Brevet FR2650872A1 — publié le 19910215

STRUCTURE DE CLAPET ANTIRETOUR ET REGULATEUR POUR INTRODUCTION D'UN GAZ DANS UN LIQUIDE, ET SON PROCEDE DE REALISATION L'invention concerne un clapet permettant l'introduction con tôlée de faibles quantités de gaz dans un liquide parcourant une canalisation. Le clapet fonctionne par dépression- et est inséré entre une canalisation parcourue par un liquide et entre une chambre contenant un gaz a' pression sensiblement égale à la pression atmosphérique. Le clapet assure la double fonction de clapet antiretour interdisant la sortie de liquide en direction de la chambre de gaz, et de clapet de régulation automatique pour le passage de gaz vers le liquide. La structure de clapet selon l'invention est basée sur un type de clapet comprenant une bille logée dans un siège conique au fond de laquelle elle est sollicitée par un moyen élastique. On constate que les clapets connus manquent de précision : le moyen élastique, généralement constitué par un ressort, presente des dispersions importantes qui rendent difficile une production précise en série. Avec des clapets connus, les qualités d'obturation et de réglage de très faibles débits de gaz ne sont pas satisfaisantes pour les applications visées, à moins de recourir à des usinages de haute précision conduisant à un cout de production prohibitif. Le problème proposé par l'invention est de réaliser de manière économique et fiable un tel clapet présentant une précision suffisante de contrôle de débit de gaz. La difficulté réside dans le fait que le clapet remplit deux fonctions très différentes de clapet antiretour de liquide et de clapet de régulation de débit de gaz, la régulation de débit de gaz devant être précise. Selon un autre aspect, l'invention vise à simplifier considérablement la réalisation du corps de clapet. Pour les applications visées, la bille et le siège de clapet sont contenus dans un corps dont les évidements internes sont généralement en forme de T, avec une barre centrale de T formant canalisation rejoignant la chambre contenant les gaz et la zone parcourue par le liquide, et avec la branche transversale de T formant la canalisation parcourue par le liquide et dans laquelle doit être inséré le gaz selon un débit réglé. La constitution d'un tel corps en forme de T présente des difficultés, et oblige traditionnellement à recourir à des méthodes relativement onéreuses, par assemblage d'une première partie de corps réalisant la branche centrale du T et d'une seconde partie de corps réalisant la branche transversale du T. L'assemblage de la première et de la seconde partie est effectué traditionnellement avec interposition de joints d'étanchéité, et avec utilisation de moyens de blocage. L'invention vise à simplifier la constitution et l'assemblage, en permettant de supprimer l'utilisation des joints d'étanchéité et des moyens de blocage. En outre, l'invention vise à faciliter le montage, en prévoyant une structure particulière permettant d'assurer, sans précaution particulière, la communication entre la canalisation de liquide et la conduite d'amenée de gaz. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la structure de e pet selon l'invention, pour introduction d'un gaz dans un liquide, comprend - une partie tubulaire formant une portion de canalisation de liquide, entre une extrémité d'entrée de liquide et une extrémité de sortie de liquide, - un corps creux, solidaire de la partie tubulaire et définissant une canalisation d'amenée de gaz entre une première extrémité d'entrée de paz et une seconde extrémité se raccordant à la partie médiane de v salisation de liquide, - une bille d'obturation, logée dans le corps creux et sollicitée par un moyen élastique également logé dans le corps creux la repoussant en direction de l'extrémité d'entrée de gaz dans le fond d'un siège sensiblement conique pour former clapet d'obturation de la canalisation d'amenée de gaz, - le siège, sensiblement conique, comprend une portion en forme de couronne sphérique de même diamètre que la bille et constituant la zone (:e contact contre laquelle la bille vient porter sous l'action du moyen élastique. L'effet de la couronne sphérique ménagée dans le siège est d'assurer une grande précision de réglage du débit de gaz, en fonction de la dépression créée dans le liquide parcourant la canalisation d'amenée de liquide. De préférence, le siège sensiblement conique a un angle au sommet d'environ 90 degrés. Selon un mode de réalisation, la bille a un diamètre d'environ 8 millimètres, et la couronne sphérique du siège a une largeur de 0,05 millimètres environ. Cette