Brevet FR2589549A1 — publié le 19870507

Soupape réductrice. La présente invention concerne une soupape réductrice ou une soupape autorégulatrice, dans laquelle la pression du côté primaire est ramenée à une pression prédéterminée du côté secondaire en modifiant l'ouverture d'une tête de soupa- pe par l'utilisation de l'énergie du fluide lui-même lors- qu'il passe à travers la soupape. Il existe deux types de soupapes réductrices: un type à action directe dans lequel la partie de l'ensemble de valve qui détecte la pression secondaire devient elle-même une section de commande qui actionne directement une tête de soupape, et un type à commande par pilote dans lequel, en utilisant comme section pilote un type de soupape réductrice à action directe, la soupape principale est actionnée par la régulation de la pression dans une section de commande de la tête de la soupape principale. La présente invention concerne la réalisation d'une section de raccordement entre la soupape et la section de commande et s'applique à la fois au type de soupape réductrice à action directe et à la soupa- pe réductrice à commande par pilote. La présente invention concerne des améliorations dans les caractéristiques de décalage et les caractéristiques de débit nominal de la soupape réductrice. Dans HASS - 106-1978 (Heating Air-Conditioning and Sanitary Standard), ces termes et les termes associés sont définis comme suit: Débit minimal réglable: débit minimal à travers la soupape réductrice pour lequel on peut maintenir un état constant de débit. Pression fixée: la pression du côté secondaire pour le débit minimal réglable. Décalage: la différence de pression entre la pression fixée (sur le côté secondaire) et la pression sur le côté secondaire qui varie lorsque le débit augmente progressivement depuis le débit minimal réglable jusqu'au débit nominal de la sou- pape réductrice, la pression sur le côté primaire étant main- tenue constante. Débit nominal: le débit maximal qui peut être assuré pour un décalage spécifique lorsque la pression sur le côté pri- maire est maintenue constante. Au sens précédent, la présente invention procure une excellen- te soupape réductrice avec un faible décalage et un débit nominal élevé. Selon l'invention, le point de départ est une soupape réduc- trice pilotée, comme le montre la figure 9 du dessin joint. Sur ces dessins, on voit une soupape réductrice ayant une section de soupape réductrice 101, une section de sépara- teur de vapeur 102 et une section de soupape de vidange 103. Une ouverture d'entrée 112, une soupape 114 et une ouverture de sortie 116 sont formées dans un carter de soupape 110. L'ouverture d'entrée est raccordée à une source de fluide à haute pression sur le côté primaireet l'ouverture de sortie est raccordée à une plage à basse pression sur le côté secon- daire. L'ouverture de soupape est formée par un siège de soupape. Sur le côté d'entrée de l'ouverture de soupape 114, une tête de soupape principale 118 est appliquée élastique- ment par un ressort hélicoïdal contre un siège de soupape formé à l'extrémité de ce côté d'entrée. Un piston 120 est monté de façon à pouvoir se déplacer dans les deux sens à l'intérieur d'un cylindre 122 pour maintenir une tige de piston 1 en contact avec une queue de soupape formée sur la tête de soupape principale 118 et s'étendant à travers l'ouverture de soupape 114. Des segments de piston 12 et 13 sont étroitement logés dans des gorges formées dans la paroi périphérique du piston 120 et un orifice 11 est formé dans la paroi inférieure 2 du piston 120. Une soupape pilote 126 est disposée dans un passage de pression primaire 124 qui raccorde l'ouverture d'entrée 112 à l'espace situé au-dessus du piston 120, c'est-à-dire à une chambre de piston. Un diaphragme 128 est installé avec sa périphérie extérieure maintenue entre des collerettes 130 et 132. Un espace situé en dessous du diaphragme 128 est raccordé à l'ouverture de sortie 116 par un passage de pression secondaire 134. L'extrémité de la queue de soupape 136 de la soupape pilote 126 est en contact avec le centre de la surface inférieure du diaphragme 128. Un ressort hélicoïdal, destiné à régler la pression, est en contact, par l'intermédiaire d'un siège de ressort 138, avec la surface supérieure du diaphragme 128. Une vis de réglage 144 est vissée