Régulateur du débit d'un fluide et utilisation de ce régulateur
La présente invention a pour objet un régulateur destiné à commander le débit d'un fluide provenant d'une source à pression relativement haute vers un réseau maintenu à une pression relativement basse, et une utilisation de ce régulateur.
I1 est souvent souhaitable de posséder un moyen de régler le débit des gaz ou d'autres fluides provenant d'un çentre d'alimentation et dirigés vers un réseau qui consomme ces fluides soit continuellement, soit périodiquement. Lorsque la différence de pression entre l'alimentation en gaz et le réseau destinataire est considérable, il ne se présente pas de problèmes particuliers. On utilise généralement un régulateur à diaphragme qui est relié au réseau travaillant à basse pression. Des modifications minimes de la pression de ce réseau travaillant à basse pression, pour cause de fuites hors du réseau, provoquent un déséquilibre sur le diaphragme, dont la connexion de commande actionne une soupape de réglage qui introduit dans le réseau une plus grande quantité de gaz, afin de rétablir ainsi la pression choisie pour le réseau lui-même.
Cependant, sur ces régulateurs ordinaires à deux étages, la totalité de l'énergie virtuellement présente dans l'alimentation à haute pression se perd au cours de l'opération de réglage.
Fol y a un exemple de réseau dans lequel la pression de service est basse relativement à la pression d'alimentation: c'est la pile à carburant. Dans ce cas le carburant gazeux et la substance oxydante sont fournis d'une manière continue aux électrodes de la pile. Pendant que la pile est en service, les électrodes fonctionnent en temps normal à la pression d'environ 70 g/cm2 et consomment du gaz en quantité variable aussi longtemps que la pile reste en service; elles cessent complètement de consommer du gaz lorsque la pile n'est plus en train de produire d'énergie électrique. Les sources d'alimentation en carburant ou en gaz oxydant sont maintenues généralement à des pressions qui peuvent varier entre 1 et 200 atmosphères.
Par conséquent, la différence de pression entre l'alimentation en gaz et le réseau qui fonctionne peut être relativement grande, et il est souhaitable de disposer d'un moyen efficace et précis pour la régulation des gaz.
Parmi les régulateurs qui sont ordinairement utilisés dans ce but il y a notamment des régulateurs traditionnels à deux étages. Cependant, ces régulateurs ne comportent pas de dispositifs qui assurent la circulation du fluide à travers le réseau en fonction. Or, cette circulation se révèle utile, par exemple, dans les réseaux pourvus d'électrodes pour les piles à carburant où la circulation des gaz sur la surface des électrodes contribue à prévenir l'accumulation de fluides indésirables sur lesdites surfaces. En conséquence, on s'est efforcé d'assurer ladite circulation dans les réseaux de piles à carburant par le moyen de pompes à fluides variées, lesquelles fonctionnent soit à l'électricité qui est produite par la pile elle-même, soit à l'électricité fournie par une source de courant indépendante.
Bien que les régulateurs traditionnels à deux étages ne puissent pas utiliser l'énergie virtuellement présente dans la pression de la source d'alimentation, on peut se servir de régulateurs à trois étages pour récupérer une partie de ce potentiel d'énergie. Les régulateurs de ce genre sont toutefois encombrants et de grandes dimensions, et ils peuvent présenter l'inconvénient d'avoir un temps de latence excessivement long, dû à la friction qui se manifeste sur les parois étanches dynamiques dont on se sert pour séparer les chambres à haute pression des chambres à basse pression. En outre, les régulateurs de ce genre ne fournissent pas le moyen d'exploiter l'énergie disponible de la source d'alimentation pour assurer la circulation du fluide à travers le réseau en fonction.
L'invention a donc pour but de fournir un régulateur ne présentant pas les inconvénients indiqués ci-dessus des regulateurs connus.
