FR2608249A1 - Vanne rapide a trois voies - Google Patents

Abstract

LE CORPS 30 DE LA VANNE A TROIS VOIES EST CONSTRUIT EN UN MATERIAU CAPABLE DE SUPPORTER UNE HAUTE TEMPERATURE ET UNE HAUTE PRESSION SANS DEFORMATION ET COMPORTE UN ORIFICE D'ENTREE 40 RELIE A LA SOURCE DE FLUIDE ET DEUX ORIFICES 50, 60 RELIES AU RECEPTEUR DE FLUIDE. UNE CAVITE 120 EST FORMEE DANS LE CORPS 30 DE LA VANNE ET COMMUNIQUE AVEC L'ORIFICE D'ENTREE ET LES ORIFICES DE SORTIE ET PRESENTE UNE FORME SYMETRIQUE ALLONGEE. UNE TIGE SYMETRIQUE ALLONGEE 90 EST DISPOSEE DANS LA CAVITE 120 ET EST CONSTRUITE EN UN MATERIAU SEMBLABLE AU CORPS DE LA VANNE PRESENTANT UNE PARTIE CENTRALE 140 DE PLUS GRAND DIAMETRE ET DEUX ARBRES CYLINDRIQUES ALLONGES. DEUX PISTONS OPPOSES 100, 100A SONT RELIES AUX EXTREMITES OPPOSEES DU CORPS DE VANNE ET AU SYSTEME DE COMMANDE ET SONT EN PRISE SUR LES EXTREMITES OPPOSEES DES ARBRES CYLINDRIQUES DE LA TIGE 90.

Description

La présente invention concerne une vanne à tige coulissante à trois voies

pour la commutation de fluides à haute pression et à haute température au moyen d'une commande à' basse pression et, en particulierl cette invention concerne une vanne à trois voies de faible volume interne pour la commutation à grande vitesse de fluides à haute pression et haute température sans changement de volume pour des mesures de précision en laboratoire comme celles que l'on rencontre au cours des tests au perméamètre d'échantillons carottés impliquant

l'emploi de fluides corrosifs.

Au cours des tests au perméamètre, des fluides corrosifs (tels que de la saumure, du pétrole ou du gaz) à hautes températures (par exemple 138 C environ) et à haute pression (par exemple 69 x 103 kPa) sont injectés dans des échantillons carottés afin de mesurer la perméabilité relative ou absolue du noyau carotté. Un perméamètre commandé par ordinateur nécessite une vanne à trois voies à plusieurs ouvertures, capable de subir un changement de volume nul et ayant un faible volume interne ainsi

qu'un temps de réponse rapide.

Une première approche de la technique antérieure

utilisait des vannes tournantes de type Valco telles.

que celles qui sont fabriquées par Valco Instruments, Inc., PO Box 55603, Houston, Texas 77255, USA. Ces vannes tournantes, ont cependant de petites trajectoires de circulation et un temps de réponse

lent de 1Lordre de 0,5 à 2,0 secondes.

Avant le dépôt de la présente demande de brevet, une recherche d'antériorité a été effectuée et a permis de trouver les brevets US suivants:

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Inventeur Numéro du Date brevet C.M. Carlson 3 002 532 03.10.61 N.C. Hunt 3 016 917 16.01.62 Maurice F. Franz 3 570 541 16.03.71 Gerald Sorenson 3 587 156 28.06.71 Gerald Sorenson 3 762 443 02.10.73 Stoll et al. 3 794 075 26.02.74 Brake et al. 3 902 526 02.09.75 Charles Perkins 4 027 700 07. 06.77 Erich Ruchser 4 067 357 10.01.78 Paul Arvin 4 103 711 01.08.78 Clifford Peters 4 209 040 24.06.80 Clifford Peters 4 217 934 19.08.80 Coppola et al. 4 567 914 04.02.86 Les brevets de 1971 et 1973 au nom de Sorenson concernent le procédé de fabrication d'une vanne de commande pour fluides sous pression utilisant une tige de vanne placée au centre dans un corps de vanne. La forme de réalisation représentée à la fig. 17 du brevet Sorenson est celle d'une vanne à plusieurs passages utilisant une tige ayant une forme symétrique dans laquelle la tige comporte une surface inclinée qui appuie contre une arête circulaire vive formée dans le corps. La tige ou le corps de la vanne de Sorenson est construit en matériau élastique déformable tel que du polyuréthanne, du néoprène, du polyéthylène, ou du caoutchouc. Les possibilités de déformation de la tige ou du corps de la vanne de Sorenson sont primordiales puisqu'au cours de la fabrication de la vanne, la tige ou le corps doit se déformer afin d'insérer la tige dans le corps. Après l'insertion, la partie déformée reprend son état d'origine. Dans une telle forme de réalisation, les forces de déformation sont beaucoup plus grandes que les forces subies par la vanne en fonctionnement. De ce fait, on estime que la vanne de Sorenson ne conviendrait pas aux ambiances à haute température et à haute pression pour lesquelles la vanne de la présente invention est tout à fait adaptée. De plus, le brevet Sorenson exige des ouvertures de sortie du fluide. Le dispositif selon la présente invention n'a pas d'ouverture de sortie puisqu'il est appliqué à la circulation de fluides à haute pression et haute température qui doivent être complètement contenus à l'intérieur de la vanne. Le brevet Sorenson compte sur plusieurs bagues annulaires constituant des surfaces multiples simultanées d'étanchéité obtenues en déplaçant la tige. La présente invention exige seulement qu'une surface d'étanchéité soit en contact avec la tige à un instant donné. Les vannes de Sorenson sont communément connues sous le nom de vannes à quatre voies, tandis que la présente vanne est précisément une.vanne à trois voies. Enfin, la présente vanne prévoit des moyens d'application de forces très grandes à une ligne d'étanchéité formée par le noyau (ou tige) venant en contact avec la surface d'étanchéité du corps, à savoir des pistons

de gros diamètre.