dans le carter de soupape 110. Lorsqu'on tourne la vis de réglage 144 dans le sens des aiguil- les d'une montre ou dans le sens inverse, on modifie la force avec laquelle le ressort de réglage de la pression 140 pousse le diaphragme 128 vers le bas. En utilisant cette force élas- tique du ressort de fixation de la pression 140 comme valeur de référence, le diaphragme 128 se déforme en fonction de la pression secondaire agissant sur sa surface inférieure de façon à déplacer la queue de soupape 136 de la soupape pilote 126, ouvrant et fermant ainsi la soupape 126. Il en résulte que la pression de fluide sur le côté primaire passe dans la chambre de piston pour agir sur le piston 120, dépla- çant ainsi la soupape principale 118 et permettant au fluide de circuler depuis l'ouverture d'entrée 112 à tra- vers l'ouverture de soupape 114 jusqu'à l'ouverture de sortie 116. L'ouverture de soupape 114 s'ouvre automatiquement lors- que la pression du fluide sur le côté secondaire diminue et se ferme lorsque la pression de fluide augmente. Un élément de paroi cylindrique 146 est installé en dessous de l'ouverture de soupape 114, il divise le corps de soupape et définit un espace annulaire 148 entre lui et le carter de soupape 110. Sa partie supérieure communique par l'inter- médiaire d'un tamis conique 150 avec l'ouverture d'entrée 112, et sa partie inférieure communique avec la partie supé- rieure d'une chambrede soupiape de vidange 152. La partie supé- rieure de la chambre 152 communique avec l'ouverture de soupa- pe 114 par l'intermédiaire de l'ouverture centrale de l'élé- ment de paroi 146. Une aube de tourbillonnement 154, consti- tuée par une paroi inclinée, est disposée dans l'espace annu- laire 148. L'aube de tourbillonnement 154 dévie le courant de fluide provenant-de l'ouverture d'entrée 112, qui passe à travers l'ouverture de soupape 114, lorsque ce courant traverse l'es- pace annulaire 148. Le fluide est ainsi projeté vers l'exté- rieur contre la paroi intérieure du carter de soupape envi- ronnant et circule vers le bas par l'intérieur de la chambre de soupape de vidange 152, tandis que le gaz plus léger tour- billonne vers le haut dans la partie centrale, et, par l'ou- verture centrale de l'élément de paroi 146 et à travers l'ou- verture de soupape 114, va jusqu'à l'ouverture de sortie 116. Une ouverture de soupape de vidange 158 est formée dans le fond de la chambre de soupape de vidange 152 et communique avec une ouverture de vidange 156. Un flotteur de soupape sphérique 160 est logé dans un couvercle de flotteur 164 et peut s'y déplacer. Le couvercle de flotteur 164 comporte des trous d'aération 162 dans sa partie supérieure. Compte tenu de cette réalisation, le flotteur de soupape 160 se déplace vers le haut et vers le bas en fonction du niveau de l'eau dans la chambre de soupape de vidange 152, ouvrant et fermant ainsi l'ouverture 158 de la soupape de vidange pour évacuer automatiquement l'eau qui s'accumule dans la chambre de soupape de vidange 152. On va maintenant expliquer plus en détail le problème fonda- mental à la base de la présente invention. Les caractéristiques de débit de la soupape réductrice décri- te ci-dessus font apparaître un décalage (au sens défini ci-dessus) relativement important et un débit nominal relati- vement faible, de sorte que ses caractéristiques ne diffèrent pas beaucoup de celles des soupapes réductrices antérieures. Du point de vue de la structure, la limitation des caractéris- tiques de débit est probablement due au fait que, lorsque le piston effectue une course vers le bas pour pousser la tête de la soupape principale, cette dernière, qui reçoit le fluide sortant par l'ouverture de soupape, est repoussée vers le haut et en même temps commence à vibrer. En conséquence, pour améliorer les caractéristiques de débit, il est nécessaire d'améliorer la structure d'une section de raccordement qui raccorde le piston, ou la section de commande, à la tête de soupape. Selon la présente invention, le problème précédent est résolu en reliant la paroi mobile de la section de commande à la tige de commande qui transmet le déplacement de la paroi mobile, au moyen d'une paroi qui a une surface pratiquement hémisphérique convexe vers l'extérieur dans la direction radiale de la tige de commande, ou au moyen d'une multipli- cité de