Brevet FR2494386A1 — publié le 19820521

La présente invention est relative à une vanne à quatre voies présentant deux entrées et deux sorties. Elle a pour but de fournir une vanne de ce type capable d'assurer des fonctions de commutation et de régulation de température de façon à commander automatiquement un circuit de distribution d'eau chaude à température constante ou quasi-constante, par exemple d'eau chaude sanitaire ou de chauffage central, comprenant une source de chaleur à action commandée (telle qu'une chaudière ou un chauffe-eau) et une source de chaleur à action variable (telle qu'une source à énergie solaire ou géothermique ou à récupération de chaleur ), en utilisant en priorité les calories provenant de cette dernière. A cet effet, l'invention a pour objet une vanne à Zip quatre voies , du type comportant deux entrées et deux sorties, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément thermosensible agissant entre deux obturateurs dont l'un estmobile vers l'élément thermosensible jusqu'à une position de fermeture d'une première sortie de la vanne et, dans le sens opposé, jusqu'à une position de fermeture d'une deuxième sortie de cette vanne, et dont l'autre est mobile entre une position d'ouverture et une position de fermeture d'une des deux entrées de la vanne. L'invention a également pour objet un circuit de distribution d'eau chaude utilisant une telle vanne. Ce circuit, du type comprenant une première source de chaleur à action commandée, une deuxième source de chaleur à action variable, une conduite d'eau froide du réseau, une conduite d'eau chaude d'utilisation, et des moyens de commutation pour faire passer automatiquement l'eau du réseau vers l'une des deux sources, ou vers les deux sources à la fois dans une proportion variable, en fonction de la température de l'eau fournie par la deuxième source, est caractérisé en ce que les moyens de commutation comprennent une vanne à quatre voies telle que définie ci-dessus dont la première entrée est reliée au réseau, dont la deuxième entrée est reliée à la deuxième source de chaleur, dont la première sortie est reliée directement à la conduite d'eau chaude et dont la deuxième sortie est reliée à la première source de chaleur et, de là, à la conduite d'eau chaude. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des dessins annexés, qui en représentent seulement un mode d'exécution. Sur ces dessins: la Fig. 1 est un schéma de montage d'une vanne suivant l'invention montée dans un circuit d'alimentation en eau chaude; la Fig. 2 est une vue à plus grande échelle, en coupe longitudinale, de la vanne; la Fig. 3 est une vue en coupe, suivant la ligne 3-3 de la Fig. 5, d'un élément modulaire de cette vanne; les Fig. 4 et 5 sont deux autres vues de l'élénant de la Fig. 3, respectivement en bout suivant la flèche 4 et en coupe suivant la ligne 5-5 de cette Fig. 3; la Fig. 6 est une vue éclatée en coupe longitudinale des organes de la vanne ajoutés aux éléments modulaires; les Fig. 7 et 8 sont des vues de détail prises respectivement en coupe suivant les lignes 7-7 et 8-8 de la Fig. 6;; la Fig. 9 est une vue partielle d'une variante de la vanne; la Fig. 10 est une vue en coupe, prise suivant la ligne 10-10 de la Fig. 11, d'un organe de la vanne de la Fig. 9; la Fig. 11 est une vue du meme organe prise en coupe suivant la ligne 11-11 de la Fig. 10; la Fig. 12 est une vue en plan d'un autre organe de la vanne de la Fig. 9; et la Fig. 13 est une vue de cet organe prise en coupe suivant la ligne 13-13 de la Fig. 12. Le circuit représenté à la Fig. 1 est destiné à fournir à une conduite 1 de l'eau chaude sanitaire, à une température constante ou quasi:- constante L'eau chaude peut etre fournie soit - entièrement par une source d'eau 2 à température variable et aléatoire, soit par une chaudière, chauffe-eau ou analogue 3, soit encore par ces deux sources à la fois. La source 2 peut notamment être une source à énergie solaire ou géothermique ou à récupération de chaleur et est couplée à un échangeur de chaleur 4. Le circuit utilise une vanne 5 à quatre voies, qui sera décrite en détail plus loin, présentant deux entrées 6 et 7 et deux sorties 8 et 9. A partir du réseau, l'eau froide est fournie d'une part à l'entrée 6 de la vanne 5, d'autre part à l'entrée