Brevet FR2688857A1 — publié le 19930924

La présente invention concerne des vannes, et plus particulièrement une vanne du type ayant un élément obturateur basculant et une membrane qui isole les orifices de fluide de la vanne de l'actionneur de vanne. Une vanne de ce type est représentée et décrite dans le brevet US no 5 027 857 La vanne représentée dans ce brevet est du type trois voies, comportant un orifice d'entrée et deux orifices de sortie de fluide L'élément obturateur bascule entre deux positions extrêmes dans lesquelles il ferme l'un ou l'autre des orifices de sortie, l'orifice d'entrée étant constamment ouvert L'élément formant obturateur est situé dans une chambre formée dans le corps de vanne, les orifices de vanne ouvrant dans la chambre. Un actionneur de vanne, qui peut être commandé électriquement, fait basculer l'élément obturateur entre ses deux positions extrêmes Une membrane souple, située dans la chambre, entoure l'élément obturateur et s'étend radialement vers l'extérieur à partir de ce dernier, la périphérie radialement extérieure de la membrane étant serrée par le corps de vanne La membrane sert à isoler l'actionneur de vanne des orifices de vanne, de telle sorte que l'actionneur ne soit jamais en contact avec le fluide passant dans la vanne. La vanne du brevet 5 027 857 est considérée comme présentant certains problèmes lorsqu'elle est en service. La vanne a une tendance à fuir pour des pressions de fluide pour lesquelles elle est prévue De manière spécifique, du fluide tend à fuir à partir de la chambre de vanne qui reçoit l'élément obturateur, vers l'extérieur de l'orifice de sortie qui est fermé par l'élément formant obturateur. Un essai a été mené pour surmonter ce problème en accrois- sant la force que l'actionneur de vanne applique sur l'élément obturateur basculant Cependant, cette solution a des effets nuisibles sur la durée de vie de la vanne puisque l'élément obturateur est alors appuyé avec une force plus grande contre les sièges de vanne entourant les orifices de sortie. La raison pour laquelle la vanne fuit n'est pas très claire ni évidente de manière intuitive Cependant, l'inventeur de la présente vanne améliorée a découvert la cause de ces problèmes Lorsque la vanne est mise sous pression à l'aide de fluide sous pression, la membrane se gonfle ou ballonne dans la direction l'éloignant des orifices de vanne Puisque l'obturateur est basculé dans chacune de ses position extrêmes, la partie de la membrane la plus proche de l'orifice de sortie ouvert est également plus proche de la paroi de la chambre de vanne opposée à la paroi comportant les orifices de vanne Il en résulte que la région ballonnée de la membrane plus proche de l'orifice de sortie ouvert vient en contact avec la paroi de la chambre de vanne opposée à la paroi comportant les orifi- ces Cette mise en contact de la membrane et de la paroi de chambre de vanne provoque un déséquilibre des forces sur l'élément obturateur basculant et sur la membrane, et ce déséquilibre a tendance à faire relever l'élément obtura- teur en l'éloignant de l'orifice qui est fermé, permettant une fuite à travers cet orifice. C'est par conséquent un but de la présente inven- tion que de fournir une vanne ayant un élément formant obturateur basculant et une membrane d'isolation, du type représenté dans le brevet n O 5 027 857, dans laquelle l'élément formant obturateur et la membrane restent équilibrés quelque que soit la pression de fonctionnement en cours et par conséquent n'a pas tendance à fuir lorsque la pression de fonctionnement augmente. C'est un autre but de la présente invention que de fournir une telle vanne ayant une durée de vie utile plus longue que la vanne de la technique antérieure. C'est encore un but de la présente invention que de fournir une telle vanne qui nécessite des forces d'actionnement plus petites appliquées à l'élément formant obturateur afin de faire fonctionner avec un complet succès la vanne. Des buts et des caractéristiques supplémentaires de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe longitudinale à travers la vanne représentée dans le brevet no 5 027 857 de la technique antérieure, la figure 2 est une vue en coupe longitudinale à travers une vanne selon la présente invention, à l'état sous pression, l'élément formant obturateur étant dans une de ses positions extrêmes, la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, l'élément formant obturateur étant dans l'autre de ses positions extrêmes, la figure 4 est une vue partielle en coupe d'une vanne