Brevet FR2600744A1 — publié le 19871231

La présente invention concerne les robinets d'arrêt pour bouteilles d'alimentation en gaz comprimé, et plus particulièrement, un robinet commandé par un bouton-poussoir qui fournit une fonction 5 d'arrêt de fluide, une commande manuelle d'écoulement de fluide, une commande de limitation d'écoulement, et une commande de régulation de pression, le tout à l'intérieur d'un boitier de sécurité qui se fixe directement à une bouteille d'alimentation en gaz sous 10 pression. Certains robinets connus de commande de l'écoulement d'un gaz sous pression reposent sur des éléments de soupape internes qui sont commandés extérieurement par une tige de soupape rotative, ou 15 analogue, et ces tiges de soupape nécessitent des joints tournants ou coulissants pour empêcher le fluide sous pression de s'échapper autour de la tige de soupape. Ces robinets, manoeuvrés manuellement, sont largement utilisés comme robinets d'arrêt prin20 cipaux sur le haut d'une bouteille d'alimentation en fluide sous pression. Cependant, les développements récents de l'utilisation à grande échelle de gaz fortement toxiques dans l'industrie des semi-conducteurs ont incité à un examen approfondi des mé25 diocres caractéristiques de sécurité associées aux robinets d'arrêt classiques qui sont basés_sur un joint tournant, lequel est fortement sujet à défaillance et qui obligent à faire de nombreux tours à la main pour arrêter l'écoulement du gaz sous pression 30 à partir de la bouteille. De tels robinets ne sont pas. appropriés pour contrôler de manière rapide des conditions d'urgence en cas d'incendie ou de fuite de gaz toxique ou analogue. De plus, ces robinets d'arrêt sont habituellement très encombrés par des vannes de commande de limitation d'écoulement, des régulateurs de pression et analogues qui leur sont reliés et qui, en outre, empêchent une commande manuelle aisée de ces robinets classiques. De même, les con5 nexions sous pression élevée associées aux composants fixés au robinet principal sont fortement vulnérables aux fuites et ruptures dues aux chutes de la bouteille ou à l'exposition des composants à des coups violents ou à '1 arrachement des conduites de fluide qui leurs 10 sont reliées. Selon la présente invention, le robinet d'arrêt principal classique situé sur une bouteille d'alimentation en gaz sous pressipn est remplacé par un robinet perfectionné manoeuvré par un bouton-pous15 soir, qui ne comporte pas de joints pouvant laisser fuir le fluide sous pression dans l'environnement. La présente invention fournit une limitation d'écoulement et une régulation de pression à l'intérieur d'une seule unité qui présente un minimum de composants 20 exposés au-dessus de la bouteille d'alimentation. Un degré élevé d'efficacité contre les fuites de gaz est assuré par l'utilisation d'une commande magnétique des composarntts du robinet situés; à l'intérieur du corps qui rendu étanche après assemblage en utilisant des 25 techniques de soudage par faisceau d'électrons sur tous les joints et soudures. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: - Fig.1, une vue en coupe d'un mode de 30 réalisation du robinet de la présente invention; la Fig.2, une vue en coupe du robinet de la Fig.1 en fonctionnement totalement ouvert par commande manuelle - la Fig.3, une vue en coupe du robinet de la Fig.1 fonctionnant en tant que limiteur d'écoulement; - la Fig.4, une vue en coupe du robinet de la Fig.1 comportant un régulateur de pression per5 fectionné à l'intérieur du corps du robinet. En liaison maintenant avec la figure 1, on a représenté une vue interne du boitier ou corps de forme générale cylindrique 9, qui est fileté à son extrémité inférieure pour être directement vissé à 10 l'extrémité supérieure d'une bouteille d'alimentation en gaz. Un raccord de sortie standard 11 est soudé en 13 au boitier 9, par exemple, par des techniques classiques de soudage par faisceau d'électrons. Le corps 9 comporte une ouverture interne centrale 15, 15 entre une conduite d'entrée 17 et une conduite de sortie 19, et comprend une surface d'étanchéité ou siège de soupape 21 entourant le côté d'entrée de l'ouverture 15. Un élément de piston 25 est monté en coulissement à l'intérieur de la conduite d'entrée 17 20 et comporte une rondelle ou joint élastomérique 23 en un matériau approprié tel qu'un perfluoroélastomére (disponible sous la