Brevet FR2858839A1 — publié le 20050218

DESCRIPTION Domaine de l'invention La présente invention décrit un dispositif de fermeture et d'étanchéité pouvant être utilisé sur des circuits véhiculant des fluides gazeux, liquides à très hautes ou très basses températures. Les liquides peuvent avoir éventuellement une très grande viscosité. Le dispositif peut être aussi utilisé comme dispositif de fermeture d'une capacité et plus généralement il s'applique à toutes les fonctions pouvant être remplies par tous les types de vannes ou de robinets existants. Le dispositif a pour but de remplacer les vannes ou robinets existants actuellement partout où de très hautes ou très basses températures de fonctionnement sont requises, partout où des fluides à très hautes ou très basses températures sont utilisées, partout où des fluides très visqueux sont véhiculés, partout où un fonctionnement très silencieux des organes de sectionnement est requis, partout ou une simplicité de démontage et une rapidité de manoeuvre sont nécessaires. Dans une application, le dispositif est utilisé comme dispositif de 20 sectionnement sur un circuit véhiculant un fluide. L'invention est applicable à tous les diamètres Le dispositif pouvant être utilisé, éventuellement pour tous types de procédés. Le dispositif objet de l'invention, présente l'avantage d'être compact, il peut 25 être mis en place sans orientation particulière, ce qui présente un avantage pour l'installation et pour la maintenance. Le dispositif objet de l'invention peut s'appliquer de la même façon à d'autres dispositifs tels des clapets anti-retour ou des clapets de ventilation, des dispositifs de réglage sur tous types de fluide, y compris les circuits de ventilation. On appelle dans la suite du texte tous les dispositifs servant la fermeture d'étanchéité ou de réglage de débit ou de perte de charge par le terme de vanne. Dans le texte ce terme couvre bien entendu les robinets les clapets. Etat de la technique antérieure et problème posé Les vannes, ou les robinets, et plus généralement les organes de sectionnement et les organes d'étanchéité sont réalisés selon quatre grands 2858839 2 principes technologiques. Les vannes à siège constituées par l'avancée d'un opercule contre un siège, les vannes à sièges parallèles constituées par deux opercules glissant perpendiculairement à la veine fluide pour s'appuyer sur les sièges en fin de course, les robinets à tournant sphérique ou cylindrique où la fermeture est constituée par la rotation du noyau percé, les vannes à papillon. Les vannes à siège (figure 20) présentent l'avantage de pouvoir étanchéifier des pressions très hautes et des températures élevées. Par contre dans ce type de vanne, le fluide doit passer au travers du siège. La tige repérée 21 qui tient l'opercule repéré 18 vient s'appuyer sur le siège, l'écoulement du fluide suit soit un parcours en forme de z, soit un angle à 90 . Ceci induit une perturbation de l'écoulement et une perte de charge. Les vannes à sièges parallèles (figure 22) permettent une circulation du fluide moins perturbée. Mais leur temps de manoeuvre est important, l'écoulement est très perturbé pendant la fermeture, leur mécanisme est compliqué et elle enferme une quantité de fluide entre les deux opercules repéré 24 qui en cas de dépressurisation peut au mieux empêcher la vanne de s'ouvrir. De plus le frottement des opercules sur les sièges pendant les manoeuvres raye les siège et détériore la vanne. Les robinets à passage intégral (figure 21) sont généralement des robinets à tournant sphérique ou cylindrique repéré 23. Ces robinets reconstituent la veine fluide de façon intégrale mais présentent deux inconvénients. Le premier de ces inconvénients est la difficulté de pouvoir étanchéifier parfaitement le robinet entre l'amont et l'aval, ce qui rend la réalisation de ces robinets en haute pression et haute température impossible, le deuxième inconvénient est constitué par le couple élevé nécessaire à la manoeuvre du robinet. Ils possèdent généralement une zone de rétention. Résumé de l'invention Le dispositif objet de l'invention consiste à réaliser une vanne à siège permettant une bonne étanchéité en haute pression et en haute température et possédant des caractéristiques d'écoulement proche d'une vanne à passage intégral idéale et une perte de charge interne très faible. Pour ce faire on insert dans le corps de vanne un élément profilé. Cet élément profilé contient l'opercule et le dispositif de manoeuvre de cet opercule. Cet élément repéré 5 sur la figure 1 est traversant dans l'application préférée selon l'invention. En position vanne ouverte l'opercule est en contact avec le barreau profilé, l'écoulement est peu perturbé car le dispositif interne est profilé pour optimiser le passage du fluide. En position vanne fermée l'opercule vient en contact avec le siège de vanne. La vanne réalisée permet donc une bonne étanchéité à l'identique d'une vanne à siège classique, et possède des caractéristiques d'écoulement identique à une vanne à passage intégral. 