CH679063A5 - - Google Patents

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Description

Cette invention concerné une installation comprenant une vanne à trois voies à tige coulissante pour la commutation de fluides à haute température et sous haute pression commandée par une basse pression, et elle concerne plus particulièrement une installation comprenant une vanne à trois voies à volume interne faible pour la commutation rapide sans changement de volume de fluides sous haute pression et à haute température destinée à des mesures précises de laboratoire, telles que celles rencontrées dans des essais de perméabilité avec des fluides corrosifs sur des échantillons carottés.

Dans les études de perméabilité, on injecte des fluides corrosifs (tels que des saumures, des huiles et des gaz) à haute température (par exemple 138°C) et sous haute pression (par exemple 690 bars) dans des échantillons carottés pour mesurer la perméabilité relative ou spécifique de ces échantillons carottés. Le perméamètre commandé par ordinateur requiert une vanne à plusieurs (trois) voies, dont le changement de volume soit nul et qui ait un volume interne faible, de même qu'un temps de réponse court. Une possibilité offerte par l'art antérieur est l'utilisation de vannes rotatives VALCO du type de celles fabriquées par Valco Instruments, Inc., B.P. 55 603, Houston, Texas 77 255. Ces vannes rotatives ont toutefois un trajet d'écoulement court et un temps de réponse long, de l'ordre de 0,5-2,0 secondes.

Une recherche d'antériorité a mis en évidence les brevets suivants:

Inventeur

No de brevet

Date

C.M. Carlson

3002532

10-03-61

N.C. Hunt

3 016917

01-16-62

Maurice F. Franz

3 570541

03-16-71

Gerald Sorenson

3587156

06-28-71

Gerald Sorenson

3762443

10-02-73

Stoll et col.

3794075

02-26-74

Brake et cot.

3902526

09-02-75

Charles Perkins

4027700

06-07-77

Erich Ruchser

4067357

01-10-78

Paul Arvin

4103711

08-01-78

Clifford Peters

4209040

06-24-80

Clifford Peters

4217934

08-19-80

Coppola et col.

4567914

02-04-86

Les brevets accordés en 1971 et en 1973 à Sorenson concernent une méthode pour fabriquer une vanne de commande à fluide sous pression utilisant une tige de vanne disposée au centre d'un corps de vanne. La forme d'exécution représentée sur la fig. 17 du brevet de Sorenson montre une vanne à passages multiples utilisant une tige de forme symétrique, où la tige a une surface inclinée qui vient appuyer contre un bord circulaire aigu formé dans le corps. La tige ou le corps de vanne du brevet de Sorenson est fait en un matériau déformable et élastique tel que le polyuréthane, le néoprène, le polyéthylène ou le caoutchouc, La déformabilité de la tige de vanne ou du corps est critique chez Sorenson, car la tige ou le corps doit être fabriqué de manière à pouvoir se déformer lors de l'insertion dans le corps. Après l'insertion, la partie déformée reprend sa forme initiale. Dans une telle forme d'exécution, les forces de déformations sont beaucoup plus importantes que les forces subies par la vanne en cours de fonctionnement. Dans ces conditions, on pense que la vanne de Sorenson ne pourrait convenir aux conditions de pression et de température élevées auxquelles la vanne de la présente invention est parfaitement adaptée. En outre, la vanne de Sorenson requiert des ouvertures d'échappement pour le fluide. Dans la présente invention, il n'y a pas d'ouvertures d'échappement car elle est destinée à des fluides sous haute pression et à haute température qui ne doivent pas s'échapper de la vanne. Sorenson fait appel à des anneaux multiples formant des joints simultanés multiples lors du mouvement de la fige. Dans la présente invention, il n'est requis qu'une seule surface d'étanchéité à la fois en contact avec la tige. Les vannes de Sorenson sont communément connues sous la désignation de vannes à 4 voies, alors que la présente vanne est spécifiquement une vanne à trois voies. Enfin, la présente vanne permet d'appliquer dé très grandes forces à la ligne d'étanchéité formée par la barre (tige) venant contre le siège de la vanne grâce à des pistons de grand diamètre.

Le brevet US 3 794 075 accordé en 1974 à Stoll décrit une vanne à voies multiples ayant un temps de commutation de six millisecondes et présentant une distance de déplacement courte. L'invention de Stoll fait appel à des joints d'étanchéité plans en forme de disques disposés sur une tige symétrique centrale. La tige est actionnée par l'effet instantané de diaphragmes opposés à commande hydraulique. Les

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diaphragmes en caoutchouc constituant les joints d'étanchéité terminaux de la tige et les diaphragmes à effet instantané rendent cette vanne inutilisable aux pressions élevées. Les pressions internes élevées provoqueraient la rupture de ces composantes et mettraient la vanne hors d'usage. Le joint d'étanchéité torique central de la tige n'est pas bloqué, si bien que la contre-pression le délogerait, ce qui provoquerait dés fuites. Ceci n'est pas le cas dans la présente invention. Du fait de la flexibilité des parties en caoutchouc, il est inévitable que des modifications interviennent dans le volume interne de la vanne de Stoll après le contact initial des joints d'étanchéité. Ce changement de volume provoquerait une compression du fluide dans une partie de la vanne, et il en résulterait un changement de pression. Ce problème n'existe pas dans la présente invention. Soumis à un différentiel de pression important, les joints élastomériques non tenus utilisés par Stoll pourraient se voir délogés. Le problème est encore plus aigu à haute température. La présente vanne utilise des surfaces d'obturation métalliques pour éliminer le problème.