marque KALREZ chez DuPont Co.) pour former un joint étanche au fluide avec le siège de soupape 21. L'élément de piston 25 comporte des 25 rainures ou méplats sur ses surfaces extérieures généralement cylindriques, pour des raisons qui seront décrites ci-a.près, pour permettre au gaz sous pression de s'écouler au-delà de l'élément de piston 25 et par l'ouverture 15 (lorsqu'ell est ouverte) vers la con30 duite de sortie 19. Un ressort 29 et un appui de ressort 31 sont placés en dessous de l'élément de piston 25 pour pousser, de manière élastique, le joint 23 en contact étanche au fluide, normalement fermé, avec le siège de soupape 21. Bien entendu, l'appui de ressort 31 est disposé pour permettre le passage du fluide sous pression par le passage 32 ou par une forme carrée dans un alésage cylindrique ou analogue. L'étanchéité renforcée par le ressort et la pression 5 entre 21 et 23 est commandée par la tige centrale 33 qui est fixée à l'élément de piston 25 et qui fait saillie à travers l'ouverture 15 dans la conduite de sortie 19. Un élément coulissant 35, contenant un aimant 37 enfermé dedans, est monté en coulissement à 10 l'intérieur de la conduite de sortie 19 pour exercer de manière sélective une force de commande sur la tige 33 pour ouvrir le joint formé autour de l'ouverture 15. Cet élément 35 est supporté par le ressort 29 (via le piston 25 et la tige centrale 33)-, et ainsi 15 n'affecte pas l'état normalement fermé du robinet pendant que le bouton-poussoir de manoeuvre 39 comportant l'aimant 41 se trouve dans la position la plus éloignée comme représenté. On remarquera que les aimants 37 et '41 sont orientés de manière à se re20 pousser, de sorte que les poids du bouton-poussoir 39 et de l'aimant 41 sont aussi supportés par l'intermédiaire des forces de répulsion, par le ressort 29. Une plaque d'extrémité 40 peut être soudée par faisceau d'électrons au boitier 9 à l'extrémité supérieure 25- de la conduite de sortie 19 pour rendre le boitier étanche à toute possibilité de fuite. Les pièces de la présente invention peuvent être formées en des matériaux tels que l'acier inoxydable ou l'aluminium ou une matière plastique, ou analogue, pour fournir une 30 efficacité par soudure contre toute fuite, sans interférer de manière significative avec le champ magnétique de commande appliqué extérieurement par l'aimant - 41. Un appui cylindrique et un guide 43 du bouton 39 peuvent être fixés au boitier par une vis d'arrêt 45 ou tout autre moyen de fixation approprié, pour établir les trois positions de fonctionnement distinctes de bouton 39 comme représenté aux Fig.1, 2 et 3. En fonctionnement, avec le bouton 39 en position relâchée comme représenté Fig.1, le robinet demeure normalement fermé en réponse à l'étanchéité renforcée par le ressort et la pression établie entre le siège de soupape 21 et le joint 23. Pour ouvrir le 10 robinet complètement, on appuie complètement sur le bouton 39 contre la force élastique des aimants en opposition 37 et 41 comme représenté Fig.2. On exerce ainsi une force de répulsion magnétique notable sur l'aimant 41 associé à l'élément coulissant 35 qui, à 15 son tour exerce une force suffisante contre la tige 33, le piston 25 et le ressort 29 pour dépasser la force d'étanchéité renforcée par le ressort et la pression et ouvrir l'ouverture 15 pour que le fluide s'écoule au travers. Dans ce mode de fonctionnement du 20 mode de réalisation représenté, une force manuelle 42 peut être continuellement appliquée sur le bouton 39 pour le maintenir dans sa position la plus proche, comme représenté, aussi longtemps que le robinet doit demeurer ouvert. Bien entendu, la taille, le poids, le 25 flux magnétique et l'écartement relatif des aimants 37 et 41 ainsi que la force de ressort exercée par le ressort 29 peuvent être choisis de manière à établir le mode de fonctionnement ci-dessus. En liaison maintenant avec la Fig.3, le mode 30 de réalisation du robinet des Fig.1 et 2 est représenté avec le bouton 39 "verrouillé" dans une position intermédiaire, par introduction de la collerette supérieure 46 de l'appui et guide 43 au contact de l'épaulement 47 sur le bouton 39. Dans cette position du bouton 39, la force de-répulsion magnétique combinée entre les aimants 37 et 41, et le poids de l'élément 35 et du piston 25, sont suffisants pour dépasser la force de ressort opposée du ressort 29. 