Brevet FR2480896A1 — publié le 19811023

1. 2480896 La présente invention concerne d'une manière générale des soupa- pes à siège conique, et plus particulièrement une soupape à siège conique com- portant une tige de commande séparée et discontinue, particulièrement utile pour éliminer toute fuite de fluide en cours de fonctionnement. Cette invention sera décrite à titre d'exemple en liaison avec une soupape à siège conique inversée ayant des chambres de pression, dont les surfaces actives ont des dimensions dif- férentes aux extrémités opposées du bouchon de soupape, afin de décaler la sou- pape dans une direction transversale par rapport à la direction d'écoulement du fluide, pour rétablir l'étanchéité en cas de fuite. L'invention comprend une tige de commande discontinue et séparée pour le bouchon, pour permettre le déca- lage axial de ce bouchon à la manière d'un piston, pour assurer l'étanchéité en coopération avec un joint disposé autour de la tige. Selon une forme de réalisation préférée, le bouchon est sollicité en direction du joint par un milieu tampon pressurisé. Ces dernières années, on a déployé une activité considérable dans le développement de soupapes utilisant différents types de matériaux non métal- liques destinés à résister aux attaques de fluides corrosifs, aux hautes pres- sions et à différents autres éléments utilisés pour assurer le contrôle de li- quides et de gaz véhiculés à travers des conduits. Le matériau utilisé est gé- néralement imperméable aux liquides et aux gaz, tel que le TEFLON ou une substance équivalente, qui assure une excellente étanchéité dans des conditions - d'utilisation adéquates, tout en offrant une résistance minimale à la rotation du bouchon de soupape, notamment pour les soupapes'de grandes dimensions. Les fuites éventuelles peuvent être d'origine interne ou externe. Les fuites internes apparaissent lorsque le fluide s'échappe à travers une sou- pape fermée et s'écoule dans le tuyau destiné à être obturé par cette soupape. Les fuites extérieures sont caractérisées par du fluide qui s'échappe dans l'at- mosphère, habituellement à travers le corps de la soupape. Il est bien entendu important de supprimer ou de réduire les deux types de fuites. Le besoin de disposer de soupapes adaptées pour supprimer les fui- tes atmosphériques s'est fait sentir récemment de façon particulièrement cruciale en raison de la sensibilisation aux problèmes écologiques. En conséquence, le besoin de pouvoir disposer de soupapes qui réduisent les fuites atmosphériques à un niveau voisin de zéro s'est considérablement développé, ainsi que celui de réduire les fuites internes. En fait, dans certains cas ou pour certains fluides, des règles très strictes ont été dictées en ce qui concerne les tolérances en matière de fuites atmosphériques. Les problèmes de fuites sont fréquemment aggravés lorsque la sou- pape est sujet à des variations de température. Les matériaux d'étanchéité non métalliques présentent habituellement un coefficient de dilatation plus élevé L. 2'"80396 que celui des métaux, à l'aide desquels-la plupart des soupapes sont réalisées. Il en résulte que le matériau d'étanchéité subit une dilatation supérieure et peut subir un fluage qui entraîne une modification permanente de sa forme et de ses dimensions. En outre, lorsque ces soupapes sont soumises à des températures plus basses, les organes de scellement fournissent une assise relativement lâche pour le bouchon de la soupape. Une des solutions de l'art antérieur, destinées à résoudre ces pro- blèmes, est illustrée par le brevet américain n0 3,472,485. Cette solution in- clut l'utilisation d'un bouchon de soupape comportant une tige de commande sépa- rée permettant un décalage aval du bouchon, en réponse à une pression linéaire lorsque l'étanchéité décroît. Par ailleurs, le dispositif décrit dans le brevet américain n0 3,263,697 permet également un décalage aval du bouchon, complété par un décalage transversal de la tige de commande de la soupape. Une