à boisseau sphérique rotatif

La présente invention concerne le domaine des dispositifs de régulation de la circulation de fluide, plus particulièrement les vannes proportionnelles ou fonctionnant selon le principe dit du « tout ou rien », et plus particulièrement celui des vannes à boisseau rotatif et a pour objet un joint d’étanchéité, notamment pour une telle vanne à boisseau rotatif.

Dans de nombreuses constructions de vannes à boisseau rotatif, en particulier à boisseaux sphériques, l'un des enjeux technologiques majeurs, pour lequel il est souvent difficile de trouver une solution performante et fiable, est la réalisation de l'étanchéité au niveau des interfaces d’étanchéité entre le boisseau et le corps de vanne, plus particulièrement au niveau des ouvertures d'entrée et/ou de sortie dudit corps de vanne, souvent soumises aux pressions élevées et à la surface du boisseau.

Par les documents EP 1 529 937, EP 2 052 177, US 6 499 720, DE 10 2009 014 047 et EP 2 910 826 notamment, on connaît déjà des dispositifs d'étanchéité composites permettant d'assurer une bonne étanchéité avec le boisseau du fait de la présence d'un moyen de précontrainte élastique sollicitant le moyen d'étanchéité (bague) contre le boisseau.

Toutefois, dans les constructions proposées, les joints employés sont toujours constitués de plusieurs parties ou éléments, en général une bague d’étanchéité en appui sur ledit boisseau, un corps d’étanchéité annulaire et une bague de renfort, ce qui multiplie de manière désavantageuse le nombre d’interfaces (et donc les risques de fuites) et complique également l’assemblage des différents composants.

Il existe donc le besoin de fournir un joint d’étanchéité plus fiable qui ne nécessite pas d’opération préalable d’assemblage comme c’est le cas pour les joints d’étanchéité connus.

La présente invention a pour but de proposer une solution surmontant au moins une partie de ces inconvénients.

A cet effet, l'invention propose un joint d’étanchéité, en particulier pour une vanne à boisseau rotatif, de préférence pour une vanne à boisseau rotatif à au moins deux voies et avantageusement à trois voies, ledit joint d’étanchéité comportant, d'une part, un corps d’étanchéité statique annulaire souple et flexible et pourvu d'une lèvre radiale et d'autre part, une bague dynamique d'étanchéité rigide réalisée en un matériau à faible coefficient de friction, portée par ledit corps d'étanchéité statique annulaire, l'ensemble structurel formé par le corps d'étanchéité statique annulaire et la bague dynamique d'étanchéité étant arrangé avec faculté de coulissement guidé dans la portion de passage débouchante de l'ouverture concernée, la bague d’étanchéité rigide venant en appui contre ledit boisseau rotatif, et la face interne de ladite bague d’étanchéité, opposée à celle en contact avec le boisseau rotatif, venant en regard de la face interne de la lèvre radiale du corps d'étanchéité annulaire, opposée à la face venant en contact avec le corps creux de la vanne, la force de poussée produite par le fluide au niveau dudit joint d’étanchéité provoquant l’écartement de ces deux éléments en vue d’assurer l’étanchéité, joint d’étanchéité caractérisé en ce que le corps d’étanchéité statique annulaire souple, flexible et pourvu d'une lèvre radiale et la bague dynamique d'étanchéité rigide soient réalisés en une seule pièce.

Elle a également pour objet une vanne à boisseau rotatif, de préférence une vanne à boisseau rotatif sphérique à deux voies, caractérisée en ce qu’elle comprend un joint d’étanchéité selon l'invention, un corps de vanne définissant une chambre de réception et une vanne à boisseau reçue dans la chambre de réception dudit corps de vanne caractérisée en ce qu’elle comprend un joint d’étanchéité également selon l'invention.

L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci- après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :

La figure 1 représente, de façon simplifiée, schématique et en coupe, une vanne à boisseau sphérique à une entrée et une sortie (vanne dite à deux voies), pourvu d'un joint d'étanchéité selon l'invention, dans une position suggérée fermée ;

La figure 2 est une vue partielle agrandie de la région en pointillés de la figure 1 ;

La figure 3 est une vue à une échelle différente du joint d’étanchéité selon l’invention de la figure 2 expliquant de façon schématique le fonctionnement de ce dernier avec une illustration symbolique des pressions appliquées ; Les figures 4a et 4b montrent respectivement une vue en perspective d’une vanne à boisseau à trois voies complète avec sa plaque de fixation et son actionneur électrique ou motoréducteur, par exemple pour un véhicule automobile et une vue en perspective et en coupe selon un plan vertical passant par le centre de la vanne de la figure 4a ;

La figure 5 montre une vue simplifiée très fortement agrandie de la zone active du joint selon l’invention ; et

La figure 6 montre une vue simplifiée très fortement agrandie de la zone active d’un joint inversé selon l’invention pour une variante où le sens d’écoulement du fluide est inversé.