Le brevet de 1974 au nom de Stoll (brevet US 3 794 075) décrit une vanne à plusieurs voies ayant un temps de commutation de 6 millisecondes et présentant Pee faible course de la vanne. L'invention Stoll utilise des joints en forme de disque plat disposés sur une tige centrale symétrique. La tige est entraînée par l'action d'enclenchement de

diaphragmes opposés qui sont à commande hydraulique.

Les diaphgragmes en caoutchouc constituant les joints

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d'extrémité de la tige et les diaphragmes à action d'enclenchement rendent cette vanne impropre aux applications sous haute pression. Des pressions internes élevées écraseraient ces composants en

entrainant,ine défaillance de la vanne.

Le joint annulaire central de la tige n'est pas contraint si bien qu'une pression arrière exercée sur le joint le rendrait non étanche en entrainant des fuites. Ce n'est pas le cas du dispositif de la présente invention. Du fait de la flexion des composants en caoutchouc, un certain changement de volume interne doit se produire dans la vanne de Stoll après que les joints sont venus en contact initial. Cette variation de volume va comprimer le fluide dans une partie de la vanne en entraînant un changement de pression. Ce problème n'existe pas dans la présente invention. En présence d'une pression différentielle élevée, les joints en élastomère non soutenus employés par Stoll peuvent subir une

extrusion. Le problème s'aggrave à haute température.

La présente vanne utilise des surfaces d'étanchéité

métalliques pour éliminer ce problème.

Le brevet de 1962 au nom de Hunt (brevet US 3 016 917) décrit une vanne pour la commande d'un fluide sous haute pression. Le plongeur de la vanne de Hunt possède une partie de corps central élargie se terminant sur une surface formant siège inclinée d'un certain angle sur un élargissement de la vanne qui vient buter de manière sélective contre un siège formant un tangle correspondant dans la cavité. Hunt utilise un contact métal sur métal entre l'élargissement de la vanne et le siège pour assurer une étanchéité contre les fuites du fluide sous pression. La vanne est maintenue en position fermée au moyen d'un solénoide et ramenée en position

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ouverte au moyen d'un ressort. Dans cette forme de réalisation, la tige centrale de la vanne n'est pas

équilibrée du point de vue hydrostatique.

Le brevet de 1971 au nom de Franz (brevet US 3 570 541) décrit une vanne de commande directionnelle à trois voies comportant un élément en forme de clapet placé à l'intérieur d'un corps dans laquelle le corps possède des sièges de forme conique disposés à l'intérieur afin de venir sélectivement en contact avec l'élément formant clapet pour ouvrir et fermer la vanne à trois voies. L'élément de clapet et le siège sont fabriqués en matériau élastomère. La vanne de Franz est étudiée pour fonctionner sous 690 kPa avec une commande de vanne entraînée par

pistons et fonctionnant sous 490 kPa environ.

Le brevet de 1986 au nom de Coppola (brevet US 4 567 914) concerne une vanne à solénoïde hydraulique à deux étages comportant un élément en forme de clapet placé au centre présentant des surfaces inclinées qui s'appuient de manière sélective sur des sièges coniques. L'invention de Coppola est étudiée

pour des systèmes de commande de turbines à vapeur.

Le brevet de 1978 au nom de Ruchser (brevet US 4 067 357) concerne une vanne de commande de direction à tige/coulissante dans laquelle la tige est de construction symétrique et entraînée par deux pistons de commande opposés. La forme de réalisation de Ruchser crée un nouvel agencement de siège qui assure une étanchéité sélective malgré l'absence de précision mécanique due à l'usure, à la fabrication

ou à l'usage.

Les autres brevets rvélés par la recherche ci-

dessus ne concernent pas autant la présente invention

que les brevets discutés ci-dessus.

6 co/2608249 Dans l'environnement de l'exécution des mesures de perméabilité relative sur des noyaux carottés, des fluides corrosifs à haute température et haute pression doivent être commutés rapidement au moyen d'une vanne, à action rapide dont le volume ne change pas pendant la commutation afin de garder la précision des mesures de perméabilité. Des environnements à haute pression et haute température du même type existent dans d'autres types de mesure et la vanne de la présente invention trouve des applications particulières dans l'emploi avec des pompes volumétriques pour des mesures de précision en laboratoire. La présente invention crée une vanne à action rapide capable d'assurer la commutation en moins de millisecondes, sans présenter aucun changement du volume de la vanne pendant la commutation, et ayant

une course de commande inférieure à 0,76 mm environ.

Et, la vanne de la présente invention peut être commandée avec des pressions faibles inférieures de deux ordres de grandeur à la haute pression du fluide. Le dispositif de la présente invention comprend un corps de vanne métallique composé d'un matériau supportant les hautes températures et les hautes pressions des fluides corrosifs dans lequel sont formés un orifice d'entrée et deux orifices de sortie. Dans le corps de vanne est formée une cavité qui établit deux passages pour fluide entre l'orifice d'entrée et le premier orifice de sortie et entre

l'orifice d'entrée et le second orifice de sortie.

Une tige métallique allongée, également construitre en un matériau capable de supporter les hautes températures et les hautes pressions des fluides corrosifs est placée à l'intérieur de la cavité

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formée et répond à des basses pressions exercées sur des pistons opposes placés aux extrémités opposées de la tige afin d'actionner sélectivement la vanne pour obtenir une commutation entre le premier et le second passage. La tige comprend une partie centrale grossie se terminant en sièges de tige de forme conique opposés qui assurent sélectivement l'étanchéité contre des sièges de vanne formés dans le corps de vanne afin de fermer les deux passages des fluides l'un par rapport à l'autre. L'orifice d'entrée est placé au centre de la cavité formée qui

contient la partie centrale grossie de la tige.

Diverses caractéristiques de l'invention ressortent

d'ailleurs de la description détaillée qui suit.

Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées à titre d'exemples non

limitatifs au dessin annexé.

A la fig. 1, la vanne à trois voies à haute pression et haute température de la présente

invention est représentée en coupe complète.

Aux fig. 2 et 3, le fonctionnement de la vanne à trois voies de la présente invention illustrée à la

fig. 1, est présenté.

A la fig. 4, les détails de la partie centrale grossie de la tige venant en contact avec les sièges

de la vanne de la présente invention sont illustrés.

