Brevet FR2693533A1 — publié le 19940114

i Vanne à commande électrique et à boisseau distributeur totalement étanche. Domaine de l'invention La présente invention concerne une vanne de régulation à commande électrique et à boisseau distributeur totalement étanche destinée à être mise en oeuvre dans des environnements hostiles ou corrosifs tels que cryotechniques, radioactifs ou bactériens et nécessitant une étanchéité totale. Art antérieur On sait que dans les vannes à boisseau sphérique le transfert entre une entrée et une sortie de liquide est assuré au travers du boisseau, constitué d'une sphère pleine creusée d'un conduit et dont le déplacement est commandé par un dispositif d'entraînement manuel ou automatique. Ainsi, le document FR-A-2 539 204 montre une vanne à deux ou trois voies dont le boisseau est manoeuvrable par un ensemble moteur-réducteur électrique dont l'arbre de sortie est accouplé au carré de commande de la vanne. Toutefois, ce type de vanne motorisée, exemple classique de l'art antérieur, présente de nombreux inconvénients-: tout d'abord, l'encombrement est élevé du fait de la présence du dispositif d'entraînement qui forme une excroissance par rapport au corps de vanne; ensuite, dans le cas o l'on désirerait un fonctionnement sous pression élevée, il apparaîtrait des problèmes d'étanchéité dont la résolution s'avérerait particulièrement complexe et qui conduiraient à un accroissement du coût de la maintenance et du fonctionnement; enfin, ce type de vanne s'avère manifestement inadapté au transport de fluides dangereux. Objet et description succincte de l'invention Un but de l'invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur et de réaliser une vanne à commande électrique totalement étanche à même de fonctionner dans les environnements les plus variés. Un autre but de l'invention est de réaliser une vanne particulièrement compacte et pouvant être mise en oeuvre avec fiabilité pour des débits et pressions élevés. Ces buts sont atteints par une vanne étanche à commande électrique et à boisseau distributeur comportant un canal de distribution de fluide et au moins un canal de collecte de ce fluide, le déplacement en rotation du boisseau distributeur de cette vanne étant commandé par un actionneur, caractérisée en ce que cet actionneur comporte un rotor percé axialement et au travers duquel s'écoule sans perte de charge le fluide provenant du canal distributeur, son raccordement avec le corps de vanne étant réalisé de façon étanche sans utilisation de dispositifs d'étanchéité dynamique. La notable réduction de l'encombrement, tant en volume qu'en disposition, apportée par le placement de l'actionneur sur le canal distributeur ou collecteur, procure à la vanne selon l'invention une compacité exceptionnelle. En outre, la suppression des joints dynamiques habituellement nécessaires dans ce type de vanne pour assurer un raccordement étanche entre la vanne et l'actionneur permet un accroissement important de la longévité du dispositif ainsi qu'une meilleure fiabilité. L'actionneur comporte une chemise d'entrefer qui forme avec le corps de vanne une structure monobloc assurant le confinement du fluide. Cette structure monobloc qui peut être réalisée à partir de techniques classiques d'emboutissage facilite la réalisation de la vanne et en simplifie son montage avec sa maintenance. Avantageusement, le stator de l'actionneur peut aussi être immergé dans le fluide Dans cette configuration, pour laquelle il n'existe plus de chemise d'entrefer, le fluide se trouvant confiné par le seul carter stator, il est nécessaire que le fluide soit moins agressif pour assurer un fonctionnement correct de la vanne selon l'invention. Selon une première réalisation, la liaison entre le rotor de l'actionneur et le boisseau est réalisée au moyen d'un crabot. Selon une seconde réalisation, le rotor de l'actionneur et le boisseau forment un élément unique. De par la structure même de l'invention qui supprime toute poussée axiale générée par la pression du fluide sur la surface de l'arbre du boisseau, la reprise des efforts axiaux peut être réalisée par des roulements, voire même par de simples paliers lisses pour