Brevet FR2735836A1 — publié le 19961227

VANNE A MEMBRANE, NOTAMMENT POUR CIRCUIT DE GAZ A HAUTE PURETE La présente invention concerne la realisation d'une vanne de type à membrane, utilisable plus particulièrement sur des circuits de gaz à haute pureté, notamment dans toute situation où une atmosphère protectrice de gaz inerte demande à être soumise à purification en permanence. Il existe bon nombre d'installations industrielles qui comportent de tels circuits de gaz à haute pureté. On en trouve en particulier dans divers domaines de la chimie et de la pharmacie, notamment ceux qui impliquent l'utilisation de milieux nocifs, ou dans les ateliers de fabrication de composants électroniques et de semi-conducteurs où l'on utilise des gaz toxiques, ou même dans toutes autres sortes d'industries faisant intervenir des gaz coûteux à recycler après purification. Parmi les vannes utilises à ce jour sur des circuits de gaz à haute pureté, il est connu en particulier des vannes dans lesquelles une membrane limitant une chambre ménagée dans un corps de vanne, sert à pousser à l'encontre d'un ressort de rappel, un clapet mobile à l'intérieur de ladite chambre. Lorsque ce clapet mobile est ainsi appliqué sur un siège coopérant, il ferme la communication par l'intermédiaire de ladite chambre entre une conduite amont et une conduite aval également ménagées dans le corps de vanne de sorte à déboucher dans ladite chambre. Dans certaines vannes comme celle décrite dans la demande de brevet GB 2 131 917 A, un clapet constitué notamment en caoutchouc ou en élastomère est rapporté à une membrane métallique flexible ayant pour rôle de fermer la vanne vis-à-vis de l'extérieur par appui sur un joint d'étanchéité. D'autre part, la demande de brevet FR 2 280 844 decrit l'utilisation d'une membrane déformable comme clapet, formant un joint qui ferme la chambre interne de communication de la vanne. Cette membrane en matière résiliente est appliquee directement au moyen d'un ressort, sur le siège de vanne. Cependant le problème lié au domaine des gaz à haute purete n'est pas résolu par les vannes de l'art antérieur et l'étanchéité n'est pas suffisante. Dans les unes comme dans les autres, la présence de volumes morts où s'accumulent les impuretés que peut contenir le gaz véhicule n'a pu être évitée, alors qu ' en outre la membrane et/ou le clapet sont eux-mêmes cause d'impuretés, du fait des matériaux que l'on utilise de manière classique pour les constituer. Pour résoudre ces difficultés à l'opposé des solutions proposées antérieurement, la presente invention propose de réaliser toutes les étanchéités par contact métalmétal. Par une conception technologique nouvelle, elle vise à réduire le volume mort au strict nécessaire de fonctionnement de la vanne afin d'éviter tout stockage des produits véhiculés. L'invention permet aussi d'améliorer le temps de réponse, lors des utilisations sur analyse chromatographique par exemple. Selon une autre caractéristique, l'invention vise à apporter une grande sécurité de fonctionnement, notamment par une étanchéité de très haut niveau (10-9 atmosphères par cm2 par seconde), qui est réalisée grâce à l'absence totale de pièces intermédiaires telles que par exemple joints ou bagues. L'invention vise également à faciliter les opérations de décontamination. L'invention propose à cette fin une vanne à membrane métallique de préférence en acier inoxydable, comportant une chambre de communication ménagée dans un corps de vanne, dans laquelle débouche un conduit amont et un conduit aval de circulation de gaz, caractérisée en ce que ladite membrane est constituée d'un disque plan métallique qui, par une première de ses deux faces opposées, limite la chambre de communication, et sur sa seconde face opposée à la première est soudé en bout d'une tige de commande. Pour ouvrir ou fermer la communication entre les deux conduits, il suffit de déplacer axialement, par déformation, la partie centrale du disque par rapport à un siège de vanne coopérant, situe en regard de la première face dans la chambre.En zone périphérique, la membrane est enserre entre une tête de vanne et le corps de vanne, en contact métal-métal de manière étanche sur le corps, au-delà d'un épaulement définissant la chambre. Selon une autre caracteristique de l'invention, les matériaux en contact avec le fluide sont de même nature, à savoir en acier inoxydable, ce qui permet la compatibilité avec tout fluide compatible avec l'acier inoxydable utilisé de plus, la vanne selon l'invention présente alors une tenue en température élevee. