Brevet FR3157500A1 — publié le 20250627

Une soupape à actionneur pour la régulation du débit d’un gaz comporte : - un corps (12) comportant une entrée (10) et une sortie (11) pour le gaz et un siège (120) entre l’entrée (10) et la sortie (11), le siège (120) étant évasé ; - une aiguille (13) dont une première extrémité (131) vient en contact sur le siège (120) dans une position de fermeture par l’appui d’un ressort (14) ; - un actionneur (15) tendant à décoller l’aiguille (13) du siège (120) vers une position d’ouverture à l’encontre du ressort (14). L’aiguille (13) comporte une gorge (130) circulaire contenant un joint (16, 16’, 16’’) souple en appui contre le siège (120) en position de fermeture. Système d’alimentation en gaz comportant une telle soupape. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Soupape à actionneur pour la régulation d’un gaz et système d’alimentation d’un consommateur comme un moteur thermique La présente invention concerne généralement une soupape à actionneur pour la régulation de la pression d’un gaz pour un consommateur, en particulier pour un système d’alimentation en carburant d’un consommateur tel qu’un moteur à combustion ou une pile à combustible. De nombreux moteurs à combustion interne stationnaires et mobiles utilisent un gaz comprimé comme carburant gazeux qui, mélangé à l'air, fournit l’énergie nécessaire pour faire fonctionner le moteur. Le carburant gazeux, par exemple le gaz naturel comprimé (GNC) ou liquéfié ou l'hydrogène, est généralement stocké dans un réservoir sous haute pression, qui peut être, par exemple, de l'ordre d’environ 700 bars. Une telle pression n’est généralement pas compatible avec le fonctionnement d’un moteur à combustion interne. Par conséquent, la pression du gaz doit être réduite à un niveau acceptable pour être introduite dans le moteur à combustion interne. Le niveau de pression du gaz naturel à introduire dans le moteur à combustion interne peut être de l'ordre de 2 à 10 bars et jusqu’à 40 bars pour un moteur à combustion interne fonctionnant à l’hydrogène. Un régulateur de pression est donc installé entre le réservoir de carburant et la rampe d’injection/injecteurs de carburant afin d’assurer la réduction souhaitée de la pression du carburant gazeux. De nombreuses applications de régulateurs de pression ont jusqu’à présent utilisé un régulateur de pression mécanique pour assurer la réduction de la pression du gaz en utilisant une combinaison de soupapes, de membranes et/ou de pistons, de ressorts et d’autres dispositifs mécaniques pour assurer la réduction de la pression du gaz. Ces régulateurs ne sont pas suffisants dans le cas où le besoin est un niveau de pression qui doit être adapté, par exemple entre un fonctionnement au ralenti et un régime nominal. On connaît également des régulateurs de pression de gaz à commande électronique. Cependant, la plupart des régulateurs de pression de gaz électroniques connus pour les applications GNC ne peuvent fonctionner qu’à une pression allant jusqu’à 16 bars, ce qui les rend inadaptés aux moteurs à hydrogène qui fonctionnent à des pressions plus élevées, généralement entre 20 et 40 bars. Un autre inconvénient des régulateurs de pression conventionnels pour les carburants gazeux est lié à la conception de l’interface. L’élément de soupape a généralement une forme conique qui coopère avec un siège de soupape conique, et la régulation de la pression est obtenue en contrôlant la position axiale de l’élément de soupape par rapport au siège de soupape. Selon la configuration, il peut être difficile de maintenir une section d’écoulement réduit. Enfin, il est souhaitable de pouvoir utiliser un actionneur demandant peu de puissance et peu encombrant. L’invention vise à fournir une soupape à actionneur pour réguler un flux de gaz en commandant l’actionneur, en permettant un réglage fin du débit tout en limitant la taille et la puissance de l’actionneur. Avec ces objectifs en vue, l’invention a pour objet une soupape à actionneur pour la régulation du débit d’un gaz, la soupape comportant - un corps comportant une entrée et une sortie pour le gaz et un siège entre l’entrée et la sortie, le siège étant évasé ; - une aiguille dont une première extrémité vient en contact sur le siège dans une position de fermeture par l’appui d’un ressort ; - un actionneur tendant à décoller l’aiguille du siège vers une position d’ouverture à l’encontre du ressort ; caractérisée en ce que l’aiguille comporte une gorge circulaire contenant un joint souple en appui contre le siège en position de fermeture. Le mouvement de l’aiguille jusqu’à l’appui du joint contre le siège évasé permet de moduler