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"Organesde commanda thermiques
La présente invention concerne des perfection- nements aux organes de commande thermiques et en particulier, un groupe piston-cylindre nouveau et perfectionne, de construction économique, répondant avec précision aux variations de dimensions d'un matériau de remplissage, dues à la température, et mainte- nant un joint étanche entre des pièces se déplaçant l'une par rapport à l'autre.
Diverses formes d'organes de commande thermiques ont été proposées antérieurement en vue de convertir l'énergie thermique en efforts mécaniques et en mouvement fournissant l'éner- gie motrice pour la manoeuvre de vannes, d'interrupteurs, etc...
Une disposition classique de ce type gênerai comprend un récipient rigide, conducteur de la chaleur à l'intérieur duquel est prévu un remplissage de matériau tel que de la cire qui subit un change- ment marqué dans son taux d'expansion et de contraction par suito de transitions entre les phases solides et liquides à l'intérieur d'une étendue de températures limitée et prédéterminée. En trad.ui- @
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saut les variations de dimensions du remplissage, dues à des causes thermiques, en courses mécaniques d'un or,gane de sortie mobile, on a d'ordinaire utilisé dans la pratique des diaphragmes en élastomère, en forme de manchon,
dont on peut assurer l'étan- chéité autour de leur périphérie pour être certain qu'aucun des volumes do remplissage critiques ne puisse être dérangé par des fuites même minimes. Quand on désire des courses de sortie substnatielles, ces diaphragmes sont très sensibles aux déforma- tions et aux dommages résultant d'un allongement excessif, de l'abrasion due au frottement, et des effets de pincement ou de tasse,,lente En outre, dans certaines constructions, en raison de l'élasticité de tels joints, les réponses à la sortie peuvent être lentes et il peut se produire des effets d'hystérésis qui empochent l'organe de sortie de se déplacer exactement jusqu'aux positions désirées, au cours de mouvements répétés.
Quoique les systèmes piston-cylindre conviennent bien pour les types de trans- lation mécanique présentant de l'intérêt, le problème de l'étan- chéité n'a pas été résolu jusqu'ici d'une manière satisfaisante et en outre, la nécessité d'un usinage de précision des alésages, des pistons, des bagues, etc..., entraînerait un prix de revient élevé pour des articles qui devraient être d'une construction peu coûteuse.
Les difficultés ci-dessus peuvent être évitées par l'emploi d'organes de commande thermique du type piston- cylindre, dans lesquels une forme spéciale de piston et de joint en élastomère actionnés' dynamiquement coopèrent avec un tube cylindrique dans lequel est disposé une masse de remplissage expansible.
L'un des buts de la présente invention est donc de fournir des organes d'actionnèrent thermiques d'une haute précision, nouveaux et perfectionnés, pouvant être fabriqués un prix de revient réduit et assurer un fonctionnement sans fuite avec des caractéristiques d'hystérésis améliorées.
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Un autre but est de fournir des organes de commande thermiques du type piston-cylindre dans lequel des pistons mobiles avec dispositifs d'étanchéité élastiques sont dilatas dynamiquement pour conserver les relations d'6tanoh6ité avec des tubes-cylindriques coopérants, dans des conditions de fonctionnement sévères et malgré l'usure.
Un autre but de l'invention est de fournir @ des pistons expansibles utiliser en particulier avec des orga- nes d'actionnement thermiques qui maintiennent une meilleure étanchéité par rapport à des surfaces intérieures de cylindres relativement imprécises, au cours de mouvements alternatifs en sens opposé.
L'invention a aussi pour but de fournir des pistons perfectionna @ouvant être orientés de manière commode et précise et coulisser de manière étanche dans des tubes d'orga- nes de commande thermiques contenant une masse de remplissage afin de régler avec précision les réponses de ces organes.