selon la présente invention, la vanne n'étant pas sous pression, la figure 5 est une vue de face du capot de vanne, représentant les orifices de vanne. La figure 1 représente la vanne du brevet US n O 027 857 et en fait est analogue à la figure 1 de ce brevet Cependant, la vanne est représentée n'étant pas sous pression dans la figure 1 du brevet alors que dans la figure 1 des présents dessins la vanne est représentée alors qu'une pression de fluide lui est appliquée. La vanne de la technique antérieure de la figure 1 comporte un corps de vanne 10 ayant un alésage cylindri- que 11 Un capot 13 est fixé sur le corps de vanne par exemple à l'aide de vis 12, et comporte un orifice d'entrée 14 de fluide sous pression et deux orifices de sortie 15 et 16. Le corps 10 et le capot 13 définissent entre eux une chambre 19 avec laquelle les orifices 14 à 16 communi- quent Un élément 20 formant obturateur basculant est reçu à l'intérieur de la chambre 19 L'élément formant obtura- teur basculant comporte un noyau 21 en matériau rigide encastré dans un matériau 22 caoutchouteux élastique. L'élément 20 formant obturateur est monté pivotant sur un arbre 23, de telle sorte qu'il bascule entre une première position extrême, représentée sur la figure 1, dans laquelle il ferme l'orifice de sortie 16 tout en laissant l'orifice de sortie 15 ouvert, et une autre position extrême dans laquelle il ferme l'orifice de sortie 15 et ouvre l'orifice de sortie 16. L'actionneur de la vanne comporte un piston 26 pouvant coulisser longitudinalement à l'intérieur du cylindre 11, et une armature 27 d'électroaimant Une tige 24 fait saillie à partir de l'élément 20 formant obturateur jusque dans un alésage 25 élargi situé dans le piston 26. La coopération de la tige 24 et de l'alésage 25 convertit le mouvement longitudinal du piston 26 en un mouvement de basculement de l'élément 20 formant obturateur Un ressort de compression 28 situé à l'intérieur du cylindre 11 repousse de manière constante le piston 26 vers la droite sur la figure 1, et sous l'influence du ressort 28 l'ac- tionneur amène l'élément 20 formant obturateur à fermer l'orifice 16 et ouvrir l'orifice 15, comme représenté. Lorsque l'électroaimant est mis sous tension, l'armature 27 se déplace vers la gauche, tirant le piston 26 avec elle, à l'encontre de la force du ressort 28 Ce mouvement du piston 26 est transmis par l'intermédiaire de la tige 24 à l'élément 20 formant obturateur, amenant l'élément formant obturateur à basculer autour de l'arbre 23 de manière à fermer l'orifice de sortie 15 et ouvrir l'orifice 16. Une membrane 31 entoure complètement l'élément 20 formant obturateur, et s'étend radialement à partir de 1 'élément formant obturateur au niveau de l'interface entre le corps 10 et le capot 13 Toute la périphérie 32 de la membrane est serrée de manière étroite entre le corps et le capot Cet agencement sert à maintenir la membrane en place et sert également à assurer l'étanchéité au fluide entre le corps 10 et le capot 13 Il sera noté que la membrane 31 sert à isoler les orifices 14 à 16 du cylindre il contenant l'actionneur 26, 27, de telle sorte que le fluide circulant dans la vanne n'atteigne pas le cylindre Il ni les parties de l'actionneur de vanne. Lorsque la vanne est dans l'état représenté sur la figure 1, c'est à dire que l'électroaimant n'est pas sous tension, et que du fluide sous pression est alimenté à l'orifice d'entrée 14, la partie de la chambre 19 située en dessous de l'élément 20 formant obturateur et de la membrane 31 est remplie avec du fluide sous pression, alors que la partie de la chambre 19 située au-dessus de l'élé- ment 20 formant obturateur et de la membrane 31 est à la pression atmosphérique La pression amène la membrane 31 à être ballonnée dans une direction verticale, et la partie de la membrane 31 proche de l'orifice de sortie 15 ouvert vient en contact avec la paroi 33 de la chambre 19 D'autre part, la partie de la membrane 31 plus proche de l'orifice de sortie fermé 16 ne vient pas en contact avec la paroi 33 de la chambre La raison pour laquelle seule une partie de la membrane vient en contact avec la paroi 33 est due à l'orientation basculée de l'élément 20 formant obturateur qui amène la partie de la membrane 31 plus proche de l'orifice de sortie ouvert plus près de la paroi 33 de la chambre Du fait que la partie de la membrane 31 plus proche de l'orifice ouvert 15 est appuyée sur la paroi 33 de la chambre, l'élément formant obturateur a une tendance non souhaitée à s'élever en s'éloignant de