A la fig. 5, les détails de la mise en contact réelle entre le siège de tige et le siège de vanne

sont présentés en détail.

La fig. 6 représente une autre forme de réalisation

de la vanne de la présente invention.

La fig. 7 est une vue en perspective éclatée

représentant les composants de la présente invention.

La fig. 8 est une vue latérale en plan des capsules

d'extrémité du piston de la présente invention.

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La fic. 9 est une vue latérale en plan du piston

de la présente invention.

La fig. 10 est une vue latérale en plan de la

bague de garniture de la présente invention.

La fig. 11 est une vue latérale en plan de la

tige de la présente invention.

La fig; 12 est une vue latérale en plan de la première moitié du corps de vanne de la présente invention. La fig. 13 est une vue latérale en plan de la seconde moitié du corps de vanne de la présente

invention.

La fig. 14 est un schéma de principe représentant les vannes de la présente invention

interconnectées dans un perméamètre relatif.

A la fig. 1, on a illustré des détails de la vanne à trois voies de 'la présente invention qui comprend un corps principal 10 et un second corps 20, tous deux usinés dans un matériau connu sous le nom d'Hastelloy-C276. L'Hastelloy-C276 est un alliage de nickel ayant une limite élastique de 483 x 103 kPa environ. Son principal avantage est son extrême résistance à la corrosion par les saumures, sulfures d'hydrogène et autres produits chimiques présents dans des réservoirs de pétrole à des températures pouvant atteindre 205 C. Le métal lui-même peut

fonctionner à des températures beaucoup plus élevées.

Par conséquent, ce type de matériau supporte les hautes températures et les hautes pressions des fluides corrosifs qui sont commutés dans la vanne de la présente invention. Les deux corps 10 et 20 sont usinés de - façon à s'assembler pour former une structure combinée dans laquelle sont formés trois orifices 40, 50 et 60. L'orifice formé 40 est une entrée de fluide, tandis que les orifices formés 50 et 60 sont des sorties de fluide. Comme cela a été mentionné dans le cas des tests de perméabilité, les fluides peuvent être constitués de gaz ou de liquides corrosifs à des pressions dépassant 55 x 103 kPa et pouvant atteindre 69 x 103 kPa. En plus, la vanne fonctionne à des températures allant de la température, ambiante de 210 environ jusqu'à environ 121 à 178 C. La seule limitation de températures est due au matériau élastomère Viton des joints des pistons et des arbres. En employant du Teflon, des températures allant jusqu'à 260 C pourraient être atteintes. Les pressions peuvent s'échelonner de

moins de 6,9 x 103 kPa jusqu'à 69 x 103 kPa.

Aux extrémités opposées des corps 10 et 20 sont placées des bagues filetées 70 et 70a. Sur les bagues filetées 70 et 70a, sont vissées des capsules d'extrémité opposées 80 et 80a. Au centre du corps combiné 30 (c'est-a-dire le premier corps 10 et le second corps 20 ainsi que les bagues 70 et 70a) est disposée la tige 90 de la présente invention ayant une partie médiane grossie 140 avec un premier et un second arbre longitudinal opposé 90a et 90b. Contre les extrémités opposées 92 et 92a de la tige 90 reposent les têtes des pistons 100 et 100a. Les orifices formés 110 et 11Oa sont situés au centre des capsules d'extrémité opposées 80 et 80a. Un fluide, par exemple, de l'air, sous une basse pression de 552 kPa environ est appliqué de manière sélective dans les orifices formés 110. L'orifice formé 110 assure la communication pour le fluide à travers la capsule d'extrémité 80 et jusque dans une cavité formée 120 située entre la paroi intérieure 82 de la capsule d'extrémité 80 et la surface extérieure 102 de la

tête de piston 100.

Des joints annulaires 104 montés autour du piston 100 assurent l'étanchéité au fluide entre la chambre 120 et le reste de l'appareil. De la même manière, un joint annulaire 22 est monté dans le corps 20 et autour de l'arbre 90 entre le corps 20 et la bague filetée 70. De même, un joint annulaire 12 est monté entre le corps 10 et une bague filetée 70a le long de}'arbre 90. Les joints annulaires 12 et 22 forment des joints sous pression et sont précontraints au moyen d'un ensemble de garniture extérieure et de bagues d'écartement 29. L'ensemble de garniture extérieure est constitué de deux bagues filetées 70 et 70a. Ces bagues sont assemblées au moyen de quatre vis à tête à empreinte hexagonale 700 et 710 qui servent à maintenir ensemble les

bagues 70 et 70a et les parties de corps 10 et 20.

Lorsqu'ils sont serrés, les boulons 700 et 710 compriment aussi les joints annulaires 12 et 22 en

créant une étanchéité statique autour de l'arbre 90.

Les rondelles d'écartement 29 et 29a placées à l'intérieur des joints annulaires 12 et 22 assurent un passage au fluide sous pression en travers de la face avant 31 des joints annulaires 12 et 22. Ceci constitue une étanchéité dynamique, la force de serrage étant proportionnelle à la pression appliquée. De plus, un joint annulaire 14 est monté

entre les corps 10 et 20.

Une chambre 130 est ménagée entre l'orifice d'entrée du fluide 40 et les deux orifices de sortie du fluide 50 et 60. Les joints annulaires à fluide 12, 14 et 22 ferment de manière sélective la chambre par rapport au reste de l'appareil. La capsule d'extrémité -80 se visse de manière amovible sur la bague filetée 70 et lorsqu'elle est vissée sur la bague 70 elle assure une mise en contact efficace sur la capsule d'extrémité 80 afin de délimiter

complètement la chambre 120.

Aux fig. 2 et 3, le fonctionnement de la

présente invention est indiqué sous forme illustrée.

L'appareil 200 de la présente invention est interconnecté à une source d'entrée de fluide 210, à des sources de sortie de fluide 220 et 230, et à des sources d'entrée/évacuation d'air 240 et 250. La source d'entrée du fluide 210 est connectée de manière classique avec l'orifice 40, les deux récepteurs de fluide 220 et 230 sont connectés de manière classique respectivement avec les orifices 50 et 60. Les deux entrées/sorties d'air 240 et 250 sont

respectivement connectées aux orifices 110 et 110a.