Un but supplémentaire de l'invention est de fournir un procédé nouveau et perfectionné pour assembler les organes de commande thermiques munis d'un remplissage au moins en partie liquide et régler les réponses de ceux-ci,
Suivant un aspect de l'invention, un organe de commande thermique comprenant un élément tabulaire allongé fermé à une extrémité et rempli au moins en partie d'un matériau répon- dant à la chaleur, qui se dilate de manière marquée en fondant, est équipé d'un piston mobile unique servant à enfermer et à sceller le remplissage près de l'extrémitéouverte du tube.
le piston est constitué par l'assemblage d'un élément cylindrique creux en élastomère, dont le diamètre ext4rieiir, ne dépasse pas normalement d'une manière appréciable le diamètre- intérieur du tube coopérant, d'une paire d'éléments rigides en forme de rondel- les dont chacun est disposé à une extrémité axiale de l'élément en élastomère, d'une broche centrale, passant dans les rondelles
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et dans l'élément en élastomère et engagée de manière étanche avec ce dernier, et d'un ressort, supporte entre une extrémité de la broche et l'une des rondelles, exerçant un effort de com- pression axial qui provoque un renflement circonférentiel de l'élément en élastomère appliquant hermétiquement celui-ci contre l'alésage du tube.
Une tige de cet organe de commande, dont une extrémité engage l'ensemble du piston de manière à pouvoir en être séparé, s'étend vers l'extérieur, au-delà de l'extrémité ouverte du tube, jusqu'à une soupape mobile munie d'un ressort, ou d'un élément similaire, et est obligée de suivre les mouve- ments du piston.
Quoique les aspects de cette invention que l'on crott nouveauxsoient exposés dans les revendications annexées, des détails supplémentaires quant au mode d'exécution préféré et aux autres avantages, buts et caractéristiques de l'invention peuvent être compris des plus facilement en se reportant à la description suivante faite en se référant aux dessins annexés, où : - La figure 1 est une vue de profil, partiel- lement en coupe, d'une soupape de sûueté à laquelle s'appliquent les principes de l'invention.
- La figure 2 est une vue à plus grande éohel- le d'un système piston-joint expansible, tel que celui utilisé dans la soupape de sûreté de la figure 1.
- La figure 3 montre la structure du systè- me piston-joint de la figure 2 en position relâchée, non compri- mée, avant l'assemblage des pièces, - La figure 4 illustre un système piston- joint perfectionné inséré dans un tube d'organe de commande rem- pli.
- La figure ? montre une vue'de détail à plus grande 6chelle des parties coopérantes d'une tige/de soupape, d'un système piaton-joint et d'un tube d'organe de commande ther- mique, dont certaines pièces sont découpées pour montrer les détails de la construction.
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- La figure 6 est une coupe longitudinale partielle dans une autre forme d'exécution du système piston- joint.
Une application typique de l'organe d'aotion- nement thermique perfectionna est caractérisée par l'appareil de sûreté automatique 7 illustra à la figure 1, où une soupape normalement fermée 8 répond aux efforts d'actionnement exerces par un organe de commande et de détection thermique 9. Cet appa- reil peut, par exemple, être installé au-dessus d'un réservoir à eau chaude au moyen d'un raccord filète 10 en immergeant l'élé- ment détecteur allongé dans l'eau chaude Le clapet mobile 11 maintenu hermétiquement sur le siège 12 du corps de soupape 13 par un ressort de compression Il+ empêche normalement l'échappe- ment du contenu du réservoir par le raccord d'entrée 10 et le passage de sortie 15.
L'effort exercé par le ressort 14 entre le clapet 11 et un chapeau de corps de soupape réglable 16 est réglé à l'usine pour être certain que la soupape s'ouvre seule- ment sous la pression du réservoir lorsque celle-ci tombe dans une étendue de pression étroite et prédéterminée, Cotte soupa- pe peut aussi être manoeuvrée à la main au moyen d'une poignée extérieure 17 munie d'une came, qui est fixée à un arbre ou une tige coulissante 18 passant de manière étanohe dans le chapeau l6 et fixée à l'organe 11. Ces dispositifs de relâchement de la pression, automatiques et manuels, s'ajoutent au fonctionnement automatique répondant aux mouvements de la tige provoqués par l'organe de commande thermique 9.