Les figures 1 à 3 illustrent un joint d’étanchéité 1 utilisé, à titre d’exemple préférentiel, dans une vanne à boisseau rotatif 2 classique, telle qu’on la trouve par exemple dans le domaine de l’industrie automobile. Une telle vanne comporte plusieurs ouvertures et au moins une ouverture d’entrée et une ouverture de sortie de fluide. A titre d'exemple, le boisseau 2 peut être réalisé par moulage d'un matériau thermoplastique, par exemple du PPS (polyphénylène sulfide).

Une telle vanne, représentée de façon schématique à la figure 1, présente ici une entrée de fluide, un boisseau 2 et une sortie de fluide.

Elle comprend également un corps de vanne creux 3, muni d'au moins une ouverture d'entrée et d'au moins une ouverture de sortie et définissant une chambre de réception pour ledit boisseau 2, ce dernier présentant une surface extérieure sphérique, au moins au niveau de la ou des portion(s) de surface extérieure venant en regard de la ou des ouverture(s) dans l'une quelconque des positions rotatoires possibles dudit boisseau 2.

Ladite vanne comporte également au moins un dispositif ou joint d'étanchéité 1 réalisé, conformément à la présente invention, de façon monobloc, c’est-à-dire d’une seule pièce, installé coaxialement dans une portion de passage interne débouchante d’au moins une des ouvertures et comprenant, d'une part, un corps annulaire pourvu d'une lèvre radiale 4' souple réalisant une étanchéité contre la face interne de la portion de passage, d'autre part, une bague d'étanchéité 5 réalisée en un matériau à faible coefficient de friction, portée par le corps d'étanchéité annulaire et destinée à venir en appui étanche sur la surface extérieure du boisseau 2, et, enfin, un moyen de précontrainte élastique 6 sollicitant axialement ledit corps d'étanchéité annulaire en direction du boisseau 2, l'ensemble structurel formé par ledit corps d'étanchéité annulaire et ladite bague d'étanchéité étant arrangé avec faculté de coulissement guidé dans la portion de passage débouchante de l'ouverture concernée.

Selon un autre mode de réalisation également préféré et avantageux ledit joint d’étanchéité 1 selon l’invention, en particulier pour une vanne à boisseau rotatif, de préférence pour une vanne à boisseau rotatif à deux voies, se distingue en ce qu’il comporte, d'une part, un corps d’étanchéité statique annulaire 4 souple et flexible et pourvu d'une lèvre radiale 4' et d'autre part, une bague dynamique d'étanchéité 5 rigide réalisée en un matériau à faible coefficient de friction, portée par ledit corps d'étanchéité statique annulaire 4, l'ensemble structurel formé par le corps d'étanchéité statique annulaire 4 et la bague dynamique d'étanchéité 5 étant arrangé avec faculté de coulissement guidé dans la portion de passage débouchant de l'ouverture concernée, la bague d’étanchéité 5 rigide venant en appui contre ledit boisseau 2, et la face interne 5’ de ladite bague d’étanchéité, opposée à celle en contact avec le boisseau rotatif 2, venant en regard de la face interne 4” de la lèvre radiale 4’ du corps d'étanchéité annulaire 4, opposée à la face venant en contact avec le corps creux 3 de la vanne, la force de poussée produite par le fluide au niveau dudit joint d’étanchéité 4 provoquant l’écartement de ces deux éléments 4, 5 en vue d’assurer l’étanchéité. Ce joint sans élément de précontrainte élastique 6 et donc plus simple et moins cher à fabriquer est également caractérisé en ce que le corps d’étanchéité statique annulaire 4 souple, flexible et pourvu d'une lèvre radiale 4’ et la bague dynamique d'étanchéité 5 rigide soient réalisés en une seule pièce.