Le brevet US 3 016 917 accordé en 1962 à Hunt décrit une vanne de commande de fluide à haute pression. Le piston de la vanne de Hunt a une portion centrale élargie se terminant par une siège en angle qui vient se placer sélectivement contre un siège en angle correspondant dans la cavité. Hunt utilise un contact métal-métal entre l'élargissement et le siège pour assurer l'étanchéité et empêcher les fuites sous pression. La vanne est maintenue en position fermée au moyen d'un solénoïde et elle retourne en position ouverte grâce à un ressort. Dans cette forme d'exécution, la tige centrale de la vanne n'est pas en équilibre du point de vue hydrostatique.

Le brevet US 3 570 541 accordé en 1971 à Franz décrit une vanne de commande directionnelle à trois voies ayant un élément en forme de barre disposé à l'intérieur d'un corps, lequel corps a des sièges internes coniques pour l'engagement sélectif avec l'élément en forme de barre pour l'ouverture et la fermeture de la vanne à trois voies. L'élément en forme de barre et le siège comprennent un matériau élasto-mérique. La vanne de Franz est conçue pour fonctionner à 6,9 bars avec un piston de commande de vanne fonctionnant à 4,8 bars.

Le brevet US 4 567 914 accorde en 1986 à Coppola concerne une vanne hydraulique à deux étages à solénoïde ayant un élément cylindrique centrai en forme de barre avec des surfaces inclinées qui viennent sélectivement contre des sièges coniques. L'invention de Coppola est destinée aux systèmes de commande des turbines à vapeur.

Le brevet US 4 067 357 accordé en 1978 à Ruchser concerne une vanne de commande de direction à tige coulissante où la tige a une structure symétrique et où cette tige est mue par par deux pistons de commande opposés. L'invention de Ruchser fournit un nouveau système de siège qui assure sélectivement l'étanchéité en dépit du jeu découlant de l'usure, de la fabrication ou de l'utilisation.

Les autres brevets trouvés au cours de la recherche n'ont pas autant de rapport avec l'invention que ceux examinés ci-dessus.

Lorsque l'on effectue des mesures de perméabilité relative sur des échantillons carottés, il faut pouvoir faire des commutations rapides sur des fluides corrosifs sous haute pression et à haute température au moyen d'une vanne à action rapide qui ne change pas de volume durant la commutation pour conserver leur précision aux mesures de perméabilité. On trouve des conditions de haute pression et de haute température similaires dans d'autres types de mesures, et la vanne de la présente invention trouve des applications dans des pompes volumétriques destinées à d'autres mesures de précision au laboratoire.

L'invention a pour objet une installation conforme à la revendication 1.

L'invention comprend aussi une vanne à trois voies conforme à la revendication 5 pour cette installation.

Les dessins annexés représentent, à titre d'exemples, des formes d'exécution de l'installation et de la vanne selon l'invention.

Fig, 1 est une vue en coupe complète d'une forme d'exécution de la vanne.

Fig. 2 et 3 illustrent le fonctionnement de la vanne à trois voies sur la fig. 1,

Rg. 4 montre en détail la portion centrale élargie de ia tige Rengageant sur les sièges de la vanne selon fig. 1,

Fig. 5 montre en détail de l'engagement entre le siège de la tige et le siège de la vanne selon fig. 1, Fig. 6 représente une autre forme d'exécution de la vanne,

Fig. 7 est une vue en perspective explosée montrant les composantes de la vanne selon fig. 1,

Fig. 8 est une vu latérale des bouchons terminaux des pistons visibles sur la fig. 7,

Fig. 9 est une vue latérale d'un piston selon visible sur la fig. 7,

Fig. 10 est une vue latérale de l'anneau d'étanchéité visible sur la fig. 7,

Fig. 11 est une vue latérale de la tige visible sur la fig. 7,

Fig. 12 est une vue latérale de la première moitié du corps de vanne visible sur la fig. 7,

Fig. 13 est une vue latérale de la seconde moitié du corps de vanne visible sur la fig. 7, et Fig. 14 est un schéma de fonctionnement montrant les vannes de la présente invention connectées avec un perméamètre relatif.