l'actionneur. De préférence, chaque sortie de fluide est munie d'un ensemble d'étanchéité à joints rétractables ou non. La vanne à boisseau distributeur de l'invention peut être transformée simplement en une vanne mélangeuse en inversant les voies d'entrée et de sortie du fluide, le canal de distribution constituant alors une voie de sortie et les canaux de collecte constituant des voies d'entrée. Selon une première caractéristique particulière, la commande de l'actionneur est du type en boucle ouverte, l'actionneur pouvant alors être un simple moteur pas-à-pas. Selon une seconde caractéristique particulière, la commande de l'actionneur est du type en boucle fermée et l'information de position alors nécessaire à ce type de commande peut être obtenue à partir d'un détecteur déterminant les différentes positions du boisseau ou bien évaluant les angles de rotation successifs de ce boisseau. Avantageusement, afin de faciliter le dimensionnement de l'actionneur, la vanne peut comporter un réducteur immergé disposé sur le canal de distribution entre le rotor de l'actionneur et le boisseau. Brève description des dessins D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront mieux à la lecture de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement un premier exemple de réalisation d'une vanne étanche selon l'invention, la figure 2 représente schématiquement un second exemple de réalisation d'une vanne étanche selon l'invention, la figure 3 représente schématiquement -un troisième exemple de réalisation d'une vanne étanche selon l'invention, la figure 4 montre un réducteur étanche fonctionnant avec une vanne selon l'invention, la figure 5 est un autre exemple schématique de réalisation d'une vanne selon l'invention, la figure 6 est un exemple de réalisation d'une vanne selon l'invention conforme au schéma descriptif de la figure 1, la figure 7 est un autre exemple de réalisation d'une vanne selon l'invention dans lequel le rotor de l'actionneur et le boisseau forment une structure monobloc, et la figure 8 est encore un autre exemple de réalisation d'une vanne selon l'invention dans lequel l'actionneur est totalement immergé. Description détaillée de modes particuliers de réalisation La figure 1 montre en coupe une représentation simplifiée d'une vanne étanche à commande électrique et boisseau distributeur selon l'invention. La vanne comporte principalement un boisseau sphérique 10 disposé dans un corps de vanne 11 et un actionneur électrique 12 Des canaux de distribution 13 et de collecte 14 assurent le transfert du liquide à distribuer ou à mélanger, selon la fonction allouée à cette vanne, au travers du boisseau comme de l'actionneur. Le boisseau sphérique 10 comporte un perçage axial 100 et un coude interne à 90 110, et le corps de vanne 11 comprend au niveau de chaque interface de sortie fluide des ensembles d'étanchéité, par exemple un joint torique 15. L'actionneur électrique 12 comporte d'une part un rotor 120 percé axialement et solidaire par son arbre 121 du boisseau 10 et d'autre part un stator 122 dont la carcasse ou le carter 123 est solidaire du corps de vanne 11 Le rotor qui est immergé dans le fluide comporte par exemple des aimants permanents 124, le stator pouvant alors être simplement bobiné La liaison solidaire entre l'arbre du rotor et le boisseau peut être réalisée par un dispositif d'accouplement quelconque, par exemple à l'aide d'un crabot 125. Le fonctionnement d'une telle vanne est particulièrement simple, le positionnement angulaire de l'ensemble rotor-boisseau étant obtenu par un envoi de courant dans les bobinages stator de l'actionneur Il est alors possible d'orienter et de réguler le débit de fluide vers l'un quelconque des canaux de collecte ou encore d'assurer une répartition de débit entre deux sorties placées à 90- Il est évident qu'une telle réalisation permet une grande souplesse dans la collecte comme dans la distribution des fluides Le fonctionnement en vanne distributrice ou mélangeuse est possible en intervertissant les entrées et les sorties de fluide, les interfaces de sortie pouvant être multiples, par exemple au nombre de quatre, chacune disposée à 90 e. De