le débit de gaz de l’entrée vers la sortie et de l’arrêter complètement. L’utilisation d’un joint souple permet d’obtenir la fermeture du débit de gaz avec le minimum de force d’appui de l’aiguille en direction du siège. Sans intervention de l’actionneur, le ressort maintient l’aiguille en appui et obtient la fermeture de la soupape. On calibre le ressort en fonction de la pression maximale du gaz côté amont, c’est-à-dire du côté de l’entrée. La forme évasée du siège permet que l’augmentation de la section de passage pour le gaz en fonction du recul de l’aiguille par l’actionneur est progressive. Selon une disposition constructive, la gorge circulaire comporte une face de fond de forme cylindrique de même axe que l’axe de l’aiguille, et deux flancs s’étendant radialement depuis la face de fond, dont un premier flanc est du côté d’une pointe de l’aiguille et un deuxième flanc est à l’opposé du premier flanc. Le joint vient en appui sur la face de fond, et lorsque l’aiguille est en appui sur le siège, sur le deuxième flanc. L’étanchéité s’établit ainsi d’une part dans le contact sur le siège, et d’autre part dans le contact contre le deuxième flanc. Selon un premier mode de réalisation, le joint a une section sensiblement polygonale avec une face de base en regard de la face de fond, une première face de flanc en regard du premier flanc, une deuxième face de flanc en regard du deuxième flanc et une face de siège en regard du siège. Les parties droites de la section peuvent ainsi venir en appui sur le fond de la rainure, le deuxième flanc et le siège, ce qui lui fournit un appui rigide et limite la course de mise en pression du joint contre le siège. Selon un perfectionnement, la face de base du joint est inclinée par rapport à l’axe longitudinal dans le sens où la direction de la face de base est concourante avec l’axe de l’aiguille à l’opposé de la première extrémité. Ainsi, lorsque la soupape est fermée, le gaz retenu peut s’insérer entre la rainure et la face de base de manière à tendre à une expansion du diamètre du joint. À l’opposé, le joint est mis en compression contre le siège, ce qui contribue à obtenir une excellente étanchéité sans avoir à appliquer fortement l’aiguille contre le siège. Selon un deuxième mode de réalisation, le joint est torique avec une section circulaire. Lorsque le joint est en appui contre le siège, il est retenu dans la gorge circulaire et les zones de contacts sont circulaires. On constate une bonne capacité à fournir l’étanchéité requise à la fermeture, avec un appui fourni par le ressort d’une valeur modérée. Un tel joint est très standard. Selon un troisième mode de réalisation, le joint est torique avec une section en forme de D, la partie droite de la section étant orientée selon l’axe du tore et côté intérieur du tore. La partie droite de la section peut ainsi venir en appui sur le fond de la rainure, ce qui lui fournit un appui rigide et limite la course de mise en pression du joint contre le siège, en comparaison avec le joint torique de section circulaire. Selon une disposition, le joint est dans une matière comprenant un composant du groupe comprenant le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et l’éthylène-propylène-diène monomère (EPDM). Le PTFE permet de conserver un fonctionnement avec de grandes amplitudes thermiques et avec très peu d’usure. L’élastomère EPDM offre une plus grande élasticité, ce qui facilite sa mise en place dans la gorge et permet d’optimiser l’effort d’appui par le ressort. Selon un perfectionnement, l’aiguille comporte à sa première extrémité un téton qui est inséré de manière ajustée dans l’entrée en position de fermeture, le téton étant dégagé de l’entrée en position d’ouverture. Lorsque l’aiguille est soulevée du siège, le gaz est en mesure de s’écouler dans le jeu subsistant entre l’entrée et le téton. On réalise ainsi un débit de gaz de faible valeur sans avoir besoin d’ajuster avec précision la position de l’aiguille. Ce débit peut correspondre par exemple au régime de ralenti pour un moteur thermique. De manière particulière, le jeu radial entre le téton et l’entrée est compris entre 1 µm et 10 µm. Selon une disposition constructive, l’aiguille comporte une face de butée pour limiter la course de l’aiguille en position de fermeture en étant en contact avec le siège. On limite ainsi la compression du joint, ce qui préserve sa durée de vie. Selon une disposition constructive, le ressort est dimensionné pour fournir une force d’appui de l’aiguille contre le siège comprise entre 40 et 50 N. Une telle force est suffisante pour maintenir l’aiguille en position de fermeture lorsque le gaz est fourni à une pression jusqu’à 50 bars. L’invention a aussi pour objet un système d’alimentation en gaz pour un consommateur, tel qu’un moteur thermique ou une pile à combustible, le système comportant un réservoir de gaz connecté à un dispositif de régulation comportant une soupape telle que décrite précédemment, l’entrée de la soupape étant connectée du côté du réservoir, la sortie étant connectée du côté du consommateur. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise et d’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : la FIG. 1 est une vue schématique d’un système d’alimentation en gaz ; la FIG. 2 est une vue en coupe d’une soupape conforme à un premier mode de réalisation de l’invention ; la FIG. 3 est une vue de détail similaire à la FIG. 2 pour un deuxième mode de réalisation, dans une position entr’ouverte ; la FIG. 4 est une vue similaire à la FIG. 3 dans une position d’ouverture ; la FIG. 5 est une vue similaire à la FIG. 3 dans une position de fermeture ; la FIG. 6 est une vue en perspective du joint du deuxième mode de réalisation ; la FIG. 7 est une vue en coupe du joint du premier mode de réalisation ; la FIG. 8 est une vue en coupe d’un joint selon un troisième mode de réalisation de l’invention. Description détaillée Une soupape 1 à actionneur est prévue pour un système d’alimentation en gaz pour un consommateur 2 tel qu’un moteur thermique ou une pile à combustible, représenté de manière schématique sur la FIG. 1 . Le système comporte un réservoir 3 de gaz sous pression relié au consommateur 2 par une conduite, conduite dans laquelle sont insérés un détendeur 30 et un dispositif de régulation 4 intégrant ladite soupape 1 et permettant de délivrer sur commande la quantité de gaz utile au consommateur 2. Le dispositif de régulation peut intégrer des fonctions de soupape de décharge, non montré, pour limiter la pression dans le réseau, une vanne de fermeture, non montrée, et/ou une purge commandable pour mettre l’installation au repos, non montrée. Le détendeur 30 réduit la pression du gaz à un niveau sensiblement constant et, dans le cas d’un gaz liquéfié, permet de gazéifier celui-ci. Dans le cas de l’hydrogène alimentant un moteur à combustion interne, ce niveau de pression est par exemple de 25 à 50 bars. La soupape 1 est par exemple configurée pour délivrer le gaz à la sortie à une pression régulée entre 5 et 40 bars. Dans les applications à injection directe, la pression l’alimentation peut être de l’ordre de 50 bars et la régulation se fait entre 20 et 40 bars, selon la charge moteur. Dans les applications à injection indirecte, la pression d’alimentation est plus faible, de l’ordre de 25 bars et plus, et la régulation se fait à partir de 5 bars. La soupape selon un premier mode de réalisation de l’invention est montrée sur la FIG. 2 . La soupape comporte une entrée 10 connectée du côté du réservoir 3 et une sortie 11 connectée du côté du consommateur 2. La soupape comporte un corps 12 comportant l’entrée 10 et la sortie 11 pour le gaz et un siège 120 entre l’entrée 10 et la sortie 11, le siège 120 étant évasé. La soupape comporte en outre une aiguille 13 dont une première extrémité 131 vient en contact sur le siège 120 dans une position de fermeture par l’appui d’un ressort 14 et un actionneur 15 tendant à décoller l’aiguille 13 du siège 120 vers une position d’ouverture à l’encontre du ressort 14. Le corps 12 a une forme globalement cylindrique en s’étendant selon une direction principale. L’entrée 10 a la forme d’un alésage cylindrique à une extrémité du corps 12 et ayant un axe parallèle à la direction principale. La sortie 11 est formée par une pluralité de trous radiaux 110 dans le corps 12, d’axe perpendiculaire à la direction principale, et débouchant en aval du siège 120. À l’opposé du siège 120, l’aiguille 13 est emmanchée à force sur une masselotte creuse dite armature 150. L’armature 150 fait partie de l’actionneur 15 est prévue pour être actionnée par une bobine (solénoïde), non représentée. Lorsque la bobine est alimentée, elle crée un champ magnétique agit sur l’armature 150 pour la déplacer vers la gauche, et la lever du siège 120. Le ressort 14 est logé dans le creux de l’armature 150 et agit sur celle-ci, et donc sur l’aiguille 13, pour mettre l’aiguille 13 en contact contre le siège 120. La forme évasée du siège 120 est réalisée par deux portions 1201, 1202 de cône successives. L’angle entre la génératrice du cône de la première portion 1201 et la direction principale est de l’ordre de 40°, tandis que celui de la deuxième portion 1202 est d’environ 60°. D’autres formes sont possibles, comme une forme avec plus de portions coniques, ou en variation