Par conséquent, en fonctionnement, lorsqu'un gaz sous basse pression comme de l'air, sous 550 kPa environ est appliqué dans la cavité 120, le piston 100 se déplace dans la direction de la flèche 260 afin d'appuyer fortement la tige 90 140 contre l'arête 150. L'orifice 84 met en communication la face arrière du piston 100 avec l'atmosphère et permet au piston de se déplacer. Grâce à cela, le fluide 270 délivré par la source d'entrée du fluide 210 va se déplacer dans la direction des flèches 272 jusqu'à l'orifice 260 et jusqu'à la seconde sortie du fluide ou récepteur 230. Par conséquent, la circulation du fluide à haute pression et haute température se fait par un passage formé depuis l'orifice d'entrée 40 jusqu'au second orifice de sortie 60. De la même manière, à la fig. 3, la tige 140 est déplacée dans la direction de la flèche 300 de sorte que la tige 90 appuie fortement contre les arêtes 160. De cette manière, un fluide 270 est appliqué dans le sens des flèches 310 jusqu'à l'orifice de sortie du fluide 220. Par conséquent, la circulation du fluide à haute pression et haute température se fait par un passage

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formé depuis l'orifice d'entrée 40 jusqu'au second

orifice de sortie 60.

A la fig. 4, la partie grossie 140 de la tige 90 est représentée alors qu'elle appuie sélectivement contre l'arête circulaire 150 qui constitue le siège de vanne. Dans la forme de réalisation représentée à la fig. 4, le siège de vanne 150 est une arête à angle droit venant en contact avec le siège de vanne qui est une surface en pente 142 inclinée d'environ 300 par rapport à l'horizontale. Quand le siège de tige 140 vient en contact avec le siège de vanne 150, la force totale résultante 400 comme indiqué à la fig. 4 est principalement égale à la force 410 correspondant à la faible pression du gaz, comme par exemple 550 kPa qui est délivré par la source 240 et

donc s'applique sur le piston 100.

La force 410 transmise par le piston 100 est égale àtr fois le carré du rayon (r) multiplié par la pression (p). Dans la réalisation préférée o le rayon du piston est de 20,54 mm environ et la pression de 550 kPa environ, la force 410 est de 734 Newton environ. D'autres forces sont présentes. Des forces 420 agissent sur les deux côtés de l'orifice et s'annulent en n'ayant aucune conséquence nette sur la force composée 400. La force 430 est due à la pression du fluide (pouvant atteindre 69 000 kPa) agissant sur l'espace annulaire 450 entre l'arbre 90 et le corps 20 ayant dans la forme de réalisation préférée des diamètres respectifs de 3, 17 et 3,80 mm environ. Sou une pression de 690 000 kPa environ, ceci contribue à une force de 240 Newtons environ. En même temps, la force 440 s'oppose à la fermeture de la vanne en appliquant la pression du fluide de sortie à la même surface annulaire 450. Par conséquent, avant la fermeture de la vanne, les forces 430 et 440 s'équilibrent exactement si bien

que la force résultante est la seule force 410.

Une autre forme de réalisation de la vanne 140 est représentée par la vanne 140a à la fig. 6 avec mise en contact avec une arête circulaire 150a dans laquelle le côté incliné 142a de la vanne 140a vient buter de manière sélective contre l'arête inclinée a. Dans cette forme de réalisation, l'angle des inclinaisons de l'arête circulaire 150a et de la surface 142a diffère légèrement. La surface inclinée a doit faire un angle inclus légèrement plus grand que l'angle inclus de la surface 142a. Une différence de 2 à 5 entre les angles est suffisante. Cet agencement permet de maintenir une ligne étanchéité en présence de faibles efforts. Quand la charge appliquée forçant les surfaces 150a et 142a en prise augmente le matériau sur la ligne d'étanchéité se déforme de manière élastique pour augmenter la surface de contact en réduisant ainsi l'effort et en diminuant les risques d'une déformation permanente

des pièces.

La fig. 7 représente, en perspective, l'ensemble de la présente invention. A la fig. 7, l'arbre 90 est inséré à travers le passage 24 formé dans le corps 20 et à travers le passage 74 formé dans la bague filetée 70. De la même manière, l'extrémité 92a de l'arbre 90 est introduite dans le passage 14 formé dans le corps 10 et dans le passage 74a formé dans la bague filetée 70a. Lorsque les corps 10 et 20 sont placés sur l'arbre 90 et que les bagues filetées 70 et 70a sont placées sur les extrémités 90 et 92a, deux boulons 700 sont introduits dans les passages 702 de la bague filetée 70 et 704 du corps 20, 706 du corps 10 pour pénétrer dans la région filetée 708 de la bague filetée 70a. De la même manière deux boulons

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placés face à face 710 sont introduits dans les passages 712 de la bague 70a, 713 du corps 10 et 716 du corps 12 afin de pénétrer dans la région filetée 718 de la bague 70. Les deux boulons placés face à face 700 et 710 sont serrés afin de maintenir solidement les bagues filetées 70 et 70a sur le corps complexe 30. Après le serrage des boulons, les pistons 100 et 100oa sont montés sur les extrémités respectives 92 et 92a de l'arbre 90 et les capsules d'extrémité 80 et 80a sont vissées respectivement sur les bagues filetées 70 et 70a. De cette façon, la vanne à trois voies 12 de la présente invention est

complètement assemblée.

Les détails des capsules d'extrémité 80 et 80a sont représentés à la fig. ' 8. A la fig. 8, la capsule d'extrémité 80 est de préférence usinée dans un matériau tel que l'aluminium et après usinage, elle est soumise à une recharge par anodisation sur 0,025 mm d'épaisseur. L'orifice d'aération 84 est percé à travers le côté 86 de la capsule d'extrémité 80. Dans la forme de réalisation préférée, la capsule d'extrémité 80 mesure environ 51 mm de diamètre extérieur comme indiqué par la flèche 800. La cavité a un diamètre intérieur de 41,275 mm environ comme l'indique la flèche 810. L'orifice 110 a typiquement un diamètre intérieur de 7,81 mm. Des

filets internes 820 sont usinés comme indiqué.

