Brevet FR2657140A1 — publié le 19910719

I Limiteur de débit d'un fluide La présente invention a pour objet un limiteur de débit d'un fluide. On entend par limiteur de débit d'un fluide, tout dispositif qui permet de réguler le débit d'un fluide compensé en pression Un tel dispositif est généralement constitué par une soupape automatique de limitation de débit d'un fluide et il a pour fonction d'une part de permettre le passage de fluide dans un sens jusqu'à une valeur de pression correspon- dante à un certain seuil prédéterminé, sans freinage important de ce fluide, et d'autre part de maintenir constant ce courant de débit quelle que soit la pression de charge. Il est habituel d'utiliser ce type de limiteur de débit d'un fluide partout o l'on sollicite un courant de fluide ayant une grandeur limitée et ceci indépendamment de la pression de service. C'est ainsi que de ces limiteurs de débit sont utilisés, notamment mais non exclusivement, comme soupapes de freinage à la descente de cylindres de levage à effet simple qui se trouvent soumis à une charge. Ces limiteurs de débit permettent, de cette façon, de réguler le débit du fluide comme une soupape de réglage du courant du fluide avec un contrôle de l'ouverture et/ou de la fermeture de la section destinée au passage du fluide A l'équilibre la force de précontrainte et la force hydraulique due à la différence de pression sont en équilibre. Différents types de limiteurs de débit de fluide sont actuellement connus Généralement, l'organe de soupape est constitué par un piston creux qui commande, par une arête de commande pratiquée dans sa jupe, la section d'ouverture du dispositif de soupape, et qui porte lui-même un diaphragme de mesure constitué par un trou dans le fond du piston de telle manière que d'une part le fluide passe à travers ce piston creux, et que d'autre part le diaphragme de mesure puisse se déplacer rigidement avec celui-ci. Dans le sens d'écoulement du fluide non régulé, il n'y a de cette façon aucune limitation du débit du fluide, mais uniquement une ouverture maximale Dans ce sens, la précontrainte qui agit sur l'organe de soupape s'exerce dans le même sens que la résistance au passage du courant de fluide. Ce type de réglage se trouve être indispensable dans le cas de limiteurs de débit d'un fluide dans lesquels le diaphragme agit comme un orifice de mesure. En effet, il s'avère que lorsque le fluide circule en sens inverse, c'est à dire dans un sens d'écoulement du fluide non régulé, le réglage du fluide s'effectue instantanément grâce à la mise en équilibre de la diffé- rence de pression, qui chute d'elle-même dès l'ouverture du dispositif de soupape. Or, ce type de limiteur de débit de fluide présente l'inconvénient d'entraîner un échauffement important dû à la résistance de freinage de l'ouverture du diaphragme dans le sens d'écoulement du fluide non régulé. Pour rémédier à cet inconvénient, il est habituel de placer une soupape de retenue, montée en parallèle comme soupape de limitation de fluide Cette soupape est fermée dans le sens d'écoulement du débit du fluide régulé et ouverte dans le sens d'écoulement du débit du fluide non régulé. Toutefois, la mise en place d'une telle soupape entraîne d'une part, une augmentation de l'encombrement du dispositif, et d'autre part génère une augmentation du coût de celui-ci De plus, dans le cas o le dispositif est soumis à une pression élevée, cette soupape de retenue se trouve être mal adaptée à supporter une telle charge. Afin de pouvoir utiliser des dispositifs de limitation de débit d'un fluide, et notamment mais non exclusivement dans le cas ou ce dispositif est soumis à une pression de charge élevée, il est connu d'avoir recours à des soupapes de limitation du débit d'un fluide dont la section d'ouverture du diaphragme, dans le sens d'écoulement du fluide non régulé, peut être déplacée automatiquement dans une position de libre passage, élargissant de cette façon la section d'ouverture et ceci indépendamment du dispositif de la soupape. C'est ainsi que dans un tel limiteur de débit, il est connu de relier un élément réglable formant un clapet d'étranglement du diaphragme de mesure avec