LU84677A1 - Vanne thermosensible - Google Patents

Description

V .

> WDV/cd/1985

VANNE THERMOSENSIBLE

L'invention εβ rapporte à une vanne de sécurité, adaptée à réagir lors d'une surchauffe de 1'athmosphère extérieure entourant la vanne, par exemple en cas d'incendie. Le type de réac-• tion peut aussi tien être une ouverture de la vanne, par exemple lorsqu'une vanne à liquide est connectée à un dispositif d'arrosage du foyer d'incendie, comme une fermeture, par exemple lorsqu'il s'agit d'une vanne à gaz combustible insérée dans le tuyau d'entrée d'un bâtiment.

Uïb telle vanne aura, en termes généraux, un corps de vanne, par exemple tubulaire, séparant une canalisation intérieure de 1'athmosphère extérieure, un corpe d'obturation mobile entre une position d'ouverture et de fermeture (c'est à dire une position où ladite canalisation est ouverte, respectivement fermée par le corps d'obturation) et un mécanisme de commande dudit corps d'obturation. Ce dernier corps peut avoir la forme de piston qui peut coulisser dans un cylindre ayant une ou plusieurs‘-ouvertures dans sa paroi, obturées ou non par le piston suivant la position de ce dernier, ou il peut avoir la forme d'une bille, ou de clapet, adapté à la forme d'un siège de soupape et qui ferme le passage lorsqu'il se trouve appuyé contre le siège de soupape, ou toute autre forme.

Dans une telle vanne, la position du corps d'obturation sera commandée par un mécanisme de commande à base d'un élément thermosensible, c'est à dire un mécanisme où le mouvement d'ouverture et/ou fermeture du corps d'obturation est déclenché par un signal provenant d'un élément thermosensible qui capte la condition de surchauffe. Ce mécanisme est un ensemble d’un ou de plusieurs élé- i —---------------- 1985/2.

qui a pour fonction de produire le mouvement du corps d'obturation à partir du signal de l'élément thermosensible.

Dans le cadre de la présente invention, l'élément thermosensible est sous forme d'un corps à mémoire de forme ayant une une différente forme à chaud et à froid. Ces corps ont comme avantage, comme bien connu dans des systèmes de commande ou de régulation de température, que l'élément thermosensible produit un mouvement avec assez d'énergie pour mouvoir les parties mobiles de ces systèmes. Ceci permet de simplifier ces systèmes et d'éviter, si besoin, par exemple dans des systèmes de sécurité, l'utilisation d'éléments électriques. Dans des vannes thermosensibles tels que décrites ci-dessus, on peut imaginer plusieurs genres de mécanismes de commande suivant que la vanne doit s'ouvrir ou se fermer lors d'une surchauffe, suivant qu'elle peut se réouvrir ou se refermer après la surchauffe ou pas, suivant qu'elle doit srouvrir ou se fermer dans le même sens ou en sens contraire de la pression du fluide, suivant que le corps à mémoire de forme fonctionne comme - élément moteur du corpe d'obturation, ou comme élément de verrouillage qui empêche temporairement le mouvement du corps d'obturation, à engendrer par un autre élément mécanique, etc. Dans sa forme la plus simple, le mécanisme de commande pourra être constitué par le corps à mémoire de forme à lui eeul, celui-ci remplissant la fonction d'élément thermosensible et d'élément moteur du corps d'obturation.

Toutefois, pour ces vannes qui doivent réagir à la température extérieure, le temps de réponse est assez long, l’élément à mémoire de forme se trouvant à l'intérieur de la vanne, puisqu'il doit être mobile et commander la vanne à l'intérieur. L'invention a pour but d'améliorer sensiblement le temps de réponse de ces jj vannes à une surchauffe de 1 'athmosphère extérieure.

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Suivant l'invention, le corps à mémoire de forme est partiellement monté de manière immobile dans le corpB de vanne de sorte à former un contact conducteur de chaleur eur une partie substantielle de sa surface.

