ROBINET BOUTEILLE AVEC DISPOSITIF DE REDUCTION OU DE FERMETURE DU PASSAGE EN CAS D'ELEVATION DE TEMPERATURE

Domaine technique

[0001] L'invention a trait à un robinet bouteille pour gaz sous pression. Plus précisément, l'invention a trait à un robinet bouteille pour gaz sous pression pourvu d'une vanne de fermeture. Bien que l'invention soit applicable à des applications faisant intervenir différents types de gaz, elle est particulièrement adaptée aux gaz oxydants sensibles aux compressions adiabatique, plus particulièrement encore aux applications oxygène.

Technique antérieure

[0002] Les vitesses mises en jeu dans un robinet pour une bouteille de gaz à haute pression (supérieur à 200 bar) sont très élevées. Pour des gaz comme l'hélium les vitesses peuvent être largement supérieures à la vitesse du son. Avec des telles vitesses certains sièges ou pastilles en matière plastique du détendeur ne résistent pas au choc de compression adiabatique et peuvent brûler en présence d'un gaz oxydant. Il est donc utile de limiter la pression et ralentir la vitesse du gaz pour absorber l'onde de choc, lors de l'ouverture de la vanne principale du robinet en vue du soutirage du gaz.

[0003] Dans la technique antérieure des filtres étaient prévus entre la vanne principale et le détendeur mais ces filtres ont le désavantage de freiner le débit de gaz lorsque la bouteille est presque vide. De plus, les filtres peuvent se colmater. De ce fait, ils subissent des chocs à chaque ouverture et peuvent générer des particules. En haute pression, qui peut être de l'ordre de 300 bars ou plus, c'est-à-dire si la bouteille de gaz est remplie, les filtres connus ne posent pas de problèmes et ne gênent pas le débit. Par contre, les filtres causent une perte de charge constante, et à faible pression inférieure à 50 bars des perturbations commencent et deviennent particulièrement pénalisantes à 10 bars. Ces filtres connus causant une perte de charge constante gênent donc la courbe de détente du gaz à faible pression.

[0004] D'autres solutions moins pénalisantes lorsque la pression bouteille diminue ont été développées.

[0005] Par exemple, le document de brevet EP 1 500 854 A1 divulgue un robinet bouteille pourvu d'un clapet non-étanche disposé entre une vanne d'ouverture/fermeture et un détendeur du robinet. Le clapet se trouve normalement dans une position à section de passage normale. Lorsque la vanne est ouverte, le clapet est rapidement déplacé par le gaz sous pression vers une position à section de passage limitée en vue de réduire l'onde de choc appliquée au détendeur. Après équilibrage des pressions sur les deux côtés du clapet, ce dernier reprend sa position à section de passage normale.

[0006] Le document de brevet US 7,225,810 B2 divulgue un robinet bouteille équipé d'un clapet similaire à celui du document précédent et destiné à la même fonction.

[0007] Ces clapets constituent certes une solution intéressante mais présente toutefois un inconvénient de complexité lié à une contrainte de fiabilité, ainsi qu'un inconvénient de ne pas empêcher de manière définitive des combustions lors de l'ouverture de la vanne. En effet, en présence d'impuretés dans le passage du robinet et notamment en présence d'oxygène sous haute pression, des combustions peuvent quand même avoir lieu et générer des problèmes sérieux de sécurité. En effet, en cas de combustion, des flammes peuvent sortir du robinet et provoquer des brûlures, endommager du matériel avoisinant et/ou provoquer des incendies.

Résumé de l'invention

Problème technique

[0008] L'invention a pour objectif de proposer un robinet bouteille palliant au moins un des inconvénients sus mentionnés. Plus particulièrement, l'invention a pour objectif de proposer un robinet bouteille réduisant les risques de brûlures et d'incendie lors de la manipulation du robinet notamment avec des gaz très oxydants comme de l'oxygène. Solution technique

[0009] L'invention a pour objet un robinet bouteille pour gaz sous pression, comprenant un corps avec une entrée de gaz, une sortie de gaz et un passage de gaz reliant l'entrée avec la sortie ; une vanne de fermeture et/ou de réduction du passage de gaz ; remarquable en ce qu'il comprend, en outre un dispositif de réduction ou de fermeture du passage en réaction à une élévation de température, le dispositif étant disposé dans le corps en aval de la vanne de fermeture.

[0010] Un tel robinet est conçu pour travailler à des pressions supérieures ou égales à 50 bars, préférentiellement à 100 bars, plus préférentiellement encore à 200 bars.

