Brevet FR2677425A1 — publié le 19921211

MEMBRANE METALLIQUE POUR VANNE A MEMBRANE La présente invention a pour objet une membrane métallique pour vanne à membrane. De façon connue, une vanne à membrane comprend un corps dans lequel sont ménagés des conduits d'amenée et d'évacuation du fluide, le conduit d'amenée débouchant dans une face en regard de laquelle est montée la membrane, qui, par déformation, est susceptible d'isoler ou de mettre en communication les conduits d'amenée et d'évacuation de fluide, en obturant ou non l'extrémité du conduit d'amenée du fluide qui forme un siège pour la membrane. Il est intéressant d'utiliser des vannes à membrane lorsque l'on recherche d'excellentes qualités d'étanchéité, une absence de pollution du fluide véhiculé, notamment en limitant au maximum les micro- particules susceptibles de se détacher des éléments constitutifs de la vanne, et lorsque l'on cherche à réduire au maximum les zones d'interstice qui sont incompatibles avec l'utilisation de fluide pur, compte tenu des cavités de faible volume que délimitent ces zones, o les particules peuvent s'accumuler, et d'o elles peuvent se détacher à tout moment En outre, dans ces zones d'interstice peuvent demeurer des quantités mêmes faibles de fluide résiduel qui ne peuvent être éliminées par rinçage Dans la mesure ou les fluides possèdent des propriétés chimiques agressives, ces zones de rétention augmentent les risques de corrosion. Une vanne à membrane présente, par rapport à une vanne à soufflet, l'avantage de limiter les zones d'interstice, et d'éviter les pertes de micro-particules de matière Encore faut-il que la membrane ne soit pas associée à un élément d'actionnement, tel qu'un ressort, qui est disposé dans la veine fluide, et qui risque lui aussi de libérer des particules dommageables. Une première solution consiste à utiliser une membrane plane Un tel type de membrane ne donne pas entièrement satisfaction du fait que la course entre la position fermée et la position ouverte de la vanne est faible, de telle sorte que le coefficient de débit est également limité En outre, il se produit, dans la zone périphérique de fixation de la membrane sur l'embase de la vanne, un fluage de la matière, ce qui se traduit par des fuites au niveau de la fixation. Une solution qui semblerait à priori intéressante consiste à utiliser une membrane ondulée qui permette d'augmenter la flexibilité ainsi que la course de la membrane Il n'en est rien car l'expérience montre que les ondulations de la membrane se traduisent par une rigidification de celle-ci, ainsi que par le ménagement de volume mort à l'intérieur des ondulations, qui sont autant de zones de rétention du fluide. Le but de l'invention est de fournir une membrane métallique pour vanne à membrane, qui assure une fermeture dans d'excellentes conditions d'étanchéité, notamment satisfaisant à un test d'étanchéité à l'hélium de 2.10 9 cm 3/seconde, qui soit actionnée uniquement en position de fermeture par un dispositif d'actionnement, et qui passe en position d'ouverture par elle-même compte tenu de sa forme, dès que le dispositif d'actionnement cesse d'agir, en offrant un coefficient de débit très important Cette membrane doit résister à la corrosion vis-à- vis des fluides agressifs du type de ceux utilisés en micro-électronique, posséder une durée de vie importante, réduire au maximum les zones d'interstice, ainsi que les volumes morts, et être susceptible d'être fixée sur l'embase de la vanne, soit mécaniquement, soit par soudage. A cet effet, la membrane métallique que concerne l'invention, se présentant sous la forme d'un disque, comporte, à partir de sa périphérie, une collerette plane destinée à prendre appui sur l'embase avec étanchéité, raccordée à la partie centrale sur laquelle est destiné à agir un dispositif d'actionnement, par plusieurs surfaces annulaires étagées depuis le plan d'appui de la membrane sur l'embase vers l'extérieur, ces surfaces annulaires étant successivement inclinées de la périphérie de la membrane vers le centre de celle-ci, et de l'embase vers le dispositif d'actionnement, et parallèles au plan d'appui de la membrane sur l'embase, lorsqu'aucune action n'est exercée sur la membrane. Cette membrane réalisée en un alliage rendant le matériau parfaitement inoxydable, possède un module