A cet effet, un élément tubulaire allongé 19 a son extrémité ouverte 20 fixée à un support de @@@@@ de so@@@@ 21 dans lequel peut passer le fluide et son extrémité fermée 22 s'étend 4ans le liquide du réservoir en vue d'une réponse optimale aux variations de température. Le tube 19 présente une surface intérieure essentiellement unie 23 d'un même diamètre et est en matériau présentant de bonnes caractéristiques de conductivité
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thermique et résistant à la corrosion.
La partie de la tige de soupape 18 partant de l'élément 11 vers le bas attend dans l'extrémité ouverte du tube 19 et engage dans celui-ci un systé- me spécial piston-joint désigné par 24, De préférence, la tige et le système piston-joint peuvent être séparés axialement l'un de l'autre, quoiqu'ils soient maintenue on engagement par lest actions combinées du ressort 14 et d'un matériau de remplissage 25, répondant aux variations de température, qui occupe l'espace compris entre le système piston-joint 24 et l'extrémité 22 fermée du tube.
Suivant une pratique courante,le remplissage peut consister essentiellement en une cire dont le point de fusion se situe approximativement à la température critique à laquelle le clapet 11 devrait s'écarter de son siège pour ouvrir la soupape de sûreté protectrice (par exemple, une température située juste en-dessous du point d'ébullition de l'eau du réser- voir) .
Des cires de pétrole ayant des températures de fusion très différentes peuvent s'obtenir facilement dans le commerce et être mélangées pour obtenir les caractéristiques de fusion dési- rées . Certaines cires et substances similaires augmentent très substantiellement de volume lorsqu'elles passent de l'état solide à l'état liquide, entre des limites de températures rapprochées et prédéterminées; cet accroissement de volume provoque le dépla- cement du système piston-joint 24 et le soulèvement de la tige 18 pour écarter l'organe 11 de son siège et obtenir l'action désirée rapide et positive de la soupape de sûreté .
Anciennement, la tendance des cires liquides sous pression (fondues) ou des matériaux similaires à fuir au- delà des joints mobiles exigeait l'emploi de diaphragmes et de manchons flexibles, généralement en élastomère, pouvant être ser- rés Ou attachés autrement autour de leur périphérie pour être
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certain qu'aucune quantité de liquide ne puisse s'échapper et ainsi modifier sérieusement le volume du remplissage ainsi que les caractéristiques de fonctionnement de l'organe do commande Ces joints deformables en élastomère sont excessivement coûteux, particulièrement sujets aux détériorations et il est difficile de les orienter par rapport à un volume particulier de remplissa- ge afin d'obtenir sûrement la réponse précise cherchée.
Par contre, le système piston- joint 24 peut être animé d'un mouve- ment alternatif sans perte importante de matériau de remplissage et en fait, si efficacement, que le tube peut oontenir avanta- geusement un remplissage consistant normalement en une aire soli- i difiée mais également en un. matériau supplémentaire pouvant transmettre un effcrt, tel que l'eau, qui est normalement à l'état liquide et dont on pourrait croire qu'elle pose des problèmes de fuite trs sérieux.
Comme le montrent en détail, les figures 2 et 3, le système piston-joint est une structure intégrée séparée, comprenant comme éléments constitutifs principaux un élément tubulaire élastique 26 on élastomère, deux rondelles rigides 27 et 28, une à chaque extrémité axiale de l'élément 26, un ressort hélicoïdal 29 et une broche d'assemblage centrale 30 aveo une tête 30c. La longueur 31, le diantre extérieur .
