou canal de dosage à diamètre constant, est monté à proximité de l'in- tersection des trois alésages. Dans ce cas, l'alésage 3 d'entrée-sortie est aligné avec un alésage 4 destiné à rece- voir l'organe de commande du robinet, et ces deux alésages sont perpendiculaires à un alésage 5 d'entrée-sortie. Un embout tubulaire 6 présente un canal et des filets extérieurs 7 qui sont vissés dans le corps 1 afin de maintenir en place l'élément amovible présentant le canal de dosage. L'extré- mité extérieure de l'embout 6 présente un filetage intérieur 8 et l'alésage 5 d'entrée-sortie présente un filetage 9. Ces deux filetages permettent de brancher le robinet sur la par- tie restante du circuit sous pression. Il convient de noter que les alésages d'entrée et de sortie peuvent pénétrer dans le corps du robinet en faisant avec ce dernier pratiquement tout angle, y compris des angles provoquant leur alignement, et la forme particulière de réalisation dans laquelle un alésage est aligné avec le canal de l'organe de commande convient spécialement à l'utilisation d'un raccord amovible formant le canal de dosage. Le corps l du robinet et l'em- bout 6 sont de préférence réalisés en acier inoxydable du type "316" ou en matière équivalente. Le raccord 2 est en métal et se présente sous la forme d'une pièce annulaire qui est maintenue entre l'extrémité intérieure 12 de l'em- bout 6 et un rebord annulaire 13 situé à l'extrémité inté- rieure de l'alésage 3. Un chapeau tubulaire 15, fixé au corps i du robinet, comporte une partie 16 de faible diamètre qui présente des filets extérieurs destinés à s'engager dans le corps 1 du robinet, et une partie 17 de grand diamètre qui constitue le corps d'un dispositif de commande magnétique. Le chapeau doit être réalisé en acier non magnétique ou autre, par exemple en acier inoxydable à structure austénitique. Un bouchon extrême 20 est vissé dans l'extrémité du corps cy- lindrique de grand diamètre. Un support 21 d'aimants de commande est fixé de ma- nière à pouvoir tourner autour du corps. Des aimants 22 et 23 en cobalt et terres rares sont montés à l'intérieur du support et présentent un nombre pair de pôles magnétiques nord et sud. Les aimants sont de préférence des aimants annulaires ayant un nombre pair de pôles nord et sud cir- conférentiels, formant entre eux des angles égaux. Dans la forme de réalisation représentée, des paliers annulaires sont bloqués dans le support, un palier inférieur 25 étant maintenu en place par un anneau élastique 26. Les paliers sont de préférence réalisés en polymère synthétique, par exemple en polytétrafluoroéthylène. Un ensemble 30 à aimants menés est monté de manière à pouvoir tourner dans le chapeau 15. Cet ensemble comprend une tige centrale 31 sur laquelle sont montés des aimants 22A et 23A en cobalt et terres rares. Les aimants sont de forme annulaire et polarisés comme décrit ci-dessus. L'en- semble à aimants menés comporte des capuchons extrêmes axiaux 32 et 33 vissés sur la tige centrale. Une mince enve- loppe non magnétique 34, s'étendant entre les capuchons extrêmes, recouvre les aimants. Les capuchons extrêmes comportent des parties annulaires de faible diamètre, fai- sant saillie de manière à s'éloigner des aimants et touril- lonnant dans des paliers 40 et 41 de butée. Ces derniers sont réalisés en polymère synthétique. Ils sont maintenus en place par des guides annulaires 42 et 43. L'ensemble à aimants menés peut tourner librement, mais ne peut se dé- placer axialement. Une tige 51 de commande peut tourillonner et coulis- ser dans une bague 52 fixée dans un alésage central de la partie 16 de faible diamètre du chapeau. La bague est en polymère synthétique et elle est maintenue contre un épau- lement arrière par un anneau élastique. La tige 51 comporte une extrémité supérieure filetée 53 (dans l'orientation de la figure 1) qui pénètre dans un trou central taraudé 36 de l'ensemble à aimants menés. L'autre extrémité de la tige peut coulisser dans le raccord 2. Ce dernier présente un trou radial 64 d'entrée qui fait communiquer le canal de dosage avec le canal 5 d'entrée-sortie. Un petit tronçon 65 du canal de dosage communique avec le canal d'entrée- sortie de l'embout 6. La tige est traversée par un trou à proximité de son extrémité non filetée. Un axe 67, fixé dans la tige 51, peut coulisser dans une rainure longitudinale (non représentée) du raccord 2 afin d'empêcher la tige de tourner. La surface extérieure du raccord 2 présente une rainure dans laquelle une clavette 69 est logée afin d'em- pécher ce raccord de tourner par rapport au corps. Il convient de noter que le clavetage du raccord 2 empêche également la