La fig. 1 montre en détail la vanne à trois voies. Cette vanne comprend un corps principal 10 et un se3

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cond corps 20, tous deux usinés dans un matériau connu sous la dénomination «HASTELLOY C-276». HASTELLOY C-276 est un alliage de nickel ayant une limite apparente d'élasticité d'environ 4826 bars. Son avantage principal est sa résistance extrême à la corrosion par les saumures, les sulfures d'hydrogène et les autres composés chimiques rencontrés dans les réservoirs de pétrole à des températures allant jusqu'à 205°C. Le métal lui-même pourrait en fait supporter des températures beaucoup plus élevées. Ce type de matériau résiste donc aux températures et aux pressions élevées du fluide corrosif qui traverse la vanne. Les deux corps 10 et 20 sont faits pour s'adapter l'un à l'autre dans une structure combinée ayant trois ouvertures profilées 40, 50 et 60. L'ouverture profilée 40 constitue l'entrée pour le fluide, alors que les ouvertures profilées 50 et 60 sont des sorties pour le fluide. Comme déjà mentionné à propos des essais de perméabilité, les fluides peuvent comprendre des agents corrosifs gazeux ou liquides à des pressions (manométriques) élevées dépassant 552 bars et pouvant atteindre 690 bars. En outre, la vanne fonctionne dans une gamme de températures allant de la température ambiante 21 °C jusqu'à 121-177°C. La température est limitée vers le haut uniquement par le matériau élastomérique (Viton) des joints des pistons et de la tige. L'utilisation du matériau Teflon devrait permettre d'atteindre des températures allant jusqu'à 260°C. Les pressions peuvent varier entre moins de 69.10-3 bars et 690 bars.

Des anneaux filetés 70 et 70a sont disposés aux extrémités opposées des corps 10 et 20, Des bouchons terminaux opposés 80 et 80a viennent s'engager sur les anneaux filetés 70 et 70a. La tige 90 ayant une portion centrale élargie 140 séparant deux arbres opposés longitudinaux 90a et 90b traverse centralement le corps combiné 30 (c'est-à-dire le premier corps 10, le second corps 20 et les anneaux 70 et 70a). Des têtes de piston 100 et 100a viennent buter contre les extrémités opposées 92 et 92a de la tige 90. Des ouvertures 110 et 110a sont aménagées au centre des bouchons terminaux opposés 80 et 80a. Un fluide, par exemple de l'air sous une basse pression manométrique (5,5 bars) est envoyé sélectivement dans les ouvertures 110. L'ouverture 110 aménagée à travers le bouchon terminal 80 débouche dans une cavitée 120 localisée entre la paroi interne 82 du bouchon terminal 80 et la surface externe 102 de la tête de piston 100.

Des joints toriques d'étanchéité 104 viennent entourer le piston 100 pour assurer l'étanchéité aux fluides entre la chambre 120 et le reste de l'appareil. De même, un joint torique d'étanchéité 22 est prévu dans le corps 20 autour de l'arbre 90 entre le corps 20 et l'anneau fileté 70. En outre, un joint torique d'étanchéité 12 est disposé sur l'arbre 90 entre le corps 10 et l'anneau fileté 70a. Les joints toriques d'étanchéité 12 et 22 constituent des joints d'étanchéité résistant à la pression et ils sont mis en précontrainte en utilisant un système d'étanchéité externe et un anneau d'espacement 29, 29a. Le système d'étanchéité externe est constitué des anneaux filetés 70 et 70a. Ces anneaux sont assemblés comme cela est représenté sur la fig. 7 par quatre vis à tête creuse 700 et 710 qui servent à tenir ensemble les anneaux 70, 70a et les corps 10, 20. Lorsqu'on serre les vis 700 et 710, on provoque aussi la compression des joints toriques d'étanchéité 12 et 22, assurant ainsi une étanchéité statique autour de l'arbre 90. Les anneaux d'espacement 29 et 29a placés dans les joints toriques d'étanchéité 12 et 22 fournissent un passage au fluide sous pression à travers la face frontale des joints d'étanchéité 12 et 22. Ceci fournit un joint d'étanchéité dynamique dont la force d'étanchéité est proportionnelle à la pression appliquée. D'autre part, un joint torique d'étanchéité 14 est prévu entre les coips 10 et 20.

Une chambre 130 est prévue entre l'ouverture d'entrée du fluide 40 et les deux ouvertures de sortie du fluide 50 et 60. Les joints toriques d'étanchéité 12,14 et 22 isolent sélectivement la chambre 130 du reste de l'appareil. Le bouchon terminal 80 s'engage d'une manière réversible sur l'anneau fileté 70 et lorsqu'il est vissé sur cet anneau 70, ce dernier se trouve fortement engagé avec le bouchon terminal 80 pour constituer la chambre 120.