32 et le diamètre intérieur de l'élément élastique 26 à l'état relâché ou non comprimé (figure 3) sont choisis de telle maniè- re que quand cet élément est comprimé axialement jusqu'à une lon- gueur axiale 33 plus courte (figure 2), il a tendance à se renfler vers l'extérieur, jusqu'à avoir un diamètre extérieur 34 considérablement plus fort, tout en continuant à entourer de manière tanche la broche centrale 30. A cet effet, l'effort axial exerce sur l'élément 26 contenu par le diamétre intérieur du tube provoque l'application d'une pression radiale à la fois sur les parois intérieures du tube et sur la surface extérieure de la broche 30.
En outre, le diantre intérieur de l'élément élastique 26 peut être initialenent quelque peu inférieur au
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diamètre extérieur 35 de la broche 30, avec l'extrémité poin- tue 30a de celle-ci facilitant l'assemblage initial des pièces de dimensions différentes, Le diamètre expansé 34 est choisi pour qu'il dupasse dans une mesure importante le diamètre inté- rieur du tube 19 coopérant de l'organe de commande, de manière que l'élément élastique 26 maintienne constamment un contact étanche au fluide avec le tube dans toutes les conditions opéra- toires. Avant d'être inséré dans le tube de l'organe de commande, l'ensemble relâche (figure 3) est comprimé axialement dans la mesure désirée,
afin de maintenir l'engagement étanche ci-dessus et cet état comprimé est maintenu gràce à un sertissage 30b situé sous le niveau de la rondelle 27. Les rondelles 27 et 28 protègent l'élément élastique 26 en distribuant uniformément les efforts de compression axiaux; ces rondelles ont un diamètre légèrement inférieur à celui de l'intérieur du tube de l'organe de commande. Le ressort 29 et la tête 30c de la broche 30 ont, de préférence) un diamètre suffisamment inférieur à celui de l'intérieur du tube pour recevoir facilement l'extrémité infé- rieure de la tige creuse 18 qui les entoure sans les serrer.
Comme le montre la figure 1, le système élastique 24 dilaté engage la paroi intérieure du tube 19 sur une majeure partie de sa longueur et non seulement à la crête du renflement que montre la figure 2, le changement de dimensions étant compensé par une compression longitudinale plus forte du ressort 29.
Un aspect important du système piston-joint apparaît on considérant les effets défavorables éventuels qui pourraient se manifester en l'absence du ressort 29 quand le volume du remplissage du tube de l'organe de commande se contracte et quand le ressort 14 n'agit pas en même temps pour pousser la tige 18 contre la rondelle 28 avec uno force suffisante pour comprimer l'élément élastique 26 et le presser de la manibre étanche exigée contre l'intérieur du tube 19.
Cette situation pourrait se présenter quand la pression intérieure dans le réser-
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voir où le levier 17 actionne à la main écarte légèrement l'or- gane 11 de la soupape de son siège. Les effets de la pression négative s'exerçant sur l'élément élastique 26 provoqueraient une aspiration d'air ou de vapeur compressible du réservoir dans l'espace situé en-dessous de cet élément et ensuite, le volume efficace du remplissage serait perturbé, comme le seront son in- compressibilité effective, et l'organe de commande ne fonctionne- rait donc pas avec les caractéristiques prévues.
Toutefois, dans le système perfectionné 24 fonctionnant dynamiquement, y compris le ressort 29, celui-ci suffit pour maintenir au moins cette compression axiale de l'élément 26, et pour supprimer la fuite en sens inverse même quand la tige 18 est largement écartée de la rondelle 28. Ce ressort permet également au système do com- penser automatiquement les effets de l'usure dus au frottement.
Les efforts requis pour ramener le système piston-joint à une position prédéterminée dans le tube, après un déplacement forci et un refroidissement du remplissage, sont relativement faibles et prévisibles, de sorte que les caractéristiques d'hystérésis de l'organe de commande sont hautement désirables.
D'autres avantages du système 24 sont maté- rialisés quand celui-ci est inséré dans le tube 19 (figure 4).
