Brevet FR3082584A1 — publié le 20191220

L'invention concerne une vanne de régulation de gaz. L'invention concerne plus particulièrement un vanne de régulation de débit et/ou de pression de gaz comprenant un corps comportant une entrée de gaz à réguler, au moins une première sortie de gaz régulé et un conduit interne reliant l'entrée à la première sortie, la vanne comprenant un organe de régulation monté mobile dans le conduit interne, l'organe de régulation s'étendant selon une direction longitudinale et étant mobile en translation dans le corps selon la direction longitudinale, l'organe de régulation comprenant au moins une portion coopérant en étanchéité avec le conduit interne du corps via un ensemble de joint(s) d'étanchéité et au moins une portion de section réduite n'assurant pas une étanchéité avec le conduit interne du corps, l'organe de régulation étant mobile dans le corps entre une première position de fermeture empêchant le passage de gaz entre l'entrée et la première sortie et au moins une position d'ouverture autorisant le passage de gaz entre l'entrée et la première sortie. Les vannes de régulation de gaz sont la plupart du temps basées sur des ouvertures tout ou rien (distributeur pneumatique par exemple). Il existe également des vannes proportionnelles. Les vannes sont la plupart du temps basées sur une ouverture tout ou rien que l'on vient piloter afin de d'en modifier la section de passage. Toutes ces vannes n'offrent que très peu de plages de fonctionnement en débit et/ou en pression. Les vannes dites « papillon » utilisent la rotation d'un volet mais ne permettent pas une régulation fine de débit/pression. Les vannes dites «à manchon pneumatique» utilisent le gonflage d'un ballon obturant mais ne permettent pas une régulation fine de débit/pression. Les vannes dites «à guillotine» utilisent la translation d'une « porte » mais ne permettent pas une régulation fine de débit/pression. Les électrovannes utilisent la translation d'un tiroir obturant. Cependant, ces vannes sont sensibles à la pression d'utilisation et présentent une endurance limitée des électro-aimants. Les vannes à régulateur de débit massique utilisent des calculs massiques mais permettent des régulations sur de petites plages de fonctionnement. Les vannes de distribution pneumatiques utilisent la translation d'un tiroir à chambres mais ne permettent qu'une régulation de type « tout ou rien ». 2 Les vannes de régulation existantes sur le marché (électrovannes tout ou rien ou proportionnelles) sont limitées en pression d'utilisation car les éléments mis en mouvement ne sont pas équilibrés en pression. De plus, la plage d'utilisation (en débit et pression) et la dynamique sont assez limitées. On entend ici par 5 « dynamique » la capacité de la vanne à changer de pression et de débit rapidement en gardant une progressivité (contrairement au vannes tout ou rien). Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, la vanne selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition 10 générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que la portion de section réduite de l'organe de régulation comprend au moins une rainure formée selon la direction longitudinale, ladite au moins une rainure ayant une géométrie déterminée définissant une section variable déterminée pour l'organe de régulation selon la direction longitudinale, c'est-à-dire que la rainure 15 définit une pluralité de sections de passage déterminées distinctes longitudinalement pour le gaz, en ce que, selon la position en translation de la au moins une rainure relativement au corps, la section de passage pour le gaz dans le conduit interne est modifiée par ladite au moins une rainure, pour réguler le débit de gaz admis à circuler dans le conduit. 