Brevet FR2762891A1 — publié le 19981106

La présente invention a pour objet une vanne à membrane, et plus spécialement une vanne à membrane destinée au contrôle de circuits de fluide de haute pureté. Dans la situation actuelle, la technologie des vannes de contrôle de fluide à haute pureté 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'excellents coefficients de débit et de possibilités de travailler en dépression jusqu'à un vide de 10-3 ou lO-4Torr. Toutefois, elles ont pour inconvénient principal les difficultés de fabrication du soufflet, en raison des contours mécaniques de celui-ci, ainsi qu'un volume mort interne important, mouillé par le fluide, dans la vanne, augmentant considérablement le temps de purge de la vanne. Enfin, les vannes à soufflet présentent des problèmes de pollution du gaz par les particules issues du matériau constitutif du soufflet. Une vanne à membrane comprend un corps, dans lequel sont ménagés des conduits d'amenée et d'évacuation du fluide, le conduit d'amenée et le conduit d'évacuation du fluide débouchant dans une face du corps en regard de laquelle est montée une membrane qui, par déformation, est susceptible d'isoler ou de mettre en communication les conduits d'amenée et d'évacuation de fluide, en obturant ou non l'extrémité du conduit d'amenée de fluide qui forme un siège pour la membrane. Les vannes à membrane ont pour avantage essentiel la simplicité de réalisation, par rapport aux vannes à soufflet, les membranes pouvant être obtenues par emboutissage, pliage ou découpage. En outre, elles offrent un volume mort très réduit et un état de surface meilleur se traduisant par une pollution nettement plus réduite du gaz. En contrepartie de ces avantages, elle présente en particulier des problèmes de débit limités en position ouverte par le débattement de la membrane. Enfin, des questions d'étanchéité du contact membraneembase en position fermée se posent, notamment lorsqu'une étanchéité très poussée est requise. Pour améliorer les conditions d'étanchéité, il est connu d'associer au corps de vanne un siège rapporté sur celui-ci, disposé autour de l'extrémité du conduit d'amenée de fluide. II est connu de monter ce siège dans une rainure entourant l'ouverture de ce conduit. Le siège peut être réalisé en une matière synthétique, par exemple une résine synthétique de type polychlorotrifluoréthylène. Cette résine présente l'avantage de posséder une bonne souplesse, ainsi que de permettre le remplacement du siège. Toutefois, un tel matériau ne constitue par un blindage suffisant vis-à-vis de certaines particules, et sa structure semi-cristalline est très sensible à la diffusion de certains gaz de faible masse atomique, tels que l'hélium et l'hydrogène. II est donc souhaitable d'utiliser un siège réalisé en un autre matériau, notamment un siège en nickel pur revêtu d'une couche tribologique de quelques millièmes de millimètres d'un alliage, tel que HASTELLOY ou INCONEL. Le siège proprement dit possède une dureté VICKERS comprise entre 80 et 120, tandis que la couche de surface présente une dureté de l'ordre de 500 à 600 VICKERS et la membrane prenant appui sur le siège présente une dureté comprise entre 250 et 400 VICKERS. La dureté moyenne du nickel pur, étant relativement basse, rend la liaison métallique, une fois l'assemblage effectué, très intime. II se produit en effet un laminage du nickel pur sur la surface de contact du corps de la vanne qui est en acier inoxydable. II est donc excessivement difficile de procéder au remplacement du siège, un chauffage de l'ensemble n'étant pas opérant, dans la mesure où les coefficients de dilatation du corps et du siège sont sensiblement les mêmes. Pourtant, I'utilisation d'un siège en métal est très importante, dans la mesure où le revêtement tribologique complémentaire renforce le potentiel redox du siège en nickel pur et augmente la résistance à la corrosion lors de l'emploi de fluide gazeux ou liquide et fortement actif chimiquement, et permettant également de réduire presque totalement l'effet de laminage du nickel pur sur la surface d'ajustage du corps de vanne réalisé en acier inoxydable. Le but de l'invention est de fournir une vanne à membrane destinée notamment au contrôle de circuits de fluide de haute pureté, comportant un siège de membrane indépendant, susceptible d'être remplacé facilement par l'utilisateur lui-même, sans démontage complet de la vanne vis-à-vis de l'installation équipée. A cet effet, la vanne qu'elle concerne, du type comprenant un conduit d'entrée et un conduit de sortie d'un fluide dont l'écoulement est à contrôler, débouchant dans une paroi du corps de la vanne par deux ouvertures disposées à côté l'une de l'autre et en regard desquelles