Les fig. 2 et 3 illustrent le fonctionnement de l'installation. La vanne 200 est connectée avec une source d'alimentation en fluide 210 et à deux réservoirs pour recevoir le fluide 220 (fig. 2) et 230 (fig. 3), ainsi qu'avec deux dispositifs d'alimentation en air/d'évacuation de l'air, 240 et 250. La source d'alimentation en fluide 210 est connectée d'une manière conventionnelle avec l'ouverture 40 et les deux réservoirs pour recevoir le fluide 220 et 230 sont connectés d'une manière conventionnelle avec, respectivement, tes ouvertures 50 et 60. Les dispositifs d'alimentation en air/d'évacuation de l'air 240 et 250 sont connectés, respectivement, aux ouvertures 110 et 110a. Dans ces conditions, lorsqu'on applique un gaz tel que de l'air à une basse pression manométrique (5,5 bars) à la cavité 120, le piston 100 se déplace dans la direction de la flèche 260 pour plaquer fermement la siège 140 de la tige 90 contre le bord 150. L'ouverture 84 à l'arrière du piston 100 est ouverte à l'atmosphère, ce qui permet le déplacement du piston. Le fluide 270 peut alors aller de la source d'alimentation 210 dans la direction des flèches 272 pour sortir en bas par l'ouverture 60 vers la secondé sortie de fluide ou réservoir pour recevoir le fluide 230. Le fluide à haute pression et à haute température s'écoule alors à travers le passage allant de l'ouverture d'entrée 40 à la seconde ouverture de sortie 60. De façon similaire dans la fig. 3, la tige 90 et le siège 140 se trouvent déplacés dans la direction de la flèche 300, si bien que le siège 140 se trouve fortement plaqué contre les bords 160. Dans ces conditions, le fluide 270 circule dans la direction des flèches 310 vers la sortie de fluide 220. Le fluide à haute pression et à haute température s'écoule alors à travers le passage allant de l'ouverture d'entrée 40 vers la première ouverture de sortie 50.

La fig. 4 montre la partie élargie 140 de la tige 90 appuyant sélectivement contre le bord circulaire 150 constituant le siège de la vanne. Dans la forme d'exécution représentée sur la fig. 4, le siège de la

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vanne 150 s'engageant contre le siège de la tige est un bord en angle droit, alors que le siège de là tige forme un angle 142 d'environ 30° par rapport à l'horizontale. Lorsque le siège de tige 140 s'engage contre le siège de la vanne 150, la force totale résultante 400 représentée sur la fig. 4 est pratiquement égale à la force 410 résultant de l'effet de la pression de gaz faible (par exemple 5,5 bars de pression manométrique) arrivant de la source 240 et agissant contre le piston 100.

La force 410 transmise depuis le piston 100 est égale à pi multiplié par le rayon (r) au carré et par la pression (p). Dans une forme d'exécution préférée où le piston a un rayon de 2,058 cm et où la pression est de 5,52 bars, la force 410 est de 73 kg. D'autres forces sont présentes. Les forces 420 agissent sur les deux côtés de l'ouverture 140 et se neutralisent: elles n'ont donc pas d'effet sur la force combinée 400. La force 430 est due à la pression du fluide (qui peut atteindre 690 bars agissant sur l'espace annulaire 450 entre l'arbre 90 et le corps 20 dont les diamètres respectifs sont 0,318 et 0,381 cm dans la forme d'exécution préférée. A 690 bars de pression, on obtient une force de 24,5 kg. En même temps, la force 440 due à la pression du fluide au niveau de l'ouverture de sortie et s'exerçant sur la même surface annulaire 450 s'oppose à la fermeture de la vanne. Dans ces conditions, les forces 430 et 440 s'équilibrent exactement avant la fermeture de la vanne, si bien que la seule force résiduelle est la force 410.

Une autre forme d'exécution de la tige de la vanne 140 est représentée sur la fig. 6 par la tige 140a s'engageant contre le bord circulaire 150a. Ici, un côté incliné 142a de la tige 140a vient sélectivement contre le bord incliné 150a. Dans cette forme d'exécution, l'angle d'inclinaison du bord circulaire 150a et de la surface 142a diffèrent légèrement. La surface inclinée 150a doit former avec l'horizontale un angle légèrement plus grand que celui formé par la surface 142a. Une différence d'inclinaison de 2°-5° est suffisante. Cet agencement procure une ligne d'étanchéité qui se maintient aux tensions basses. A mesure que la contrainte appliquée pressant les surfaces 150a et 142a l'une contre l'autre augmente, le matériau se déforme élastiquement au niveau de la ligne d'étanchéité, ce qui augmente la surface de contact et réduit par conséquent la contrainte appliquée, diminuant ainsi le risque d'une déformation permanente des composantes.