20 Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - selon la direction longitudinale, à partir d'au moins une de ses extrémités longitudinales, la au moins une rainure a une profondeur et/ou une largeur croissante jusqu'un une zone définissant une section minimale de l'organe de 25 régulation, ladite section minimale définissant une section de passage maximale pour le gaz, - selon la direction longitudinale, la au moins une rainure possède une portion ayant une profondeur et/ou une largeur continument croissante ou continument décroissante, 30 - selon la direction longitudinale, la au moins une rainure possède une portion ayant une profondeur et/ou une largeur continument croissante ou continument décroissante, 3 - la portion de section réduite de l'organe de régulation comprend plusieurs rainures discrètes adjacentes, - la portion de section réduite de l'organe de régulation comprend plusieurs rainures discrètes adjacentes qui communiquent avec un volume commun, 5 - le corps comprend une seconde sortie de purge reliée à l'entrée et à la première sortie via le conduit interne, l'organe de régulation étant déplaçable dans le corps dans une seconde position de fermeture empêchant le passage de gaz entre l'entrée et la première sortie mais autorisant le passage de gaz entre la première sortie et la seconde sortie, 10 - dans sa première position de fermeture, l'organe de régulation empêche le passage de gaz entre l'entrée de la seconde sortie, - l'organe de régulation possède une portion de forme cylindrique qui est mobile en translation dans un alésage cylindrique formé dans le corps, l'ensemble de joints d'étanchéité comprenant des joints toriques interposés entre l'organe de 15 régulation et le corps, selon la position en translation de l'organe de régulation par rapport au corps, l'interruption de l'écoulement de gaz dans le conduit entre l'entrée et la ou le sorties ou entre les sorties étant réalisée par le ou les joints d'étanchéité et l'autorisation de l'écoulement de gaz dans le conduit entre l'entrée et la ou le sorties ou entre les sorties avec un débit déterminé étant réalisée par la portion de 20 section réduite rompant l'étanchéité localement dans le conduit, - la vanne comporte un organe moteur commandé par un organe électronique de pilotage pour déplacer l'organe de régulation, - la vanne comprend un capteur de pression et ou du débit de gaz délivré à la sortie ou en aval de la sortie, l'organe électronique de pilotage est configuré pour 25 commander la position de l'organe de régulation en fonction de la mesure du capteur de pression et/ou de débit et d'une consigne de pression et/ou de débit, - la vanne comprend un organe de rappel tel qu'un ressort sollicitant l'organe de régulation dans une position déterminée en l'absence d'actionnement de l'organe moteur, 30 - en l'absence d'actionnement de l'organe moteur, l'organe de rappel sollicite l'organe de régulation dans la seconde position de fermeture. 4 L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description 5 ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles - la figure 1 représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure possible d'une vanne selon l'invention, - les figures 2 à 4 représentent des vues en coupe, schématiques et partielles, illustrant un exemple de structure de vanne selon l'invention et selon 10 respectivement trois configurations de fonctionnement distinctes, - les figure 5 représente une vue en transparence/coupe, schématique et partielle, illustrant un exemple de structure de vanne selon l'invention, - les figures 6 et 7 représentent des vues respectivement de côté et en coupe d'un détail de la figure 5 illustrant un exemple de structure d'un organe de régulation 15 selon l'invention. La figure 1 illustre un exemple simplifié d'une vanne 1 de régulation. La vanne 1 comporte un corps 2 comportant une entrée 3 de gaz à réguler (par exemple une alimentation pneumatique du gaz à réguler) et une première sortie 4 pneumatique régulée qui est raccordée au dispositif utilisateur du gaz où l'on veut 20 gérer la pression et/ou le débit. Comme illustré, la vanne 1 peut comporter une seconde sortie 10 de purge pour, par exemple, dépressuriser le dispositif si la régulation ou la sécurité le nécessitent. La vanne 1 peut comporter un dispositif électronique de pilotage. 25 L'alimentation 16 électrique peut être de différent type (24Vcc, 230Vac...). La vanne 1 peut comporter ou être reliée à un afficheur 14 et/ou une interface 15 de commande (clavier/port d'entrée/antenne...). L'afficheur 14 peut être prévu par exemple pour afficher les valeurs mesurées par des capteurs d'état et/ou de pression débit (entrée et/ou sortie). 