25 30 Liste des figures Le dispositif, objet de l'invention sera mieux compris à la lecture de la description ci-après, suivie de plusieurs figures représentant 5 respectivement: La figure 1 décrit l'application du dispositif préféré selon l'invention représenté en coupe. La figure 2 représente le même dispositif en vue de dessus. Les figures 3 et 4 représentent pour ce même dispositif, les coupes CC et 10 DD qui illustrent le passage du fluide autour du noyau profilé. La figure 5 représente une variante du dispositif muni d'un soufflet d'étanchéité. La figure 6 représente une variante du dispositif muni d'un mécanisme de fermeture à engrenage et vis sans fin. La figure 7 représente une variante d'un dispositif selon l'invention permettant de régler la perte de charge ou le débit. La figure 8 représente un mécanisme proposé dans la figure 6. La figure 9 représente un clapet réglable réalisé selon une variante du dispositif objet de l'invention. La figure 10 représente une vanne à grand débattement. La figure 11 représente un dispositif selon l'invention muni de dispositifs permettant la mesure des phénomènes physiques et la visualisation. La figure 12 représente un dispositif selon l'invention muni de dispositifs permettant de limiter le couple de serrage de l'opercule. La figure 13 représente un exemple de limiteur de couple utilisé sur la figure 12. La figure 14 représente une variante du dispositif motorisé par un moteur électrique (avec le dispositif de fermeture rotatif représenté par la figure 8). La figure 15 représente un dispositif motorisé par un moteur électrique interne au noyau. La figure 16 représente un dispositif motorisé par un piston interne au noyau. La figure 17 représente un dispositif motorisé par un électroaimant interne au noyau. La figure 18 représente une variante du dispositif selon l'invention pouvant être utilisée comme vanne broyeuse ou vanne mélangeuse. La figure 19 représente une variante du dispositif selon l'invention pouvant être utilisée comme vanne capable de régler finement un débit de fluide à haute vitesse. La figure 20 représente une vanne dite vanne en Z représentant une technologie utilisée actuellement. La figure 21 représente une vanne à noyau tournant représentant une technologie utilisée actuellement. La figure 22 représente une vanne à sièges parallèles représentant une technologie utilisée actuellement. Ex 'osé détaillé de l'utilisation du.rocédé selon l'invention L'invention est constituée par un dispositif permettant de réaliser la fermeture et l'étanchéité parfaite entre deux parties d'un circuit fluide. Elle utilise pour cela un organe de fermeture venant en appui sur une portée d'étanchéité. Dans l'application préférée selon l'invention cette fonction est réalisée par l'opercule repéré 5 sur la figure 1 qui vient en appui sur le siège 6 du corps de vanne 7. L'opercule 5 est relié à un axe 4 qui, dans l'application préférée selon l'invention, est usiné avec une crémaillère à engrenage hélicoïdal 9. Sur cet axe un joint 11, sur la figure 1 réalise l'étanchéité avec le noyau profilé 3. L'axe 4 est actionné par un engrenage lui aussi hélicoïdal 8 relié à la tige de manoeuvre 1. Ce joint, sur la figure 5 est remplacé par un soufflet 10, il peut aussi être remplacé par un presse étoupe. On peut se rendre compte que la rotation de l'axe 1 permet l'avancée avec une grande précision de l'opercule 5 sur le siège 6. Dans ce dispositif le mouvement de la tige 1 peut être démultiplié par un autre engrenage, ceci permet d'obtenir des forces d'appuis très importantes, aptes à fermer de très haute pression et à sectionner de forts débits ou des fluides visqueux. Il permet aussi de réaliser des vannes dont toute la partie centrale peut être séparée du corps