même, si la vanne décrite ci-avant comporte un boisseau sphérique et un actionneur du type autosynchrone sans balais, il est évident que l'invention ne se limite pas à ces seuls boisseau et moteur particuliers mais que d'autres types de boisseau ou de moteur peuvent pareillement être mis en oeuvre Par exemple, il peut être envisagé un stator du type à aimants permanents dont le déplacement est réalisé manuellement par un dispositif quelconque. La figure 2 représente de façon simplifiée une vanne dont le boisseau est réduit à une calotte sphérique 20 et dont l'actionneur est formé par un moteur à réluctance variable 22 Cet actionneur comporte d'une part un rotor immergé à réluctance variable 220, percé axialement, et dont l'arbre 221 est solidaire de la calotte sphérique 20, et d'autre part un stator bobiné 222 encastré dans une carcasse 223 solidaire du corps de vanne 21. La liaison entre le boisseau et le rotor est indissociable, l'axe du rotor 221 et la calotte sphérique 20 formant une pièce unique Comme précédemment, un ensemble d'étanchéité pourra être disposé au niveau de chaque interface de sortie fluide (dans un souci de simplification, les bagues ou dispositifs analogues maintenant en place le joint 25 n'ont pas été représentés). De même, la figure 3 montre schématiquement une vanne à boisseau conique 30 percée axialement et munie d'un coude interne à 90-, commandée par un moteur pas-à-pas 32 Cet actionneur 32 comporte d'une part un rotor discoïdal 320 monté sur un cylindre tubulaire 321 et immergé dans le fluide et d'autre part un stator bobiné 222 disposé de part et d'autre de ce disque rotorique et solidaire du corps de vanne 31 Le boisseau 30 et le cylindre tubulaire portant le rotor forment une pièce unique, l'étanchéité des interfaces de sortie fluide étant ici réalisée par le seul contact cône sur cône du boisseau avec le corps de vanne. Les trois exemples schématiques de réalisation précédents ne sont pas les seuls possibles Il peut être fait recours à un boisseau cylindrique et à d'autres types de moteurs comme des moteurs à balais à rotor bobiné et stator à aimants permanents ou des moteurs couples par exemple En fait, tous types de moteurs électriques sont utilisables, le choix de l'un ou l'autre dépendant notamment du fluide véhiculé Ainsi, dans le cas d'un rotor non bobiné à aimants permanents, on veillera à pourvoir ces derniers d'une protection suffisante pour éviter leur oxydation. Si le fluide le permet, c'est-à-dire s'il n'est pas corrosif, le stator peut être également immergé, et le confinement du fluide, assuré préalablement par une chemise d'entrefer placée entre le stator et le rotor, est alors réalisé directement par le carter stator Dans ces deux cas, rotor seul immergé ou rotor et stator immergés, la vanne selon l'invention pourra supporter des pressions élevées, le liquide étant confiné soit par la carcasse statorique solidaire du bâti de la machine incorporant la vanne, soit par la chemise d'entrefer pour laquelle le stator se comporte alors comme une frette. On veillera tout particulièrement au choix des différents matériaux mis en oeuvre quant à leurs aspects magnétique et mécanique En outre, dans le cas de distribution de fluides alimentaires, les matériaux utilisés devront répondre aux normes en vigueur en matière d'hygiène et de sécurité. En ambiance cryotechnique, on privilégiera le recours à des matériaux compatibles avec l'ambiance de travail, notamment du point de vue thermique et vibratoire, la fonction électromagnétique et le fluide véhiculé, les très basses températures ayant pour effet de diminuer la résistivité des bobinages, de réduire la puissance électrique nécessaire et d'accroître la fiabilité de l'ensemble Notons qu'un fonctionnement supraconducteur est aussi envisageable. Dans de nombreuses applications, la commande du déplacement en rotation du boisseau sera réalisée directement par l'actionneur Toutefois, pour certaines applications spécifiques dans lesquelles un couple important serait nécessaire pour actionner ce boisseau, il pourra être intéressant de placer un réducteur immergé entre l'actionneur et le boisseau. La figure 4 montre un tel réducteur 