Brevet FR2482240A1 — publié le 19811113

Les vannes selon l'invention sont principalement des vannes d'arrêt pour des liquides purs ou chargés d'impuretés de l'industrie chimique, minière ou pétrolière. Elles peuvent néanmoins être utilisées aussi pour des gaz purs ou chargés de poussières, ou même pour des matières granuleuses. En outre, elles peuvent dans certains modes de réalisation, servir au réglage du débit. Les vannes courantes à opercules métalliques boisseau, registre, papillon, soupape, etc.. sont couraniment utilisées, Cependant, certains de leurs défauts tels que difficultés des presse-étoupes ou d'érosion leur font parfois préférer les vannes à diaphragme souple. Ces dernières existent couramment en deux types dont des perfectionnements sont décrits par exemple dans le brevet français N0 76 17792 (publié N 2 314 413). Leur caractéristique commune est d'utiliser un diaphragme élastique, soit sensiblement plan, soit formant un manchon, et fixé de façon étanche sur un corps de vanne dont il constitue une des parois. Le diaphragme plan selon les figures 1 à 4 de ce document convient pour des vannes à pression assez élevées, mais impose au fluide un trajet tortueux générateur de perte de pression. Le manchon selon les figures 5 à 8 du mtme document doit 8tre très élastique et ne convient donc que pour des pressions assez faibles. Si le manchon s'applique sur un noyau, celui-ci crée une zone morte sensible & l'encrassement. Si ce noyau est très réduit, voire supprimé, le manehon extrmement souple ne con- vient plus qu'a' des pressions très faibles et son endurance est limitée par ses déformations excessives. L'appui du diaphragme sur le siège d'étanchéité à l'intérieur du corps de vanne peut entre provoqué par un nioyen mécanique externe9 ou bien comme indiqué dans le document cité par la pression d'un fluide de commande sur la surface externe du diaphragme. L'invention vise principalement à créer une vanne à diaphragme qui puisse Qtre de grande dimension et supporter de fortes pressions. Secondairement, elle comporte des moyens de réaliser une telle vanne avec un trajet favorable pour le fluide et donc à faible perte de pression et sans encrassement ni dépit de matière transportée. Une vanne à diaphragme souple selon l'invention se caractérise en ce que son diaphragme est constitué en majeure partie d'une membrane inextensible bombée qui vient s'appuyer sur le siège d'étanchéité lorsque son bombement, c'est-à-dire sa convexité, est tourné vers l'intérieur du corps de vanne, ce qui est la position de fermeture. Lorsque ce bombement est formé vers l'extérieur, c'est-à-dire que le diaphragme est concave vis-à-vis de l'intérieur, le siège est libéré et la vanne est ouverte. De préférence, le diaphragme est constitué principalement par deux segments de canes à bases circulaires, sensiblement coaxiaux et assemblés par leurs grandes bases qui sont de 8ee longueur, chacun de ces segments étant une membrane souple mais inextensible en long et en travers. En position d'ouverture, le diaphragme prend la forme de deux portions de canes-de révolution, forme qui est stable vis-à-vis de la pression du fluide et avantageusement il est alors appuyé contre une enveloppe rigide extérieure résistante vis-à-vi8 de cette pression et elle-meme en portions de cônes L'enveloppe peut délimiter une capacité permettant l'introduction d'un fluide extérieur- qui commande l'appui du diaphragme sur son siège. Le groupement de plusieurs éléments d'enveloppes englobant plusieurs diaphragmes et plusieurs sièges détermine une vanne unique axi-symétrique, dont la réalisation la plus favorable comporte trois éléments et une enveloppe de m & e axe de symétrie0 Dans ce dernier cas, chacun des trois diaphragme mes peut porter, au voisinage de la jonction des deux segments de cônes, un renfort souple formant siège pour les renforts correspondants des deux autres diaphragmes. D'autres détails de réalisation apparattront au cours de la description des figures ciaprès. Les figures I et 2 représentent une vanne respectivement en coupe axiale partielle et section transversale, selon I-I de la figure 2 et Il-Il de la figure 1. La figure 3 montre le détail fie la fixation d'un diaphragme. La figure 4 montre une