Brevet FR2579337A1 — publié le 19860926

L'invention a pour objet un appareil détendeur à membrane pour la détente de gaz sous pression, par exemple un gaz de pétrole liquéfié tel que butane ou propane. Ce type d'appareil comprend habituellement une arrivée de gaz sous la pression à détendre, un clapet actionné par les mouvements de déplacement de la membrane, lequel clapet découvre ou ferme l'arrivée du gaz, une chambre à pression réduite communiquant avec une conduite d'utilisation et sur laquelle s'ouvre ledit clapet, ladite chambre étant fermée par la membrane qui est sensiblement équilibrée sur son autre face par un ressort. Avec une telle construction générale, lorsque la pression dans la chambre du détendeur tend à diminuer, par exemple sous l'effet d'une augmentation du débit d'utilisation, le clapet tend à s'ouvrir davantage et à compenser la chute de pression. Inversement, lorsque la pression dans la chambre tend augmenter, par exemple à la suite d'une réduction du débit d'utilisation, le clapet tend à se fermer, donc à réduire la pression.On obtient ainsi une régulation automatique de la pression, en fonction du débit. Cette régulation n'est cependant pas parfaite et présente, en particulier les défauts suivants a) la pression tend à diminuer lorsque le débit d'utilisation tend augmenter, et inversement ; ce phénomène peut être gênant au niveau de L'utilisation ; b) il existe un certain retard à la régulation, et par suite celle-ci s'effectue par à-coupsautour d'une pression moyenne régulée ; c) les variations de débit, de pression et de régulation peuvent entraîneur des phénomènes parasites de battement et de pompage. Pour résoudre les problèmes sus-mentionnés, on peut employer divers moyens correcteurs permettant une régulation plus fine mais qui, évidemment, augmentent très notablement le prix de revient de L'appareil et également sa complexité, pouvant entraîner des problèmes de fiabilité et de fragilité. L'invention a pour objet d'éviter les inconvénients sus-mentionnés en permettant la réalisation d'un appareil fiable, peu coûteux, comportant un nombre de pièces réduit et présentant, néanmoins, des caractéristiques améliorées de régulation. A cet effet, un appareil détendeur à membrane, se caractérise en ce que la membrane est divisée dans ladite chambre, dans laquelle la pression est détendue, en deux surfaces de valeurs inégales, et la membrane s'articule entre lesdites deux surfaces, de telle sorte que l'action de la pression du gaz détendu agit sur la plus grande surface en opposition avec le ressort d'équilibrage et sur la surface réduite dans le même sens que Le ressort. De cette façon il est possible, en choisissant convenablement les paramètres de la construction, d'obtenir par l'action de la pression régulée,agissant sur la surface réduite, une correction dans le bon sens des variations de la pression détendue agissant sur la grande surface en opposition avec le ressort d'équilibrage.On crée, en effet, de cette manière, une fonction de régulation qui dépend directement de la pression et réagit sans délai à ses variations. Selon une caractéristique préférée de construction, l'appareil comprend une plaque, sur laquelle s'appuie d'un côté la membrane et de l'autre ledit ressort, et ladite plaque repose sur un pivot d'articulation disposé entre lesdites deux surfaces. Le pivot se présentera, de préférence sous la forme d'un couteau tel qu'un couteau d'articulation des deux plateaux d'une balance, les variations de la pression et le ressort agissant donc en opposition pour équilibrer sensiblement le plateau. Dans une réalisation préférée de l'invention, à l'intérieur de la chambre à pression réduite, sous ladite grande surface de la membrane, est formée une chambre de pilotage dynamique étanche communiquant avec ladite chambre à pression réduite au moyen d'un orifice ou passage de section réduite. Par une telle construction, on prend, en outre, en considération les variations dynamiques de pression permettant d'introduire une correction qui anticipera la demande et lissera les variations. Dans une autre réalisation de l'appareiL, celuici comprend, en outre, un organe de poussée susceptible d'agir sur ladite plaque en un point situé au niveau de ladite surface réduite, ledit point et la région d'application du ressort étant situés de part et d'autre du clapet. De