Brevet FR2759759A1 — publié le 19980821

La présente invention a pour objet un dispositif d'obturation pour vanne à membrane destinée au contrôle de circuits de fluides de haute pureté, comportant un corps de vanne, une membrane élastique, un siège de membrane inséré dans un logement formé à cet effet dans le corps de la vanne et un couvercle de serrage de la membrane. Les différents éléments du dispositif assurant l'obturation présentent des caractéristiques de matériau, d'élasticité et de géométrie optimisées pour garantir à la fois l'étanchéité vis à vis du milieu extérieur, un fonctionnement correct de la vanne et une résistance aux produits corrosifs. Dans la situation actuelle, la technologie des vannes de contrôle de fluide comprend d'une part les vannes dites à soufflet, et d'autre part les vannes à membrane. Les vannes à soufflet offrent des avantages d'excellent coefficient de débit et de possibilité de travailler en dépression jusqu'à un vide de 10-3 ou 10-4 Torr. Par contre, elles ont pour inconvénients principaux les problèmes de fabrication du soufflet du fait des contours mécaniques variables, ainsi qu'un volume mort important dans la vanne augmentant considérablement le temps de purge des vannes. Enfin, ces vannes à soufflet présentent des problèmes de pollution du gaz par des particules issues du soufflet. Les vannes à membrane comprennent un corps dans lequel sont ménagés des conduits d'amenée et d'évacuation du fluide, le conduit d'amenée débouchant dans une face en regard de laquelle est montée une membrane qui, par déformation, est susceptible d'isoler ou de mettre en communication les conduits damenée et d'évacuation de fluide, en obturant ou non l'extrémité du conduit d'amenée du fluide qui forme un siège pour la membrane. Les vannes à membrane ont pour avantage majeur la simplicité de confection par rapport aux vannes à soufflet, avec une réalisation possible par emboutissage, pliage ou découpage. Par ailleurs elles offrent un volume mort très réduit et un état de surface meilleur menant à une pollution nettement plus réduite du gaz. En contrepartie de ces avantages, elles présentent des problèmes de débit limité en position ouverte par le débattement de la membrane, de risque d'introduction d'humidité dans les lignes de fluides, et de réaction aux gaz tels que HCI entrainant une corrosion et une attaque chimique des lignes de fluides. Enfin, des questions d'étanchéité du contact membrane / embase en position fermée se posent pour ce type de vanne. Différentes améliorations ont été apportées aux vannes à membrane, en particulier dans le choix d'embases rondes plus précises (Demande de brevet 91.07191) ou par la définition de géométries de membranes permettant d'augmenter le débit en position ouverte de la vanne (Demande de brevet 91.07192). La présente invention entend remédier au problème de fermeture automatique des vannes à membrane lors de mise sous vide de la ligne de fluide, en proposant une membrane de forme modifiée. Selon un second but de l'invention, l'étanchéité par rapport au milieu extérieur est améliorée. Le dispositif objet de la présente invention est donc une membrane d'obturation de circuit de fluide, pour vanne de contrôle de flux de fluides gazeux ou humides, ladite vanne comprenant un corps de vanne, une canalisation d'entrée de fluides, une canalisation d'évacuation de fluides, un système d'actionnement de la vanne venant déformer la membrane pour l'amener au contact de l'embase de la vanne en obturant ainsi hermétiquement le circuit de fluide, caractérisée en ce que la membrane se présente sous la forme d'une coupelle dont le fond est une calotte sphérique ou parabolique de révolution. Cette disposition permet à la membrane de conserver une position de repos Normalement Ouverte (NO) ou Normalement Fermée (NC) par le seul jeu de la force de rappel créée par son élasticité. Contrairement aux membranes des vannes à membrane connues, qui ont une forme essentiellement plane, et qui ont tendance à se fermer naturellement sous l'effet de l'aspiration lors de la mise sous vide de la canalisation de gaz. Selon une disposition particulière, le rayon de courbure de la calotte est approximativement égal à 20 fois le rayon de la coupelle. Cette disposition résulte de l'expérience et offre de bons résultats autant en élasticité de la membrane qu'en effort demandé pour passer de position ouverte en position fermée. Selon une disposition plus particulière, la membrane pour vanne 1/4 de pouce est caractérisée en ce que l'épaisseur de la membrane est comprise entre 0,08 et 0,16 mm, en ce que son diamètre est de 20 mm environ, en ce que le rayon de courbure de la calotte