Il est important que les surfaces extérieures de l'élément élasti- que 26 s'appliquent régulièrement contre les surfaces inté- rieures coopérantes du tube et que de sévères déformations ou dété- riortions résultent d'un pincement ou d'antres causes soient évl- tées. L'élément surdimensionné 26 serait quelque peu vulnérable ces perturbations si les efforts d'accouplement s'appliquaient directement ' la rondelle 28. On constate toutefois que l'accou- plement est amélioré en appliquant les efforts dans le sens de la flèche 36 à la tête 30c de la broche au moyen d'un outil 37.
Dans ces conditions, tout effort excessif sur l'élément élastique 26 aura pour résultat une expansion longitudinale oontre la ré- sistance du ressort 29, ce qui permettra à l'élément élastique de glisser en position plus facilement et plus doucement.
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Ces perfectionnements prennent une importance particulière quand le tube 19 est rempli en partie d'une cire solidifiée 25a, ou d'un produit similaire, et en partie d'un liquide incompressible 25b transmettant l'effort, tel que l'eau, qui occupe le volume restane à l'intérieur du tube (figure 4). Une certaine quantité du liquide doit pouvoir s'échapper pendant la phase d'insertion pour permettre au système piston-joint d'atteindre une position prédéterminée et la décompression élastique axiale du ressort 29 permet avantageuse-Dent la fuite nécessaire 38 àl'extrémité ouverte du tube.
L'adoption d'un remplissage liquide supplémentai- re permet un réglage très précis de l'organe de commande aux tem- pératures ambiantes tandis que si l'on cherche à appliquer la même technique avec seulement un remplissage de cire, celle-ci doit d'abord être fondue, les températures doivent être élevées,, le nettoyage de la cire qui a débordé est ennuyeux et il est ex- trêmement difficile de régler le volume critique exact du remplis- sage de cire dans l'organe de commande terndné, Le liquide utili- se doit être essentiellement non compressible, il ne doit pas pouvoir se mélanger à la cire ou à un autre matériau de remplis- sage,
il devrait résister à l'état liquide aux températures am- biantes et aux températures plus élevées auxquelles fondent la cire ou un autre matériau de remplissage et, il devrait, de préférence, présenter à peu près les mêmes caractéristiques d'expansion ther- mique que le matériau de remplissage solidifié. On peut satisfai- re déquatement à ces conditions en utilisant de l'eau essentiel- lenent pure avec un remplissage de cire solidifiée} ce remplissa- ge de cire subit en fondant un changement de volume de 10 Le en- viron, tandis que l'eau ne subit qu'un changement de volume rela- tivement faible entre les mêmes limites rapprochées de températures.
Le liquide incompressible supplémentaire de remplissage peu coû- @ feux, sert à transmettre les efforts dus à l'expansion du remplis- sage de ciré en système piston-joint et permet ainsi de n'utiliser qu'une quantité relativement faible de cire plus coûteuse en un
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point de détection éloigne en vue d'entraîner le système piston-. joint placé ailleurs ; un tube flexible peut raccorder las deux points et en tout cas, il suffit que la tige de sortie ou un autre organe entraîne par le système piston-joint soit relativement court ce qui permet d'économiser un mutai coûteux.
En outre, même si l'on n'utilise qu'une quantité relativement faible de liquide, elle sert à résoudre le problème posé par les vides appa- raissant entre le remplissage de cire solidifiés et le système piston-joint. A ce propos, la figure 4 montre le type de "tourbillon" 39 qui résulte d'habitude de la solidification de la cire et iJ. est évident que cette dépression a tendance à établir, entre le remplissage de cire et le système piston-joint, un vide qui pourrait affecter défavorablement les caractéristiques fonctionnelles de l'organe de commande thermique. Le liquido 25b élimine cette influence adverse.
Un autre avantage résulte du fait qu'on n'emploie qu'une quantité de cire aussi faible que possible, uniquement pour assurer le mouvement de sortie minimal exigé pour une application quelconque, en même temps qu'une quan- tité de liquide de remplissage relativement grande. A titre d'explication, on a constaté que le remplissage de cire seul a ten- dance à présenter une élasticité ou une compressibilité indésira- ble, qui rend moins prévisibles les caractéristiques fonctionnel- les de l'organe d'entraînement. Quand on ajoute dans la cavité de l'organe d'actionnement une quantité relativement grande d'un liquide moins compressible, tel que l'eau, l'élasticité ou la compressibilit totale est réduite avantageusement de manière significative.