30 Dans les exemples des figures 3 à 5, la vanne 1 de régulation de débit et/ou de pression de gaz comprend un corps 2 muni d'une entrée 3 de gaz à réguler une première sortie 4 de gaz régulé et un conduit (ou circuit) interne 5 reliant l'entrée 3 à la première sortie 4. 5 La vanne 1 comprend un organe 6 de régulation monté mobile dans le conduit 5 interne. Cet organe 6 de régulation (ou « tiroir »), par exemple de forme générale cylindrique, s'étend selon une direction longitudinale et est mobile en translation dans le corps 2 selon la direction longitudinale. 5 L'organe 6 de régulation comprend au moins une portion coopérant en étanchéité avec le conduit 5 interne du corps 2 via un ensemble de joint(s) 8 d'étanchéité (notamment des joints 8 toriques) et au moins une portion de section réduite n'assurant pas une étanchéité avec le conduit 5 interne du corps 2. Comme illustré, le corps 2 comprend de préférence une seconde sortie 10 10 de purge reliée à l'entrée 3 et à la première sortie 4 via le conduit interne 5. L'organe 6 de régulation mobile peut être disposé dans le corps 2 dans une première position de fermeture empêchant : - le passage de gaz entre l'entrée 3 et la première sortie 4, - le passage de gaz entre l'entrée 3 et la seconde sortie 10, 15 - le passage de gaz entre les deux sorties 4, 10 (cf. figure 2). Dans cette configuration la vanne 1 est fermée au niveau de ses trois orifices 3, 4, 10. L'organe 4 de régulation isole chacun des orifices des autres. L'organe 6 de régulation peut être déplacé dans le corps 2 dans une seconde position de fermeture (de purge) empêchant le passage de gaz entre l'entrée 3 de 20 la première sortie 4 mais autorisant le passage de gaz entre la première sortie 4 et la seconde sortie 10 (cf. figure 3 et 5). La vanne 1 est dans cette configuration par exemple lorsqu'elle elle n'est pas alimentée (cf. ci-après). La sortie 4 régulée communique avec la sortie 10 de purge (sortie à l'atmosphère ou reliée un autre circuit de purge). L'entrée 3 pneumatique 25 est fermée. Dans cette position il n'y a aucune régulation. De même, l'organe 6 de régulation peut être déplacé dans au moins une position d'ouverture autorisant le passage de gaz entre l'entrée 3 et la première sortie 4 (cf. figure 4 : le flux de gaz est symbolisé par une flèche en pointillés). Dans cette configuration la vanne 1 commence à s'ouvrir et peut faire varier 30 la section de passage entre l'entrée et la sortie régulée comme décrit ci-après plus en détail. La portion de section réduite de l'organe 6 de régulation comprend au moins une rainure 9 et de préférence plusieurs rainures 9 formées selon la direction 6 longitudinale. De préférence la ou les rainures sont progressives. De préférence également les rainures sont positionnées de façon équidistantes diamétralement. Les rainures 9 ont une géométrie déterminée définissant une section variable déterminée de l'organe de régulation 6 selon la direction longitudinale. C'est-à-dire 5 que les rainures modifient la section transversale de l'organe 6 de régulation selon la direction longitudinale. Comme visible aux figures 6 et 7, selon la direction longitudinale, en partant d'au moins une de ses extrémités longitudinales terminales, les rainures 9 ont une profondeur et/ou une largeur croissante jusqu'à une zone définissant une section 10 minimale de l'organe 6 de régulation. Cette section minimale définit une section de passage maximale pour le gaz. Cette progressivité de la profondeur/largeur de la rainure 9 peut être prévue uniquement à une extrémité de la rainure 9 (du côté susceptible de rompre une étanchéité 8). Comme visible à la figure 7, selon la direction longitudinale, au moins une 15 rainure 9 peut posséder une portion ayant une profondeur et/ou une largeur continument croissante ou continument décroissante (par exemple ayant la forme générale d'une courbe parabolique inversée). De même, la portion de section réduite de l'organe 6 de régulation peut comprendre plusieurs rainures 9 discrètes adjacentes, par exemple réparties sur la 20 circonférence