Brevet FR2752902A1 — publié le 19980306

L'invention a trait à une vanne, notamment pour la régulation d'une installation de distribution d'eau potable. Dans les vannes de régulation et de contrôle connues de l'art antérieur, un clapet est mobile entre une position de fermeture, où il repose contre un siège, et une position d'ouverture, où il est distant de ce siège et laisse circuler un fluide tel que de l'eau, les mouvements du clapet étant pilotés par l'unité de commande de la vanne. Dans ce genre de vannes, lorsque le clapet est dans une position proche de sa position de fermeture mais distant de son siège, l'écoulement du fluide crée des fluctuations de pression qui génèrent des instabilités de nature à altèrer son fonctionnement. Ces instabilités peuvent provenir de vibrations, de pulsations de pression, dues à un phénomène de "pompage" et résultant dans des distorsions dans la courbe de régulation, ou de phénomènes d'aspiration. D'une part, ces instabilités empêchent une fermeture franche du clapet lorsqu'il parvient au contact du siège et une ouverture franche lorsqu'il commence à s'en éloigner. D'autre part, elles résultent dans des contraintes dans les matériaux constitutifs de la vanne qui augmentent son usure et réduisent sa durée de vie. Enfin, elles sont susceptibles de faire entrer en résonnance l'équipage mobile et, par là même, de contribuer à la destruction de la vanne. Ces phénomènes sont d'autant plus accentués que la différence de pression entre le conduit d'alimentation amont et le conduit aval de la vanne est forte et que la vanne est faiblement ouverte, dans une position connue sous le terme "position de laminage". Le risque de telles instabilités est amplifié lorsque la pression aval de la vanne est faible, car elle est alors susceptible de fonctionner en régime de cavitation. L'invention vise à résoudre ces problèmes et à proposer une vanne dont la fermeture et l'ouverture sont franches, c'est-à-dire dont le clapet n'est pas soumis à des instabilités à proximité de sa position de fermeture, et ce, quelle que soit la différence de pression entre les conduits amont et aval de la vanne. Dans cet esprit, l'invention concerne une vanne, notamment pour la régulation d'une installation de distribution d'eau potable, comprenant un siège et un clapet mobile entre une position de fermeture où il repose contre ledit siège et une position d'ouverture où il est distant dudit siège, et un flasque, apte à plaquer ledit clapet contre ledit siège et solidaire d'une tige de manoeuvre dudit clapet, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre de contre-pression ménagée entre ledit clapet et ledit flasque et en ce que ledit clapet est pourvu d'au moins un orifice de mise en communication de ladite chambre avec un conduit d'admission de ladite vanne. Grâce à l'invention, les orifices de communication permettent d'équilibrer au moins partiellement la pression dans le conduit d'admission de la vanne et la pression dans la chambre de contre-pression et de disposer d'une zone de régulation sous faible débit, différente de la zone régulation de l'écoulement sous fort débit. Ainsi, le clapet est dans une situation d'équilibre dynamique dans laquelle il n'est pas soumis à des vibrations parasites. Selon un premier aspect avantageux de l'invention, le bord phériphérique externe du clapet est distant du flasque, de sorte que la chambre de contre-pression est en communication avec le conduit aval de la vanne par une ouverture annulaire. L'ouverture entre la chambre de contre-pression et le conduit aval de la vanne permet un écoulement du fluide traversant la vanne, y compris en cas de faible débit. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, la somme des sections des ou de l'orifice(s) de communication est inférieure à la section de l'ouverture annulaire entre la chambre de contre-pression et le conduit aval. Grâce à cet aspect de l'invention, la pression à l'intérieur de la chambre de contre-pression est réduite par rapport à la pression amont et le fonctionnement à faible débit est obtenu sans cavitation, par étagement de la perte de charge. Ceci permet une régulation à faible débit sur une section de contrôle, c'est-à-dire dans une zone de régulation, différente de celle utilisée pour les débits plus importants Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le