autre solution de l'art antérieur comprend l'utilisation d'un milieu tampon inerte sensible aux pressions élevées, et disposé à tous les points critiques de la soupape o peuvent apparaître des fuites. Le milieu tam- pon est maintenu sous une pression qui est supérieure à la pression linéaire exercée par le fluide arrêté par la soupape. Un exemple du procédé et de l'appa- reil appliquant cette solution est décrit dans le brevet américain n0 4, 116,208. Le dispositif de la présente invention se rapproche du dispositif décrit dans le brevet américain n0 3,263,697, mais présente cependant des per- fectionnements importants pour permettre l'interaction de la tige de commande avec un organe d'étanchéité, pour augmenter l'étanchéité et supprimer les fui- tes extérieures. Un des objets de la présente invention consiste à réaliser une soupape à siège qui supprime à la fois les fuites intérieures et extérieures. Ce but est atteint par la soupapeà siège conique selon l'invention, caractérisée en ce qu'elle comporte a) Un corps de soupape, dans lequel est ménagé un passage de fluide, b) Un bouchon de soupape rotatif, ajusté à l'intérieur du corps de soupape en travers du passage de fluide, pour commander l'écoulement en fonction de sa position angulaire par rapport au corps de soupape, c) Une tige de commande connectée opérationnellement avec une ex- trémité du bouchon de soupape, s'étendant axialement depuis cette extrémité dans une direction transversale par rapport au passage de fluide, pour entraîner ce bouchon en rotation par rapport au corps de soupape, cette tige comportant une zone intermédiaire pourvue d'un épaulement, d) Un organe d'étanchéité disposé autour de la périphérie de la tige, le long d'une zone adjacente au bouchon de soupape, e) Une première chambre au moins partiellement définie par l'ex- trémité du bouchon connecté à la tige, le corps de la soupape et le côté de l'é- paulement de la tige opposé à l'organe d'étanchéité, et f) Des moyens pour permettre le déplacement axial de la tige, en fonction de la pression de fluide dans la chambre, pour provoquer une compres- sion engendrant une fermeture étanche au niveau de l'organe d'étanchéité. La présente invention sera mieux comprise en référence à la des- cription d'un exemple de réalisation et du dessin annexé, dans lequel: La figure 1 représente une vue en coupe et en élévation d'une sou- pape à siège conique renversée, construite en accord avec la présente invention, La figure 2 représente une vue en coupe et en élévation de la tige de commande utilisée dans le dispositif de la fig. 1, et La figure 3 représente une vue en coupe transversale du bouchon de soupape de la fig. 1, cette coupe étant effectuée selon la ligne 3-3 de la fig. 1. Les figures, et notamment la fig. 1, représentent une soupape à siège conique 10 comportant un corps de soupape 12 pourvu d'un alésage inté- rieur 14 s'étendant à travers le corps 12. L'alésage central 14 définit un pas- sage du fluide à travers le corps de soupape 12. Un bouchon de soupape 16 rota- tif est ajusté à l'intérieur du corps 12 à travers le passage du courant 14, pour commander le flux s'écoulant à travers ce passage, en fonction de la posi- tion angulaire du bouchon 16 par rapport au corps 12. Le bouchon 16 comporte une ouverture traversante ou passage 18 qui, de façon connue en soi, peut être disposée dans le sens ou hors du sens du courant traversant le passage 14, en fonction de la position du bouchon 16. La soupape 10 et plus particulièrement le bouchon de soupape 16 sont représentés dans une position ouverte sur la fig. 1. Dans cette position ouverte, le passage de fluide 18 coïncide avec le passage de fluide 14. Bien que cela ne soit pas représenté, il est évident pour l'homme de l'art que le bouchon de soupape 16 est agencé pour pouvoir être tourné autour d'un axe central 20, de façon à placer le passage de fluide 18 hors du passage de fluide 14 de manière à couper complètement le circuit em- prunté par le fluide. Un