de l'organe 6 de régulation. Contrairement à l'illustration des figures, ces rainures discrètes peuvent être différentes (dimensions et/ou position longitudinale) pour contrôler finement la section d'ouverture selon la position longitudinale de l'organe 6 de régulation. De même, les rainures peuvent être identiques (profondeur constante ou 25 variable) mais décalées longitudinalement l'organe 6. C'est-à-dire plusieurs rainures peuvent « s'additionner ou non selon la position longitudinale sur l'organe 6 de régulation). Comme visible aux figures, plusieurs rainures 9 discrètes adjacentes peuvent communiquer avec un volume 19 commun centrale (cf figure 7) 30 Les rainures 9 (ou la rainure s'il n'y en a qu'une) définissent donc une section de passage déterminée et variable longitudinalement pour le gaz. Ainsi, selon la position en translation des rainures 9 relativement au corps 2, la section de passage pour le gaz dans le conduit 5 interne est modifiée par les rainures 9. Ceci définit une 7 pluralité de position d'ouverture ayant des sections de passage (et donc des débits et des pressions de gaz) respectifs déterminés. Ainsi, en positionnant les rainures 9 longitudinalement on autorise une circulation de gaz et la section de passage du gaz est également déterminée selon la position de la rainure dans le corps 2 parmi 5 une pluralité de positions d'ouverture. Par exemple les joints 8 d'étanchéité sont toriques et disposés dans des logements dans le corps 2 (cf. figures). Ainsi, lorsque la ou les rainures 9 s'étendent de part et d'autre d'un joint 8, un passage de gaz est créé dans le conduit 5 par les rainures 9 de part et d'autre de cette zone étanchéité. 10 En variante il est possible d'envisager de prévoir tout ou partie des joints 8 d'étanchéité sur l'organe 6 de régulation mobile. La progressivité et variabilité de la géométrie des rainures 9 permet de réguler finement (et presque de façon infinie) la section de passage entre une section de passage nulle (position fermée) et une section de passage maximale 15 (position où la profondeur/largeur des rainures est maximale). La section maximale de passage est dépendante de la géométrie de l'organe 6 de régulation. Différents organe 6 (tiroirs) peuvent donc être montés dans la ou les vannes 1 en fonction du débit maximum et de la progressivité que la vanne doit assurer. 20 La géométrie variable conférée par la ou les rainures 9 permet de modifier la section de passage de gaz. Ainsi le débit et la pression peuvent être modifiés de façon désirée dans une grande plage de valeurs possibles. Ceci confère une grande dynamique de régulation à la vanne 1. Cette architecture permet d'adapter le débit/la pression en sortie 4 au besoin 25 exacte de l'application aval avec une grande finesse de régulation entre le débit minimal et le débit maximum. Ceci est obtenu avec un minimum de pièces. La vanne 1 présente en outre une grande sécurité. Un tel agencement permet d'avoir un équilibre de pression pour les pièces en mouvement (organe de régulation notamment). Le débit de gaz à haute pression 30 à réguler est amené transversalement sur l'organe 6 de régulation et transite uniquement via les rainures 9. Ainsi, le gaz à la pression de service ne peut pas mettre en mouvement des pièces du mécanisme. La sécurité de la vanne est donc accrue. 8 La vanne comporte de préférence un organe 7 moteur commandé par un organe 11 électronique de pilotage pour déplacer l'organe 6 de régulation. Par exemple, le mouvement et la position de l'organe 6 de régulation peut être réalisé par un motoréducteur entraînant un pignon qui engrène avec une 5 crémaillère 17 solidaire de l'organe 6 de régulation. La commande 11 du moteur 7 régulation peut être assurée par l'un au moins parmi : un capteur 12 de pression sur la sortie 4 régulée (et/ou dans le volume aval à réguler), un potentiomètre (piste et curseur), un codeur monté sur le moteur 7. La piste du potentiomètre peut être montée sur le corps 2 de la vanne et le curseur 10 peut être monté sur le pignon du mécanisme. La vanne 1 peut comporter notamment un capteur 12 de pression et ou du débit de gaz délivré à la sortie 4 (ou en aval) et l'organe 11 