Brevet FR3054635A1 — publié le 20180202

La présente invention concerne un détendeur à gaz pour la détente d'un gaz liquéfié, ainsi qu'un procédé de calcul de ce détendeur. On utilise de manière courante, en particulier pour des besoins domestiques, du gaz de pétrole liquéfié comme gaz de combustion, qui peut être du butane, du propane ou un mélange de ces gaz. Ce type de gaz sert notamment pour des applications domestiques comme la cuisson des aliments avec une gazinière, un four, un barbecue ou une plancha, le chauffage d'un logement ou la production d'eau chaude sanitaire avec une chaudière. Il est également utilisé pour des applications et procédés industriels. Ce type de gaz stocké en phase liquide est contenu dans des réservoirs comme des bouteilles mobiles, des bouteilles fixes ou des cuves, dont la capacité peut varier de quelques kilogrammes pour des bouteilles portatives, à plusieurs tonnes pour des cuves installées à demeure. Les appareils de combustion utilisent généralement une pression de gaz 15 normalisée comprenant une plage de tolérance, qui est en particulier de l'ordre de 28, 30, 37, 50, 67, 75, 150 ou 300mbar. Le gaz combustible stocké dans un réservoir en phase liquide est maintenu dans cet état liquide par une pression appelée pression de vapeur saturante, ou tension de vapeur, qui correspond pour une température donnée 20 à la pression à laquelle la phase gazeuse est en équilibre avec la phase liquide. Par exemple en pression relative par rapport à la pression atmosphérique, pour le butane commercial la pression de vapeur saturante est de l'ordre de Obar à 0°C et de 5bar à 50°C, pour le propane commercial la pression de 25 vapeur saturante est de l'ordre de 1bar à -30°C, de 4bar à 0°C et de 16bar à 50°C. Afin de délivrer la basse pression à l'appareil de combustion, on utilise un détendeur qui reçoit le gaz à la pression élevée du réservoir, et régule sa pression de sortie pour obtenir en principe la pression normalisée demandée. 30 Le détendeur peut être monté directement sur le réservoir, en particulier pour les bouteilles d'usage domestique, ou disposé sur une installation fixe. 3054635 2 Un type de détendeur de pression de gaz connu, présenté notamment par le document FR-A1-2984448, est un détendeur à simple étage comportant une membrane soumise à un équilibre comprenant d'un côté la charge constante d'un ressort de tarage dont la force et calibrée, et de l'autre côté la pression 5 aval de sortie que l'on veut réguler. La membrane déplace un levier qui agit sur un clapet aval se trouvant dans la chambre de sortie, fermant un orifice d'entrée ou siège de détente qui règle l'admission du gaz venant du réservoir. Quand la pression aval est trop faible le ressort déplace la membrane et le levier afin d'ouvrir le clapet, ce qui provoque une admission dans la chambre 10 aval remontant sa pression. Quand la pression aval est suffisamment remontée elle déplace la membrane à l'encontre du ressort de tarage, ce qui referme le clapet. On obtient ainsi par un équilibre une pression aval qui oscille légèrement autour de la pression de consigne recherchée. De plus le détendeur présenté dans ce document FR-A1-2984448 15 comporte un obturateur automatique qui ferme le passage du gaz quand la pression de sortie dépasse un seuil prédéterminé, afin d'éviter une pression de sortie trop forte en cas d'incident sur ce détendeur. Les détendeurs à simple étage présentent un rapport de pression entre l'entrée et la sortie compris généralement entre 100 et 1000. 20 Par ailleurs dans un réservoir de gaz liquéfié on soutire le gaz se trouvant dans la partie supérieure de ce réservoir ce qui diminue sa pression, et provoque une régénération par évaporation du gaz liquéfié se trouvant en partie basse afin de rétablir l'équilibre correspondant à la pression de vapeur saturante. L'évaporation étant endothermique, l'énergie calorifique est prélevée 25 sur le gaz liquéfié ainsi que sur l'environnement, comme le matériau du réservoir et l'air extérieur. On obtient ainsi en fonction du débit de gaz, de la durée d'utilisation, de la capacité thermique de la masse du gaz liquéfié et du réservoir, et des possibilités d'échanges thermiques avec l'environnement, une diminution de la 30 pression dépendant directement de la baisse de la température du gaz liquéfié. Cette diminution de pression peut être importante en cas d'usage prolongé ou intensif. 