34 comprenant une première roue dentée 35 solidaire de l'axe du rotor et une seconde roue dentée 36 solidaire du boisseau Chacune de ces deux roues est en prise avec deux pignons dentés 350, 351; 360, 361 disposés de façon diamétralement opposée, les axes de rotation 37, 38 des pignons situés d'un même côté étant communs Avec une telle structure, le rapport de réduction, fonction du rapport des diamètres des différentes roues et pignons, peut être évalué simplement. Le corps du réducteur 39, dans lequel reposent les axes de rotation 37, 38 des pignons dentés 350, 360; 351, 361, est relié d'une part à la carcasse statorique 123, 223, 323 de l'actionneur et d'autre part au boisseau 10, 20, 30 Il peut être noté que, pour faciliter le contrôle du couplage entre l'actionneur et le boisseau, il est tout à fait possible d'utiliser des embrayages ou des freins Le couplage réalisé sera alors du type continu ou du type tout ou rien selon la nature du dispositif employé. La figure 5 est un autre exemple schématique de réalisation d'une vanne selon l'invention dans lequel le corps de vanne et la carcasse statorique forment un même corps 41, le boisseau 40 présentant une structure cylindrique intégrant le rotor 42 de l'actionneur Le boisseau est percé axialement et est muni d'un coude interne à 90 ' Il doit être noté que cet angle est donné à titre indicatif et préférentiel, mais d'autres angles d'entrée/sortie peuvent parfaitement être choisis. La figure 6 est un premier exemple de réalisation d'une vanne selon l'invention mise en oeuvre conformément aux principes définis en regard de la figure 1 Les éléments identiques portent les mêmes références On retrouve le boisseau sphérique 10 dont l'arbre 100 est accouplé par un crabot 125 à l'arbre 121 du rotor 120 à aimants permanents 124 L'arbre du boisseau est libre en rotation par rapport au corps de vanne 11 par l'intermédiaire de deux paliers à roulements 101, 102 et l'arbre du rotor tourne librement dans la chemise d'entrefer formant également la carcasse statorique 123, grâce aux paliers lisses 103, 104. L'utilisation de paliers lisses au niveau de l'actionneur est justifiée par les faibles charges que subissent ces paliers, l'essentiel des efforts mis en jeu étant supporté par les paliers de roulements du boisseau, qui, par exemple, peuvent être du type à gorge profonde. Toutefois, il peut être noté que la reprise des efforts axiaux réalisée par ces paliers peut être répartie différemment. La liaison carcasse statorique-corps de vanne est réalisée par des vis de fixation 105 non représentées Les ensembles d'étanchéité 15 disposés au niveau des interfaces de sortie fluide sont des dispositifs rétractables comportant un joint supporté par un porte-joint 151, le contact du joint avec le boisseau étant maintenu à l'aide d'un ensemble élastique 152 reposant d'une part sur le corps de vanne et d'autre part sur le porte-joint. Des joints toriques 106, 107, 108 d'étanchéité statique sont placés respectivement entre le canal de distribution (d'arrivée) de fluide 13 et la carcasse statorique 123, entre la carcasse statorique 123 et le corps de vanne 11 et entre le corps de vanne 11 et le canal de collecte (de sortie) de fluide 14 Pour des raisons de réalisation pratique, le corps de vanne 11 est réalisé en plusieurs parties nécessitant alors l'adjonction de joints d'étanchéité supplémentaires 109 et 110. Notamment, l'extrémité libre de l'arbre 100 du boisseau peut être accessible en retirant un couvercle 111 fixé au corps de vanne et comportant un dispositif de mesure de la position du boisseau 112 destiné à coopérer avec une bague 113 solidaire de l'arbre 100 de ce boisseau Cette mesure peut être réalisée par un capteur à réluctance variable ou à fibre optique ou d'un tout autre type Cette localisation du capteur en bout d'arbre de boisseau n'est pas obligatoire et celui-ci peut parfaitement être positionné à l'extrémité libre de l'arbre du rotor 121 ou bien encore à la jonction des deux arbres De même, il peut être totalement immergé ou placé simplement à sec Dans ce cas, une sortie d'arbre de faible diamètre sera alors nécessaire Sa présence même n'est pas toujours obligatoire