électronique de pilotage peut être configuré (programmé notamment) pour commander la position de l'organe 6 de régulation en fonction de la mesure du capteur 12 de pression et/ou 15 de débit et d'une consigne de pression et/ou de débit prédéterminée. L'organe 11 électronique (comprenant par exemple un microcontrôleur ou un microprocesseur) peut comprendre un asservissement en position de l'organe 6 de régulation (utilisant par exemple un potentiomètre de position). Cette position peut être modulée en fonction de la mesure de pression/débit et de la consigne. A cela 20 peut s'ajouter éventuellement un asservissement de vitesse afin de gérer finement la dynamique du moteur électrique. C'est-à-dire que la vitesse que si la vitesse de réaction de la vanne doit être importante, il est préférable que l'électronique de pilotage 11 puisse intégrer un régulation de vitesse de déplacement de l'organe de régulation 6 par l'intermédiaire de la vitesse de rotation du moteur 7. 25 L'actionneur/moteur peut être de toute technologie appropriée à courant continu, « brushless », « pas à pas » ou autre. Comme illustré aux figures, la vanne 1 peut comprendre un organe 13 de rappel tel qu'un ressort sollicitant l'organe 6 de régulation dans une position déterminée en l'absence d'actionnement de l'organe 7 moteur, notamment dans la 30 seconde position de fermeture (figures 3 et 5). Ceci permet de déplacer la vanne dans un état sécurisé en cas de coupure de courant (position de purge) en éliminant la pression en aval de la vanne 1. 9 La vanne 1 peut être utilisée pour la régulation de pression et/ou de débit de gaz notamment d'air. La vanne 1 peut être utilisée pour réguler un débit dans un dispositif d'inertage d'une cuve ou d'un réservoir, pour la mise et le maintien en pression d'un 5 volume clos ou toute autre application nécessitant une grande dynamique de régulation en pression ou en débit. Elle peut également vider la pression du volume régulé si nécessaire. Le gaz utilisé peut être de différente nature (air, argon, azote...). Sans que ceci soit limitatif, la vanne 1 peut fonctionner par exemple avec un 10 débit à l'entrée compris entre 1 et 20001itres par minute et une pression de 2 à 10 barg (bar relatif). Par exemple, la pression en entrée peut être comprise entre 1 et 5 bar relatif. La pression en sortie 4 régulée peut être comprise entre 0 et 5 bar relatif. La sortie de purge 10 peut être à une pression de zéro bar relatif ou une 15 pression inférieur à la pression d'entrée. La vanne 1 pourrait avoir plusieurs entrées de gaz (au lieu d'une) et une seule ou plus de deux sorties de de gaz régulé et/ou de purge. La disposition des entrée/sorties 3, 4, 10 sur le corps 2 peut être différente de l'exemple non limitatif des figures. 20 La vanne a été décrite pour la régulation de débit et/ou de pression de gaz mais pourrait être utilisée pour la régulation d'un REVENDICATIONS1. Vanne de régulation de débit et/ou de pression de gaz comprenant un corps (2) comportant une entrée (3) de gaz à réguler, au moins une première sortie (4) de gaz régulé et un conduit interne (5) reliant l'entrée (3) à la première sortie (4), la vanne (1) comprenant un organe (6) de régulation monté mobile dans le conduit (5) interne, l'organe (6) de régulation s'étendant selon une direction longitudinale et étant mobile en translation dans le corps (2) selon la direction longitudinale, l'organe (6) de régulation comprenant au moins une portion coopérant en étanchéité avec le conduit (5) interne du corps (2) via un ensemble de joint(s) (8) d'étanchéité et au moins une portion de section réduite n'assurant pas une étanchéité avec le conduit (5) interne du corps (2), l'organe (6) de régulation étant mobile dans le corps (2) entre une première position de fermeture empêchant le passage de gaz entre l'entrée (3) et la première sortie (4) et au moins une position d'ouverture autorisant le passage de gaz entre l'entrée (3) et la première sortie (4), caractérisée en ce que la portion de section réduite de l'organe (6) de régulation comprend au moins une rainure (9) formée selon la direction longitudinale, ladite au moins une rainure (9) ayant une géométrie déterminée définissant une section variable déterminée pour l'organe (6) de régulation selon la direction longitudinale, c'est-à-dire que la rainure définit une pluralité de sections de passage déterminées distinctes longitudinalement pour le gaz, en ce que, selon la position en translation de la au moins une rainure (9) relativement au corps (2), la section de passage pour le gaz dans le conduit (5) interne est modifiée par ladite au moins une rainure (9), pour réguler le débit de gaz admis à circuler dans le conduit (5). 