Brevet FR2524958A1 — publié le 19831014

L'invention est relative à une soupape de sûreté Elle trou- vera notamment son application pour limiter la pression d'un fluide contenu dans une enceinte, telle que par exemple une chaudière. Actuellement, les soupapes de sûreté sont composées notam- ment d'une buse qui est reliée à l'enceinte dont on veut limiter la pression Cette buse est fermée en position de repos par un clapet qui est appliqué sur la buse par l'intermédiaire de moyens élastiques tels qu'un ressort Lorsque la pression dans l'enceinte dépasse un cer- tain seuil, l'effort exercé par le ressort est insuffisant pour mainte- nir le clapet appliqué sur la buse et donc le clapet se soulève laissant ainsi échapper une partie du fluide contenu dans l'enceinte Cette éva- cuation du fluide permet de limiter la pression dans l'enceinte, puis, lorsque cette pression devint inférieure à nouveau à l'effort exercé par le ressort sur le clapet, celui-ci obture à nouveau la buse et la soupape repasse en position fermée-. Afin de minimiser les risques de phénomènes transitoires tels que le battement du clapet sur la buse, il existe à l'heure actuelle des équipements spéciaux tels que les déflecteurs placés sur le clapet qui permettent une ouverture franche de la soupape Il est en effet important de disposer d'une soupape qui puisse réagir très rapidement en cas de montée de la pression brutale dans l'enceinte à protéger. Mais il est également intéressant de disposer d'une refermeture très rapide de la soupape lorsque la pression dans l'enceinte redevient inférieure au seuil critique En effet, par exemple, s'il s'agit de protéger un circuit de refroidissement quelconque, il est essentiel de refermer la soupape pour limiter l'échappement du fluide sous peine de voir le circuit de refroidissement ne fonctionnant plus avec les con- séquences graves que cela peut entraîner. Or, lorsque la soupape est en position ouverte, le clapet subit outre la pression statique du fluide présent dans l'enceinte qui s'échap- pe, la pression dynamique de ce fluide et donc la refermeture de la soupape peut nécessiter un effort beaucoup plus important que l'effort nécesaire à contenir la pression statique seule Pour pallier cette difficulté, il existe des soupapes dites assistées qui disposent d'un vérin qui assure la refermeture du clapet à partir d'une excitation extérieure Toutefois, d'une part, il faut souligner que la refermeture est lente et qu'ensuite, elle nécessite un dispositif de commande fra- gile et coûteux. 2 - Le but principal de la présente invention est de présenter une soupape de sûreté qui présente une grande vitesse de manoeuvre tant à l'ouverture qu'a la fermeture Elle ne nécessite aucun dispositif de commande extérieur, ce qui la rend particulièrement fiable. Un autre but de la présente invention est de présenter une soupape de sûreté dont la conception minimise les risques de grippage du clapet En effet, habituellement, les soupapes de sûreté sont peu sollicitées ce qui peut entraîner un grippage des pièces mécaniques qui se seront par exemple oxydées superficiellement, provoquant ainsi des variations dimensionnelles de jeu mécanique de fonctionnement. D'autres buts et avantages de la présente invention apparai- tront au cours de la description qui va suivre, qui n'est cependant donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. La soupape de sûreté destinée à limiter la pression d'un fluide contenu dans une enceinte à laquelle elle est reliée et qui pré- sente deux états de fonctionnement, d'une part la position fermée lorsqu'elle isole l'enceinte sous pression et d'autre part la position ouverte lorsqu'elle laisse échapper le fluide contenu dans l'enceinte sous une pression supérieure à un certain seuil, est caractérisée par le fait qu'elle présente des moyens pour fonctionner de manière fran- che, c'est-à-dire minimiser le temps de passage de la position fermée à la position ouverte et réciproquement. L'invention sera mieux comprise si l'on se réfère à la descrip- tion ci-dessous ainsi qu'au dessin en annexe qui en fait partie inté- grante. La figure 1 représente un mode préférentiel de réalisation de la soupape de sûreté seàon l'invention, dans une vue en élévation en coupe. La soupape de sûreté est destinée à limiter la pression d'un fluide contenu dans une enceinte ou un circuit quelconque L'in- vention est plus particulièrement adaptée aux fluidesdu type-gazeux, toutefois, elle pourra être étendue également aux liquides. La figure 