Brevet FR2719647A1 — publié le 19951110

Soupape, notamment soupape à vide La présente invention concerne une soupape, notamment une soupape à vide, comportant une ouverture de siège de soupape pourvue d'une partie d'étanchéité, et un organe de fermeture et d'ouverture fermant en direction de ladite partie d'étanchéité et déplacé de façon commandée. Que ce soit pour les soupapes à vide qui comportent un organe de fermeture et d'ouverture formé d'une tige de soupape pourvue d'une tête de soupape, ou pour les soupapes à tiroir avec lesquelles un tiroir est déplacé dans le plan de l'ouverture à commander grâce à une technique de soupape, il est courant de commander le mouvement d'ouverture à l'aide d'organes de commande aptes à être télécommandés, tels que des organes pneumatiques, hydrauliques ou électromagnétiques, et de commander en revanche le mouvement de fermeture grâce à une commande par ressort, de telle sorte qu'en cas de panne d'alimentation en énergie, par exemple, la soupape passe dans la position de fermeture sûre. Le ressort de fermeture doit alors être dimensionné pour que la force d'étanchéité de siège de soupape nécessaire soit générée soit le long d'une partie d'étanchéité circulaire, par exemple, située autour de l'ouverture de siège de soupape, soit en direction d'une partie d'étanchéité linéaire, dans le cas de soupapes à tiroirs, et dans le premier cas, en particulier, des forces supplémentaires qui sont fonction de la différence de pression et qui agissent dans le sens d'ouverture doivent être absorbées. La figure 1 montre, à l'aide de l'exemple d'une soupape représentée schématiquement, notamment une soupape à vide, comportant une tige de soupape 1 et une tête de soupape 3, une soupape connue pourvue d'un ressort de fermeture 5 et d'une commande d'ouverture 7 agissant à l'encontre de la force dudit ressort de fermeture 5. 9 désigne la zone d'étanchéité annulaire, ici, et 11 un soufflet métallique à prévoir avec des applications sous vide, qui enveloppe la commande 7 et en particulier le ressort de fermeture 5 à l'encontre de la liaison sous vide V à ouvrir et à fermer à l'aide de la soupape. Les ressorts mécaniques présentent toujours une force de rappel qui augmente avec la course de compression. Cela donne, comme il est représenté à droite de la figure 1, une force de ressort agissant dans le sens de fermeture qui augmente avec la course de siège de soupape x. Quand x = 0, c'est-à-dire quand la soupape est fermée, le ressort agit avec la force de fermeture F1 suivant la force d'étanchéité nécessaire. Bien que les ressorts de fermeture de soupape présentent habituellement une courbe caractéristique relativement plate dans la mesure o les conditions de construction le permettent, la force de ressort agissant dans le sens d'ouverture sur la tête de soupape 3, pour une course de travail habituelle s, passe à une valeur F2 qui est généralement supérieure d'environ 20 % à 30 % à la force de ressort F1 dans la position fermée garantissant la force d'étanchéité nécessaire dans la zone d'étanchéité 9. Les commandes d'ouverture 7 doivent donc être conçues pour la force F2 bien qu'on n'ait besoin que de la force de ressort pour x = 0, c'est-àdire FI, comme force active essentielle pour la fonction. Cela entraîne des unités d'entraînement 7, et donc des soupapes assez grandes qui reçoivent des puissances élevées. Si l'unité de commande 7 est conçue comme une unité électromagnétique, il faut également tenir compte du fait que le courant de commande augmente proportionnellement au carré de la force à exercer, c'est-à- dire au carré de la différence (F2-F1). Le but de la présente invention est de supprimer l'inconvénient mentionné pour une soupape du type spécifié en introduction, notamment une soupape à vide. Ce but est atteint, selon l'invention, avec une soupape du type spécifié en introduction qui se caractérise en ce que des surfaces se faisant face et faisant saillie suivant au moins une composante perpendiculaire au sens de déplacement de fermeture de l'organe sont reliées à l'ouverture de siège de soupape, d'une part, et à l'organe, d'autre part, lesquelles surfaces définissent un entrefer, minimum en position fermée, qui est traversé par un champ magnétique d'un dispositif d'aimants. Grâce à cette configuration, une force magnétique est générée dans le sens de déplacement de fermeture, laquelle force magnétique, étant donné qu'en position