3054635 3 Un problème qui se pose avec le type de détendeur à simple étage et à clapet aval présenté ci-dessus, est que la pression amont agit de plus directement sur le clapet dans le sens de l'ouverture en s'appliquant sur la surface de ce clapet fermant l'orifice d'entrée, ce qui ajoute à l'équilibre des 5 forces s'appliquant sur la membrane une variable venant des écarts de pression amont. On obtient une pression de sortie présentant une dépendance à la pression d'entrée qui peut être importante en cas de forte variation de pression dans le réservoir. Ces écarts de la pression de sortie peuvent être en dehors 10 de la tolérance demandée par les normes d'alimentation des appareils, ce qui peut conduire à une mauvaise combustion du gaz entrainant des phénomènes tels qu'une instabilité de la flamme, un charbonnement, une émission de polluants ou d'imbrulés. Pour limiter la dépendance de la pression de sortie par rapport à la 15 pression d'entrée, une solution connue utilise une régulation de pression en deux étapes, comprenant deux détendeurs successifs qui peuvent être intégrés ou non dans un même appareil. On réalise ainsi une pression intermédiaire après le premier détendeur, comprise généralement entre 0,1 et 2 bar relatifs, avec un faible écart de 20 pression par rapport à la variation importante de pression d'entrée. Le deuxième détendeur recevant la pression intermédiaire présentant une faible variation, délivre une pression d'utilisation qui varie alors quasiment pas en fonction de la pression du réservoir. Le détendeur à deux étages présente pour chaque étage un rapport de 25 pression compris généralement entre 10 et 50. Toutefois cette solution comprenant deux étages de détente successifs pose des problèmes d'encombrement, et de coût global qui est plus élevé. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. 30 Elle propose à cet effet un détendeur prévu pour la détente d'un gaz liquéfié à une pression d'entrée, afin d'obtenir une pression de sortie réduite pouvant être utilisée en particulier par des appareils de combustion 3054635 4 domestique, comprenant une membrane soumise d'un côté à un ressort de tarage et de l'autre côté à la pression de sortie dans une chambre aval, cette membrane agissant par un levier sur un clapet de détente se trouvant dans cette chambre aval qui ferme un orifice relié à la pression d'entrée, ce 5 détendeur étant remarquable en ce qu'il comporte un moyen de charge additionnel soumis à la pression d'entrée, appliquant une force sur le levier qui contribue à la fermeture du clapet de détente. Un avantage de ce détendeur est que par un système simple, compact et économique, en prévoyant en particulier un moyen de pression comme un petit 10 piston soumis à la pression d'entrée et agissant directement sur le levier, et en calibrant le dimensionnement de ce système, on obtient une force additionnelle s'appliquant sur ce levier de façon proportionnelle à la pression d'entrée, qui peut compenser sensiblement la force venant de la pression amont s'appliquant directement sur le clapet par la surface de l'orifice. De cette manière, la sensibilité du détendeur aux variations de la pression amont est considérablement atténuée. On obtient ainsi une compensation complète qui donne un détendeur réalisant une pression de sortie très peu sensible aux écarts de pression d'entrée, ce qui permet de respecter les normes d'alimentation d'appareils. Le détendeur selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, le moyen de charge additionnel est un piston. Ce piston est un système compact facile à mettre en oeuvre. Avantageusement, le piston du moyen de charge additionnel est entouré 25 par au moins un joint d'étanchéité séparant la pression d'entrée de la pression de sortie. Avantageusement, le piston du moyen de charge additionnel est formé par un axe en translation. Ce piston réalisé de manière très économique, rentre dans un simple perçage du corps du détendeur. 30 Avantageusement, le piston comporte une extrémité présentant une forme d'appui sur le levier. Cette forme appuyant sur le levier qui pivote permet un appui stable sur ce levier. 