Détendeur de gaz à piston insensible aux variations de pression amont

La présente invention se rapporte à un détendeur de gaz destiné à être monté sur un conduit d'amenée de gaz reliant une source de gaz à un appareil utilisateur.

Les détendeurs habituellement utilisés ont pour caractéristique d'être de type à piston amont, c'est-à-dire qu'il sont basés sur un système de détente dans lequel un piston est positionné en amont d'un siège formant un orifice de passage du gaz, un ressort permettant, par l'intermédiaire d'une tige de piston traversant le siège, de maintenir le piston écarté dudit siège, et donc de sa position de fermeture. Le fonctionnement d'un tel détendeur repose sur son point d'équilibre entre les forces de pression du gaz en amont et en aval, tendant à la fermeture du piston, et la force de rappel d'un élément précontraint tendant à l'ouverture du piston, en général un ressort, choisi en fonction du point d'équilibre, et donc de la pression de détente, souhaitée. Cet élément précontraint peut être réglable.

Idéalement, la pression amont est constante et c'est donc la pression aval qui commande l'ouverture ou la fermeture plus ou moins importante du piston en cas de surpression ou de souspression au niveau de l'appareil utilisateur. Toutefois, le piston étant positionné en amont du siège, il est particulièrement sensible aux variations de la pression d'alimentation du détendeur et ce d'autant plus que sa surface en contact avec le gaz est importante.

Ainsi, en cas d'augmentation de la pression d'alimentation du gaz, l'équilibre des forces sera atteint pour une pression de détente inférieure, et donc le détendeur délivrera une pression moindre. Inversement en cas de diminution de la pression du gaz d'alimentation, la pression de détente nécessaire pour réaliser l'équilibre des forces sera plus élevée.

Ceci est particulièrement gênant dans le cas du GPL par exemple. En effet, le GPL haute pression a pour caractéristique d'être en équilibre de pression entre les phases liquide et vapeur, la valeur de la pression d'équilibre étant fortement dépendante de la température du milieu. Ainsi, en été, la

pression amont sera plus élevée qu'en hiver, l'équilibre des forces s'exerçant sur le piston s'en trouve alors modifié comme expliqué précédemment, et la pression aval délivrée à l'appareil utilisateur n'est plus constante. Il a par exemple été constaté pour un détendeur dont la pression de tarage se situe à 1 ,5 bar relatifs en conditions nominales, que le point d'équilibre peut varier de + ou -0,5 bar. Ceci peut entraîner des perturbations dans l'appareil utilisateur qui se situe en aval du détendeur dont il reçoit directement la pression.

On connaît déjà des dispositifs permettant de s'affranchir partiellement de la pression amont. Le document EP 0 362 166 décrit un détendeur de gaz standard associé à une valve de pré-détente rapportée en amont dudit détendeur.

Cette valve de pré-détente comprend un mécanisme de régulation commandé par le déplacement d'un élément mobile monté sur un organe précontraint et apte à obturer le passage du gaz, ledit élément mobile étant conformé de façon à offrir au gaz sous pression une surface inférieure à la surface offerte au gaz pré-détendu. Une telle conformation permet de réduire l'influence de la pression d'entrée sur l'élément mobile et par voie de conséquence les variations de cette dernière.

Le document GB 2 308 425 décrit une valve de détente destinée à être connectée à une bouteille de gaz sous pression et à délivrer le gaz détendu vers un appareil utilisateur. L'objectif de ce dispositif est de conserver dans la bouteille de gaz une pression résiduelle suffisante afin d'empêcher l'entrée d'humidité risquant d'entraîner la corrosion de la bouteille. Pour ce faire, la valve de détente comprend un mécanisme de régulation de la pression commandé par le déplacement d'un élément mobile monté sur un organe précontraint et apte à obturer le passage du gaz, ledit élément mobile étant conformé de manière à offrir au gaz sous pression une surface inférieure à la surface offerte au gaz détendu.

La présente invention a pour but de proposer un dispositif amélioré, et consiste pour cela en un détendeur de gaz comportant au moins un orifice d'entrée destiné à être connecté à une source de gaz sous pression et au moins un orifice de sortie destiné à délivrer le gaz détendu vers un appareil utilisateur, ledit détendeur comprenant un mécanisme de régulation de la pression commandé par le déplacement d'au moins un élément mobile, monté sur un organe précontraint, et apte à obturer le passage, chaque élément mobile offrant, d'une part, une surface de contact au gaz sous pression

pénétrant par l'orifice d'entrée, et d'autre part, une surface au gaz détendu, caractérisé en ce que la surface offerte au gaz sous pression est négligeable, voire nulle, par rapport à la surface offerte au gaz détendu afin de permettre la délivrance d'un gaz détendu à une pression déterminée indépendamment de la pression du gaz à l'entrée.

