Brevet FR2644868A1 — publié le 19900928

SOUPAPE AUTO-STABLE. L'invention concerne une soupape permettant de contrler la pression dans une capacite telle qu'un réservoir ou un circuit contenant un fluide sous pression et présentant une stabilité fonctionnelle accrue par rapport aux soupapes traditionnelles. Dans Les soupapes traditionnelles, un clapet mobile est normalement appliqué par un ressort taré contre un siège formé dans une conduite reliant un orifice d'entrée qui communique avec la capacité à surveiller à un orifice d'échappement. Dans ces soupapes, dites à action directe, la fidélité et la stabilité fonctionnelles sont liées à un reglage délicat dépendant de l'installation dans laquelle sont utilisées ces soupapes. Il s'avère qu'il est malheureusement très difficile, voir impossible, de parfaire un réglage de soupapes sur une installation industrielle. Compte tenu de l'importance que revêt une soupape pour la sécurité d'une installation, le caractère aléatoire de son comportement constitue un inconvénient majeur de ces soupapes. Afin de remédier à cet inconvénient, on a développé plus récemment une nouvelle génération de soupapes, dites soupapes pilotées, dans lesquelles une augmentation indésirable de la pression dans la capacite à surveiller ouvre dans un premier temps un clapet pilote qui commande, dans un deuxième temps, l'ouverture du clapet principal assurant le relâchement de la pression. Si cette nouvelle génération de soupapes présente une stabilite accrue par rapport aux soupapes traditionnelles, elle présente des inconvénients majeurs liés à sa complexité. Ces inconvénients sont leur coût de fabrication élevé et l'augmentation du risque de non ouverture due à la multiplication des clapets. Ce dernier inconvénient conduit à rendre ces soupapes pilotées non conformes à la réglementation en vigueur, ce qui conduit, lors de leur utilisation, à demander une dérogation. La présente invention a précisément pour objet une nouvelle soupape, dite auto-stabLe, présentant une stabilité fonctionnelle accrue par rapport à celle des soupapes à ressort, dans laquelle l'ouverture et la fermeture soient fidèles, franches, sans vibration ni battement, en supprimant tous les artifices de réglage afin de rendre la soupape stable par définition intrinsèque, cette soupape permettant en outre de réduire la chute de pression en dessous de la pression d'ouverture commandant la refermeture de la soupape, ou "blow down", tout en gardant la possibilité d'évacuer aussi bien un gaz qu'un Liquide ou qu'un melange gaz/liquide. Selon L'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'une soupape comprenant un corps dans lequel est formée une conduite reLiant un orifice d'entrée apte à être relie à une capacité contenant un fluide sous pression, à un orifice d'échappement, et un clapet mobile normalement appliqué par des moyens élastiques contre un siège formé dans ladite conduite, du côté de l'orifice d'échappement, pour obturer cette conduite lorsque la pression du fluide est inférieure à un seuil déterminé, caractérisée par Le fait qu'un appendice terminé par un déflecteur est solidaire du clapet et situé dans la conduite, du côté de L'orifice d'entrée par rapport au clapet, de façon à former, entre le clapet et le deflecteur, une chambre de détente communiquant avec une partie amont de La conduite, située entre L'orifice d'entrée et le déflecteur, par un passage dont la section forme une restriction Lorsque Le clapet est appliqué contre son siège et augmente lorsque le clapet s'éloigne de ce dernier, la section du déflecteur étant de plus supérieure à La section du clapet située à L'intérieur du siège. La stabilité et la fidélité d'une soupape ainsi réalisée sont considérablement accrues par rapport à celui les des soupapes traditionnelles. De plus, l'originalité technique de cette soupape est de ne plus avoir recours, pour obtenir la stabilité, à un système aléatoire de réglage. Cette soupape est donc auto-stable et les paramètres de l'installation n'ont pratiquement pas d'incidence sur Le comportement de la soupape, ce qui n'est pas Le cas avec les soupapes à action directe tradition nettes. Ces caractéristiques techniques rendent la soupape selon L'invention conforme à la législation française et d'une manière plus génerale aux règles de construction internationales régissant Les appareils soumis à la pression. Enfin, il est à noter que le coût de la soupape selon L'invention est comparable à celui d'une soupape à ressort traditionnelle. Dans un mode de réalisation