L’invention est basée sur l'idée que, bien que le corps à mémoire de forme doit être un élément mobile qui; doit produire du mouvement, rien n'empêche à ne l'utiliser qù'eri partie comme tel, et à utiliser l'autre partie, fixe, comme capteur de chaleur, extrayant de la chaleur par conduction de l'intérieur du corps de vanne et envoyant cette chaleur vers la partie mobile. Pour extraire cette chaleur, il est nécessaire de réaliser un bon contact conducteur de chaleur entre le corps de vanne et la partie fixe du corpe à mémoire de forme. C'est pour cela que cette partie fixe est montée de sorte qu'à ce qu'une partie substantielle, de préférence au moins 10 io, de la surface totale du corps à mémoire de forme soit en contact conducteur avec le corps de vanne. Les pourcentages supérieurs, par exemple entre 10 et 80 $, augmenteront la sensibilité de la vanne

Le corps à mémoire de forme aura de préférence une forme .allongée et se trouvera pour une partie de sa longueur enfoncé de manière fixe dans une rainure dans la paroi intérieure du corps de vanne. Ceci facilite le montage de la vanne ou ce corps à mémoire de forme peut être introduit et monté en enfonçant ce corps dans la rainure.

L'invention sera expliquée plus en détail à l'aide de quelques dessins, donnés à titre d'exemple seulement.

La Figure 1 montre une coupe d'une vanne à gaz suivant l'invention en position d'ouverture.

La Figure 2 montre la même coupe de la même vanne en position de fermeture.

>La Figure 3 montre une vue, prise en direction axiale.

1985/4.

La Figure 4 montre la forme du corps à mémoire de forme utilisé dans la vanne.

La Figure 5 montre la forme d’un ressort, utilisé dans la vanne pour donner au corps d'obturation un caractère bistable. La Figure 6 montre un diagramme indiquant la température de transition en fonction de la composition de l'alliage à mémoire de forme.

Comme montré à la Figure 1, la vanne comprend un corps de vanne constitué par un tube 1 en acier entouré d'un anneau 2 en aluminium, dont la surface intérieure est en contact intime avec la surface extérieure du tube, par exemple par serrage conique. La surface extérieure de l'anneau a la forme d'ailettee 5 de réfrigération. Les sommets 4 des ailettes peuvent ee trouver sur une surface cylindrique, comme au cas de la figure, ou conique afin de laisser pénétrer plus facilement entre les ailôttee les courante de 1’athmosphère extérieure dans le sens axial du tube.

La paroi intérieure du tube 1 est aménagée en forme de canalisation ayant un siège de soupape 5> dont la forme est adaptée à un bille 6 qui fonctionne comme corps d'obturation mobile entre une position d'ouverture (Figure 1) et une position de fermeture (Figure2 dans laquelle la canalisation se trouve obturée par la bille. Le mécanisme de commande comporte un ressort 7 en acier inoxydable (Figure 4) et un fil 8 en matière à mémoire de forme (Figure 5) d'un alliage comprenant 70,1 Ί0 Cu, 25,6 Zn et 4,5 i° il. Le ressort 7 et le fil ont chacun la forme d'un arc de cercle de plus de 180eC avec lee deux boutB pliés vers l'intérieur du cercle, et chez les deux; la partie en arc de cercle se trouve coincée et enfoncée dans une rainure aménagée dans la paroi intérieure du corps de vanne.

Les deux bouts 9 et 10 et les deux bouts 11 et 12, respectivement du ressort 7 et du fil 8 restent mobiles. Cette forme facilite le montage, puisqu'en poussant sur les bouts dans le sens des flèches (Figures 4 et 5), on réduit le rayon du cercle, ce qui permet l’in-fj troduction et la fixation dans la rainure. La forme de la paroi de la rainure dans laquelle se trouve le fil 8 épouse très précisément 1985/5.

la partie enfoncée de la surface extérieure du fili de sorte à former un contact intime permettant une transmission facile de la chaleur par conduction sur une surface aussi grande que possible.

En position ouverte (Figure 1) la bille 6 se trouve en une position stable, légèrement coincée entre les deux bouts 9 et 10 du ressort 7 et les deux bouts 11 et 12 du fil à mémoire de forme.

En poussant la bille en direction du Biège 5» cette bille fait écarter les deux bouts 9 et 10 du ressort 8, ce qui produit un force s’opposant contre ce mouvement. Si l'on pousse toutefois la bille suffisamment loin, les deux bouts se referment à nouveau et produisent une force dans le même sens du mouvement, de sorte à ce que la bille continue son mouvement vers sa position de fermeture (Figure 2). Dans cette position, la bille 6 se trouve légèrement coincée entre le ressort 7 et le siège 5· 3)e cette manière, la fonction du ressort est de procurer à la bille un caractère bistable ! il n'y a que deux positions stables : la position d'ouverture et de fermeture.

