Brevet FR2632379A1 — publié le 19891208

Cette invention concerne des régulateurs de contre-pression et, plus particulièrement, un régulateur de contre-pression du type à diaphragme. Dans la mesure des débits de fluides éventuel- lement corrosifs à l'intérieur de systèmes à faible volume comme ceux que l'on emploie dans les travaux de laboratoire il est courant de commander la pression du fluide en régulant une contre-pression. Ceci implique d'exposer une face d'un diaphragme à un gaz inerte sous une pression de fluide prédéterminée tandis que l'autre face du diaphragme est exposée au fluide circulant dans le système. Le diaphragme, qui est normalement constitué en caoutchouc ou autre matériau capable d'assurer une fonction d'étanchéité, ferme une sortie ce qui empêche au fluide du système de s'écouler. Lorsque la pression du fluide du système dépasse la pression prédéterminée le diaphragme est soulevé par rapport à sa position d'enga- gement d'étanchéité avec la sortie du fluide, en permet- tant au fluide de circuler à travers le système. Dans un tel agencement le diaphragme relativement souple est soumis à une déformation par les pressions de fluide rencontrées et au bout d'un certain temps il n'est plus aussi sensible aux variations de pression. En outre, sa nature compressible entraîne un effet d'hystérésis élevé, quiest spécialement indésirable dans un système de laboratoire à faible volume comptant sur une réponse rapide à des variations de pression pour exercer une commande précise sur la pression du fluide. Il serait souhaitable de disposer d'un régulateur de contre-pression qui réponde rapidement et précisément aux variations de pression d'une manière fidèle et uniforme pendant une longue période de temps, et qui ne soit pas sujet à d'indésirables effets d'hystérésis importants.Il serait également souhaitable, en particu- lier lorsqu'on l'utilise dans un système de laboratoire de faible volume, que le régulateur utilise un diaphragme dont les propriétés ne varient pas au cours d'une utili- sation prolongée et qui déplace un minimum de fluide. Le régulateur de contre-pression de cette inven- tion comprend une partie principale contenant des faces écartées orientées l'une vers l'autre qui constituent entre elles une cavité et un diaphragme maintenu en place sur sa périphérie, dans la cavité. L'une des faces comporte une première entrée de fluide par laquelle un fluide de référence sous une pression prédéterminée peut être introduit dans la cavité d'un c8té du diaphragme. L'autre face comporte une seconde entrée de fluide par laquelle le fluide du système peut être introduit dans la cavité sur l'autre face du diaphragme. L'autre face présente aussi une sortie du fluide par laquelle le fluide du système peut s'écouler A la pression désirée. Un moyen d'étanchéité est en contact avec l'autre face du diaphragme quand la pression du fluide de référence dépasse la pression du fluide du système afin de fermer la sortie du fluide en empêchant son écoulement depuis la seconde entrée du fluide. Dans une forme préférée de réalisation, le moyen d'étanchéité comprend un joint annulaire qui entoure la sortie de fluide et se prolonge vers le haut à partir de l'autre face de la cavité afin que le dessous du dia- phragme vienne en prise avec le joint annulaire jusqu'à ce que la pression du fluide du système atteigne le niveau désiré et déplace le diaphragme en l'écartant du contact avec le joint annulaire. Le diaphragme est de préférence constitué d'un métal, tel que de l'acier inoxydable, qui tolère de petits mouvements du diaphragme pour maintenir le système sous une pression de fluide constante. La face par laquelle le fluide de référence est introduit dans la cavité présente une section qui diminue vers le centre de la cavité dans une direction qui s'éloigne du diaphragme afin de laisser un certain volume pour que le diaphragme fléchisse régulièrement sur la totalité de son diamètre. Comme la surface sous pression du diaphragme est grande par rapport à la surface déséquilibrée de la sortie et comme le diaphragme est mince et se déforme facilement sous pression, les effets d'hystérésis pendant l'ouverture et la fermeture de la vanne de sortie sont réduits au minimum. Cet agencement permet au volume interne sur la- face du diaphragme, c8té système, d'être faible et aux variations de volume pendant la régulation d'être fai- bles. La cavité de section diminuant vers le centre et les petits déplacements du diaphragme permettent au régulateur de supporter d'importants déséquilibres de pression, de l'ordre de plusieurs milliers de psi sans aucun dommage. En outre, le diaphragme n'est pas soumis au "matriçage", comme le sont des diaphragmes fabriqués en Téflon et autres matériaux polymères qui ont tendance à s'affaisser ou à se déformer sous des pressions éle- vées. On remarque que certaines caractéristiques de l'invention sont décrites dans US-A 4 679 421, délivré le 14 juillet 1988 au nom de Robert D. Barree, en liaison avec un perméamètre relatif automatisé gaz-liquide. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'inven- tion sont représentées, à titre d'exemples non limita- tifs, aux dessins annexes. La fig. 1 est une vue en perspective du régulateur de contre-pression de la présente invention. La fig. 2 est une vue éclatée du régulateur de contre-pression de la fig. 1. La fig. 3 est une vue en plan de la face infé- rieure de la partie supérieure du corps du régulateur. La fig. 4 est une vue en coupe transversale agrandie prise le long de la ligne 4-4 de la fig. 3. La fig. 5 est une vue en plan de la face supé- rieure de la partie inférieure du corps du régulateur. La fig. 6 est une vue en coupe transversale agrandie prise le long de la ligne 6-6 de la fig. 5. La fig. 7 est une vue en coupe transversale agrandie passant par le centre du régulateur, représen- tant le diaphragme quand la pression du fluide de réfé- rence est supérieure à la pression du fluide du système. La fig. 8 est une vue en coupe transversale agrandie semblable à celle de la fig. 7, mais représen- tant le diaphragme quand la pression du fluide de réfé- rence est inférieure à la pression du fluide du système. En faisant référence à la fig. 1, on remarque que le régulateur 10 de contre-pression de la présente invention est constitué d'une partie supérieure cylin- drique 12 reliée à une partie inférieure cylindrique 14 de même diamètre par des moyens appropriés tels que des boulons 16. Une conduite d'arrivée de fluide 18 relie la partie supérieure 12 à un fluide de référence A, tel que de l'azote, qui se trouve sous une pression prédétermi- née. Une autre conduite d'arrivée de fluide 20 relie la partie inférieure du régulateur avec le fluide B du système, qui peut être soit un gaz soit un liquide. Une conduite de sortie de fluide 22 relie la partie infé- rieure 14 au fluide B du système. Comme représenté à la fig. 2, la face inférieure de la partie supérieure 12 présente un renfoncement 24 et la face supérieure de la partie inférieure 14 présente un renfoncement 26. Quand les parties supérieure et infé- rieure 12 et 14 sont boulonnées ensemble par le boulon 16 traversant les trous de boulons alignés 28 et 30, les 2632379' renfoncements en coïncidence 24 et 26 constituent une cavité dans la partie centrale du corps du régulateur. Un diaphragme 32 s'adapte dans la cavité d'une manière qui sera décrite plus en détail ci-dessous. Une entrée de fluide 34 est visible au centre du renfoncement 24 dans la partie supérieure 12 du corps, et une sortie de fluide 36 est visible au centre du renfoncement 26 dans la partie inférieure 14 du corps. L'orifice, auquel la conduite 20 est reliée, est indiqué en 38. La partie supérieure du régulateur est représentée plus en détail à la fig. 3, qui montre la surface infé- rieure de la partie supérieure 12 du corps, et, à la fig. 4, qui représente la partie supérieure 12 du corps en position inversée. Les trous de boulons 28, qui sont uniformément répartis sur la périphérie de la partie supérieure du corps, peuvent être alésés comme en 40 pour recevoir les têtes de boulons. La partie périphérique de la partie supérieure 12 du corps dans laquelle sont logés les trous de boulons est indiquée en 12 et reliée par un épaulement 44 à la partie centrale légèrement plus épaisse de la partie 12 du corps. Dans une direction radiale vers l'intérieur de l'épaulement 44 se trouve une rainure 46 destinée à recevoir une bague d'étanchéité, non représentée sur ces figures. En avançant d'une courte distance radialement vers l'intérieur de la rainure 46 et en continuant vers le centre de l'unité, on remarque que la face inférieure de la partie supérieure 12 est creusée ou de section allant en diminuant selon une conicité 48 pour former le renfoncement 24. L'entrée 34 relie lface inférieure de la partie supérieure 12 du corps au centre du renfoncement 24. Bien que le degré de conicité puisse varier selon la construction, on s'est aperçu que pour un diaphragme en acier inoxydable, une conicité de l'ordre de 3 laissait un espace suffisant pour que le diaphragme fléchisse convenablement sans se déformer de façon permanente et pour que la cavité puisse supporter de fortes pressions de fonctionnement. Une ouverture 50 dans la face supérieure de la partie supérieure 12 est adaptée à recevoir la conduite d'arrivée 18 représentée à la fig. 1 et se trouve connectée à l'entrée 34 par un alésage 52. A partir de l'entrée 34, de courtes rainures 54 s'étendent latéralement et ont pour fonction de répartir plus uniformément le gaz de référence pénétrant dans la cavité par l'entrée 34 et d'assurer que l'ouverture d'entrée 50 n'est pas bloquée par le diaphragme. En se référant maintenant aux fig. 5 