Le régulateur faisant l'objet de la présente invention comprenant une chambre à soupape comportant une entrée pour le fluide à haute pression, commandée par une soupape limitatrice du débit, et une sortie en communication avec une conduite d'alimentation en fluide du réseau, la soupape étant actionnée par un diaphragme qui réagit à la presssion à la sortie du réseau, est caractérisé en ce que le diaphragme constitue une partie de la paroi d'une deuxième chambre en communication avec la conduite de sortie du réseau, cette deuxième chambre étant séparée de la chambre à soupape, au moins en partie, par une cloison comportant ou constituant un joint élastique qui constitue un pivot pour une tige de soupape, une extrémité de la tige constituant une pièce de fermeture de la soupape, et l'autre extrémité étant reliée au diaphragme.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution du régulateur objet de l'invention:
La fig. 1 est une vue schématique d'une première forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue schématique d'une seconde forme d'exécution.
La fig. 3 est une coupe d'une troisième forme d'exécution.
La fig. 4 est une vue en plan d'une quatrième forme d'exécution.
La fig. 5 est une coupe selon 5-5 de fig. 4.
La fig. 6 est une coupe selon 6-6 de fig. 4 et,
la fig. 7 représente une coupe d'une cinquième forme d'exécution.
Le régulateur représenté à la fig. 1 comprend une première chambre 10, en communication avec un réseau 101 d'utilisation de fluide fonctionnant à la pression relativement basse Pj, et une deuxième chambre 1 1 qui est en communication avec la première chambre à travers le réseau 107; cette deuxième chambre possède une partie de paroi 12 en commun avec la première chambre. La deuxième chambre 11 est en communication avec une source de fluide qui est maintenue à la pression relativement haute PO par un siège de soupape 13. La première chambre est munie d'un diaphragme 14 qui réagit à la pression et qui constitue une partie de la paroi de la première chambre.
Une tige de soupape 15 articulée porte à l'une de ses extrémités une pièce de fermeture 16 coopérant avec le siège de la soupape, l'autre extrémité de ladite soupape reliée au diaphragme. La tige 15 est montée à un pivot dans un joint élastique 17 qui se trouve dans la paroi commune entre les chambres 10 et 11.
La tige de soupape 15 est articulée en un point 18. Il est cependant loisible d'utiliser d'autres genres de tiges de soupape, comme on pourra le voir d'après la description des différents modes de réalisation, qui seront examinés ci-après. Le diaphragme 14 peut être fabriqué de manière à réagir à une pression particulière Pj, ou bien il peut être muni de dispositifs d'ajustement aptes à le faire réagir à des pressions différentes dans les limites d'une gamme déterminée.
Lorsque d'une part la pression existant dans la partie du réseau qui est utilisée pour reconnaître le degré de pression, et d'autre part la pression dans la chambre 10 qui communique avec le réseau de service atteignent au moins Pt, le diaphragme (qui a été réglé pour réagir à une pression d'environ P) est poussé vers l'extérieur de la chambre, et la tige de soupape 15, pivotant sur le joint élastique 17, force la pièce de fermeture 16 contre le siège de la soupape 13 et interrompt par conséquent l'alimentation en fluide.
Lorsque la pression dans le réseau de service et dans la chambre 10 tombe au-dessous de
P,, le diaphragme 14 pousse la tige de soupape 15 dans le sens contraire, forçant ainsi la pièce de fermeture 16 hors du siège de soupape 13 et permettant par conséquent au fluide qui provient de la source d'alimentation de pénétrer dans la chambre 1 1 et dans le réseau d'utilisation, jusqu'au moment où la pression à l'intérieur de ce réseau et de la chambre 10 aura de nouveau atteint
P1; l'alimentation en fluide sera dès ce moment encore une fois interrompue.
Quand il n'y a pas de chute considérable de pression du fluide à travers le réseau d'utilisation 101, la pression Pa dans la chambre 1 1 et la pression Pj sont approximativement égales lorsque l'alimentation en fluide est interrompue; quand la soupape, qui comprend le siège 13 et la pièce de fermeture 16, s'ouvre pour laisser entrer le fluide à la pression P2, la pression P3 est supérieure à la pression Pa jusqu'au moment du rétablissement de l'équilibre de la pression du fluide. Lorsqu'il y a une chute de la pression du fluide à travers le réseau d'utilisation, la pression P5 se situe généralement entre la pression d'alimentation P2 et la pression de référence P.