préféré de I 'inven- tion, Le passage formé entre la chambre de détente et la partie amont de La conduite comprend des trous traversant Le déflecteur. Ces trous sont alors de préférence inclinés par rapport à l'axe du déflecteur, de telle sorte que leurs axes se coupent en un même point sur l'axe du déflecteur, du côté de la partie amont de la conduite, et forment avec l'axe du déflecteur un angle d'environ 300. La caractéristique precitee concernant L'angle foré par les trous, ainsi que la section de ces trous, permettent d'assurer le réglage de la chute de pression en dessous de la pression d'ouverture commandant la refermeture, ou "blow down", afin que cette chute de pression soit aussi faible que possible (par exemple entre environ 5 Z et environ 8 Z de la pression d'ouverture). La section des trous ne peut cependant pas excéder une valeur au-delå de Laquelle le déflecteur ne remplit plus sa fonction de "parachute" Lors de la refermeture, ce qui conduirait à rendre à la soupape un comportement instable analogue à celui des soupapes traditionneLles. Pour la même raison, les trous débouchent avantageusement en face d'une partie tronconique de la conduite, présentant un angle au sommet d'environ 600. De préférence, La section du déflecteur est approximativement le double de la section de la conduite à L'intérieur du siège. Par ailleurs, Lorsque le clapet occupe sa position totalement ouverte, la section de passage entre le clapet et le siège est très grande devant la section du passage par lequel la chambre de détente communique avec la partie amcrt de la conduite. Enfin, la section du passage par lequel La chambre de détente communique avec La partie amont de la conduite est approximativement constante, puis augmente brusquement lorsque le clapet s'éloigne de son siège au-delà d'une distance comprise entre environ 10 % et environ 15 Z de sa course totale. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de L'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique représentant en coupe longitudinale une soupape auto-stable réalisée conformément à L'invention ; - La figure 2 est une vue en coupe représentant à plus grande écheLle la partie active de la soupape de la figure 1, dans sa position fermee ; et - la figure 3 est une vue en coupe à plus grande échelle que La figure 2 représentant La soupape dans sa position ouverte. De façon classique, La soupape auto-stable selon L'invention comporte, comme l'illustre La figure 1, un corps 10 en plusieurs parties, dans lequel est formée une conduite 12 par laquelle un orifice d'entrée 14 peut communiquer avec un orifice d'échappement 16. L'orifice d'entrée 14 est prévu pour être raccorde sur la capacité à surveiller (non représentée), par exemple au moyen d'une bride formée dans le corps 10. De façon comparable, L'orifice d'échappement 16 est prévu pour être raccordé sur un circuit d'échappement (non représen -té)-, par exemple au moyen d'une bride également formee dans le corps 10. En allant de l'orifice d'entree 14 vers l'ori- fice d'échappement 16, la conduite 12 comprend une partie amont formant un alésage etagé 12a, une chambre d'échap pelant 12b et une partie aval constituée par- un alésage 12c. L'extrémité de l'alésage étagé 12a débouchant dans La chambre 12b constitue un siège annulaire 20 sur lequel est normalement en appui etanche un clapet 22 logé dans la chambre 12b. Ce maintien en appui est assuré par un ressort de compression 24 dont les extrémités opposées prennent appui sur deux coupelles 26 et 28. L'une 26 de ces coupelles est en appui sur un épaulement formé sur une tige cylindrique 30 montée de façon à pouvoir se déplacer axialement dans un alésage formé dans le corps 10 dans le prolongement de L'alésage étagé 12a, pour venir en appui par son extrémité contre le clapet 22. L'autre coupelle 28 est en appui sur l'extrémité d'une tige filetée creuse 32 visse dans le corps 10 de la soupape. Cette tige filetée 32 est traversée selon son axe par l'autre extrémite de la tige 30. Grâce à l'agencement qui vient d'être decrit, on peut régler la précontrainte du ressort 24 en vissant plus ou moins La tige filetée 32 dans le corps 10 de la soupape. Lorsque ce réglage est effectué, la tige filetée 32 est immobilisée par rapport au corps 10 au moyen d'un écrou 34 visse sur cette tige filetée et prenant appui sur Le corps 10. Il est à noter que l'ensemble qui vient d'être décr-it et qui permet d'appliquer avec une précontrainte déterminée le clapet 32 contre le siege 20,pourrait être réalisé d'une manière