l'orifice de sortie 16 fermé, provoquant une fuite de la vanne. On pense que la raison de cet effet nuisible peut être expliquée comme suit La partie de la membrane plus proche de l'orifice de sortie ouvert 15 est supportée à la fois par la paroi 33 de chambre et l'élément 20 formant obturateur Cependant, la partie de la membrane 31 plus proche de l'orifice de sortie 16 fermé est supportée uniquement par l'élément 20 formant obturateur mais pas par la paroi 33 Il en résulte qu'il y a une force de pression de fluide plus importante sur la partie de l'élément formant obturateur plus proche de l'orifice de sortie fermé que sur la partie de l'élément formant obturateur plus proche de l'orifice de sortie ouvert, et ce déséquilibre des forces tend à pousser l'élément 20 formant obturateur dans le sens l'éloignant de l'orifice fermé 16. Une autre façon d'analyser le problème est que lorsque la membrane 31 est mise sous pression et se gonfle ou ballonne de telle sorte que la partie plus proche de l'orifice ouvert 15 est poussée en appui contre la paroi 33 de la chambre, la paroi applique une force de réaction sur la membrane dans cette zone Aucune force de réaction similaire n'est appliquée à la partie de la membrane 31 plus proche de l'orifice fermé 16 Par conséquent, il y a un déséquilibre des forces s'exerçant sur la membrane, la force s'exerçant sur le côté de la membrane plus proche de l'orifice fermé 16, tendant à ouvrir cet orifice, étant plus grande que la résultante des forces sur la partie de membrane plus proche de l'orifice ouvert 15. Du fait de la tendance pour l'élément 20 formant obturateur basculant à se lever de l'orifice fermé, aboutissant à des fuites, le ressort 28 et la force de traction de l'électroaimant doivent être relativement fortes de manière à rendre minimales les fuites Plus la puissance requise pour la force de traction de l'électroai- mant est importante, plus la vanne utilise de puissance En outre, les forces de ressort et d'électroaimant plus élevées amènent le matériau élastique 22 à être appuyé contre les sièges des orifices de sortie 15 et 16 avec une force plus élevée, réduisant par conséquent la durée de vie utile de la vanne. La vanne selon la présente invention, représentée sur les figures 2 et 3 surmonte les problèmes décrits ci- dessus qui sont présents dans la vanne de la technique antérieure La présente vanne est analogue à la vanne de la technique antérieure, et comporte un corps de vanne 38 comportant un cylindre intérieur 9 Un capot 40 est fixé sur le corps de vanne à l'aide de quatre boulons (non représentés) qui passent à travers quatre trous 41 (figure 5) situés dans le capot et sont vissés dans des trous taraudés du corps de vanne. Le capot 40 comporte un orifice d'entrée 42 de fluide sous pression et deux orifices de sortie 43 et 44 L'extrémité intérieure de l'orifice 43 est entourée d'un siège de vanne 45, et l'extrémité intérieure de l'orifice de sortie 44 est entourée d'un siège de vanne 46. Les trois orifices débouchent dans une chambre 49 de vanne définie entre le corps de vanne 38 et le capot 40. Reçu dans la chambre 49, se trouve un élément 50 formant obturateur basculant monté de manière pivotante pour avoir un mouvement de basculement autour d'un axe 51 s'étendant perpendiculairement à la direction longitudinale du cylindre 39 L'élément 50 formant obturateur basculant comporte un noyau 52 de matériau rigide encastré dans un matériau caoutchouteux élastique 53. Une membrane 56 de matériau caoutchouteux souple, mou, entoure l'élément 50 formant obturateur et s'étend radialement entre l'élément formant obturateur et le corps de vanne De préférence la membrane 56 est formée venue de matière avec le matériau d'encastrement 53 de l'élément formant obturateur La périphérie radialement extérieure 57 de la membrane 56 étroitement serrée entre le corps 38 de vanne et le capot 40 Pour assurer un serrage fort de la périphérie de la membrane, une nervure 55 (figure 5) étroite continue réalisée sur le capot entoure les orifices et fait saillie vers le corps de vanne De cette manière, la périphérie de la membrane est maintenue en place et sert également pour assurer l'étanchéité entre le corps de vanne et le capot. L'actionneur destiné à actionner la vanne com- porte un piston 58 pouvant coulisser longitudinalement à l'intérieur du cylindre 39 formé dans le corps de vanne 38. Le piston 58 comporte un alésage en forme de croix 59 qui reçoit une tige rigide 60 faisant saillie à partir du noyau 52 de l'élément 50 formant obturateur