Soupape
La présente invention a pour objet une soupape pour commander l'écoulement d'un fluide au travers d'une ouverture pratiquée dans une paroi de séparation de deux milieux à pression différente.
On connaît déjà des soupapes employées notamment à titre d'organe de sécurité dans des conduits de distribution de fluides gazeux, constituées par une membrane élastique de dimension correspondant sensiblement à celle de la section de la conduite et formant élément de division d'une chambre en deux espaces, reliés de part et d'autre de la membrane à des segments distincts de cette conduite, cette membrane étant percée d'ouverture de passage du fluide gazeux d'un espace à l'autre de la chambre tant que cet écoulement s'effectue à une vitesse normale, pour laquelle la membrane reste inerte, alors qu'elle se déforme sous l'action de la pression à laquelle elle est soumise sur sa face amont, pour venir boucher l'ouverture aval de la chambre, lorsque cette vitesse augmente dans des proportions données.
On conaît également un autre genre de soupape constituée par une simple bille mobile axialement dans un logement alimenté par son fond en fluide sous pression et qui est soulevé par ce fluide en position d'obturation de l'ouverture du logement, dès que la pression exerce sur la bille une poussée supérieure à son propre poids.
Dans une autre soupape connue, constituant une combinaison des deux premières, la bille est empêchée de se déplacer vers un siège annulaire par un manchon intermédiaire disposé coulissant entre l'ouverture de sortie de la soupape et le siège, à l'intérieur d'une chambre dans laquelle le manchon est maintenu par une membrane divisant cette chambre en deux sections, la première comportant l'ouverture de sortie de la soupape et la seconde étant en communication avec l'atmosphère. L'extrémité du manchon en regard de cette ouverture de sortie forme une tuyère de Venturi de sorte que, lorsque l'écoulement de fluide dans le manchon est trop violent, la première section de la chambre est l'objet d'une dépression soulevant la membrane, et partant le manchon, d'une quantité suffisante pour permettre à la bille de venir sur son siège et de fermer la soupape.
La soupape selon l'invention comprend un élément d'obturation de l'ouverture et des moyens autorisant un déplacement relatif de cet élément et de la paroi tel que l'un de ces organes, élément d'obturation ou paroi, puisse être porté alternativement dans deux positions distinctes, I'une d'obturation de l'ouverture et l'autre permettant ledit écoulement.
Elle est caractérisée par le fait que cet élément d'obturation est disposé du côté de la paroi soumise au milieu de pression supérieure et que la section annulaire de l'espace compris entre l'élément et la paroi, à une distance quelconque de l'ouverture, lorsque l'élément d'obturation et la paroi sont distants l'un de l'autre, est choisie telle que l'écoulement du fluide dans cet espace, de son bord externe en direction de l'ouverture, crée sur les faces en regard de l'élément d'obturation et de la paroi une dépression suffisante pour provoquer le déplacement relatif de l'élément d'obturation et de la paroi dans le sens de l'obturation de l'ouverture par l'élément.
Le dessin annexé représente à titre d'exemple et très schématiquement différentes formes et une variante d'exécution de la soupape objet de l'invention:
la fig. 1 est une coupe verticale d'une première forme d'exécution,
la fig. 2 une vue similaire d'une variante,
la fig. 3 est une coupe verticale d'une deuxième forme d'exécution
Au dessin (fig. 1) la soupape représentée est disposée sous un élément 1 de la piste de convoiement d'un dispositif pour le transport d'objets par flottage pneumatique par ailleurs non représenté.
On sait que dans un tel dispositif les objets à convoyer se déplacent sur un coussin d'air de sustentation formé par la piste: la présente soupape est destinée à contribuer à la formation de ce coussin en contrôlant la distribution de l'air comprimé alimenté par un conduit 2 de manière que cette distribution n'ait effectivement lieu que lorsque l'objet à sustenter se présente au droit d'un passage 3 ménagé dans l'élément de piste 1.
Bien entendu la formation d'un coussin d'air aux fins indiquées ci-dessus ne peut être obtenue qu'en disposant côte à côte un certain nombre de soupapes similaires, d'importance fonction de la dimension et du poids des objets à convoyer.
La soupape présente une tige verticale 4 faisant saillie verticalement sur le fond du conduit 2, coaxialement à l'ouverture 3, sur laquelle tige est monté coulissant un élément d'obturation 5, de forme annulaire, dont le profil de la face supérieure 6 est légèrement tronconique, en direction du pied de la tige 4.
Cet élément est susceptible d'occuper deux positions distinctes correspondant à deux états de fonctionnement de la soupape:
l'une de ces positions est celle visible au dessin, dans laquelle l'élément d'obturation 5 appuie sur le fond du conduit 2;
l'autre position, haute, est telle que l'élément 5 est en contact par son arête circulaire 6a avec la face inférieure de l'élément de piste 1, de manière à empêcher pratiquement tout écoulement de fluide provenant du conduit 2 au travers de l'ouverture 3.
Le déplacement de l'élément d'obturation de sa position basse dans sa position haute, de fermeture de la soupape, s'effectue automatiquement lorsque l'écoulement de l'air provenant du conduit 2 s'échappe en trop grande quantité et à grande vitesee au travers de l'ouverture 3, ce qui a lieu lorsqu'aucun objet ne se trouve au droit de cette ouverture.
Le retour de l'élément 5 en position basse, autorisant le passage de l'air au travers de l'ouverture 3, est également réalisé de façon automatique et pratiquement immédiate dès qu'un objet se présente au droit de cette ouverture.