d'élasticité très faible. Toutefois, la structure de cette membrane permet une excellente fixation de celle-ci au niveau de la collerette extérieure, et une déformation importante sous l'effet d'une faible contrainte, grâce à la structure étagée, permettant, en position ouverte de la vanne, d'obtenir un coefficient de débit élevé. Il est à noter que les contraintes métalliques dues à la déformation de la membrane ne sont pas transmises à la collerette extérieure de fixation sur l'embase de la vanne, en raison de la rigidité obtenue au niveau de cette collerette, grâce à la partie inclinée qui en est adjacente, et qui forme un bras de levier Le point d'appui de la membrane est reporté sur le bord supérieur de cette partie inclinée qui agit comme un arc-boutant et permet, au cours de la fermeture de la membrane, de réaliser une légère flexion assurant la déformation de toute la zone située à l'intérieur par rapport à ce bord, ainsi que son rappel en position haute lorsque cesse l'action exercée par le dispositif d'actionnement. Avantageusement, au repos et avant montage sur l'embase, la collerette extérieure forme un angle relevé de quelques degrés par rapport au plan d'appui sur l'embase. Dans ces conditions, lors du serrage de la membrane au niveau de sa collerette extérieure, le bord délimitant la collerette et la zone inclinée vient en appui sur la face plane de l'embase, et la pression exercée au niveau de ce bord limite les interstices constitutifs de zones de rétention de fluide Par ailleurs, les contraintes mécaniques de la collerette ainsi ramenées à l'horizontal augmentent l'efficacité du bras de levier de la zone inclinée adjacente. La dynamique obtenue par cet agencement est d'environ six fois celle d'une membrane plane correspondante La souplesse étant grandement accrue, assure d'excellentes conditions d'étanchéité. Selon une caractéristique de l'invention, la collerette extérieure est prolongée du côté de l'intérieur par une surface tronconique elle-même prolongée par une surface parallèle au plan d'appui sur l'embase, lorsque la membrane est au repos. Dans la mesure ou la fixation de la membrane est réalisée mécaniquement, cette surface annulaire parallèle au plan d'appui de l'embase, est en contact, en position ouverte de la membrane, avec la face correspondante d'une rondelle de serrage. Selon une forme d'exécution, la surface parallèle au plan d'appui sur l'embase est prolongée par une zone inclinée du côté du dispositif d'actionnement, elle-même raccordée à la partie centrale de la membrane. Avantageusement, la zone inclinée reliant la partie centrale à la surface parallèle au plan d'appui de l'embase est cintrée et possède sa surface concave tournée du côté de l'extérieur de la membrane. Cette dernière disposition permet de réaliser une flexion de la membrane sur toute la zone comprise entre la première surface inclinée reliée directement à la collerette extérieure, et la partie centrale formant obturateur proprement dit, et actionnée par le piston du dispositif d'actionnement Compte tenu de la souplesse de l'ensemble, et de la désolidarisation du piston et de la face extérieure de la membrane, celle-ci joue librement, ce qui augmente considérablement sa durée de vie Il est à noter que la rondelle évoquée précédemment, contre laquelle prend appui la membrane en position d'ouverture de la vanne, permet le maintien en forme de cette membrane, même si la pression du fluide est très élevée, ce qui concourt à l'amélioration de l'étanchéité d'une part, et à l'augmentation de la durée de vie de la membrane, en évitant que celle-ci subisse des déformations excessives La fiabilité de l'ensemble de la vanne se trouve ainsi renforcée. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, cette membrane comporte, en son centre, une excroissance de faible diamètre par rapport au diamètre de la partie centrale qui est lui-même supérieur au diamètre du siège ménagé à l'extrémité du conduit à obturer, résultantd'une déformation de la membrane vers l'extérieur, tandis que le piston du dispositif d'actionnement comporte un évidement complémentaire, destiné à recevoir cette excroissance, lorsque le piston est en contact avec la membrane. Cette excroissance rigidifie la partie centrale, ce qui favorise le bon contact de celle-ci avec le siège ménagé sur l'embase En outre, cette rigidification est importante compte tenu du fait que c'est cette partie centrale qui reçoit la pression du dispositif d'actionnement Enfin, l'évidement, tourné sur la face intérieure de la membrane, correspondant à l'excroissance faisant saillie de la face extérieure de celle-ci, contribue également à améliorer le coefficient de débit de la vanne. Avantageusement, et afin d'améliorer les performances d'étanchéité de la membrane, le piston de l'actionneur, de diamètre supérieur à celui du siège vis-à-vis duquel l'étanchéité doit être réalisée, comporte dans un plan parallèle à celui contenant sa face d'appui sur la membrane, une gorge périphérique délimitant au centre une épaisseur de matière de diamètre inférieur à celui du siège de l'embase de la vanne vis-à-vis duquel l'étanchéité doit être réalisée. Cet agencement confère au système une certaine souplesse lors de l'application de la membrane sur le siège par l'intermédiaire du piston Il est ainsi possible de compenser de légères irrégularités de planéité ou de géométrie, car la membrane a ainsi tendance à fluer vers l'intérieur de l'orifice d'obturation Cet agencement permet de fournir une excellente étanchéité, tout en mettant en oeuvre un piston réalisé en un matériau rigide Il est à noter que la mise en oeuvre d'un matériau trop souple pour réaliser le piston, d'une part, ne permet pas d'aboutir à une bonne étanchéité et, d'autre part, déforme de façon irréversible et dommageable la membrane. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de cette membrane et d'une vanne équipée de celle-ci: Figure I est une vue en coupe longitudinale d'une vanne équipée d'une membrane; Figure 2 est une vue en perspective d'une membrane selon l'invention; Figures 3 et 4 sont deux vues en coupe longitudinale de la membrane de figure 2 montée sur une embase de vanne, respectivement en position d'ouverture et en position de fermeture. La vanne représentée au dessin comporte une embase 2 surmontée par un bouton de manoeuvre 3 L'embase 2 comporte un corps 4 dans lequel sont ménagés un conduit 5 d'amenée de fluide et un conduit 6 d'évacuation du fluide, débouchant dans une face du corps 4, en regard de laquelle est montée une membrane métallique 7 La face de l'embase sur laquelle vient prendre appui la membrane métallique comporte une surface extérieure 8 en forme de couronne plane, entourée par un rebord périphérique tubulaire 9. Dans la forme d'exécution représentée au dessin, la face du corps de l'embase dans laquelle débouchent les conduits 5 et 6 présente un évidement conique 10 au centre duquel débouche le conduit 5 qui est entouré par une nervure arrondie 12 formant siège pour la membrane Cet agencement de l'embase est donné à titre d'exemple non limitatif, étant précisé que l'évidement 10 pourrait ne pas exister ou le siège 12 pourrait être réalisé différemment. Sur le corps de l'embase est vissée une bague 13, sur laquelle est monté le corps 14 du dispositif d'actionnement de la vanne dont le piston 15 est représenté au dessin Cette bague 13 prend également appui sur une rondelle 16 comportant un épaulement 17 destiné à assurer la fixation de la membrane sur la couronne plane 8 de l'embase, et un retour 18 prenant appui sur une partie de la face extérieure de la membrane Cette rondelle 16, de même que la bague 13, possède une ouverture centrale pour le passage du piston 15 du dispositif d'actionnement de la membrane. La membrane comprend de l'extérieur vers l'intérieur, une zone de fixation 20 en forme de collerette destinée à venir prendre appui contre la couronne 8 de l'embase, une surface tronconique 22, une surface annulaire 23 parallèle au plan d'appui de la membrane sur l'embase, venant au contact, en position de repos avec la rondelle 16, une surface inclinée 24, qui est courbe, et dont la surface concave est tournée vers l'extérieur, et une partie centrale 25 formant obturateur proprement dit et sur laquelle agit le piston 15. Cette partie centrale 25 comporte une excroissance 26 en son centre, tournée vers l'extérieur et obtenue par emboutissage Cette excroissance rigidifie la partie centrale. Pour sa part, le piston 15 comporte une extrémité 27 réalisée par exemple en une matière synthétique très dure, comportant un évidement central 28 permettant le logement de