largeur est alors suffisante pour assurer une bonne régulation de débit du gaz. La bille est, de préférence, réalisée en une matière plus dure que la matière constituant le siège. Par exemple, le siège est en laiton, la bille est en acier traité de durete égale à 60 HRC environ selon ltéchelle ROCKWELL. Selon un mode de réalisation préféré, la structure de clapet selon l'invention comprend deux parties métalliques distinctes rapportées l'une dans l'autre - une première partie, formant la partie tubulaire de conduction de liquide, comportant un alésage axial traversant pour la conduction du liquide et un alésage radial médian communiquant avec ledit alésage axial, et comportant une portion médiane dont surface externe est cylindrique de révolution, l'alésage radial débouchant dans la partie centrale de ladite surface cylindrique externe, - une seconde partie, formant le corps creux, comportant un premier logement axial constituant la canalisation d'amenée de gaz, et comportant un alésage transversal traversant de forme cylindrique de révolution communiquant dans sa partie centrale avec le premier logement axial, et destinée à recevoir et retenir la portion médiane de la première partie tubulaire, - la partie médiane de la première partie et l'alésage cylindr4c;e de révolution présentant un état de surface à faible rugosité défi; ar la dimension Ra inférieure à 0,4 micron, - la partie médiane présentant une circularité dont la précision est au moins égale à 0,04 millimètres, - le diamètre initial de portion médiane de première- partie est légèrement supérieur au diamètre initial de l'alésage transversal traversant, la différence entre les diamètres étant comprise entre 15 et 25 microns, - lors du montage, la portion médiane de première partie est simplement engagez dans l'alésage, sans interposition de joints d'étanchéitei De préférence, la portion médiane de première partie comprend une gorge annulaire centrale péripbérique dont le fond communique avec l'alésage radial médian, la gorge annulaire assurant la communication entre l'alésage radial médian et- la seconde extrémité du corps creux quelque soient les orientations de l'ale'sage radial médian. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisa ;ion particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'une structure de clapet selon l'invention - la figure 2 représente le corps creux d'amenée de gaz - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale partielle de la partie tubulaire de conduction de liquide - la figure 4 est une vue de face de la même partie tubulaire - la figure 5 illustre l'assemblage du corps creux et de la partie tubulaire - la figure 6 montre à plus grande échelle le détail de forme du siège et de la bille formant le clapet ; et - les figures 7 à 10 illustrent les étapes du procédé d'assemblage de la partie tubulaire dans le corps. La figure 1 représente un mode de réalisation particulier de la structure de clapet antiretour et régulateur selon l'invention, en vue partielle en coupe longitudinale. La structure est conçue pour permettre I'introduction contrôlée d'un gaz admis par un orifice d'entrée 1, dans un liquide parcourant une canalisation de liquide 2. La structure comprend une partie tubulaire 3 formant une portion de canalisation de liquide entre une extrémité d'entrée de liquide 4 et une extrémité de sortie de liquide 5. Un corps 6 creux, solidaire de la partie tubulaire 3, définit une canalisation 7 d'amenée de gaz, pour amener le gaz depuis l'orifice d'entrée 1 jusqu'à une seconde extrémité 8 se raccordant à la partie médiane de canalisation 2 de liquide. Depuis l'orifice d'entrée 1 en direction de la seconde extrémité 8, le corps 6 comprend un premier alésage 9 de grand diamètre et de profondeur relativement faible, suivi d'un second alésage 10 de diamètre plus faible, lui-même suivi d'un troisième alésage 11 due diamètre inférieur à celui du second alésage 10, et se terminant par un quatrième alésage 12 de diamètre encore plus faible réalisant la canalisation 7. Les alésages successifs sont coaxiaux. Un siège rapporté 13 est introduit et fixé dans le second alésage 10. Le siège 13 comprend un trou axial 14, de faible diamètre, assurant la communication entre le premier alésage 9 et le troisième alésage 11.Le siège 13 comporte une face d'entrée 15 plane et une face de sortie 16 conformée de la manière suivante : la périphérie de la face de sortie 16 est plane pour s'adapter sur un épaulement rejoignant le second alésage 1Q et le troisième alésage 11, tandis que sa partie centrale est conformée en cône 17 concave, dont le