vue plane dans diaphragme développé. La figure 5 est une coupe transversale sim- plifiée d'une variante La vanne des figures I et 2 comporte à l'exté- rieur une virole conique amont 1 et une virole conique aval 2 boulonnées par des brides 3 et 4 de leurs grandes bases qui sont de mEme diamètre. Les brides 5 et 6 de leurs petites bases permettent les raccordés ments de tuyauteries, d'arrivée et de sortie respecti- serment, pour le fluide véhiculé dans le sens de la flèche sur la figure 1. Â l'intérieur des viroles 1 et 2 se trouvent trois sièges 7, 8 et 9, en disposition axi-symétrique par rapport à l'axe commun 10 des viroles. Chaque siège est formé d'une feuille rigide ayant une forme générale convexe vis-à-vis de l'axe 10 de la vanne, cette forme étant un assemblage de surfaces développables, l'ensemble pouvant titre embouti, soudé ou moulé. Ces surfaces développables comportent pour chaque siège deux quadrilatères tels que 7, 7a qui sont chacun légèrement plié au droit du plan commun des brides 3 et 4 et qui sont raccordés entre eux avec un congé tel que Il en portion de cylindre dans un plan de symétrie axial 12 du siège considéré. Les quadrilatères sont en outre raccordés avec congés cylindriques tels que 13 et 14 à des portions telles que 15 et 16 de deux cônes dont les surfaces sont respectivement parallèles à celles des viroles extérieures 1 et 2 et très voisines de celles-ci, mais ces portions étant limitesà des arcs dont la valeur décroft régulièrement pour chacune depuis un tiers de périphérie dans les plans des brides 5 et 6 jusqu'à zéro dans le plan des brides 3 et 4. Ces portions de canes, telles que 15 et 16, sont communes aux bords contigus des sièges tels que 7 et 8 et les relient entre eux. Ctest sur elles que sont fixés les trois diaphragmes souples 57, 18 et 19 qui sont les seuls éléments mobiles et actifs de la vanne, le diaphragme 19 n'était pas représenté sur la figure 1. h cet effet, on peut par exemple (figure 3) aménager dans les plans de symétrie de ces portions de canes des dépressions longitudinales telles que 20 destinées à recevoir les bords à bourrelets tels que 21, 22 des diaphragmes contigus 17 et 18 avec une barrette de retenue commune 23 appuyée contre la virole telle que 2o Des prolongements annulaires 20a de la dépression 20 raccordent celle-ci aux autres et reçoivent des bourrelets 22a qui complètent l'étanchéité périphérique du diaphragme, comme le montre la figure 4 La figure 4 montre la découpe d'un diaphragme selon l'invention. il est constitué de deux éléments 24 et 25 découpés en secteurs de cercles. Les grands arcs 26 et 27 de chacun d'eux sont de meme longueur. Après leur jonction par collage ou soudure bout à bout, le diaphragme prend une forme bombée, soit concave, soit convexe. La forme convexe permet l'appui du diaphragme sur toute la surface du siège et la forme concave l'éloigne de celui-ci, permettant le passage du fluide (respectivement repères 19 et 17 en figure 2). Chacun des deux éléments est constitué d'une matière souple et à peu près inextensible, par exemple d'un tissu de fibre résistante tel que polyamides, métal ou mime carbone, enrobé d'élastomère le rendant étanche au fluide véhiculé. Le passage de la forme concave à la forme convexe, ou inversement, se réalise de soi-même par une courbure progressive en forme de N de la surface du diaphragme (repère 18 en figure 2). Dans le cas d'une vanne courte relativement à la largeur, les convexités ou concavités sont assez importantes, et on peut faciliter ce passage par un intercalaire élastique a la jonction entre les arcs 26 et 27. Dans ce cas, le siège comportera un appui non perforé pour recevoir cet intercalaire en la position d1 étanchéité. Àu lieu d'étire réalisée par découpes de produits plan et collages, la forme bombée d'un diaphragme inextensible selon l'invention peut- aussi litre par emboutissage ou moulage. Elle n'est alors pas forme cément biconique, mais il est important que le siège et l'enveloppe soient tels que le diaphragme y soit appliqué en tout point par.la pression du fluide de commande ou par celle du fluide véhiculé. Sans cela apparattraient des tensions qui obligeraient à limiter ces pressions sous peine de distendre le diaphragme ou de l'arracher de sa fixation périphérique. Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, il y a trois diaphragmes identiques et lorsque ceux- ci se fixent par des moyens communs comme décrits en référence à la figure 3, les petits arcs 28 et 29 de chaque diaphragme ont pour longueur le tiers des cir- conférences des petites extrémités des viroles 2 et 19 tandis que les grands arcs 26, 27 ont pour longueur commune le tiers de la circonférence maximale de ces viroles. Les figures 1 et 2 montrent en outre une cloison de séparation 30 en forme d'étoile qui détermine dans la vanne un espace amont et un espace aval et sur chaque siège une zone amont telle que 91 et une zone aval telle que 32. La surface de la cloison 30 étant minime, il ne se produit pas de zone morte où stagneraient des impuretés. La zone amont 31 sert seulement au débattement du diaphragme entre ses deux positions, convexe et concave. En position de fermeture, convexe vis-à-vis de l'axe 10, l'appui du diaphragme se fait avec une force très minime sur le siège. Celui-ci peut donc titre largement ouvert pour laisser passer le fluide sans perte de charge. On peut cependant le garnir d'une grille telle que dola, qui servira surtout en cas de diminution accidentelle de la pression du fluide véhiculé. Sur la zone aval 32 par contre le diaphragme doit etre fortement appuyé pour créer l'étanchéité. Cette zone est donc renforcée éventuellement et percée d'orifices d'écoulement tels que 32a dont le diamètre est assez petit pour que la matière du diaphragme ne soit pas trop déformée sous la pression au-dessus de chacun d'eux en position convexe de fermeture. il est donc avantageux, pour obtenir une section de passage suffisante pour le fluide à travers cette zone aval 32, que la surface globale de celle-ci soit assez grande. Ceci est réalisé, dans l'exemple figuré, par un décalage vers l'amont de la cloison de séparation 30 On pourrait le faire aussi en rallongeant la virole 2, la vanne et donc les diaphragmes devenant dissymétriques relativement au plan commun des brides 3 et 4. La vanne décrite en référence aux figures pré cédentes peut se monter et se démonter très facilement. Sur l'ensemble des sièges qui forme un bloc de forme étoi- lée et d'un seul tenant, on place les trois diaphragmes et les trois barrettes telles que 23 qui peuvent titre retenues par une colle peu adhérente ou par des vis non figurées. On recouvre alors l'ensemble, par les viroles 1 et 2, introduite chacune par l'extrémité respective, et dont le serrage mutuel par les brides 3 et 4 vient appuyer barrettes et diaphragmes contre les sièges, ce qui assure l'étanchéité entre ces éléments. La manoeuvre d'une vanne selon l'invention se fait de préférence de façon connue par introduction d'un fluide de commande entre les viroles 1, 2 et chaque diaphragme. La figure 1 en montre une réalisation avantaeuse. Un conduit 33 est en liaison avec la tubulure amont à travers la bride 5 et débouche dans la virole 1 lorsqu un robinet 34 est ouvert. Un autre conduit 36 part de la virole 2, et débouche dans la tubulure aval à travers la bride 6 lorsqu'un robinet 37 est ouverts il pourrait éventuellement déboucher à l'égout On pourrait de façon connue raccorder directement 33 et 36 et regrouper 34 et 37 en un robinet à trois voies. Pour ouvrir la vanne, on ouvre le robinet 37 et on ferme le robinet 34. La seule pression amont du fluide véhiculé repousse chaque diaphragme en position concave. Pour fermer, on ferme le robinet 37 et on ouvre le robinet 34. La pression amont du fluide véhiculé s'applique sur l'extérieur des diaphragmes et ceux-ci sont peu à peu aspirés par la dépression qui se forme à la traversée de chacun des orifices 32a En cas de besoin, la pression amont peut être renforcée par une pompe de surpression 35 sur le conduit 33. On peut y suppléer par un élément élastique ou un ressort tel que 38 qui tend à appliquer chaque diaphragme me sur son siège. Un ressort à lame pourrait aussi entre collé ou intégré au diaphragme dans le même but On n'a indiqué ci-dessus qu'une seule tubulure 33 et 36 car l'étanchéité entre les trois secteurs de commande sous les viroles n'est pas assurée, des passages pouvant exister le long des joints tels que 20a, en amont et en