Brevet FR2519726A1 — publié le 19830718

La présente invention se rapporte à des soupapes servant & régler l'écoulement d'un fluide dans un conduit. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à des soupapes actionnées par électro-aimant particulièrement appropriées pour être utilisées dans un milieu corrosif et/ou dans un milieu dans lequel il est particulièrement avantageux de réduire au minimum le chauffage au voisinage de la soupape. Les soupapes d'arrêt trouvent de nombreuses applications et sont des éléments particulièrement essentiels dans les installations de commande de processus. Les critères de conception particuliers requis d'une soupape d'arrêt reflètent souvent le milieu physique du processus. Lorsqu'elles sontuti- lisées pour commander des processus qui utilisent des gaz toxiques, réactifs et de haute pureté, tels que ceux qui sont souvent utilisés dans la fabrication des dispositifs semiconducteurs, les soupapes généralement utilisées sont soit du type â actionnement pneumatique soit du type à actionnement par électro-aimant. Les soupapes d'arrêt du type à actionnement pneumatique nécessitent une source de gaz ou d'air comprimé externe. En. regle générale, l'air comprimé agit sur une membrane fournissant la force d'actionnement requise par la soupape. L'étan chéité de la tige de la soupape est, habituellement, assurée au moyen d'un soufflet en métal formé. Un robinet pilote à actionnement par électro-aimant ou manuel et un appareil associé commandent l'alimentation en air comprimé. Les exigences d'une alimentation en air externe et de robinets pilotes associés rendent une soupape à actionnement pneumatique relativement complexe, volumineuse, onéreuse et, du fait, de sa'comple- xité, une telle soupape nuit à la fiabilité de l'installation. En outre, l'encombrement de la soupape limite le nombre des applications pour lesquelles elle est appropriée. La soupape à électro-aimant à action directe classique ne fournit pas une force suffisante pour fonctionner à l'encontre d'un joint d'étanchéité de tige constitué par un soufflet en métal formé. Au lieu de cela, ce type de soupape comporte un plongeur "humide" exposé au fluide sur lequel agit la bobine de l'électro-aimant à travers un bottier scellé à paroi mince. Le plongeur coulisse à l'intérieur du bottier pour ouvrir et fermer le siège de la soupape. Une telle soupape d'ar rét est susceptible de pannes résultant du grippage ou coincement du plongeur dans une position indésirée.Une telle panne potentielle d'une soqe à électro-aimant à action directe limite fortement son utilité dans les processus utilisant des gaz corrosifs et décowposants. En outre, une telle soupape à action directe est susceptible de présenter des fuites dans certaines conditions de dépression. Ceci résulte de la faible force d'étanchéité fournie généralement par une soupape de ce type. En outre, le courant électrique nécessaire pour actionner la soupape peut produire une grande quantité de chaleur qui empêche que l'on puisse placer la soupape au voisinage immédiat d'éléments sensibles à la chaleur, tels que des détecteurs d'écoule- ment et accu'lève la contamination par des fluides réactifs. Ces inconvénients de la technique antérieure ainsi que d'autres sont évités par l'invention qui fournit une soupape actionnée par un électro-aimant perfectionnée. La soupape comporte un siège agencé pour entre intercalé dans une canalisation d'écoulement de fluide. Il est prévu une tige de soupape dont la position par rapport au siège commande l'écoulement â l'intérieur de la canalisation. Des moyens sont prévus pour solliciter la tige à soupape vers une première position relative présélectionnée dans l'espace par rapport au siège définissant une première condition d'écoulement dans la canalisation. Un ensemble de soufflet entoure une partie de la tige pour assurer l'étanchéité de la soupape.Un électro-aimant est couplé à la tige de soupape pour solliciter la tige vers une seconde position relative présélectionnée