sommet est orienté en direction de l'orifice d'entrée de gaz 1. L'angle au sommet du cône 17 est avantageusement égal a' 90 degrés environ, et le fond du cône correspond à l'orifice du trou 14. Le cône 17 forme la paroi d'entrée du troisième alésage 11. Une bille sphérique 18 est logée dans le troisième alésage 11. Son diamètre est légèrement inférieur au diamètre du troisième alesage 11. La bille 18 est repoussée contre le cône 17 par un organe élastique 19. Dans le mode de réalisation représenté, l'organe élastique 19 est un tube en élastomère, -coaxial avec le troisième alésage 11. Son trou central axial met en communication la canalisation 7 et l'espace occupé par la bille 18. L'organe élastique 19 s'appuie à se première extrémité sur la bille 18, et s'appuie à sa seconde extrémité sur un épaulement à l'interface entre le troisième alésage 11 et le quatrième alésage 12. L'organe élastique 19, dans le mode de réalisation représenté, est avantageusement constitué d'un tube en fluocarbone, permettant de réaliser un organe élastique dont les dimensions sont très précises et dont les qualités d'élasticité sont stables et a' faible dispersion. La figure 6 représente, à plus grande échelle, la zone de contact entre la bille 18 et le cône 17 du siège 13. La bille 18 vient en appui dans le cône 17 selon une zone annulaire de contact 20 de cône en forme de couronne sphérique de même diamère que la bille, de largeur t égale à 0,05 millimètres environ. Selon l'invention, la réalisation de la zone annulaire de contact 20 du cône est assurée par frappe de la bille 18 -dans le fond du cône 17. Pour cela, on réalise une bille 18 en un acier traité dur, par exemple de dureté égale à 60 HRC environ sur l'échelle ROCRWELL, et un siège 13 en laiton. Lors du montage, on loge lé bille 18 dans le fond du cône 17, et on applique sur la bille 18une impulsion mécanique dans le sens représenté par la flèche 21 vers le cône. L'intensité de l'impulsion est choisie pour imprimer de manière irréversible dans le cône la forme de la bille 18 dans la zone annulaire de contact 20, par écrasement superficiel du métal congtituant le siège 13.De cette façon, dans la zone annulaire de contact 20, le métal constituant le cône 17 présente une dureté superficielle accrue, et épouse très rigoureusement la forme de la bille 18. Ces deux résultats ont pour effet de permettre une régulation très précise du débit de gaz commandé par le clapet, cette qualité de régulation étant constante dans le temps et n'étant pas affectée notamment par les problèmes d'usure éventuels par suite de frottements de la bille 18 sur le cône 17. On peut avantageusement utiliser une bille dont le diamètre est de 8 millimètres environ, et un organe élastique 19 dont le diamètre extérieur est très peu inférieur au diamètre du troisième alésage 11. Dans le mode de réalisation de la figure 1, la structure de clapet selon l'invention comprend deux parties distinctes principales, à savoir la partie tubulaire 3 et le corps 6. On a représenté, sur la figure 2, le corps 6 avant assemblage. Les alésages 9, 10, 11 et 12 sont coaxiaux et forment une première canalisation ou premier logement axial constituant la canalisation d'amenée de gaz. Le corps 6 comporte un alésage transversal traversant 22, de forme cylindrique de révolution, communiquant dans sa partie centrale avec le premier logement axial par l'orifice 23. L'alésage transversal 22 est destiné à recevoir et retenir la partie tubulaire 3 telle que représentée sur les figures 3 et 4. La partie tubulaire 3 comporte un alésage axial traversant formant la canalisation 2 de liquide, et un alésage radial médian 24 communiquant avec l'alésage axial 2. Les parties proches des extrémités 4 et 5 présentent une surface extérieure conformée pour l'adaptation étanche de tubes de canalisation, pour former la canalisation de conduite de liquide. Ces parties comportent, de façon connue, des nervures annulaires telles que la nervure 25. La portion médiane 26 de la partie tubulaire 3 présente une surface externe cylindrique de révolution, l'alésage radial 24 débouchant dans la partie centrale de cette portion médiane 26. De préférence, la zone centrale de la portion médiane 26 comprend une gorge annulaire centrale périphérique 27 dont le fond communique avec l'alésage radial médian 24. La gorge annulaire 27 est destinée à correspondre avec l'orifice 23 du corps 6, pour assurer la communication entre l'orifice 23 et l'alésage radial 24. La portion médiane 26 de la partie tubulaire 3 présente une circularité dont la précision est au moins égale à 0,004 millimètres, et un