fermée, l'entrefer devient minimal, devient alors maximale et diminue au contraire lors de l'ouverture de la soupape. On obtient ainsi que l'unité de commande, qu'elle soit électromagnétique, pneumatique ou hydraulique, puisse offrir une construction plus petite pour l'ouverture de la soupape, puisqu'une telle unité peut être conçue pour une puissance absorbée faible ou pour des pressions d'agent de commande faibles. Il faut simplement qu'elle soit conçue pour la force antagoniste maximale, la force d'étanchéité magnétique. De plus, la fonction de fermeture automatique est conservée, puisque la force magnétique ferme la soupape en cas de panne d'énergie de commande. Comme les ressorts de fermeture connus sont relativement longs, on obtient pour la soupape de la présente invention une construction plus courte. Même les défaillances causées par exemple par une rupture de ressort avec les soupapes connues commandées par ressort de fermeture n'entrent plus en considération car la force magnétique est disponible pratiquement sans défaut. Grâce au fait que la force magnétique conditionnée par le champ apparaît sous la forme d'une force répartie le long de l'entrefer, on obtient une répartition optimale de la pression d'étanchéité au niveau de la partie d'étanchéité. Contrairement à un ressort de fermeture, la force magnétique atteint son maximum lorsque l'entrefer est minimal, c'est-à-dire dans la position fermée de la soupape. Les organes de construction générant la force, c'est-à-dire en particulier l'entrefer, peuvent être prévus à n'importe quel endroit le long de la trajectoire de l'organe de fermeture et d'ouverture, ce qui permet une grande flexibilité pour la construction de la soupape et pour l'application du procédé de l'invention à des constructions de soupapes existantes. La force magnétique peut ainsi agir directement sur la tête de soupape, par exemple, dans la mesure o un dispositif d'aimants permanents et/ou d'électro-aimants est prévu sur ladite tête de soupape ou sur le siège de soupape, et o, en conséquence, l'élément antagoniste est en matériau magnétique doux. On peut aussi prévoir le dispositif aimants/entrefer le long d'une tige de soupape ou, dans le cas d'une soupape à tiroir, le long des guides de tiroir latéraux. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif d'aimants permanents et/ou d'électro- aimants est prévu dans la zone de l'une au moins des surfaces se faisant face mentionnées précédemment, et relié fermement à celles-ci. Le champ magnétique est commandé avantageusement par un signal de commande qui dépend de la distance entre la zone d'étanchéité de l'organe et la zone d'étanchéité située au niveau du siège de soupape. Selon une autre caractéristique, l'organe de fermeture et d'ouverture comprend un tiroir d'une soupape à tiroir et la partie d'étanchéité est linéaire. D'une manière avantageuse, cet organe comprend une tige de soupape et un tête de soupape. L'invention propose également que l'organe agisse, juste avant l'ouverture, à l'encontre d'un organe formant ressort agissant dans le sens d'ouverture. L'organe formant ressort peut être formé par un organe d'étanchéité élastique prévu au niveau de l'organe de fermeture et d'ouverture et/ou du siège de soupape, dans la zone d'étanchéité. Dans un mode de réalisation préféré, un ressort de fermeture agit sur l'organe dans le sens de fermeture, moyennant quoi ledit organe est poussé jusque dans la zone d'action du champ magnétique. Selon une autre caractéristique de l'invention, enfin, la soupape est conçue comme une soupape à vide. L'invention va maintenant être décrite à titre d'exemple à l'aide de figures. La figure 1 est une représentation schématique d'une soupape à vide connue, la figure 2 montre schématiquement le principe de base d'une soupape de l'invention, la figure 3 montre, à partir du principe de base de la figure 2, un mode de réalisation préféré d'une soupape de l'invention, avec laquelle la course de fermeture est commandée par ressort jusqu'à ce qu'elle atteigne la position fermée, la figure 4 montre, à partir du principe de base de la figure 2 et éventuellement suivant une construction selon la figure 3, un amortissement de déplacement pour l'organe de fermeture et d'ouverture de la soupape destiné à empêcher un rebondissement, la figure 5 montre un autre mode de réalisation d'une soupape de l'invention, représenté comme sur les figures 2 à 4, dans