clapet est réalisé en un matériau souple apte à se déformer élastiquement dans une direction parallèle à la tige de manoeuvre. Dans ce mode de réalisation, un positionnement dynamique du clapet en début d'ouverture ou en fin de fermeture est obtenu en utilisant les propriétés d'absorbsion des vibrations du matériau souple. Dans ce mode de réalisation, on peut en particulier prévoir que le clapet est déformé en flexion lorsqu'il est en appui contre le siège, de sorte que la fermeture effective de la vanne est obtenue par une déformation du clapet. Selon un second mode de réalisation de l'invention, le clapet est monté sur la tige de manoeuvre de façon libre en translation sur une course déterminée de faible amplitude. Cette construction permet de faibles débattements du clapet parallèlement à la tige, ces débattements étant avantageusement absorbés par des moyens de rappel élastique du clapet en position. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, de deux modes de réalisation d'une vanne conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une vanne conforme à un premier mode de réalisation de l'invention en position ouverte - la figure 2 est une vue en coupe de la partie centrale de la vanne de la figure 1 alors que la vanne est en cours de fermeture - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, alors que la vanne est en position fermée et - la figure 4 est une vue analogue à la figure 2 pour une vanne conforme à un second mode de réalisation de l'invention, en position ouverte. A la figure 1, une vanne de régulation d'installation d'eau potable comprend un corps 1 définissant un conduit d'admission, ou conduit amont, 2 et un conduit d'échappement, ou conduit aval, 3 séparés par une nervure interne 4 du corps 1 qui coopère avec une seconde nervure 5 pour réaliser une surface de support d'un siège de clapet 6. Par ailleurs, un flasque supérieur 7 et un flasque inférieur 8, montés sur une tige de commande 9, enserrent la partie centrale d'une membrane souple 10 dont le bord périphérique est prisonnier entre le bord supérieur du corps 1 et le bord inférieur d'un couvercle 11. Grâce à cette construction, les flasques 7 et 8 sont mobiles parallèlement à l'axe principal XX' de la tige 9, en fonction de la différence de pression entre un fluide de commande, qui peut être de l'eau ou de l'huile, situé dans une chambre supérieure 12 comprise entre la membrane 10 et le couvercle 11, et l'eau potable comprise dans une chambre inférieure 13 située entre la membrane 10 et le siège 6. Un clapet 14 est monté solidaire de la tige 9 grâce à un écrou de serrage 15. En fonction de la position des flasques 7 et 8, le clapet 14 est, ou n'est pas, plaqué contre le siège 6 par le flasque 8 de sorte qu'il s'oppose, ou ne s'oppose pas, au passage de l'eau du conduit amont 2 vers le conduit aval 3. Une pression de commande P0 est appliquée à l'intérieur de la chambre 12 à travers un orifice lla du couvercle 11 et les flasques 7 et 8 sont déplacés en fonction de la valeur de la pression de commande P0. Conformément à l'invention, une chambre de contre-pression 16 est ménagée entre le clapet 14 et le flasque 8 grâce au fait que le flasque 8 porte une gorge annulaire sur sa face dirigée vers le clapet 14. Par ailleurs, le clapet 14 porte un ou plusieurs orifices 17, dont deux sont visibles à la figure 1, ces orifices permettant de mettre en communication la chambre 16 avec l'espace situé en dessous du clapet 14 sur la figure 1, c'est-à-dire, en particulier, le conduit d'admission 2. En pratique, le clapet 14 est pourvu de plusieurs orifices 17 régulièrement répartis autour de la tige 9, de façon à équilibrer la pression P16 à l'intérieur de la chambre de contrepression 16. Le fonctionnement apparaît en comparant les figures 1, 2 et 3. A la figure 1, la vanne est en position ouverte et la pression P2 dans le conduit d'admission 2 est sensiblement égale à la pression P3 dans le conduit aval 3 et à la pression P15 dans la chambre de contre-pression 16. La distance entre le clapet 14 et le siège 6 est suffisante pour que les pertes de charges générées au passage du siège 6 puissent être considérées comme faibles et ne créent pas de vibrations répercutées sur l'équipage mobile formé de la tige 9 et des éléments qu'elle supporte. L'essentiel du flux de