état de surface à faible rugosité défini par le paramètre Ra inférieur à 0,4 microns. Simultanément, l'alésage cylindrique transversal 22 présente un état de surface à faible -rugosité défini par le paramètre Ra inférieur à 0,4 microns et une circularité dont la précision est au moins égale à 0,004 millimètres. Le diamètre initial de la portion médiane 26 de partie tubulaire 3 est légèrement supérieur au diamètre initial de l'alésage transversal 22, la différence entre-les diamètres étant comprise entre 15 et 25 microns.Après assemblage, la partie tubulaire 3 et le corps 6 sont solidarisés l'un à l'autre comme le représente la figure 5, la partie tubulaire 3 étant insérée dans l'alésage transversal 22 du corps 6 et venant porter dans ledit alésage transversal 22 par sa portion médiane 26. Dans cette position, l'orifice 23 de la canalisation 7 communique avec la gorge 27 qui elle-même communique avec l'alésage radial 24, qui lui-meme communique avec la canalisation de liquide 2. Le procédé d'assemblage de la partie tubulaire 3 dans le corps 6 est illustré sur les figures 7 à 10 : sur la figure 7, on part d'un corps 6 comportant les alésages définissant la canalisation d'amenée de gaz et l'alésage transversal 22 ; sur la figure 8, on introduit partiellement le corps 6 dans un manchon chauffant 28, laissant dépasser hors du manchon la zone occupée par l'alésage transversal 22 ; on chauffe le corps 6, tout en maintenant à froid la partie tubulaire 3 qui est encore à distanee du manchon 6 ; on introduit ensuite la partie tubulaire 3 dans l'alésage transversal 22 pour centrer ladite partie tubulaire 3 par rapport au corps 6. Le centrage peut être favorisé en prévoyant une butée 29, solidaire du manchon 28, contre laquelle vient porter une portion de la partie tubulaire 3 en fin d'introduction. Lorsque la partie tubulaire 3 est en appui sur la butée 29, sa partie médiane 26 est centrée dans L'alésage transversal 22 et les orifices assurent la communication entre les canalisations de gaz et de liquide. On retire alors le manchon 28 et on laisse refroidir l'ensemble. Lors de l'étape d'échauffement représentée sur la figure 8, la zone de l'alésage transversal 22 s'échauffe par conduction, et se dilate, de façon que son diamètre devienne légèrement supérieur au diamètre extérieur de la partie tubulaire 3. Cette dilatation permet alors l'introduction de la partie tubulaire 3 dans l'alésage transversal 22 comme le représente la figure 9. Après égalisation des températures du corps 6 et de la partie tubulaire 3, la partie tubulaire 3 se trouve maintenue en force dans le corps 6 par une liaison très solide et étanche. La présence de la gorge 27 évite d'avoir à orienter de manière précise la partie tubulaire 3 dans l'alésage transversal 22 pour faire correspondre l'alésage radial 24 avec l'orifice 23. L'adaptation de la partie tubulaire 3 est ainsi considérablement simplifiée. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 - Structure de clapet antiretour et régulateur pour introduction d'un gaz dans un liquide, comprenant ùne partie tubulaire (3) formant une portion de canalisation de --liquide entre une extrémité d'entrée (4) de. liquide et une extrémité de sortie (5) de liquide, - un corps creux (6), solidaire de la partie tubulaire (3) et définissant une canalisation d'amenée de gaz entre un premier orifice d'entrée (1) de gaz et une seconde extrémité (8) qui se raccorde à la partie médiane de canalisation de liquide (2), - une bille d'obturation (18), logée dans le corps creux et sollicitée par un moyen élastique (19) également logé dans le corps creux la repoussant en direction de l'orifice d'entrée Cl)-de gaz dans le fond -d'un siège (13) sensiblement conique pour former clapet d'obturation de la canalisation d'amenée de gaz, caractérisée en ce que - le siège (13) sensiblement conique comprend une zone annulaire de contact (20) en forme de couronne sphérique de même diamètre que la bille (18) et constituant la zone de contact contre laquelle la bille vient porter sous l'action du moyen élastique (19). 2 - Structure de clapet selon la revendication 1, caractérisée en ce que le siège sensiblement conique (13) a un angle au sommet égal à environ 90 degrés. 3 - Structure de clapet selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la bille (18) a un diamètre d'environ 8 millimètres. 4 - Structure de clapet selon la revendication 3, caractérisée en ce que la couronne sphérique (20) de siège a une largeur (L) égale à 0,05 millimètres environ. 5 - Structure de clapet selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la bille (18) est réalisée en une matière plus dure que la matière constituant le siège (13). 