La fig. 7 illustre l'assemblage du dispositif de la présente invention représenté en perspective. Dans la fig. 7, l'arbre 90 est inséré par le passage profilé 24 du corps 20 et ensuite par le passage profilé 74 de l'anneau fileté 70. De même, l'extrémité 92a de l'arbre 90 est introduite par le passage profilé 15 du corps 10 et par le passage profilé 74a de l'anneau fileté 70a. Une fois que les corps 10 et 20 sont enfilés sur l'arbre 90 et que les anneaux filetés 70 et 70a sont enfilés sur les extrémités 92 et 92a, deux vis 700 sont glissées dans les passages 702 de l'anneau fileté 70, les passages 704 du corps 20 et les passages 706 du corps 10 jusqu'à venir s'engager dans les régions filetées 708 de l'anneau fileté 70a. De même, les deux vis opposées 710 sont glissées par les passages 712 de l'anneau 70a, les passages 714 du corps 10 et les passages 716 du corps 20 jusqu'à venir s'engager dans les régions filetées 718 de l'anneau 70. Les vis opposées 700 et 710 sont serrées pour tenir fermement les anneaux filetés 70 et 70a sur le corps combiné 30. Après le serrage des vis 700, on enfile les pistons 100 et 100a respectivement sur les extrémités 92 et 92a de l'arbre 90 et on visse les bouchons terminaux 80 et 80a sur, respectivement, les anneaux filetés 70 et 70a. A ce moment, la vanne à trois voies 12 de la présente invention se trouve complètement assemblée.

On voit en détail les bouchons terminaux 80 et 80a sur la fig. 8. Sur la fig. 8, le bouchon terminal 80 est de préférence usiné dans un matériau tel que l'aluminium. Après l'usinage, on effectue une anodisation dure sur 2,54.10-3 cm d'épaisseur. L'ouverture à l'air 84 est forée à travers le côté 86 du bouchon terminal 80. Dans la forme d'exécution préférée, le diamètre externe du bouchon terminal 80 indiqué par la flèche 800 est de 5,08 cm. Le diamètre interne de la cavité 120 indiqué par la flèche 810 est de 4,128 cm. L'ouverture 110 a typiquement un diamètre interne de 0,794 cm. Un filetage interne 820 est prévu, comme cela est représenté.

On voit en détail le piston 100 sur la fig. 9, Dans la forme d'exécution préférée, le diamètre externe du piston 100 indiqué par la flèche 900 est de 4,11 cm et le diamètre interne du trou profilé 106 est de 0,323 cm. Comme cela se voit sur la fig. 1, le trou profilé 106 pénètre profondément dans le piston 100, et dans la forme d'exécution préférée, le piston a 0,81 cm d'épaisseur et le trou profilé 106 a 0,665 cm de profondeur. Une rainure profilée 104a entoure la surface externe de la tête du piston pour recevoir le joint torique d'étanchéité 104. Dans la forme d'exécution préférée, la tête de piston 100 est usinée à partir d'un bloc d'aluminium.

L'anneau 70 est représenté sur la fig. 10. Dans la forme d'exécution préférée, son diamètre externe indiqué par la flèche 1000 est de 4,45 cm. Le passage profilé 74 a un diamètre interne de 0,318 cm. L'anneau fileté 70 a une protubérance 76 qui s'engage dans une cavité circulaire correspondante 26 du corps 20. Le diamètre de la protubérance 76 est de 0,635 cm. Les trous 702 et 718 destinés à recevoir les vis 700 et 710 sont représentés sur la fig. 10.

On voit en détail la tige 90 sur la fig. 11. La tige 90 est de préférence faite en un matériau résistant à la corrosion tel que HASTELLOY C-276. Dans une autre forme d'exécution, un matériau beaucoup plus dur, tel que Satellite 6B peut être utilisé. Ce matériau a des propriétés de résistance à la corrosion légèrement moins bonnes, mais il est plus résistant à l'usure et à la déformation consécutives à une utilisation prolongée. Dans la forme d'exécution préférée, la tige a une longueur de 6,629 cm et la surface 142 forme par rapport à l'horizontale un angle indiqué par la flèche 1100 de 30 degrés.

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On voit en détail le corps 20 sur la fig. 12. Le corps 20 a un diamètre externe indiqué par la flèche 1200 de 5,08 cm. Le corps 20 est fait de préférence en Hastelloy-C276- Les trous 704 et 716 sont percés à travers le corps 20 pour recevoir les vis 700 et 710. La cavité 26 a un diamètre interne de 0,635 cm et elle reçoit la protubérance 76 de l'anneau fileté 70 pour former une région pour le joint torique d'étanchéité 22 comme cela est représenté sur la fig. 1. La région à diamètre diminué 28 reçoit la tige 90 et eile se prolonge par la région à diamètre plus large 24 faisant partie du passage 130 comme cela est représenté sur la fig. 1. La région 24 se termine par le bord 160 comme cela est représenté sur la fig. 1, Les deux protubérances cylindriques 21 et 21 a sont formées sur la surface 23 du corps 20. Comme cela se volt sur la fig. 1, ces protubérances 21 et 21a coopèrent avec le corps 10 pour former une cavité pour le joint d'étanchéité torique 14. Bans la forme d'exécution préférée, la région annulaire 21 a un diamètre externe de 1,016 cm et la région annulaire 22 a un diamètre externe de 1,27 cm. On voit également sur la fig. 12 remplacement de l'ouverture de sortie du fluide 60 qui est faite dans le corps 20 d'une manière conventionnelle. L'ouverture de sortie du fluide 60 a une région filetée 62 prolongeant une partie conique 63 qui est en communication avec le passage pour fluide 64 aboutissant à la cavité 130 de la manière représentée sur la fig. 1.