lequel la force de fermeture et donc la force d'étanchéité sont commandées en fonction de la course, et la figure 6 est une représentation partiellement en coupe d'un mode de réalisation actuellement préféré d'une soupape de l'invention. Le principe de base de l'invention va tout d'abord être expliqué en référence aux figures 2 à 5. Il en ressort pour l'homme de l'art un grand nombre de possibilités de réalisation différentes, parmi lesquelles un mode utilisé à l'heure actuelle sera présenté en référence à la figure 6. Selon la représentation fonctionnelle schématique de la figure 2, une soupape comprend fondamentalement un système de recouvrement fixe, habituellement une enveloppe 10, pourvue d'une zone d'étanchéité 12 vers laquelle un organe d'ouverture et de fermeture 14 est déplacé avec sa zone d'étanchéité 17 située côté organe, comme l'indique la double flèche K. Le dispositif de commande destiné à déplacer l'organe de fermeture et d'ouverture 14, notamment vers la position ouverte, qui peut consister en une unité de commande électromagnétique, pneumatique ou hydraulique, n'est pas représenté sur les figures 2 à 5. Sur l'enveloppe fixe 10, d'une part, et sur l'organe de fermeture et d'ouverture mobile 14, d'autre part, sont prévues des surfaces 16o et 16u qui définissent entre elles un entrefer L si on considère le sens de déplacement K. Les surfaces 16 sont disposées avec au moins une composante perpendiculaire au sens K, et elles peuvent être perpendiculaires à celui-ci, comme il est représenté, ou elles peuvent éventuellement être bombées suivant la configuration voulue pour l'entrefer. Les surfaces se faisant face sont traversées par un champ magnétique H de préférence, mais pas obligatoirement, statique. Le système magnétique 18 générant le champ magnétique H, comme il est représenté en trait discontinu, est soit accouplé de façon mobile à l'organe 14, soit accouplé à l'enveloppe fixe 10. Les surfaces 16o, 16u traversées par le champ magnétique H sont définies par le système magnétique 18 lui-même ou par un matériau magnétique doux, de telle sorte que l'organe 14 est déplacé par la force magnétique F vers la zone d'étanchéité 12. Le système magnétique 18 se compose de préférence d'un dispositif d'aimants permanents, mais il peut aussi consister en un dispositif d'électro-aimants ou en une combinaison d'aimants permanents et d'électro-aimants. Si, comme sur la figure 1, la course de l'organe 14 à partir de la position fermée est appelée x, on obtient pour la force de fermeture F à partir de la position fermée avec x = 0, la courbe caractéristique décroissante représentée qualitativement sur la figure 2. Il est tout à fait possible de déplacer l'organe 14 sur toute la course de fermeture, c'est-à-dire de la positon ouverte avec x = P jusqu'à la position fermée avec x = 0, à l'aide du système magnétique 18 comme organe de commande. Dans de nombreux cas, cependant, il est plus simple de ne mettre en action le système magnétique prévu selon l'invention que dans la zone o l'organe 14 approche de sa position fermée, en particulier pour des raisons de construction. A cet effet, selon la figure 3 qui correspond à la représentation de la figure 2 et sur laquelle on a utilisé les mêmes chiffres de référence, l'invention propose qu'un ressort de fermeture 20 en appui situé côté enveloppe 10 agisse sur l'organe 14, lequel ressort de fermeture 20 a cependant pour unique rôle de surmonter le frottement entre l'organe 14 et l'enveloppe fixe 10 et de déplacer l'organe vers une zone d'approche prédéfinie, au niveau de la zone d'étanchéité 12, o le système magnétique 18 prévu selon l'invention se charge alors d'assurer le reste de la fermeture et de garantir la force d'étanchéité. Comme on peut le voir dès maintenant d'après les descriptions des figures 2 et 3, la disposition des surfaces 16o et 16u sur l'organe 14 et côté enveloppe 10 peut être choisie librement en fonction de la construction de la soupape. Ainsi, ces deux surfaces peuvent être formées par exemple directement par une tête de soupape (16o) et un siège de soupape (16u). Comme il ressort de la courbe de force de fermeture dont le principe est représenté sur la figure 2, l'organe 14 est de plus en plus accéléré par la force magnétique F en direction de la zone d'étanchéité 12. Pour éviter que l'organe 14 ne rebondisse lorsqu'il atteint sa position fermée (x = 0), l'invention propose selon la figure 