Ainsi, les forces exercées sur l'élément mobile par le gaz entrant sous pression sont, du fait de la surface de contact négligeable, voire nulle, dudit élément mobile avec le gaz sous pression, très inférieures à celle exercées par le gaz détendu sur ce même élément mobile, qui est donc piloté exclusivement ou quasi exclusivement par la pression de détente du gaz. De ce fait, une variation de la pression d'alimentation n'aura aucune ou quasiment aucune répercussion sur le point d'équilibre de l'élément mobile. L'élément mobile pourra être du type piston ou membrane, par exemple.

Avantageusement, l'orifice d'entrée est déporté par rapport à l'élément mobile de manière à permettre une arrivée du gaz éloignée radialement par rapport à un axe de déplacement de l'élément mobile, afin de générer une entrée radiale du gaz au niveau de l'élément mobile. De cette manière, grâce à une arrivée de gaz écartée de l'élément mobile, le flux de gaz arrive sur l'élément mobile selon une direction radiale et n'exerce pas de forces dynamiques sur l'élément mobile, ce qui réduit encore l'influence de la pression amont sur ledit élément mobile.

Avantageusement encore, l'orifice d'entrée est orienté dans une direction sensiblement parallèle à un axe de déplacement de l'élément mobile. Bien évidemment, l'orifice d'entrée pourra, en variante, posséder une orientation radiale par rapport audit axe de déplacement.

De manière préférentielle, l'organe précontraint exerce sur l'élément mobile des efforts tendant à son déplacement dans le sens de l'ouverture du passage du gaz. Avantageusement, l'organe précontraint est un ressort. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, un détendeur comprend un compartiment amont dans lequel débouche l'entrée de gaz sous pression et un compartiment aval dans lequel débouche la sortie de gaz détendu, les deux compartiments étant séparés par une paroi interne à travers laquelle coulisse l'élément mobile. Avantageusement, l'élément mobile est réalisé sous la forme d'un piston comprenant, d'une part, une tête située au voisinage de l'orifice de

sortie, et d'autre part, une tige possédant une extrémité apte à coopérer avec un siège pour obturer le passage du gaz.

De manière avantageuse, la tige comprend un canal intérieur débouchant, d'une part, au niveau de la tête du piston à proximité de l'orifice de sortie, et d'autre part, au niveau de l'extrémité de la tige située à proximité de l'orifice d'entrée.

Avantageusement, le canal intérieur présente, une entrée tronconique. Cette caractéristique permet, d'une part, de faciliter la circulation du gaz, et d'autre part, d'avoir une surface de contact en prise directe avec le gaz sous pression qui est minimale voire proche d'une surface nulle. En effet, la détente du gaz s'effectue au niveau de l'entrée du canal. Par conséquent, le canal et l'entrée tronconique sont soumis à la pression de sortie. La présence d'une entrée tronconique permet de minimiser le rebord extérieur du canal soumis à la pression d'entrée, la surface soumise à la pression d'entrée étant alors non seulement négligeable mais peut être considérée comme nulle au regard des dimensions et forces en jeu.

Selon une variante de réalisation, le détendeur comprend une membrane souple rapportée sur la tête du piston et rattachée au détendeur par sa périphérie. Avantageusement, la membrane est fixement rattachée à la tête du piston par sa partie centrale.

Avantageusement, le détendeur selon l'invention est un détendeur monoétage.

Avantageusement encore, le détendeur selon l'invention est équipé d'un organe de coupure par manque de pression de sortie. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui est exposée ci-dessous en regard du dessin annexé dans lequel :

La figure 1 est vue en coupe transversale d'un détendeur selon un premier mode de réalisation de l'invention.

La figure 2 est une coupe transversale d'un détendeur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.

Un détendeur 1 selon un premier mode de réalisation, tel que représenté à la figure 1 , comprend un boîtier 2 externe comprenant un couvercle 2a, une partie intermédiaire 2b et une partie inférieure 2c. Une entrée 3 destinée à l'arrivée en gaz sous pression est aménagée dans la partie inférieure 2c et une sortie 4 destinée à l'évacuation du gaz détendu est réalisée dans le couvercle 2a. La partie intermédiaire 2b est divisée par une paroi

interne 5 en un compartiment amont 6, fermé par la partie inférieure 2c et dans lequel débouche l'entrée 3, et un compartiment aval 7, fermé par le couvercle 2a et dans lequel débouche la sortie 4.

