Brevet FR2492042A1 — publié le 19820416

La présente invention a pour objet une électrovanne destinée à la régulation d'un fluide tel que du gaz. Plus précisément, l'électrovanne visée par l'invention est du genre contenant un corps qui présente des ouvertures d'entrée et de sortie du fluide, dans lequel est placé un clapet pourvu d'une tige reliée à un électroaimant de commande de l'ouverture et de la fermeture du clapet, permettant le passage du fluide d'une chambre amont dans une chambre aval qui débouche sur la sortie, tandis qutun ressort de rappel assure la fermeture du clapet lorsque l'éleetroaimant n'est pas alimenté. Dans les électrovannes de type classique, le clapet-obturateur du passage de gaz est directement lié au noyau plongeur de ltéleetroaimant. Lorsque ltéleetroaimant est hors tension, l'ensemble clapet-noyau plongeur est repoussé par le ressort de rappel, de sorte que le clapet est appliqué sur un siège, et obture le passage de gaz, entre l'entrée et la sortie du corps de ltéleetrovanne. Dans ces électrovannes, le côté "arrivée" est imposé, de manière que dans la position "fermée", la pression de gas agisse dans le même sens que celui du ressort de rappel sur le dessus du clapet et tende à appliquer celui-ci sur le siège. En sens inverse, la pression aurait tendance à soulever le clapet en luttant contre l'action du ressort. Ainsi, à l'appel de l'électroaimant mis sous tension, celui-ci doit vaincre la force de rappel du ressort ainsi que faction de la pression du gaz appliquée sur la surface du clapet. Cette surface est d'autant plus grande que le débit à assurer est plus important. La puissance de l'électroaimant doit donc être calculée en fonction de la pression maximale de gaz et de la section du siège du clapet. Ceci oblige ou bien à utiliser un électroaimant surpuissant ou bien à limiter la plage des pressions d'utilisation, ce qui constitue un inconvénient évident dans l'un et l'autre cas. On cciinait des électrovannes comportant une membrane élastique située entre le noyau et le clapet, mais cette membrane, de surface négligeable, n'a qu'une fonetion~d'étanchéité vis-à-vis de L'atmosphère extérieure.Elle permet simplement de transmettre le mouvement du noyau au clapet. L'invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients en réalisant une électrovanne qui soit capable de fonctionner dans une plage d'utilisation indépendante de la pression du gaz et des sections de passage du siège du clapet, et ce avec un électroaimant calculé en rapport avec le ressort de rappel à vaincre, lui-meme déterminé en fonction de l'étanchéité à réaliser. Conformément à l'invention, ce résultant est atteint par le fait que la tige du clapet est munie d'une membrane souple dont la surface est sensiblement égale à celle du clapet, attachée coaxialement à cette tige et de manière étanche, cette membrane assurant une compensation de la pression qui s'exerce sur le clapet en s'opposant à son ouverture, par la pression sensiblement égale et opposée à cette pression qui s'exerce sur ladite membrane, ce qui empeche la pression du gas, quelle que soit sa valeur, de s'opposer à l'ouverture du clapet. De ce fait, la puissance nominale de ltéleetro- aimant peut etre beaucoup plus faible que dans les solutions traditionnelles rappelées ci-dessus, et ce sans mettre en cause les autres caractéristiques, notamment l'étanchéité du clapet. On comprend en effet que si l'on fixe coaxialement à la tige d'actionnement du clapet une membrane souple dont la surface est approximativement égale à celle du clapet, c'est-à-dire à la section du siège de celui-ci, les deux pressions s'exerçant en sens opposé d'une part sur la membrane, d'autre part sur le clapet, vont tendre à stéquili- brer. En conséquence il suffit d'une force de traction capable de vaincre seulement le ressort de rappel, pour ouvrir le clapet. Cette force de traction est produite par un électroaimant