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que, selon la direction longitudinale, à partir d'au moins une de ses extrémités longitudinales, la au moins une rainure (9) a une profondeur et/ou une largeur croissante jusqu'un une zone définissant une section minimale de l'organe (6) de régulation, ladite section minimale définissant une section de passage maximale pour le gaz. 11 3. Vanne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que, selon la direction longitudinale, la au moins une rainure (9) possède une portion ayant une profondeur et/ou une largeur continument croissante ou continument décroissante. 5 4. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la portion de section réduite de l'organe (6) de régulation comprend plusieurs rainures (9) discrètes adjacentes. 5. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la portion de section réduite de l'organe (6) de régulation comprend 10 plusieurs rainures (9) discrètes adjacentes qui communiquent avec un volume commun (19). 6. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le corps (2) comprend une seconde sortie (10) de purge reliée à l'entrée (3) et à la première sortie (4) via le conduit interne (5), l'organe (6) de 15 régulation étant déplaçable dans le corps (2) dans une seconde position de fermeture empêchant le passage de gaz entre l'entrée (3) et la première sortie (4) mais autorisant le passage de gaz entre la première sortie (4) et la seconde sortie (10). 7. Vanne selon la revendication 6, caractérisée en ce que dans sa 20 première position de fermeture, l'organe (6) de régulation empêche le passage de gaz entre l'entrée (3) de la seconde sortie (10). 8. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'organe (6) de régulation possède une portion de forme cylindrique qui est mobile en translation dans un alésage cylindrique formé dans le corps 25 (2), l'ensemble de joints (8) d'étanchéité comprenant des joints toriques (8) interposés entre l'organe (6) de régulation et le corps (2), selon la position en translation de l'organe (6) de régulation par rapport au corps (2), l'interruption de l'écoulement de gaz dans le conduit entre l'entrée (3) et la ou le sorties (4, 10) ou entre les sorties (4, 10) étant réalisée par le ou les joints (8) d'étanchéité 30 et l'autorisation de l'écoulement de gaz dans le conduit entre l'entrée (3) et la ou le sorties (4, 10) ou entre les sorties (4, 10) avec un débit déterminé étant réalisée par la portion de section réduite rompant l'étanchéité localement dans le conduit (5). 12 9. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un organe (7) moteur commandé par un organe (11) électronique de pilotage pour déplacer l'organe (6) de régulation. 10. Vanne selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend 5 un capteur (12) de pression et ou du débit de gaz délivré à la sortie (4) ou en aval de la sortie et en ce que l'organe (11) électronique de pilotage est configuré pour commander la position de l'organe (6) de régulation en fonction de la mesure du capteur (12) de pression et/ou de débit et d'une consigne de pression et/ou de débit. 10 11. Vanne selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce qu'elle comprend un organe (13) de rappel tel qu'un ressort sollicitant l'organe (6) de régulation dans une position déterminée en l'absence d'actionnement de l'organe (7) moteur. 12. Vanne selon la revendication 11 combinée à l'une quelconque des 15 revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que, en l'absence d'actionnement de l'organe (7) moteur, l'organe (13) de rappel sollicite l'organe (6) de régulation dans la seconde position de fermeture.