A la fig. 9, les détails du piston 100 sont représentés. Dans la forme de réalisation préférée, le diamètr--' extérieur du piston 100 mesure 41,15 mm environ comme indiqué par la flèche 900 et le diamètre intérieur de la fente formée 106 est de 3,23 mm environ. L'ouverture formée 106, comme représenté à la fig. 1, s'étend sensiblement jusque dans le piston 100 et, dans la forme préférée de l'invention, l'épaisseur du piston est de 8,13 mm environ et l'ouverture formée 106 pénètre à l'intérieur de 6,65 mm environ. Une fente 104a est formée tout autour de la surface extérieure de la tête de piston afin de recevoir le joint annulaire 104. La tête du piston 100 dans la forme de réalisation préférée est usinée à partir d'un

matériau d'aluminium.

La bague 70 est représentée à la fig. 10 et, dans la forme préférée de réalisation, elle présente un diamètre extérieur de 44,5 mm environ comme indiqué par la flèche 1000. Le passage formé 74 présente un diamètre intérieur de 3,17 mm. La bague filetée 70 présente une protubérance 76 qui pénètre i5 dans une cavité circulaire correspondante 26 du corps 20. Le diamètre de la protubérance 76 est de 6,35 mm environ. Les trous 702 et 718 destinés à recevoir les

boulons 700 et 710 sont représentés à la fig. 10.

A la fig. 11, on a représenté des détails de la tige 90. La tige 90 est de préférence fabriquée à partir d'un matériau résistant à la corrosion tel que l'Hastelloy C-276. Dans une autre forme de réalisation, il est possible d'utiliser un matériau beaucoup plus dur tel que le Satellite 6B. Ce matériau possède une résistance à la corrosion légèrement inférieure mais il est plus résistant à l'usure et à la déformation après une utilisation répétée. La tige de la forme préférée de réalisation mesure environ 66,30 mm de longueur et la surface 42 est orientée à 30 par rapport à l'horizontale comme

représenté par la flèche 1100.

A la fig. 12 sont représentés des détails du corps 20. Le corps 20 a un diamètre extérieur

d'environ 50,8 mm comme indiqué par la flèche 1200.

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Le corps 20 est de préférence fabriqué & partir d'un matériau Hastelloy C276. Des trous 704 et 706 sont percés à travers le corps 20 pour recevoir des boulons 700 et 710. La cavité 26 dont le diamètre intérieur,est de 6, 35 mm environ reçoit la protubérance 76 de la bague filetée 70 pour former une région destinée à recevoir le joint annulaire 22 comme représenté à la fig. 1. La région 28 de diamètre réduit reçoit la tige 90 et elle est d'une seule pièce avec la région de diamètre élargi 24 qui fait partie du passage formé 130 comme indiqué à la fig. 1. La région 24 se termine en une arête 160 comme indiqué à la fig. 1. Deux protubérances cylindriques en saillie 21 et 26 sont formées sur la surface opposée 23 du corps 20. Comme représenté à la fig. 1, ces protubérances 21 et 26 coopèrent avec le corps 10 pour former une cavité destinée au joint annulaire 14. Dans la forme préférée de réalisation, la région annulaire 21 a un diamètre extérieur de 10,16 mm et la région annulaire 22 a un diamètre extérieur de 12,7 mm environ. A la fig. 12, est également représentée la position de l'orifice de sortie du fluide 60 qui est usiné dans le corps 20 selon un procédé classique. L'orifice de sortie du fluide 60 comprend une région filetée 62 d'une seule pièce avec une région tronconique 63 qui permet au fluide de circuler par un passage 64 jusqu'à la

cavité 130, comme indiqué à la fig. 1.

A la fig. 13, sont représentés les détails du corps 10 de la présente invention. Le corps 10 a également un diamètre extérieur de 50,8 mm environ représenté par la flèche 1300 dans la forme préférée de réalisation. Des trous 706 et 714 sont usinés à travers le corps pourrecevoir les boulons 700 et 710. Le corps gauche 10 est également fabriqué en

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matériau Hastelloy C-276. L'orifice d'entrée du fluide 40 est formé avec une région filetée 42, une région tronconique 43 et un passage qui permet au fluide de circuler jusque dans la cavité 130 comme indiqué à la fig. 1. De même, l'orifice du fluide 50 est usiné dans le corps 10 et comprend une région filetée 52, une région tronconique 53, et un passage

pour fluide 54 qui communique avec une cavité 130.

Comme représenté à la fig. 13, la cavité circulaire 11 dans la forme préférée de réalisation a un diamètre intérieur de 12,7 mm environ. Une seconde cavité disposée vers l'intérieur 13 présente un bord et fait partie de la chambre 130 comme représenté à la fig. 1. Cette cavité interne a, dans la forme de

réalisation préférée, un diamètre interne de 5,56 mm.

La surface 15 a un diamètre réduit qui, dans la forme de réalisation préférée est de 3,81 mm environ et forme la partie restante de la cavité 30. Cette région 15 est en communication pour le fluide avec le passage 54 et l'orifice 50. Enfin, sur la surface opposée 25 se trouve une cavité annulaire 17 recevant

le joint annulaire 12 et la bague d'espacement 29.