organe d'étanchéité 22, sous la forme d'un manchon ou d'une gaine réalisé en TEFLON ou en un matériau équivalent, est disposé autour de la périphérie du bouchon, ce manchon comportant une ouverture correspondant à celle du bouchon pour permettre le passage du fluide lorsque les passages 14 et 18 sont orientés selon la même direction. De même que le bouchon de soupape 16, l'organe d'étanchéité 22 s'étend en travers du passage de fluide 14 et com- porte des protubérances radiales s'écartant du bouchon de soupape, pour péné- trer au fond de gorges complémentaires disposées sur les côtés opposés du pas- sage de fluide 14. L'organe d'étanchéité 22 est disposé entre le bouchon de sou- 3. 4 2480896 4.. pape 16 et le corps de soupape 12, et assure l'étanchéité entre ces deux élé- ments. La surface supérieure 16a du bouchon de soupape 16 comporte un évidement femelle 24 sur sa face supérieure. Une tige de commande ou arbre 26 est fixé dans cet évidement 24, de telle manière que les parties latérales 26a de la tige de commande 26 soient susceptibles de transmettre un couple de torsion au bouchon de soupape 16, pour l'entraîner en rotation autour de son axe 20 de façon à l'amener de sa position fermée vers sa position ouverte et réciproque- ment. Comme le montrent les fig. 1 et 2, la partie latérale 26a de la tige de soupape 26 s'étend axialement au-delà de l'extrémité du bouchon de sou- pape 16, jusqu'à entrer en contact avec un épaulement 26b qui s'étend radiale- ment ver's l'extérieur par rapport à l'axe de rotation 20. Comme le montre la fig. 1, la tige de commande 26 est partiellement logée à l'intérieur d'une pièce cylindrique 12a. Une chambre de-fluide supérieure 32 est formée entre la surface supérieure 16a du bouchon de soupape 16 et une section inférieure de la pièce cylindrique 12a du corps de soupape 12. Cette chambre 32 est définie d'autre part par l'organe d'étanchéité 22 et la tige de commande 26 incluant les par- ties latérales 26a et le côté inférieur de l'épaulement radial 26b. La fig. 1 illustre la chambre de fluide supérieure, susceptible - de contenir un agent de scellement ou matériau tampon inerte tel que par exem- ple un matériau d'étanchéité à base de silicone. Ce matériau tampon peut être injecté dans la chambre 32 à travers le système d'injection 33 fixé à l'extré- mité du passage 35 s'étendant à travers le corps de soupape 12. Alternativement, la soupape pourrait comporter cet agent de scellement à la sortie de l'usine, puisque ce matériau a une durée de vie qui est probablement comparable à celle de la soupape. Tout matériau tampon ou agent de scellement, appliqué à la cham- bre supérieure 2, est également appliqué à la chambre inférieure 79 à travers le passage 25, qui s'étend en travers du bouchon 16 comme le montre la fig. 3. En se référant à nouveau à la fig. 1, le côté et la partie supé- rieure de l'épaulement 26b de la tige de commande 26 sont entourés d'une ron- delle 36 servant de palier à la tige 26 en rotation autour de l'axe 20. Une troi- sième partie 26c de la tige de commande 26, comportant un diamètre inférieur à celui de l'épaulement 26b, est adjacente à cet épaulement et s'étend axialement au-dessus de lui, entour6ed'un organe d'étanchéité extérieur se présentant sous la forme de joints d'étanchéité 37 disposés entre les paliers 36, et un autre jeu de paliers 28 qui s'étendent le long de la périphérie de la tige de commande 26 vers le haut de l'élément 12a du corps de la soupape. Un trou 40, à extrémité ouverte, est percé dans la partie supé- rieure de la tige de commande 26, cet alésage étant fileté pour recevoir le boulon de rappel 40. La partie supérieure de la tige de commande 26, de même que le boulon de rappel 40, sont disposés dans une cavité 48 contre une rondel- le 60 supportée au sommet de la section 12a du corps 12 qui se trouve en appui contre les paliers 28. Une rondelle d'appui 54 est disposée contre l'épaule- ment 56 ménagé à l'intérieur de l'alésage 48, et sert de surface d'appui