est de 200 mm environ, en ce que l'angle formé par le rebord avec le fond de la coupelle est compris entre 25 et , et en ce que la profondeur de la coupelle est d'environ 0,85 mm entre le fond de la calotte sphérique et le rebord de la coupelle. De même, ces données précises de géométrie de la membrane permettent d'obtenir de très bons résultats de fonctionnement opérationnel de la vanne à membrane. De façon encore plus spécifique, la membrane est réalisée en alliage métallique ayant des propriétés de résistance chimique équivalentes à celle d'un acier inox austénitique référencé 316 L selon la norme ASTM, chargé en cobalt pour lui conférer des propriétés d'élasticités identiques à celle d'un acier à ressort. Le choix de ce type de matériau va également dans le sens de l'obtention d'une bonne élasticité pour la membrane. Avantageusement, la membrane est réalisée en alliage métallique comportant outre du Fer, une proportion comprise entre 35 et 45 % de Cobalt, 18 à 22 % de Chrome, 13 à 17% de Nickel, 5 à 9% de Molybdène, I à 3% de Manganèse, moins de 0,25 % de Carbone et moins de 0,2% de Béryllium. Cette disposition permet de créer des membranes possédant à la fois une bonne élasticité et des qualités de résistance aux produits corrosifs. Selon une mise en oeuvre particulière du corps de vanne à membrane comportant une canalisation d'entrée de fluide co-axiale avec la membrane d'obturation, le couvercle de serrage et le piston de serrage, ce corps comporte un bourrelet en forme de demi-tore sur lequel vient prendre appui le couvercle de la membrane pour créer l'étanchéité vis à vis de l'environnement extérieur à la vanne. Cette diposition utilisée en combinaison avec les membranes selon l'invention garantit une bonne étanchéité de la vanne à membrane vis à vis du milieu extérieur, réduisant ainsi les échanges de gaz qui peuvent être contaminants pour le milieu externe comme pour le fluide transporté dans la canalisation de gaz. Selon une mise en oeuvre du corps de vanne à membrane comportant une canalisation d'entrée de fluide co-axiale avec la membrane d'obturation et le piston de serrage venant appuyer sur la membrane pour provoquer la fermeture de la vanne, ce corps comporte un insert ayant la forme d'un anneau. Les performances de la vanne en matière de qualité de la fermeture sont améliorées par l'utilisation de corps de vanne comportant un insert, en conjonction avec les membranes de forme et matériau conformes à l'invention. Selon un mode particulier de réalisation du couvercle de serrage pour vanne à membrane, ledit couvercle présente sur sa surface plane latérale, destinée à prendre appui sur le rebord latéral circulaire de la membrane pour assurer l'étanchéité vis à vis de l'environnement extérieur, une rainure concentrique avec la membrane et le couvercle de serrage. Cette mise en oeuvre contribue également à améliorer l'étanchéité de la vanne à membrane une fois assemblée. La description qui va suivre, donnée à titre indicatif et nullement limitatif permet de mettre en évidence les caractéristiques et avantages de l'invention. La figure I schématise une vanne avec ses différents éléments principaux. La figure 2 représente une vue en coupe verticale du corps de vanne assemblé. La figure 3 représente une vue en coupe de membrane selon l'invention. La figure 4 représente un insert modifié adapté à l'utilisation de membrane selon l'invention. La figure 5 représente un couvercle de serrage de la vanne à membrane. Tel que représenté selon une disposition classique sur la figure 1, la vanne selon l'invention comprend un corps de vanne (1) qui constitue la partie inférieure de la vanne, et sur lequel est monté l'actionneur (2), de nature manuelle ou mécanique. De façon plus détaillée tel qu'il est visible la vue en coupe (Fig. 2), le corps de vanne (1) comprend une embase de vanne (3) dans laquelle sont ménagés les conduits d'arrivée (4) et d'évacuation des fluides (5), la membrane (6) formant dispositif de fermeture de la vanne lorsque le piston (7) vient déformer la membrane pour l'appliquer de façon hermétique sur le rebord du conduit d'arrivée des gaz. Le corps de vanne est de nature connue, et son mode de réalisation est connu de l'homme de l'art. Il ne sera donc pas décrit plus avant ici. La membrane (6) est serrée sur son rebord extérieur entre d'une part le corps de vanne (3) qui présente un bourrelet circulaire adapté à venir en vis à vis dudit rebord extérieur de la membrane, et d'autre part le couvercle de serrage (9) qui présente éventuellement une rainure circulaire en forme de demi tore (12). Le couvercle de serrage est assemblé sur le manchon de serrage (10) par exemple par un