courbes, telles que des surfaces incurvées. Dans une soupape réductrice à action directe, la paroi mobile est constituée par un diaphragme proprement dit et, dans une soupape réductrice pilotée, par une paroi terminale in- férieure. La forme la plus souhaitable de la section de raccordement entre la paroi mobile et la tige de commande est hémisphéri- que; il est toutefois également possible d'utiliser une surfa- ce sphérique légèrement plus grande ou plus petite qu'une demi-sphère, ou une surface hémisphérique se prolongeant vers l'arrière par un cylindre. L'effet fonctionnel que l'on décrira plus en détail ci-après peut également être obtenu avec une surface courbe, s'épa- nouissant vers l'extérieur depuis une surface conique, par exemple une surface avec un profil elliptique. En conséquence, le terme "surface pratiquement hémisphérique" désigne, tel qu'il est utilisé ici, de telles surfaces courbes. Chaque surface courbe constituant la surface de paroi raccor- dant la paroi mobile à la tige de commande peut être une surface courbe formée en coudant une surface plate en un coude dans une direction ou une surface sphérique ou ellipti- quement courbe. A la jonction entre les surfaces courbes constituant la surface de paroi, il est formé une arête, qui peut être laissée telle quelle ou usinée pour former une surface en forme de R. L'effet des mesures décrites ci-dessus est le suivant: Le fluide se projetant hors de l'ouverture de soupape va directement jusqu'à la paroi mobile de la section de commande. Sur son passage, le fluide vient heurter la surface courbe de raccordement et s'écoule alors vers le bas le long de cette surface. Dans la partie inférieure de la surface courbe de raccordement, la vitesse du fluide augmente et la pression statique est faible. Entre temps, dans la partie supérieure, la vitesse du fluide est faible et la pression statique est élevée. En conséquence, la paroi mobile et la tige de commande sont attirées vers le bas, à savoir vers le côté ouverture de soupape. En d'autres termes, la force de la pression exercée par le jet de fluide sortant de l'ouverture de la soupape n'est pas directement encaissée par la surface de la paroi mais elle est légèrement amortie et partiellement absorbée du fait de la formation de la différence de pression statique citée ci- dessus, d'o il résulte que la tête de soupape est déplacée dans une certaine mesure vers l'ouverture de soupape, ce qui sépare la tête de soupape du siège de soupape et procu- re une plus grande ouverture de l'ouverture de soupape. La surface courbe de raccordement se centre d'elle-même par rapport au jet de fluide sortant de l'ouverture de soupape. En fait, lorsque la surface de raccordement courbe se trouve sur l'axe central du jet de fluide, le fluide s'écoule à la même vitesse tout autour de sa périphérie. Si le courant est dévié latéralement, la vitesse de l'écoulement sur la périphérie devient non uniforme et il en résulte que la pres- sion statique est distribuée de telle sorte que la surface de raccordement courbe est repoussée vers l'axe central. En conséquence, la paroi mobile de la section de commande et la tige de commande peuvent se déplacer sans à-coups le long de l'axe central du jet sans vibrer,ni s'incliner, et en outre avec une faible variation de la pression secondaire et un faible décalage. En ce qui concerne les avantages particuliers obtenus par la présente invention, on peut observer ce qui suit: Comme la paroi mobile de la section de commande et la tige de commande sont déplacées uniformément et d'une distance importante en direction du côté de l'ouverture de soupape, le résultat des mesures selon l'invention est un faible déca- lage et un débit nominal élevé. Comme la paroi mobile de la section de commande et la tige de commande ne sont pratiquement pas soumises à des effets vibratoires ou à des forces dirigées en diagonale, la pres- sion sur le côté secondaire ne varie que très peu. En outre, les portions coulissantes du piston et du cylindre et de la tête de soupape et du siège ne sont que peu soumises à usure, de sorte que le bon fonctionnement initialement obtenu peut être conservé fort longtemps. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip- tion détaillée, donnée ci-après à titre d'exemple seulement, de plusieurs réalisations préférées de soupapes réductrices selon l'invention, en liaison avec le dessin joint, sur le- quel - la figure 1 est une vue en coupe partielle d'une soupape réductrice selon une première réalisation de la présente invention; - les figures 2, 3 et 4 sont des vues en coupe partielle d'autres réalisations selon la présente invention; - la figure 5 est une vue de dessous du piston représenté sur la figure 4; - la figure 6 est une vue latérale en oblique du piston repré- senté sur la figure 5, prise perpendiculairement à la ligne III-III de la figure 5; - les figures 7 et 8 sont des vues de dessous similaires à la figure 5, et montrant le piston d'une autre réalisation; et - la figure 9 est une vue en coupe partielle d'une soupape réductrice antérieure. Sur le dessin, le repère 1 désigne une tige de piston et 2 désigne une paroi inférieure; 10 et 30 désignent des sur- faces sphériques, 20 désigne une surface de trois quarts d'une srilère; les repères 45, 75 et 85 désignent des parois de raccordement ayant une surface courbe, les repères 47, 77 et 87 désignent des surfaces courbes; 101 désigne une section de soupape réductrice; 102 désigne une section de séparateur de vapeur; 103 désigne une section de soupape de vidange de la structure de soupape réductrice; 120 désigne un piston; et 126 désigne une soupape pilote. On va maintenant décrire une première réalisation en se repor- tant à la figure 1 et à la figure 9. Cette réalisation concer- ne une surface de raccordement hémisphérique selon la présen- te invention entre la paroi mobile et la tige de commande. La figure 1 montre un piston 120 constituant la paroi mobile de la section de commande et la tige de commande de la sou- pape réductrice du type représenté sur la figure 9. Les par- ties identiques seront désignées par les mêmes repères que sur la figure 9. Le piston 120 est logé dans le cylindre avec des segments 12 et 13 logés dans des gorges 14 et 15 formées dans la paroi périphérique extérieure 17 de la section cylindrique supérieu- re du piston. Le fond 2 du piston a une surface intérieure plane et est percé d'un orifice 11. La tige de piston 1 est formée en tant que cylindre circulaire droit dont l'extrémité inférieure est en contact avec l'extrémité supérieure de la queue de soupape 115 de la tête de soupape principale. La surface inférieure du fond 2 du piston 120, qui constitue la paroi mobile de la section de commande, et la tige de piston 1, qui constitue la tige de commande, sont raccordées par la surface hémisphérique 10. Cette surface hémisphérique est raccordée à la surface inférieure du fond 2 et à la tige de piston 1 par l'intermédiaire d'une surface en forme de R, ayant un rayon extrêmement petit ou par l'intermédiaire d'une surface en forme de R non usinée. A titre d'exemple, les dimensions suivantes sont spécifiées pour les parties concernées: Le diamètre extérieur du piston 120 est 47 mm; le diamètre extérieur de la tige de piston 1, 7 mm; le diamètre intérieur de l'ouverture de soupape 114 est 20 mm; sa largeur 16 mm; la distance de la surface inférieure du fond 2 à la face de la tête de soupape 118, lorsque la tige de piston 1 est en contact avec la queue de soupape 115, est 50 mm; et le rayon de la surface de raccordement sphérique 10 est 14 mm. On va maintenant décrire une deuxième réalisation en se repor- tant à la figure 2 et à la figure 9. Cette réalisation concer- ne une surface de raccordement entre la paroi mobile et une tige de commande qui est formée par les trois quarts d'une surface sphérique. Comme la figure 9, la figure 2 montre comment le piston 120 forme la paroi mobile de la section de commande de la tige de commande de la soupape réductrice. Ici également, des repères identiques sont utilisés pour désigner des parties correspondantes de la structure. Un piston 120 est logé dans le cylindre et des segments de piston 12 et 13 sont étroitement logés dans des gorges 14 et 15 formées dans la paroi périphérique extérieure de la portion cylindrique supérieure du piston. Le fond 2 du piston a une surface inférieure plane et est percé d'un orifice 11. La tige de piston est un cylindre circulaire droit, dont l'extrémité inférieure est en contact avec l'extrémité supé- rieure de la queue 115 de la tête de la soupape principale. La surface inférieure du fond 2 du piston 120, qui constitue