Le joint élastique présente un axe qui offre une résistance minimum à la friction lorsque le mouvement du diaphragme qui agit sur la tige de la soupape règle l'alimentation en fluide à haute pression vers le réseau. Le joint élastique est fabriqué à l'aide d'un élastomère naturel ou synthétique, par exemple du caoutchouc naturel, des copolymères d'hexafluoropropylène et de fluorure de vinylidène, de caoutchouc synthétique tel que le Néoprène (nom déposé), de caoutchouc d'organopolysiloxane, et d'autres substances analogues.
On choisira de préférence pour le joint élastique des matières susceptibles de résister à la chute de pression relativement importante qui pourra se produire dans la paroi renfermant le joint lui-même; ces matières devront pouvoir résister aussi à la corrosion ou aux effets d'autres agents chimiques contenus dans le fluide, pendant des laps de temps très longs.
I1 est opportun de fabriquer le diaphragme à l'aide d'une membrane mince de la même matière qui aura été utilisée pour la fabrication du joint élastique; à la rigueur, on pourra se servir de feuilles métalliques minces.
Le montage en pivot de la tige de la soupape dans le joint élastique supprime la résistance à la friction à un point tel qu'il est possible d'obtenir une bonne régulation du débit du fluide même avec des diaphragmes relativement petits.
Le siège de la soupape peut être fabriqué à l'aide de n'importe laquelle des matières qu'on emploie généralement pour cet usage particulier. La pièce de fermeture de la soupape pourra être fabriquée avec les mêmes matières qui auront été employées pour le joint élastique, et avec d'autres encore, telles que le polytétrafluoréthylène, poly (alpha-oléfines) et les élastomères de polyuréthane.
La fig. 2 montre un mode de réalisation de l'invention qui se prête particulièrement bien à l'emploi dans une pile à carburant. Le régulateur représenté à la fig. 2 comprend une première chambre 20, qui est reliée à une électrode 103 pour pile à carburant par l'intermédiaire de conduites 21 et 22, en sorte que la chambre 20, l'électrode et les conduites 21 et 22 forment ensemble un circuit fermé ou une boucle. Ce circuit comporte un dispositif 23 qui est destiné à éliminer l'eau ou d'autres liquides provenant du fonctionnement de l'électrode, de même qu'à éliminer à l'occasion des gaz provenant du circuit fermé. Ce circuit fermé fonctionne à la pression Pt, laquelle, pour les piles à carburant traditionnelles, est à peu près égale à 70 g/cm2. Un diaphragme garni d'un ressort 24 constitue une partie des parois de la chambre 20.
Une deuxième chambre 25 se trouve en communication directe avec la chambre 20 par l'intermédiaire d'un petit orifice 26; la chambre 25 possède une paroi 27 en commun avec la chambre 20. La chambre 25 se trouve en communication avec la source d'alimentation en gaz à la pression P2, par l'intermédiaire d'un siège de soupape 28. Une tige de soupape 29 articulée porte à une extre- mité une pièce de fermeture de soupape 30, étant reliée au diaphragme. La tige 29 est montée à pivot dans un joint élastique 31 qui se trouve dans la paroi commune 27. Le fonctionnement du régulateur représenté sur la fig. 2, en réponse à un changement de pression dans le circuit fermé qui comprend la chambre 20, est pour l'essentiel le même que celui qui a été décrit ci-dessus à propos de la fig. 1.
Le petit orifice 26 qui se trouve entre la chambre 25 et la chambre 20 est constitué par une buse et il est adjacent à l'entrée de la conduite 21, qui relie la chambre 20 à l'électrode de chambre à carburant 103. La conduite 21, à son tour, se compose d'une première zone 32 à section droite restreinte, et d'une deuxième zone 33 à section droite plus grande, entre la première zone et l'électrode de la pile à carburant.