calculé sans que l'on doive se soucier de la pression à vaincre. A titre indicatif, on peut ainsi faire fonetionner l'électrovanne avec un électroaimant de puissance 5 à 10 fois moins importante, que les électroaimants utilisés jusqu'à présent. En effet, grâce à la compensation de pression assurée par la membrane, on peut mettre en oeuvre un ressort de rappel suffisant pour assurer l'application du clapet sur son siège, attendu que l'6lectroaimant n'aura pas à vaincre en plus l'effet de la pression du gaz. Ceci permet d'avoir une excellente étanchéité, notamment dans les basses pressions d'utilisation. Cependant, cette disposition a pour effet de créer une force qui s'oppose à la fermeture, lorsque ltéleetrovanne est en position d'ouverture et mise hors tension. En effet, si l'action de la pression est annulée quand le clapet est fermé,cette pression agit toujours contre la membrane et non plus sur le clapet quand celui-ci est ouvert. C'est pourquoi, suivant une caractéristique importante, l'invention prévoit, entre la membrane de compensation de la pression et le noyau de l'électroaimant, une chambre qui communique avec la chambre aval par un canal agencé dans le corps, afin de permettre, d'une part une libre déformation de la membrane sans compression du fluide, et d'autre part un équilibrage des pressions de part et d'autre de la membrane pendant ltouverture du clapet. Ainsi, du fait que la pression aval est appliquée sur la face de la membrane opposée à la face tournée vers la chambre amont, et annule par conséquent l'action de la pression amont sur la membrane, cette pression ne peut plus faire obstacle à la fermeture du clapet. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en référence auxdessinsannexés qui montrent à titre d'exemple non limitatif une forme de réalisation de l'électrovanne selon l'invention. - La figure 1 est une vue mi-coupe, mi-élévation d'une vanne à gaz illustrant le principe mis en oeuvre conformément à la présente invention. - La figure 2 est une vue mi-coupe, mi-élévation d'une forme de réalisation de l'électrovanne selon l'invention, dans laquelle celle-ci comporte deux étages, un premier étage assurant une fonction de sécurité, et un second étage assurant une fonction de régulation. En se reportant à la figure 1, on voit une électrovanne à gaz, comportant un électroaimant 13 muni d'un noyau plongeur 15 solidarisé avec une tige 17 à l'extrémité de laquelle est fixé un clapet 2. Ce dernier est appliqué sur un siège 4 par un ressort de rappel 25 lorsque l'électroaimant 13 n'est pas alimenté, le ressort 25 étant placé coaxialement à la tige 17 et prenant appui contre un épaulement du corps 1 de l'électrovanne. le clapet 2 commande le passage du gaz d'une chambre amont 8 dans une chambre aval 6, étant écarté de son siège 4 lorsque ltéleetroaimant 13 est actionné. Lorsque la chambre amont 8 est remplie de gaz sous pression, celle-ci agit sur le clapet 2 et fait donc obstacle à son ouverture par l'électroaimant 13, qui doit vaincre la pression du gaz sur le clapet 2, ainsi que la force du ressort de rappel 25. Pour résoudre ce problème, l'invention prévoit que la tige 17 du clapet est munie d'une membrane souple 21 dont la surface est sensiblement égale à celle du clapet 2, et qui est attachée coaxialement à la tige 17 de manière étanche. La membrane 21 comporte une partie centrale 21a solidaire de la tige 17, une partie intermédiaire souple et mince 21b, formant un cordon annulaire autour de la partie centrale 21a, et une partie périphérique annulaire 21c, épaisse et non susceptible d'être déformée par la pression du gaz, cette partie 21c étant solidaire du corps 1. la membrane 21 est agencée de façon que la section de la partie souple déformable 21b et de la partie centrale 21a soit pratiquement égale à la section du clapet 2. Dans ces conditions on comprend que lorsque du gaz sous pression est introduit dans la chambre