à un ressort 58 dont l'autre extrémité s'appuie contre la rondelle 60 repoussée élastiquement contre la face inférieure de la tête du boulon de rappel 40. La rondelle de butée 54 engendre une force de réaction contre le ressort 58, lors- que le boulon de rappel 40 est tourné ou avancé par rapport à la tige de com- mande 26. Une poignée 62 est fixée à la partie supérieure du couvercle 50 et sert à engendrer la rotation du bouchon de soupape 16 autour de l'axe 20. Un joint 64 obture l'ouverture du moyeu pivotant 50 et comporte un trou 66 per- mettant l'introduction d'un outil destiné à faire tourner le boulon 40. De fa- çon similaire, la poignée 62 comporte une.ouverture 68 destinée à ce même but. En se référant maintenant à la face inférieure du bouchon de sou- pape 16, une ouverture est ménagée au fond du corps de soupape 12, cette ouver- ture étant obturée par un flasque 70 fixé au corps par des boulons 72. Un bou- chon d'étanchéité 74 est disposé au centre et traverse ce flasque de façon à se trouver en appui contre un joint 76 servant de butée. Le joint 76 se trouve en appui contre un diaphragme métallique 78 logé à l'intérieur d'un évidement ména- gé à la base du corps de soupape 12. Un second diaphragme 80 en matière synthé- tique est.disposé immédiatement au-dessus du diaphragme métallique, et logé dans un second évidement concentrique au précédent. Le bouchon d'étanchéité 74 sert à transmette des forces à travers le diaphragme 80 en matière synthétique, pour pousser le bouchon de soupape vers le haut. La chambre de fluide inférieure 79 est disposée en dessous du bou- chon 16 et est définie par le borps 12, le diaphragme en matière synthétique 80, le fond du bouchon 16 et une partie protubérante supérieure du joint 22 disposée entre le bouchon et le corps de la soupape. Comme le montre la fig. 1, le bouchon de soupape 16 a un profil conique continu, sa base ayant un premier diamètre supérieur au second diamètre de sa face supérieure 16a en contact avec la tige de commande 26. L'utilisation d'éléments séparés et discontinus pour la réalisation du bouchon et de la tige de commande présente de multiples avantages. La sou- pape telle que représentée comporte un organe d'étanchéité destiné à supprimer à la fois les fuites de fluide externes en provenance du passage de fluide vers l'atmosphère, et internes en travers du bouchon vers le passage disposé à l'ar- rière de la soupape fermée. Toutefois, l'expérience a montré que l'étanchéité, entre le bouchon et le corps de soupape, peut diminuer à certaines occasions. Dans la soupape illustrée, la pression du courant en aval pousse le bouchon dans une direction en aval, lorsque l'étanchéité n'est plus assurée, et le bouchon est alors actionné par la pression de façon à s'appuyer sur l'organe d'étanchéi- té disposé en aval, et plus particulièrement contre les lèvres 84 du corps 12 positionné entre les protubérances radiales du joint 22 et le passage de fluide 14. Ce décalage du bouchon est facilité par le fait que la tige de com- mande est séparée, ce qui permet un mouvement relatif entre le bouchon et cette tige. Pour permettre ce mouvement, l'espace entre le bouchon et la tige de com- mande, dans la direction de circulation du fluide, est supérieur lorsque le bou- chon est en position fermée. Les valeurs de ces tolérances, entre le bouchon et la tige de commande, sont de préférence de l'ordre de 2,54 mm en position ou- verte, entre les positions d'extrémités 26b de la tige de commande qui rencon- trent les gorges complémentaires illustrées par la fig. 1, et 15,24 mm entre ces mêmes deux éléments dans une direction décalée de 900 par rapport à celle représentée (qui correspond à la direction d'écoulement avant que le bouchon ne soit tourné vers sa position de fermeture autour de l'axe 20). On notera que le bouchon de soupape 16 est renversé par rapport à son orientation courante et que son profil est tronconique, le diamètre de sa surface plane inférieure étant supérieure à celui de