Lorsqu'il est complètement assemblé, le piston se déplace dans la forme de réalisation préférée, seulement de 0,38 à 0,51 mm environ afin de permettre le transfert du fluide depuis l'orifice 40 jusqu'à l'un ou l'autre des orifices 50 ou 60. Avec les pressions concernées, la durée de commutation du fluide sous haute pression de l'orifice d'entrée 40 vers l'un ou l'autre des orifices de sortie 50 ou 60 est de l'ordre de 15 millisecondes. La présente invention, crée par conséquent une vanne à trois voies équilibrée du point de vue hydrostatique dont la construction est symétrique. La pression d'air de 550 kPa environ des sources 240 et 250, dans la forme de réalisation préférée, établit une pression suffisante pour vaincre la pression différentielle entre l'orifice d'entrée du fluide 40 et l'un ou l'autre des orifices de sortie 50 ou 60. Etant donné la construction symétrique des vannes, au moment de la commutation, il n'y a aucune modification du volume interne de la vanne et, par conséquent, la présente invention trouve une application importante dans des secteurs tels que ceux des tests de perméabilité. Dans les vannes de la technique antérieure qui subissaient quelque changement de volume pendant la commutation, une "action de pompage" faible mais notable se produisait à chaque commutation de la vanne. Celleci était à l'origine de défauts dans le tracé d'enregistrement de la pression et déplaçait le fluide dans le corps de la vanne. Le déplacement du fluide est cumulatif et entraine des erreurs dans les calculs d'équilibre matériel pendant le déplacement. Ces erreurs dans l'évaluation des volumes du fluide déplacé créent des erreurs significatives dans les résultats définitifs de l'expérience. Ceci ne se produit pas dans la vanne de la présente invention. La vanne trouve une application, dans la forme de réalisation préférée, dans une utilisation pour des tests au perméamètre relatif à haute pression-haute température (circulation à une seule phase, à deux phases et à trois phases). Dans ces cas-là, la vanne à trois voies de la présente invention fonctionne jusqu'à 138'C environ et jusqu'à environ 69 000 kPa en présence de fluides corrosifs tels que de la saumure, du pétrole et du gaz. Evidemment, la vanne de la présente invention trouve des applications dans d'autres ambiances à haute température et haute pression y compris pour d'autres mesures de précision

en laboratoire.

A la fig. 14, un échantillon carotté saturé de

fluide, (non représenté) est placé dans le porte-

échantillonde modèle standard de type Hassler 1400.

Du fluide, tel que de la saumure est injecté dans le noyau au moyen d'une pompe 1410 constituée dans ce cas de deux cylindres volumétriques 1412 et 1414. La circulation A l'entrée et à la sortie des cylindres de la pompe est orientée par des vannes à trois voies 1420, 1422 et 1424 de la présente invention qui sont commandées par des vannes électriques à solénoïde

1430, 1432 et 1450 sous le contrôle d'un ordinateur.

De cette façon, l'un ou l'autre des cylindres 1412 ou 1444 peut être sélectionné comme entrée ou sortie de

la pompe.

De la même manière, un second fluide, tel que du pétrole, peut être appliqué dans l'échantillon carotté à partir d'une seconde pompe 1460 comprenant des cylindres 1462 et 1464. La circulation en sortie de ces cylindres est orientée par des vannes 1470 et

1472 sous la commande de solénoïdes 1480 et 1482.

La vanne 1450 sert à effectuer une sélection entre les pompes 1410 et 1460 afin de pouvoir choisir le fluide injecté. Cet agencement peut être étendu ou réduit afin de faire circuler un, deux, trois fluides

ou plus d'une manière semblable.

L'écoulement venant du noyau carotté pénètre dans une cuve de séparation 149 dans laquelle les fluides multiples se séparent. Chaque fluide est ensuite renvoyé à sa pompe respective par l'intermédiaire de la série des vannes 1420, 1422, 1470 et 1472. Avec cet arrangement, le fluide peut être en permanence remis en circulation au travers de l'échantillon. Les mesures de débit des pompes et la

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cov pression différentielle 1492 mesurée entre les deux côtés de l'échantillon fournissent les données

nécessaires aux mesures de perméabilité.

Alors que l'on a représenté et décrit ce que l'on peut considérer comme deux formes préférées de l'invention, il est bien entendu que différentes autres modifications peuvent y être apportées sans

sortir du cadre de l'invention.

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Claims (9)

REVENDICATIONS

1. En association avec une source de fluide, un premier et un second récepteur de fluide, un système de commande, à basse pression, et une vanne à trois voies à grande vitesse pour la commutation de fluides à haute température et à haute pression depuis ladite source de fluide sous la commande à basse pression par ledit système de commande vers l'un desdits deux récepteurs de fluide, ladite haute température étant supérieure à 121 C et ladite haute pression pouvant atteindre 69 000 kPa, ladite vanne à trois voies étant caractérisée en ce qu'elle comprend: un corps de vanne construit en un matériau capable de supporter ladite haute température et

ladite haute pression sans déformation, ledit corps.

comportant un orifice d'entrée relié à ladite source de fluide et un premier et un- second orifice de sortie, ledit premier orifice de sortie étant relié audit premier récepteur de fluide et ledit second orifice de sortie étant relié audit second récepteur de fluide, une cavité formée dans ledit corps de vanne et en communication pour le fluide avec ledit orifice d'entrée formé et lesdits premier et second orifices de sortie formés, ladite cavité ayant une forme symétrique allongée avec une région cylindrique centrale de plus gros diamètre et une première et une seconde région cylindrique allongée opposées, le rayon de ladite région centrale étant supérieur au rayon desdites première et seconde régions cylindriques allongées opposées, ledit orifice d'entrée prévu étant en communication pour le fluide au centre de ladite région cylindrique centrale formée, ledit premier orifice de sortie étant en communication pour le fluide à proximité de l'extrémité de ladite première région cylindrique allongée et ledit second orifice de sortie étant en communication pour le fluide à proximité de l'extrémité, de ladite seconde région cylindrique allongée, les transitions entre ladite région centrale cylindrique et les dites régions cylindriques allongées opposées formant un premier et un second siège de vanne, une tige symétrique allongée disposée à l'intérieur de ladite cavité formée dans ledit corps de vanne et construite en un matériau capable de supporter ladite haute température et ladite haute pression sans déformation, ladite tige ayant une partie centrale grossie et un premier et un second arbre cylindrique allongé opposés, le rayon de ladite partie centrale grossie étant légèrement inférieur au rayon de ladite région cylindrique centrale de ladite cavité, le rayon desdits premier et second arbres cylindriques allongés opposés étant légèrement inférieur au rayon desdites première et seconde régions cylindriques allongées opposées, les transitions entre ladite portion centrale grossie de ladite tige et desdits premier et second arbres opposés formant un premier et un second siège de tige de forme conique, ladite tige coopérant avec ledit corps de vanne pour former un premier passage de fluide entre ledit orifice d'entrée formé et ledit premier orifice de sortie quand ledit premier siège de tige est- en contact d'étanchéité contre ledit premier siège de vanne et pour former un second passage de fluide entre ledit premier orifice d'entrée formé et ledit second orifice de sortie quand ledit second siège de tige est en contact d'étanchéité contre ledit second siège de vanne, un premier et un second piston opposés reliés aux extrémités opposées dudit corps de vanne et audit système de commande, ledit premier piston étant en prise sur l'extrémité dudit premier arbre cylindrique allongé de,ladite tige et ledit second piston étant en prise sur l'extrémité dudit second arbre cylindrique allongé de ladite tige, le diamètre desdits premier et second pistons opposés étant au moins dix fois supérieur au diamètre de contact d'étanchéité de ladite partie centrale grossie de ladite tige, des moyens situés dans ledit corps de vanne et autour desdits premier et second arbres cylindriques allongés opposés pour retenir de manière étanche ledit fluide à haute pression et haute température dans lesdits premier. et second passages formés, ledit premier piston étant sensible à un signal à basse pression venant dudit système de commande pour entraîner ladite tige vers ledit second siège de