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est possible de réaliser une double étanchéité, respectivement interne et externe notamment par rapport à l'atmosphère, ce qui offre des avantages indéniables par exemple dans le cas du transport de fluides très toxiques. A cet effet, l'invention propose de réaliser un corps de vanne formant un couteau annulaire pointu qui vient pénétrer dans le métal de la zone périphérique de la membrane lors de son enserrement entre la tête et le corps de vanne pour assurer l'étanchéité externe. L'étanchéité interne est avantageusement réalisée, en position de fermeture de la chambre de communication, par contact étanche métal-métal de la membrane avec le siège de vanne. Conformément à l'invention, il est possible d'usiner des corps de vannes en type multi-voies ce qui permet de sélectionner des circuits, par exemple de gaz à analyser, de gaz de balayage, de gaz inerte de couverture, etc., avec un temps de réponse très réduit et un volume de fluide à analyser très reduit ; il est aussi possible d'intégrer des corps de vanne dans des conteneurs de transport par usinage direct du corps de vanne dans ce genre de conteneur. Diverses autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description détaillée qui suit. Un mode de réalisation de l'invention est illustré à titre d'exemple non limitatif conformement aux dessins annexés dans lesquels - la figure l est une vue en coupe longitudinale d'une vanne selon la présente invention dont les éléments sont représentés sous forme séparée - la figure 2 est un agrandissement d'une partie de la vanne selon l'invention au repos - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une vanne en commande manuelle en position ouverte - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'une vanne en commande automatique en position fermée. La figure 1 permet de distinguer une vanne conforme à l'invention en représentation éclatée. On y voit notamment un ensemble de manoeuvre 4 composé d'une tige de commande 5 terminée par un disque plan en acier inoxydable qui constitue la membrane 6, et un volant 2 se vissant sur une tête 3 d'un corps 7 de vanne. La tige de commande 5, la tête 3 et le corps 7 de vanne seront réalisés également en acier inoxydable, de même qualité que la membrane 6. La vanne comporte un corps 7 où sont ménagés un conduit 8 disposé au centre axialement et un autre conduit 9 parallèle mais decentré latéralement. L'orifice par lequel débouche sur l'axe de la vanne le conduit 8 est entouré par un couteau annulaire 13 qui assure l'étanchéité au contact de la membrane 6 comme on le verra ci-après. Les deux conduits 8 et 9 débouchent dans une chambre de communication 20 ménagée à l'intérieur du corps 7. Celleci les met en communication lorsque la membrane 6 n'est pas en contact étanche sur le couteau annulaire 13. A leur autre extrémite ils sont connectés vers l'extérieur du corps 7 à des tubes 10 soudés en bout à la demande. La membrane 6, sur une de ses faces exterieures à la chambre 20 est soudée sur une tige de commande 5 sur tout le pourtour de cette dernière en 12, de sorte que la tige de commande 5 et la membrane 6 peuvent être entraînées ensemble dans un mouvement axial (verticalement sur la figure), ce qui sert à ouvrir et à fermer la vanne, comme il apparaîtra mieux plus loin. La figure 2 montre d'une manière plus précise comment une première des deux faces de la membrane 6 limite la chambre de communication 20, la deuxième face opposée à la première étant soudée en bout de la tige de commande 5 en 12, dans une zone annulaire intermédiaire de ladite membrane entre une zone centrale coopérant avec le siège de la vanne 13 et une zone périphérique. La tige 5 commande la coopération entre la membrane 6 et le couteau annulaire 13 qui constitue le siège de vanne. Cette tige de commande 5 est centrée sur l'axe de la vanne et sa périphérie se situe entre un couteau pointu 11 et le couteau 13 formant le siège. Le couteau pointu 11 est formé à partir du corps de vanne 7, sa pointe acérée annulaire pénètre dans le métal de la zone périphérique de la membrane 6. La membrane est relativement épaisse de sorte que le couteau 11 y forme une empreinte sans la perforer et sans nuire à