est placée une membrane associée à un actionneur et destinée à venir prendre appui, pour réaliser l'isolement entre le conduit d'entrée et le conduit de sortie, contre un siège constitué par une pièce annulaire indépendante montée sur le corps et entourant l'une des deux ouvertures, est caractérisée en ce que, d'une part, I'ouverture destinée à recevoir le siège est délimitée par une partie tubulaire dépassant du plan du corps de vanne et dont la face extérieure est conique, avec rétrécissement de sa section du côté de son extrémité libre, et forme un angle de 1,25 + 30' avec l'axe de l'ouverture et, d'autre part, le siège possède une hauteur supérieure à celle de la partie tubulaire entourant l'ouverture et comporte un diamètre intérieur adapté au diamètre extérieur de la partie tubulaire, avec une face intérieure tronconique de section diminuant depuis sa face d'appui contre le corps vers sa face opposée destinée à servir à l'appui de la membrane, en formant un angle de 1,25 + 30' avec l'axe du siège, la face extérieure du siège étant dégagée vis-à-vis du corps de vanne en position montée du siège. Les géométries respectives de la partie du corps de vanne recevant le siège, et du siège lui-même, assurent une excellente fixation du siège sur le corps de vanne, par simple coincement, sans avoir à recourir à des moyens de fixation spécifiques. En cas de détérioration du siège, il est simple, après retrait de l'actionneur et de la membrane, de procéder à l'enlèvement du siège, puisque la face extérieure du siège étant dégagée vis-à-vis du corps de vanne, elle est parfaitement accessible, et permet la mise en place d'un outil d'extraction. Suivant des caractéristiques de l'invention, la face extérieure du siège est sensiblement cylindrique, la face du siège prenant appui sur le corps est sensiblement perpendiculaire à l'axe du siège, et la face du siège contre laquelle la membrane est destinée à venir prendre appui est convexe et possède une section générale en V très ouvert. Avantageusement, afin d'améliorer les conditions d'étanchéité en position de fermeture, I'axe de l'ouverture entourée par le siège est sensiblement confondu avec l'axe de la membrane et avec l'axe de 'actionneur. Quoique le siège puisse être réalisé en résine synthétique, comme indiqué précédemment, il est avantageusement réalisé en un matériau métallique à faible dureté, notamment du nickel pur ayant subi des traitements thermiques de recristallisation pour enlèvement de toutes contraintes mécaniques (laminage, écrouissage, etc...), ou un alliage aciernickel revêtu d'une couche d'un alliage d'HASTELLOY ou d'lNCONEL. Afin de faciliter le remplacement du siège, l'invention vise également un accessoire comprenant une douille qui, destinée à être montée sur le corps de vanne après retrait de l'actionneur et de la membrane, comporte un passage central centré sur le siège et de diamètre supérieur à celui du siège, destiné au guidage d'un tube de longueur supérieure à celle de la douille et dont une extrémité comporte un évidement intérieur de diamètre correspondant au diamètre extérieur du siège et présente une surface crantée en forme de dents de loups disposées selon plusieurs plans perpendiculaires à l'axe du tube. Après démontage de l'actionneur et de la membrane, la douille de guidage est mise en place sur le corps de vanne. Le tube est alors engagé dans la douille, jusqu'à ce que son extrémité inférieure vienne coiffer le siège, la surface crantée assurant une excellente prise du siège par le tube. Le tube peut alors être retiré en réalisant l'extraction du siège. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le tube présente, à l'exception de l'évidement ménagé à l'une de ses extrémités, un diamètre intermédiaire entre les diamètres intérieur et extérieur du siège, et à ce tube est associée une tige de longueur au moins égale au diamètre intérieur du tube, et destinée à chasser le siège préalablement extrait par le tube. De ce fait, une fois le siège extrait par le tube, et maintenu dans l'évidement ménagé à une extrémité du tube, il convient d'engager la tige à l'intérieur du tube à partir de son extrémité opposée à l'évidement et, par un mouvement de translation de la tige formant poussoir, à chasser le siège hors du tube. L'opérateur peut ensuite très simplement remettre en place un autre siège avant de remonter la membrane et l'actionneur. Cette technique est très avantageuse, car elle permet un remplacement du siège seul, par l'utilisateur lui-même, sans nécessiter de démontage de la vanne concernée vis-à-vis de l'installation. De toute façon, I'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, plusieurs formes d'exécution de cette vanne Figure 1 est