[001 1] Selon un mode avantageux de l'invention, le robinet comprend un détendeur disposé en aval du dispositif de réduction ou de fermeture du passage, préférentiellement dans le corps du robinet. Le détendeur peut être intégré dans le corps du robinet. Ce dernier peut être constitué de plusieurs éléments assemblés.

[0012] Selon un autre mode avantageux de l'invention, le dispositif de réduction ou de fermeture du passage est configuré pour réduire ou fermer le passage de gaz lorsque la température dans le passage de gaz dépasse 100° C, préférentiellement 120°C, plus préférentiellement encore 150°C.

[0013] Selon un encore autre mode avantageux de l'invention, le dispositif de réduction ou de fermeture du passage est mécanique. Ce dispositif est en effet préférentiellement purement mécanique.

[0014] Selon un encore autre mode avantageux de l'invention, le dispositif de réduction ou de fermeture du passage comprend un élément en alliage à mémoire de forme apte à se déformer lorsque sa température dépasse un niveau prédéfini.

[0015] Selon un encore autre mode avantageux de l'invention, l'élément en alliage à mémoire de forme a un effet mémoire uniquement lors d'une élévation de température.

[0016] Selon un encore autre mode avantageux de l'invention, le dispositif de réduction ou de fermeture du passage est configuré de manière à ce que la déformation de l'élément en alliage à mémoire de forme opère directement la réduction ou la fermeture du passage.

[0017] Selon un encore autre mode avantageux de l'invention, l'élément en alliage à mémoire de forme comprend une partie déformable avec un bord circulaire apte à coopérer avec une surface fixe, préférentiellement formée directement dans le corps, de manière à réduire ou fermer le passage.

[0018] Selon un encore autre mode avantageux de l'invention, la partie déformable de l'élément en alliage à mémoire de forme présente une forme générale de dôme.

[0019] Selon un encore autre mode avantageux de l'invention, le diamètre du bord circulaire augmente lorsque sa température dépasse le niveau prédéfini, préférentiellement de plus de 10% au-delà de 100° C, 120°C, ou encore 150°C.

[0020] Selon un encore autre mode avantageux de l'invention, l'élément en alliage à mémoire de forme comprend une partie généralement allongée attachée à la partie déformable, la partie généralement allongée assurant la fixation de l'élément au corps.

[0021] Selon un encore autre mode avantageux de l'invention, la partie généralement allongée comprend un filetage mâle coopérant avec un filetage femelle correspondant dans le corps.

[0022] Selon un encore autre mode avantageux de l'invention, le dispositif de réduction ou de fermeture du passage comprend une cavité cylindrique avec une première zone d'un premier diamètre recevant la partie déformable de l'élément en alliage à mémoire de forme et une deuxième zone d'un deuxième diamètre intérieur au premier et en amont de la première zone, de manière à ce que l'écoulement de gaz de service doivent contourner le bord extérieur circulaire de la partie en forme de dôme.

[0023] Selon un encore autre mode avantageux de l'invention, la partie déformable de l'élément en alliage à mémoire de forme est en forme de dôme avec un bord extérieur circulaire, disposé dans la cavité de manière à ce que le creux du dôme soit dirigé vers la deuxième zone de la cavité. [0024] Selon un encore autre mode avantageux de l'invention, la cavité comprend une troisième zone adjacente à la première zone et opposée à la première, avec des moyens de fixation de l'élément en alliage à mémoire de forme, préférentiellement un filetage femelle.

Avantages apportés

[0025] L'invention permet de mettre à profit l'augmentation de température provoquée par une combustion lors de l'ouverture de la vanne de fermeture/ouverture, et ce afin d'assurer une fermeture ou du moins une quasi fermeture automatique dans un délai très court. Compte tenu du fait qu'une combustion au sein d'un tel robinet ne peut pas être exclue, et ce même en présence de dispositifs tels que décrits dans la partie « Technique antérieure », le robinet selon l'invention procure un avantage sécuritaire important.

[0026] Le fait d'utiliser un (ou plusieurs) élément(s) en alliage à mémoire de forme permet de rendre le temps de réponse très court et surtout compatible avec des gaz sous très haute pression et très oxydants comme de l'oxygène. En effet, des systèmes de fermeture automatique de débit gaz impliquant un élément fusible sont connus, notamment pour des fonctions anti-retour de flamme pour chalumeau. Une telle solution n'est évidemment pas applicable à un robinet bouteille où règne de l'oxygène à des pressions de l'ordre de 200 bars.

[0027] De plus le fait d'utiliser un (ou plusieurs) élément(s) en alliage à mémoire de forme avec un bord apte à venir en contact direct avec une surface fixe en vue de la réduction ou de la fermeture du passage est particulièrement intéressant tant d'un point de vue simplicité de réalisation que d'un point de vue fiabilité.