Le jet de gaz provenant de l'orifice 26 sort de cet orifice à une vitesse relativement grande; il passe à travers la zone 32 et entre dans la zone 33 ; l'énergie de la vitesse d'entrée du gaz se trouve ainsi transmise à celui dans la conduite 21 et dans la totalité du système fermé à électrodes; elle active ainsi également la circulation du gaz dans le réseau qui comprend la conduite 21, l'électrode de la chambre à carburant 103, la conduite 22 et la chambre 20. La circulation de gaz dans un réseau comprenant des électrodes de pile à carburant est le plus souvent désirable, car ce gaz en circulation peut transporter de l'eau ou d'autres matières provenant de la surface gazeuse de l'électrode vers un point où cette eau ou ces autres substances pourront être recueillies et éliminées du réseau à intervalles réguliers.
Le mode de réalisation illustré sur la fig. 2 présente un dispositif servant à régler la pression d'alimentation en amont de la buse 26, de telle sorte que la masse du débit du gaz qui alimente le réseau se trouve exactement ajustée à la cadence de consommation en gaz de la pile à carburant, même lorsque cette cadence est variable; cette méthode permet aussi d'assurer la circulation du gaz dans tout l'ensemble d'un réseau comprenant des électrodes pour piles à carburant.
La fig. 3 est une coupe d'un régulateur qui se prête à l'usage sur un réseau comprenant des électrodes pour piles à carburant. Ce régulateur comprend un flasque 40 qui renferme une chambre 41, un diaphragme 42 garni d'un ressort et un deuxième flasque 43 qui est relié au flasque 40 de manière à garantir une fermeture étanche aux gaz. Le flasque 43 comporte une chambre en longueur 44 qui contient le ressort pour le diaphragme 42 et une vis 45 qui sert à régler la tension de ce ressort. Il y a en outre une chambre 46 qui est délimitée par une partie allongée du flasque 40, cette chambre 46 étant séparée de la chambre 41 par un joint élastique étanche 47. Une tige de soupape 48 recourbée est montée de façon à pouvoir glisser dans un support 49, lequel est à son tour fixé au diaphragme 42.
La tige de soupape 48 se prolonge à travers le joint étanche 47 et se termine par une pièce de fermeture 50 d'un siège de soupape 52. Du gaz à haute pression est introduit dans la chambre 46 à travers un raccord 51 qui se termine par le siège de soupape 52. La chambre 46 est en communication avec une chambre 53 par l'intermédiaire d'une buse 54. Un tuyau 55 conduit à une électrode de pile à carburant 105, et un tuyau de retour 56 assure la conduite en sens inverse, de l'électrode 105 à la chambre 53. Une conduite 57 fait communiquer le système d'électrodes avec la chambre 41 et constitue un repère pour la basse pression.
Lorsque l'électrode 105 consomme du gaz, et lorsque la pression dans le circuit fermé constitué par la chambre 53, la conduite 55, l'électrode de chambre à carburant 105 et la conduite 56 tombe au-dessous d'un niveau dolmé pour le fonctionnement de l'électrode, la pression à l'intérieur de la chambre 41, laquelle est reliée au circuit fermé par la conduite 57, tombe également audessous de ce niveau donné. Le diaphragme 42 se trouve alors poussé vers l'intérieur par le ressort et il provoque le pivotement de la tige de soupape 48 dans le joint 47 ; il en résulte que la pièce de fermeture 50 se trouve éloignée du siège de soupape 52 et permet ainsi au gaz provenant de la source d'alimentation à haute pression d'entrer dans la chambre 46. Ensuite, le gaz à pression plus forte pénètre dans la chambre 53 et dans la conduite 55, en passant par la buse 54.
Le gaz qui entre par la buse 54 ne ramène pas feulement au niveau nécessaire pour le service la pression existante dans le circuit fermé et dans la chambre 41, en poussant le diaphragme 42 dans le sens contraire et en interrompant l'alimentation en gaz; il faut aussi considérer que ce jet à grande vitesse fait également circuler le gaz à travers la boucle fermée qui est constituée par la chambre 53, la conduite 55, l'électrode 105 et la conduite 56.