aval des diaphragmes. On peut au contraire créer cette étanchéité par des joints supplémentaires non figurés. En triplant alors les tubulures 33 et 36 et leurs accessoires, on peut commander individuellement chaque diaphragme et réaliser ainsi une certaine fonc-tion de réglage pour la vanne ainsi modifiée. D'autre part, le volume des secteurs de commande tels que dessinés sur les figures 1 et 2 est assez important, ce qui conduit à des temps de réponse assez grands. Pour le diminuer, il peut titre avantageux de diminuer le débattement des diaphragmes par une enveloppe intermédiaire, telle que 39 (figure 2). De façon avantageuse, cette enveloppe 39 est emboutie en forme de M pour s'adapter à la position déformée d'ouverture du diaphragme. En outre, ses sections doivent avoir la stse longueur développée que celles du diaphrag se, afin que celui-ci puisse sty appliquer en tout point. Elle est percée d'au moins un orifice d'équilibrage des pressions, de façon que l'effort de pression soit reporté sur les viroles de révolution 1 et 2. On peut aussi commander mécaniquement les diaphragme s par des poussoirs au droit de la cloison de séparation 30. La figure 5 montre une coupe transversale d'une version simplifiée d'une vanne selon l'invention particulièrement intéressante pour de grands débits et des pressions pas trop élevées. Montée à l'intérieur d'une virole biconique analogue à celle de la figure 1, elle ne comporte plus de siège ni de cloison de séparation. Chaque diaphragme tel que 40 porte, tout au moins dans son plan de bombé maximal, par exemple à la åonction des deux segments de connes qui le constituent selon la figure 4, un renfort triangulaire souple 41. Len- semble constitué de la jonction et du renfort constitue un siège mobile qui s'applique contre les mimes éléments des autres diaphragmes en position fermée. En position ouverte, la vanne est à passage absolument direct et donc sans perte de charge. Elle convient en particulier pour un produit granuleux. On peut cependant restituer à chaque diaphragme une action indépendante de chacun des deux autres en disposant entre eux trois tôles minces 42, 43 et 44 raccordées sur l'axe et placées dans les trois demi-plans de fixation des diaphragmes0 Ces tôles figurées en traits forts servent de sièges d'étanchéité, sont des appuis précis pour les diaphragmes et ne créent pas de perte de charge puisqu'elles sont parallèles à écoulement qu'elles contribuent à régulariser0 Elles sont ici maintenues entre trois secteurs des viroles I ou 2.La figure 5 montre en outre une variante pour la fixation des diaphragmes tels que 400 Des pièces en N telles que 45, 46, analogues à l'enveloppe 39 de la figure 2, sont ici prolongées vers l'extérieur par des congés tels 47, 48, tangents à des plans radiaux Serrées ltuDe contre l'autre, par exemple par les viroles 1 ou 2, elles pincent entre elles les bords contigus des diaphragmes, ce qui assure le maintien et l'étanchéité de ceux-ci. Ces fixations de directions radiales permettent d'appli- quer en position de fermeture les diaphragmes l'un contre l'autre bien à plat et sans pliure. Elles maintiennent aussi éventuellement les totales 42, 43 et 44. Un avantage des vannes à diaphragmes inextensibles selon l'invention est le grand nombre de manoeuvres qu'elles autorisent. Elles sont donc particulièrement indiquées pour des installations exigeant un fonctionne- ment cyclique comme par exemple la commande de sas pour réaliser des pertes de charge sur des fluides chargés très érosifs et la récupération d'énergie de fluide à l'aide de dispositif s à fonctionnement alternatif. De telles installations sont utilisées par exemple pour les transports hydrauliques de minéraux concassés à partir du lieu d 'extraction. Ces vannes sont d'autre part recommandées aussi pour les divers produits fluides ou granuleux de 1'industrie alimentaire ainsi que pour les farines, en particulier pour la version décrite en référence à la figure 5. REVENDICATIONS 1. Vanne pour arrêter ou régler le débit d1un produit fluide ou granuleux entre une entrée amont et sortie aval sensiblement eirculaires et coaxiales et généralement de m8me diamètre, situées de part et d'autre d'un corps de vanne qui les relie rigidement, ce corps