1 représente une soupape de sûreté 1 selon l'in- vention, qui est reliée à une enceinte non représentée par l'intermé- diaire d'une buse 2 Cette buse 2 débouche à l'intérieur du corps 3 de la soupape dans une chambre d'échappement 4 Cette chambre d'échap- pement 4 est en général ouverte en 5 sur l'extérieur, toutefois, dans le cas de fluides toxiques ou plus généralement que l'on désire recueil- 3 - lir, il sera possible de canaliser le fluide provenant de l'enceinte par un conduit qui sera par exemple bridé sur l'ouverture 5. La buse 2 présentera à son extrémité un siège 6 sur lequel viendra s'appuyer un clapet 7 appliqué sur le siège 6 par l'intermédiaire de moyens élastiques 8. Ainsi, lorsque la soupape 1 est en position fermée, le clapet 7 sera appliqué de façon étanche sur le siège 6 par l'intermédiaire des moyens élastiques 8 Par contre, lorsque la pression dans l'en- ceinte dépasse un certain seuil, l'effort qu'exerce cette pression sur le clapet 7 deviendra supérieur à l'effort appliqué par les moyens élastiques 8 en contre-réaction sur le clapet 7 Et donc, le clapet se soulèvera ce qui provoquera l'échappement du fluide sous pression contenu dans l'enceinte dans la chambre d'èchappement 4 puis évacuation du dit fluide par l'ouverture 5 vers l'extérieur ou un conduit de récupération. De la sorte, en fonction de la pression exercée par les moyens élastiques 8 sur le clapet 7, il sera possible de limiter la pression dans l'enceinte à un seuil prédéterminé. Selon un mode de réalisation possible des moyens élastiques 8, ceux-ci seront constitués par un ressort, par exemple, du type hélicoî- dal qui exercera son action sur un axe central 9 par l'intermédiaire de deux coupelles 10 dont l'une est solidaire de l'axe central 9. Le ressort 8 sera, par exemple, placé dans un carter Il fixé dans sa partie inférieure au corps 3 de la soupape Par ailleurs, une *bague 12 de tarage sera vissée à la partie supérieure du carter Il et appliquera un effort sur la coupelle supérieure 10 pour placer le ressort 8 en compression L'axe central 9 pourra coulisser librement à l'intérieur de la bague de tarage 12. De la sorte, en réglant le degré d'enfoncement de la bague de tarage 12 dans le carter 11, par rotation de la bague, il sera possible de comprimer plus ou moins fortement le ressort 8 et par conséquent d'exercer un effort plus ou moins important sur le clapet 7. Par voie de conséquence, la limitation de la pression contenue dans l'enceinte pourra être ajustée par réglage de la bague de tarage 12. Un contre-écrou 13 vissé sur la bague de tarage 12 permettra d'immo- biliser la dite bague dans une position désirée qui correspondra à la pression limite d'ouverture de la soupape souhaitée. Par ailleurs, au-dessus du carter 11, viendra se fixer un 4 - mécanisme à came 14 qui permettra de forcer l'ouverture de la soupape en relevant le clapet par l'intermédiaire d'un bras de commande 15. En outre, la soupape sera équipée dans sa partie supérieure d'un dispositif 16 de blocage de la soupape en position fermée Dans le mode préférentiel de réalisation de l'invention, il s'agit d'une tige filetée qui vient se visser dans la partie supérieure de la sou- pape et qui vient appuyer sur l'axe central 9 afin d'éviter que celui- ci puisse se soulever et par là même le clapet 7. Selon l'invention, la soupape de sûreté qui présente deux états de fonctionnement, d'une part la position fermée dans laquelle elle isole l'enceinte contenant le fluide et d'autre part la position ouverte dans laquelle elle laisse échapper le fluide contenu dans l'enceinte, présente des moyens qui lui permettent de fonctionner de manière franche, c'est-àdire minimiser le temps de passage de la position fermée à la position ouverte et réciproquement En effet, la soupape de l'invention présente un temps d'ouverture et de fermeture très faible. La rapidité à la fermeture de la soupape sera obtenue par l'intermédiaire de moyens qui permettront d'augmenter l'effort exercé par les moyens élastiques sur le clapet, d'une force additionnelle lorsque celui-ci est en position ouverte De la sorte, l'ouverture du clapet ne sera pas affecté par cette force additionnelle, par contre, à la fermeture, l'effort exercé sur le clapet étant plus important, la soupape se refermera de façon très franche. Dans un mode préférentiel de réalisation de la soupape de sûreté, la force additionnelle s'exercera sur le clapet avec un certain retard après l'ouverture de celui-ci. Selon l'invention, les moyens seront