Le mode de réalisation du régulateur représenté aux fig. 5 et 6 comporte un flasque 60, une chambre 61 à l'intérieur du flasque 60, un diaphragme à ressort 62, et un deuxième flasque 63 qui comporte une partie allongée 64 dans laquelle se trouvent le ressort pour le diaphragme 62 et une vis 65 servant au réglage de la tension de ce ressort; les flasques 60 et 63 sont fixés l'un à l'autre de manière à garantir une étanchéité parfaite. Une deuxième chambre 66, à l'intérieur du flasque 60, est en communication avec la chambre 61 par l'intermédiaire d'un petit orifice 67; ce petit orifice est constitué par un tube capillaire 68 en verre. La chambre 66 est en communication avec la source d'alimentation de gaz à haute pression (P) à travers un raccord 69 et un siège de soupape 70.
Un joint élastique étanche 71 constitue une partie d'une paroi commune 72 entre les chambres 61 et 66; il est fabriqué au moyen d'un copolymère d'hexafluoropropylène et de fluorure de vinylidène. Une tige de soupape 73 est pourvue à une extrémité d'une pièce de fermeture 74 coopérant avec le siège 70. La tige est montée à pivot dans le joint étanche 71, et son autre extrémité est montée de manière à pouvoir glisser dans un support 75 relié au centre du diaphragme 62. Une conduite 76 met en communication la chambre 61 avec un système d'électrodes de pile à carburant (qui ne figure pas sur le dessin), tandis qu'une deuxième conduite 77 assure la liaison de retour entre les électrodes et la chambre 61.
La chambre 61, les conduites 76 et 77 et les électrodes constituent un circuit fermé qui fonctionne à la pression relativement basse Pl. L'entrée de la conduite 76 est placée vis-à-vis du petit orifice 67; cette conduite comporte une zone 78 de section droite limitée, laquelle
est suivie par une zone divergente 78' qui est en commu
nication avec les électrodes. Un orifice 79 fait communiquer le coté ressort du diaphragme 62 et l'atmosphère ambiante.
Le régulateur représenté à la fig. 7 constitue un perfectionnement du régulateur des fig. 4, 5 et 6, en ce sens qu'il présente une dérivation pour le gaz autour de la buse, dans le but de protéger la pile à carburant contre une surcharge éventuelle lorsque la quantité de gaz nécessaire est supérieure au volume du débit qui est susceptible de passer par la buse, pour cause de limitation de la pression d'alimentation. Le régulateur représenté par la fig. 7 comporte tous les éléments désignés par les numéros 60 à 79 sur les fig. 4, 5 et 6. I1 comporte une partie allongée 80 faisant partie du flasque 60 et contenant à la fois une tige de soupape 81 et un mécanisme de charge d'un ressort 82 pour la tige de soupape 81.
Cette partie allongée 80 comprend également une chambre 83 qui est en communication avec la chambre 61 par un orifice et par un siège de soupape 84, et en communication avec la chambre 66 par un canal 85. Une extrémité de la tige de soupape 81 est adjacente au support 75, passe ensuite par l'orifice du siège de soupape 84 et prend fin par une pièce de fermeture 86. Une dérivation pour le gaz pénètre dans la chambre 66 en provenance de la source d'alimentation à haute pression. Lorsque la consommation de gaz dans le réseau à basse pression est relativement réduite, la soupape de dérivation, qui se compose du siège de soupape 84 et de la tige de soupape 81, ne fonctionne pas et le débit du gaz s'effectue par la voie normale, à savoir depuis la chambre 66, à travers le petit orifice 67, vers la chambre 61 et la conduite 76.