un organe de la soupape réglable en fonction des positions de l'élément Le réglage de cette soupape s'effectue ainsi par paliers délimités. Il est aussi possible de pourvoir l'élément déplaçable du diaphragme de mesure qui est généralement un diaphragme à trous, d'un ressort de maintien, ou encore de le laisser librement flotter Toutefois, et de façon à obtenir une bonne limitation du débit des fluides, il est préférable que l'élément déplaçable soit guidé dans l'organe de soupape du dispositif. Toutefois, de tels limiteurs de débit sont généralement très complexes à réaliser, d'un entretien difficile et souvent d'un coût élevé. De plus, ils ne permettent un ajustement de la section d'ouverture de la soupape que pour des positions spécifiques, dans le cas de l'écoulement du fluide non régulé. Enfin, dans le cas o il est prévu un canal de contournement, dans le sens de l'écoulement non régulé du fluide, il est difficile de relier l'élément déplaçable à un organe de commande de la section de passage du canal de contournement. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, en fournissant un limiteur de débit qui assure, grâce à l'utilisation d'organes mécaniques constitutifs de conformation adaptée, dans le sens de l'écou- lement régulé et, dans le sens d'écoulement non régulé du fluide, un passage aisé de ce fluide De plus, il est simple à mettre en oeuvre, d'une grande solidité tout en étant d'un entretien commode. A cet effet, ce limiteur de débit d'un fluide pouvant être alternativement traversé par un fluide sous pression dans le sens d'écou- lement régulé et dans le sens de l'écoulement non régulé, se compose d'un corps comportant un alésage circulaire dont l'une de ses extrémités est fermée et dont l'autre ouverte est reliée à un appareil hydraulique, à l'intérieur duquel est monté un tiroir tubulaire de section circulaire guidé en translation dans l'alésage et déplaçable sous l'influence d'une différence de pression agissant à l'encontre de contraintes exercées par le fluide,et en ce que le tiroir comporte, ménagé dans sa partie centrale, un évidement annulaire dans lequel débouchent deux séries d'orifices ménagés dans le corps décalés axialement, ce tiroir présentant deux compartiments séparés par un épaulement central de telle manière que le compartiment situé du côté fermé du corps communique avec l'évidement annulaire par l'intermé- diaire d'au moins un alésage, ce compartiment contenant un clapet soumis à l'action de moyens élastiques le plaquant contre l'épaulement dans le sens de l'écoulement du fluide régulé, des moyens élastiques étant prévus pour exercer sur le tiroir une pression en direction de l'extrémité fermée du corps. Ce limiteur de débit d'un fluide permet au tiroir d'adopter automatiquement une position qui permette un équilibre constant des contraintes exercées par les pressions De cette façon, les variations de pressions extérieures qui règnent à l'entrée du limiteur de débit dans le sens du débit régulé sont sans influence sur la pression qui règne d'une part à l'extrémité ouverte du limiteur, et d'autre part, à l'extrémité fermée. Ce limiteur de débit d'un fluide permet, grâce à la disposition particulière du clapet et du tiroir dans le sens de l'écoulement du débit du fluide non régulé, au débit du fluide de s'écouler d'une part pour une quanti- té de fluide dans l'évidement annulaire, et d'autre part pour une autre quantité sensiblement plus importante de s'écouler à l'intérieur du tiroir tubulaire. De plus, la section circulaire du tiroir est conformée de manière à pouvoir supporter d'une part la contrainte exercée par la pression au niveau de son extrémité ouverte et d'autre part au niveau de son extrémité fermée. C'est ainsi que si S est la section du tiroir, P 2 la pression qui règne au niveau de son extrémité fermée et P 3 la pression qui règne au niveau de son extrémité ouverte, chacune de ses pressions P 2 et P 3 génère un effort défini par: pour la pression P 2, un effort de fermeture donné par l'équation P 25 pour la pression P 3, un effort d'ouverture donné par l'équation P 35. Or, l'équilibre est défini par l'équation P 2 S = P 3 S + To o To représente l'effort