On voit en détail le corps 10 de la présente invention sur la fig. 13. Dans la forme d'exécution préférée, le corps 10 a un diamètre externe indiqué par la flèche 1300 de 5,08 cm. Les trous 706 et 714 sont forés à travers le corps pour les vis 700 et 710. Le corps gauche 10 est également usiné à partir d'un bloc de HASTELLOY C-276. L'ouverture d'entrée profilée 40 avec sa région filetée 42, sa région conique 43 et son passage fournit une voie de passage au fluide jusqu'à la cavité 130 comme cela se voit sur fa fig. 1. De même, l'ouverture de sortie du fluide 50 est formée dans le corps 10 et elle comporte une région filetée 52, une région conique 53 et un passage 54 pour le fluide communiquant avec la cavité 130. Comme cela se voit également sur la fîg. 13, la cavité circulaire 11 a un diamètre Interne de 1,27 cm dans la forme d'exécution préférée de l'invention. Une seconde cavité 13 agencée plus à l'intérieur, comporte un bord 150 et elle forme une partie de la chambre 130 que l'on voit représentée sur la fig. 1. Cette cavité interne 13 a dans la forme d'exécution préférée un diamètre interne de 0,556 cm. La zone 15 a un diamètre plus petit, qui est de 0,381 cm dans la forme d'exécution préférée, et elle constitue la partie restante de fa cavité 130. Cette région 15 communique avec le passage 54 et l'ouverture 50. Enfin, il y a sur la surface opposée 25 une cavité annulaire 17 qui reçoit un joint d'étanchéité torique 12 et un anneau d'espacement 29.

Lorque la vanne est complètement assemblée, le piston 100 ne se déplace dans la forme d'exécution préférée que de 0,0381 à 0,0508 cm pour changer la sortie 50 ou 60 du fluide arrivant par l'ouverture 40. Aux pressions utilisées, le temps nécessaire pour changer la sortie 50 ou 60 du fluide sous pression arrivant par l'ouverture 40 est de l'ordre de 15 millisecondes. La présente invention fournît donc une vanne à trois voies équilibrée sur le plan hydrostatique et de construction symétrique. Dans la forme d'exécution préférée, une pression (manométrique) de l'air de 5,52 bars fournie par les sources 240 et 250 permet de surmonter la différence entre la pression du fluide à l'entrée 40 et à l'une des deux ouvertures de sortie 50 ou 60. Comme la vanne est d'une construction symétrique, la commutation n'entraîne aucun changement de volume interne dans la vanne. De ce fait, la présente invention trouve une application importante dans des domaines tels que les essais de perméabilité. Dans le cas des vannes de l'art antérieur, le changement de volume intervenant pendant les commutations provoque un «effet de pompage» léger, mais net. Ceci cause des perturbations dans le profil de l'enregistrement de la pression et provoque un déplacement du fluide dans le corps de vanne. Ce déplacement de fluide est cumulatif et cause des erreurs dans les calculs des bilans de matière. Les erreurs dues à ce déplacement de fluide conduisent à d'importantes erreurs dans les résultats finaux de l'expérience. Ceci ne se produit pas avec la vanne de la présente invention. Dans sa forme d'exécution préférée, la vanne trouve des applications dans des essais de perméation relative sous haute pression et à haute température (débit mono-phasique, biphasique ou triphasique). Dans ces essais, la vanne à trois voles fonctionne avec des fluides corrosifs tels que des saumures, des huiles ou des gaz à des températures pouvant atteindre 138°C et sous des pressions manométriques pouvant atteindre 690 bars. II est clair que la vanne comprise dans la présente invention trouve des applications dans d'autre mesures de précision de laboratoire faisant intervenir de hautes températures et de hautes pressions.

Dans la fig. 14, un échantillon carotté (non représenté) saturé de fluide est contenu dans un récipient standard pour carotte Hassler, type 1400. Un fluide tel qu'une saumure est injecté dans la carotte par une pompe 1410, comprenant dans ce cas deux cylindres volumétriques 1412 et 1414. Le fluide entrant et sortant des cylindres de pompe est commandé par des vannes à trois voies du type précédemment décrit 1420,1422 et 1424 commandées par les électrovannes 1430,1432 et 1450 elles-mêmes commandées par un ordinateur non représenté. Dans cet agencement, soit le cylindre 1412, soit le cylindre 1414 peuvent être choisis pour constituer l'entrée ou la sortie de la pompe.

De la même manière, un second fluide tel qu'une huile peut être amené à l'échantillon carotté depuis une seconde pompe 1460 ayant les cylindres 1462 et 1464. Le fluide est dirigé depuis ces cylindres par les vannes 1470 et 1472 commandées par les électrovannes 1480 et 1482.

Une vanne 1450 est utilisée pour choisir entre les pompes 1410 et 1460 en fonction du fluide souhaité. Cet agencement peut être simplifié ou au contraire développé pour permettre la mise en œuvre d'un, de deux, de trois ou de plus de fluides.