de l'échangeur de chaleur 4. Dans celui-ci, l'eau prend des calories à de l'eau chauffée par la source 2 et circulant en circuit fermé, puis est envoyée à l'autre entrée 7 de la vanne 5. L'eau peut sortir de la vanne 5, suivant des conditions expliquées plus loin, soit par la sortie 8 reliée directement à la conduite 1, soit par la sortie 9 pour traverser la chaudière 3 qui la réchauffe puis rejoindre la conduite 1, soit encore par les deux sorties 8 et 9 à la fois, jusqu'à un point de jonction A. La vanne 5 (Fig. 2 à 8) comprend quatre éléments de corps modulaires identiques ou modules superposés 10A à 10D auxquels sont adjoints un chapeau supérieur 11A,un chapeau inférieur 11B et un certain nombre d'organes intérieurs. On supposera dans ce qui suit que la vanne 5 est disposée verticalement, bien que toute autre orientation puisse être adoptée en pratique. Comme on le voit aux Fig. 3 à-5, un élément modulaire, par exemple l'élément 10A, délimite une chambre ou cavité interne cylindrique 12 qui constitue un passage d'axe X-X vertical. L'élément 10A est doté, sur ses deux faces extrêmes supérieure et inférieure, de brides 13 qui, dans l'exemple représenté, sont carrées. Les brides 13 présentent dans chaque coin un orifice de houlon 14 La chambre 12 communique radialement avec l'extérieur par un conduit ou passage 15 d'axe Y-Y perpendiculaire à X-X, en forme de cylindre tronqué par deux plans 16 parallèles , qui débouche dans une tubulure cylindrique 17; dans exemple représenté, la tubulure 17 est taraudée. L'élément 10A a une dimension suivant l'axe X-X qui est inférieure au diamètre extérieur de la tubulure 17; ceci permet, lors de l'association de modules entre eux, de réduire l'encombrement suivant l'axe X-X de l'ensemble réalisé, comme on le verra dans la suite. I1 résulte de ceci qu'il est prévu deux rampes inclinées 18 pour effectuer la transition entre la paroi intérieure de la tubulure 17 et les plans parallèles 16 qui tronquent le passage 15.Le gain d'encombrement est mis à profit en décalant angulairement les tubulures 17 des modules 10A à 10D, par exemple de 1800 comme représenté. La succession d'organes intérieurs maintenus entre les deux chapeaux 11A et llB de la vanne 5 comprend, de haut en bas (Fig. 6): un ressort hélicoïdal supérieur 19A dont le diamètre croit légèrement vers le bas; une douille de sortie 20 coulissant dans un manchon 21; un élément thermosensible 22; une pièce annulaire supérieure 23; une coupelle 24; une pièce annulaire inférieure 25;un obturateur d'entrée 26;une vis d'étalonnage 27 et sa commande 28;et un ressort hélicoïdal inférieur l9B de diamètre constant, développant un effort plus grand que celui du ressort 19A. Le chapeau supérieur 11A a une forme de coupelle renversée et présente une bride carrée 29 munie de trous de boulons correspondant aux trous 14 des modules 10A à 10D. Une gorge circulaire 30 est creusée dans la face inférieure de cette bride. La douille 20 est cylindrique, ouverte aux deux extrémités et possède une collerette intérieure 31 laissant libre un large passage central; sous cette collerette est disposée une plaquette circulaire 32 percée de plusieurs orifices périphériques 33 et pourvue d'un évidement central borgne 34 qui est ménagée dans sa surface inférieure. Le manchon 21 possède une collerette extérieure médiane 35. Des gorges 36 sont prévues dans les deux faces de cette collerette et dans la paroi cylindrique intérieure du manchon. L'élément thermosensible 22 présente une par- tie médiane renflée 37, une partie supérieure 38 de 'la quelle dépasse une tige 38A et une base inférieure 39. Les pièces annulaires 23 et 25 comportent chacune une collerette extérieure 40, 41 respectivement analogue à la collerette 35, et un siège 42, 43 respectivement. Le siège 42 possède une surface inférieure profilée 44 convergente vers le haut et une surface de siège supérieure 45 plane et horizontale. La disposition des surfaces correspondantes 46 et 47 du siège 43 est inversée. La coupelle 24 présente deux interruptions diamétralement opposées dans sa paroi latérales. Elle porte un organe inférieur 48 d'appui et de guidage qui en est solidaire. L'obturateur 26 est tubulaire et présente en un point intermédiaire de sa longueur une collerette extérieure 49 d'où partent