cette façon l'appareil détendeur peut être transformé en robinet de fermeture élastique, le ressort en conjugaison avec le nouveau point d'articulation de l'appareil assurant la fermeture du clapet. L'invention et sa mise en oeuvre apparaîtront plus clairement à L'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés illustrant de façon schématique et uniquement à titre d'exemple quelques modes de réalisation. Dans ces dessins - la figure 1 illustre schématiquement, en coupe, un appareil détendeur conforme à l'art antérieur ; - les figurès 2, 3 et 4 montrent, comme la figure 1, trois variantes de réalisation d'un appareil conforme à l'invention ; - la figure 5 illustre la courbe de pression d'utilisation améliorée en fonction du débit, cette courbe correspondant au mode de construction de la figure 3. On se reportera, tout d'abord à la figure 1 illustrant le principe de fonctionnement d'un appareil courant de l'art antérieur. L'appareil repéré 1, dans son ensemble, comprend une arrivée de gaz 2 sous la pression à détendre. Le gaz est admis par un clapet3 à L'intérieur d'une chambre 4, dans LaqueLle règne la pression P réduite. Cette chambre communique avec une canalisation 5 de sortie qui se trouve à la pression d'utilisation Pu voisine de la pression P régnant dans la chambre 4. La chambre 4 est fermée d'un côté par une membrane souple 6 sur laquelle s 'appuie, par l'intermédiaire d'une plaque métallique 7, un ressort 8 d'équilibrage. Le clapet 3 comporte une garniture 9 qui est susceptible d'obturer le siège 10 d'arrivée de gaz sous pression selon la position occupée par un levier 11 lié d'un coté en 12 à la membrane souple et pivotant de l'autre côté en un point d'articulation 13. Le principe de fonctionnement de cet appareil connu est le suivant Si la pression P, dans la chambre 4 est insuffisante, par suite, par exemple d'un soutirage à la canalisation 5, la force F appliquée par la pression P sur la surface S de ta membrane 6 devient insuffisante pour équilibrer la force antagoniste F R du ressort. La membrane s'affaisse, ce qui commande l'ouverture, plus grande du clapet 3, et par suite permet d'augmenter la pression dans la chambre 4. Si la pression devient trop importante, c'est le phénomène inverse qui se produit, le clapet 3 tendant à se fermer. On obtient ainsi, dans la chambre 4 une régulation de la pression.Les conditions d'équilibre peuvent s'écrire : FR F ou encore K1R = K2PS (1) dans laquelle : - R est la force d'application du ressort, - K1 est un coefficient dépendant des caractéristiques de construction de l'appareil, - P est la pression de gaz détendue régnant dans la cham bre 4, - S est la surface de la membrane sur laquelle s'applique cette pression P, - K2 est un coefficient dépendant des caractéristiques de construction mécanique de l'appareil. Comme il a été mentionné précédemment, ce type d'appareil présente certaines imperfections de fonctionnement, notamment relativement à une diminution de pression corrélative à un accroissement du débit, à des retards de réaction par rapport à la demande instantanée, etc... On se reportera maintenant à la figure 2, illustrant une construction modifiée selon L'invention. L'appareil modifié repéré 21 dans son ensemble comprend, comme l'appareil de l'art antérieur un certain nombre de pièces identiques ou équivalentes qui ont été repérées de la même façon. Il s'agit, notamment, de la chambre 4 de détente, communiquant avec la conduite d'utilisation 5 et avec la conduite d'amenée de gaz sous pression 2 par l'intermédiaire d'un clapet 3 comportant une garniture 9 et un siège 10 ; la chambre 4 est limitée d'un caté par la membrane 6 sur laquelle s'applique et agit la pression P du gaz détendu. On retrouve également la plaque 7 d'appui pour La membrane 6 et sur laquelle agit la force du ressort d'équilibrage 8. La chambre dans laquelle est logée le ressort 8 communique par un évent 14 avec l'atmos- phère comme dans l'art antérieur. La modification de construction, apparaît essentiellement au niveau de la commande du clapet 3, qui n'est plus actionné par des mouvements de translation (affaissement ou soulèvement de la membrane 6 parallèlement à la direction de l'axe 15 de l'appareil), mais par un mouvement de basculement ou d'articulation de la plaque 7 autour d'un axe ou pivot 22 d'articulation de cette plaque. De façon plus