différente, sans sortir du cadre de L'invention. La structure originale de la soupape auto-stable conforme à l'invention va à présent être décrite plus en détail en se référant aux figures 2 et 3. Comme l'illustrent ces figures, la face du clapet 22 tournée vers l'alésage étage 12a porte un appendice constitué par une tige cylindrique 36 realisee d'une seule pièce avec le clapet et à l'extrémité de laquelle est visse un déflecteur en forme de disque 38. Par ailleurs, l'alésage étagé 12a comprend, en partant du siège 20, un alésage 40 de relativement petit diamètre, une zone 42 de plus grand diamètre et de faible longueur, et un alésage 44 de diamètre intermédiaire entre le diamètre de l'alésage 40 et le diamètre de la zone 42. De plus, la zone 42 est raccordée à l'alésage 40 par une partie tronconique 46. Les dimensions des différents éléments qui viennent d'être décrits sont telles que, lorsque Le clapet 22 est en appui étanche sur le siège 20, le déflecteur 38 est très légèrement engagé. dans l'alésage 44. De plus, le diamètre exterieur du déflecteur est approximativement égal au diamètre de cet alésage 44, de telle sorte qu'un jeu circonférentiel Limité existe alors autour du déflecteur. On délimite ainsi, entre le clapet 22 et le déflecteur 38, c'est-à-dire à l'intérieur de L'alésage 40, de la partie tronconique 46 et de la zone 42, une chambre de détente 48. La pression régnant dans cette chambre de détente 48 agit à la fois sur la partie de la face inférieure du clapet 22 située à l'intérieur du siège 20, et dont le diamètre correspond au diametre de L'aLésage 40, et sur la face supérieure du déflecteur 38, dont le diamètre correspond au diamètre de l'alésage 44. De préférence, ces diamètres sont tels que la section du déflecteur 38 ou de l'alésage 44 est approximativement le double de la section du clapet 22 située à l'intérieur du siège 20, c'est-8-dire de l'alésage 40. Le jeu circonférentiel existant entre le déflecteur 38 et l'alésage 44 est compléte par des trous 50 traversant le déflecteur 38 et formant avec le jeu précite un passage de section contrôlée par lequel la chambre de détente 48 communique asUc l'orifice d'entrée 14 de la soupape. Les trous 50, dont le nombre peut être quelconque, sont régulièrement répartis autour de l'axe du déflecteur 38 et ils sont inclinés par rapport à ce dernier, de telle sorte que leurs axes se coupent en un même point situé sur l'axe du déflecteur, du côté de la partie de la conduite 12 située en amont du déflecteur 38, c'est-à-dire du côté de l'alésage 44. Avantageusement, L'angle formé par l'axe de chacun des trous 50 avec l'axe du déflecteur 38 est approximativement egal à 300. Par ailleurs, la section totale des trous 50 formés dans le déflecteur est telle que le "blow down soit au moins égal à environ 3 X de la pression d'ouverture. De cette manière, le passage formé par les trous 50 constitue une restriction lorsque le clapet 22 est en début d'ouverture. En outre, l'angle au sommet de la partie tronconique 46 est de préférence approximativement égal à 600. Sur sa face tournée vers l'alésage 44, le dé lecteur 38 comporte au moins trois patins de guidage 52 dont le bord exterieur reste en permanence en contact avec l'alésage 44 lorsque le déflecteur 38 se déplace vers le haut en considérant les figures 2 et 3. Les patins 52 assurent ainsi le positionnement et le centrage du déflecteur 38 dans l'alésage 44. Tant que la pression régnant dans la capacite à surveiller raccordée sur l'orifice d'entrée 14 reste inférieure au seuil de pression prédéterminée par le tarage du ressort 24, l'équipage mobile de La soupape constitue par le clapet 22, la tige 36 et le déflecteur 38 restent dans la position illustrée sur la figure 2, dans laquelle Le clapet 22 est en appui étanche sur le siège 20 et le déflecteur 38 légèrement engagé dans l'alésage 44. Dans ces conditions, la pression régnant dans la chambre de détente 48 est égale à la pression régnant dans la capacité à surveiller, avec laquelle cette chambre communique par le passage constitué par Le jeu annulaire formé entre le déflecteur 38 et l'alésage 44 et par les trous 50, ce passage formant alors une restriction. D'une manière en elle-même connue, dès que la pression dans la capacité à surveiller dépasse le seuil prédéterminé par la précontrainte du ressort 24, la force exercée par ce dernier pour maintenir le clapet 22 contre son siège 20 devient inférieure à la force exercée en sens inverse par La pression appliquée sur L'équipage mobile, de telle sorte que