La figure ? montre en détail la. coopération entre le système piston-joint 24 et un organe de sortie sépara- ble creux ou tige tubulaire 18a qui en général ressemble à la. tige 18 de la figure 1, sauf que son diamètre extérieur est suffisamment fort pour permettre un ajustement par glissement à l'intérieur du tube 19 qui guidera la tige de manilre plus pré-
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cise et évitera plus certainement toute possibilité' de soulève- ment unilatéral du système piston-joint par celle-ci.
La longueur 14 sur laquelle peuvent glisser la tige et la partie supérieure du système piston-joint permet d'assurer qu'ils ne se sépareront pas complètement si le système piston-joint ne suit pas les mouve- ments de la tige à tout moment, comme quand une pression excessive ou une manoeuvre manuelle de la soupape soulevé la tige de celle- ci de manière indépendante.
De préférence, la longueur axiale comprimée de l'élément élastique (essentiellement la longueur 33) de l'élément Elastique 26 à la figure 2) est suffisante pour em- pêcher le système piston-joint de sortir de son alignement concen- trique avec l'organe de commande tubulaire qui l'entoure. Toute- fois, dans une variante de construction telle que celle de la fleure 6, l'élément élastique 26' peut avoir une longueur rela- tivement réduite et l'une des rondelles d'extrémité est remplacée par un élément cylindrique creux allongé 28' dont le diam tre' extérieur est légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube 19.
Le ressort 29' et la broche d'attache centrale 30' fonctionnent essentiellement de la manière décrite précédemment à propos du système de la figure 2, pour conserver une bonne étanchéité à tout moment-tandis que l'élément 28' guide le systè- me 24' pour empêcher le désalignement de l'élément 26' dans le tuba 19.
Les éléments élastiques du système piston-joint sont en caoutchouc au silicone, en matière synthétique ou en caoutchouc qui n'est pas affectué par les hydrocarbures (tels que ceux d'un remplissage (le cire) et ne contient pas de soufre ou d'autres substances qui provoqueraient vraisemblablement une adhé.. rence indésirable au tube de l'organe de commande (en laiton par exemple) aux hautes températures.
Quand on désira un haut degré d'onttuosité entre le tube de l'organe de commande et le système élastique piston-joint, on peut prévoir autour de la periphérie de l'élément élastique un manchon flexible t,rés mince en un maté-
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riau relativement glissant comme le tétrafluoréthylène, ou bien on peut réduire la friction en enduisant les parties coopérantes de mica, ou en soumettant l'élément élastique à un traitenont de surface tel que le traitement dit "LCR" fourni par J. Royal Conpany, Barrington, Rhode Island, ou bien encore en appliquant aux parties coopérantes un fluorocarbone tel que celui vendu par Du Pont Corporation sous le nom commercial de "Vydaxar".
Quoique l'on ait choisi un ressort hélicoïdal, pour l'associer au système piston-joint, on peut le remplacer par d'autres formes d'éléments élastiques et, dans certains cas, on peut inverser la position de l'extrémité du système piston-joint qui porte le ressort (o'est.. à-dire qu'elle peut s'avancer dans le remplissage plutôt que s'étendre vers la tige). On peut naturellement employer des orga- nes d'actionnement appliquant ces principes dans des bats autres que l'actionnement de soupapes discuté spécifiquement ici.
En conséquence, quoique des formas d'exécution pratiques préférées de l'invention aient étéillustrées et décri- tes ici, il devrait être entendu qu'on peut y apporter diverses modifications, additions et substitutions sans s'écarter des principes appliqués et les revendications annexées visent à inclure toutes ces variations relevant de l'esprit véritable et de la portée de l'invention.
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