amont 8, la pression exercée sur le clapet 2 et qui s'oppose à son ouverture, est équilibrée par une pression égale et de sens opposée, qui s'exerce sur les parties 21a et 21b de la membrane 21. De ce fait, pour ouvrir le clapet 2, l'électroaimant 13 n'a plus à vaincre que la force du ressort de rappel 25. La membrane 21 assure donc une compensation ou un équilibrage de la pression exercée sur le clapet 2, qui facilite l'ouverture de celui-ci. Bar contre, lorsque le clapet 2 est ouvert, seule subsiste la pression exercée contre la membrane 21, puisque les pressions exercées sur les deux faces opposées du clapet 2 s'almulent. la pression agissant contre la membrane 21 s'oppose à la fermeture du clapet 2 sous lut action du ressort 25.-Pour surmonter cette difficulté, l'invention prévoit complémentairement l'agencement d'un conduit 27 dans le corps 1, reliant la chambre aval 6 avec une chambre 23 située de l'autre coté de la membrane 21 par rapport au clapet 2, et contenant le ressort 25. De ce fait, lorsque le clapet 2 est ouvert, la pression amont sgexerçant dans la chambre 8 sur la membrane 21 est équilibrée par une pression égale et opposée du gaz, s'exerocant sur la membrane 21 dans la chambre 230 On réalise donc vendant l'ouverture du clapet,une compensation entre les pressions stexergant sur les faces opposées de la membrane 21, permettant dtéquilibrer la pression genante exercée par le gaz dans la chambre amont 8 et qui s'oppose à l'action du ressort de rappel 25 pour la fermeture du clapet 2. Ainsi, les pressions exercées sur chaque face de la membrane 21 pendant l'ouverture Qu clapet étant équilibrées, le ressort 25 n"a plus à vaincre la pression amont pour rappeler le clapet 2 en position de fermeture lorsqu'on coupe l'alimentation de l'électroaimant 13. On décrira maintenant en référence à la figure 2 un exemple pratique de réalisation du principe de l'invention qui vient d'être décrit, dans le cas d'une vanne à gaz double, pourvue de deux clapets,dont le premier assure la sécurité, et le second la régulation de la vanne. Celle-ci comporte ainsi un premier étage désigné par la référence générale El , pourvu d'un clapet 2 actionné par un électroaimant 13 par l'intermédiaire dSune tige 17, ainsi qu'un second étage E2 assurant la régulation de l'en- semble, et comprenant un clapet 3 susceptible d'être actionné par un électroaimant 14 par l'intermédiaire d'une tige 18. On retrouve dans cet exemple d'exécution de l'invention, au niveau du premier étage El, les mêmes éléments que ceux décrits en référence à la figure 1, et qui ne seront donc pas décrits à nouveau en détail. Le corps 1 présente une ouverture d'entrée 7 située en amont du clapet 2 et débouchant dans la chambre amont 8, ainsi qu'une ouverture de sortie 20 dans l'étage 32, en aval du clapet 3. Le clapet 2 eommande le passage du fluide de la chambre amont 8 dans la chambre aval 6, tandis que le second clapet 3 commande le passage du fluide de cette chambre 6 dans une chambre aval 9. Cette dernière communi- que avec la sortie 20 par une vanne V et un orifice à passage réglable 11 mis en oeuvre de façon connue. Sur le corps 1, est monté un capot 12 à l'intérieur duquel sont logés les deux électroaimants 13, 14, dont les noyaux plongeurs respectifs 15, 16 sont solidaires de la tige correspondante 17, 18 des clapets 2, 3. Les électroaimants 13, 14, sont fixés sur le corps 1. Conformément à l'invention, la tige 17, 18 de chaque clapet correspondant 2, 3 est munie d'une membrane souple 21, 22 dont la surface est sensiblement égale à celle du clapet respectif 2, 3 et qui est attachée coaxialement à la tige 17, 18 de manière étanche. chaque membrane 21, 22 est constituée d'une partie centrale 21a, 22a relativement épaisse encastrée par un manchon 30 sur la tige 17, 18 de façon étanche, d'une partie intermédiaire annulaire mince et souple 21b, 22b et d'une partie terminale annulaire épaisse 21c, 