Brevet FR2600141A1 — publié le 19871218

La présente invention concerne un type de soupape hnute pression pour lesquelles la pression d'ouverture du clapet est en partie compensé par l'action mécanique d'un ressort. Sur les soupapes de conception traditionnelle, l'ouverture des clapets se produit pour une pression du fluide a transvaser supérieure a la préssion du fluide refoulé. Pour une soupape de refoulement, l'équilibre du clapet a l'ouverture s'établi pour une Préssion d'Ouverture a l'Echappement (POE) supérieure a la Préssion de Refoulement (PR) tel que: S2 POE = PR x 5Sl (voir croquis sur la figure 1 ) De même pour une soupape d'aspiration, l'équilibre a l'ouverture du clapet se produit pour une Préssion d'Ouverture a l'Admission (POA) inférieure a la Préasion d'Aspiration (PA) tel que: POA = PA x S2 (voir croquis sur la figure 2 ) C'est la surface de contact du clapet sur son siège qui induit cette disparité de préssions.Cette Surface de Contact (SC), ne pouvant être réduite au dessous d'un seuil défini par un critère de résistance des matériaux. ( SC = S2 - S1 ) Pour une soupape de refoulement: Re # PR.S2 - POA.S1 S S2 - S1 Rp: résistance pratique du métal Re: limite élastique S: coéfficient de sécurité Pour une soupape d'aspiration: Rp = Re # > POE.S2 - PA.Sl - SI Ces écarts de préssions d'ouvertures des clapets par rapport aux préssions d'aspiration et de refoulement détériorent les soupapes, et perturbe considérablement le cycle de fonctionnement des pompes ou compréaseurs. Après l'ouverture, cette différence de préssions tend a s'estomper. Puis une fois le fluide expulsé le mobile se referme sur son siège.L'équilibre a la fermeture du clapet s'établi alors pour une perte de charge dans la soupape qui, associé a l'action du ressort de rappel compense les actions de préssions sur la face arrière du clapet. Une surface de contact importante entraine nécéssairement une perte de charge conséquente dans la soupape. Un retard a la fermeture du clapet en résulte et conduit a une perte du volume d'aspiration. (voir figures 3, 4, et 5 ) Légende : PFE Préssion de Fermeture a l'Echapement PFA Préssion de Fermeture a l'Admlssion (vTA) Volume Theorique Aspiré (VRA) Volume Réel Aspiré (VRC) Volume Réel Comprimé ( pour une préssion PA ) Sur la figure 5 le tracé en ligne contiue représente un cycle réel, tandis que le tracé en pointillé représente un cycle théorique. tin processus de dégradation des soupapes résulte de ces perturtions sur le cycle. La surpréssion appliquée avant l'ouverture sur la surface Si s'applique rapidement a la surface Sa, (fiv 3) et provoque un violent déséquilibre du clapet. Ce déséquilibre important projète violemment l'obturateur sur sa face arrière Sfi et celle ci sten trouve rapidement dégradée. Cette surface est de ce fait nécéssairement conséquente pour supporter le choc. La fermeture du clapet se produit dés la suppréssion de l'action de contact sur la face SS,sous l'effet de l'importance du déséquilibre de présaien le clapet se referme violemment sur soit siège.Cette suite de choc initérrompue dégrade les surfaces de contact des soupape s. Le dispositif selon l'invention permet de remédier a ces inconvénients. Ce type de soupapes est compos d'un boitier en plusieurs parties dont chacune peut être munie de frettages en fonction de la préssion du fluide a véhiculé. A l'intérieur se trouve un mobile, le clapet, pouvant se déplacé selon les préssions du fluide exercées sur celui-ci. Pour une soupape d'aspiration le déplacement a l'ouverture du clapet se fait avec lteffort de préssion du fluide a admettre dans le cylindre, auquel s'ajoute l'action d'une rondelle ressort. Cette action exercé par le ressort est destiné a compensér le surcroit de préssion nécéssaire pour une soupape de type. classique.Pour une soupape de refoulement, selon le même principe, le déplacement a l'ouverture du clapet se fait cette fois par addition des forces de préssion du fluide a transvaser a l'action de la rondelle ressort. Un premier déplacement du clapet résulte de cette combinaison de forces, noté Levée Primaire (LP). Le fluide ayant pénétré entre le