l'excroissance 26, ainsi qu'une gorge annulaire 29 ménagée dans un plan parallèle au plan contenant la face d'appui sur la membrane Cette gorge 29 délimite au centre de l'extrémité 27 du piston une épaisseur de matière de diamètre inférieur à celui du siège 12. Les figures 3 et 4 représentent une vanne équipée de cette membrane. A la figure 3, la vanne est en position d'ouverture, ce qui montre parfaitement le large passage offert au fluide, ainsi que la faiblesse des zones d'interstice La figure 4 représente la vanne en position fermée. Comme cela ressort de cette figure, la surface inclinée 22 agit comme un arc-boutant, et permet, dans une légère flexion, la déformation de toute la zone constituée par les surfaces 23 et 24, ainsi que le rappel de celles-ci en position haute lors de la remontée du piston Il est également intéressant de noter qu'en position de fermeture de la vanne, les zones mortes sont extrêmement limitées. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de cette membrane, ni à sa seule application décrites cidessus à titre d'exemples, elle en embrasse au contraire toutes les variantes. C'est ainsi, notamment, que le nombre d'étages successifs de la membrane pourrait être différent, que cette membrane pourrait être fixée sur l'embase par soudage, que le conduit d'évacuation de fluide pourrait ne pas déboucher, ou encore que la forme de l'embase pourrait être différente, sans que l'on sorte pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS I. Membrane métallique pour vanne à membrane, se présentant sous la forme d'un disque, caractérisée en ce qu'elle comporte, à partir de sa périphérie, une collerette plane ( 20) destinée à prendre appui sur l'embase avec étanchéité, raccordée à la partie centrale ( 25) sur laquelle est destiné à agir un dispositif d'actionnement ( 15, 27) par plusieurs surfaces annulaires ( 22, 23, 24) étagées depuis le plan d'appui sur l'embase vers l'extérieur, ces surfaces annulaires étant successivement inclinées de l'extérieur vers le centre de la membrane, et de l'embase vers le dispositif d'actionnement, et parallèles au plan d'appui de la membrane sur l'embase, lorsqu'aucune action n'est exercée sur la membrane. 2. Membrane métallique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au repos et avant montage sur l'embase la collerette extérieure ( 20) forme un angle relevé de quelques degrés par rapport au plan d'appui sur l'embase. 3. Membrane métallique selon l'une quelconque des revendications l et 2, caractérisée en ce que la collerette extérieure ( 20) est prolongée du côté de l'intérieur par une surface tronconique ( 22) elle- même prolongée par une surface ( 23) parallèle au plan d'appui sur l'embase, lorsque la membrane est au repos. 4. Membrane métallique selon la revendication 3, caractérisée en ce que la surface ( 23) parallèle au plan d'appui sur l'embase est prolongée par une zone ( 24) inclinée du côté du dispositif d'actionnement, elle- même raccordée à la partie centrale ( 25) de la membrane. 5 Membrane métallique selon la revendication 5, caractérisée en ce que la zone inclinée ( 24) reliant la partie centrale ( 25) à la surface parallèle au plan d'appui de l'embase est cintrée et possède sa surface concave tournée du côté de l'extérieur de la membrane. 6. Membrane métallique selon l'une quelconque des revendications l à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte, en son centre, une excroissance ( 26) de faible diamètre par rapport au diamètre de la partie centrale qui est lui-même supérieur au diamètre du siège ménagé à l'extrémité du conduit à obturer, résultant d'une déformation de la membrane vers l'extérieur, tandis que le piston ( 27) du dispositif d'actionnement comporte un évidement complémentaire ( 28), destiné à recevoir cette excroissance, lorsque le piston est en contact avec la membrane. 7. Membrane métallique selon la revendication 6, caractérisée en ce que le piston ( 27) de l'actionneur, de diamètre supérieur à celui du siège ( 12) vis-à-vis duquel l'étanchéité doit être réalisée, comporte dans un plan parallèle à celui contenant sa face d'appui sur la membrane, une gorge ( 29) périphérique délimitant au centre une épaisseur de matière de diamètre inférieur à celui du siège ( 12) de l'embase de la vanne vis-à-vis duquel l'étanchéité doit être réalisée.