En revanche, lorsque la consommation de gaz dans le réseau à basse pression est relativement forte, d'une part le diaphragme 62 et le support 75 forcent la tige de soupape 73 à laisser entrer de grandes quantités de gaz dans la chambre 66, et d'autre part le mouvement du support 75 agit aussi sur la tige de soupape 81 et force la pièce de fermeture 86 à s'éloigner du siège de soupape 84. De cette manière, le gaz qui provient de la chambre 66 peut entrer dans la chambre 61, à la fois en passant par le petit orifice 67 et en passant successivement par le canal 85, la chambre 83 et l'orifice du siège de soupape 84.
On peut faire pénétrer ainsi rapidement des quantités relativement grandes de gaz dans le réseau à basse pression sans avoir à passer uniquement par le petit orifice 67.
I1 est possible de prévoir d'autres dispositifs de dérivation du gaz en plus de celui qui est représenté sur la fig. 7. Par exemple, dans le régulateur représenté aux fig.
4, 5 et 6, on peut prévoir une dérivation du gaz en introduisant un clapet d'excès de pression qui mettra en communication la chambre 66 et la chambre 61. Ce clapet s'ouvrira dès que la pression existante dans la chambre 66 dépassera le niveau qui aura été déterminé à l'avance.
Parmi les autres exemples de réseaux consommant des fluides qui peuvent être alimentés par le régulateur décrit, on peut mentionner les récipients à réactions chimiques pour lesquels on exige une alimentation à pression déterminée en gaz réactifs, en liquides chimiques organiques et en d'autres substances analogues, ainsi que les appareils qui exigent une atmosphère gazeuse déter
minée, par exemple les appareils destinés à la mesure de
I'absorption de gaz variés par un tissu animal, par des
champignons ou par d'autres matières vivantes.
Le régulateur décrit est utile en outre pour le réglage
de l'alimentation en fluides autres que des gaz, par exemple l'alimentation en eau et en composés liquides organiques ajoutés à des mélanges réactifs, tels que ceux
qui ont été décrits au précédent alinéa.
REVENDICATION I
Régulateur destiné à commander le débit d'un fluide provenant d'une source à pression relativement haute vers un réseau maintenu à une pression relativement basse, comprenant une chambre à soupape comportant une entrée pour le fluide à haute pression, commandée par une soupape limitatrice du débit, et une sortie en communication avec une conduite d'alimentation en fluide du réseau, la soupape étant actionnée par un diaphragme qui réagit à la pression à la sortie du réseau, caractérisé en ce que le diaphragme constitue une partie de la paroi d'une deuxième chambre en communication avec la conduite de sortie du réseau, cette deuxième chambre étant séparée de la chambre à soupape, au moins en partie, par une cloison comportant ou constituant un joint élastique qui constitue un pivot pour une tige de soupape,
une extrémité de la tige constituant une pièce de fermeture de la soupape et l'autre extrémité étant reliée au diaphragme.
SOUS-REVENDICATIONS
1. Régulateur selon la revendication I, caractérisé en ce que la sortie de la chambre à soupape est constituée par une buse dirigée vers un passage qui met en communication la deuxième chambre avec la conduite d'alimentation du réseau.
2. Régulateur selon la revendication I, caractérisé en ce que la chambre à soupape est mise en communication avec la deuxième chambre par l'intermédiaire d'une dérivation qui contient un clapet disposé de manière à pouvoir s'ouvrir sous l'effet d'un ressort actionné par le mouvement du diaphragme.
3. Régulateur selon la revendication I, caractérisé en ce que la tige de soupape est reliée au diaphragme par un support.
4. Régulateur selon la revendication I, caractérisé en ce que le joint élastique est fait d'une substance élastomère naturelle ou synthétique.
5. Régulateur selon la revendication I, caractérisé en ce que le joint élastique est fait en caoutchouc naturel, en copolymère d'hexafluoropropylène et de fluorure de vinylidène, en caoutchouc synthétique ou en caoutchouc d'organopolysiloxane.
REVENDICATION II
Utilisation du régulateur selon la revendication I, pour régler l'alimentation en gaz carburant d'une électrode de pile à carburant.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.