ce dernier se déplace vers le haut en considérant La figure 2. Dès le début de ce déplacement, l'étanchéité entre Le clapet 22 et le siège 20 est rompue, de telle sorte que la chambre de détente 48 communique avec la partie de la conduite 12 située en aval du clapet et dans laquelle règne une pression très inférieure. A ce moment, Le déflecteur 38 est toujours très légèrement engagé dans L'alésage 44, de telle sorte que le passage formé entre la chambre de détente 48 et ta partie du passage située en amont du deflecteur reste inchangé. Le changement d'état a donc pour conséquence immédiate une baisse de pression AP dans la chambre de détente 48.Si on appelLe AS la différence de sec tion entre le déflecteur 38 et L'alésage 40, cette chute instantanée de pression #P a pour effet l'application sur l'équipage mobile d'une force instantanée #F = #S x hP. Etant donné que la variation de pression AP est negative, cette force #F tend à deplacer l'équipage mobite vers le haut en considerant la figure 2. Une assistance à l'ouverture permettant d'obtenir un décollage initial rapide du clapet est donc obtenue. L'ouverture du clapet, qui constitue l'une des phases habituelles d'instabilité, est ainsi assurée sans battement. De plus, la détente critique observée dans la chambre 48 creé un effet dynamique qui permet d'assurer la pleine ouverture et le débit recherché, de façon parfaitement fiable et stable. Pour que cette assistance à l'ouverture s'effectue de façon satisfaisante, on s'arrange pour que la course de l'équipage mobile pendant laquelle le déflecteur 38 reste engagé dans l'alésage 44 corresponde à une distance comprise entre environ 10 Z et environ 15 X de la course totale de cet equipage. Comme l'illustre bien la figure 3, lorsque le clapet 22 est dans sa position de pleine ouverture, le déflecteur 38 se trouve disposé en totalité à l'intérieur de la zone 42 de plus grand diamètre, seules les extremités des patins 52 restant engagees dans L'alésage 44. Dans ces conditions, la section du passage par lequel ta chambre de détente 48 communique avec la partie amont de La conduite 12 est très sensiblement accrue puisqu'il existe un jeu circonférentiel important entre le deflecteur et la zone 42, qui vient s'ajouter aux trous 50. La section de passage entre le cLapet 22 et le siège 20 est toutefois très grande devant la section du passage ainsi formé entre la chambre 48 et la partie amont de La conduite 12. La chute de pression dans la capacité à contre ler, obtenue par l'ouverture de la soupape, réduit l'ef- fet dynamique sous le clapet 22 et son déflecteur 38. Un léger déplacement du clapet vers son siège correspondant à environ 5 Z de sa course totale s'effectue alors de façon régulière et proportionnelle à la chute de pression, puis la fin de course est instantanée. Les essais effectués sur différentes maquettes et prototypes ont permis de montrer que les valseurs de l'angle au sommet de la partie tronconique 46 ainsi que les valeurs de l'angle d'inclinaison des trous 50 et de la section de ces trous qui ont ete données précédemment permettent d'obtenir un comportement optimal de la soupape au moment de sa fermeture. De façon plus précise, ces essais ont montrés que la refermeture franche et fidèle dépend de la section et de l'orientation des trous 50 et de L'angle au sommet de La partie tronconique 46. En effet, toute variation de ces caractéristiques permet de modifier le réglage de la chute de pression en dessous de la pression d'ouverture commandant la refermeture, ou blow down'. Ainsi, on constate que ce "blow oown" diminue Lorsque La section des trous augmente, jusqu'à une valeur Limite pour laquelle le "blow down" est égal à environ 3 Z de la pression d'ouverture déterminee par le tarage du ressort 24. Au-delå de cette valeur, L'effet de "parachute" obtenu grâce au déflecteur 38 lors de la refermeture tend a disparaître. La soupape se comporte alors comme une soupape traditionnelle, c'est-à-dire qu'elle est instable dans sa phase active de refermeture. Pour cette raison, la section des trous est déterminée afin de donner au "blow down" une valeur comprise entre environ 5 Z et environ 8 U. La description qui précède fait apparaître de façon cLaire que La soupape selon L'invention presente des performances techniques très améliorées, en particu lier en ce qui concerne la stabilité et la fidélité, par rapport aux soupapes classique. De plus, ces performances sont obtenues sans que les parametres de l'installation n'aient d'incidence sur le comportement de la