6 - Structure de clapet selon la revendication 5, caractérisée en ce que le siège (13) est réalisé en laiton, et la bille (18) est en acier traité de dureté égale à 60 HRC environ de l'échelle Rockwell. 7 - Structure de clapet selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le moyen élastique (19) est une pièce en élastomère. 8 - Structure de clapet selon la revendication 7, caractérisée en ce que le moyen élastique (19) est un tube en élastomère, dont une première extrémité porte contre la bille (18), dont la seconde extrémité s'appuie sur un épaulement interne du corps creux. 9 - Structure de clapet selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que le moyen élastique est en fluocarbone. 10 - Structure de clapet selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend deux parties métalliques distinctes rapportées l'une dans l'autre - une première partie, formant la partie tubulaire (3) de conduction de liquide, comportant un alésage axial traversant constituant la canalisation de liquide (2), et comportant un alésage radial médian (24) communiquant avec l'alésage axial (2), et comportant une portion médiane (26) dont la surface externe est cylindrique de révolution, l'alésage radial (24) débouchant dans la partie centrale de ladite surface cylindrique externe de portion médiane (26), - une seconde partie, formant le corps creux (6), comportant une suite d'alésages coaxiaux (9, 10, 11, 12) constituant la canalisation d'amenée de gaz, et comportant un alésage transversal traversant (22) de forme cylindrique de révolution, communiquant dans sa partie centrale avec les alésages formant la canalisation d'amenée de gaz, et destiné à recevoir et retenir la portion médiane (26) de la partie tubulaire (3), - la portion médiane (26) de la partie tubulaire et l'alésage transversal (22) du corps (6) présentant tous deux un état de surface à faible rugosité défini par le paramètre Ra inférieur à 0,4 microns, et présentant tous deux une circularité dont la précision est au moins égale à 0,004 millimètres, - le diamètre initial de portion médiane (26) de partie cylindrique (3) est légèrement supérieur au diamètre initial de l'alésage transversal (22) du corps, la différence entre lesdits diamètres étant comprise entre 15 et 25 microns, - la portion médiane (26) de partie tubulaire (3) est simplement engagée dans l'alésage transversal (22) du corps (6) sans interposition de joint d'étanchéité. 11 - Structure de clapet selon la revendication 10, caractérisée en ce que la portion médiane (26) de première partie tubulaire (3) comprend une gorge annulaire (27) centrale périphérique dont le fond communique avec l'alésage radial médian (24), la gorge annulaire assurant la communication entre l'alésage radial médian (24) et la seconde extrémité (23) du corps creux. 12 - Procédé de réalisation d'une structure de clapet selon I'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - on réalise un siège conique (13) et une bille sphérique (18), la bille étant en une matière plus dure que le siège, - on dispose la bille (18) dans le fond du siège conique (13), - on frappe la bille (18) contre le fond du siège conique selon une impulsion telle que la bille déforme de manière irréversible le siège et réalise la zone annulaire de contact (20) en couronne sphérique. 13 - Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que - on réalise séparément une partie tubulaire (3) et un corps (6), - on introduit le corps (6) dans un manchon chauffant (28), en laissant accessible l'alésage transversal (22), de sorte que l'alésage transversal (22) se dilate et son diamètre devient légèrement supérieur au diamètre de portion médiane (26) de partie tubulaire (3), - on introduit la partie tubulaire (3) dans le corps chaud, en positionnant la portion médiane (26) dans l'alésage transversal (22-), - on retire le manchon chauffant (28) et on laisse refroidir, - de sorte que, après égalisation des températures, les deux parties sont solidarisées l'une à l'autre de manière étanche. 14 - Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le manchon chauffant est associé à une butée (29) contre laquelle vient porter une portion de la partie tubulaire (3) en fin d'introduction dans l'alésage transversal (22) du corps (6), de sorte que, lorsque la partie tubulaire (3) vient en butée, sa portion médiane (26) est centrée dans l'alésage transversal (22) du corps (6) et les orifices assurent la communication entre la canalisation de passage de liquide et la canalisation d'amenée de gaz.