une vue en perspective très schématique d'une première vanne Figure 2 en est une vue en coupe verticale en position assemblée Figure 3 est une vue en coupe verticale et à échelle agrandie du siège; Figure 4 est une vue en coupe verticale du corps de vanne, au cours de l'extraction du siège; Figure 5 est une vue de détail du siège au cours de l'opération d'extraction; Figure 6 est une vue en coupe longitudinale du tube extracteur, associé à une tige destinée à chasser le siège hors de ce tube Figure 7 est une vue de détail du siège retenu par le dispositif extracteur; Figure 8 est une vue en coupe verticale d'une seconde vanne. La vanne représentée au dessin comprend un corps 2, dans lequel débouchent un conduit d'entrée 3 et un conduit de sortie 4 avec possibilité de raccordement à une installation par l'intermédiaire de raccords respectivement 5 et 6. Cette vanne comprend un actionneur désigné par la référence générale 7. La vanne comprend une embase 8, dans laquelle débouchent les conduits d'entrée 3 et de sortie 4, au niveau d'une surface 9. Ces deux conduits débouchent l'un à côté de l'autre. L'embase de la vanne se prolonge vers l'extérieur en présentant une portée 10 pour une membrane métallique 12 qui est surmontée par un couvercle 13 présentant une ouverture centrale 14. L'embase est prolongée par une partie filetée 15 comportant un filetage intérieur 16. Dans ce filetage est destiné à être monté un manchon 17 fileté extérieurement, et servant au guidage d'un dispositif d'appui 18 sur la membrane, ce dispositif d'appui étant commandé par l'actionneur 7 selon des moyens connus en soi, par exemple par vissage, ou par des moyens pneumatiques. L'ouverture 19 associée au conduit d'entrée de fluide est centré sur le couvercle 13 et sur l'actionneur, tandis que l'ouverture 20 associée au conduit de sortie 4 est décalée par rapport à celle-ci. L'ouverture 19 est délimitée par une partie tubulaire 22 dépassant du plan 9 de l'embase du corps de vanne. La face extérieure de cette partie tubulaire 22 est conique, avec rétrécissement de sa section du côté de son extrémité libre, formant un angle de 1,25 + 30' avec l'axe de l'ouverture 19. Cette vanne comporte également un siège 23, réalisé par exemple en nickel pur, ou en alliage d'acier 316L et de nickel, éventuellement revêtu d'un alliage, tel que HASTELLOY ou INCONEL. Ce siège, de forme annulaire, possède une hauteur supérieure à celle de la partie tubulaire 22, et un diamètre intérieur adapté au diamètre extérieur de cette partie tubulaire. La face intérieure 23a du siège est tronconique, de section diminuant depuis sa face d'appui 23b sur le corps, vers sa face 23c servant à l'appui de la membrane 12. L'angle A formé par la face 23a avec l'axe du siège est de 1,25 + 30'. La face extérieure 23d du siège est sensiblement cylindrique, et, comme montré notamment à la figure 2, elle est parfaitement dégagée vis-à-vis du corps de vanne, lorsqu'elle est en position montée sur celui-ci. La figure 4 représente l'embase du corps de vanne au cours d'un changement de siège. A cet effet, après démontage de l'actionneur, du manchon 17, du couvercle 13 et de la membrane 12, il est procédé à la mise en place sur le corps de vanne d'une douille 25, comportant un passage central 26 centré sur le siège 23, et destiné au passage d'un tube 27. Ce tube 27 présente, à son extrémité inférieure, un évidement 28 de diamètre correspondant au diamètre extérieur du siège, avec ménagement d'une surface crantée en forme de dents de loup 29 disposées selon plusieurs plans perpendiculaires à l'axe du tube. Sur le reste de sa longueur, le tube 27 présente un passage intérieur 30 de diamètre intermédiaire entre les diamètres intérieur et extérieur du siège 23. Après mise en place de la douille 25, le tube 27 est introduit dans la douille, jusqu'à ce que le siège vienne s'engager dans l'évidement 28, et se fixer dans celui-ci à l'aide des dents de loup 29 comme montré à la figure 5. L'opérateur peut alors retirer le tube 27 qui contient le siège 23. Pour réaliser la séparation entre le tube 27 et le siège 23, on utilise une tige 32 de diamètre intérieur correspondant à celui du passage 30 ménagé dans le tube, cette tige 32 permettant, lorsqu'elle vient en contact avec le siège, de chasser celui-ci hors du tube 27, comme montré aux figures 6 et 7. La figure 8 décrit une variante de cette vanne, dans laquelle les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références que précédemment. Dans ce cas, le corps 2 repose sur un bloc d'alimentation 35 contenant les conduits d'entrée et de sortie 3, 4, sans utilisation de raccords soudés et vissés. L'étanchéité entre le corps de vanne 2 et le bloc d'alimentation 35 est obtenue par