constitués par un ou plusieurs trous calibrés 17 qui mettront en communication le volume fermé intérieur du carter 11 et la chambre d'échappement 4. De la sorte, lorsque le clapet est en position fermée, la chambre d'échappement est sous pression faible que l'on appellera pression de repos Par l'intermédiaire des trous calibrés 17, le volume intérieur du carter 11 sera également placé à cette pression de repos. Et donc, la pression qui s'exercera au niveau de la partie supérieure du porte-clapet 18 coulissant dans le guide clapet 19 et sur laquelle s'applique l'axe central 9, sera la pression de repos Ainsi, l'effort exercé sur le clapet sera d'une part l'effort des moyens élastiques 8 - et d'autre part la pression de repos. Par contre, lorsque le clapet est en position ouverte, le fluide provenant de l'enceinte s'échappe dans la chambre d'échappement 4 est évacué par l'ouverture 5 Donc, dans la chambre d'échappement 4, il règne une surpression qui se traduit par une pression supérieure à la pression de repos appelée pression de travail Par l'intermédiaire des trous calibrés 17, le volume intérieur du carter Il voit sa pres- sion augmenter pour atteindre à l'équilibre la pression dite de tra- vail Lorsque cet état d'équilibre est atteint, la pression qui s'exerce sur la partie supérieure du porte-clapet 18 est égale à la pression de travail Et donc, la pression totale exercée sur le clapet 7 est la somme de l'effort exercé par les moyens élastiques additionné de la pression de travail. La force additionnelle provenant de l'augmentation de pression dans le volume du carter Il favorise la fermeture du clapet sans toute- fois gêner l'ouverture puisque cette force additionnelle est née après l'ouverture du clapet. En fonction du diamètre des trous 17, il est possible d'al- longer le temps nécessaire à l'équilibrage des pressions entre la chambre d'échappement 4 et le volume intérieur du carter 11 Pour le bon fonctionnement de la soupape de sûreté, il est nécessaire que l'équilibre des pressions soit atteint largement après l'ouverture complète du clapet. Il est possible d'augmenter l'effet précédent en appliquant la pression du volume intérieur du carter Il non pas seulement à la partie supérieure du porte-clapet 18 qui reçoit l'axe central 9 mais à toute la surface supérieure 20 du porte-clapet 18 Pour cela, on place une membrane, non représentée, étanche sur la périphérie de la surface supérieure 20 du porte-clapet 18 et on relie cette membrane dans sa partie supérieure au guide clapet 19 De la sorte, la membrane évite que la surface supérieure 20 du porte-clapet 18 soit influencée par la pression qui règne dans la chambre d'échappement 4 mais soumet cette surface supérieure 20 directement à la pression qui règne dans le volume intérieur du carter 11. Selon la dimension de la surface supérieure 20 entourée par la membrane, il est possible de moduler la force additionnelle qui sera exercée à la suite de l'ouverture du clapet 7. Selon un mode préférentiel de réalisation de la soupape de 6 - sûreté de l'invention, le porte-clapet 18 présentera un jeu mécanique important visà-vis du guide clapet 19 De bons résultats ont été obtenus en utilisant un jeu mécanique de l'ordre de quelques dizièmes de millimètres. La présence de ce jeu d'une part, assure un frottement mini- mum, ce qui favorise la vitesse de fonctionnement de-la soupape et d'autre part, évite tout grippage de son fonctionnement En effet, même s'il se produit une certaine oxydation en surface des pièces, qui pourrait résulter d'un usage peu fréquent, cette variation dimen- sionnelle des pièces dues à l'oxydation restera sans influence sur le coulissement du porte-clapet 18 et en particulier évitera tout coincement tant en position fermée qu'ouverte. La partie supérieure du porte-clapet 18 présentera une zone d'appui 21 sur laquelle s'exercera l'effort imposé par l'axe central 9. Il est en effet préférable de dissocier le porte-clapet 18 de l'axe central 9, car la réalisation d'une pièce unique aurait limité les possibilités de débattement du porte-clapet 18 dans le guide clapet -19. Et donc c'eut été défavorable au niveau du grippage. La zone d'appui 21, dans un mode préférentiel de réalisation, sera réalisée par une cavité conique au niveau du porte-clapet 18, et. par une extrémité arrondie de l'axe central 9 De la sorte, un certain débattement du porteclapet 18 sera autorisé et tout à la fois le centrage de l'axe central 9 sur le porte-clapet sera obtenu Le porte- clapet 18 présentera