aisément pour faciliter la maintenance, des vannes dont le temps de manoeuvre est très court, des vannes actionnées en moins d'un tour entre la position totalement ouverte et totalement fermée. Une variante selon l'invention représentée par la figure 7 permet de réaliser une vanne réglable et apte à assurer une bonne d'étanchéité. Dans cette configuration du dispositif on rajoute au dispositif initial une partie ajustée aux formes et aux dimensions en amont de l'opercule pour pouvoir coulisser. Dans la variante décrite, cette partie 5 sur la figure 7 pénètre dans la partie en avant du siège, elle est de forme cylindrique, comportant à un bout une forme profilée pour permettre un bon écoulement du fluide. A l'autre bout de cette pièce 5, une surface permet de réaliser 2858839 6 l'étanchéité contre le siège 6. La pièce 5 comporte un dispositif apte à réaliser une perte de charge tel, par exemple, un labyrinthe dans le quel le fluide doit passer avant de circuler dans la vanne, lorsque la pièce 5 est légèrement décollée du siège 6. Le réglage du débit ou de la perte de charge s'effectue en positionnant le noyau 5 de façon plus ou moins enfoncée dans la partie en avant du siège 6. On a ainsi réalisé un dispositif permettant de faire varier la perte de charge ou le débit et d'assurer une étanchéité en fin de course. Dans la figure 9 on montre une variante selon l'invention qui permet de réaliser un clapet dont la force d'appui est réglable. En effet dans cette application, l'axe 4a est repoussé par le ressort 16. En réglant la force d'appui du ressort 16 on calibre le débit à partir duquel le clapet s'ouvre. Dans la figure 9, la tige 1 permet de régler la compression du ressort 16 par l'avancée de la pièce 14a. Le détail du mécanisme permettant le réglage du ressort est représenté par la figure 8. Dans cette figure on voit que la rotation de l'axe 1 fait tourner l'engrenage conique et fait avancer la vis sans fin qui est comprime par le ressort 16 (figure 9). Dans une autre variante selon l'invention représentée par la figure 6, le mécanisme présenté dans la figure 8 permet d'actionner l'opercule 5. Ce mécanisme permet de réaliser des mécanismes de fermeture ayant un grand déplacement. Ce principe peut être appliqué, entre autres, pour les vannes réglables et dans le cas ou l'on souhaite obtenir un allongement de la cavité du corps de vanne pour améliorer encore l'écoulement dans le corps 7 du dispositif. La figure 10 représente une variante de l'invention comportant un corps 7 agrandi et muni d'un dispositif permettant de grands déplacements. La figure 11 représente un dispositif selon l'invention muni de dispositif permettant la mesure des phénomènes physiques et la visualisation. Sur cette figure on peut voir des trous pratiqués dans le noyau 3 pour recueillir la pression statique et la pression dynamique. On obtient ainsi la valeur du débit, de la perte de charge et de la pression statique. Ces prises de pressions peuvent être soit ressorties du noyau 3, soit ramené vers des capteurs de pressions intégrés dans ce noyau 3. On peut aussi intégrer dans le noyau différents types de mesures dont, par exemple, des mesures de température, des mesures de vibrations, de radioactivité, de contrainte, dans des puits de mesures débouchant ou borgnes. De la même façon on peut intégrer dans ce noyau des mesures 2858839 7 d'investigations, de prélèvement, d'échantillonnage ou de visualisation. Les dispositifs de visualisation peuvent être complétés par des dispositifs d'éclairage. Dans l'application préférée selon l'invention ces moyens de visualisation peuvent être réalisés à l'aide de fibre optique. De la même façon on peut intégrer des dispositifs d'injection de produits ou de fluides liquides ou gazeux dans le but, par exemple, de corriger la chimie du circuit, de visualiser un mélange de fluide en injectant un traceur radioactif ou chimique, de réaliser un mélange ou d'initialiser une réaction chimique. Ce canal d'injection peut être, éventuellement, un des canaux débouchant repéré 35 sur la figure 11. Dans ce même noyau on peut aussi intégrer un limiteur de couple comme le montre la figure 12. L'exemple présenté dans cette figure est un limiteur de couple de serrage à disque cranté 13, conçu pour limiter l'action de ce limiteur de couple uniquement pendant la fermeture du dispositif, au serrage. Lorsque le couple de serrage est atteint, le