Le fluide de l'échantillon carotté entre dans un récipient de séparation 1490 où le mélange de fluides se

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sépare. Chaque fluide est ensuite retourné par une pompe correspondante par l'intérmédiaire d'une série de vannes 1420, 1422, 1470 et 1472. Dans cet agencement, on peut faire recirculer le fluide dans l'échantillon de façon continue. Les débits des pompes et la différence de pression en 1490 entre l'entrée et la sortie de la carotte fournissent les informations nécessaires aux mesures de perméabilité.

Bien que l'on ait montré et décrit ce qui est considéré comme étant deux formes d'exécution préférées, il est entendu que diverses modifications peuvent intervenir. Toutes ces modifications sont revendiquées, dans la mesure où elles sont conformes à l'esprit de la présente invention et où elles font partie du domaine d'application de cette invention, tel qu'il est défini dans les revendications.

Claims (6)

Revendications

1. Installation comprenant, en combinaison avec une alimentation en fluide et un premier et second récipients pour recevoir le fluide, un système de commande à basse pression et au moins une vanne rapide à trois voies commandée par ledit système de commande à basse pression pour diriger des fluides à haute température et sous haute pression depuis ladite alimentation en fluide vers l'un ou vers l'autre desdits deux récipients, ladite vanne à trois voies comprenant:

un corps de vanne fait en un matériau capable de résister à ladite haute température et à ladite haute pression sans déformation, ledit corps ayant une ouverture d'entrée connectée à ladite alimentation en fluide et une première et seconde ouvertures de sortie, ladite première ouverture de sortie étant connectée audit premier récipient pour recevoir le fluide et ladite seconde ouverture de sortie étant connectée audit second récipient pour recevoir le fluide,

une cavité dans ledit corps de vanne communiquant avec ladite ouverture d'entrée et lesdites première et seconde ouvertures de sortie pour permettre la circulation du fluide, ladite cavité ayant une forme allongée avec une région cylindrique centrale et une première et une seconde régions cylindriques allongées s'étendant de part et d'autre de la région centrale, le rayon de ladite région centrale étant supérieur au rayon desdites première et seconde régions cylindriques allongées, ladite ouverture d'entrée communiquant avec ladite région cylindrique centrale pour permettre la circulation du fluide, ladite première ouverture de sortie étant en communication avec ladite première région cylindrique allongée pour permettre la circulation du fluide et ladite seconde ouverture de sortie étant en communication avec ladite seconde région cylindrique allongée pour permettre la circulation du fluide, la transition entre ladite région cylindrique centrale et lesdites régions cylindriques allongées formant le premier et le second siège de la vanne,

une tige symétrique allongée disposée dans ladite cavité dudit corps de vanne faite en un matériau capable de résister à ladite haute température et à ladite haute pression sans déformation, ladite tige ayant une portion centrale élargie et un premier et un second arbres cylindriques allongés s'étendant de part et d'autre de la portion centrale, le rayon de ladite portion centrale élargie étant légèrement inférieur au rayon de ladite région cylindrique centrate de ladite cavité, le rayon desdits premier et second arbres cylindriques allongés étant légèrement inférieur au rayon desdites première et seconde régions cylindriques allongées, la transition entre ladite portion centrale élargie de ladite tige et lesdits premier et second arbres cylindriques allongés formant un premier et un second sièges coniques de la tige, ladite tige coopérant avec ledit corps de vanne pour former un premier passage pour le fluide entre ladite ouverture d'entrée et ladite première ouverture de sortie lorsque ledit premier siège de la tige vient s'appliquer hermétiquement contre ledit premier siège de la vanne et pour former un second passage pour le fluide entre ladite ouverture d'entrée et ladite ouverture de sortie lorsque ledit second siège de la tige vient s'appliquer hermétiquement contre ledit second siège de la vanne,

un premier et un second pistons opposés connectés aux extrémités opposées dudit corps de vanne et audit système de commande, ledit premier piston s'engageant sur l'extrémité dudit premier arbre cylindrique allongé de ladite tige et le second piston s'engageant sur l'extrémité dudit second arbre cylindrique allongé de ladite tige,

des moyens disposés dans ledit corps de vanne et autour desdits premier et second arbres cylindriques allongés pour assurer l'étanchéité desdits premier et second passages au fluide sous haute pression et à haute température,

ledit premier piston réagissant à un signal de basse pression dudit système de commande pour déplacer ladite tige vers ledit second siège de la vanne de manière à engager fermement ledit second siège de la vanne afin d'assurer l'étanchéité dudit second passage audit fluide sous haute pression et à haute température et diriger le fluide vers ladite seconde ouverture de sortie, et ledit second piston réagissant à un signal de basse pression dudit système de commande pour déplacer ladite tige vers ledit premier siège de la vanne de manière à engager fermement ledit premier siège de la tige contre ledit premier siège de la vanne afin d'assurer l'étanchéité dudit premier passage audit fluide sous haute pression et à haute température et diriger le fluide vers ladite première ouverture de sortie.