dans l'espace par rapport au siège définissant une seconde condition d'écoulement dans la canalisation. L'ensemble d'électro-aimant comporte un organe statique, un plongeur mobile pour positionner la tige de soupape et une bobine. L'ensemble d'électro-aimant, le siège et la tige de soupape sont agencés de telle sorte que l'application d'un courant d'une première grandeur déplace la tige de soupape de la première position relative présélectionnée dans l'espace par rapport au siège jusqu'à la seconde position relative présélectionnée dans l'espace par rapport au sigle et que l'application d'un courant électrique d'une seconde grandeur plus petite maintient la tige de soupape dans la seconde position relative. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 est une vue en coupe verticale d'une soupape à électro-aimant selon l'invention ayant une configuration normalement ouverte - la Fig. 2 est une vue en coupe vexticale d'une soupape à électro-aimant selon l'invention ayant une configuration normalement fermée. Sur les dessins auxquels on se référera maintenant, la Fig. 1 représente en coupe une soupape à actionnement par électro-aimant de forme générale cylindrique (du type normalement ouvert) selon l'invention. Comme représenté, la soupape 10 est vissée sur une tubulure classique 12 qui comprend un conduit interne 14 d'écoulement de fluide qui s'étend à travers elle. Le conduit 14 peut permettre ltecoulement d'un liquide ou Un siège 16 de soupape est situé dans le conduit 14 d'écoulement de fluide. Le siège 16, comme représente sur la Fig. 1, comporte un passage interne 18 qui forme une partie intermédiaire obturable du conduit 14. Un joint d'étanchéité torique 19 forme une interface étanche aux gaz entre le siège 16 et la tubulure 12 pour assurer que le passage 18 constitue le seul passage entre les parties séparées du conduit 14. Un organe 20 en matière élastomère est fixé à l'intérieur de la partie inférieure d'une tige 22 de soupape. L'organe 20 coopère avec l'orifice forme au sommet du siège 16 pour réaliser un joint étanche aux gaz entre eux lorsque la tige 22 est positionnée sur le siège 16 lorsqu'elle est actionnée. La soupape 10 est représentée sur la Fig. 1 en position d'ouverture, dans laquelle il existe une distance de séparation 23 entre le dessous ae l'organe 20 en matière élastomère de la tige 22 et le sommet du siège 16.Une caractéristique essentielle du mode de réalisation de la Fig. 1 est que la distance de séparation 23 est approximativement égale et n'est pas supérieure aux distances verticales 24 et 26 des intervalles qui tablissent la séparation (1) entre un plongeur 28 et un bottier 30 d'électro-aimant et (2) entre le plongeur 28 et un organe statique 32 drun ensemble d'électro-aimant (déçrit ci-apres en plus de détails) lorsque la soupape 10 est dans sa position non actionnée ou "première" position. On donnera maintenant une description détaillée de la tigé de soupape et des ensembles qui lui sont adjacents. La tige 22 comporte une partie axiale allongée 34 formant un organe mile qui s'étend à l'intérieur d'un corps 36 de soupape. Un fond 38 est en butée contre ltépaulement supérieur de la. tige 22 pour empêcher le passage de la partie inférieure de là tige 22. Le corps 36 est vissé sur une embase 40 qui fixe la partie inférieure de l'assemblage de corps, y compris le fond 38. Des bagues d'étanchéité toriques 42 et 44 agissent en combinaison avec un ensemble de soufflet 46 du type en accordéon qui est soudé à ses extrémités opposées respectivement au fond 38 et à un adaptateur 48 de soufflet pour assurer une fermeture étanche de la chambre formée à l'intérieur du corps 36 de soupape empêchant ainsi les fuites à partir du conduit 14. Le soufflet 46 est du type en métal soudé par opposition à un soufflet en métal formé qui nécessite pour son actionnement la force de l'air comprimé. Par contraste avec le soufflet en métal formé relativement rigide qui est formé sous une pression hydraulique à partir d'une