précise, dans la chambre 4, la surface de la membrane 6 est divisée en deux parties, à savoir l'une ayant la plus grande surface S (à droite de l'axe d'articulation 22 sur la figure 2) et l'autre, de surface réduite s (à gauche de l'axe d'articulation 22 sur la figure 2).Il apparaît immédiatement que la pression P régnant dans la chambre 4 agira avec une force F dirigée en opposition avec la force F R du ressort 8, la force F tendant à fermer le clapet 3 et la force FR à l'ouvrir, tandis que cette même pression P agira avec une force f sur la surface réduite s dans un sens tendant à ouvrir le clapet. La condition d'équilibre peut s'écrire K1R + K3Ps = K2PS (2) dans laquelle : - R est la force du ressort, - K1 est un coefficient dépendant des caractéristiques de construction et de montage de l'appareil, - P est la pression régnant dans la chambre 4, - S est la surface de la membrane 6 située sur la figure 2 à droite de L'articulation 22, - s est la surface de la membrane 6 située sur La figure 2 à gauche de L'articulation 22, - K2 et K3 sont des coefficients fonctions des caracté ristiques de construction et de montage de l'appareil. La formule ci-dessus énoncée fait apparaître, que par rapport au mode de réalisation de la figure 1, L'appareil perfectionné de L'invention comporte une partie supplémentaire (K3Ps) qui joue le rôle d'un coefficient de correction des variations de régulation qui est relié directement à la pression P régnant dans la chambre 4. Par un choix judicieux des coefficients de construction K1 K2 K3, on arrive ainsi à obtenir une meilleure régulation de la pression de détente en réduisant les effets différentiels, de retard et de battement. Dans la pratique de bons résultats sont obtenus en donnant à s une surface comprise entre le cinquième et le dixième environ de la surface S et en choisissant un bras de levier pour l'articulation de la surface s compris entre un tiers à un sixième environ du bras de levier pour l'articulation de la surface S. On se reportera maintenant à la figure 3 dans laquelle on a illustré une variante plus perfectionnée de la réalisation illustréeà la figure 2. On retrouve dans cette même figure, qui ont été repérés de la même façon un certain nombre de pièces semblables ou identiques à celles du mode de réalisation de la figure 2. Ces pièces et éléments ne seront pas à nouveau décrits. Par contre, on décrira, ci-après, les différences de L'appareil repéré 32 dans son ensemble. Tout d'abord la membrane 6 et la plaque 7 formant levier d'articulation sur laquelle s'appuie cette membrane est articulée en 22' entre deux butées 23, 24, enserrant la membrane 6 et la plaque 7. La butée 24 fait partie de la paroi 25 d'une chambre 26 qui est formée sous la surface S principale de la membrane 6. Cette chambre 26 communique au moyen d'un orifice ou d'un passage de section réduite 27 avec la chambre 4 dans laquelle règne la pression réduite P du gaz détendu. Si l'on appèle P g la pression régnant dans la chambre 26, la condition d'équilibre de l'appareil s'écrit K1R + K3Ps = K2Pg S (3) dans laquelle Les divers symboles ont la même signification qu'indiquée ci-dessus à L'équation (2). Cependant, la pression P régnant dans la cham g bre 26, laquelle communique par un orifice calibré avec la chambre 4 est une fonction de la pression P régnant dans cette chambre 4 et également une fonction du débit instantané Q appelé dans la conduite 5 d'utilisation. Ceci peut s'écrire K1 R + K3Ps = K2f(Q) PS (4) Cette équation montre que dans cette nouvelle version perfectionnée de l'appareil, on a, non seulement, un coefficient de correction des variations (K3Ps) directe ment fonction de la pression P, mais en outre, une correction dynamique, fonction du débit Q introduit par la construction de la chambre de pilotage dynamique 26. La figure illustre Les variations de ta pression d'utilisation Pu portées en ordonnés en fonction de la variation du débit d'utilisation Q portés abscisses, la courbe Pu correspondant à La réalisation de la figure 3, et la courbe P'u correspondant à la réalisation de la figure 2 dans laquelle n'existe pas le coefficient de correction dynamique. On note que dans le mode de réalisation de la figure 3, la pression d'utilisation est bien maitrisée et les variations sont particulièrement réduites, même lorsque le débit varie beaucoup. Pour des