la résistance mécanique. Sur toute cette zone périphérique, la membrane 6, enserrée entre la tête 3 et le corps 7 de vanne à l'aide de vis 21, assure l'étanchéité autour de la chambre de communication 20, notamment par ledit couteau pointu 11 qui garantit une étanchéité extérieure. C'est l'épaisseur de la membrane 6 qui permet d'assurer plus particulièrement l'étanchéité vis-à-vis de l'extérieur quand la membrane est au contact du couteau pointu 11. L'action d'étanchéité du couteau pointu 11 est assurée de façon définitive en combinaison avec l'étanchéité par contact métal-métal, qui est propre au fait que dans cette zone périphérique la membrane est coincée entre deux portées planes ménagées respectivement sur la tête de vanne et le corps de vanne proprement dit. Dans la zone centrale, le couteau annulaire 13 est en protubérance par rapport à un fond 14 de la chambre de communication 20. Ce couteau 13 est à la fois en retrait par rapport à un épaulement 25 qui sépare le fond 14 d'une portée 27 d'appui périphérique de la membrane 6 et par rapport à la membrane 6 au repos. Quand la vanne est en position fermée, le couteau annulaire 13 assure le contact métal-métal avec la membrane 6, déformée au-delà de sa forme plane au repos. Pour permettre la deformation en ouverture de la vanne au-delà de la forme plane du disque au repos, la tête 3 est évasée en biais autour d'un alésage 26 recevant la tige de commande 5 jusqu'à ladite zone périphérique de la membrane 6. La vanne selon l'invention étant à débit tout ou rien elle présente deux positions, respectivement ouverte et fermée, impliquant un mouvement actif dans les deux sens du haut vers le bas et inversement de l'ensemble de manoeuvre 4. Compte tenu de l'épaisseur de la membrane 6, sa partie centrale s'abaisse dans la chambre de communication 20 en position fermee de la vanne. La membrane 6 assure ainsi l'étanchéité métal-métal et par la place qu'elle occupe, notamment sur l'épaulement 25 qui définit ladite chambre 20, réduit au strict minimum nécessaire au fonctionnement de la vanne le volume mort. Par ailleurs la présence du couteau émoussé 15 à forme tronconique permet de ne pas déformer la membrane 6. La membrane 6 s'abaisse dans la zone centrale sur le siège 13 de la vanne assurant l'étanchéité interne. En position ouverte, la membrane 6 se déforme dans l'autre sens et sa partie centrale remonte à l'écart du siège avec la tige de commande 5.La chambre de communication 20 se remplit alors de gaz, lequel arrive de préférence du conduit 8 pour ressortir par le conduit 9. I1 semble en effet, que pour un meilleur fonctionnement, le conduit amenant le gaz doit être en position axiale au centre. De par l'installation de la membrane 6 directement sur la tige de commande 5, sans aucune pièce intermediaire, et grâce à une course limitée, le temps de réponse à l'actionnement est très rapide. La figure 3 est une représentation d'une réalisation de la vanne conforme à l'invention, selon la figure 2 en commande manuelle. L'ensemble de manoeuvre 4 constitué de la tige de commande 5 et de la membrane 6 est mobile axialement respectivement du haut vers le bas, alors que le volant 2 tourne, solidaire de la tête 3 fixée au corps 7 de vanne par des vis 21. Une vis 16 à l'intérieur du volant 2 fixe ledit volant en rotative sur la tige de commande 5. Le mouvement axial de la tige de commande 5 en coulissement dans la tête entraîne la membrane 6, sous l'action d'un mouvement de rotation du volant 2 lié par filetage à la tête 3. Ainsi, pour fermer la vanne, il suffit de visser le volant 2, et inversement pour l'ouvrir il suffit de dévisser ledit volant. Des cages de roulement 17 sont disposées autour de la vis 16 et au-dessus de la tige de commande 5. Elles servent aussi de butee quand le volant est visse à fond. Un seul tour de vis suffit du fait de la course limitée. La figure 4 est une représentation de la vanne conforme à l'invention, selon la figure 2 en commande automatisée. La position de repos de la vanne en commande automatique est une position fermee (securite positive). Au niveau de la tête 3, un tuyau d'arrivée d'air comprimé 18 débouche dans une chambre aménagée 22 située sous un ressort à rondelle par exemple de type Belleville 19. L'admission d'air comprimé par le tuyau 18 dans la chambre 22 suffit à ouvrir la vanne en comprimant le ressort 19 et en provoquant, à l'encontre de la force