et 6, la partie inférieure 14 du régulateur comprend une partie périphérique 56 que traversent des trous de boulons 50 et qui est adaptée à buter contre la partie périphérique 42 de la partie supérieure 12 du corps. Un épaulement 58 est orienté vers le bas à partir de la largeur intérieure de la partie périphérique 56. Dans une direction radiale vers l'intérieur de l'épaulement 58 se trouve une rainure continue 60 dans laquelle un joint d'étanchéité circu- laire, non représenté sur ces figures, peut être logé. La rainure 60 est alignée avec la rainure 46 de la partie supérieure 12 du corps quand les parties supérieure et inférieure sont reliées entre elles, comme on le verra plus clairement par la suite. En partant d'une courte distance dans la direction radiale vers l'intérieur de la rainure 60 la face supérieure de la partie inférieure 14 du corps est creusée ou de section allant en diminuant selon une conicité 62 pour former le renfoncement 26. Ce renfoncement est particulièrement utile pour garantir qu'un espace suffisant est disponible pour le bon fonc- tionnement du diaphragme dans les cas o les moitiés supérieure et inférieure de l'unité ne sont pas alignées concentriquement. Si elles sont correctement alignées l'unité fonctionnera sans que la face supérieure de la partie inférieure du corps soit de section allant en diminuant. Comme pour le renfoncement de la partie supérieure du corps, le degré de conicité peut varier en fonction des besoins. Cependant, d'une façon générale, le degré de conicité n'a pas à être supérieur à celui de la partie supérieure du corps. Une conicité de 1 , par exemple, a été jugée suffisante pour créer l'espace nécessaire au diaphragme afin qu'il vienne correctement en prise avec le moyen d'étanchéité adjacent à la sortie du fluide et pour permettre à la cavité de supporter des pressions élevées. Un alésage 64 relie la sortie de fluide 36, située au centre du renfoncement 26, à un orifice 66 auquel la conduite de sortie 22 représentée à la fig. I, est connectée. De plus, un alésage 68 relie l'ouverture 38 à une entrée de fluide située dans le renfoncement 26 A une courte distance de la sortie 36. Entourant la sortie de fluide 36, et placée entre la sortie 36 et l'entrée 70, se trouve une rainure 72 adaptée à recevoir une bague d'étanchéité, non représentée aux figures. Pour mieux disperser le fluide arrivant par l'entrée 70, un certain nombre de rainures peu profondes 74 rayonnant à partir de points espacés d'une courte distance de la rainure 72 de la bague d'étanchéité sont prévues sur la face supérieure de la partie inférieure 14 du corps. En plus, un certain nombre de rainures 76 concentriques à la rainure 72 sont également prévues dans la face supérieure de la partie inférieure 14 du corps pour le même motif. Il est maintenant fait référence à la fig. 7, qui représente les parties supérieure et inférieure 12 et 14 du corps et le diaphragme 32 comme ces éléments apparais- sent une fois assemblés. Un joint annulaire 78 logé dans la rainure 46 de la partie supérieure 12 du corps vient en prise avec la surfacb supérieure de la partie périphérique extérieure du diaphragme 32 tandis qu'un joint annulaire semblable 80, aligné avec le joint 2632379. annulaire 78 est logé dans la rainure 60 de la partie inférieure 14 du corps, vient en prise avec le dessous du diaphragme en un point qui fait face au joint annulaire 78. La partie périphérique du diaphragme est donc serrée entre les surfaces opposées des parties supérieure et inférieure 12 et 14 du corps dans la région qui sépare les épaulements 44 et 58 et les extrémités extérieures des renfoncements 24 et 26, et la cavité formée par les renfoncements 24 et 26 est fermée par les joints annulai- res 78 et 80. Dans la rainure 72 est logé un joint annulaire 82 dont les dimensions relatives le font s'étendre à l'in- térieur du renfoncement 26 d'une courte distance au-delà de la face supérieure de la région de section allant en diminuant de la partie inférieure 14 du corps. Donc dans l'état représenté à la fig. 7, o la pression du gaz de référence A est supérieure à la pression du fluide du système B, le diaphragme 32 est en contact avec le joint annulaire 82, en fermant ainsi la sortie 36 par rapport au fluide B du système si bien que le fluide ne peut pas pénétrer dans la sortie 36. Le joint annulaire 82 serait en contact avec le diaphragme même s'il n'y avait pas de partie de section allant en diminuant ni de renfoncement prévu dans la face supérieure de la partie inférieure du corps, dans la mesure o le joint annulaire dépasse au-delà de la face supérieure d'une distance qui lui permet de venir en contact avec le diaphragme. Comme indiqué précédemment, si les parties supérieure et inférieure du corps sont maintenues en place afin que leurs faces soient agencées en position concentrique, un tel agencement