la paroi mobile de la section de commande, et la tige de piston 1, qui constitue la tige de commande, sont raccordées par la surface 20 constituée par les trois quarts d'une sphère. Cette surface sphérique 20 et la surface inférieure du fond 2 sont raccordées par une surface en forme de R pour permet- tre une déviation régulière du fluide. La surface 20 et la tige de piston 1 sont raccordées par une surface en forme de R ayant un rayon extrêmement faible, ou par une surface en forme de R non usinée. On va maintenant décrire une troisième réalisation en se reportant particulièrement à la- figure 3, en liaison avec la figure 9. Dans cette réalisation, la surface de raccordement entre la paroi mobile et la tige de commande est formée par une surface hémisphérique se prolongeant à l'arrière sous la forme d'une surface cylindrique. Comme la figure 9, la figure 3 montre le piston 120 qui constitue la paroi mobile de la section de commande et la tige de commande de la soupape réductrice. Les parties correspondantes de la structure sont désignées par les mêmes repères. Un piston 120 est monté dans le cylindre et des segments de piston 12 et 13 sont logés dans des gorges 14 et 15 formées dans la paroi pé'riphérique extérieure 17 de la section cylin- drique supérieure du piston. Le fond 2 a une surface infé- rieure plane et est percé d'un orifice 11. La tige de piston 1 est un cylindre circulaire droit dont l'extrémité inférieu- re est en contact avec l'extrémité supérieure de la queue de la tête de la soupape principale. La surface inférieure du fond 2 du piston 120, qui constitue la paroi mobile de la section de commande de la soupape réduc- trice, et la tige de piston 1, qui constitue la tige de com- mande de cette structure, sont raccordées par la surface hémisphérique 30 ayant à l'arrière un prolongement sous la forme d'une surface cylindrique 39. La surface cylindrique 39 est raccordée à la surface intérieure du fond 2 et la surface hémisphérique 30 est raccordée à la tige de piston 1, par l'intermédiaire d'une surface en forme de R ayant unzay.on extrêmement petit ou par une surface en forme de R non usinée. On va maintenant décrire une quatrième réalisation en se reportant aux figures 4 à 6 en liaison avec la figure 9. Dans cette réalisation, la surface de raccordement entre la paroi mobile et la tige de commande est formée par six surfaces courbes. Les figures 4 à 6 montrent le piston 120 constituant la paroi mobile de la section de commande de la soupape réductrice et la tige de commande de cette même soupape, comme sur la figure 9. Les parties correspondantes sont à nouveau désignées par les mêmes repères. Un piston 120 est monté dans le cylindre et les segments de piston 12 et 13 sont logés dans des gorges 14 et 15 for- mées dans la paroi périphérique extérieure 17 de la section cylindrique supérieure. Le fond 2 a une surface inférieure plane et est percé d'un orifice 11. La tige de piston 1 est un cylindre circulaire droit et son extrémité inférieure est en contact avec l'extrémité supérieure de la queue 115 de la tête de la soupape principale. La tige de piston est habituellement un cylindre circulaire droit, mais peut être une tige prismatique, telle qu'un prisme hexagonal. La surface inférieure du fond 2 du piston 120, qui constitue la paroi mobile de la section de commande de la soupape réduc- trice, et la tige de piston 1, qui constitue la tige de com- mance, sont raccordées par une paroi de raccordement 45 de forme incurvée. La surface de raccordement courbe 45 est constituée par six surfaces courbes 47 s'étendant vers l'extérieur dans la direc- tion diamétrale de la tige de piston 1, et des arêtes 49 sont formées à la jonction de leurs sections. Les surfaces courbes 47 ont toutes la même forme et sont disposées autour du piston 1, avec chaque deux surfaces en vis-à-vis l'une de l'autre. On va maintenant décrire une cinquième réalisation en se reportant à la figure 7. Dans cette réalisation, la paroi de raccordement entre la paroi mobile et la tige de commande est formée par quatre surfaces courbes. La figure 7 est la vue de dessous d'un piston semblable à celui représenté sur la figure 5. Le fond 2 a une surface inférieure plane et est percé d'un orifice 11. La tige de piston 1, qui constitue la tige de commande, est formée comme une colonne