-

vanne afin de forcer ledit second siège de tige contre ledit second siège de vanne afin d'assurer l'étanchéité de ce fluide à haute température et haute pression dans ledit premier passage afin de le transférer jusqu'audit second orifice de sortie, et ledit second piston étant sensible à un signalà basse pression provenant dudit système de commande pour entraîner ladite tige en direction dudit premier siège de vanne afin de forcer ledit premier siège de tige contre ledit premier siège de vanne afin d'assurer L"étanchéité de ce fluide à haute pression et haute température dans-ledit second passage et le transférer vers ledit second orifice de sortie, ladite durée de la course de la tige entre ledit premier et ledit second siège de vanne durant moins de 15 millisecondes et ladite longueur de course de

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ladite tige étant inférieure à 0,67 mm sans aucun changement de volume dans l'écoulement dudit fluide à haute température et haute pression pendant ladite course de la tige, ladite basse pression venant dudit système de çommande étant au moins inférieure de deux

ordres de grandeur à ladite haute pression du fluide.

2. Vanne à trois voies selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premier et second sièges de vanne forment chacun une transition à 90 entre ladite région cylindrique centrale et lesdites régions cylindriques allongées opposées de la dite

cavité formée.

3. Vanne à trois voies selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premier et second i5 sièges de vanne comprennent chacun un angle de transition entre ladite région cylindrique centrale et lesdites régions cylindriques allongées opposées de ladite cavité formée qui est plus grand que

l'angle desdits premier et second sièges de tige.

4. En association avec une source de fluide, un premier et un second récepteur de fluide, un système de commande à basse pression, et une vanne à trois voies à grande vitesse pour commuter des fluides à haute température et à haute pression depuis ladite source de fluide sous la commande à basse pression par ledit système de commande vers l'un desdits deux récepteurs de fluide, ladite haute température étant supérieure à 121C et ladite haute pression pouvant atteindre 69 000 kPa, ladite vanne à trois voies étant caract*Éisée en ce qu'elle comprend: un corps de vanne construit en un matériau capable de supporter ladite haute température et ladite haute pression sans déformation, ledit corps comportant un orifice d'entrée relié à ladite source de fluide et un premier et un second orifice de sortie, ledit premier orifice de sortie étant relié audit premier récepteur de fluide et ledit second orifice de sortie étant relié audit second récepteur de fluide, une cavité formée dans ledit corps de vanne et en communication pour le fluide avec ledit orifice d'entrée formé et lesdits premier et second orifices de sortie formés, ladite cavité ayant une forme symétrique allongée avec une région cylindrique centrale de plus gros diamètre et une première et une seconde région cylindrique allongée opposées, le rayon de ladite région centrale étant supérieur au rayon desdites première et seconde régions cylindriques allongées opposées, ledit orifice d'entrée formé étant en communication pour le fluide au centre de ladite région cylindrique centrale formée, ledit premier orifice de sortie étant en communication pour le fluide à proximité de l'extrémité de ladite première région cylindrique allongée et ledit second orifice de sortie étant en communication pour le fluide à proximité de l'extrémité de ladite seconde région cylindrique allongée, les transitions entre ladite région centrale cylindrique et lesdites régions cylindriques

allongées opposées formant un premier et un second.

siège de vannes, une tige symétrique allongée disposée à l'intérieur de ladite cavité formée dans ledit corps de vanne et construite en un matériau capable de supporter ladite haute température et ladite haute pression sans déformation, ladite tige ayant une partie centrale grossie et un premier et un second arbre cylindrique allongé opposés, le rayon de ladite partie centrale grossie étant légèrement inférieur au rayon de ladite région cylindrique centrale de ladite

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cavité, le rayon desdits premier et second arbres cylindriques allongés opposés étant légèrement inférieur au rayon desdites première et seconde régions cylindriques allongées opposées, les transitions entre ladite portion centrale grossie de ladite tige et desdits premier et second arbres opposes formant un premier et un second siège de tige de forme conique, ladite tige coopérant avec ledit corps de vanne pour former un premier passage de fluide entre ledit orifice d'entrée formé et ledit premier orifice de sortie quand ledit premier siège de tige est en contact d'étanchéité contre ledit premier siège de vanne et pour former un second passage de fluide entre ledit premier orifice d'entrée formé et ledit second orifice de sortie quand ledit second siège de tige est en contact d'étanchéité contre ledit second siège de vanne, un premier et un second piston opposés reliés aux extrémités opposées dudit corps de vanne et audit système de commande, ledit premier piston étant en prise sur l'extrémité dudit premier arbre cylindrique allongé de ladite tige et ledit second piston étant en prise sur l'extrémité dudit second arbre cylindrique allongé de ladite tige, des moyens situés dans ledit corps de vanne et autour desdits premier et second arbres cylindriques allongés opposés pour retenir de manière éthanche ledit fluide à haute pression et haute température dans lesdits premier et second passages formés, leditpremier piston étant sensible à un signal à basse pression venant dudit système de commande pour entrainer ladite tige vers ledit second siège de vanne afin de forcer ledit second siège de tige contre ledit second siège de vanne afin d'assurer l'étanchéité de ce fluide à haute température et 27 uoe haute pression dans ledit premier passage et de le transférer jusqu'audit second orifice de sortie, et ledit second piston étant sensible à un signal à basse pression provenant dudit système de commande pour entraîner ladite tige en direction dudit premier siège de vanne afin de forcer ledit premier siège de tige contre ledit premier siège de vanne afin d'assurer l'étanchéité de ce fluide à haute pression et haute température dans ledit second passage et le transférer vers ledit second orifice de sortie, ladite basse pression venant dudit système de commande étant au moins inférieure de deux ordres de