clapet et son siège, agit ensuite sur la surface S3. L'ouverture complette se produit pour une levée secondaire (LS) a la Préssion d'Ouverture a l'Echap- pement Secondaire (POES) pour une soupape de refoulement, a Préssion d'Ouverture a lrAdmission Secondaire (POAS) pou- une soupape d 'aspiration Les préssions POES et POAS-sont déterminé comme suit POES = PR x S3 et POAS = PA x S3 voir figures 6 et 8 53 54 La surface de contact S4 - S3 devant supporter seulement l'action du ressort est réduite. Rp = Re # FRR Rp = Re # FRA S S4 - S3 Rp - S # S4 - S3 ( FRR = Force du Ressort de Refoulement, FRA = Force du ressort d'Aspiration) ) Avec une différence de diamètre minimum fixé entre S3 et S4 pour éviter les problèmes d'une surface trop faible, imprécision de guidage, usure, etc ... La rondelle ressort est déterminé pour exercer une force dans le fluide préssurisé telle que - Pour une soupape d'échappement, la préssion d'ouverture pour obtenir la levée primaire (POEP) soit équivalente a la préssion: + PR d'ou PR. S1 + FRR = PR ( S2 + s4 - s3 ) FRR = PR ( S2 - S1 + S4 - S3 ) + POES d'ou POES.S1 + FRR = PR ( S2 + S4 - S3 FRR = PR ( S2 + S4 - 53 ) - POES.Sl - Pour une soupape d'aspiration, selon le meme principe, la préssion pour obtenir la levée primaire (POAP) soit équivalente a la préssion + PA d'ou PA.S1 + FRA = PA ( 52 + S4 - s3 FRA = PA ( S2 - 51 + s4 - s3 ) + POAS d'ou PA.S1 + FRA = POAS ( 52 + S4 - S3 ) FRA = POAS ( S2 + S4 - S3 ) - Pu.S1 ( voir figures 7 et 9 ) Pour éviter un retard a la fermeture des clapet trop important deux solutions sont envisagés. 10 La surface de contact arrière est réduite par la forme géométrique des faces en présence. Notamment, le contact tore sur plan qui limite cette surface par déformation élastique des matériaux. L'étude détaillé peut être faite selon la méthode de Bousinecq Voir figure 10 20 L'action d'une rondelle ressort peut aussi entre envisagé dans ce cas. elle-ci sert amortir le choc causé par le déséquilibre de préssion a l'ouverture. Puis le clapet repose sur une surface réduite au contact de la rondelle plate. Voir figure il ( R = rayon du tore, LC = levée complète du clapet LC = LP + V Description de la fermeture des clapets. Pour une soupape de refoulement, lors de la fermeture secondaire LS le clapet vient au contact du disque d'arrêt. Ce déplacement se produit lorsque la chute de préssion entre PR. et PIFES ( lire Préssion de Fermeture a l'Echappement Secondaire et voir figure 12 ) est telle que celle-ci associée a l'action du ressort de rappel, peut vaincre l'effort de préssion exercé sur la face arrière du clapet. Cette fermeture empèche le retour du fluide vers le cylindre. Et la préssion qui y règne décroit par le retrait du piston. La fermeture primaire se produit lorsque cette préssion atteint la préssion PFEP. ( lire: Préssion a la Fermeture a l'Echappement Primaire, et voir figure 6 sur laquelle on lis PFEP a la place de POES ) Dés le début de la fermeture la préssion de refoulement PR s'étend a la surface S6, ce qui applique franchement le clapet sur son siège.Puis-le fluide refoulé s'infiltre par les rainures et trous prévus a cet effet pour se répandre dans la cavité ou est logé le système de compensation. Pour une soupape d'aspiration, selon le -même principe, le clapet vient au contact du disque d'arrêt lors de la fermeture secondaire ( LS). Ce déplacement se produit lorsque la chute de préssion entre PFAS et PA est telle que celle-ci associée a l'action du ressort de rappel, peut vaincre l'éffort de préssion éxercé sur la face arrière du clapet. ( PFAS = Préssion de Fer- meture a l'admission Secondaire, voir figure 12 sur laquelle on lis PA a la place de PFES, et PFAS a la place de PR ). Cette fermeture empeche le reflux du fluide vers la conduite d'admission. La préssion augmente alors dans le cylindre par la montée du piston.La fermeture primaire se produit lorsque cette prés- sion atteint la préssion PFAP. ( PFAP = Préssion de Fermeture a l'Admission Primaire, voir figure 8 sur laquelle on lis PFAP a la place de POAS ). Dés le début de la fermeture 1a pression PFAP s'étend a la surface S6, ce qui applique