continue comme un pavillon. L’aiguille 13 comporte en outre une gorge 130 circulaire contenant un joint 16 souple en appui contre le siège 120 en position de fermeture, comme le montre la FIG. 5 . La gorge 130 circulaire comporte une face de fond 1300 de forme cylindrique de même axe que l’axe de l’aiguille 13, et deux flancs s’étendant radialement depuis la face de fond 1300, dont un premier flanc 1301 est du côté d’une pointe de l’aiguille 13 et un deuxième flanc 1302 est à l’opposé du premier flanc 1301. Ainsi, le deuxième flanc 1302 a un plus grand diamètre que le premier flanc 1301. L’aiguille 13 comporte en outre une face de butée 132 au-delà du deuxième flanc 1302 pour limiter la course de l’aiguille 13 en position de fermeture en étant en contact avec le siège 120. L’aiguille 13 comporte à sa première extrémité 131 un téton 133 qui est inséré de manière ajustée dans l’entrée 10 en position de fermeture. Le jeu radial entre le téton 133 et l’entrée 10 est compris entre 1 µm et 10 µm. Dans ce premier mode de réalisation, comme montré sur la FIG. 6 , le joint 16 a une section sensiblement polygonale avec une face de base 160 en regard de la face de fond 1300, une première face de flanc 161 en regard du premier flanc 1301, une deuxième face de flanc 162 en regard du deuxième flanc 1302 et une face de siège 163 en regard du siège 120. Le joint 16 est réalisé avec un composant à base de polytétrafluoroéthylène (PTFE). Les jonctions entre les faces 160, 161, 163, 162 sont chanfreinées. La face de base 160 du joint 16 est inclinée par rapport à l’axe longitudinal dans le sens où la direction de la face de base 160 est concourante avec l’axe de l’aiguille 13 à l’opposé de la première extrémité 131. Le joint 16 a par exemple une dureté Shore D comprise entre 60 et 90, en particulier 70 et 90. Ainsi, lorsque la soupape est fermée, le gaz retenu peut s’insérer entre la rainure 130 et la face de base 160 de manière à tendre à une expansion du diamètre du joint 16. À l’opposé, le joint 16 est mis en compression contre le siège120, ce qui contribue à obtenir une excellente étanchéité sans avoir à appliquer fortement l’aiguille contre le siège. Le joint est placé dans la gorge par déformation élastique. Dans le cas d’un joint présentant une déformation plastique, il est prévu de réaliser une conformation du joint dans la rainure à l’aide d’un outil de conformation. Lors de l’utilisation, le ressort 14 maintient l’aiguille 13 en appui contre le siège 120, comme montré sur la FIG. 5 , le contact s’établissant entre la face de butée 132 et le siège 120. L’entrée 10 reçoit le gaz sous pression issu du détendeur 30, par exemple de l’hydrogène à une pression de 50 bars. Le joint 16 est suffisamment comprimé pour obtenir l’étanchéité au gaz entre l’entrée 10 et la sortie 11. Le gaz s’immisce entre la face de fond 1300 et la face de base 160 et tend ainsi à augmenter le diamètre du joint 16, ce qui contribue à améliorer l’étanchéité en le plaquant contre le siège 120. Lors du début de l’ouverture, comme montré sur la FIG. 3 , la bobine est actionnée pour déplacer l'armature 150 et l’aiguille 13 à l’encontre du ressort 14, vers la gauche de la FIG. 3 . Le gaz peut alors passer entre le téton 133 et la partie cylindrique de l’entrée 10 dans le jeu ménagé entre les deux puis se diriger vers la sortie 11. Le débit est assez faible et calibré par le jeu entre le téton 133 et l’entrée 10. En continuant la course de l’aiguille 13, le téton 133 se dégage de l’entrée 10 en position d’ouverture et laisse un passage pour le gaz entre son extrémité et le siège 120. Du fait de la forme évasée du siège 120, plus l’aiguille 13 se déplace à l’encontre du ressort 14 sous l’action de la bobine, plus la section de passage augmente et plus le débit de gaz augmente. On atteint ainsi la position d’ouverture représentée sur la FIG. 4 . En relâchant l’action de la bobine, l’aiguille 13 revient en position de fermeture telle que montrée sur la FIG. 5 , sous l’effet du ressort 14. Le téton 133 a par exemple un diamètre de 2,5 mm et le joint 16 un diamètre de 3,5 mm. La course totale de l’aiguille 13 est par exemple de 3 mm. La force d’appui fournie par le ressort 14 de l’aiguille 13 contre le siège 120 est comprise entre 40 et 50 N. Dans un deuxième mode de réalisation, le joint 16’ est torique avec une section circulaire, comme montré sur la FIG. 7 . Le joint 16’ est mis en place dans la même gorge 130 circulaire telle que décrite précédemment, avec des dimensions adaptées. Le mode de fonctionnement reste identique. Dans une troisième mode de réalisation, le joint 16’’ est torique avec une section en forme de D, la partie