fluide traversant la vanne de l'invention circule entre le clapet 14 et le siège 6, car les pertes de charges induites dans les orifices 17 sont supérieures à celles générées par l'ouverture comprise entre le clapet 14 et le siège 6. A la figure 2 qui représente la vanne de l'invention en fin de phase de fermeture ou en début de phase d'ouverture, le clapet 14 est en appui sur le siège 6, de sorte que lécoule- ment du fluide emprunte un circuit passant par le ou les orifices 17, la chambre de contre-pression 16 et une ouverture annulaire 18 comprise entre le clapet 14 et le flasque 8. Le clapet 14 ne risque pas de subir des instabilités dues à un écoulement turbulent entre lui-même et le siège 6, et donc d'entrer en résonnance. I1 apparaît que l'ouverture 18 constitue une zone de régulation distincte du passage entre le clapet 14 et le siège 6, cette zone étant dédiée au passage du fluide en fin de phase de fermeture ou en début de phase d'ouverture. La géométrie de cette zone, définie par celles du flasque 8 et du clapet 14, peut être adaptée pour optimiser son fonctionnement indépendamment de la forme du siège 6 et de la face du clapet 14 en regard du siège. En particulier, on peut prévoir que l'ouverture 18 a une section non uniforme autour de la tige 9 afin de favoriser l'écoulement dans une direction choisie, telle que par exemple vers le conduit 3. Ainsi, on peut privilégier l'écoulement à faible débit vers le conduit aval, à droite de la figure 2, par opposition à la partie de la chambre 13 située à gauche sur la figure 2. L'ouverture 18 a, dans sa zone d'écoulement privilégié, une hauteur plus importante qu'il est plus facile de contrôler grâce aux déplacements du clapet 14 et des flasques 7 et 8. Selon un aspect avantageux de l'invention, la somme des sections des orifices 17 est inférieure à la section de l'ouverture annulaire 18, de sorte que la pression P15 dans la chambre de contre-pression 16 est intermédiaire entre la pression P3 dans le conduit aval 3 et la pression P2 dans le conduit amont. Ainsi, par un choix judicieux des dimensions de l'ouverture 18, l'écoulement entre la chambre 16 et le conduit 3 est laminaire, ce qui est un facteur de stabilité dynamique du clapet 14. De bons résultats de stabilité ont été obtenus lorsque la somme des sections des orifices 17 est entre 1 et 5 fois inférieure à la section de l'ouverture 18, c'est-à-dire lorsque leur rapport est compris entre 0,2 et 1. Dans la position de la figure 3, qui correspond à la fermeture du clapet, celui-ci est déformé par flexion, de sorte que l'ouverture 18 est aussi fermée. La pression P16 est alors égale à la pression P2 et le clapet est fermement maintenu en position. Selon un aspect avantageux de l'invention, le clapet 14 est réalisé dans un matériau souple apte à se déformer élastiquement dans une direction parallèle à la tige de manoeuvre 9, ce qui permet d'obtenir une déformation par flexion lorsqu'il est en appui contre le siège 6, tel que représenté à la figure 3. Le clapet 14 peut être formé d'un anneau en polyuréthane présentant des propriétés élastiques adaptées, cet anneau étant muni d'une armature rigide 20, par exemple métallique. L'armature 20 est disposée au voisinage de la tige 9. Ainsi, la partie centrale du clapet 14 n'est pas déformée et peut supporter un effort de serrage de l'écrou 15, alors que sa partie périphérique peut être déformée par flexion lorsqu'il est en appui contre le siège 6. A la figure 4, on a représenté les parties constitutives essentielles d'un second mode de réalisation d'une vanne conforme à l'invention. Sur cette figure, les éléments analogues à ceux du mode de réalisation des figures 1 à 3 portent des références identiques augmentées de 50. Ce mode de réalisation diffère du précédent en ce qu'un clapet 64 est réalisé dans un matériau rigide ou semi-rigide, tel que par exemple en résine polyamide ou en laiton et, éventuellement, pourvu d'un joint d'étanchéité non représenté. Le clapet 64 est monté sur une tige 59 de façon libre en translation sur une course déterminée de faible amplitude de sorte que, lorsqu'il vient en appui sur un siège 56 au terme d'une phase de fermeture ou lorsqu'il s'en sépare au début d'une phase d'ouverture, il est suceptible d'avoir un mouvement parallèle à l'axe XX'. Par ailleurs, selon un aspect particulièrement