d'ouverture délivré par un ressort spirale qui maintient dans sa position de régulation le tiroir. Or la différence de pression P 2 P 3 = T o To est l'ouverture délivrée par le ressort spirale en maintenant le tiroir dans sa position de régulation, o To est une caractéristique constante du ressort. L'écart de pression dans l'orifice disposé en aval de la pièce support sur laquelle est fixé le limiteur de débit d'un fluide est constant et pour une valeur déterminée de sa section s, le débit Q du fluide reste constant et est défini par 2 (P 2 p 3) S 2 Q =l p: représente la masse volumique l P r r:représente le coefficent perte de charge Ce limiteur de débit du courant d'un fluide permet ainsi d'obtenir une circulation du fluide qui est constante et notamment grâce à l'évi- dément annulaire favorise un écoulement régulier et homogène du fluide à la fois dans le sens du débit régulé et dans le sens du débit non régulé. Selon une caractéristique intéressante de l'invention, au moins un alésage, ménagé radialement dans la paroi du corps tubulaire du clapet, permet le passage d'une certaine quantité de fluide à l'intérieur du clapet en direction de l'extrémité fermée du corps. Avantageusement, en coupe axiale la tête du clapet a une forme sensiblement de "U" dont les bords parallèles ont chacun une extrémité oblique de manière à venir se loger en butée contre l'épaulement du tiroir dans le sens de l'écoulement régulé. Cette position en butée du clapet, dans le sens du débit régulé, permet d'obturer l'alésage ménagé dans le tiroir de manière à permettre uniquement le passage du fluide à l'intérieur de l'alésage ménagé dans le corps du clapet. Selon une autre autre caractéristique intéressante de l'invention, les moyens élastiques pour maintenir le tiroir dans sa position sont cons- titués par un ressort spirale qui prend appui à l'une de ses extrémités contre le tiroir et à son autre extrémité contre une rondelle. Avantageusement, la rondelle sur laquelle prend appui l'une des extrémités du ressort de maintien du tiroir est en appui sur le corps par l'intermédiaire d'un jonc. Cet appui permet de rendre solidaire le ressort au tiroir et au corps, de manière à assurer une bonne adaptation de la position du tiroir qui autorise une correcte régulation du débit du fluide compensée en pression. Selon une autre caractéristique de cette forme avantageuse de réalisation de l'invention, les moyens élastiques pour maintenir le clapet dans sa position, sont constitués par un ressort spirale qui prend appui à l'une de ses extrémités contre le clapet et à son autre extrémité contre une rondelle. Avantageusement, la rondelle sur laquelle prend appui l'une des extrémités du ressort de maintien du clapet est solidaire du tiroir par sertissage mécanique Ce sertissage permet ainsi d'assurer une parfaite étanchéité du limiteur de débit d'un fluide. Selon une autre caractéristique intéressante de l'invention, le corps comporte dans sa partie médiane disposé entre les deux séries d'orifices, un filetage destiné à permettre sa mise en place sur un support correspondant. De toute façon l'invention sera bien comprise à l'aide de la descripition qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représen- tant à titre d'exemple non limitatif icesformesde réalisation du limiteur de débit selon l'invention. Figure I en est une vue en coupe axiale en position de repos. Figures 2 et 3 sont des vues similaires à la figure 1 en position dans le sens d'écoulement du fluide régulé et en position dans le sens d'écoulement non régulé. Figures 4 et 5 sont des vues d'une variante de réalisation en coupe axiale dans le sens de l'écoulement du fluide régulé. Figure 6 en est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de figure 4. Le limiteur de débit comme mieux représenté à la figure 1 en position de repos se compose d'un corps 1 comprenant un alésage intérieur circulaire dont l'une de ses extrémités 2 est fermée par l'intermédiaire d'un écrou 3 dont le taraudage vient se fixer sur un filetage interne corres- pondant L'autre extrémité 4 ouverte et peut être raccordée à un appareil hydraulique non représenté pour plus de clarté, tel que