Selon la direction de propagation du fluide à l’intérieur de la vanne et donc du joint 1, la pression exercée par ledit fluide provoque un écartement des deux éléments 4, 5 en vue de garantir l’étanchéité du montage. En effet, la pression du fluide qui s’infiltre entre le corps creux 3 de la vanne et le boisseau rotatif 2 participe déjà à la compression de la lèvre radiale 4’. L’espace vide 7 parcouru par le fluide permet également dans ce cas à un équilibrage et une répartition de la pression (figure 3). On pourra avantageusement jouer sur le volume de cet espace vide 7, par exemple avec un évidement profond, et/ou les propriétés élastiques des matériaux formant les éléments 4, 5 et/ou la force du moyen de précontrainte élastique 6 pour configurer le joint d’étanchéité selon les spécificités requises. Pour le reste, on pourra se référer à l’exemple donné dans lequel un moyen de précontrainte élastique 6 est prévu.

Dans cette variante plus sophistiquée mais plus performante en termes d’efficacité d’étanchéité et/ou de fiabilité, on prévoit que le joint d’étanchéité 1 selon l'invention est caractérisé en ce qu’il présente justement un moyen de précontrainte élastique 6 situé entre ledit corps d’étanchéité statique annulaire 4 souple et la bague dynamique d’étanchéité 5 rigide et sollicitant axialement ces deux éléments 4, 5 pour assurer précisément l’étanchéité, notamment en direction du boisseau rotatif 2, ledit moyen de précontrainte élastique 6 venant en appui sous pression contre la face interne 5’ de la bague d’étanchéité 5 rigide, opposée à celle en contact avec le boisseau rotatif 2 et la face interne 4” de la lèvre radiale 4’ du corps d'étanchéité annulaire 4, opposée à la face venant en contact avec le corps creux 3 de la vanne, la force de poussée produite par ledit ressort 6 provoquant l’écartement de ces deux éléments 4, 5 en vue d’assurer l’étanchéité susvisée.

Ce joint d'étanchéité 1 précité, avec ou sans moyen de précontrainte élastique 6, est habituellement monté dans une structure de siège, sous forme d'épaulements annulaires concentriques, constituée par ladite portion de passage interne débouchante. Cette configuration de ladite portion de passage permet de loger le joint d'étanchéité 1 sans réduire sensiblement le diamètre de passage de l'ouverture (pas de perte de charge en position ouverte du boisseau 2 - diamètres de passage sensiblement identiques pour l'ouverture, le dispositif d’étanchéité 1 et l'ouverture du boisseau 2) tout en fournissant un appui pour le moyen de précontrainte élastique 6 lorsqu’il est présent.

A titre d’exemple, la figure 3, montre une répartition de la partie rigide et de la partie souple du joint d’étanchéité selon l’invention.

Avantageusement, le joint d’étanchéité 1 selon l’invention, est caractérisé en ce qu’il est réalisé en un polymère fluoré, ou préférentiellement en PTFE ou en un matériau composé en majorité de PTFE connu plus généralement sous la marque déposée « Téflon ». Bien entendu, d’autres matières synthétiques habituellement utilisées pour la fabrication de ce type de joints d’étanchéité peuvent également convenir.

Selon une caractéristique avantageuse, le joint d’étanchéité 1 selon l’invention, est encore caractérisé en ce que la bague dynamique d'étanchéité 5 rigide présente en section une extrémité libre en biseau destinée à fournir une surface 5” de contact potentiel, notamment avec le boisseau 2, de forme tronconique, avec une zone d'étanchéité dynamique située entre les bords externe et interne du biseau, et donc entre les limites circulaires externe et interne de ladite surface de contact potentiel 5”.

Selon d’autres caractéristiques avantageuses, l’épaisseur minimale de la partie rigide formée par la bague dynamique d’étanchéité 5 rigide est de 2 mm, préférentiellement de 4 mm et/ou l’épaisseur maximale de la partie souple formée par le corps d’étanchéité statique annulaire 4 est de 1 mm, préférentiellement de 0,6 mm.

Ainsi, et comme schématiquement illustré par les flèches sur la figure 3, la partie rigide permet notamment d’éviter une déformation trop importante durant la rotation du boisseau 2. De même la répartition de la pression exercée permet avantageusement de diriger ladite partie rigide vers ledit boisseau 2 et la lèvre radiale 4’, grâce à sa grande souplesse relative, vers le corps creux 3, en considérant une interface entre les deux zones dissociées.

La partie souple formée par la lèvre radiale 4’ permet en outre de compenser la hauteur totale de la bague dynamique d’étanchéité 5 rigide.

De manière surprenante, les meilleurs résultats en termes d’efficacité et de rentabilité sont obtenus lorsque le rapport entre l’épaisseur minimale de la partie rigide formée par la bague dynamique d’étanchéité 5 rigide et l’épaisseur maximale de la partie souple formée par le corps d’étanchéité statique annulaire 4 est compris entre 2 et 10.