circulaire, dont l'ex- trémité inférieure est en contact avec l'extrémité supérieure de la queue 115 de la tête de la soupape principale. La tige de piston 1 est habituellement une colonne circulaire, mais ce peut être une colonne prismatique, ayant par exemple en section transversale une forme carrée. La surface inférieure du fond 2 du piston 120, qui constitue S15 la paroi mobile de la section de commande de la soupape réduc- trice, et la tige de piston 1, qui constitue la tige de comman- de, sont raccordées par la paroi de raccordement 75 de forme incurvée, La paroi de raccordement 75 est constituée par quatre surfa- ces courbes 77, s'étendant vers l'extérieur dans la direction diamétrale de la tige de piston 1. Des arêtes 79 sont formées à la jonction des sections. Toutes les surfaces courbes 77 ont la même forme et sont disposées autour de la tige de piston 1 avec chaque deux surfaces en visà-vis l'une de l'autre. On va maintenant décrire une sixième réalisation en se repor- tant à la figure 8. Dans cette réalisation, la paroi de raccordement courbe entre la paroi mobile et la tige de commande est formée par trois surfaces courbes. La figure 8 est une vue de dessous d'un piston similairez à celui représenté sur la figure 5. La surface inférieure du fond 2 du piston 120 est plane et est percée d'un orifice 11. La tige de piston 1, qui constitue la tige de commande, est une colonne circulaire dont l'extrémité inférieure est en contact avec l'extrémité supérieure de la queue 115 de la tête de soupape principale. La tige de piston 1 a habituel- lement une section transversale circulaire, mais en variante elle peut avoir une section transversale anguleuse, par exem- ple triangulaire. La surface inférieure du fond 2 du piston 120, qui constitue la paroi mobile de la section de commande de la soupape réduc- trice et la tige de piston 1, qui constitue la tige de comman- de sont raccordées par une paroi de raccordement 85 de forme incurvée. La paroi de raccordement courbe 85 est constituée par trois surfaces courbes 87, qui s'étendent vers l'extérieur dans la direction diamétrale par rapport à la tige de piston 1, des arêtes 89 étant formées à la jonction des sections. Tou- tes les surfaces courbes 87 ont une forme identique et sont disposées autour de la tige de piston 1, avec chaque surface courbe en vis-à-vis d'une arête. Revendications, 1. Structure de soupape réductrice comprenant une ouverture d'entrée (112) et une ouverture de sortie (116) avec une ouverture de soupape (114) formée dans un siège de soupape, contre l'extrémité d'entrée duquel une tête (118) de soupape, située en avant d'une queue de soupape (115) s'étendant dans l'ouverture de soupape (114), peut être élastiquement appli- quée, tandis qu'un élément de commande de la structure de soupape, comportant une paroi mobile, agit sur cette tête dans la direction opposée par l'intermédiaire de la queue au moyen d'une tige de commande fonctionnellement associée à elle, caractérisée en ce que la paroi mobile (17) de la section de commande et la tige mobile (1) qui transmet le déplacement de la paroi de commande à la tête de soupape sont raccordées par une paroiqui est, tout au moins pour la plus grande partie, une surface courbe. 2. Structure de soupape réductrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface courbe est au moins pratiquement hémisphérique (10). 3. Structure de soupape réductrice selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que la surface courbe est constituée par une portion hémisphérique (30) et une portion cylindrique (39) se raccordant à la première sous forme d'un prolongement. 4. Structure de soupape réductrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface courbe est constituée par une portion hémisphérique et par une portion conique se raccordant à la première sous forme d'un prolongement. 5.Structure de soupape réductrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface courbe (45, 75, 85) est constituée par une multipli- cité de surfaces courbes partielles (47, 77, 87) de dimensions pratiquement identiques et disposées circonférentiellement autour de la tige de commande. 6. Structure de soupape réductrice selon la revendication 5, caractérisée par des arêtes (49, 79, 89) le long des bords de jonction des surfaces partielles successives.