Brevet FR2695976A1 — publié le 19940325

SOUPAPE DE REGULATION COMPENSEE La présente invention concerne les soupapes de régulation compensées utilisables dans les dispositifs de régulation de pression et de débit. Elle trouve une application particulièrement importante dans les régulateurs àtla demande incorporés dans les systèmes de protection physiologique pour équipage d'aéronef. Dans beaucoup de cas, il est souhaitable que la soupape soit constituée pour que l'effort nécessaire pour l'ouvrir (dans le cas d'une soupape fermée au repos) ou la fermer (dans le cas contraire) reste du même ordre, en dépit des variations des conditions d'utilisation. Très souveht, la pression amont est nettement supérieure à la pression aval ou cette dernière varie peu. On connaît déjà des soupapes permettant alors de compenser de façon satisfaisante les variations de la pression amont.En particulier le document US 4 616 646 et le brevet français correspondant 84 03945 décrivent une soupape de régulation de gaz comprenant un boîtier et une membrane déformable de révolution ayant une cuvette annulaire, délimitant avec le boîtier un espace torique soumis à une pression de compensation qui peut être la pression amont, le fond de la cuvette étant fixé à un élément d'appui sur un siège délimitant un passage pour le gaz. Lorsque la chambre torique est reliée à la pression amont, une telle soupape est compensée du point de vue des variations de la pression amont pour un dimensionnement approprié de la cuvette par rapport au siège. Mais en revanche elle n'est compensée en cas de variations de la pression aval. Souvent, la pression aval est très faible par rapport à la pression amont ou bien les variations de la pression aval restent faibles, de sorte qu'on obtient des résultats suffisants. Il existe de plus en plus d'applications pour lesquelles la pression amont peut varier entre une valeur à peine supérieure à une pression aval de consigne et une valeur beaucoup plus élevée. Dans ce cas l'effort nécessaire pour ouvrir une soupape normalement fermée du type cidessus, en surmontant la force élastique de fermeture habituelle (force de déformation de la membrane dans le cas envisagé ci-dessus) varie de façon considérable avec la pression amont, surtout pour des valeurs de la pression amont proches de la pression aval. Parmi les applications où cette situation se présente, on peut citer les systèmes de protection physiologique pour équipage d'aéronef alimentés par un générateur d'oxygène à tamis moléculaire, connu sous l'abréviation obogs (on board oxygen generating systems). Ces générateurs fournissent du gaz respirable à une pression qui varie'. en fonction des conditions de vol et en fonction du débit respiratoire appelé par l'équipage. Le rapport entre les minima et maxima de pression est d'environ 10 et la pression minimum peut descendre jusqu'à environ 10 KPa, c'est-à-dire à peu près cinquante fois moins que la valeur rencontrée dans le cas d'un générateur constitué par une bouteille sous pression ou un convertisseur d'oxygène liquide.Cette valeur de 10 KPa correspond également à la valeur maximale de la surpression respiratoire qui peut être requise dans un système de protection physiologique d'équipage d'avion susceptible de voler à haute altitude. Dans un tel système, une soupape du type ci-dessus défini ne permet pas de maintenir les variations de l'effort d'ouverture et/ou de fermeture de la soupape dans un domaine suffisamment étroit. L'invention vise en conséquence à fournir une soupape de régulation dont l'effort d'ouverture et/ou de fermeture varie peu en fonction des fonctions amont et aval. Dans ce but, l'invention propose une soupape du type ci-dessus défini, caractérisé en ce qu'elle comporte une chambre centrale délimitée par la paroi interne de la cuvette, le boîtier et une face de la portion dudit élément dont l'autre face est soumise à la pression amont, ladite chambre centrale étant reliée à l'aval de la soupape (ou respectivement amont). Une telle soupape peut par exemple constituer la soupape d'inspiration d'un système de protection physiologique : la pression amont est alors celle fournie par 'le générateur de gaz respiratoire ; la pression aval est celle qui règne dans un masque respiratoire ou à l'entrée d'un régulateur. Le terme "membrane" utilisé plus haut doit être interprété de façon large et comme pouvant désigner aussi bien un produit d'une seule pièce avec l'élément d'appui sur le siège, ayant une portion souple définissant la cuvette annulaire et une partie constituant clapet, qu'un élémenten plusieurs pièces assemblées de nature différente, par exemple en élastomère pour constituer la cuvette et en matériau rigide pour constituer le clapet. Quelque soit le mode de réalisation adopté, on obtient une compensation qui permet de maintenir les efforts d'ouverture et/ou de fermeture à excercer par des moyens extérieurs, par exemple par voie mécanique (à l'aide d'un levier relié à la membrane) ou électromagnétique à une valeur sensiblement constante. En dimensionnant convenablement la chambre centrale et la chambre torique, il est également possible d'obtenir une sur-compensation ou une sous-compensation, c'est-à-dire de faire varier les forces d'ouverture et/ou de fermeture suivant une loi prédéterminée quelconque. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non-limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique, en coupe suivant un plan passant par l'axe, d'une soupape de régulation constituant soupape d'inspiration, - la figure 2 est un schéma à grande échelle, destiné à montrer les modifications de forme de la membrane de la soupape de la figure 1, lorsque la pression de compensation amont augmente ; et - la figure 3, similaire à la figure 2, montre une variante de réalisation de la membrane permettant de réduire les efforts d'ouverture pour des pressions d'alimentation élevées. La soupape de régulation compensée montrée à titre d'exemple en figure 1 est logée dans un boîtier 6 en plusieurs pièces assemblées, munie d'un embout 7 de sortie et d'un raccord 9 d'alimentation, destiné à être relié à une source de gaz. L'élément essentiel de la soupape est constitué par une membrane déformable 1l en matériau souple (élastomère de silicone en général) de forme complexe, sensiblement de révolution. Cette membrane peut être regardée comme comprenant une cuvette 12 de forme annulaire dont les plis circulaires concentriques sont munis de talons radiaux externe 14 et interne 16. Les talons 14 et 16 sont maintenus appliqués de façon étanche contre une pièce annulaire 18 appartenant au boîtier, de façon que la pièce 18 et la cuvette 12 constituée de deux plis concentriques définissent une chambre torique de compensation amont 20. Un trou de compensation calibré 21 (ou plusieurs trous) perçé dans la pièce 18 met la chambre de compensation torique 20 en communication avec l'intérieur du raccord 9 par l'intermédiaire d'un conduit 23 percé dans le boîter. Ce trou calibré 21 alimente donc la chambre de compensation 20 en gaz prélevé en amont de la soupape. Le talon 14 est pincé entre la pièce 18 et un composant du boîtier. Le talon 16 est pincé entre la pièce annulaire 18 et un pion central 24. Ce pion est fixé dans la pièce annulaire 18 par des moyens quelconques. Dans le cas illustré sur la figure 1, le pion fileté reçoit un écrou 26 dont le serrage presse le talon 16 contre la pièce annulaire 18. La déformation radiale des plis de la membrane est limitée par le pion 24 et par le composant du boîtier q;i serre le talon 14. Dans le cas particulier illustré sur les figures 1 et 2, l'équipage mobile de la soupape est constitué par un clapet 28 fixé de façon permanente à un pied annulaire 30 de la membrane 11, placé approximativement le long du cylindre médian de la cuvette 11. Le pied peut être surmonté sur le pied 30.La liaison peut aussi bien être obtenue par encliquetage d'une saillie circonférentielle du clapet 28 dans une gorge annulaire ménagée dans le pied 30. La saillie constitue un raidisseur évitant la déformation radiale de la chambre de compensation amont 20. Le dos du clapet 28 délimite, avec le pli interne de la membrane 11 et avec la face avant du pion 24, une chambre centrale de compensation aval 32. Dans le qas illustré sur la figure 1, cette chambre de compensation communique, par un trou 34 ménagé dans le pion et par un conduit 36 ménagé dans le couvercle 38 du boîtier, avec l'embout de sortie 7. Dans le cas où la soupape de régulation est destinée à fournir du gaz à une pression de consigne qui est disponible en permanence, la chambre de compensation 32 peut être reliée à la pression de consigne. Le clapet 28 est prévu pour coopérer avec un siège 40 de diamètre D1 prévu sur une pièce constitutive du boîtier 6. Le soulèvement du clapet met en communication le raccord d'alimentation 9 avec l'embout de sortie 7. Le clapet est par exemple commandé à la fermeture par appui d'un levier sur une tige qui le prolonge. La figure 2 montre les paramètres dimensionnels de la soupape, dont le choix permet de fixer le degré de compensation. Dans des conditions nominales de fonctionnement, la forme de la membre est celle indiquée en trait plein sur la figure 2. Le centre de la section du pli externe est alors en 42 