Selon un autre aspect de l’invention, la lèvre radiale 4’ du corps d'étanchéité statique annulaire 4 est située au niveau de la face arrière 4” dudit corps 4 et est réalisée par segmentation partielle d'une bande périphérique extérieure du matériau constitutif de ce dernier, de manière à former une jupe déformable élastiquement, inclinée et proéminente vers l'extérieur en l'absence de contrainte.

De manière préférée, le joint d’étanchéité 1 selon l'invention, est caractérisé en ce que le moyen de précontrainte élastique 6 est, lorsqu’il est présent, un ressort de compression, un ressort connu sous la dénomination anglaise de « energizer spring » tel qu’un ressort à ailettes ou un ressort à vagues. D’autres moyens équivalents de stockage d’énergie mécanique sont également envisageables.

Ledit ressort de compression (ou équivalent) permet d’écarter la lèvre radiale 4’ et d’appliquer une pression de contact avec le corps creux de vanne 3 précité dans la partie souple. Il permet également de diriger avantageusement la partie rigide vers le boisseau 2 afin d’assurer une pression de contact avec ce dernier et de réaliser l’étanchéité souhaitée de façon constante et fiable (cf. figure 3). Sinon, c’est le fluide (liquide ou gaz) qui exerce sa propre pression sur le joint d’étanchéité 1, ce qui est parfois suffisant.

L’invention a encore pour objet une vanne à boisseau rotatif, de préférence une vanne à boisseau rotatif sphérique 2 à deux voies, caractérisé en ce qu’elle comprend un joint d’étanchéité 1 selon l'invention.

Enfin, ladite vanne à boisseau rotatif 2 peut être déclinée selon différentes variantes constructives tant au niveau de la forme du boisseau 2 que du nombre d'ouvertures et du sens de circulation du fluide.

Dans un autre mode de réalisation de l’invention dans lequel le fluide circule de l’extérieur vers l’intérieur du boisseau, le joint est inversé comme sur la figure 6, de sorte que le fluide (cf. flèches) participe à la compression de la lèvre flexible du joint d’étanchéité. La figure 6 est donc un cas particulier des figures 4b et 5 qui représentent des agrandissements partiels du joint d’étanchéité 1 selon l’invention coupés au même endroit avec deux sens d’écoulements des fluides différents comme indiqué par les deux flèches.

Dans toutes les variantes de réalisation de l'invention néanmoins, au moins l'une des ouvertures, préférentiellement toutes les ouvertures, comporte(nt) un joint d'étanchéité 1 monobloc, comme décrit précédemment.

Comme évoqué, dans le cadre des différentes variantes constructives, il peut notamment être prévu que le boisseau 2 soit un boisseau sphérique, ladite vanne 1 présentant, par exemple, une ouverture d'entrée et deux ouvertures de sortie.

En relation avec une application préférée de la vanne à boisseau 2 selon l'invention, la vanne peut être intégrée structurellement à un module fonctionnel et structurel en étant montée en aval ou en amont d'une pompe à eau également incorporée audit module, et/ou être montée (de manière intégrée ou indépendante) dans un circuit de circulation de fluide de refroidissement d'un moteur à combustion interne d’un véhicule automobile.

L'invention permet donc de proposer un joint d’étanchéité 1 qui ne présente qu’un seul élément destiné à réaliser l’étanchéité, à savoir la bague dynamique d’étanchéité rigide 5 et la lèvre radiale 4’, ce grâce à la pression provenant de l’intérieur du boisseau rotatif 2.

Cette dernière est, selon l’invention, réalisée en deux parties : une partie massive (rigide) en contact avec ledit boisseau rotatif 2 et une partie plus fine (souple) en contact avec le corps 3 principal de la vanne dans laquelle elle est montée.

L’ajout d’un moyen de précontrainte élastique 6 procure un élément permettant de stocker une énergie mécanique afin d’écarter plus facilement et de manière plus fiable les deux parties précitées de ladite bague.

Comme indiqué plus haut, cet élément sera avantageusement un ressort. Cela dit, l’élément de stockage peut très bien être réalisé en une matière élastomère.

De façon particulièrement intéressante, le joint d’étanchéité 1 selon l’invention peut également être intégré à tout type de vanne adapté, en particulier à une vanne dite « multivoies », et typiquement à une vanne à deux voies. De telles vannes sont particulièrement utiles dans le domaine de l’industrie automobile, en particulier pour une application dans le circuit de refroidissement moteur d’un véhicule automobile.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.