seule pièce de matière, le soufflet en métal soudé est formé de plusieurs pièces en anneau qui sont soudées entre elles, assurant ainsi la formation d'un ensemble relativement flexible. Un tel dispositif peut Qrre obtenu dans le commerce de la Société Bel-Fab Corp. Daytona Beach, Floride, EUA, sous la référence 30930. GxSce à l'emploi du soufflet du type en métal soudé plus facilement comprimé, la soupape selon l'invention peut être actionnée uniquement par les forces de l'électro-aimant, permettant à l1uti- lisateur d'obtenir les avantages d'un joint d'étanchéité à soufflet efficace de la tige 22 de soupape sans avoir à payer un "coflt" important pour l'obtenir, sous forme des inconvénients qui caractérisent les soupapes à commande par air comprimé. La partie axiale allongée 34 de la tige 22 est vissée dans l'adaptateur 48 de soufflet. Une collerette.50 sté- tend à partir de l'adaptateur 48 et fournit une surface contre laquelle une force dirigée vers le haut est exercée par un ressort conique 52 dont l'extrémité opposée est en appui contre les surfaces intérieures qui se coupent du corps 36 et du fond 38. L'adaptateur 48 de soufflet est vissé sur un bot- tier 54 de ressort. Le bottier 54 et les organes correspondants (quel'on décrira plus loin) ne sont utilisés qu'avec la configuration de soupape normalement ouverte de la Fig. 1. Les organes correspondants comprennent un ressort précomprimé 56 qui est en butée contre une rondelle 58 positionnée au sommet du bottier 54 de ressort. La rondelle 58 forme un épaulement qui empêche le passage dune queue centrale 60 de soupape. L'ensemble qui comprend le bottier 54, le ressort précomprimé 56 et la rondelle 58 permet à la soupape de la Fig. 1 d'être actionnée jusqu'à une "seconde" position ou position "fermée" dans laquelle les intervalles 24 et 26 et la distance de séparation 23 ont une valeur nulle.Pour assurer de telles fermetures simultanées avec des tolérances de fabrication faciles à obtenir, on donne à la distance de séparation 23 une valeur quelque peu inférieure à celle des intervalles. La course supplémentaire du plongeur nécessaire pour fermer les intervalles est absorbée par le ressort précomprimé 56 après que la tige 22 et la matière élastomère 20 ont été positionnées sur le siège 16. De cette manières l'assemblage décrit ci-dessus facilite la fabrication de la soupape de la Fig. 1 en n'exigeant pas une fabrication de précision. Le corps.36 est vissé à sa partie supérieure dans une bague d'arrêt 62 réglable pour compenser également les to sérances de fabrication. La bague d'arrêt 62 est, à son tour, vissée dans le bottier 30 de ltélectro-aimant. La partie supérieure du bottier 30 de l'électro- aimant est vissée sur un couvercle de protection 64. Des coussinets 65 et 6u, fabriqués de préférence en bronze imprégné d'huile, entourent la queue 60 qui est emmanchée a la presse par sa partie supérieure dans le plongeur magnétique 28 et positionnée de façon à coincider:avec l'axe du bottier 30. Un organe statique 32 est emmanché à la presse entre les coussinets 65 et 66et la surface intérieure du bottier 30. Le bottier 30, le plongeur 28 et l'organe statique 32 coopèrent pour délimiter une cavité de forme générale toroidale recevant une bobine 68 d'électro-aimant.Comme indiqué plus haut les faces polaires horizontales opposées du plongeur 28 et du bottier 30 délimitent entre elles une distance de séparation ou entrefer 24 lorsque la soupape normalement ouverte de la Fig. 1 est dans une position d'ouverture tandis que les faces polaires inclinées opposées du plongeur 28 et de organe statique 32 délimitent entre elles un entrefer ayant une largeur 26 dans le sens vertical. Les entrefers 24 et 26, comme mentionné ci-dessus, sont égaux entre eux et légèrement supérieurs à la distance de séparation 23 entre l'organe 20 en matière élastomère disposés å l'extrémité inférieure de la tige 22 de soupape et le siège 16. Une bague passe-fils 70 assure le passage dans l'ensemble d'électro-aimant des