de vanne ayant un élément au moins qui forme un secteur longitudinal entre l'entrée et la sortie et qui est occupé sur toute sa longueur par un diaphragme étanche, souple dont la majeure partie est inextensible et coopère avec un siège d'étanchéité transversal, de sorts qu'un appui du diaphragme sur le siège par une force extérieure provoque l'arr8t du débit, caractérisée en ce que le diaphragme (17, 18, 19) est longitudinale- ment bombe et convexe en position d'ouverture où il s'appuie contre une enveloppe (1) dont les sections transversales ont la même longueur développée que celles du diaphragme et longitudinalement bombé et concave en position de fermeture où il s'appuie contre un siège (7, 8, 9) dont les sections transversales ont la même longueur développée que celles du diaphragme 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la membrane inextensible est formée de portions de deux canes de révolution (15, 16; 24, 25) sensiblement coaxiaux et assemblés par leurs grandes bases. 3. Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'assemblage des deux portions de cône com- porte un intercalaire élastique. 4. Vanne selon l'une des revendications 1 à caractérisée en ce que le siège est constitué une feuille rigide ayant une forme bombée convexe visà vis de l'intérieur du corps de vanne. 5. Vanne selon la revendication 4, caractérisée en ce que le siège comporte deux surfaces planes chacune dans un plan différent et raccordées à la fixation périç phérique du diaphragme. 6. Vanne selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que la feuille rigide convexe est raccordée avec étanchéité à la périphérie du diaphragme et comporte une zone amont (31) et une zone aval (32) séparées par une cloison (30), avec dans chaque zone des orifices pour l'écoulement du produit. 7. Vanne selon la revendication 6, caractérisée en ce que la zone aval a une surface globale supérieure à celle de la zone amont. 8. Vanne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'enveloppe est une pièce de révolution extérieure au diaphragme et résistant à la pression du produit. 9. Vanne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'enveloppe est une pièce intermédiaire (39, 45, 46) avec un orifice d'équilibrage des pressions et à l'intérieur d'une enveloppe extérieure (1) résistant à la pression. 10. Vanne selon la revendication 9, caractérisée en ce que la pièce intermédiaire a une section en forme de Mo 11. Vanne selon l'une des revendications 8 à 10, où le diaphragme est manoeuvré par l'introduction d'un fluide de commande entre lui et l'enveloppe, et caractérisée par une pompe de surpression (35) sur un conduit en liaison avec la tubulure amont (33) et débouchant dans l'enveloppe. 12. Vanne selon l'une des revendications 8 à 11, où le diaphragme est manoeuvré par l'introduction d'un fluide de commande entre lui et l'enveloppe, et caractérisée en ce que le diaphragme est soumis à un élément élastique (38) qui tend à l'appliquer sur son siège. 13. vanne selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que plusieurs diaphragmes sont groupés autour d'un mtme corps de vanne. 14. Vanne selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'un au moins des diaphragmes est commandé individuellement et indépendamment des autres. 15. Vanne selon 1lune des revendications 13 ou 14, caractérisée en ce que la vanne comporte trois diaphragmes en disposition axi-symétrique. 16. Vanne selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisée en ce qu'unie mEme enveloppe de-révolution entoure les diaphragmes et le corps de vanne. 17. Vanne selon la revendication 16, earacté- risée en ce que les sièges comportent trois portions de connes, lesquels sont respectivement parallèles et très voisins de deux viroles coniques de révolution de mime axe opposées par leurs grandes bases et qui constituent l'enveloppe de révolution, les diaphragmes étant fixés sur ces portions de c8nes et appuyés sur elles par les viroles coniques. 18. Vanne selon les revendications 9 et 15, caractérisée en ce que chaque enveloppe est prolongée par des congés (47, 48) tangents à des plans radiaux, les congés voisins qui appartiennent à deux enveloppes pinçant entre eux les bords contigus de deux diaphragmes.