énergiquement le clapet sur son siège. Puis le fluide comprimé s'inflitre par lerainures et trous prévus a cet effet, pour se répandrc dans la cavité ou est logé le système de compensation. Description d'un mode de réalisation ( figure 13 ) La soupape présentée se compose d'un boitier en trois parties, (2) (6) et (10). Les anneaux (2) et (10) centrés sur le corps (6) y sont assemblés par les vis "ALLEN" (i). A l'interieur du boitier la rondelle ressort (4) exerce une action mécanique sur le clapet (3) par l'intermédiaire du du disque d'arrêt (5). Le ressort de-rappel (9) tend a maintenir le clapet (3) en position fermé, au contact du disque d'arrêt (5). Le dispositif constitué du ressort (7) et du disque dlarrêt (8) est destiné à amortir le choc du clapet sur sa face arrière pour préserver les formes géométriques du contact. a soupape est maintenue en place dans la culasse ou bloc cylindre de la pompe ou du comprésseur, guidée sur le diamètre extérieur du boitier, et serrée par la conduite d'aspiration ou de refoulement. Les rçinures et trous d'équilibrage de pressions sont façonnés uniquement sur les disques d'arrêtes pour éviter les problèmes de concentration de contraintes, amorçes de rupture, fatigues sur les rondelles ressorts. Les arrondis exécutés sur les différentes parties de la soupape ont le même but. Ce type de soupapes est particulièrement approprié pour des pompes ou comprésseurs véhiculant des fluides a hautes préssions. Elles permettent d'envisager : - un accroissement de longévité pour les soupapes par la réduction du déséquilibre imposé aux clapets. - un accroissement de longévité pour les appareils sur lesquels elles sont installées par la réduction des efforts ma:imums exercée sur les paliers, villebrequin, et segmentation. - un raissesent des coûts de fabricatons- ces pores et compresseurs du fait de la réduction dimensionelle des pièces supportant un moindre effort. - une augmentation du débit des appareils par la réduction du retard a la fermeture des clapets. - une baisse de l'énergie absorbé par l'appareil d'ou un meilleur rendement. En somme l'accroissement des performances des pompes ou comprésseurs équipés de ce type de soupapes. REVENDICATIONS 1) Soupapes caractérisées en ce qu'elles comportent un boitier en plusieurs parties éventuellement frettées (2) (6) et (10), dans lequel une action mécanique fournie par le ressort (4) et transmise par le disque d'arrêt (5) s'exerce sur le clapet (3) pour en faciliter l'ouverture, tandis que le rese;or de rappel (9) tend a maintenir celui-ci en position fermée. 2) Soupapes selon la revendication 1 caractérisées en c- que le ressort (4) agit directement sur le clapet (3) sans l'intermédiaire du disque d'arrêt (5). 3) Soupapes selon les revendications 1 ou 2 caractérisé- en ce que le ressort-(4) ou le disque d'arrêt (5) est ajourez ol évide. 4) Soupapes caractérisées en ce qu'une action mécanique fournie par le ressort t7) et transmise par le disque d'arrêt (8) s'exerce sur la face arrière du clapet (3). 5) Soupapes selon la revendication 4 caractérisées en te que le ressort (7) agit directement sur la face arrière du clapet (3) sans l'intermédiaire du disque d'arrêt (8). 6) Soupapes selon la revendication 1 2 ou 3 caractérisées en ce qu'une action mécanique fournie par le ressort (7) et transmise par le disque d'arrêt (8) s'exerce sur la face arrière du clapet (3). 7) Soupapes selon la revendication 5 caractérisées en c que le ressort (7) agit directement sur la face arrière du clapet (3) sans l'intermédiaire du disque d'arrêt (8). 8) Soupapes selon la revendication 4 5 6 ou 7 cartérisées en ce que le ressort (7) ou le disque d'arrêt (8) est aJouré ou évidé. 9) Soupapes caractérisées en ce que la surface de contact arrière du clapet (3) avec l'anneaux (10) est réduite par ler. formes géométriques des faces en contact, formes géométriquer plane et torique. 1.O, Soupapes selon l'une des revendications précédentee caractrrsées en ce que la surface de contact arrière du clapet (3) avec l'anneaux (lQ) est réduite par les formes géométrique es faces en contact, formes géométriques plane et torique.