correspondrait à une construction fonc- tionnelle. Comme représenté à la fig. 8, lorsque la pression du fluide B du système dépasse la pression du gaz A le diaphragme 32 est soulevé par rapport au contact avec le joint annulaire 82, en permettant au fluide B du système de s'écouler par la sortie 36 et de sortir de l'alésage 74 vers la conduite de sortie. Les rainures 74 et 76 dispersent l'écoulement du fluide du système à travers le renfoncement 26 pour appliquer plus uniformément la pression sur le dessous du diaphragme 32. Le diaphragme 32 est maintenu en place de manière qu'une fois dans sa position neutre, c'est-à-dire, lorsque la cavité n'est pas sous pression, le diaphragme contacte tout juste le joint annulaire 82. Donc il suffit d'un très léger mouvement du diaphragme pour ouvrir ou fermer la sortie 36 du régulateur. Pendant le fonctionne- ment du régulateur de petits mouvements du diaphragme maintiennent la pression du fluide du système à une valeur constante en ajustant l'espace entre le diaphragme et le joint annulaire 82. Comme cela a été signalé précédemment, du fait que la surface du diaphragme soumise à la plus forte pression et orientée en direction du - renfoncement 24 est grande comparativement à la surface déséquilibrée du diaphragme à la sortie, et du fait que le diaphragme est mince et se déforme facilement sous pression, les effets d'hystérésis à l'ouverture et A la fermeture de la sortie sont réduits au minimum. Le diaphragme peut être construit en un métal ou en une matière plastique convenable quelconque qui ne s'affaisse ni ne se déforme sous hautes pressions comme du caoutchouc ou du Téflon le ferait. La matière du diaphragme devrait aussi avoir la-souplesse et la robus- tesse requises pour supporter les efforts auxquels il est soumis en service et, en même temps, être capable de se déformer ou de fléchir facilement autant qu'il le faut sous pression. Des exemples de ces matières sont consti- tuées par l'acier inoxydable, l'aluminium, le laiton, l'Hasteloy, le titane et les métaux semblables, ainsi que des matières plastiques à forte résistance à la compression telles que des polyimides et des cétones de polyéther éther-éther. La matière préférée est l'acier inoxydable ayant une épaisseur de l'ordre d'environ 0,15 mm (0,006 pouce). Etant donné que le volume interne du c8té système du régulateur est faible et que les variations de volume pendant la régulation sont faibles, le régulateur de l'invention est idéal pour des systèmes de laboratoires à faible volume. Les renfoncements coniques 24 et 26 et les petits déplacements du diaphragme permettent au régula- teur de supporter de graves déséquilibres de pression jusqu'à plusieurs milliers de psi sans dommage. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation représentés et décrits en détail car diver- ses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Un régulateur de contre-pression pour des fluides, caractérisé en ce qu'il comprend: une partie de corps présentant des faces écartées tournées l'une contre l'autre et délimitant une cavité entre elles; un diaphragme à l'intérieur de la cavité, le diaphragme étant maintenu en place par sa périphérie; l'épaisseur du diaphragme étant sensiblement inférieure à la distance entre les faces opposées; une première entrée de fluide dans l'une des faces par laquelle un premier fluide sous une pression prédé- terminée peut être introduit dans la cavité sur une face du diaphragme; une seconde entrée de fluide dans l'autre face par laquelle un second fluide, dont la pression doit être réglée, peut être introduit dans la cavité sur l'autre face du diaphragme; une sortie de fluide sur l'autre face; et un moyen d'étanchéité venant en contact avec l'autre face du diaphragme quand la pression du premier fluide dépasse la pression dusecond fluide pour fermer la sortie de fluide et empêcher l'écoulement venant de la seconde entrée de fluide. 2. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'autre face du diaphragme est écartée de la seconde entrée du fluide et de la sortie du fluide. 3. Un régulateur de contre-pression selon lez revendication 2, caractérisé en ce que le moyen d'étan- chéité entoure la sortie du fluide et se prolonge à l'intérieur de la cavité dans une direction qui s'éloigne de l'autre face de la cavité. 4. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen d'étan- chéité est un joint annulaire. 5. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 2, caractérisé en ce que le diaphragme est constitué d'un métal. 6. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des rainures dans l'autre face de la cavité pour répartir le second fluide à travers la cavité entre l'autre face de la cavité et l'autre face du diaphragme. 7. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première face est conique afin que les faces opposées de la cavité soient écartées d'une distance plus grande dans la partie centrale de la cavité que dans la partie périphérique de la cavité. 8. Un régulateur de contre-pression pour des fluides, caractérisé en ce qu'il comprend: une partie supérieure de corps ayant une face inférieure dont une partie au moins est renfoncée; une partie inférieure de corps ayant une face supérieure; les parties supérieure et inférieure du corps étant fixées face à face afin que la partie renfoncée de la face supérieure forme une cavité entre les parties supérieure et inférieure; un diaphragme entre les parties supérieure et inférieure du corps, le diaphragme ayant une partie périphérique et une partie centrale; un moyen sur les parties supérieure et inférieure du corps serrant la partie périphérique du diaphragme en place de façon que la partie centrale du diaphragme pénètre dans la cavité; 13- une entrée de fluide dans la partie supérieure du corps en communication avec la cavité; une entrée de fluide à la partie inférieure du corps en communication avec la cavité; une sortie de fluide dans la partie inférieure du corps en communication avec la cavité; et un moyen d'étanchéité orienté vers le haut à partir de la face supérieure de la partie inférieure du corps et entourant la sortie du fluide dans la partie inférieure du corps, le diaphragme venant en contact avec ledit moyen d'étanchéité pour empêcher l'écoulement du fluide vers la sortie de la partie inférieure du corps quand la pression du fluide sur la face supérieure du diaphragme dépasse la pression du fluide sur la face inférieure du diaphragme. 9. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 8, caractérisé en ce que le diaphragme est constitué d'un métal. 10. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 9, caractérisé en ce que le diaphragme est constitué d'acier inoxydable. 11. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moyen d'étan- chéité, se prolongeant vers le haut à partir de la surface supérieure de la partie inférieure du corps, est un joint annulaire. 12. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 9, caractérisé en ce que le renfoncement à l'intérieur de la face inférieure de la.partie supérieure du corps se prolonge radialement vers l'intérieur de la partie périphérique serrée du diaphragme. 13. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il correspond un moyen d'étanchéité pour fermer la partie périphérique du diaphragme par rapport à l'écoulement radial d'un fluide vers l'extérieur à partir de la cavité. 14. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 12, caractérisé en ce que la face infé- rieure de la partie supérieure du corps formant le renfoncement est conique radialement vers l'intérieur et en s'éloignant de la partie inférieure du corps, la partie conique permettant au diaphragme de se soulever quand la pression du fluide sur la face inférieure du diaphragme dépasse la pression du fluide sur la face supérieure du diaphragme. 15. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 14, caractérisé en ce que la face supé- rieure de la partie inférieure du corps est renfoncée. 16. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 15, caractérisé en ce que la face supé- rieure de la partie inférieure du corps formant un renfoncement est radialement conique vers l'intérieur et en s'éloignant de la partie supérieure du corps. 17. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 16, caractérisé en ce que les renfoncements ont une conicité de l'ordre de 1 à 3 . 18. Un régulateur de contre-pression pour des fluides, caractérisé en ce qu'il comprend: une partie de corps ayant des faces opposées écartées constituant entre elles une cavité; un diaphragme métallique à l'intérieur de la cavité, le diaphragme étant maintenu en place par sa périphérie; l'épaisseur du diaphragme étant sensiblement inférieure à la distance entre les faces opposées; une première entrée de fluide dans l'une des faces par laquelle un premier fluide sous une pression prédé- terminée peut être introduit dans la cavité sur une face du diaphragme; une seconde entrée de fluide sur l'autre face par laquelle un second fluide, dont la pression doit être régulée, peut être introduit dans la cavité sur l'autre face du diaphragme; une sortie de fluide sur l'autre face; et un moyen d'étanchéité dépassant à l'intérieur de la cavité par rapport à l'autre face de la cavité et entourant la sortie du fluide; le diaphragme étant placé de manière à faire un contact minimal avec ledit moyen d'étanchéité quand les pressions sur les deux faces opposées du diaphragme sont identiques. 19. Un régulateur de contre-pression selon la revendication 18, caractérisé en ce que ladite première face est de section allant en diminuant afin que la distance la plus grande entre les faces opposées se situe dans la partie centrale du diaphragme.