son diamètre supérieur. De cette manière, la surface inférieure exposée au fluide de la chambre adjacente,- est supérieure à celle de la surface supérieure. L'orientation et le profil du bouchon sont importants indépendamment du fait que la soupape utilise un milieu - tampon. Si les conditions d'étanchéité entre le bouchon 16 et le corps de sou- pape 12 se perdent lorsque la soupape n'utilise pas de milieu tampon, du fluide passe dans les chambres 32 et 79. Du fait que la surface du bouchon 16 exposé à la chambre inférieure 79 est supérieure à celle du dessus du bouchon exposé au fluide de la chambre 32, la résultante des forces tend à repousser ce bou- chon dans une direction d'obstruction du passage de fluide. Par conséquent, le bouchon tend à se caler dans le matériau d'étanchéité 22, de telle manière que la soupape réagit automatiquement en cas de fuite. Additionnellement, la tige de commande 26 est séparable du bouchon et la pression exercée sur la surface supé- rieure par le fluide se trouvant dans la chambre 32, tend à repousser la tige vers le haut par rapport au bouchon, du fait que la pression dans cette chambre s'applique sur la face inférieure de l'épaulement 26b, la tige se déplaçant à la manière d'un piston. Par conséquent, la conception du bouchon de soupape permet un décalage à deux dimensions du bouchon 16 (axialement et radialement par rap- port à l'axe central 20), pour éviter une fuite intérieure et un décalage unidi- mensionnel (axialement par rapport à l'axe central 20) pour empêcher une fuite vers l'extérieur. En raison de la nature discontinue et séparable de la tige de 6. commande 26, cette dernière peut se déplacer axialement par rapport au bouchon de soupape 16 et par rapport à l'axe de rotation 20 du bouchon. Si la pression du fluide dans la chambre supérieure 32 devient suffisamment élevée en raison d'une fuite à travers le joint 22 ou l'application d'un milieu tampon pressu- risé, cette pression repousse la tige 26 vers le haut pour l'engager en compres- sion contre les bagues d'étanchéité 37 et assurer l'étanchéité avec elles. Comme cela est représenté de façon plus détaillée par la fig. 2, la tige de commande 26 selon la présente invention se compose de trois zones 26a, 26b et 26c comportant un épaulement intermédiaire 26b, dont le diamètre est supérieur à ceux des autres zones 26a et 26c. La tige 26 se compose d'élé- ments séparés et sa nature discontinue permet un déplacement axial par rapport au bouchon de soupape 16 et autour de l'axe de rotation 20. On constate par conséquent que le volume de la chambre supérieure 32 est variable, et si on introduit du fluide sous pression dans cette chambre, la pression se communique à la face inférieure de l'épaulement 26b pour soulever la tige 26. Le dispositif selon l'invention permet une interaction de l'épau- lement 26b de la tige de commande et des joints 37, lorsque l'épaulement 26b est repoussé contre les joints annulaires 37 pour constituer un scellement étanche qui augmente la sécurité contre les fuites extérieures. En d'autres termes, la zone de l'épaulement 26b de la tige 26 est mobile axialement dans l'évidement intérieur, et le joint d'étanchéité 37 est disposé à l'intérieur de cet évide- ment. La soupape présente des avantages similaires et des avantages ad- ditionnels lorsqu'on utilise un milieu tampon. Un milieu tampon, introduit dans la chambre supérieure 32, s'écoulera également vers la chambre inférieure 79 à travers le passage 25. Lorsque le milieu tampon est pressurisé, il repoussele bol chon 16 constamment vers le haut en raison des différences de surfaces exposées aux pressions dans les chambres 32 et 79, de manière à assurer l'étanchéité en- tre le bouchon de soupape 16 et le joint 22 à la partie supérieure et à la base du passage de fluide 14. De façon similaire, un milieu tampon pressurisé repoussera cons- tamment la tige de soupape 26 en compression avec les bagues annulaires 37. Cett compression constante des bagues 37 par'la tigà 26 augmente l'efficacité du scellement réalisé par les joints 37, notamment contre les fuites de vapeurs à basse pression. En outre, étant donné que le fluide traversant la soupape est guidé par le milieu tampon, chaque fuite, au niveau d'un joint, force le milieu tampor vers l'intérieur plutôt que d'autoriser une fuite du fluide, du fait que la pression du milieu tampon est supérieure à la pression du fluide véhiculé. On notera que le boulon d'étanchéité 74 peut être ajusté pour aug- 41 menter ou diminuer la pression du milieu tampon. - 7. 