Une ouverture 8 est pratiquée dans la paroi interne 5 de manière à permettre le coulissement d'un piston 10, un joint 9 assurant l'étanchéité du coulissement.

Plus précisément le piston 10 comprend une tige 11 cylindrique creuse apte à coulisser à travers la paroi interne 5 par l'ouverture 8. La tige 11 présente un canal intérieur 18 traversant débouchant, d'une part, dans le compartiment amont 6 par une première extrémité 12 présentant une entrée tronconique convergeant vers l'aval, et d'autre part, dans le compartiment aval 7, par une deuxième extrémité 13 également tronconique divergeant vers l'aval. L'extrémité 13 présente par ailleurs une tête 14 apte à coulisser solidairement avec la tige 11 à l'intérieur du compartiment aval 6. Un joint 15, situé en bordure de la tête 14, assure l'étanchéité du coulissement. La tige 11 possède en outre une longueur suffisante pour que l'extrémité 12 du canal intérieur 18 puisse venir au contact d'une paroi 20 du boîtier 2, celle-ci obturant alors le canal intérieur 18. Un siège 19 destiné à assurer l'étanchéité de l'obturation est prévu dans la paroi 20 en regard de l'extrémité 12. Par ailleurs, un trou d'évent 21 est pratiqué dans la partie intermédiaire 2b de manière à permettre une communication entre l'atmosphère et le volume sous le piston 10 et ainsi éviter toute montée en pression lors du déplacement du piston 10.

Il découle de cette configuration que l'élément mobile que constitue le piston 10 présentera une surface de contact S négligeable voire nulle au gaz sous pression. La détente du gaz s'effectuant au niveau de l'entrée tronconique 12 de la tige 11 , la surface offerte au gaz sous pression est réduite à la section de la tige 11 creuse. L'entrée tronconique étant quant à elle soumise à la pression de sortie et vient s'ajouter à la surface représentée par la tête 14 du piston 10.

A titre d'exemple on pourra considérer les dimensions typiques suivantes : La tête 14 du piston 10 possède un diamètre de 56,5 mm et la tige 11 dudit piston 10 présente un diamètre du canal intérieur 18 de 5mm pour un diamètre extérieur de 10 mm. L'extrémité 12 tronconique présente une bordure de 0,1 mm d'épaisseur. Par conséquent, la surface S offerte au gaz sous pression s'élève à 3 mm ² tandis que la surface S' offerte au gaz détendu

s'élève à 2500 mm ² . La surface S ne représente que 0,12% de la surface S'. Compte tenu des imprécisions de mesures de variations de pression amont et du seuil à partir duquel une variation est significative, une telle surface négligeable peut être considérée comme nulle. Par ailleurs, il convient de noter que l'entrée 3 de gaz sous pression est écartée de l'axe du piston 10 et que l'arrivée de gaz s'effectue donc radialement par rapport à l'extrémité 12 tronconique du piston 10. De cette manière, le piston n'est pas soumis aux forces dynamiques dues à l'arrivée du gaz sur le piston, ce qui réduit d'autant les forces du gaz sous pression s'exerçant sur Ie piston 10.

La sortie 4 du gaz après détente est quant à elle coaxiale avec l'axe du piston 10 afin de minimiser les pertes de charge en ligne.

Au repos, c'est-à-dire lorsqu'aucun gaz ne circule à travers le détendeur, la tête 14 du piston 10 est maintenue éloignée de la paroi interne 5 par un ressort 16 venant prendre appui, d'une part, sur la paroi interne 5, et d'autre part, sur la tête 14 du piston.

En fonctionnement, le gaz sous pression est introduit dans le détendeur 1 par l'entrée 3. Le gaz circule alors du compartiment amont 6 sous pression vers le compartiment aval 7 par l'intermédiaire du canal intérieur 18 de la tige 11 du piston 10 avant de sortir du détendeur par la sortie 4 pour alimenter l'appareil utilisateur.

Les forces tendant à écarter le piston 10 du boîtier 2 sont celles provenant du gaz sous pression et celle exercée par le ressort 16. Le bilan des forces s'exerçant sur l'élément mobile à l'équilibre s'écrit donc : P alimentation X S + F _resso rf = P détente * S'

La surface S offerte au gaz sous pression étant très petite voire nulle devant la surface offerte au gaz détendu, l'équilibre des forces peut s'écrire : r ressort ⁼ Pdétente X S et est donc indépendant de la pression amont.