débits importants, il est même possible d'éviter la chute habituelle de pression d'utilisation. A la figure 4, on a illustré une autre variante de réalisation de L'appareiL. Celui-ci désigné 28, dans son ensemble, diffère de l'appareil 21 de la figure 2, en ceci qu'il comprend, en outre, un organe de poussée 29, tel, par exemple qu'une came pouvant être actionnée à l'extérieur de L'appareil par un bouton tournant 30. La came 29 permet de venir appuyer sur une extrémité 31 de la plaque 7 en dégageant alors cette plaque de son articulation 22. Dans une telle situation, la force d'actionnement du ressort 8 agissant sur le levier constitué par la plaque 7 et s'articulant en 31 vient fermer le clapet 3 par application de la garniture 9 sur le siège 10, et ce quelle que soit la pression P régnant dans la chambre 4. Dans une telle configuration d'utilisation, te détendeur 28 se transforme en robinet de fermeture à action automatique élastique d'application par le ressort 8. De la description qui précède, on doit conclure que le détendeur perfectionné de l'invention présente de nombreuses caractéristiques avantageuses de fonctionnement, lesquelles ont été obtenues sans complication notable de l'appareiL. L'appareil multifonctions proposé permet, en fait, un gain d'environ 50 x du nombre de pièces que nécéssiterait l'utilisation des techniques de construction classique pour obtenir un appareil de fonctionnement équivalent. Dans la réalisation de robinet-détendeur de la figure 4 on note que la pièce 29 est située du côté opposé de la région d'application du ressort 8 par rapport au clapet 9, de façon à obtenir une action efficace de fermeture par application d'un levier du deuxième genre. Outre les explications qui précèdent on notera que la disposition en bascule du plateau 7 de la membrane apporte les avantages suivants - les variations de flèche du ressort 8 sont limitées par rapport à un système conventionnel, ce qui permet de faire travailler le ressort dans sa meilleure plage élastique ; - le travail en léger flambage du ressort permet une certaine autocorrection des variations de sa flexibilité. REVENDICATIONS 1. - Appareil détendeur à membrane du type comportant une arrivée de gaz sous la pression à détendre, un clapet actionné par les mouvements de déplacement de la membrane, ledit clapet découvrant ou fermant ladite arrivée de gaz, une chambre à pression réduite communiquant avec une conduite d'utilisation et sur laquelle s'ouvre ledit clapet, ladite chambre étant fermée, d'un côté par la membrane qui est sensiblement équilibrée sur son autre face par un ressort, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'en vue d'obtenir une meilleure régulation du débit d'utilisation sous une pression dont les variations sont atténuées, ladite membrane (6) est divisée dans ladite chambre (4)en deux surfaces (S, s) de valeurs inégales, et la membrane s'articule entre lesdites deux surfaces de telle sorte que l'action de la pression P du gaz détendu agit sur la plus grande surface (S)en opposition avec le ressort (8)et sur la surface réduite(s)dans le même sens que le ressort. 2. - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, comme connu en soi, une plaque (7)sur laquelle s'appuie d'un côté la membrane(6) et de l'autre côté ledit ressort (8) et ladite plaque (7) repose sur un pivot d'articulation (22, 22'), disposé entre lesdites deux surfaces (S, s). 3. - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit pivot (22) est situé du côté opposé à ladite chambre (4L 4. - Appareil selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que ledit pivot (22') est formé par deux portées (23, 24), venant enserrer ladite plaque (7)et ladite membrane (6)de part et d'autre d'elles. 5. - Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'intérieur de ladite chambre (4; sous ladite grande surface (S) est formée une chambre (26) de pilotage dynamique étanche communiquant avec ladite chambre (4)à pression réduite au moyen d'un orifice ou passage (27) de section réduite. 6. - Appareil selon l'une des revendicati-ons 2 à 5. caractérisé en ce qu'il comprend un organe de poussée (29, 30), susceptible d'agir sur ladite plaque(7) en un point (31) situé au niveau de Ladite surface réduite (s), ledit point (31) et la région d'application du ressort (8) étant situés de part et d'autre dudit claplet (3).