soupape. En outre, il est à noter que la structure de la soupape selon l'invention reste relativement simple, de telle sorte que son coût est comparable à celui d'une soupape à ressort traditionnelle. L'utilisation de telles soupapes dans une installation industrielle permet donc, pour un coût qui reste pratiquement inchangé, d'assurer la sécurité de ces installations, ce qui constitue un avantage déterminant par rapport aux soupapes de l'art antérieur. Bien entendu, L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être decrit à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. Ainsi, au lieu d'être réalisé d'une seule pièce avec le clapet 22, L'appendice constitué par la tige 36 pourrait être fixé sur ce dernier de façon démontable. A l'inverse, le déflecteur 38 pourrait etre réalisé d'une seule pièce avec la tige 36. Enfin, la soupape auto-stable selon l'invention peut être utilise indifféremment pour surveiller une capacité contenant un gaz, un liquide, ou un mélange de liquide et de gaz. REVENDICATIONS 1. Soupape comprenant un corps (10) dans lequel est formee une conduite (12) reliant un orifice d'entrée (14) apte à être relie à une capacité contenant un fluide sous pression, à un orifice d'échappement (16), et un clapet mobile (22) normalement appliqué par des moyens élastiques (24) contre un siège (20) formé dans ladite conduite, du côté de l'orifice d'échappement, pour obturer cette conduite lorsque la pression du fluide est inferieure à un seuil déterminé, caractérisée par le fait qu'un appendice (36) terminé par un déflecteur (38) est solidaire du clapet (22) et situé dans la conduite (12), du côté de l'orifice d'entrée par rapport au clapet, de façon à former, entre Le clapet et le déflecteur, une chambre de détente (48) communiquant avec une partie amont de la conduite, située entre l'orifice d'entrée et le défLecteur, par un passage (50) dont la section forme une restriction lorsque Le clapet est appliqué contre son siège et augmente lorsque le clapet s'éloigne de ce dernier, La section du déflecteur (38) étant de plus supérieure à la section du clapet (22) situee à l'intérieur du siège (20). 2. Soupape selon La revendication 1, caractérisée par le fait que Ledit passage comprend des trous (50) traversant Le déflecteur (38). 3. Soupape selon la revendication 2, caractérisée par Le fait que les trous (50) sont inclinés par rapport à l'axe du déflecteur, de telle sorte que Leurs axes se coupent en un même point sur L'axe du déflecteur (38), du côté de Ladite partie amont de la conduite (12). 4. Soupape selon la revendication 3, caractérisée par le fait que l'axe de chacun des trous (50) forme avec L'axe du deflecteur (38) un angle d'environ 30". 5. Soupape selon L'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par Le fait que ladite conduite (12) comporte un premier alésage (40) de relativement petit diamètre, définissant Ladite section du clapet située à l'intérieur du siège, un deuxième alésage (44) de plus grand diamètre, dans lequel coulisse le déflecteur, et une zone (42) de diamètre supérieur à celui du deuxième alésage, située entre le premier et le deuxième alésages et formant avec le premier alésage ladite chambre de detente (48). 6. Soupape selon la revendication 5, caracterisée par te fait que ladite zone (42) de la conduite est raccordée au premier alésage (40) par une partie tronconique (46). 7. Soupape selon La revendication 6, caractérisée par le fait que ladite partie tronconique (46) pre- sente un angle au sommet d'environ 600. 8. Soupape selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que L'appendice est constitue par une tige (36) réalisée d'une seule pièce avec le clapet- (22) et sur laquelle le deflecteur (38) est fixé par des moyens de fixation démontables. 9. Soupape selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la section du déflecteur (38) est approximativement double de la section du clapet (22) située à l'intérieur du siège (20). 10. Soupape selon l'une quelconque. des revendications précédentes, caractérisée par Le fait que, lorsque Le clapet (22) occupe sa position totalement ouverte, la section de passage entre le clapet et Le siège (20) est très grande devant la section dudit passage (50). 11. Soupape selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que La section dudit passage (50) est approximativement constante, puis augmente brutalement lorsque le clapet (22) s'éloigne de son siège (20) au-delà d'une distance comme prise entre environ 10 Z et environ 15 Z de sa course totale.