une cavité d'appui 22 à sa partie inférieure sur laquelle s'appliquera une rotule 23 réalisée sur la face supérieure du clapet De la sorte, un certain dëbattement angulaire du clapet 7 par rapport au porte-clapet 18 sera possible Le clapet 7 sera emprisonné dans un logement 24 par l'intermédiaire d'une bague rapportée 25 De la sorte, une certaine lattitude d'adaptation du clapet sera autorisée pour que celui-ci s'applique sur le siège 6, toutefois, le clapet restera captif du porte-clapet 18. La bague 25 présentera-en outre un déflecteur 26 sur sa partie inférieure Ce déflecteur 26 a pour fonction de modifier l'orientation du flux de fluide s'échappant par la buse lorsque la soupape est en position ouverte, et ainsi d'utiliser l'effort dynamique du flux de fluide pour augmenter la vitesse d'ouverture de la soupape. En outre, le déflecteur 26, en combinaison avec une bague 27 ajustée sur la buse 2, permettra de former une chambre d'échappement -7- auxiliaire sur la périphérie du clapet pour améliorer l'ouverture franche de la soupape. Dans un mode préférentiel de réalisation du porte-clapet 18 et du guide clapet 19, ceux-ci seront réalisés dans des matériaux de duretés différentes. D'autres mises en oeuvre de la présente invention, à la portée de l'Homme de l'Art, auraient pu être envisagées sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. 8 - REVENDICATIONS 1 Soupape de sûreté destinée à limiter la pression d'un fluide contenu dans une enceinte, qui présente deux états de fonction- nement, d'une part la position fermée pour laquelle elle isole le fluide contenu dans l'enceinte et d'autre part une position ouverte dans laquelle elle laisse échapper le fluide sous pression contenu dans la dite enceinte, caractérisée par le fait qu'elle présente des moyens pour fonctionrer de manière franche c'est-à-dire minimiser le temps de passage de la position fermée à la position ouverte et réci- proquement. 2 Soupape de sûreté destinée-à limiter la pression d'un fluide contenu dans une enceinte à laquelle elle est reliée par une buse ( 2) obturée par un clapet ( 7) mobile appliqué sur son siège ( 6) par des moyens élastiques ( 8) situé dans la chambre d'échappement ( 4) selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle présente des moyens pour augmenter l'effort exercé par les moyens élastiques ( 8) sur le clapet ( 7), d'une force additionnelle lorsque celui-ci ( 71 est en position ouverte. 3 Soupape de sûreté selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la force additionnelle s'exerce sur le clapet ( 7) avec un certain retard après l'ouverture du clapet ( 7). 4 Soupape de sûreté selon la revendication 3, dont les moyens élastiques ( 8) sont placés dans un carter ( 11), caractérisée par le fait que les moyens se présentent sous la forme d'un ou plusieurs trous caliorés ( 17) qui mettent en communication la chambre d'échappe- Diment ( 4) et le volume intérieur du carter ( 11). Soupape de sûreté selon la revendication 1, dont le cla- pet ( 7) est rapporté sur un porte-clapet ( 18) coulissant dans un guide clapet ( 19), sur lequel s'applique l'effort exercé par les moyens élas- tiques ( 8), caractérisee par le fait que le porte-clapet ( 18) présente dans sa partie supérieure une zone d'appui ( 21) qui reçoit l'axe central ( 9) des moyens élastiques ( 8) et que le porte-clapet ( 8) présente un jeu mécanique important entre lui-même et le guide clapet ( 19). 6 Soupape de sûreté selon la revendication 5, caractérisée par le fait que le porte-clapet ( 18) présente une cavité d'appui dans sa partie inférieure qui s'applique sur une rotule ( 23) réalisée sur la face supérieure du clapet ( 7), celui-ci étant emprisonné dans un loge- ment ( 24) par l'intermédiaire d'une bague ( 25) rapportée sur le porte- -9- clapet ( 18). 7 Soupape de sûreté selon la revendication 6, caractérisée par le fait que la dite bague ( 25) présente sur sa face inférieure un déflecteur ( 26). 8 Soupape de sûreté selon la revendication 4, caractérisée par le fait que la face supérieure ( 20) du porte-clapet ( 18) est isolée de la chambre d'échappement ( 4) par une membrane 9 Soupape de sûreté selon la revendication 8, caractérisée par le fait que le volume intérieur de la membrane est en communication avec le volume intérieur du carter ( 11) enveloppant les moyens élasti- ques ( 8). Soupape de sûreté selon la revendication 5, caractérisée par le fait que le porte-clapet ( 18) et le guide clapet ( 19) sont réa- lisés dans des matériaux de duretés différentes.