5 Ceci maintient le robinet ouvert avec la force magnétique plus le poids de l'élément 35 et du piston 25 choisis de manière à dépasser légèrement la force de ressort du ressort 29. Considérant maintenant les méplats ou rai10 nures 27 dans la surface du piston 25, la surface de section droite de ces passages d'écoulement de fluide est choisie de manière à établir un accroissement de force qui est fonction du débit de fluide (de masse spécifique donnée) au travers. Ainsi, un débit de 15 fluide à travers les méplats ou rainures 27 dépassant une valeur choisie, établit une force qui, combinée avec la force du ressort 29, soulève le piston 25 et amène le joint 23 en contact avec le siège de soupape 21 contre le poids de l'élément 35 et du piston 25 et 20 les forces de répulsion des aimants 37 et 41. Le robinet ainsi fermé par un écoulement de fluide en excès demeure fermé par l'étanchéité renforcée par le ressort et la pression, qui est formée sur l'ouverture 15, jusqu'à ce que le robinet s'ouvre et revienne en 25 position par abaissement complet du bouton 39 vers la position et le mode de fonctionnement représenté et décrit en liaison avec la Fig.2. Le mode de réalisation du robinet représenté Fig.1, 2 et 3 comporte une jupe ou écran descendant 30 supporté par l'élément 35 qui comprend des ouvertures latérales 52 pour permettre le passage au travers dU gaz qui s'écoule à travers l'ouverture lorsque le robinet est totalement ou partiellement ouvert. L'écran 50 a pour effet d'empêcher le développement de forces supplémentaires dûes à l'effet Bernoulli, entre l'élément 35 et la surface 54 du boîtier 9. Par effet Bernoulli, l'écoulement de fluide à vitesse élevée entre deux surfaces diminue la pression et, par là, les 5 forces relatives agissant sur les sufaces. L'écran 50 avec les ouvertures 52 permet de s'assurer que le fluide qui s'écoule à travers l'ouverture ouverte 15 ne diminuera pas les forces agissant sur l'élément 35 par rapport à la surface 54 du boîtier 9, et une cause 10 de mouvements oscillants de l'élément 35 est ainsi éliminée. En liaison maintenant avec la Fig.4, on a représenté un mode de réalisation de la présente invention qui est similaire au mode de réalisation de 15 la Fig.1 mais qui comporte les caractéristiques supplémentaires d'un régulateur de pression inclus à l'intérieur du boîtier 9, 10. Les éléments structurels similaires des Fig. 1 à 4 portent les mêmes numéros de référence dans un but de clarté et les éléments 20 supplémentaires assemblés à l'intérieur de la conduite d'entrée 17 du boitier 9 sous l'appui 31 sont placés pour fonctionner comme régulateur de pression. Un soufflet étanche 55 avec des parois latérales 57 est monté en dessous de l'appui de ressort 31 pour placer 25 sa paroi d'extrémité 59 en un endroit qui est fonction du différentiel existant entre les pressions interne et externe agissants sur le soufflet 55. La paroi d'extrémité 59 agit sur une tige centrale 61 qui est fixée un piston auxiliaire 62 et qui fait saillie à 30 travers une deuxième ouverture 63 formée à l'intérieur du sous-boitier 10 qui enferme le piston auxiliaire 62. Le piston auxiliaire 62 comporte un joint élastomérique 65, semblable au joint 23, et qui forme un joint étanche au fluide autour de l'ouverture 63, laquelle étanchéité est renforcée par la pression de fluide et par le ressort 67 qui est monté entre le piston auxiliaire 62 et l'appui de ressort 69 pour pousser en contact étanche le joint 65 autour de 5 l'ouverture 63. Ce joint étanche au fluide peut être modifié et commandé par la position de la plaque d'extrémité 59 du soufflet 55 agissant par l'intermédiaire de la tige 61. Le soufflet 55 peut être comprimé à une pression de gaz déterminée 10 représentant la valeur de la pression de gaz pour laquelle la régulation de pression doit avoir lieu. Ainsi, la pression de fluide dans la conduite 17 qui dépasse la pression du soufflet provoque l'éloignement de la plaque d'extrémité 59 de l'ouverture 63 à mesure 15 que le soufflet 55 se comprime. Ceci provoque le déplacement du piston auxiliaire 62 et du joint 65 pour venir en contact étanche avec l'ouverture 63, diminuant ainsi la pression de fluide en aval de l'ouverture et permettant au soufflet 55 de se dilater. Inversement, la pression de fluide dans la conduite 17, lorsqu'elle est inférieure à la pression du soufflet, provoque la dilatation du soufflet 55 et place