et dépend essentiellement du type de commande délivrée à l'actionneur. Ainsi, dans le cas d'une commande de l'actionneur en boucle ouverte, par exemple si cet actionneur est un moteur pas-à-pas, la détection de la position du boisseau n'est pas nécessaire Il en est de même en cas d'activation manuelle du stator Au contraire, si la commande de l'actionneur est réalisée en boucle fermée, il est indispensable de disposer d'une information sur la position de ce boisseau. Celle-ci peut alors provenir d'un capteur indiquant différentes positions déterminées prises par le boisseau ou bien d'un système de mesure plus élaboré donnant l'angle de rotation du boisseau. La structure de la vanne selon l'invention, telle que décrite précédemment, est remarquable en ce qu'elle permet une réduction d'encombrement appréciable notamment par le fait que, au contraire d'un actionneur classique tel que celui décrit dans le document FR-A-2 539 204 précité, qui commande le boisseau du côté opposé au canal distributeur, l'actionneur de l'invention se trouve du côté de la tuyauterie de raccordement par laquelle un passage doit nécessairement être pratiqué Il y a seulement lieu de noter un léger accroissement du diamètre sur une faible longueur. Mais surtout, en supprimant tout problème d'étanchéité dynamique, l'actionneur selon l'invention permet une longévité et une fiabilité accrues ainsi qu'une maintenance réduite En effet, la suppression de tous joints dynamiques a pour conséquence d'éviter toute consommation de couple au niveau de ce joint. Il est en outre essentiel de noter que la suppression de l'étanchéité d'arbre classique provoque une suppression de la poussée axiale usuellement générée par la pression du fluide sur la surface de cet arbre Or, cette poussée peut être très importante Ainsi, pour un diamètre interne d'arbre du boisseau de 30 mm avec un débit de 4 kg/s d'hydrogène liquide sous 200 bars de pression, on atteint une poussée de près de 10490 N, valeur qu'il faut comparer à l'effort axial généré par le changement de direction de l'écoulement du fluide qui peut être évalué à 310 N. On constate donc d'une part pour un dispositif classique avec joint d'arbre dynamique un effort axial total de 10 800 N et d'autre part pour un dispositif conforme à l'invention un effort axial total réduit à 310 N, soit seulement environ 3 % du précédent. Il en résulte une notable simplification du système de reprise des efforts axiaux qui, comme cela a été indiqué plus haut, peut se limiter à de simples paliers sans butées A l'extrême, du fait de l'absence de perte de charge ou en tous cas de pertes très faibles, liée à l'utilisation d'une vanne à boisseau et à l'écoulement axial, sans changement de courbure, au niveau de l'actionneur, il peut être envisagé pour cet actionneur un fonctionnement sans roulements, mais à entrefer mécanique faible, de l'ordre de 1 à 4 dixièmes de millimètre. La figure 7 montre un tel exemple de réalisation dans lequel l'arbre de rotor et le boisseau forment une pièce unique 50 maintenue par les seuls roulements 101 et 102 On peut remarquer que, dans cette réalisation, la carcasse statorique 123 est séparée de la chemise d'entrefer qui forme avec le corps de vanne une structure monobloc 115, laquelle peut avantageusement être réalisée en tôle légère emboutie Toutefois, il est aussi possible de rapporter cette chemise sur le corps par soudure Les autres éléments, identiques à ceux précédemment décrits, ne seront pas à nouveau explicités On remarquera seulement que la vanne représentée est une vanne à trois voies (une entrée, deux sorties) et que chaque voie est munie d'un ensemble d'étanchéité 15 Comme précédemment, un joint torique statique 118 est disposé entre le corps monobloc 115 et le second canal de collecte 24. Cette réalisation, comme la précédente, de par la présence du boisseau, autorise des débits et des pressions élevés de l'ordre de 200 bar et plus, et assure, même à ces pressions, une étanchéité très performante, les roulements robustes 101 et 102 reprenant sans difficulté les efforts générés par la pression du fluide en position fermée. La figure 8 est un troisième exemple de réalisation