Le corps filiforme 8 à mémoire de forme a été préparé, comme connu, de sorte à avoir une forme "à froid” (Figure 1) et une forme ”à chaud” (Figure 2). Par ”à froid" et "à chaud" l'on veut dire ï la forme lorsque le corps se trouve en-deesous, respectivement au-dessus de la zone des températures de transformation martensitique du matériau à mémoire de forme. La forme à froid est montrée à la Figure 1 où les deux bouts 11 et 12 du fil 8 se trouvent en position écartée du siège 5· Et la forme à chaud est donnée à la Figure 2, ou les deux bouts se trouvent en position rapprochée du siège 5·

En opération, la vanne se trouve originalement à température ambiante et dans la position ouverte suivant la Figure 1, avec la bille en position d'ouverture et le fil 8 ayant la forme à froid. Lorsqu'il se produit un courant d'air ou de fumée chaude qui passe entre les ailettes 5» celles-ci se chauffent par convection et’ / transmettent la chaleur à travers le corps de valve et par conduction V. vers le fil 8. Celui-ci, lorsqu'il atteint la température de Z- 1985/6.

transformation, change de forme et pousse avec les deux bouts 11 et 12 la bille 6 en direction du siège 5, et cette bille saute alors, bous l'influence du ressort 7» en position de fermeture dessinée à la Figure 2 (Avec la composition citée de l'alliage de l'exemple, ceci se produit à 55°C.). Si par après le fil 8 se refroidit en-dessous de sa température de transformation, ce fil reviendra dans sa forme à froid suivant la Figure 1, mais la bille 6 ne suivra pas ce mouvement et restera appuyé contre le siège 5 par l'action du ressort 7· La valve restera donc fermée après disparition de la condition de surchauffe. Pour réouvrir la valve, il faut l'intervention humaine. Pans ce but, le corps de valve est percé d'un trou 14 qui est obturé par une vîb 15· Le trou a une direction axiale qui pointe vers la bille 6. Pour réouvrir la valve, l'on dévisse la vis 15» passe une tige à travers le trou et l'on pousse la bille 6, à l'aide de la tige, à travers le ressort 7 vers la position d'ouverture.

L'invention n'est pas limitée à la composition du corpe à mémoire de forme ni à la température de transition choisie. Celle-c dépend de l'application : de la température "normale" dans laquelle la vanne sera dans sa position normale, et de la température "chaude" pour laquelle on désire que la vanne réagisse. Il faut alors que l’alliage à mémoire de forme soit à l'état martensitique à la température normale, et à l'état austénitique à la température chaude.

Et c'est en fonction de cette condition que l'alliage sera déterminé. De préférence on choisira un alliage de Cu-Al-Zn avec structure à l'état martensitique, dont la température de transition en fonctior de la composition est donnée à la Figure 6. La température M dans cette figure est la température du début de la transformation martensitique et ne concordera pas exactement avec la température à laquel! la vanne réagira, mais est indicative de cette température, ce qui permettra de choisir la composition désirée. Pour les applications de sécurité anti-incendie, on peut donc choisir une température de réaction entre 50 et 150eC, ce qui correspond à une température Μ0 qui se situe en général entre 40 et 140β0. On peut évidemment f utiliser d'autres alliages à mémoire de forme, comme un alliage Cu-Zi >Q Au-Cd, Hi-Ti ou d'autres alliages ternaires ou quaternaires de Fe, 1985/7.

Ni, Cr, Co ou Mn produisant un effet de mémoire de forme. Afin de donner à l’alliage la propriété de ee déformer lors de la transformation martensitique et inverse, il faut encore soumettre le corps à un travail de préparation s déformer le corps à l’état martensi-tique jusqu’à sa forme à froid, et à l’état austénitique jusqu’à sa forme à chaud.

Il est clair que le corps 8 ne doit pas nécessairement être filiforme. Bien que cette forme est particulièrement pratique pour la fabrication et le montage, on peut bien imaginer un corps en une autre forme, par exemple une bande, pour autant qu'elle soit montable en contact intime sur une partie suffisante de sa surface avec le corps de valve. Il n'est pas nécessaire non plus que le fil, ou une telle bande, soit enfoncée dans une rainure dans la paroi intérieure du corps de valve. On peut s'imaginer des constructions où. le fil, ou le corps tout entier se trouve à l'intérieur du corps de valve, à l'exception de la partie mobile qui doit commander le déclenchement de la valve. En plus, il n'est pas nécessaire que le corps dit "à mémoire de forme" soit constitué dans son entièreté de l'alliage à mémoire de forme. Il faut en tout cas que la partie appelée à se déformer soit en un tel alliage, mais l'autre partie ne doit pas l'être, pour autant qu'il s'agit d'un corps cohérent.