par exemple à la chambre de commande d'un cylindre de levage à simple effet d'une installation de levage de charge. A l'intérieur de ce corps 1, est monté un tiroir tubulaire 5 de section circulaire guidé en translation dans l'alésage et déplaçable sous l'influence de pression à l'encontre de contrainte exercée par le fluide Ce tiroir 5 comporte dans sa partie centrale un évidement annulaire 7 dans lequel débouchent deux séries d'orifices 8,9 radiaux de diamètre sensi- blement égal à 3 millimètres ménagés dans le corps et décalés axialement. Le tiroir 5 délimite deux compartiments 10,11 séparés par un épaulement central 12 de telle manière que le compartiment 10, situé du côté fermé du corps communique avec l'évidement annulaire 7 par l'intermédiaire d'une série de trous ménagés 13. Un clapet 14, inséré dans le compartiment 10, se compose d'un corps tubulaire 15 et d'une tête 16 de forme, en section axiale, sensible- ment de U dont les deux bords 16 a parallèles ont chacun une extrémité 16 b oblique de manière à venir en butée contre l'épaulement du tiroir dans le sens de l'écoulement régulé Le corps tubulaire 15 comporte ménagé dans la paroi de son corps I 5 a un alésage 15 b qui permet le passage d'une certaine quantité de fluide à l'intérieur du clapet en direction de l'extrémité fermée 2 du limiteur. Un ressort spirale 17 prend appui à l'une de ses extrémités contre le tiroir 5 et à son autre extrémité contre une rondelle 18, tandis que cette rondelle 18 prend appui sur le corps par l'intermédiaire d'un jonc 19. Un autre ressort spirale 20 prend appui à l'une de ses extrémités contre le clapet 14 et à son autre extrémité contre une rondelle 21, ce qui permet le maintien du clapet 14 contre l'épaulement dans le sens de l'écoulement du fluide non régulé Cette rondelle 21 est sertie mécani- quement de manière à assurer une bonne étanchéité du limiteur. Le corps comporte, dans sa partie médiane, disposé entre les deux orifices 8,9 un filetage 24 extérieur destiné à permettre sa mise en place sur un support correspondant et notamment son insertion dans un système hydraulique complexe. Comme mieux représenté à la figure 2, dans le sens de l'écou- lement du fluide régulé, le clapet 14 est entraîné dans une position o il vient en butée contre l'épaulement 12 et o il est maintenu par le ressort spirale 20 Le courant de fluide, et notamment mais non exclusivement de l'huile sous haute pression, entre par l'orifice 8 sous une pression PI, s'écoule dans l'évidement annulaire 7 ménagé dans le tiroir 5 sous une pression P 2, et ressort par l'orifice 9 sous une pression P 3 qui va exercer, sur la surface de l'extrémité ouverte 4 du limiteur de débit un effort d'ouverture défini par l'équation P 3 S Une certaine quantité de fluide soumis à la pression P 2 passe au travers de l'alésage 15 b, ménagé dans le corps 15 a du tiroir 15 du clapet 14 et s'écoule à l'intérieur du corps tubulaire 15 puis traverse la rondelle 21 en direction de la chambre 32 de l'extrémité fermée 2 du limiteur o il génère un effort de fermeture défini par l'équation P 25. C'est ainsi que, comme il l'a été décrit dans le préambule, cette circulation de fluide génère une différence de pression P 2 P 3, de telle manière que lorsque l'équilibre des efforts de fermeture et d'ouverture est atteint, la variation de la pression Pl est sans influence sur celle des pressions P 2 et P 3, et donc de ce fait sans influence sur le débit du fluide. A l'équilibre, les efforts exercés par les pressions P 2 et P 3 sur la surface de l'extrémité ouverte et de l'extrémité fermée 2 du limiteur, s'opposent à l'effort de la compression du ressort 17 Il y a ainsi un dépla- cement du tiroir 5 de manière à ce que la section de l'orifice 8 se réduise et se trouve quasiment obturée pour que cet équilibre soit atteint. Toutefois, il est important de noter que le débit est fonction de la section S de l'orifice 9 ainsi que des caractéristiques mécaniques du ressort 17, et donc de ce fait qu'un choix judicieux de ceux-ci et notamment lors de la conception et de la réalisation pratique de ce limiteur, permet de régler le débit du fluide selon les besoins de l'utilisation. Dans le