coefficient de frottement des disques 13 ne permet plus de transmettre le couple de serrage, les disques glissent l'un contre l'autre protégeant ainsi le siège 6 d'un sur-serrage de l'opercule 5. On peut aussi remarquer que dans toutes variantes l'ensemble du noyau 3, les pièces qu'il contient et l'opercule constituent un ensemble qui peut être démonté pour permettre une maintenance aisée sans démonter le corps du dispositif 7. Ce corps 7 peut, pendant ces phases de maintenance ou de réparation, resté soudé sur le circuit fluide ou sur l'installation. A l'identique le siège 6 peut être éventuellement démontable. L'ensemble de ces dispositions permet de faire une maintenance rapide en changeant les éléments mobiles, les pièces d'usures et le noyau par des dispositifs identiques neufs ou reconditionnés. Par ailleurs la configuration du dispositif sans rétention permet d'installer 30 l'ensemble quelle que soit l'orientation sans dégradation du fonctionnement du dispositif. Le dispositif est aussi particulièrement adapté à la circulation de plusieurs fluides mélangés, de fluide bi phasique et de fluide à haute viscosité. Le dispositif présente l'avantage de pouvoir être connecté à un moteur directement sur l'axe 1, la démultiplication éventuelle, pouvant être, elle aussi intégrer à l'intérieur du noyau 3. La figure 13 représente un dispositif motorisé par un moteur électrique. Cette démultiplication interne du mouvement de l'axe 1 permet de concevoir des dispositifs manoeuvrant en moins d'une rotation de l'axe 1 entre les positions de l'opercule correspondant aux positions ouverte (passage du fluide) et fermée (fermeture et étanchéité, absence de débit). Elle permet aussi d'ajuster le temps de manoeuvre de la vanne, le 5 débattement de l'opercule ou le couple de serrage. La figure 14 représente un dispositif similaire mu par un piston. Dans une variante de l'invention, représentée par les figures 15, 16, 17 le dispositif apte à produire la manoeuvre de l'opercule peut être intégré directement dans le noyau 3. Dans le cas de la figure 15, l'axe de l'opercule tourne en avançant, dans les figures 16 et 17, il coulisse. Dans la figure 15 la force de manoeuvre est fournie par moteur 32 couplé à un dispositif transformant le mouvement de rotation en mouvement de 15 translation. Dans la figure 16 la force de manoeuvre est fournie par un piston 33, elle peut être aussi fournie par un électro-aimant 34 comme représenté sur la figure 17 ou tous autres moyens aptes à réaliser la manoeuvre de l'opercule. Ces dernières configurations sont particulièrement bien adaptées aux dispositifs de gros diamètre et aux temps de manoeuvre très court. Dans une autre variante de l'invention, représentée par la figure 18, on utilise un moteur 32 pour faire avancer l'axe de l'opercule 40, situé dans le noyau. Ce moteur peut aussi être externe au noyau. Par ailleurs on utilise un autre moteur 39 qui fait tourner la pièce 38. cette pièce 38 entraîne la pièce 37. Lorsque l'axe de l'opercule 40 est mis en rotation par le moteur 32, la pièce 36 pénètre dans la pièce 37 et entraîne en rotation l'axe de l'opercule 40. La forme de cet opercule 40 peut être réalisée, par exemple, en forme d'hélice pour servir de pompe ou de dispositif mélangeur, ou, muni de dents pour servir de broyeur lors des phases de rotation de l'opercule. Lorsque l'opercule 40 est en buté contre le siège du dispositif, l'étanchéité amont aval du dispositif est assurée, on réalise la fonction étanchéité d'une vanne. On a ainsi réalisé dans un même ensemble intégré, des fonctions de vanne et de pompe ou de broyeur. Dans une autre variante de l'invention représentée par la figure 19, on 2858839 g conserve le même principe munis de deux moteurs dont l'un assure l'avancée de l'opercule et l'autre la mise en rotation de cet opercule pendant certaines phases du fonctionnement du dispositif Mais dans cette variante du dispositif selon l'invention, l'opercule 41 est 5 percé d'un ou de plusieurs trous et le siège 42 est lui aussi percé d'un ou de plusieurs trous. Lorsque l'opercule 41 recule du siège 42, il peut être mis en rotation. Dans cette phase de fonctionnement la fréquence de passage du ou des trous de l'opercule 41 en face de celui ou de ceux du siège 42 constitue une perte de charge variable. Ce principe est particulièrement bien adapté aux applications nécessitant une très grande précision dans le