grandeur à ladite haute pression dudit fluide.

5. Vanne à trois voies selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits premier et second sièges de vanne forment chacun une transition à 90 entre ladite région cylindrique centrale et lesdites régions cylindriques allongées opposées de ladite

cavité formée.

6. Vanne à trois voies selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits premier et second sièges de vannes comprennent chacun un angle de transition entre ladite région cylindrique centrale et lesdites régions cylindriques allongées opposées de ladite cavité formée qui est plus grand que

l'angle desdits premier et second sièges de tige.

7. En association avec une source de fluide, un premier et un second récepteur de fluide, un système de commande à basse pression, et une vanne à trois voies à grande vitesse pour commuter des fluides à haute température et à.haute pression depuis ladite source de fluide sous la commande à basse pression par ledit système de commande vers l'un desdits deux récepteurs de fluide, ladite vanne à trois voies étant caractérisée en ce qu'elle comprend:

28 LO C2608249

un corps de vanne construit en un matériau capable de supporter ladite haute température et ladite haute pression sans déformation, ledit corps comportant un orifice d'entrée relié à ladite source de fluide,et un premier et un second orifice de sortie, ledit premier orifice de sortie étant relié audit premier récepteur de fluide et ledit second orifice de sortie étant relié audit second récepteur de fluide, une cavité formée dans ledit corps de Vanne et en communication pour le fluide avec ledit orifice d'entrée formé et lesdits premier et second orifices de sortie formés, ladite cavité ayant une forme symétrique allongée avec une région cylindrique centrale de plus gros diamètre et une première et une seconde régions cylindriques allongées opposées, le rayon de ladite région centrale étant supérieur au rayon desdites première et seconde régions cylindriques allongées opposées, ledit orifice d'entrée formé étant en communication pour le fluide au centre de ladite région cylindrique centrale formée, ledit premier orifice de sortie étant en communication pour le fluide à proximité de l'extrémité de ladite première région cylindrique allongée et ledit second orifice de sortie étant en communication pour le fluide à proximité de l'extrémité de ladite seconde région cylindrique allongée, les transitions entre ladite région centrale cylindrique et les dites régions cylindriques allongées opposées formant un premier et un second siège de vanne, une tige symétrique allongée disposée à l'intérieur de ladite cavité formée dans ledit corps de vanne et construite en un matériau capable de supporter ladite haute température et ladite haute 29 cvc

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pression sans déformation, ladite tige ayant une partie centrale grossie et un premier et un second arbre cylindrique allongé opposés, le rayon de ladite partie centrale grossie étant légèrement inférieur au rayon de laqite région cylindrique centrale de ladite cavité, le rayon desdits premier et second arbres cylindriques allongés opposés étant légèrement inférieur au rayon desdites première et seconde régions cylindriques allongées opposées, les transitions entre ladite portion centrale grossie de ladite tige et desdits premier et second arbres opposés formant un premier et un second siège de tige de forme conique, ladite tige coopérant avec ledit corps de vanne pour former un premier passage de fluide entre ledit orifide d'entrée formé et ledit premier orifice de sortie quand ledit premier siège de tige est en contact d'étanchéité contre ledit premier siège de vanne et pour former un second passage de fluide entre ledit premier orifice d'entrée formé et ledit second orifice de sortie quand ledit second siège de tige est en contact d'étanchéité contre ledit second siège de vanne, un premier et un second piston opposé reliés aux extrémités opposées dudit corps de vanne et audit système de commande, ledit premier piston étant en prise sur l'extrémité dudit premier arbre cylindrique allongé de ladite tige et ledit second piston étant en contact avec l'extrémité dudit second arbre cylindrique allongé de ladite tige, des moyens situés dans ledit corps de vanne et autour desdits premier et second arbres cylindriques allongés opposés pour retenir de manière étanche ledit fluide à haute pression et haute température dans lesdits premier et second passages formés,

684

ledit premier piston étant sensible à un signal à basse pression venant dudit système de commande pour entraîner ladite tige vers ledit second siège de vanne afin de forcer ledit second siège de tige contre ledit second siège de vanne afin d'assurer l'étanchéité de ce fluide à haute température et haute pression dans ledit premier passage et de le transférer jusqu'audit second orifice de sortie, et ledit second piston étant sensible à un signal à basse pression provenant dudit système de commande pour entrainer ladite tige en direction dudit premier siège de vanne afin de forcer ledit premier siège de tige contre ledit premier siège de vanne afin d'assurer l'étanchéité de ce fluide à haute pression i5 et haute température dans 'ledit second passage et le transférer vers ledit second orifice de sortie, cette étanchéité de la tige contre lesdits premier et second sièges de vanne étant obtenue sous ladite haute pression et à ladit haute température sans

changement de volume interne de ladite vanne.

8. Vanne à trois voies selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits premier et second sièges de vannes forment chacun une transition à 90 entre ladite région cylindrique centrale et lesdites régions cylindriques allongées opposées de ladite

cavité formée.

9. Vanne à trois voies selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits premier et second sièges de vanne comprennent chacun un angle de transition Entre ladite région cylindrique centrale et lesdites régions cylindriques allongées opposées de ladite cavité formée qui est plus grand que

l'angle desdits premier et second sièges de tige.