Brevet FR2532391A1 — publié le 19840302

La présente invention concerne une vanne de régulation avec un actionneur électromagnétique à action continue, un siège disposé dans un corps, un obturateur manoeuvrable par l'actionneur pour ouverture dans le sens d'écoulement, contre la force exercée par un ressort de rappel, et à l'intérieur du côté entrée de la vanne, un soufflet com- pensateur relié à l'obturateur et délimitant une cavité reliée au c 8 té sortie de la vanne De telles vannes de régulation sont utilisées en particulier dans la technique de chauffage, ventilation et clima- tisation. Des vannes de régulation connues selon le-préambule de la reven- dication 1 présentent l'inconvénient d'une variation du débit du fluide à régler en fonction de la différence de pression en amont et en aval de la vanne Une telle influence de la perte de charge met en cause la-stabilité de l'installation réglée Pour garantir des propriétés de régulation stables, une adaptation optimale de la vanne à l'installation à régler est nécessaire et exige la connaissance de la perte de charge en service Dans de nombreux cas, la perte de charge dépend toutefois d'une série de facteur, de sorte qu'une esti- mation-préalable correcte n'est pas toujours possible Il existe en outre des installations dans lesquelles la perte de charge est susceptible de varier dans de grandes limites en service, Dimensionnée pour la valeur minimale de la perte de charge, une vanne assure certes le débit total, mais est par contre trop grande aux valeurs élevées de la perte de charge Le débit croit en effet comme /Zp Il en résulte que l'influence du signal de positionne- ment délivré par le régulateur à l'actionneur est trop grand de ce facteur La fonction de régulation est ainsi perturbée. Les solutions connues à ce problème consistent à brancher une vanne de régulation de pression différentielle en amont de l'organe de réglage proprement dit, de sorte que ce dernier ne peut fonction- ner que pour une perte de charge constante On connaît aussi des- groupes d'appareils comprenant une régulation de pression différen- tielle et exerçant des influences de correction appropriées par l'in- termédiaire d'une mesure de pression en amnont et en aval de la vanne, et à l'aide d'un système à membrane ou piston. L'invention a pour objet une vanne de régulation du type précité, maintenant le débit constant pour un signal réglant donné, sans aucun moyen auxiliaire et de façon pratiquement indépendante de la perte de charge. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le siège et l'obturateur délimitent un espace annulaire, situé en amont de la zone de la section d'étranglement effective suivant le sens d'écou- lement, et dans la zone duquel le siège présente un segment de diamètre inférieur à celui de la zone de la section d'étranglement effective. La solution selon l'invention produit un accroissement de vitesse du fluide débité, en amont de la zone d'étranglement effective Il en résulte une réduction de la pression s'exerçant sur l'obturateur dans le sens de l'ouverture Cette réduction de la pression s'exerçant sur l'obturateur est due aux forces dynamiques produites par le fluide débité Les forces statiques résultant de la perte de charge sont compensées par le soufflet. Les forces dynamiques s'exerçant sur l'obturateur lors de l'ou- verture de la vanne s'opposent à la force de l'électroaimant de l'actionneur Ces forces dynamiques croissent avec la perte de charge produite par la vanne. Selon une autre caractéristique de l'invention, le c 6 té d'attaque du siège est réalisé sous forme d'une buse d'incidence Cette forme de réalisation vise à réduire au minimum le débit aux faibles valeurs de la perte de charge, par rapport à celui d'une vanne classique. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'orifice de pas- sage du siège présente, entre le segment de diamètre minimal et la zone de la section d'étranglement effective, un segment de diamètre croissant suivant le sens d'écoulement Selon une autre caractéris- tique de l'invention, le segment de diamètre croissant suivant le sens d'écoulement s'évase coniquement La forme de réalisation selon ces caractéristiques assure des conditions favorables d'écoulement. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'espace annu- laire présente dans le sens d'écoulement une section de passage au moins sensiblement constante quand la vanne est ouverte Cette forme 3. de réalisation améliore aussi les conditions d'écoulement. Un dimensionnement approprié selon la caractéristique essçn- tielle de l'invention permet d'obtenir une caractéristique de débit ne présentant aucune variation notable du débit pour une perte de charge d'environ 1 à 10 bars D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente une vanne de régulation électromagnétique, avec coupe longitudinale partielle; la figure 2 représente un détail de la figure 1 à plus grande échelle; la figure 3 représente le diagramme de débit d'une vanne selon l'art antérieur; la figure 4 représente le diagramme de débit d'une vanne selon l'in- vention; la figure 5 représente la-caractéristique de régulation de la vanne selon l'art antérieur-; et la figure 6 représente la caractéristique de régulation d'une vanne selon l'invention Un actionneur électromagnétique 14 est monté par l'intermédiaire de colonnes 12 sur le corps 10 d'une vanne à passage direct, selon figure 1 L'actionneur continu actionne l'obturateur 1-6 de la vanne à l'aide d'un poussoir 20, contre la force exercée par un ressort de rappel 18 L'obturateur 16 interagit avec un siège 22 vissé dans le corps 10 de la vanne Le sens d'écoulement du fluide à réduire est désigné par les deux flèches, dont une est représentée du côté entrée 24 et l'autre du côté sortie 26 de la vanne, La position de l'obturateur 16 montre que la force du ressort de rappel 18 le ferme dans le sens inverse de l'écoulement L'extrémité du poussoir 20 yoisine de l'obturateur 16 est entourée d'un soufflet 28-délimitant une cavité 30 Cette der- nière est reliée au coté sortie 26 de la vanne par un pergage compen- sat-eur 32 radial dans le poussoir 20. La figure 2 représente à plus grande échelle le point d'étran- glement de la vanne, avec l'obturateur 16 et le siège 22 Elle montre que l'obturateur 16 comporte un étrangleur 34 et un disque d'obtura- teur 36 Un écrou 38 fixe ces deux dernières pièces sur l'extrémité du poussoir 20, L'étrangleur 34 présente un segment 40 qui s'évase coniquement suivant le sens d'écoulement Le siège 22 présente, au voisinage de son orifice, un segment 42 qui s'évase cbniquementsui- vant le sens d'écoulement Les segments 40 et 42 à-évasement conique de l'étrangleur -34 et du siège 22 sont dimensionnés de façon que dans la vanne ouverte, un espace annulaire 44 se forme entre le siège 22 et l'étrangleur 34, avec une section sensiblement constante suivant le sens d'écoulement L'interstice de l'espace annulaire 44, diminuant suivant le sens d'écoulement, compense l'accroissement du diamètre suivant ce senso Le c 8 té d'attaque 46 du siège 22 est réalisé sous forme d'une buse d'incidence La section d'étranglement effective du siège 22 se trouve dans une zone 48 de diamètre supérieur au diamètre intérieur minimal du siège 22, sur le segment cylindrique 50 situé en amont du segment 42 évasé coniquement suivant le sens d'écoulement. Le fonctionnement de la vanne représentée est décrit ci-dessous. Un régulateur non représenté, tel qu'un régulateur de chauffage ou de ventilation, délivre un signal électrique à l'actionneur électroma- gnétique continu 14 L'obturateur 16 occupe, en fonction de la valeur de ce signal, une position essentiellement déterminée par un état d'équilibre entre la force:produite par l'électroaimant et la force exercée par le ressort de rappel 18 Dans l'exemple de réalisation représenté, l'obturateur 1 6 ouvre par un mouvement de descente, le disque d'obturateur 36 s'éloignant du siège 22 Le débit V résultant du fluide circulant dans la vanne dépend essentiellement de la course de l'obturateur 16. La figure 3 illustre la variation du débit V d'une vanne de type connu en fonction de la perte de charge A Pv sur la vanne, pour un signal de positionnement donné et par suite une course donnée de l'ob- turateur 16 La perte de charge Apv est égale à la-différence de pres- sion du fluide circulant dans la vanne, entre les côtés d'entrée 24 et de sortie 26 La-variation précitée du débit V en fonction de la perte de charge Ap est gênante, car elle rend plus difficile la sta- bilité de l'installation réglée en cas de dimensionnement non optimal de la vanne pour l'installation considérée ou d'importantes fluetua- tions de la perte de charge Apv dans l'installation. La figure 4 représente le diagramme de débitd'une vanne du type décrit à l'aide des figures 1 et 2 Ce diagramme montre que le débit V demeure sensiblement constant, indépendamment de la perte de charge Apv dans la vanne La cause du débit V constant pour un signal de positionnement donné réside dans la forme du siège 22 et de 1 'obtura- teur 16, qui produit une augmentation de la vitesse du fluide débité dans le sens d'écoulement, en amont de la zone 48 