réglage du débit, ou aux applications dans lequel le fluide circulant à une haute vitesse. Dans une autre phase de fonctionnement, lorsque l'opercule vient en contact avec le siège, dans une position où les trous respectifs de l'opercule 41 et du siège 42 ne sont pas en vis à vis, on réalise une étanchéité amont aval du dispositif. Cette variante du dispositif selon l'invention permet de réaliser des vannes permettant de régler le débit avec précision, y compris sur des fluides à haute vitesse, et d'assurer une étanchéité amont aval avec le même dispositif intégré. L'ensemble de toutes les différentes variantes ou améliorations décrites dans l'ensemble du texte peuvent être combinées entre elles pour répondre à des besoins spécifiques. Les cas décrits ne le sont que pour illustrer quelques cas parmi les nombreuses possibilités qu'offre l'invention et ses variantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant d'assurer l'étanchéité à la fois en haute pression et en haute température et le passage du fluide entre l'amont et l'aval du dispositif avec une très faible perte de charge, caractérisé en ce que le l'organe servant à la fermeture et à l'étanchéité se replie dans un noyau positionné dans le fluide. 2. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'aucun des dispositifs utilisés, ne procède de zone de rétention susceptible d'accumuler du fluide. 3. Dispositif, selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que 15 l'opercule se replie dans un noyau profilé positionné à l'intérieur du fluide. 4. Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la mise en place d'un noyau à l'intérieur de la vanne permet de réaliser des moyens de mesures, de prélèvement, d'injection, d'échantillonnage, de visualisation, d'éclairage, et d'investigation, à l'intérieur du fluide sans ajouter de piquage supplémentaire sur la conduite. 5. Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'adjonction d'une forme en avant de la pièce réalisant la fermeture du fluide et l'étanchéité entre le siège repéré 6 de la vanne et l'opercule repéré 5 permet de faire varier la perte de charge générée par le passage du fluide dans la vanne et de faire varier le débit du fluide. 6. Dispositif selon les revendications 1 à 3,, caractérisé en ce que 30 l'adjonction d'un dispositif de rappel permet la réalisation d'un clapet dont la force d'appui peut être réglable, calibrant ainsi le débit direct. 7. Dispositif selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les parties mobiles du dispositif, les pièces pouvant présenter une usure ainsi que le noyau peuvent être retirées sans démonter la totalité du dispositif, et ce pour faciliter la maintenance. 8. Dispositif selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les éléments nécessaires à la démultiplication du mouvement de la tige de commande peuvent être intégrés dans le noyau interne du dispositif rendant ainsi l'ensemble adaptable et compact. 9. Dispositif selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un dispositif limiteur de couple peut être intégré dans le noyau interne. 10. Dispositif selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le 10 dispositif peut contenir une motorisation interne au noyau. 11. Dispositif selon les revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'adjonction d'un ensemble de pièces permet de faire avancer l'opercule et de mettre en rotation cet opercule de façons qui peuvent être indépendantes. 12. Dispositif selon les revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la modification de la forme de l'opercule permet à la fois de pomper le fluide traversant le dispositif lorsque l'opercule est détaché du siège et de faire étanchéité lorsque l'opercule est en contact avec le siège. 13. Dispositif selon les revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la modification de la forme de l'opercule permet, à la fois de broyer des éléments contenus dans le fluide traversant le dispositif lorsque l'opercule est détaché du siège et de faire étanchéité lorsque l'opercule est en contact avec le siège. 14. Dispositif selon les revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le percement de l'opercule et du siège permet, à la fois de régler le débit du fluide traversant le dispositif lorsque l'opercule est détaché du siège et mise en rotation, et de faire étanchéité lorsque l'opercule est en contact avec le siège.