la plaque d'extrémité 59 plus prés de l'ouver25 ture 63. Ceci provoque l'éloignement du piston auxiliaire 62 comportant le joint 65 hors du contact étanche autour de l'ouverture 63, permettant ainsi un écoulement de fluide au travers de ladite ouverture et une montée en pression dans l'entrée 17. La pression 30 de- fluide en aval de l'ouverture 63 est ainsi autoréglée autour de la valeur de la pression interne du soufflet en réponse au déplacement de la plaque d'extrémité 59 à mesure que le soufflet 55 se dilate et se comprime en réponse à la pression de fluide dans la conduite 17 agissant sur la surface de commande effective du soufflet 55. La plaque d'extrémité 59 comporte une jupe ou écran descendant 70 comprenant des ouvertures latérales 72 pour diminuer l'effet Bernoulli du fluide s'écoulant à travers l'ouverture 63, comme décrit antérieurement en relation avec l'écran 50, et ceci diminue les sources possibles de mouvements oscillants du piston auxiliaire 62. En conséquence, le dispositif de la présente 10 invention est un robinet d'arrêt normalement fermé, manoeuvrable par bouton-poussoir pour une bouteille d'alimentation en gaz qui fournit aussi une suppression de l'écoulement en excés et une régulation de pression dans un corps de robinet à faible section, ce 15 qui supprime le besoin de joint glissant ou rotatif. De plus, le robinet de commande de la présente invention, assure une fonction d'arrêt rapide, manuelle simplement par déverrouillage du bouton de commande pour permettre la restauration immédiate de la fer20 meture renforcée par la pression et le ressort à l'encontre de tout écoulement de fluide ultérieur hors de la bouteille d'alimentation. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande de l'écoulement d'un fluide sous pression à partir d'une bouteille d'alimentation -en fluide sous pression, le dispositif comportant - 'un boitier (9) comprenant une ouverture (15) entre une première conduite (17) et une deuxième conduite (19) pourpermettre l'écoulement d'un fluide au travers de la première conduite (17) vers la deu10 xième conduite (19), l'ouverture (15) ayant une face d'étanchéité (21) sur son côté situé à l'intérieur de la première conduite (17), et le boitier (9) comportant une partie inférieure filetée extérieurement, pour permettre une fixation étanche au fluide par vissage directement à une bouteille d'alimentation, pour former avec cette dernière un récipient étanche pour fluide sous pression, et la première. conduite (17) étant pratiquement-concentrique à la partie inférieure filetée extérieurement du boitier (9) pour former une 20 entrée de fluide en alignement axial pratiquement concentrique à l'ouverture (15); - des moyens (13,11) pour former une sortie - de fluide raccordée à la deuxième conduite (19); - un élément (25) placé-à l'intérieur de la 25 première conduite (17), adjacent à l'ouverture (15) et monté pour permettre son déplacement axial dans et hors de l'ouverture pour venir en contact avec l'ouverture (15) pour former au choix un joint étanche au fluide avec cette dernière, l'élément (25) fournis30 sant un passage de fluide de surface de section droite déterminée à partir de l'entrée de fluide vers l'ouverture pour imprimer une force de déplacement autocommandée à l'élément (25) vers la face d'étanchéité (21) de l'ouverture (15) en réponse à un écoulement de fluide à travers les passages de fluide (27) de surface de section-droite déterminée; - un moyen de manoeuvre (33) pouvant se dé5 placer à travers l'ouverture (15) pour imprimer un déplacement sélectif à l'élément (25) dans la première conduite (17) à partir de la seconde conduite (19); - des moyens de commande (35) comportant un aimant (37) monté de manière à pouvoir se déplacer 10 pratiquement axialement à l'intérieur de la deuxième conduite (19) en appui de contact avec le moyen de manoeuvre (33); - un ressort (29) monté à l'intérieur de la première conduite (17) pour fournir un support élasti15 que à l'élément (25), au moyen de manoeuvre (33) et au moyen de commande (35) et pour comprimer élastiquement les éléments en position de contact étanche au fluide, normalement fermée avec l'ouverture (15); - un aimant (41) monté à l'extérieur du boi20 tier (9) pour se déplacer en alignement axial avec l'élément (25), le moyen de manoeuvre (33) et le moyen de commande (35) entre des positions de fonctionnement