fils conducteurs 71 de la bobine. Des moyens classiques 12 génerateurs d'électricité fournissent un courant électrique à la bobine 68, la grandeur de ce courant pouvant entre réglée à l'aide de moyens de réglage classiques 74.Comme on le décrira ci-dessous, la capacité de l'invention à économiser l'énergie et à réduire au minimum la dissipation de chaleur est considérablement accrue pour la configuration décrite qui permet le fonctionnement de la soupape à deux niveaux de courant différents : un premier niveau pour actionner la soupape de sa position normale ou "première" posi- tion jusqu'a sa position actionnée ou "seconde" position et un second niveau, inférieur, pour maintenir la soupape dans sa position actionnée. La Fig. 2 est une vue en coupe d'un second mode de réalisation (normalement fermé) de la soupape, qui présente les-avantages l'invention. Le fonctionnement du mode de réalisation normalement fermé diffère de celui de la soupape normalement ouverte de la Fig. 1 en ce sens que le "premiertt réglage ou position non actionnée d'une telle soupape interrompt ltécoulement dans le conduit 14 tandis que la "seconde" position ou position actionnée permet l'écoulement dans le conduit 14. Ainsi, au contraire de la soupape de la Fig,' 1, l'organe 20 en matière élastomère obture l'orifice situé au sommet du siège 16 de robinet dans la condition non actionnée et en est écarté dans la "seconde" position, actionnée, de la soupape. Pour obtenir une position normalement fermée (dans laquelle la tige 22 de soupape est sortie ou étendue), le ressort conique comprimé 52 est disposé dans la partie supérieure du corps 36 de la soupape, de façon ainsi à appliquer une force dirigée vers le bas à l'adaptateur 48 de soufflet. Cette force de fermeture est transmise à la tige 22, repoussant cette tige 22 et l'organe 20 en matière élastomère en appui contre le siège 16 pour interrompre l'écoulement dans le conduit 14 en l'absence d'un actionnement de ltélectro-aimant. Les positions du plongeur 28 et de l'organe statique 32 à l'intérieur du bottier 30 de l'électro-aimant sont in- versées par rapport à celles de la soupape de la Fig. 1. Comme indiqué plus haut les distances de séparations verticales 24 et 26 ou entre fers entre les faces polaires opposées du plongeur 28 et du bottier 30, d'une part, et du plongeur 28 et de organe statique 32, d'autre part, sont identiques. Ainsi, ces entrefers sont simultanément ramenés à zéro lorsque la soupape est actionnée afin de réduire le courant nécessaire pour maintenir la soupape en position actionnée.Le fonctionnement de la'soupape normalement fermée de la Fig. 2 ne nécessite pas l'emploi du mécanisme de la Fig. 1 qui comporte le bottier 54 de ressort, le ressort précomprimé 56 et la rondelle 58 pour assurer la pleine course du plongeur 28 sans que ce mouvement soit entravé par la venue de organe 20 en matière élastomère prématurément en appui contre le siège 16. Lorsque l'organe 20 en matière élastomère est écarté du siège 16 de la soupape normalement fermée de la Fig. 2, à la suite de l'actionnement, il n'y a pas d'arrêt potentiel correspondant susceptible d'interrompre la course du plongeur 28. On évite la possibilité de la venue de l'épaulement supérieur de la tige 22 en butée contre le, fond 38 du corps 36 de la soupape en utilisant une distance plus grande entre l'épaulement et le fond 38 que celle qui définit les entrefers.Ceci permet l'emploi d'une tige d'es- pacement 76 pour fixer l'extrémité inférieure de la queue 60 au sommet de l'adaptateur 48 de soufflet à la place de l'ensem- ble de ressort précité de la soupape normalement ouverte de la Fig. 1. En service, les soupapes des Fig. 1 et 2 sont déplacées de leur "première" position normalement ouverte et, respectivement, normalement fermée (maintenue par la force exer cée par le ressort conique 52 sur l'adaptateur 48 de soufflet) jusqu'à leur "seconde" position ferlée et, respectivement ouverte, par la course verticale induite électromagnétiquement du