Un ressort de compression 61 situé dans le cylindre 39, entourant un doigt 62 faisant saillie à partir du piston 58, repousse constamment le piston 58 vers la droite, sur la figure 2, lequel mouvement est transmis par 1 ' intermédiaire de 1 ' alé- sage 59 et de la tige 60 à l'élément 50 formant obturateur de manière à faire basculer l'élément formant obturateur dans la direction des aiguilles d'une montre et à l'amener à venir en contact avec le siège 46 et par conséquent à fermer l'orifice de sortie 44 L'orientation basculée de l'élément 50 formant obturateur amène l'élément formant obturateur à être écarté du siège de vanne 45 de manière à ouvrir l'orifice de sortie 43. A l'extrémité du corps de vanne 38 opposée à l'extrémité à laquelle est situé le ressort 61, est monté un boîtier cylindrique 71 dans lequel est situé un enrou- lement 64 formant électroaimant enroulé autour d'un tube 65 formant noyau s'étendant axialement Une armature fixe 66 est fixée dans l'extrémité du tube 65 éloignée du piston 58 Une armature mobile 67 peut coulisser à l'intérieur du tube 65 formant noyau en se rapprochant et en s'éloignant de l'armature fixe 66 Un ressort de compression 68 est reçu à l'intérieur d'un alésage axial de l'armature mobile 67, une extrémité du ressort étant en appui contre l'arma- ture fixe 66. Lorsque l'électroaimant 64 n'est pas sous ten- sion, comme représenté sur la figure 3, le ressort 68, qui est plus fort que le ressort 61, repousse l'armature mobile 67 et le piston 58 vers la gauche, faisant basculer l'élément 50 formant obturateur dans la direction inverse des aiguilles d'une montre autour de l'arbre 51 De cette manière, l'élément 50 formant obturateur est amené en contact avec le siège de vanne 45, et amené hors de contact avec le siège de vanne 46, fermant ainsi l'orifice de sortie 43 et ouvrant l'orifice de sortie 44 Lorsque l'électroaimant 64 est mis sous tension, l'armature mobile 67 est attirée contre l'armature fixe 66, comprimant par conséquent le ressort 68, et permettant au ressort 61 de déplacer le piston 58 vers la droite (figure 2) de telle sorte que l'élément 50 formant obturateur est basculé de manière à venir en contact avec le siège de vanne 46 et à s'éloigner du siège de vanne 45 Dans ce cas, l'orifice de sortie 43 est ouvert et l'orifice de sortie 44 est fermé. Lorsque la vanne n'est pas sous pression, la membrane 56 est dans son état non ballonnée, représenté sur la figure 4 Lorsque le fluide sous pression est alimenté à l'orifice d'entrée 42, la pression est appliquée sur le côté de l'élément 50 formant obturateur et de la membrane 56 situé en vis à vis des orifices, c'est à dire, le côté inférieur sur les figures 2 et 3 Du fait de la pression de fluide, la membrane 56 se gonfle ou ballonne vers la paroi 69 de la chambre 49 de vanne, c'est à dire vers la paroi opposée à la paroi de la chambre dans laquelle débouche les orifices 42 à 44 Une différence critique entre la présente invention et la technique antérieure peut être vue en comparant les figures 2 et 3 avec la figure 1 On voit que la membrane 56 ballonnée ou gonflée selon la présente invention ne vient pas en contact avec la paroi 69, alors que la membrane 31 de la technique antérieure vient au contact de la paroi 33 En fait, la membrane 56 reste hors de contact avec la paroi 69 pour toutes les pressions de fonctionnement de la vanne. Du fait que la membrane 56 ne vient jamais en contact avec la paroi 69 de la chambre, les conditions déséquilibrées constatées par expérience pour l'élément 20 formant obturateur de la vanne de la technique antérieure n'apparaissent jamais dans la vanne selon la présente invention Il en résulte que la tendance qu'a l'élément 20 formant obturateur de la vanne de la technique antérieure à se lever en s'éloignant de l'orifice qui est fermé, de telle sorte qu'il existe une fuite, n'apparait pas dans la présente vanne Par conséquent, pour des pressions de fluide de fonctionnement comparables, une force plus petite suffit entre l'élément formant obturateur et les sièges de vanne, si bien que pour fermer les orifices on utilise par conséquent des ressorts plus faibles et un électroaimant de puissance plus faible Un électroaimant de puissance plus faible bien sûr utilise moins de puissance En outre, du fait qu'on utilise un ressort plus faible et un électroai- mant de puissance plus faible, l'élément 50 formant obturateur n'est pas appuyé contre les sièges de vanne 45 et 46 avec une force importante comme cela existe dans la vanne de la technique antérieure, et