3054635 5 En particulier, le détendeur peut comporter un corps comprenant un perçage recevant le piston du moyen de charge additionnel qui coulisse directement dedans. L'invention a aussi pour objet un procédé de calcul d'un détendeur 5 comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes, qui comporte une étape de dimensionnement du moyen de charge additionnel, afin qu'il délivre sur le levier un couple qui équilibre celui donné par la pression d'entrée s'appliquant directement sur le clapet de détente. En particulier, l'étape de dimensionnement pour déterminer le couple 10 d'équilibrage comporte un calcul de la dimension du piston, et de la distance entre le point d'application par ce piston de la force sur le levier, et l'axe d'un pivot supportant ce levier. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à 15 titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un une coupe axiale d'un détendeur selon l'invention ; et - la figure 2 présente le fonctionnement de ce détendeur sur une section suivant le même plan de coupe. La figure 1 présente un détendeur comportant une forme globale circulaire 20 centrée sur un axe vertical A, comprenant un corps 26 formé par une fonderie présentant alignées suivant un diamètre, une chambre amont d'entrée 2 du gaz venant d'un réservoir de gaz liquéfié, et une chambre aval de sortie 4 prévue pour alimenter avec une basse pression un appareil consommant ce gaz. La partie supérieure du corps 26 est recouverte par un couvercle circulaire 6, dont la base plane serre sur le corps 26 avec une étanchéité le contour extérieur d'une membrane 8 fermant la chambre aval 4. La base du couvercle 6 est maintenue sur le corps 26 par un sertissage extérieur 10 s'appliquant sur son contour. En variante le couvercle peut être maintenu par tout autre moyen équivalent, tel qu'un assemblage par vissage. La partie centrale de la membrane 8 est serrée entre un disque de soutien 12 disposée au-dessus, et une partie plane circulaire d'un axe mobile 14 disposée en-dessous, une rainure circulaire de cette partie plane s'ajustant 3054635 6 dans une gorge correspondante du disque de soutien afin de pincer la membrane et d'assurer une étanchéité. Le disque de soutien 12 permet de reprendre les efforts dus à la pression exercés sous la membrane 8 dans la chambre aval. 5 L'axe mobile 14 comporte un arbre supérieur traversant le disque de soutien 12, puis une coupelle 16 comportant un rebord extérieur recevant l'appui d'un ressort hélicoïdal de blocage 18 de petit diamètre qui prend appui sur ce disque de soutien. Une rondelle de blocage 20 prenant appui dans la coupelle 16, comporte des dents intérieures inclinées vers le haut qui serrent 10 l'arbre supérieur de l'axe mobile 14, le ressort de blocage 18 maintenant sur cette rondelle une charge axiale constante qui maintient le blocage de ses dents intérieures. Avantageusement la fonction précédemment décrite, qui sert à évacuer le gaz en cas de surpression sous la membrane 8, peut ne pas être déclinée, ce qui n'a aucun impact sur le fonctionnement du système de 15 compensation de pression. Un ressort hélicoïdal de tarage 22 de grand diamètre présente sa face inférieure prenant appui sur le disque de soutien 12, et sa face supérieure prenant appui sur un écrou 24 vissé dans le couvercle 6 suivant un réglage précis, afin d'appliquer une charge constante de tarage sur la membrane 8. 20 Un levier de fermeture sensiblement horizontal 30 disposé dans la chambre aval de sortie 4, pivotant autour d'un pivot horizontal 32, comporte un grand bras 34 dont l'extrémité est engagée dans un perçage transversal d'un arbre inférieur de l'axe mobile 14, afin de pivoter en fonction des mouvements verticaux de cet axe lié à la membrane 8. 25 Le levier 30 possède un petit bras 36 opposé au grand bras 34, supportant un clapet de détente 38 sensiblement horizontal, qui vient fermer quand il descend un siège de détente formé par l'orifice de sortie d'un perçage vertical 40, débouchant en partie inférieure dans la chambre amont d'entrée 2. Un piston de compensation 42 formé par une petite tige coulissant 30 verticalement dans un perçage du corps 26, présente sa base se trouvant dans la chambre amont 2 qui est soumise à la pression de cette chambre, et une partie supérieure débouchant après un joint d'étanchéité circulaire l'entourant 3054635 7 44, dans la chambre aval 4. L'extrémité supérieure du piston de compensation 42 prend appui sous le grand bras 34 du levier 30, près de son pivot horizontal 32. Avantageusement le