de rappel de ce ressort, la translation d'un piston 24, monte solidaire de la tige de commande 5 dans son prolongement, pour remonter la membrane 6 du siège 13 de la vanne. Pour fermer la vanne, il suffit de libérer la pression, le ressort 19 se detend et le piston 24 redescend. En periphérie dans la tête 3, au-dessus de la chambre 22 se trouve un joint 23 qui assure l'étanchéité de telle sorte que l'air comprimé contenu dans ladite chambre ne s'échappe pas inopinément. Le volant 2 et la tête 3 de la vanne sont fixés et solidaires l'un de l'autre en commande automatique. La tête 3 est fixée au corps de la vanne par des vis 21. La vanne à membrane tout métal qui vient d'être décrite et illustrée peut être naturellement modifiée en remplaçant un ou plusieurs de ses organes ou par des organes équivalents sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1/ Vanne à membrane métallique comportant une chambre de communication (20) ménagée dans un corps de vanne (7), dans laquelle débouche un conduit amont et un conduit aval de circulation de gaz, caractérisée en ce que ladite membrane (6) est constituée d'un disque plan métallique qui par une première de ses deux faces opposées limite ladite chambre de communication (20) et sur sa seconde face oppose à la première est soudé en bout d'une tige (5) de commande de sa déformation, mobile axialement de sorte à ouvrir ou fermer la communication entre les deux conduits, en déplaçant la partie centrale dudit disque par rapport à un siège de vanne (13) coopérant situé en regard de la première face dans ladite chambre (20), et en ce que ladite membrane (6), en zone périphérique, est enserrée entre une tête (3) et ledit corps de vanne (7), en contact métal-métal de manière étanche sur ledit corps (7), au-delà d'un épaulement (25) définissant ladite chambre. 2/ Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de vanne (7) forme un couteau annulaire pointu (11) venant pénétrer dans le metal de la zone périphérique de la membrane (6) lors de son enserrement entre la tête (3) et le corps de vanne (7). 3/ Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le corps de vanne (7), en regard de la partie centrale, forme un couteau annulaire présentant une portée plane constituant ledit siège de vanne (13), par contact étanche métal-métal avec ladite membrane en position de fermeture de la chambre de communication (20). 4/ Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite portée plane se situe en retrait de la position de la membrane dans la forme plane au repos dudit disque. 5/ Vanne selon la revendication 4, caractérisée en ce que la soudure de la membrane (6) sur la tige de commande (5) se situe en une zone annulaire intermédiaire de ladite membrane, entre ladite zone centrale coopérant avec le siège de la vanne (13) et ladite zone périphérique enserrée. 6/ Vanne selon la revendication 5, caractérisée en ce que la tête (3) est évasée en biais autour d'un alésage (25) recevant la tige de commande (5) jusqu'à ladite zone périphérique de la membrane (6) pour permettre la déformation en ouverture de la vanne au-delà de la forme plane du disque au repos. 7/ Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la vanne est associée à un mécanisme de commande manuelle assurant un mouvement axial de la tige de commande (5) en coulissement dans ladite tête entraînant la membrane (6), sous l'action d'un mouvement de rotation d'un volant (2) lié par filetage à la tête (3). 8/ Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle est associée à un mécanisme de commande automatique à partir d'une position de repos où elle est fermée, ledit mécanisme impliquant l'admission d'air comprimé provoque la compression d'un ressort de rappel (19) élastique et la translation d'un piston (24), monté solidaire de la tige de commande (5) dans son prolongement, et ouvre la communication entre les deux conduits. 9/ Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'épaulement (25) définissant la chambre de communication (20) est en contact permanent avec la membrane (6), qui limite aussi ladite chambre, réduisant le volume mort au strict minimum nécessaire au fonctionnement de ladite vanne. 10/ Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que parmi les éléments constitutifs de la vanne au moins la tête (3), le corps (7), la tige de commande (5) et la membrane (6) sont en acier inoxydable de même qualité.