22c, raccordée à la partie souple 21b, 22b. La partie extérieure 21c, 22c est encastrée par sa périphérie dans une gorge du corps 1, et maintenue appliquée contre celui-ci sur toute sâ surface, par une rondelle 31, 32 elle-même traversée par des vis non représentées qui assurent la fixation de la partie épaisse 21c, 22e au corps 7 en venant se visser dans celui-ci à travers ladite partie 21c, 22c. Les parties centrales 21a, 22a et intermédiaire souple 21b, 22b sur lesquelles s'exerce la pression du fluide remplissant la chambre 8, ont une surface égale ou sensiblement égale à celle du clapet 2, 3 respectif. Chaque membrane souple 21, 22 délimite, du côté du noyau plongeur correspondant 15, 16 et avec la paroi du corps 1, une chambre 23, 24 à l'intérieur de laquelle est disposé un ressort 25, 26 de rappel du clapet correspondant 2, 3 en position de fermeture. Suivant une autre particularité de l'invention, la chambre 23 communique avec la chambre aval par une canalisation 27 ménagée dans le corps 1, tandis que la chambre 24, délimitée par la membrane souple 22 et le corps 1, communique avec l'ouverture de sortie 20 par un canal 28 agencé dans le corps 1. Une canalisation de sortie 10 est branchée sur l'ouverture 20. Le fonctionnement et les avantages techniques de l'électrovanne qui vient d'être décrite sont les suivants Lorsque les électroaimants 13 et 14 ne sont pas alimentés, les ressorts de rappel 25, 26 maintiennent res pectivement appliqués sur leur siège 4, 5 les clapets 2, 3. Le gaz présent dans la chambre d'entrée 8 exerce sa pression simultanément sur la surface du clapet 2 dans le sens qui tend à maintenir celui-ci appliqué sur son siège 4 et à fermer le passage vers la chambre aval 6, et sur les parties souple 21b et centrale 21a de la membrane 21 dans le sens opposé au précédent, c'est-à-dire celui qui tend à ouvrir le clapet 2. Du fait que la surface active 21a, 21b de la membrane 21 est pratiquement égale à celle du clapet 2, la pression qui s'exerce sur cette surface et la pression de sens opposé sur le clapet 2 se trouvent pratiquement équilibrées et seule la force réduite du ressort de rappel 25 doit etre vaincue par l'électroaimant 13 et son noyau plongeur 15. Lorsque le clapet 2 s'écarte de son siège 4, le gaz pénètre dans la chambre aval 6, puis par le canal de communication 27 dans la chambre de compensation 23, située du coté du noyau 15. De ce fait, la pression s'exer çant dans la chambre d'entrée 8 sur les parties 21a, 21b de la membrane 21 reste équilibrée par la pression aval stexerçant dans la chambre 23, et qui est égale à la pression dans la chambre 6. Pans ces conditions, lorsque l'électroaimant 13 est mis hors tension, le ressort de rappel 25 peut repousser sans opposition le clapet 2 sur son siège 4. Bien entendu, ce fonctionnement est le même pour l'ouverture et la fermeture du clapet 3, par son élec- troaimant de commande 14, ainsi que pour les pressions s'exerçant sur chaque face de la membrane 22, et le rappel du clapet 3 en position de fermeture par le ressort 26, la pression d'équilibrage ou de compensation s'exerçant dans la chambre 24 sur la membrane 22 provenant du canal 28 et de la canalisation de sortie 10. Lorsque les clapets 2 et 3 sont à nouveau fermés, la pression en aval de cex-ci tombe à zéro, et la pression en amont du clapet 2, s'exerçant sur la membrane 21, équilibre à nouveau la pression antagoniste s'exerçant sur le clapet 2. il eozlvient de noter que les canaux 27 et 28 ont une double fonction - d'une part ils permettent une "respiration" de la chambre correspondante 23, 24 et la libre déformation et par conséquent le libre déplacement des parties centrale 21a, 22a et souple 21b, 22b de chaque membrane associée 21, 22 sans qutil y ait compression de gaz. En effet, celui-ci peut librement s'échapper par le canal 27, 28; - d'autre part cet agencement permet qutaprès ouverture du clapet 2, 3, la pression