28 808096 REVENDICATIONS 1. Soupape à siège conique, caractérisée en ce qu'elle comporte a) Un corps de soupape (12), dans lequel est ménagé un passage de fluide (24), b) Un bouchon de soupape (16) rotatif, ajusté à l'intérieur du corps de soupape en travers du passage de fluide, pour commander l'écoulement en fonc- tion de sa position angulaire par rapport au corps de soupape, c) Une tige de commande (26) connectée opérationnellement avec une extrémité du bouchon de soupape, s'étendant axialement depuis cette extrémité dans une direction transversale par rapport au passage de fluide, pour entraîner ce bouchon en rotation par rapport au corps de soupape, cette tige comportant une zone intermédiaire (26b) pourvue d'un épaulement, d) Un organe d'étanchéité (37) disposé autour de la périphérie de la tige, le long d'une zone adjacente au bouchon de soupape, e) Une première chambre (32) au moins partiellement définie par l'ex- trémité du bouchon connecté à la tige, le corps de la soupape et le côté de l'é- paulement de la tige opposé à l'organe d'étanchéité, et f) Des moyens pour permettre le déplacement axial de la tige, en fonction de la pression de fluide dans la chambre, pour provoquer une compres- sion engendrant une fermeture étanche au niveau de l'organe d'étanchéité. 2. Soupape à siège conique selon la revendication 1, caractérisée - en-ce que le corps de soupape comporte un évidement intérieur, dans lequel la zone de la tige de commande, comportant l'épaulement, peut se déplacer axiale- ment, et dans lequel se trouve logé l'organe d'étanchéité susceptible d'être comprimé, lorsque l'épaulement est repoussé axialement dans la direction oppo- sée au bouchon de soupape, sous l'effet de la pression du fluide à l'intérieur de la première chambre. 3. Soupape selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'or- gane d'étanchéité se présente sous la forme d'une bague d'étanchéité. 4. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un mi- lieu tampon pressurisé occupe la première chambre, pour solliciter constamment l'épaulement de la tige de soupape en compression contre l'organe d'étanchéité et assurer l'étanchéité à ce niveau. 5. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour appliquer un produit pressurisé à travers le corps de soupape vers ladite première chambre. 6. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en-ce qu'elle comporte une chambre inférieure de fluide, partiellement définie-par l'extré- mité distale du bouchon du côté de la tige, le bouchon de soupape ayant une sur- 39 face exposée à cette chambre inférieure, qui est supérieure à la surface corres- 8. 9. pondante exposée à l'extrémité du bouchon interagissant avec la tige du côté de la première chambre, et des moyens pour provoquer une communication du fluide entre ladite chambre et ladite chambre inférieure. 7. Soupape selon la revendication 6, caractérisée comporte des moyens pour introduire un milieu tampon à travers pape vers la première chambre et vers la chambre inférieure de 8. Soupape selon la revendication 7, caractérisée comporte des moyens pour ajuster la pression du milieu tampon, la première chambre et de la chambre inférieure. 9. Soupape selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle le corps de sou- fluide. en ce qu'elle à l'intérieur de en ce qu'elle comporte des moyens pour ajuster la pression du fluide à l'intérieur de la pre- 12 mière chambre et de la chambre inférieure.