proche, éloignée et intermédiaire pour agir suivant une force de répulsion' magnétique avec le moyen de 25 commande (35) pour dépasser le support élastique fourni par le ressort (29), l'aimant (41) étant dans les positions de fonctionnement proche ou intermédiaire, pour déplacer l'élément (25) hors de contact d'étanchéité avec la face d'étanchéité (21) de l'ouverture 30 (15) et permettre l'écoulement de fluide au travers; - le ressort (29) fournissant un support élastique vertical suffisant, lorsque l'élément (25) est déplacé hors du contact d'étanchéité avec la face d'étanchéité (21) de l'ouverture (15), pour être pra- tiquement égal à la force dirigée vers le bas de '1 élément (25), du moyen de manoeuvre (33) et de -l'élément de commande (35) avec l'aimant (41) agissant avec eux dans une position de fonctionnement intermédiaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la surface de section droite des passages de fluide (27) est choisie de manière à solliciter l'élément (25), le moyen de manoeuvre (33) et le moyen de commande (35) pour réaliser le contact d'étanchéité 10 auto-commandé de l'élément (25) avec l'ouverture (21) en réponse à l'écoulement en excès du fluide sous pression au travers-desdits passages par rapport à un débit déterminé du fluide sous pression. 3. Dispositif selon la revendication 1, ca15 ractérisé en ce qu'il comporte: - des moyens de régulation de pression placés en amont dans la première conduite (15) dans le sens de l'écoulement du fluide et par rapport au ressort (29), à l'élément (25) et l'ouverture (15); - les moyens de régulation de pression comportant une ouverture auxiliaire (62) placée entre la première conduite (17) et une conduite auxiliaire pour permettre l'écoulement du fluide à partir de la conduite auxiliaire vers la première conduite (17), 25 un élément auxiliaire (62,65) et un ressort auxiliaire (67) placés à l'intérieur de ladite chambre auxiliaire; - un soufflet (55) placé à l'intérieur de la première conduite (17) pour se dilater et se contrac30 ter pratiquement axialement en réponse à une pression de fluide exercée sur lui; - un moyen de manoeuvre auxiliaire (59,61) placé dans l'ouverture auxiliaire (62) pour relier le déplacement axial du soufflet (55) à l'élément auxiliaire (62,65) pour modifier sa position par rapport à l'ouverture auxiliaire (63) en réponse à une pression de fluide appliquée sur le soufflet (55); et - un ressort auxiliaire (67) qui comprime élastiquement l'élément auxiliaire (62,65) pour qu'il vienne en contact étanche avec l'ouverture auxiliaire (63). 4. Dispositif-selon la revendication 3 dans 10 lequel le soufflet (55) est comprimé intérieurement jusqu'à une dimension de dilatation telle qu'elle permet au le moyen de manoeuvre auxiliaire (59,61) de solliciter élastiquement l'élément.auxiliaire (62,65) hors d'un contact d'étanchéité avec l'ouverture auxi15 liaire (63) et contre la force élastique du ressort auxiliaire (67). 5. Dispositif pour commander l'écoulement d'un fluide sous pression à partir d'un cylindre d'alimentation en fluide sous pression, le dispositif 20 comprenant: - un boitier (9) comportant une partie cylindrique inférieure filetée pour former directement une jonction filetée avec la bouteille d'alimentation pour former un récipient étanche avec dernière; des- moyens de vanne (21,23,25,29,39) à l'intérieur du boitier (9) pour commander sélectivement l'écoulement du fluide sous pression à partir de la bouteille d'alimentation; et - des moyens de régulation (59,61.62,65,67) 30 à l'intérieur du boîtier en un endroit tel qu'il se trouve en amont des moyens de vanne pour permettre l'écoulement de fluide au travers, les moyens de régulation modifiant le débit de fluide sous pression qui les traverse en proportion inverse de la pression de fluide traversant les moyens de vanne. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un écran (50) placé pratiquement concentriquement autour -du moyen de 5 manoeuvre (33) à l'intérieur de la deuxième conduite (19) entre les moyens de commande (35) et l'ouverture (15) et dans le trajet-du fluide s'écoulant latéralement vers l'extérieur à partir de l'ouverture (15), l'écran (50) comportant une série de passages (52) 10 orientés latéralement pour canaliser le fluide pour empêcher le développement des forces de Bernoulli entre le corps entourant l'ouverture (15) et le moyen de commande (35).