d'une vanne étanche à commande électrique et à boisseau distributeur selon l'invention, dans lequel le rotor et le stator sont tous deux immergés En outre, l'arbre du rotor et le boisseau de forme cylindrique forment une pièce unique 60 supportée par des roulements 116, 117 placés à chaque extrémité de cette pièce. L'actionneur totalement immergé 62 est du type moteur à balais avec un rotor bobiné 624 et un stator à aimants permanents 622 On peut voir sur la figure 8 les balais 620 qui viennent frotter sur le collecteur 621. Pour faciliter le montage du moteur, le corps de vanne qui englobe aussi l'actionneur est réalisé en deux parties 11, 61 reliées par des éléments de fixation 63, l'étanchéité statique étant assurée par un joint torique 64. Des joints toriques 106 et 108 assurent respectivement l'étanchéité statique entre le canal de distribution 13 et la partie haute du corps de vanne 61 et entre la partie basse du corps de vanne 11 et le canal de collecte 14. REVENDICATIONS 1 Vanne étanche à commande électrique comportant un canal de distribution de fluide et au moins un canal de collecte de ce fluide, le déplacement en rotation du boisseau distributeur de cette vanne étant commandé par un actionneur, caractérisée en ce que cet actionneur comporte un rotor ( 120) percé axialement et au travers duquel s'écoule sans perte de charge le fluide provenant du canal distributeur ( 13), son raccordement avec le corps de vanne ( 11) étant réalisé de façon étanche sans utilisation de dispositifs d'étanchéité dynamique. 2 Vanne étanche selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit actionneur comporte entre le rotor ( 120) et un stator ( 122) une chemise d'entrefer qui forme avec le corps de vanne une structure monobloc ( 115) assurant le confinement du fluide. 3 Vanne étanche selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que ledit actionneur est du type à aimants permanents, le rotor ( 120) étant mobile sous l'action d'un stator à activation manuelle. 4 Vanne étanche selon la revendication 1, caractérisée en ce que le stator est également immergé dans le fluide, le confinement du fluide étant alors assuré directement par le carter ( 11,61) de ce stator ( 622). 5 Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la liaison entre le rotor de l'actionneur et le boisseau est réalisée au moyen d'un crabot ( 125). 6 Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le rotor de l'actionneur et le boisseau forment un élément unique ( 50, 60). 7 Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la reprise des efforts axiaux générés par la pression du fluide est réalisée par des roulements ( 101, 102, 116, 117). 8 Vanne étanche selon la revendication 7, caractérisée en ce que la reprise des efforts axiaux générés par la pression du fluide au niveau de l'actionneur est réalisée par de simples paliers lisses ( 103, 104). 9 Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que chaque sortie fluide est munie d'un ensemble d'étanchéité ( 15). 10 Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le canal de distribution ( 13) constitue une voie de sortie du il fluide et en ce que les canaux de collecte ( 14) constituent des voies d'entrée du fluide, formant ainsi une vanne mélangeuse. 11 Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la commande de l'actionneur est du type en boucle ouverte. 12 Vanne étanche selon la revendication 11, caractérisée en ce que l'actionneur est constitué par un moteur pas-à-pas ( 32). 13 Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la commande de l'actionneur est du type en boucle fermée. 14 Vanne étanche selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un détecteur de certaines positions prédéterminées du boisseau ( 112). Vanne étanche selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un dispositif de mesure de l'angle de rotation du boisseau. 16 Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un réducteur étanche ( 34) disposé sur le canal de distribution entre le rotor de l'actionneur et le boisseau. 17 Vanne étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisée en ce qu'elle est apte à évoluer en environnement cryotechnique.