sens de l'écoulement non régulé, c'est à dire dans le sens de circulation de l'extrémité ouverte 4 du corps vers l'extrémité fermée 2, comme mieux représenté à la figure 3, le fluide se divise en deux quantités différentes QI et Q 2 Une première quantité QI entre par l'orifice 9, circule à l'intérieur de l'évidement annulaire 7 et ressort par l'orifice 8, comme indiqué par la flêche 22 Une seconde quantité Q 2, plus importante que la première quantité QI, passe par le centre de la rondelle 18 et du ressort 17, et traverse le tiroir tubulaire 5, comme mieux montré par la flêche 23 Cette quantité Q 2, ressort par l'orifice 13 dont l'ouverture a été libérée, grâce au déplacement du clapet 14 sous l'action de l'effort exercé par la pression du fluide qui l'entraîne dans une position effacée o il ne se trouve pas en butée contre l'épaulement 12 La pression dynamique du fluide qui s'exerce et l'action combinée du ressort permettent de maintenir le clapet 14 dans cette position effacée Les deux quantités de fluide Qi et Q 2 se rejoingnent au niveau de l'orifice 8 de manière à permettre une circulation de ce fluide Il est certain qu'une certaine quantité de fluide passe toujours à travers l'alésage 15 b ménagé dans le corps du clapet 14 s'écoule à l'intérieur du corps tubulaire 15 puis traverse la rondelle 21 en direction de la chambre 32 de l'extrémité fermée 2 du limiteur. Il est à noter, que l'on peut raccorder, soit à l'extrémité ouverte 4 de ce limiteur de débit, dans le cas du fonctionnement en montée contrôlée, soit à l'extrémité fermée 2 de ce limiteur dans le cas du fonctionnement en descente contrôlée, tout appareil hydraulique, et notam- ment mais non exclusivement, à la chambre de commande d'un cylindre de levage de charge ou encore de tout autre dispositif hydraulique dont le fonctionnement nécessite une régulation du débit du fluide. Après alimentation, généralement sous huile à haute pression du limiteur, une quantité déterminée de fluide s'écoule par unité de temps, ce qui permet un abaissement contrôlé de la charge tandis que dans le cas ou l'alimentation se fait dans le sens du débit non régulé, il s'établit un courant non contrôlé d'huile sous pression et le cylindre peut alors soulever sa charge C'est ainsi, que grâce uniquement à simple inversion du sens d'écoulement régulé au sens d'écoulement non régulé, il est possible d'effectuer des opérations de levage et de descente de charges. Ce type de limiteur de débit de pression d'un fluide est généra- lement utilisé pour des pressions de l'ordre de plusieurs à quelques dizaines de bars Toutefois, l'alimentation ne se trouve pas uniquement limitée à cette gamme de pression d'utilisation. Les figures 4 et 5 représentent chacune une variante d'exécution de ce limiteur de débit d'un fluide. Dans ces variantes d'exécution, les mêmes éléments se retrouvent avec les mêmes références. Comme représenté sur ces figures 4 et 5, ce limiteur de débit comporte un canal 27 dans lequel débouchent deux séries d'orifices 28,29 de manière à permettre la mise en communication de l'évidement annulaire 7 avec la chambre 32 de l'extrémité fermée 2 du corps 1. Les moyens élastiques pour maintenir le clapet 14 dans sa position de butée contre l'épaulement 12 sont constitués par un ressort spirale 20 qui prend appui à l'une de ses extrémités contre le clapet 14 et à son autre extrémité contre un capuchon 33. Dans le sens de l'écoulement régulé, le fluide circule, dans la première forme de réalisation de cette variante comme illustré à la figure 4, dans le sens indiqué par la flêche 30 et, dans la seconde forme de réalisation, comme montré à la figure 5, dans le sens inverse comme indiqué par la flêche 30. Dans ces deux formes de réalisation, que ce soit dans le sens de l'écoulement du fluide régulé ou que ce soit dans le sens de l'écoulement du fluide non régulé, une certaine quantité de ce fluide passe par les orifices 28, s'écoule dans le canal 27, traverse les orifices 29 et débouche dans la chambre 32 de l'extrémité fermée 2 du corps l de ce limiteur. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de ce limiteur de débit de fluide qui a été décrite à titre d'exemple non limitatif, elle en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation et d'application en respectant le même principe. REVENDICATIONS 1 Limiteur de débit d'un fluide pouvant être alternativement traversé par un fluide sous pression dans le sens d'écoulement régulé et dans le sens de l'écoulement non régulé, caractérisé en ce qu'il se compose d'un corps ( 1) comportant un alésage circulaire dont l'une de ses extrémités est fermée ( 2) et dont l'autre ouverte ( 4) est reliée à un appareil hydraulique, à l'intérieur duquel est monté un tiroir tubulaire ( 5) de section circulaire guidé en translation dans l'alésage et déplaçable sous l'influence d'une différence de pression agissant à l'encontre de contraintes exercées par le fluide et en ce que le tiroir ( 5) comporte ménagé dans sa partie centrale un évidement annulaire ( 7) dans lequel débouchent deux séries d'orifices ( 8,9) ménagés dans le corps ( 1) décalés axialement, ce tiroir présentant deux compartiments séparés par un épaulement central ( 12) de telle manière que le compartiment ( 10) situé du côté fermé ( 2) du corps ( 1) communique avec l'évidement annulaire ( 7) par l'intermédiaire d'au moins un alésage ( 13), ce compartiment contenant un clapet ( 14) soumis à l'action de moyens élas- tiques ( 20) le plaquant contre l'épaulement dans le sens de l'écoulement du fluide régulé, des moyens élastiques ( 17) étant prévus pour exercer sur le tiroir une force de pression en direction de l'extrémité fermée du corps. 2 Limiteur de débit d'un fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un alésage ( 15 b), ménagé radialement dans la paroi ( 15 a) du corps tubulaire ( 15) du clapet ( 14), permet le passage d'une certaine quantité de fluide à l'intérieur du clapet en direction de la chambre ( 32) de l'extrémité fermée ( 2) du corps. 3 Limiteur de débit d'un fluide selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, en coupe axiale, la tête ( 16) du clapet ( 14) a une forme sensiblement de U dont les bords parallèles ( 16 b) ont chacun une extrémité oblique de manière à venir se loger en butée contre l'épaulement ( 12) du tiroir ( 5) dans le sens de l'écoulement régulé. 4 Limiteur de débit d'un fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens élastiques pour maintenir le tiroir dans sa position sont constitués par un ressort spirale ( 17) qui prend appui à l'une de ses extrémités contre le tiroir ( 5) et à son autre extrémité contre une rondelle ( 18). 5 Limiteur de débit d'un fluide selon la revendication 4, caractérisé en ce que la rondelle ( 18) sur laquelle prend appui l'une des extrémités du ressort de maintien ( 17) du tiroir ( 5) est en appui sur le corps 1 l ( 1) par l'intermédiaire d'un jonc ( 19). 6 Limiteur de débit d'un fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens élastiques pour maintenir le clapet ( 14) dans sa position en butée entre l'épaulement ( 12), sont constitués par un ressort spirale ( 20) qui prend appui à l'une de ses extrémités contre le cipet ( 14) et à son autre extrémité contre une rondelle ( 21). 7 Limiteur de débit d'un fluide selon la revendication 6, caractérisé en ce que la rondelle ( 21) sur laquelle prend appui l'une des extrémités du ressort ( 20) de maintien du clapet ( 14) est solidaire du tiroir ( 5) par sertissage mécanique. 8 Limiteur de débit d'un fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps comporte dans sa partie médiane disposé entre les deux séries d'orifices ( 8,9), un filetage ( 24) destiné à permettre sa mise en place sur un support correspondant. 9 Limiteur de débit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un canal ( 27) dans lequel débouchent deux séries d'orifices ( 2 29) de manière à permettre la mise en communication de l'évidement annulaire ( 7) avec la chambre ( 32) de l'extrémité fermée ( 2) du corps ( 1). Limiteur de débit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens élastiques pour maintenir le clapet ( 14) dans sa position en butée contre l'épaulement ( 12) sont constitués par un ressort spirale ( 20) qui prend appui à l'une de ses extrémités contre le clapet ( 14) et à son autre extrémité contre un capuchon ( 33).