et le centre de la section du pli interne en 44. La membrane est dimensionnée de façon que la surface d'action de la pression de compensation amont, régnant dans la chambre annulaire 20, soit égale à la surface délimitée par le diamètre D1 d'étanchéité du clapet 28 appliqué sur le siège 40.Les épaisseurs de la partie plate de la membrane et les plis externe et interne sont choisis de façon que les centres 42 et 44 restent sensiblement à la même distance de l'axe de la soupape en cas d'augmentation de pression, lorsqu'ils viennent respèctivement en 421 et 441. Le gonflement de la membrane est au surplus contrarié par les parois rigides sur lesquelles elle s'appuie. La contrepression apparaissant en aval est appliquée sur les parois externes des plis constituant. la cuvette de la membrane et se traduit par un effort d'ouverture dirigé suivant l'axe de la soupape. Le diamètre D2 de liaison de la membrane au clapet 28 est choisi de façon l'aire d'action de la pression de compensation aval sur le dos du clapet soit sensiblement égale à celle de la projection de la surface externe de la chambre de la membrane sur un plan orthogonal à l'axe de la soupape. Dans ces conditions, la soupape est compensée du double point de vue des pressions amont et aval. Par un choix approprié de D1, de D2 et de l'aire projetée de la chambre de compensation, on peut assurer une sous-compensation ou au contraire une sur-compensation. Pour éviter ou tout du moins limiter le déplacement du centre des plis constituant la cuvette 11, des moyens de raidissement peuvent être prévus sur la membrane. Dans le cas illustré sur la figure 3, ils sont constitués par des bourrelets circonférentiels 46. L'utilisation de tels raidisseurs permet d'éviter un épaississement général de la membrane qui augmenterait les contraintes mécaniques et donc les efforts à exercer à l'ouverture et/ou à la fermeture. L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Par ailleurs, il faut noter que les indications d'amont et d'aval données au cours de la description n impliquent pas un sens d'écoulement obligatoi- re, la compensation pouvant s'effectuer aussi bien dans le cas d'un écoulement renversé. REVENDICATIONS 1. Soupape de régulation compensée comprenant un boîtier (6) et une membrane déformable de révolution (11) ayant une cuvette annulaire (12) délimitant avec le boîtier une chambre de compensation torique (20) soumise à une pression de compensation, le fond de la cuvette étant solidaire d'un clapet (28) d'appui sur un siège (40) délimitant un passage entre l'amont et l'aval de la soupape, caractérisée en ce qu'elle comporte de plus une chambre centrale (32) délimitée par la paroi interne de la cuvette, le boîtier et une face dudit clapet, la chambre annulaire et la chambre centrale étant reliées l'une à l'amont et l'autre à l'aval de la soupape. 2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que la membrane et le clapet sont d'une seule pièce en élastomère. 3. Soupape selon la revendication 1 caractérisée en ce que la membrane est en élastomère et est emboîtée sur le pied annulaire d'un clapet rigide (28) plat ou est surmoulée sur le pied. 4. Soupape selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisée en ce que la chambre de compensation (20) est reliée par un trou calibré (21) à l'amont de la soupape tandis que la chambre centrale (32) est reliée par un trou calibré (34) à l'aval. 5. Soupape selon la revendication 4, caractérisée en ce que la membrane est dimensionnée de façon que la surface d'action de la pression de compensation amont, régnant dans la chambre annulaire 20, soit égale à la surface délimitée par le diamètre d'étanchéité du clapet. 6. Soupape selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que le diamètre de liaison de la membrane au clapet 28 est choisi de façon que l'aire d'action de la pression de compensation aval sur le dos du clapet soit sensiblement égale à celle de la projection de la surface externe de la chambre de la membrane sur un plan orthogonal à l'axe de la soupape 7. Soupape selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre centrale (32) est délimitée par le dos du clapet (28), un pli interne de la membrane (11) appartenant à la cuvette, la face avant d'un pion (24) appartenant au boîtier. 8. Soupape selon la revendication 7, caractérisée en ce que le pion et une bague pinçant respectivement un talon interne et un talon externe de la cuvette sont dimensionnés pour contrarier le gonflement de cette dernière. 9. Soupape selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cuvette est munie de bourrelets circonférentiels (46) de raidissement.