droite 160’’ de la section étant orientée selon l’axe A du tore et côté intérieur du tore, comme montré sur la FIG. 8 . Le joint 16’’ est mis en place dans la même gorge 130 circulaire telle que décrite précédemment, avec des dimensions adaptées. Le mode de fonctionnement reste identique. Le joint 16 est par exemple dans une matière comprenant du polytétrafluoroéthylène (PTFE). Alternativement, le joint 16 est dans une matière élastomère présentant une dureté Shore A de 60 à 90, par exemple comprenant de l’éthylène-propylène-diène monomère (EPDM). Le choix de l’une ou l’autre des matières se fait en fonction de la dureté souhaitée, de la gamme de température attendue, de la facilité de mise en œuvre, de la durée de vie ou d’autres paramètres. Soupape à actionneur pour la régulation du débit d’un gaz, la soupape comportant - un corps (12) comportant une entrée (10) et une sortie (11) pour le gaz et un siège (120) entre l’entrée (10) et la sortie (11), le siège (120) étant évasé ; - une aiguille (13) dont une première extrémité (131) vient en contact sur le siège (120) dans une position de fermeture par l’appui d’un ressort (14) ; - un actionneur (15) tendant à décoller l’aiguille (13) du siège (120) vers une position d’ouverture à l’encontre du ressort (14) caractérisée en ce que l’aiguille (13) comporte une gorge (130) circulaire contenant un joint (16, 16’, 16’’) souple en appui contre le siège (120) en position de fermeture. Soupape selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la gorge (130) circulaire comporte une face de fond (1300) de forme cylindrique de même axe que l’axe de l’aiguille (13), et deux flancs s’étendant radialement depuis la face de fond (1300), dont un premier flanc (1301) est du côté d’une pointe de l’aiguille (13) et un deuxième flanc (1302) est à l’opposé du premier flanc (1301). Soupape selon la revendication 2, dans laquelle le joint (16) a une section sensiblement polygonale avec une face de base (160) en regard de la face de fond (1300), une première face de flanc (161) en regard du premier flanc (1301), une deuxième face de flanc (162) en regard du deuxième flanc (1302) et une face de siège (163) en regard du siège (120). Soupape selon la revendication 5, dans laquelle la face de base (130) du joint (16) est inclinée par rapport à l’axe longitudinal dans le sens où la direction de la face de base (130) est concourante avec l’axe de l’aiguille (13) à l’opposé de la première extrémité (131). Soupape selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle le joint (16’) est torique avec une section circulaire. Soupape selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle le joint (16’’) est torique avec une section en forme de D, la partie droite (160’’) de la section étant orientée selon l’axe (A) du tore et côté intérieur du tore. Soupape selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le joint (16, 16’, 16’’) est dans une matière comprenant un composant du groupe comprenant le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et l’éthylène-propylène-diène monomère (EPDM). Soupape selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’aiguille (13) comporte à sa première extrémité (131) un téton (133) qui est inséré de manière ajustée dans l’entrée (10) en position de fermeture, le téton (133) étant dégagé de l’entrée (10) en position d’ouverture. Soupape selon la revendication 8, dans laquelle le jeu radial entre le téton (133) et l’entrée (10) est compris entre 1 et 10 µm. Soupape selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’aiguille (13) comporte une face de butée (132) pour limiter la course de l’aiguille (13) en position de fermeture en étant en contact avec le siège (120). Soupape selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le ressort (14) est dimensionné pour fournir une force d’appui de l’aiguille (13) contre le siège (120) comprise entre 35 et 50 N. Système d’alimentation en gaz pour un consommateur (2), tel qu’un moteur thermique ou une pile à combustible, le système comportant un réservoir (3) de gaz connecté à un dispositif de régulation comportant une soupape (1) selon l’une des revendications précédentes, l’entrée (10) de la soupape (1) étant connectée du côté du réservoir (3), la sortie (11) étant connectée du côté du consommateur (2). Système selon la revendication 12, dans lequel le carburant est de l’hydrogène stocké sous pression dans le réservoir (3), le système comportant en outre un détendeur (30) à la sortie du réservoir (3) pour détendre le gaz à une pression ciblée de 25 à 50 bars, la soupape permettant de délivrer le gaz à la sortie à une pression régulée entre 5 et 40 bars.