L'invention n'est non plus limitée au type de mécanisme ou système de commande du corps d'obturation. La présence du reseort 7 dans l'exemple est nécessaire lorsque l'on veut donner à la bille 6, ou au corpe d'obturation en général, un caractère bistable, c’est à dire où le corps d'obturation n'a que deux positions stables au repos. Mais l'on peut obtenir ceci par d'autres types de ressorte ou de mécanismes sans sortir du cadre de la présente, invention. Et, d'autre part, on peut utiliser le principe de l'invention dans des systèmes où il n'est pas nécessaire que le corps d'obturation ait un caractère bistable, mais où la fermeture ou l'puverture se fait plus progressivement, pour autant que la transmission de la chaleur / vers le corps à mémoire de forme s'effectue de la manière indiquée pour produire le signal déclenchant le mouvement.

1985/8.

En plus, on peut par exemple utiliser dans le mécanisme de commande un ressort moteur en acier, dont la détente est empêchée par un élément à mémoire de forme qui joue le rôle d'élément ver-rouilleur. Lorsque ce dernier, monté suivant l'invention, atteint la température de transformation, il change en une forme qui n’empeche plus la détente du ressort moteur de haute énergie, et celui-ci peut alors par exemple ouvrir une vanne d'arroeage de feu - i contre la pression d'arrivée du liquide. Ici, le corps à mémoire de forme joue le rôle de verrouilleur, tandie que dans l'exemple à la Figure 1 il joue le rôle d'élément moteur, mais dans les deux cas l'invention est applicable.

La transmission de chaleur de l'athmosphère extérieure vers le corps de vanne est augmentée par les ailettes de convection J.

Là où l'on aurait plutôt cru devoir faciliter la transmission de chaleur de l'extérieur vers l'intérieur avec des parois aussi minces que possible, on fortifie ces dernières avec une couronne et en plus, l'on augmente la transmission de chaleur. Toutefois, il ne faut pas nécessairement des ailettes ou une pièce d'ailettes comme dessiné à la Figure 1. Il suffit de donner à la surface extérieure une forme ondulée ou irrégulière promouvant la transmission de chaleur par convection, par exemple une eurface qui est minimum le double de la /surface lisse minimalement nécessaire.

Claims (9)

1. Vanne adaptée à réagir lors d'une surchauffe de l'ath-mosphère extérieure, comprenant un corps de vanne séparant une canalisation intérieure de l'atbmosphère extérieure, un corps d'ohturation, mobile entre une position d'ouverture et de fermeture, et un mécanisme de commande dudit corps d'obturation à base d'un élément thermosensible sous forme d'un corps à mémoire de forme ayant une différente forme à chaud et à froid, caractérisée en ce que ce dernier corps est partiellement monté de manière immobile dans ledit corps de vanne^ de sorte à former un contact conducteur de chaleur sur une partie substantielle de sa surface avec le corps de vanne.

2. Vanne suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie substantielle est d'au moins 10 ^ de la surface totale du corps à mémoire de forme.

3. Vanne suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le corpB à mémoire de forme a une forme allongée et se trouve pour une partie de ea longueur, enfoncée de manière fixe dans une rainure dans la paroi intérieure du corps de vanne.

4. Vanne suivant la revendication 3* caractérisée en ce que le corps à mémoire de forme eet un fil plié en forme d'un arc de cercle de plus de 180e avec les deux bouts pliés vers l'intérieur du cercle, l'arc de cercle formant la partie enfoncée dans la paroi intérieure du corps de vanne, et les deux bouts formant la partie mobile.

5· Vanne suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la surface extérieure dudit corps de vanne f a une forme promouvant la transmission de chaleur par convection. / » 1985/10.

6. Vanne suivant la revendication 5» caractérisée en ce que ladite surface extérieure est formée par des ailettes en aluminium.

7- Vanne suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le corps à mémoire de forme est l'élément moteur dudit mécanisme de commande.

8. Vanne suivant la revendication 7» caractérisée en ce que ledit mécanisme de commande comporte un ressort monté de sorte à procurer audit corps d'obturation un caractère bistable pour la jouté deux .mots ... ,, . ide fermeture.» . , . / position d'ouverture etXedix corps a mémoire de forme étant monté de sorte à pousser ledit corps d’obturation de la position d'ou- / ^— verture vers la position de fermeture lorsqu'il change de la forme à froid vers la forme à chaud, et à laisser inchangée la position dudit corps d'obturation lorsqu’il change de forme en sens inverse.

9. Vanne suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4» caractérisée en ce que le corps à mémoire de forme est un élément verrouilleur dudit mécanisme de commande._-