piston de compensation 42 est formé de manière 5 économique dans une tige lisse de section constante, présentant des extrémités fortement arrondies qui permettent en particulier de maintenir un contact régulier et progressif sur le levier 30 lors de son pivotement. La tige lisse du piston de compensation 42 est directement insérée dans le perçage vertical du corps 26 qui réalise un guidage, ce perçage comprenant 10 sur un côté une rainure verticale permettant à la pression de la chambre d'entrée 2 de venir sur l'extrémité inférieure de ce piston. Le fonctionnement du détendeur selon l'invention délivrant la pression de sortie PD, est présenté par la figure 2. Le piston de compensation 42 est soumis à une force F vers le haut, 15 dépendant directement de sa section multipliée par la pression PU dans la chambre d'entrée 2. Il transmet la force F au levier 30, en appliquant dessus un couple dépendant de la distance de cette force au pivot 32, qui tend à faire basculer ce levier de manière à fermer le clapet de détente 38. En calculant la section du piston de compensation 42 et la distance de ce 20 piston avec le pivot 32 du levier 30, de manière à obtenir un couple qui équilibre celui donné par la pression d'entrée PU s'appliquant directement sur le clapet de détente 38, on obtient une annulation de la force supplémentaire s'appliquant sur ce levier venant de cette pression d'entrée. En négligeant les frottements et les différentes pertes qui donnent des 25 écarts très réduits, on réalise ainsi avec un simple piston de compensation 42 supplémentaire réalisé de manière très économique, un détendeur délivrant une pression de sortie PD sensiblement indépendante des variations de pression d'entrée PU. Ce type de détendeur est dénommé détendeur à compensation de pression. 30 On peut ainsi par l'ajout du piston de compensation 42 sans modifier l'encombrement de détendeurs existants, utiliser des réservoirs de gaz liquéfié comportant des variations de température importantes, pour délivrer une REVENDICATIONS1 - Détendeur prévu pour la détente d'un gaz liquéfié à une pression d'entrée (PU), afin d'obtenir une pression de sortie réduite (PD) pouvant être utilisée en particulier par des appareils de combustion, comprenant une membrane (8) soumise d'un côté à un ressort de tarage (22) et de l'autre côté à la pression de sortie (PD) dans une chambre aval (4), cette membrane (8) agissant par un levier (30) sur un clapet de détente (38) se trouvant dans cette chambre aval (2) qui ferme un orifice (40) relié à la pression d'entrée (PU), caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de charge additionnel (42) soumis à la pression d'entrée (PU), appliquant une force (F) sur le levier (30) qui contribue à la fermeture du clapet de détente (38). 2 - Détendeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de charge additionnel (42) est un piston. 3 - Détendeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le piston du moyen de charge additionnel (42) est entouré par au moins un joint d'étanchéité (44) séparant la pression d'entrée (PU) de la pression de sortie (PD). 4 - Détendeur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le 20 piston du moyen de charge additionnel (42) est formé par un axe en translation 5 - Détendeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le piston comporte une extrémité présentant une forme d'appui sur le levier (30). 6 - Détendeur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un corps (26) comprenant un perçage 25 recevant le piston du moyen de charge additionnel (42) qui coulisse directement dedans. 7 - Procédé de réalisation d'un détendeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de dimensionnement du moyen de charge additionnel (42), afin qu'il délivre sur le 30 levier (30) un couple qui équilibre celui donné par la pression d'entrée (PU) s'appliquant directement sur le clapet de détente (38) puis une étape de réalisation suivant ces dimensions établies. 3054635 10 8 - Procédé de réalisation selon la revendication 7 pour un détendeur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'étape de dimensionnement pour déterminer le couple d'équilibrage comporte un calcul de la dimension du piston, et de la distance entre le point d'application 5 par ce piston de la force (F) sur le levier (30), et l'axe d'un pivot (32) supportant ce levier.