tige 51 de tourner par rapport au corps en raison de l'en- clenchement entre l'axe 67 et la longue rainure. En fonctionnement normal, le robinet est réglé par rotation du support 21, ce qui provoque une rotation de l'ensemble 30 à aimants menés. La liaison filetée entre cet ensemble 30 et la tige 51 transforme la rotation en un mouvement axial de la tige. La longueur sur laquelle la tige est déplacée axia- lement lorsqu'elle effectue un tour dépend évidemment du nombre de filets par centimètre sur la tige(c'est-à-dire du pas du filetage de la tige). Le pas du filetage peut varier typiquement entre 4,3 et 12,6 filets/cm. Dans les robinets à vis extérieure de l'art antérieur, dans lesquels la rota- tion maximale de la tige est de l'ordre de 600, la course de la tige est comprise entre 0,132 et 0,386 mm pour des pas de filetage de 12,6 et 4,3 filets/cm, respectivement. Ainsi, le canal de dosage et l'organe conique de dosage de ces robinets doseurs de l'art antérieur sont configurés de manière que la variation complète de la section de passage du canal de dosage, pour une commande à 100 %, s'effectue sur une course très courte de la tige. Par ailleurs, une rotation et un mouvement axial de la tige ne constituent pas un inconvénient dans le cas des robinets de commande selon l'invention et, par conséquent une commande à 100 % peut avoir lieu sur une distance supérieure, par exemple de 6,5 à 51 mm. Ceci permet un réglage beaucoup plus précis. Les canaux de dosage et les organes coniques de dosage peu- vent être configurés pour permettre l'obtention de meilleurs profils d'écoulement. Il existe des moteurs électriques pouvant être com- mandés pour effectuer un positionnement avec une précision de 1/50e de tour. Ainsi, si une commande à 100 % est basée sur dix tours de la tige, le positionnement axial de cette dernière aura une précision de 0,2 %. La figure 2 représente une variante de l'invention dans laquelle l'extrémité de la tige éloignée du siège est vissée indirectement dans le bouchon 20 du chapeau. Les mêmes références numériques désignent les mêmes éléments sur les figures 1 et 2. La tige comprend également l'organe de dosage. Elle est solidaire axialement et en rotation de l'ensemble à aimants menés qui comporte une saillie supé- rieure filetée, vissée dans l'alésage de la face intérieure du bouchon 20. Lorsque le support 21 des aimants de commande est mis en rotation, l'ensemble 30 à aimants menés est tour- né, ce qui a pour effet de faire tourner la tige 55 et de la faire monter ou descendre axialement, avec l'ensemble 30, suivant le sens de rotation. La tige présente avantageusement un certain jeu et/ou un canal 90 qui permet à une pression amont, provenant du canal d'entrée, d'agir sur l'extrémité axiale supérieure de la tige et de favoriser ainsi l'équili- brage des forces axiales exercées sur cette tige sous l'effet des pressions internes très élevées pouvant être présentes dans le robinet. Quelle que soit la forme du canal de dosage et de l'organe conique de dosage, il se produit dans la sec- tion ou dans l'orifice de dosage une chute de pression pro- portionnelle au débit d'écoulement dans cet orifice, pour une pression amont donnée. Le frottement du vissage (compte tenu des filets de la tige) peut empêcher une dérive indési- rable de la tige sous l'effet de cette chute de pression et/ou le moteur de commande peut maintenir la tige en posi- tion. Les poussées axiales dues à cette chute de pression peuvent en outre être minimisées par la mise en communica- tion des deux extrémités de la tige au moyen, par exemple, d'un tube extérieur 91 de pression (figure 2). Il convient de noter que, dans la forme de réalisa- tion représentée sur la figure 2, l'ensemble à aimants menés n'est pas monté dans des paliers de butée. La charge axiale est donc supportée par le chapeau, par l'intermédiaire d'un contact métal sur métal, c'est-àdire par l'intermédiaire des filets de l'alésage. Les forces axiales ne sont pas transmises au chapeau par des paliers en polymère synthétique. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au robinet décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1. Robinet, caractérisé en ce qu'il comporte un corps (1) pouvant être mis sous pression et présentant un canal de dosage, un premier canal(3) d'écoulementde fluide qui communique avec une extrémité du canal de dosage, et un second canal (5) d'écoulement de fluide qui communique avec l'autre extrémité du canal de dosage, ainsi qu'un ca- nal (4) destiné au passage d'un organe de commande du ro- binet et s'éloignant du canal de dosage, un chapeau tubu- laire non magnétique (15) résistant à la pression et dont le prolongement de l'axe passe par le canal de dosage, ce chapeau étant en communication directe avec les canaux ménagés dans le corps, un support cylindrique (21) qui entoure coaxialement le chapeau tubulaire sur lequel il est monté de manière à pouvoir tourner et qui porte des aimants (22, 23) en cobalt et terres rares présentant un nombre pair de pôles nord et sud, un ensemble (30) à aimants menés portant des aimants (22A, 23A) en cobalt et terres ra- res qui présentent un nombre pair de pôles nord et sud, cet ensemble étant monté de manière à pouvoir tourner dans le chapeau, une tige (51) qui est logée partiellement dans le canal de l'organe de commande, un organe conique de dosage fixé à la tige et qui, lorsque cette dernière est déplacée axialement, augmente ou diminue la section minimale du canal de dosage dans lequel un fluide peut s'écouler, la tige, le corps et l'ensemble à aimants menés étant associés de manière qu'une rotation de l'ensemble à aimants menés, dans un sens, provoque une montée de la tige et que la rotation de cet en- semble en sens opposé provoque une descente de la.tige. 2. Robinet, caractérisé en ce qu'il comporte un corps (1) résistant à la pression et présentant un canal de dosage, un premier canal (3) d'écoulement de fluide qui com- munique avec une extrémité du canal de dosage, et un second canal (5) d'écoulement de fluide qui communique avec l'autre extrémité du canal de dosage, ainsi qu'un canal (4) destiné au passage d'un organe de commande du robinet et s'éloignant du canal de dosage, un chapeau tubulaire non magnétique (15) résistant à la pression et dont un prolongement de l'axe passe par le canal de dosage, ce chapeau étant en communica- tion directe avec les canaux ménagés dans le corps, un sup- port cylindrique (21) qui entoure coaxialement le chapeau tubulaire sur lequel il est monté de manière à pouvoir tour- ner, et qui porte des aimants (22, 23) en cobalt et terres rares présentant un nombre pair de pôles nord et sud, un ensemble (30) à aimants menés qui porte des aimants (22A, 23A) en cobalt et terres rares présentant un nombre pair de pôles nord et sud, cet ensemble étant monté de manière à pouvoir tourner dans le chapeau au moyen de paliers (40, 41) de butée qui résistent aux mouvements axiaux dudit ensemble, une tige (51) qui tourillonne et peut se déplacer axialement et librement dans le canal de l'organe de commande, cette tige étant enclenchée par vissage avec l'ensemble à aimants menés, un organe conique de dosage étant fixé à la tige et, lorsque cette dernière est déplacée axialement, augmentant ou diminuant la section minimale du canal de dosage dans lequel un fluide peut s'écouler, un organe (67) clavetant la tige afin de l'empêcher de tourner, de manière que la rotation de l'ensemble à aimants menés dans un sens provoque une montée de la tige et qu'une rotation de cet ensemble en sens opposé provoque une descente de la tige. 3. Robinet, caractérisé en ce qu'il comporte un corps (1) résistant à la pression et présentant un canal de dosage, un premier canal (3) d'écoulement de fluide qui communique avec une extrémité du canal de dosage et un se- cond canal (5) d'écoulement de fluide qui communique avec l'autre extrémité du canal de dosage, ainsi qu'un canal (4) destiné à recevoir un organe de commande du robinet et s'éloignant du canal de dosage, un chapeau tubulaire non magnétique (15) résistant à la pression et dont un prolon-- gement de l'axe passe par le canal de dosage, ce chapeau étant en communication directe avec les canaux ménagés dans le corps, un support cylindrique (21) qui entoure coaxiale- ment le chapeau tubulaire sur lequel il est monté de manière à pouvoir tourner, et qui porte des aimants (22, 23) en co- balt et terres rares présentant un nombre pair de pôles nord et sud, un ensemble (30) à aimants menés qui porte des ai- mants (22A, 23A) en cobalt et terres rares présentant un nombre pair de pôles nord et sud, cet ensemble étant monté de manière à pouvoir tourner dans le chapeau, une tige (51 ou 55) disposée dans le canal de l'organe de commande et enclenchée par vissage avec le corps (1) et/ou le chapeau (15), un organe conique de dosage étant fixé à cette tige et, lorsqu'il est déplacé axialement, augmentant ou dimi- nuant la section minimale du canal de dosage par lequel un fluide peut s'écouler, un organe clavetant la tige à l'en- semble à aimants menés de manière que la rotation de ce dernier fasse tourner la tige, la rotation de l'ensemble à aimants menés, dans un sens, provoquant une montée de la tige et la rotation dudit ensemble en sens opposé provoquant une descente de la tige.