vers le bas deux colonnettes 50 diamétralement opposées. Juste au-dessous de la collerette 49, l'obturateur 26 est taraudé intérieurement en 51, puis est lisse. La vis supérieure 27 possède une partie inférieure 52 extérieurement cylindrique et pourvue d'une profonde entaille diamétrale 53. La commande 28 présente une tête inférieure 54 fendue et une partie supérieure 55 en forme de plaquette diamétrale. Dans la vis 27 et-la commande 28 sont définies des gorges circulaires extérieures 56, 57 respectivement. Le chapeau inférieur llB est tubulaire et présente un alésage intérieur étagé 58 à diamètre croissant vers le haut. Deux courtes rainures longitudinales 59 diamétralement opposées sont creusées dans la paroi de cet alésage partir de la face supérieure du chapeau, laquelle possède également une gorge circulaire 60. Lorsque la vanne 5 est assemblée, les modules 10A à 10D sont empilés avec tous les autres organes à l'intérieur, l'ensemble étant complété par les chapeaux 11A et 11B. Le diamètre extérieur commun des collerettes 35, 40, 41 et d'épaulements cylindriques 61, 62 des chapeaux liA et 11B respectivement permet à ces éléments de s'emboîter exactement dans des évidements circulaires 63 prévus dans les brides 13 des modules 10A à 10D. Plus précisément, la collerette 35 est serrée entre les modules 10C et 10D, la collerette 40 entre les modules 10B et 10C et la collerette 41 entre les modules 10A et 10B. Des boulons verticaux (non représentés) assurent le maintien de l'ensemble. Dans cet état assemblé, le ressortl9A est comprimé entre le chapeau llA et la collerette 31 de la douille 20. L'extrémité supérieure de la tige 38 de l'élément thermosensible 22 est reçue à force dans l'évidement 34 de la plaquette 32. La partie renflée 37 de ce même élément 22 est située dans le module 10B, entre les deux sièges 23 et 25, de même que sa base inférieure 39, qui est reçue dans la coupelle 24. De plus, l'organe d'appui et de guidage 48 est reçu à coulissement dans la partie supérieure, lisse, de l'obturateur 26, lequel est guidé à coulissement par engagement de ses deux colonnettes 50 dans les rainures 59 du chapeau llB et sollicité vers le haut, c'est-à-dire vers le siège 25, par le ressort 19B, qui est comprimé entre la collerette 49 de l'obturateur et l'épaulement supérieur de l'alésage 58 du chapeau inférieur llB. Pour l'étalonnage, la vis supérieure 27 est vissée dans le taraudage 51 de l'obturateur 26, et la plaquette supérieure 55 de la commande 28 est reçue à coulissement dans l'entaille 53 de la vis 27.-La commande 28 traverse l'alésage 5 8du chapeau llB, et sa tête est retenue à l'extérieur de ce chapeau par un circlips 63 et par l'appui d'un épaulement 64 de la vis contre le plus petit épaulement intérieur de l'alésage 58. L'étanchéité est assurée par une série de garnitwres~d'~étancheité- toriques disposées dans les différentes gorges énumérées plus haut. La vanne 5 possède ainsi deux obturateurs: l'obturateur 26,qui peut soit srappliquer à joint étanche sur la surface de siège 47 de la pièce annulaire 25 sous l'effet du ressort 19B,soit s'écarter de cette surface,et la douille 20,dont la périphérie annulaire supérieure peut s'appliquer à joint étanche sur la surface annulaire inférieure 65 du chapeau supérieur liA sous l'action de l'éle- ment thermosensible 22 ou s'écarter de cette surface sous l'action du ressort 19A jusqu'à amener la périphérie annulaire inférieure de cette douille en appui étanche sur la surface de siège 45 du siège 23. On décrira maintenant le fonctionnement de la vanne 5 dans son application au circuit de la Fig.l,en supposant que la source 2 fournit de l'eau à des températures crois santes I1 convient,pour que la description du fonctionnement soit claire,de définir les températures qui y seront mentionnées. - T22 est la température à partir de laquelle l'élément thermosensible 22 commence à se dilater et agit de ma nière à décoller la douille 20 de la surface du siège 45; - T1 est la température visée pour l'eau distribuée dans la conduite d'eau chaude 1; - T3 est la température de l'eau fournie par la chaudière 3(cette température T3 est fixée par un réglage adéquat de la chaudière).T3 est légèrement supérieure à T1. Ces températures se classent dans l'ordre suivant: T22 Lorsque la