Lorsque la pression de sortie est trop importante, la force exercée par le gaz détendu sur la tête 14 du piston 10 est alors suffisante pour vaincre la force de répulsion du ressort 16 et l'extrémité 12 est plaquée contre la paroi 20 dans le siège 19, obturant ainsi le canal intérieur 18 de manière étanche. Lorsque la pression de sortie diminue, le compartiment aval 6 n'étant plus alimenté en gaz, les forces de rappel du ressort redeviennent

supérieures aux forces de pression exercées par le gaz détendu sur le piston 10 et entraînent par conséquent récartement de l'extrémité 12 du boîtier 2 et donc l'ouverture du canal intérieur 18. Le gaz sous pression circule à nouveau du compartiment amont 6 vers le compartiment aval 7. En cas de variation de la pression d'alimentation, la variation de la force d'ouverture résultante est égale au produit de la variation de la pression d'alimentation par la surface sur laquelle cette pression s'exerce, à savoir la surface de contact S. Celle-ci étant très largement inférieure à la surface de contact S', la variation résultante est négligeable. Le point d'équilibre du piston 10 ne subit donc pas de variation significative.

On pourra également prévoir un système complémentaire permettant de couper l'arrivée du gaz par manque de pression aval. Dans ce cas, le canal 18 débouche au niveau d'un deuxième siège étanche contre lequel le piston 10 est apte à venir se plaquer par l'intermédiaire d'une surface affinée lorsque la pression aval est insuffisante pour contrer le ressort. Un canal secondaire reliant directement le compartiment amont 6 et le compartiment aval 7 et équipé d'un système de fermeture étanche permettra lors de son ouverture une remise sous pression du compartiment aval 7 après suppression de la cause de la chute de pression aval. Ce faisant le piston 10 est repoussé du deuxième siège et permet à nouveau la circulation et la détente du gaz.

La figure 2 représente un détendeur 30 selon un deuxième mode de réalisation. Le détendeur 30 est réalisé à partir d'un boîtier 35 comprenant un couvercle 35a, une partie intermédiaire 35b et une partie inférieure 35c. Comme pour le boîtier 2, le boîtier 35 comporte une entrée 3 de gaz sous pression aménagée dans la partie inférieure 35c et une sortie 4 du gaz détendu aménagé dans le couvercle 35a, paroi intérieure 5 de la partie intermédiaire 35b divise le boîtier 35 en un compartiment amont 6, fermé par la partie inférieure 35c, et un compartiment aval 7, fermé par le couvercle 35a. Par ailleurs, le détendeur 30 comprend un piston 31 qui diffère du piston 10 du détendeur 1 par le fait qu'une membrane 32 souple est fixement rattachée à l'extrémité 13 par l'intermédiaire d'une bague de sertissage 33. La membrane 32 est également fixée en périphérie dans le boîtier 35 au moyen de vis de fixation 34. La souplesse de la membrane 32 permet à cette dernière de se déformer pour suivre le déplacement de la tige 11.

II convient de noter que l'entrée 3 de gaz sous pression et la sortie 4 de gaz détendu sont toutes deux étant décalées par rapport à l'axe du piston 31.

Par ailleurs, un trou d'évent 21 est pratiqué dans la partie intermédiaire 35b de manière à permettre une communication entre l'atmosphère et le volume sous le piston 31 et ainsi éviter toute montée en pression lors du déplacement dudit piston 31.

Dans cette configuration, l'élément mobile que constitue le piston 31 présente, d'une part, une surface de contact S minimale, voire nulle, au gaz sous pression à l'endroit de la détente, et d'autre part, une surface de contact S' maximale au gaz détendu, celle-ci étant sensiblement égale à la surface de la membrane 32 à laquelle s'ajoute la surface de la section tronconique de la tige du piston 31.

Il convient toutefois de noter que la surface de contact d'une membrane telle que la membrane 32 est plus difficile à évaluer précisément, en raison notamment de variations de la rigidité intrinsèque de la membrane en fonction de la température. De ce fait, un détendeur 30 selon ce mode de réalisation est légèrement moins précis qu'un détendeur 1 selon le premier mode de réalisation. II est également intéressant de noter que de tels détendeurs 1 , 30 comportent un nombre de pièces réduit par rapport à un détendeur traditionnel.

Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des exemples particuliers de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.