2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite haute température peut atteindre 121 °C, ladite haute pression peut atteindre 690 bars et ladite basse pression dudit système de contrôle est au plus égale au centième de ladite haute pression dudit fluide.

3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le diamètre desdits premier et second pistons opposés est au moins dix fois plus grand que le diamètre de fermeture hermétique de ladite por-

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fiori centrale élargie dudit arbre, en ce que ledit temps de déplacement de ladite tige entre le premier et le second siège de Ta vanne est de moins de 15 millisecondes et en ce que le déplacement de ladite tige s'effectue sur une longueur inférieure à 0,762 mm sans changement de volume dans le débit dudit fluide sous haute pression et à haute température,

4. Vanne rapide à trois voies pour installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend:

un corps de vanne fait en un matériau capable de résister à haute température et à haute pression sans déformation, ledit corps ayant une ouverture d'entrée destinée à être connectée à une alimentation en fluide et une première et seconde ouvertures de sortie, ladite première ouverture de sortie étant destinée à être connectée à un premier premier récipient pour recevoir le fluide et ladite seconde ouverture de sortie étant destinée à être connectée à un second récipient pour recevoir le fluide,

une cavité dans ledit corps de vanne communiquant avec ladite ouverture d'entrée et lesdites première et seconde ouvertures de sortie pour permettre la circulation du fluide, ladite cavité ayant une forme allongée avec une région cylindrique centrale et une première et une seconde régions cylindriques allongées s'étendant de part et d'autre de la région centrale, le rayon de ladite région centrale étant supérieur au rayon desdites première et seconde régions cylindriques allongées, ladite ouverture d'entrée communiquant avec ladite région cylindrique centrale pour permettre la circulation du fluide, ladite première ouverture de sortie étant en communication avec ladite première région cylindrique allongée pour permettre la circulation du fluide et ladite seconde ouverture de sortie étant en communication avec ladite seconde région cylindrique allongée pour permettre la circulation du fluide, la transition entre ladite région cylindrique centrale et lesdites régions cylindriques allongées formant le premier et le second siège de la vanne,

une tige symétrique allongée disposée dans ladite cavité dudit corps de vanne faite en un matériau capable de résister à ladite haute température et à ladite haute pression sans déformation, ladite tige ayant une portion centrale élargie et un premier et un second arbres cylindriques allongés s'étendant de part et d'autre de la portion centrale, le rayon de ladite portion centrale élargie étant légèrement inférieur au rayon de ladite région cylindrique centrale de ladite cavité, le rayon desdits premier et second arbres cylindriques allongés étant légèrement inférieur au rayon desdites première et seconde régions cylindriques allongées, la transition entre ladite portion centrale élargie de ladite tige et lesdits premier et second arbres cylindriques allongés formant un premier et un second sièges coniques de la tige, ladite tige coopérant avec ledit corps de vanne pour former un premier passage pour le fluide entre ladite ouverture d'entrée et ladite première ouverture de sortie lorsque ledit premier siège de la tige vient s'appliquer hermétiquement contre ledit premier siège de la vanne et pour former un second passage pour le fluide entre ladite ouverture d'entrée et ladite ouverture de sortie lorsque ledit second siège de la tige vient s'appliquer hermétiquement contre ledit second siège de la vanne,

un premier et un second pistons opposés disposés aux extrémités opposées dudit corps de vanne et destinés à être connectés audit système de commande, ledit premier piston s'engageant sur l'extrémité dudit premier arbre cylindrique allongé de ladite tige et le second piston s'engageant sur l'extrémité dudit second arbre cylindrique allongé de ladite tige,

des moyens disposés dans ledit corps de vanne et autour desdits premier et second arbres cylindriques allongés pour assurer l'étanchéité desdits premier et second passages au fluide sous haute pression et à haute température,

ledit premier piston réagissant à un signal de basse pression dudit système de commande pour déplacer ladite tige vers ledit second siège de la vanne de manière à engager fermement ledit second siège de la vanne afin d'assurer l'étanchéité dudit second passage audit fluide sous haute pression et à haute température et diriger le fluide vers ladite seconde ouverture de sortie, et ledit second piston réagissant à un signal de basse pression dudit système de commande pour déplacer ladite tige vers ledit premier siège de la vanne de manière à engager fermement ledit premier siège de la tige contre ledit premier siège de la vanne afin d'assurer l'étanchéité dudit premier passage audit fluide sous haute pression et à haute température et diriger le fluide vers ladite première ouverture de sortie,

5. Vanne selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites transitions formant lesdits premier et second sièges de la vanne comportent chacune un bord à angle droit.

6. Vanne selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites transitions formant lesdits premier et second sièges de la vanne comportent chacune une surface inclinée formant avec l'axe de la tige un angle supérieur à l'angle desdites transitions formant lesdits premier et second sièges de la tige.

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