source 2 ne fournit pratiquement pas de cha leur, l'eau arrive à l'entrée 7 à une température T inférieure à T22, de sorte que l'élément thermosensible est contracté et que la plaquette 32 est décollée de la collerette 31 de la douille 20. Ceci permet au ressort 19B d'appliquer l1obturateur 26 sur son siège 43,et donc de fermer l'entrée 6,et au ressort 19A d'éloigner la douille 20 de son siège supérieur 65 du chapeau liA et de l'appliquer sur son siège inférieur 42,en fermant la sortie directe 8.L'eau passe alors par l'entrée 7,la douille 20 et la sortie 9 et parvient à la chaudière.Celle-ci,depar son réglage, fournit dans conduite de l'eau à la température T3. Cette situation persiste jusqu'à ce que la température T de l'eau sortant de l'échangeur de chaleur atteigne une température T22 suffisante pour que l'élément 22 se dilate et amène la plaquette 32 en appui contre la collerette 31 de la douille 20 puis repousse la douille 20 vers le haut à l'encontre du ressort 19A.Il est à noter qu'au cours de ce mouvement, l'obturateur 26 reste appliqué contre son siège 43 puisque l'effort développé par le ressort 19B est plus grand que celui développé par le ressort 19A. Dans ces conditions, l'eau n'arrive encore dans la vanne 5 que par l'entrée 7, mais elle en ressort par les deux sorties 8 et 9, dans une proportion qui dépend de la levée de la douille 20 par rapport à son siège 45 et donc de la température T de l'eau à l'entrée 7. Au fur et à mesure que la température T de l'eau à l'entrée 7 augmente, l'élément thermosensible 22 se dilate et déplace progressivement la douille 20 vers son siège supérieur 65, de sorte qu'il y a diminution de la quantité d'eau chauffée par la chaudière, qui se mélange avec l'eau issue de la sortie 8 pour donner une eau mélangée à une température très voisine de la température T1. Lorsque la température T de l'eau arrivant par l'entrée 7 est suffisante pour que, sous l'effet de l'élément thermosensible 22, la douille 20 s'applique sur son siège supérieur 65 et ferme la sortie 9, toute l'eau entrante et elle seule sort alors par la sortie 8'et arrive directement dans la conduite 1. Ceci correspond à une température de l'eau chauffée par la source 2 égale à la température T1. C'est dans ce cas que l'étalonnage de la vanne nécessaire à l'obtention d'eau à la température T1 dans la conduite est effectué par un vissage plus ou moins important de la vis 27 dans l'obturateur 26 afin que ce dernier et la douille 20 soient simultanément appliqués sur leurs sièges respectifs 47 et 65. Lorsque le température T de cette eau continue à augmenter et depasse la température T1, l'élément thermosensible 22 continue à s'allonger alors que la douille 20 est en appui sur son siège supérieur 65. Par conséquent, l'élément 22 repousse vers le bas l'obturateur 26 à l'encontre du ressort 19B, ce qui mélange à l'eau chauffée par la source 2 une certaine quantité d'eau froide entrant par l'entrée 6. Cette quantité d'eau froide croît lorsque la température T de l'eau entrant par 7 augmente. Ainsi, tant que l'eau chauffée par la source 2 est à une température T inférieure à la température T1, la vanne 5 assure une fonction de commutation entre les deux sorties 8 et 9. Par contre, à partir de T = T1, la vanne 5 assure la régulation de la température de l'eau mélangée par addition plus ou moins grande d'eau froide à l'eau chauffée par la source 2. La variante des Fig. 9 à 13 ne diffère de la précédente que sous deux aspects. D'une part, la coupelle 24A est en matière plastique, alors que la coupelle 24 est en laiton, ce qui isole thermiquement l'élément thermosensible de l'obturateur inférieur 26, qui est froid puisque toujours en contact avec l'eau froide arrivant sà- l'entrée 6. De plus, la face supérieure de cette coupelle 24A présente des canaux croisés 66 permettant une certaine circulation de l'eau sous l'élément thermosensible, ce qui augmente la surface de contact entre l'eau et cet élément et diminue par suite le temps de réponse de ce dernier, par rapport à l'agencement de la Fig. 1 , en complétant l'effet des interruptions 67 de sa paroi latérale. D'autre part, pour favoriser le mélange d'eau lorsque l'eau chauffée par lasource 2 est trop chaude, et donc améliorer la qualité de la régulation de température de