par conséquent la durée de vie de l'élément formant obturateur est accrue. La vanne décrite ci-dessus est du type trois voies Cependant, la présente invention peut être appliquée aussi bien à une vanne deux voies La vanne décrite ci- dessus peut être transformée en une vanne deux voies simplement en fermant de manière permanente l'un des orifices de sortie 43 et 44 En outre, bien que l'orifice 42 ait été considéré ici comme l'orifice d'entrée, et les il orifices 43 et 44 aient été considérés comme des orifices de sortie, l'orifice 42 peut être un orifice de sortie et l'un ou les deux orifices 43 et 44 peuvent être des orifices d'entrée. L' invention à été représentée et décrite dans une forme préférée uniquement, et à titre d'exemple, et on peut faire différentes modifications de la présente invention tout en restant dans le domaine de la présente invention. Il faut par conséquent comprendre que la présente invention n'est pas limitée à une forme ou à un mode de réalisation spécifique pour autant que de telles limitations sont comprises dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1 Vanne caractérisée en ce qu'elle comporte un corps ( 38) de vanne comportant une chambre ( 49), plusieurs orifices ( 42, 43, 44) situés dans le corps de vanne et communiquant avec la chambre, au moins un ( 42) des orifices étant adapté pour être relié à une source de fluide sous pression, un élément ( 50) formant obturateur basculant situé dans la chambre, l'élément formant obturateur basculant étant monté pivotant pour fermer et ouvrir au moins un des orifices, une membrane ( 56) située dans la chambre ( 49) en s'étendant entre la périphérie de l'élément ( 50) formant obturateur basculant et le corps ( 38) de vanne, la périphé- rie de la membrane étant fixée dans le corps de vanne, et tous les orifices étant situés en vis à vis d'un côté de la membrane, des moyens actionneurs pour faire pivoter l'élé- ment ( 50) formant obturateur basculant, les moyens formant actionneur étant reliés à l'élément formant obturateur basculant du côté de la membrane opposé au côté situé en vis à vis des orifices, de telle sorte que la membrane ( 56) isole les orifices des moyens formant actionneur, et le corps ( 38) de vanne étant dépourvu de moyens formant appui pour la membrane entre la périphérie de l'élément ( 50) formant obturateur basculant et le corps de vanne, pour toute pression de fonctionnement de la vanne. 2 Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre ( 49) est définie en partie par une paroi ( 69) tournée vers le côté de la membrane ( 56) opposé au côté de la membrane situé en vis à vis des orifices, la paroi étant suffisamment écartée de la membrane pour que lorsque la partie de la chambre située entre la membrane et les orifices est mise sous pression, entraînant la membrane à être ballonnée en direction de la paroi ( 69), la paroi ne soit pas en contact avec la membrane. 3 Vanne selon la revendication 1 ou 2, caracté- risée en ce qu'elle comporte une ouverture située dans la chambre à travers laquelle les moyens formant actionneur communiquent avec l'élément ( 50) formant obturateur basculant, l'ouverture étant en vis à vis du côté de la membrane ( 56) opposé au coté de la membrane situé en vis à vis des orifices. 4 Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un cylindre ( 39) situé dans le corps ( 38) de vanne, et en ce que les moyens actionneurs compor- tent un piston ( 58) pouvant coulisser longitudinalement à l'intérieur du cylindre, une ouverture située dans le corps de vanne entre la chambre et le cylindre, et des moyens s'étendant à travers l'ouverture et sensibles à un mouve- ment longitudinal en va et vient du piston pour faire pivoter l'élément ( 50) formant obturateur basculant. Vanne selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que l'élément ( 50) formant obturateur basculant comporte un noyau ( 52) de matériau rigide encastré dans une couche extérieure de matériau élastique ( 53), la membrane ( 56) étant une extension annulaire venue de matière du matériau d'encas- trement élastique. 6 Vanne selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que le corps ( 38) de vanne comporte un orifice d'entrée ( 42) et deux orifices de sortie ( 43, 44), et l'élément ( 50) formant obturateur basculant est monté pivotant entre une position extrême dans laquelle il ferme un premier des orifices de sortie et ouvre l'autre, et une autre position extrême dans laquelle il ouvre ledit premier orifice de sortie et ferme ledit autre orifice de sortie.