régnant en aval vienne également s'établir contre la face opposée de la membrane respective 21,22 comme indiqué ci-dessus.On assure de la sorte un équilibrage des pressions sur les deux faces de la membrane 21, 22 de façon que la fermeture de chaque clapet 2, 3 puisse etre obtenue sans que la pression amont continuant de s'exercer contre la face de la membrane 21, 22 puisse s'opposer à la fermeture du clapet. On comprend que l'action de la pression amont, dirigée contre la membrane 21, 22, devient inutile lorsque le clapet correspondant 2, 3 est écarté de son siège, et que de ce fait la compensation n'a plus à jouer. Le renvoi de pression aval qui ne se produit précisément que lorsque le clapet 2, 3 levé, vient annuler l'action de la pression amont sur la face amont de la membrane. L'invention réalise ainsi une électrovanne directe, à membrane de compensation de pression à double effet, permettant à l'électrovanne de fonctionner dans des limites indépendantes de la pression du fluide et des sections de passage de celui-ci, ce qui n'était pas le cas avec les réalisations antérieures. L'électrovanne selon l'invention est particulièrement bien adaptée à la régulation d'un fluide gazeux, mais pourrait éventuellement être prévue pour un autre fluide, tel qu'un fluide hydraulique. Dans des applications de ce genre, en raison des pressions extrêmement élevées susceptibles d'être mises en oeuvre, la membrane souple serait remplacée par un piston solide. L'invention n'est pas limitée à la forme de réalistation décrite et peut comporter des variantes d'exécution. Ainsi, la vanne peut n'être équipée- que d'un seul clapet, comme dans le schéma de principe de la figure 1. De même on peut faire varier le mode de fixation de la membrane à la tige du clapet ainsi qu'au corps de l'électrovanne. REVENDICATIONS 1 - Electrovanne destinée à la régulation d'un fluide tel que du gaz, comprenant un corps (î) présentant des ouvertures d'entrée (7) et de sortie (20) du fluide, dans lequel est placé un clapet(2,3) pourvu d'une tige (17, 18) reliée à un électroaimant (13, 14) de commande de l'ouverture et de la fermeture du clapet (2, 3), permettant le passage du fluide d'une chambre amont (3, 6) dans une chambre aval (6,9) qui débouche sur la sortie (20), tandis qu'un ressort de rappel (25, 26) assure la fermeture du clapet (-2,3) lorsque l'électroaimant (13,14) n'est pas alimenté, caractérisée en ce que la tige (17,18) du clapet (2, 3) est munie d'une membrane souple (21, 22) de surface sensiblement égale à celle du clapet (2, 3), attachée coaxialement à cette tige (17, 18) et de manière étanche, cette membrane (21,22) assurant une compensation de la pression qui s'exerce sur le clapet (2, 3) en s'opposant à son ouverture, par la pression sensiblement égale et opposée à cette pression qui s' exerce sur ladite membrane (21,22), ce qui empêche la pression du gaz, quelle que soit sa valeur, de s'opposer à l'ouverture du clapet (2, 3). 2 - Electrovanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que, entre la membrane (21, 22) de compensation de la pression et le noyau (15, 16) de l'électroaimant (13, 14), est formée une chambre (23, 24) qui communique avec la chambre aval (6, 9) par un canal (27, 28) agencé dans le corps (1), afin de permettre, d'une part une libre déformation de la membrane(21, 22) sans compression du fluide; et d'autre part un équilibrage des pressions de part et d'autre de la membrane (21, 22) pendant l'ouverture du clapet (2, 3). 3 - Electrovanne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comprend deux clapets (2, 3) équipés chacun d'une membrane (21, 22) de compensation des pressions disposée entre le clapet (2, 3) et le noyau (vis, 16) de l'électroaimant associé (13, 14), la chambre aval (6) du premier clapet (2) constituant la chambre amont du second clapet (3) et la chambre aval (9) de ce dernier débouchant sur la sortie (10) de l'éleetro- vanne.