En effet, l'élément d'obturation 5 est monté sur la tige 4 avec un jeu suffisant pour qu'il se produise une légère fuite du conduit 2 vers l'ouverture 3 tendant à rétablir dans l'espace compris entre l'élément de piste 1 et la face supérieure 6 de l'élément d'obturation une pression correspondant à celle régnant dans le conduit 2, p1 au dessin.
Les pressions agissant sur les deux faces inférieure et supérieure l'élément d'obturation étant dès lors identiques, cet élément retombera sous l'action de son propre poids dans sa position basse de la fig. 1.
Une dépression se produit sur une surface lorsqu'elle est caressée par un courant de fluide de vitesse relativement importante, en application de la loi de
Bernouilli selon laquelle V2
y = 2g où A p = dépression
V = vitesse d'écoulement du fluide
y = densité du fluide
g = accélération terrestre
Si donc la vitesse d'écoulement du fluide est VX dans l'enceinte et V dans l'espace compris entre l'élément d'obturation 5 et l'éément de piste 1, la position axiale de cet élément sera déterminée par la différence des pressions du fluide à vitesse Vt et du fluide à vitesse V2, soit
y t P (V2 2 ¯ Vt 2)
2g
Le poids de l'élément 5 étant G, et la surface sur laquelle agit cette différence de pression étant f,
la soupape se fermera pour
G Ap
f alors qu'elle s'ouvrira pour
G
Ap <
f
Si V2, est la vitesse d'écoulement correspondant à
G
Ap=
f la soupape sera ouverte pour V2 < V2 et fermée pour V2V2.
Il est ainsi possible de dimensionner les divers organes de la soupape décrite de facon qu'elle sera fermée s'il n'y a pas d'objet au-dessus de la soupape et ouverte s'il y a un tel objet, créant de la sorte une perte de charge faisant tomber la vitesse V2 au-dessous de V2,.
La variante d'exécution de la fig. 2 se distingue de la précédente essentiellement en ce que la face supérieure de l'élément d'obturation 5 présente un profil tronconique convergeant vers le pied de la tige 4, dans sa partie 6' adjacente à la tige et convergeant vers l'ouverture 3 de l'élément de piste 1 sur le reste 6".
De cette façon, la surface f sur laquelle agit la différence de pression Ap citée précédemment est d'étendue plus réduite que celle relative à la forme d'exécution de la fig. 1.
Si r, est le rayon de la tige et r2 celui de l'arête commune aux parties 6' et 6" de la face supérieure du plateau 6
f = 2T (r2 2 - r1 2)
Dans ce cas, la valeur
G
f sera supérieure à la valeur correspondante concernant la soupape de la fig 1, de sorte que, avec la soupape selon la présente variante, il sera possible de faire usage d'un fluide à pression plus élevée, ce qui permettra l'obtention d'une limite élevée pour les charges à supporter.
La soupape selon la deuxième forme d'exécution (fig. 3) est constituée simplement par un élément d'obturation 7, par exemple discoïde, emprisonné entre trois tiges 8 fixées de façon équidistante sous l'élément de piste 1 dans lequel est ménagée l'ouverture 3 de passage d'air. A leur extrémité inférieure les tiges 8 sont coudées en 8a pour former des organes de butée délimitant la position distante de l'éément 7.
Le fonctionnement de la soupape décrite est identique quant au principe à ce qui a été dit précédemment en se référant aux soupapes des fig. 1 et 2, tout au moins en ce qui concerne sa fermeture.
Par contre, son ouverture n'est pas automatique si,
I'élément d'obturation 7 étant appliqué sur la face inférieure de l'élément de piste 1, les faces en regard de ces parties sont unies et planes; il n'y a alors aucune fuite de fluide du canal 2 vers l'ouverture 3 de sorte que les pressions ne peuvent s'équilibrer des deux côtés de l'élément 7, notamment lorsqu'un objet est posé sur cette soupape.
On peut évidemment créer une telle fuite en pratiquant une saignée radiale sur l'une ou l'autre des faces en coopération de l'élément d'obturation 7 et de l'élément de piste 1.
Cette fuite pourrait également être réalisée en per çant l'élément 7 au droit de l'ouverture 3 par un passage de très faible diamètre.
De façon plus avantageuse, il est prévu de réaliser l'élément d'obturation 7 en matériaux poreux, en totalité ou en partie au voisinage de l'ouverture 3.
Lorsque la soupape représentée est destinée exclusivement à la formation d'un matelas d'air sur une piste de convoiement d'objets et que ces objets ont toujours des dimensions supérieures à la distance séparant deux soupapes voisines, il n'est pas indispensable de prévoir de fuite pour causer l'ouverture de chaque soupape dès l'instant où elle est recouverte par l'un de ces objets: en effet, dans ces conditions, c'est le matelas d'air de sustentation de l'objet, créé par les soupapes voisines et dont la pression est sensiblement celle régnant dans le conduit 2, qui pourvoit à l'ouverture d'une soupape fermée, cete pression étant alors appliquée par l'ouverture 3 de la soupape sur la face supérieure de l'élément d'obturation 7.
Bien entendu, cela n'est possible que si les surfaces supérieure et inférieure de l'élément 7 sont telles que le produit de la pression p1 par la différence entre la surface inférieure du plateau et la portion de la surface supérieure faisant face à l'ouverture 3 est inférieure au poids propre de l'élément 7.
La soupape décrite peut être utilisée dans tous les cas où l'on désire commander le débit d'un fluide, gaz ou liquide, en empêchant cet écoulement lorsqu'il devient trop rapide, par exemple comme élément de sécurité disposé en amont de vannes de distribution de gaz à très haute pression pour éviter l'écoulement du gaz si la vanne n'était plus à même de la contrôler, à la suite d'un blocage ou d'une rupture de ses éléments.