4, qui correspond à la représentation des figures 2 et 3, de prévoir un organe formant ressort d'amortissement 22 qui agit d'une part sur l'organe 14 et est en appui d'autre part côté enveloppe. On obtient ainsi, comme le montre la courbe qualitative de la figure 2, en trait discontinu, un amortissement du déplacement accéléré progressivement de l'organe 14 dans la zone d'approche de la zone d'étanchéité 12, ce qui évite un rebondissement. Comme organe formant ressort d'amortissement 22, on peut utiliser, dans un mode de réalisation préféré, directement l'élasticité d'organes d'étanchéité élastiques prévus au niveau de la zone d'étanchéité 12 et/ou de la zone d'étanchéité 17 prévue côté organe, par exemple de joints toriques d'étanchéité, dont l'élasticité est contrée par la force de fermeture magnétique F dans la dernière zone d'approche de la position d'étanchéité. La figure 4 a montré comment, à l'aide d'un organe formant ressort, on pouvait adapter de façon optimale la force de fermeture F produite par voie magnétique, notamment dans la zone o l'organe 14 approche de la zone d'étanchéité 12, en s'éloignant de la courbe caractéristique de force magnétique, c'est-à-dire comment un amortissement de la force de fermeture était réalisé en fonction de la course x. Selon la figure 5, cela peut aussi être réalisé de façon encore beaucoup plus flexible grâce à l'utilisation d'un dispositif d'aimants permanents/d'électro-aimants 18a. A cet effet, on prévoit un détecteur de course 24 dont le signal de sortie s(x) dépend de la course x de l'organe 14. Le signal de sortie s(x) du détecteur 24 est amplifié linéairement ou non linéairement au niveau d'une unité de traitement 26, et commande le courant électromagnétique I des électro-aimants prévus au niveau de l'unité 18a. Le détecteur 24 peut consister extrêmement simplement en une section de circuit électrique qui se ferme lorsque l'organe 14 approche de la zone d'étanchéité 12, et qui met le dispositif d'électro-aimants sous tension à partir de ce moment-là. On peut tout à fait réaliser une telle section de circuit dans la zone de fermeture de l'organe 14, en utilisant par exemple l'organe 14 lui-même comme section de circuit électrique pour activer le dispositif partiel d'électro-aimants ou le dispositif d'électro-aimants au niveau de l'unité 18. La figure 6 représente un exemple de réalisation actuellement préféré d'une soupape de l'invention, sous la forme d'une soupape à vide. Sur la tige de soupape 14a qui fait partie de l'organe d'ouverture et de fermeture 14 des figures 2 à 4 est monté, mobile axialement, un induit 30 qui est commandé par le champ d'un dispositif de bobines 32. L'induit 30 agit dans le sens d'ouverture sur un épaulement 14b de la tige de soupape 14a afin de soulever celle-ci, et il est monté sur ladite tige de soupape 14a pour pouvoir basculer. A cet effet, son perçage 30b présente un jeu par rapport à la section de la tige de soupape 14a pourvue d'un diamètre réduit. Dans la position ouverte de la soupape, l'induit 30 peut ainsi être appliqué de façon plane, avec sa surface frontale supérieure, contre la surface antagoniste fixe 30c. L'induit 30, qui agit en même temps comme piston d'amortissement, glisse de façon étanche, grâce à des joints d'étanchéité 34, sur un perçage cylindrique 43 et définit dans celui-ci, suivant sa position, des chambres cylindriques 34o et 34u. Une première ligne d'entrée/sortie 36u débouche dans la chambre inférieure 34u et une seconde ligne d'entrée/sortie 36o débouche dans la chambre supérieure 34o. Comme organes régulateurs de courant, on place dans les lignes d'entrée/sortie 36 des filtres présentant des valeurs de conductance aptes à être choisies. Ces filtres peuvent être changés. Comme il est représenté en trait discontinu en 38, on prévoit dans l'induit 30, en plus ou à la place des lignes 36, une ligne de décharge dans laquelle un filtre présentant une conductance donnée est monté de préférence pour pouvoir être changé. La tige de piston 14a agit sur une tête de soupape 40 sur laquelle s'appuie un ressort de fermeture 42, lequel est lui-même en appui côté enveloppe. La tête de soupape 40, qui fait elle aussi partie de l'organe de fermeture et d'ouverture 14 des figures 2 à 4, ferme et ouvre une liaison entre les conduites 44 et 46 d'un système à vide qui est enveloppé à l'aide d'un soufflet métallique 48 par rapport à la tige de soupape 14a pourvue