plongeur 28. La course induite ou commandée du plongeur 28 qui provoque un mouvement correspondant de la queue 60 qui y est fixée est provoquée par les forces électromagnétiques d'attraction à travers les entrefers entre les faces polaires opposées qui séparent le plongeur mobile 28 du boîtier 30 de ltélectro- aimant et de l'organe statique 32.Lors de l'application de courant électrique à la bobine 68 par les moyens 72 générateurs d'électricité, les lignes de flux magnétique représentant des forces de champ sont engendrées et traversent le bottier magnétique 30, le plongeur 28, l'organe statique 32 et les entrefers d'une manière bien connue des techniciens. La liberté permise par la relation du plongeur vis-à-vis des autres éléments du trajet de flux, associée à la condition d'équilibre dans laquelle le système électromagnétique cherche une position d'qui libre d'énergie potentielle minimale, provoque un déplacement du plongeur 28 vers le bas (soupape normalement ouverte de la Fig. 1) ou vers le haut (soupape normalement fermée de la Fig.2) jusqu'à sa position actionnée. Dans la position actionnée, les entrefers précités de la soupape (dans l'une et l'autre configurations) sont ramenes à zero. Par opposition à l'ensemble de solénolde dans la "première" position ou position non actionnée, l'absence d'entrefers permet de maintenir la soupape dans sa "seconde" position ou position actionnée avec un courant qui engendre une force électromagnétique d'attraction juste suffisante pour surmonter la force antagoniste du ressort conique 52 agissant contre l'adaptateur 48 de soufflet. Ainsi, la position actionnée de la soupape sera maintenue par un courant moins important que celui qui a été nécessaire pour déplacer la soupape jusqu'à sa position actionnée.De cette manière, l'opérateur, en réglant les moyens de réglage 74 du niveau de courant d'actionnement jusqu'a un niveau de courant d'entretien, peut réduire la consommation de courant et la dissipation de chaleur de la soupape en règlant le niveau de courant pendant l'emploi. Pour ramener la soupape à sa position normale ou non actionnée, il suffit à l'opérateur de régler les moyens de réglage 74 de manière à interrompre la circulation du courant dans la bobine 68. Dans un tel cas, le ressort conique 52 ramène la soupape à sa position (ouverte ou fermée) non actionnée. Ainsi, on voit qu'on a enrichi la technique d'une soupape perfectionnée à commande par électro-aimant. Une soupape selon l'invention possède le caractère de simplicité des soupapes à commande par électro-aimant avec les avantages d'un joint d'étanchéité de tige sQr, en soufflet, qu'on ne trouve normalement que dans une soupape à commande pneumatique. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Soupape à commande par électro-aimant caractérisée en ce qu'elle comprend, en combinaison : a) un siège (16) de soupape adapté pour titre intercalé dans un conduit (14) d'écoulement de fluide, b) une tige (22) de soupape dont la position par rapport au siège commande l'écoulement du fluide dans ledit conduit, c) des moyens (52) adaptés pour solliciter la tige de soupape dans une première position spatiale relative prédéterminée par rapport au siège définissant une pre mière condition d'écoulement à l'intérieur du conduit (14), d) un soufflet (46) entourant une partie de la tige pour assurer l'étanchéité de la soupape,e) un ensemble d'électro-aiznt (68) couplé à la tige de soupape pour solliciter cette tige en direction d'une seconde position spatiale relative prédéterminée par rapport au siège définissant une seconde condition d'écoulement dans ledit conduit, f) l'ensemble d'électro-aimant comportant un organe statique (32), un plongeur mpbile (28) pour positionner la tige de soupape et une bobine (68) et g) ltensem~ ble d'électro-aimant, le siège de soupape et la tige de soupape étant agencés de telle sorte que l'application d'un courant électrique d'une première grandeur déplace la tige de soupape de sa première position spatiale relative prédéterminée par rapport au siège de soupape dans sa seconde position spatiale relative prédéterminée par rapport au siège et l'application d'un courant électrique d'une seconde grandeur moins importante maintient la tige de soupape dans ladite seconde position spatiale relative. 