filetage, lequel manchon de serrage est à son tour assemblé sur le corps de vanne par l'intermédiaire d'un filetage (11). Cette mise en oeuvre garantit une très bonne étanchéité du montage de la membrane. La membrane (6) est réalisée à partir de bandes d'alliage métallique d'une épaisseur de 0,12 mm typiquement, découpée et emboutie par une presse à la forme désirée. Le corps de vanne comporte une gorge conique destinée à recevoir le siège (8) fixé par blocage, sur lequel vient s'appuyer la membrane (6) en position fermée. Le siège (8) est réalisé préférentiellement en résine synthétique de type PCTFE (Poly-Chloro-Tri-Fluoro-Ethylène) ou en alliage métallique, par exemple Acier 316L et Nickel, ou Nickel pur. L'assemblage du siège sur le corps de la vanne se fait par insertion en force dans le logement prévu à cet effet dans 1' embase de la vanne. A cet effet, le choix d'un angle de 1,25 à plus ou moins 30' par rapport à l'axe perpendiculaire au corps de vanne pour les deux faces latérales du siège et de la gorge faisant effet de logement permet un montage en force sans aucun collage ou autre pièce, et apporte de plus une étanchéité du montage. Le démontage d'un siège en PCTFE de son support peut se faire en utilisant de l'air chaud entraînant une dilatation différentielle du siège et de l'embase de vanne. La portée de la présente invention ne se limite pas aux modes de réalisation présentés mais s'étend au contraire aux perfectionnements et modifications à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Membrane d'obturation de circuit de fluide, pour vanne de contrôle de flux de fluides gazeux ou humides, ladite vanne comprenant un corps de vanne, une canalisation d'entrée de fluides, une canalisation d'évacuation de fluides, un système d'actionnement de la vanne venant déformer la membrane pour l'amener au contact de l'embase de la vanne en obturant ainsi hermétiquement le circuit de fluide, caractérisée en ce que la membrane se présente sous la forme d'une coupelle dont le fond est une calotte sphérique ou parabolique de révolution. 2. Membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rayon de courbure de la calotte est approximativement égal à 20 fois le rayon de la coupelle. 3. Membrane pour vanne 1/4 de pouce selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'épaisseur de la membrane est comprise entre 0,08 et 0,16 mm, en ce que son diamètre est de 20 mm environ, en ce que le rayon de courbure de la calotte est de 200 mm environ, en ce que l'angle formé par le rebord avec le fond de la coupelle est compris entre 25 et 40 , et en ce que la profondeur de la coupelle est d'environ 0,85 mm entre le fond de la calotte sphérique et le rebord de la coupelle. 4. Membrane selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est réalisée en alliage métallique ayant des propriétés de résistance chimique équivalentes à celle d'un acier inox austénitique référencé 316 L selon la norme ASTM, chargé en cobalt pour lui conférer des propriétés d'élasticités identiques à celle d'un acier à ressort. 5. Membrane selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle est réalisée en alliage métallique comportant outre du Fer, une proportion comprise entre 35 et 45 % de Cobalt, 18 à 22 % de Chrome, 13 à 17% de Nickel, 5 à 9% de Molybdène, 1 à 3% de Manganèse, moins de 0,25 % de Carbone et moins de 0,2% de Béryllium. 6. Corps de vanne à membrane comportant une canalisation d'entrée de fluide co-axiale avec la membrane d'obturation, le couvercle de serrage et le piston de serrage, ladite membrane étant conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ce corps comporte un bourrelet en forme de demi-tore sur lequel vient prendre appui le couvercle de la membrane pour créer l'étanchéité vis à vis de l'environnement extérieur à la vanne. 7. Corps de vanne à membrane comportant une canalisation d'entrée de fluide co-axiale avec la membrane d'obturation et le piston de serrage venant appuyer sur la membrane pour provoquer la fermeture de la vanne, ladite membrane étant conforme à l'une des revendications I à 6, caractérisée en ce que ce corps comporte un insert ayant la forme d'un anneau. 8. Corps de vanne selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'insert présente un profil en accord avec la figure 4. 9. Couvercle de serrage pour vanne à membrane comportant une membrane selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit couvercle présente sur sa surface plane latérale, destinée à prendre appui sur le rebord latéral circulaire de la membrane pour assurer étanchéité vis à vis de l'environnement extérieur, une rainure concentrique avec la membrane et le couvercle de serrage.