des joints 36 en matière synthétique ou métallique, par exempe en nickel pur avec revêtement tribologique HASTELLOY ou INCONEL. Le serrage est obtenu à l'aide de vis 37 agissant sur un flasque en matière synthétique associé au corps 2. L'opérateur peut alors remettre en place un autre siège, avant de procéder au remontage de la vanne du couvercle et de l'actionneur. Une telle vanne, qui est destinée notamment au contrôle de fluide à haute pureté, peut se présenter sous différentes tailles, notamment un quart ou un huitième de pouce. Comme il ressort de ce qui précède, I'invention apporte une grande amélioration à la technique existante en fournissant une vanne de structure simple permettant de réaliser un changement rapide et simple de son siège. Ceci constitue un avantage important, dans la mesure où le remplacement complet d'un corps de vanne équipé d'un siège non échangeable représente un coût d'une valeur de l'ordre de 40 % du coût d'une vanne complète, auquel il faut ajouter le coût de la main d'oeuvre pour procéder à ce remplacement, et de l'arrêt de l'installation. Comme il va de soi, I'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de cette vanne, décrite ci-dessus à titre d'exemple, elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Vanne à membrane, du type comprenant un conduit d'entrée (3) et un conduit de sortie (4) d'un fluide dont l'écoulement est à contrôler, débouchant dans une paroi (9) du corps de la vanne par deux ouvertures (19, 20) disposées à côté l'une de l'autre et en regard desquelles est placée une membrane (12) associée à un actionneur et destinée à venir prendre appui, pour réaliser l'isolement entre le conduit d'entrée et le conduit de sortie, contre un siège (23) constitué par une pièce annulaire indépendante montée sur le corps et entourant l'une des deux ouvertures, caractérisée en ce que, d'une part, I'ouverture (19) destinée à recevoir le siège (23) est délimitée par une partie tubulaire (22) dépassant du plan (9) du corps de vanne et dont la face extérieure est conique, avec rétrécissement de sa section du côté de son extrémité libre, et forme un angle de 1,25 + 30' avec l'axe de l'ouverture et, d'autre part, le siège (23) possède une hauteur supérieure à celle de la partie tubulaire entourant l'ouverture et comporte un diamètre intérieur adapté au diamètre extérieur de la partie tubulaire (22), avec une face intérieure (23a) tronconique de section diminuant depuis sa face d'appui (23b) contre le corps vers sa face opposée (23c) destinée à servir à l'appui de la membrane (12), en formant un angle de 1,25 + 30' avec l'axe du siège, la face extérieure (23d) du siège (23) étant dégagée vis-à-vis du corps de vanne (8) en position montée du siège. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la face extérieure (23d) du siège (23) est sensiblement cylindrique. 3. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la face (23b) du siège (23) prenant appui sur le corps est sensiblement perpendiculaire à l'axe du siège. 4. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la face (23c) du siège (23) contre laquelle la membrane (12) est destinée à venir prendre appui est convexe et possède une section générale en V très ouvert. 5. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'axe de l'ouverture (19) entourée par le siège (23) est sensiblement confondu avec l'axe de la membrane (12) et avec l'axe de l'actionneur. 6. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le siège (23) est réalisé en un matériau métallique à faible dureté, notamment du nickel pur ou un alliage acier-nickel revêtu d'une couche d'un alliage d'HASTELLOY ou d'lNCONEL. 7. Accessoire pour vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'elle comprend une douille (25) qui, destinée à être montée sur le corps de vanne (8) après retrait de l'actionneur et de la membrane (12, 13, 17, 18), comporte un passage central (26) centré sur le siège (23) et de diamètre supérieur à celui du siège, destiné au guidage d'un tube (27) de longueur supérieure à celle de la douille (25) et dont une extrémité comporte un évidement intérieur (28) de diamètre correspondant au diamètre extérieur du siège (23) et présente une surface crantée en forme de dents de loups (29) disposées selon plusieurs plans perpendiculaires à l'axe du tube. 8. Accessoire selon la revendication 7, caractérisé en ce que le tube (27) présente, à l'exception de l'évidement (28) ménagé à l'une de ses extrémités, un diamètre intermédiaire entre les diamètres intérieur et extérieur du siège, et à ce tube (27) est associée une tige (32) de longueur au moins égale au diamètre intérieur du tube, et destinée à chasser le siège (23) préalablement extrait par le tube (27).