2 - Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le soufflet (46) est du type en métal soudé. 3 - Soupape selon la revendication 2, caractérisée en ce que a) l'organe statique (32) et le plongeur mobile (28) comportent deux paires de faces polaires opposées ; et b) les régions situées entre les paires de faces polaires opposées forment des entrefers (24, 26) lorsque la tige de soupape est dans ladite première position. 4 - Soupape selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'aucun entrefer ntexiste entre l'une ou l'autre paire de faces polaires opposées lorsque la tige de soupape est dans la seconde position spatiale relative prédéterminée, par rapport au siège (16) de soupape. 5 - Soupape selon la revendication 4, caractérisée en ce qutelle comporte une queue (60) fixée au plongeur (28) et mobile avec lui. 6 - Soupape selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend : a) un corps (36) de soupape ayant une cavité intérieure formant une chambre, b) ledit soufflet (46) étant disposé à l'intérieur de la chambre, c) un adaptateur (48) de soufflet interposé entre la queue (60) et la tige (22) de soupape, d) des moyens (54, 58 ; 76) pour relier la queue à l'adaptateur de soufflet, e) l'ensemble de soufflet étant fixé à ladite chambre et à l'adaptateur à ses extrémités opposées pour assurer l'étanchéité de la partie de la tige de soupape située entre eux. 7 - Soupape selon la revendication 6, caractérisée en ce que le siège (16) de soupape comporte un passage interne (18) qui fait partie du conduit (14) d'écoulement de fluide. 8 - Soupape selon la revendication 7, caractérisée en ce que la tige (22) de soupape comporte un organe (20) en matière élastomère pour obturer le conduit d'écoulement de fluide. 9 - Soupape selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre : a) un bottier (30) d'électroaimant comprenant une cavité formant une chambre ayant une surface intérieure, b) la position de l'organe statique (32) par rapport au bottier de l'électro-aimant étant maintenue par pression entre l'organe statique et la surface intérieure du bottier. 10 - Soupape selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte une embase (40) pour relier le robinet au conduit (14) d'écoulement de fluide. 11 - Soupape selon la revendication 10, caractéri sée en ce que la tige (11) de soupape est vissée dans l'adap teur (48) de soufflet. 12 - Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 et 11, caractérisée en ce que : a) la première position spatiale relative prédéterminée entre la tige (22) et le siège (16) définit une distance de séparation (23) entre eux, b) la seconde position spatiale relative prédéterminée entre la tige de soupape et le siège definit une condition de contact entre eux ; et c) la distance de separation est inférieure å l'une et l'autre des entrefers (24, 26). 13 - Soupape selon la revendication 12, caractérisée en ce que les moyens servant à relier le soufflet (46) à la queue (60) comprennent un ressort précomprimé (56) de telle sorte que des entrefers nuls et la condition de contact entre la tige (22) de soupape et le siège (16) peuvent être obtenus simultanément. 14 - Soupape selon ltune quelconque des revendications 1 et 11, caractérisée en ce que : a) la première position spatiale relative prédéterminée entre la tige (22) de soupape et le siège (16) définit une condition de contact entre eux et b) la seconde position spatiale relative prédéterminée entre le siège de soupape et la tige définit une distance de séparation entre eux. 15 - Soupape selon la revendication 14, caractérisée en ce que les moyens servant à relier l'adaptateur (48) de soufflet à la queue (60) comprennent un organe d'espacement (76).