avantageux mais non obligatoire de l'invention, le clapet 64 est poussé en permanence en direction du siège 56 par des moyens élastiques de rappel constitués par un ressort à lame 71. Au cours du fonctionnement de la vanne, la répartition des pressions Ps2, P53 et P66 qui règnent respectivement dans le conduit d'admission 52, dans le conduit aval 53 et dans la chambre de contrepression 66 formée dans le flasque 58, est similaire à celui décrit en référence au premier mode de réalisation. La chambre 66 est en communication avec le conduit aval de la vanne à travers une ouverture annulaire 68. Des orifices 67, ménagés dans le clapet 64, mettent en communication la chambre 66 et le conduit amont 52 de la vanne. Ainsi, les orifices 67 permettent de garantir un fonctionnement efficace de la vanne sans instabilité. Le ressort 71 est en appui dans une cavité centrale 72 du flasque 58, de sorte qu'en position fermée de la vanne, il peut être complètement logé dans cette cavité et ne s'oppose pas à l'appui du bord du flasque 58 sur le clapet 64, ce qui permet la fermeture de l'ouverture 68. Selon un mode de réalisation non représenté de l'invention, le ressort 71 peut être un ressort spiral disposé dans la cavité 66 en appui contre le clapet 64. Le ressort 71 pourrait aussi être supprimé dans la mesure où un effort de rappel peut être obtenu par les forces de pression ou de gravité régnant dans la vanne. L'invention a été présentée avec des orifices de communication percés dans le clapet, mais ces orifices pourraient aussi être formés par des cannelures ménagées sur la tige centrale 9 ou 59 alors que le clapet 14 ou 64 possède un orifice central non jointif avec ces cannelures. L'invention est particulièrement adaptée aux vannes utilisées dans les unités de contrôle des réseaux de distribution d'eau. Elle peut cependant être utilisée dans tous types d'installation comprenant une vanne commandée, et, notamment dans le domaine de la robinetterie. REVENDICATIONS 1. Vanne, notamment pour la régulation d'une installation de distribution d'eau potable, comprenant un siège (6, 56) et un clapet (14, 64) mobile, entre une position de fermeture où il repose contre ledit siège et une position d'ouverture où il est distant dudit siège, et un flasque (8, 58), apte à plaquer ledit clapet contre ledit siège et solidaire d'une tige de manoeuvre (9, 59) dudit clapet, caractérisée en ce qu'elle comprend une chambre de contre-pression ménagée (16, 66) entre ledit clapet et ledit flasque, et en ce que ledit clapet est pourvu d'au moins un orifice (17, 67) de mise en communication de ladite chambre avec un conduit d'admission (2, 52) de ladite vanne. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit clapet (14, 64) est pourvu d'une pluralité d'orifices (17, 67) de mise en communication répartis autour de ladite tige de manoeuvre (9, 59). 3. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bord périphérique externe dudit clapet est distant dudit flasque (8, 58) de sorte que ladite chambre de contre-pression (6, 66) est en communication avec un conduit aval (3, 53) de ladite vanne par une ouverture annulaire (18, 68). 4. Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que la somme des sections du ou desdits orifice(s) (17, 67) est inférieure à la section de ladite ouverture annulaire (18, 68). 5. Vanne selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite ouverture annulaire (18) a une section non uniforme autour de ladite tige (9). 6. Vanne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit clapet (14) est réalisé en matériau souple apte à se déformer élastiquement dans une direction (XX') parallèle à ladite tige de manoeuvre (9). 7. Vanne selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit clapet (14) est formé d'un anneau en élastomère ou en polyuréthane à armature centrale rigide (20). 8. Vanne selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit clapet (14) est déformé en flexion lorsqu'il est en appui contre ledit siège (6). 9. Vanne selon l'une de revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit clapet (64) est monté sur ladite tige de manoeuvre (59) de façon libre en translation sur une course déterminée de faible amplitude. 10. Vanne selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de rappel élastique (71) dudit clapet (64) en position.