de la section d'étranglement effective Il en résulte une réduction de la pression s'exerçant par le haut sur l'obturateur 16. Le perçage 32 et le soufflet 28 compensent en outre statiquement les forces s'exerçant sur l'obturateur du fait de la perte de charge Apv dans la vanne En liaison avec la réduction de pression précitée, l'ouverture de la vanne produit sur l'obturateur 16 une force supplé- mentalre, qui s'oppose à la force exercée par l'électroaimant de l'actionneur 14 Cette force supplémentaire croit avec la perte de charge Apv La réalisation du côté d'attaque 46 du siège 26 sous forme d'une buse d'incidence supprime pratiquement toute réduction du débit aux faibles valeurs de la perte de charge Apv par rapport à celui d'une vanne de type connu. Le segment 42 évasé coniquement du siège 22 assure des condi- tions d'écoulement particulièrement favorables Ces dernières sont encore améliorées par la forme décrite de l'obturateur 16, dont le segment 40 évasé coniquement délimite avec le segment 42 évasé coni- quement du siège 22 l'espace annulaire 44, de section sensiblement constante suivant le sens d'écoulement. Une adaptation du diamètre des zones 48 et 50 du siège 22 et de la forme extérieure de l'obturateur 16 à l'actionneur électroma- gnétique 14 correspondant donne un comportement de la vanne selon les diagrammes des figures 4 et 6. La figure 6 illustre la variation de la course 52 de leobturà- teur 16 en fonction du signal de positionnement transmis à la vanne, pour diverses valeurs de L Pv' La figure 5 représente un diagramme comparable pour une vanne de type connu La courbe unique 56 repré- sentée sur le diagramme de la figure 5, est rapportée à toutes les valeurs de Apv Les propriétés illustrées par les diagrammes des figures 4 et 6 confèrent à la vanne selon l'invention une caractéristique de tra- vail avec adaptation à la perte de charge Il en résulte que le débit n'est pas influencé sur la plage de fonctionnement par la perte de charge Apv produite par la vanne. Bien qu'une vanne à passage direct ait été choisie comme exem- ple de réalisation, il est également concevable d'appliquer le même principe à une vanne à trois voies. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d' tre décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. 7: Revendications 1 Vanne de régulation avec un actionneur électromagnétique ( 14)- à action continue, un siège ( 22) disposé dans un corps ( 10), un obturateur ( 16) manoeuvrable par l'actionneur ( 14) pour ouverture dans le sens d'écoulement, contre la force exercée par un ressort rappel ( 19), et à l'intérieur du c 8 té entrée ( 24) de la vanne, un soufflet compensateur ( 28), relié à l'obturateur 16 et délimitant une cavité 30 reliée au coté sortie ( 26) de la vanne, Iadite vanne étant caractérisée en ce que le-siege ( 22) et l'obturateur ( 16) délimite un espace annulaire ( 44), situé en amont de la zone ( 48) de la section d'étranglement effective suivant le sens d'écoulement, et dans la zone duquel le siège ( 22) présente un segment de diamètre inférieur à celui de la zone ( 48) de la section d'étranglement effective. 2 Vanne de régulation selon revendication 1, caractérisée en ce que le côté d'attaque ( 46) du siège ( 22) est réalisé sous forme d'une buse d'incidence. 3 Vanne de régulation selon une des revendications 1 ou 2, carac- térisée en ce que l'orifice de passage du siège ( 22) présente, entre le segment ( 50) de diamètre minimal et la zone ( 48) de la section d'étranglement effective, un segment ( 42) de diamètre croissant sui- vant le sens d'écoulement. 4 Vanne de régulation selon revendication 3, caractérisée en-ce que le segment ( 42) de diamètre croissant suivant le sens d'écoule- ment s'évase coniquement. 5 Vanne de régulation selon une quelconque des revendications-1 à 4, caractérisée en ce que I'espace annulaire ( 44) présente dans la vanne ouverte une section de passage-au moins sensiblement cons- tante suivant le sens d'écoulement. 6 Vanne de régulation selon revendication 5, caractérisée en ce que l'obturateur ( 16) présente un segment ( 40) s'évasant coniquement suivant le sens d'écoulement. 7 Vanne de régulation selon revendications 2 et 5, caractérisée par une zone à section de passage décroissant suivant le sens d'écou- lement, en amont de la zone à section de passage constante du côté d'attaque ( 46) 8 Vanne de rdgulation selon une quelconque des revendications l à 7, caractérisée en ce que l'obturateur ( 16) comporte un étran- gleur profilé ( 34) et un disque d'obturateur ( 36) limitant la section d'étranglement effective ( 48).