du ressort de fermeture 42, et à l'unité d'amortissement/de commande. Dans la zone d'étanchéité entourant l'ouverture de la conduite 44 à fermer, on place un aimant permanent annulaire 50. Cela correspond, selon les représentations des figures 2 à 4, au cas o le dispositif d'aimants 18 est relié à l'enveloppe 10. La tête de soupape 40 est par exemple en fer doux, de sorte qu'elle est attirée par l'aimant annulaire 50 prévu sur le siège de soupape. Pour empêcher un rebondissement dans le sens des explications concernant la figure 4, un joint d'étanchéité 52 qui doit de toute façon être prévu sur la tête de soupape, comme il est représenté, ou sur le siège de soupape ou les deux, est conçu pour que lors de la phase finale de fermeture du déplacement de la tête de soupape, la force magnétique de l'aimant 50 doive travailler tout d'abord en compression à l'encontre de l'élasticité du dispositif d'étanchéité 52, ce qui empêche un rebondissement. Il est bien évidemment tout à fait possible de prévoir le dispositif d'aimants au niveau de la tête de soupape, ou même de prévoir des dispositifs d'aimants agissant dans le sens de fermeture aussi bien côté enveloppe que côté tige de soupape/tête de soupape, de le réaliser à partir d'aimants permanents et/ou d'électro-aimants et/ou de placer le dispositif d'aimants prévu pour générer la force de fermeture à n'importe quel endroit le long de la tige de soupape 14a o cela peut être réalisé le plus simplement de par la construction. Ainsi, avec le mode de réalisation de la figure 6, il serait tout à fait possible de prévoir le dispositif d'aimants au niveau de l'induit 30, comme il est représenté en trait discontinu en 50a, mais de mettre l'induit 30 en action également dans le sens de fermeture, à l'encontre d'une butée prévue sur la tige de soupape 14a. Le ressort de fermeture 42 n'agit qu'avec une force faible sur la tête de soupape 40, simplement pour l'amener dans la zone d'approche de l'aimant annulaire 50, en surmontant les frottements. La fermeture étanche proprement lh dite se fait grâce à l'action de l'aimant 50 sur la tête de soupape 40. REVENDICATIONS 1. Soupape comportant une ouverture de siège de soupape pourvue d'une partie d'étanchéité (12, 44), et un organe de fermeture et d'ouverture (14, 14a, 40) fermant en direction de ladite partie d'étanchéité (12, 44) et déplacé de façon commandée, caractérisée en ce que des surfaces (160, 16u) se faisant face et faisant saillie suivant au moins une composante perpendiculaire au sens de déplacement de fermeture (K, A) de l'organe (14, 14a, 40) sont reliées à l'ouverture de siège de soupape (44), d'une part, et à l'organe (14, 14a, 40), d'autre part, lesquelles surfaces (16o, 16u) définissent un entrefer, minimum en position fermée, qui est traversé par un champ magnétique (H) d'un dispositif d'aimants (18, 50, 40). 2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'il est prévu, dans la zone de l'une au moins des surfaces (160, 16u), relié fermement à celles-ci, un dispositif d'aimants permanents (18, 50) et/ou d'électro- aimants (18a). 3. Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le champ magnétique (H) est commandé par un signal de commande (s(x)) qui dépend de la distance (x) entre la zone d'étanchéité de l'organe (14, 14a, 40) et la zone d'étanchéité (12) située au niveau du siège de soupape. 4. Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'organe (14) comprend un tiroir d'une soupape à tiroir, et la partie d'étanchéité (12) est linéaire. 5. Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'organe (14a, ) comprend une tige de soupape (14a) et un tête de soupape (40). 6. Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'organe agit, juste avant l'ouverture, à l'encontre d'un organe formant ressort (22, 52) agissant dans le sens d'ouverture. 7. Soupape selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'organe formant ressort est formé par un organe d'étanchéité élastique (52) prévu sur l'organe de fermeture et d'ouverture (14, 14a, 40) et/ou sur le siège de soupape, dans la zone d'étanchéité (12). 8. Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'un ressort de fermeture (20, 42) agit sur l'organe (14, 14a, 40) dans le sens de fermeture, moyennant quoi l'organe est poussé jusque dans la zone d'action du champ magnétique. 9. Soupape selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle est conçue comme une soupape à vide.