l'eau mélangée distribuée, on a ajouté un déflecteur 68 en forme de cuvette, en matière plastique, entourant l'élément 22. Ce déflecteur possède un rebord supérieur extérieur 69 coincé dans un dégagement 70 prévu à la base du siège 23 et s'étendant vers le bas presque jusqu'à la surface profilée 46 du siège 15. La coupelle 24A coulisse étroitement en permanence dans une ouverture centrale inférieure 71 du déflecteur 68, ce qui oblige l'eau froide du réseau, lorsque l'obturateur 26 est ouvert, à contourner ce déflecteur et à passer par de larges ouvertures latérales 72 de celui-ci situées au niveau de l'entrée 7, et donc à se mélanger avec l'eau chaude entrant par l'entrée 7, avant d'atteindre l'élément thermosensible 22. Bien entendu, le déflecteur 68 peut être fixé d'une autre manière dans la vanne, par exemple par collage. La coupelle 24A et le déflecteur 68 améliorent ainsi la régulation de température assurée par la vanne dans la gamme supérieure de températures de l'eau chauffée par la source 2. - REVENDICATIONS 1.- Vanne à quatre voies , du type comportant deux entrées et deux sorties, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément thermosensible (22) agissant entre deux obturateurs (20, 26) dont l'un(20) est mobile vers l'élément thermosensible jusqu'à une position de fermeture d'une première sortie (8) de la vanne (5) et, dans le sens opposé, jusqu a une position de fermeture d'une deuxième sortie (9) de cette vanne, et dont l'autre (26) est mobile entre une position d'ouverture et une position de fermeture d'une(6) des deux entrées (6, 7) de la vanne. 2.- Vanne mélangeuse suivant la revendication 1, caractérisée en ce que chacun des deux clapets (20, 26) est sollicité par un ressort (19A, 19B) vers 1 'élément thermosensible (22),le ressort (19B) du deuxième clapet (26) développant un effort plus grand que l'autre (19A). 3.- Vanne mélangeuse suivant la revendication 2, caractérisée en ce que, du côté du premier clapet (20), l'élément thermosensible (22) est solidaire d'un organe (32) pouvant coulisser par rapport à ce clapet et venir en appui contre un relief (31) de celui-ci dans le sens de l'allongement de l'élément thermosensible. 4.- Vanne mélangeuse suivant l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisée en ce que, du côté du deuxième clapet (26), l'élément thermosensible (22) s'appuie sur un organe d'appui et de guidage (24; 24A) présentant des dégagements (66, 67) qui facilite l'accès de l'eau à l'élément thermosensible. 5.- Vanne mélangeuse suivant la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits dégagements (66, 67) sont prévus à la fois latéralement et en regard de la face d'extrémité correspondante de l'élément thermosensible. 6. - Vanne mélangeuse suivant l'une des revendications 4 et 5 , caractérisée en ce que l'organe d'appui et de guidage (24A) est en une matière thermiquement isolante. 7.- Vanne mélangeuse suivant l'une quelconque des revendications l à 6, caractérisée en ce que l'élément thermosensible est entouré par un déflecteur (68) n'autorisant l'accès de l'eau entrante à l'élément thermosensible (22) qu'en regard de la deuxième entrée (7) de la vanne (5). 8.- Circuit de distribution d'eau chaude, du type comprenant une première source de chaleur à action commandée, une deuxième source de chaleur à action variable, une conduite d'eau froide du réseau, une conduite d'eau chaude d'utilisation, et des moyens de commutation pour faire passer automatiquement l'eau du réseau vers l'une des deux sources, ou vers les deux sources à la fois dans une proportion variable, en fonction de la tem perature de l'eau fournie par la deuxième source, caractérisé en ce que les moyens de commutation comprennent une vanne à quatre voies suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 dont la première entrée (6) est reliée au réseau, dont la deuxième entrée (7) est reliée à la deuxième source de chaleur (2), dont la première sortie est reliée directement à la conduite d'eau chaude (1) et dont la deuxième sortie est reliée à la première source de chaleur (3) et, de là, à la conduite d'eau chaude (1). 9.- Conduite de distribution suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la première source de chaleur (3) fournit de l'eau chaude à une température constante