Brève description des dessins

[0028] La figure 1 est une vue en coupe d'un robinet bouteille conforme à l'invention.

[0029] La figure 2 est une vue en coupe selon 2-2 du robinet de la figure 1.

[0030] La figure 3 est une vue en coupe du dispositif de fermeture du robinet en cas d'élévation de température présent dans le robinet de la figure 1 , avec toutefois un autre design de l'élément en alliage à mémoire de forme, le dispositif étant en position ouverte.

[0031] La figure 4 est une vue en coupe du dispositif de fermeture du robinet en cas d'élévation de température présent dans le robinet de la figure 1 , avec toutefois un autre design de l'élément en alliage à mémoire de forme, le dispositif étant en position fermée.

Description des modes de réalisation

[0032] Le robinet bouteille 2 pour gaz sous pression comprend un corps 4 avec une entrée de gaz 8, une sortie (non représentée) et un passage 10 reliant l'entrée avec la sortie. Le corps comprend un filetage mâle 6 destiné à être vissé sur le col d'une bouteille de gaz.

[0033] Le robinet comprend également une vanne de fermeture 26 illustrée à la figure 2. Cette dernière est une vue en coupe du robinet de la figure 1 selon l'axe 2-2. On y peut observer le conduit 10 servant de passage de gaz. La vanne de fermeture 26 comprend un élément mobile en translation et rotation, et pourvu d'une bague d'étanchéité coopérant avec un siège formée dans le corps de la vanne. Cet élément mobile est actionné par un volant 24 accessible depuis l'extérieur de la vanne et disposé sur le côté du corps.

[0034] En aval de la vanne de fermeture et d'ouverture 26 est disposé un dispositif apte à fermer le passage de gaz lorsque la température dépasse un seuil critique. Ce dispositif comprend notamment une chambre 14 et un élément en alliage à mémoire de forme 16. Ce dernier comprend une partie formant une tête apte à changer de forme de manière notoire. Plus particulièrement la tête de l'élément en alliage à mémoire de forme comprend un bord extérieur circulaire apte à changer de taille de manière à coopérer avec la cavité 14 dans laquelle elle est reçue. En cas d'élévation de température de la tête de l'élément en alliage à mémoire de forme au-delà d'un seuil critique, celui-ci va changer de forme de manière à ce que le diamètre de son bord extérieur augmente jusqu'à ce qu'il vienne en contact avec la surface interne de la cavité 14 et ferme le passage de gaz de manière automatique. [0035] A la figure 1 , l'élément en alliage à mémoire de forme est en position de fermeture, à savoir que le bord extérieur de sa partie destinée à coopérer avec la cavité est en contact étanche avec ladite cavité.

[0036] Les alliages à mémoire de forme (AMF) sont des alliages possédant plusieurs propriétés inédites parmi les matériaux métalliques : la capacité de garder en mémoire une forme initiale et d'y retourner même après une déformation, la possibilité d'alterner entre deux formes préalablement mémorisées lorsque sa température varie autour d'une température critique, et un comportement super élastique permettant des allongements sans déformation permanente supérieurs à ceux des autres métaux. Parmi les principaux alliages à mémoire de forme, on retrouve toute une variété d'alliages de nickel et de titane comme constituants principaux, en proportions presque égales. Bien que « nitinol » (« Nickel-Titane Naval Ordnance Laboratory ») ne soit en fait que le nom de l'un de ces « alliages quasi-équiatomiques nickel-titane », cette appellation est devenue couramment utilisée dans la littérature pour désigner l'ensemble de ces alliages, qui ont des propriétés fort semblables. Dans une moindre mesure, le laiton et certains alliages cuivre-aluminium possèdent également des propriétés de mémoire de forme.

[0037] La partie active, en l'occurrence la tête, de l'élément en alliage à mémoire de forme est apte à se déformer de manière à ce que le diamètre de son bord extérieur augmente d'au moins 5%, préférentiellement 10%, plus préférentiellement encore 15%. Un tel comportement super élastique permettant de tels allongements sans déformation permanente peut être atteint par un choix judicieux du matériau et un design adapté de la partie active de l'élément. La température critique peut varier en fonction du choix du matériau. Dans le cas d'application à des robinets bouteille, étant donné que ces derniers fonctionnent habituellement à des températures ambiantes généralement comprises entre 0°C et 30°C, le seuil critique sera situé au moins approximativement à environ 100°C, 120°C ou encore 150°C. Le dispositif de fermeture devra rester ouvert dans une plage de température assez large comme par exemple comprise entre -40°C et +70°C afin de couvrir des températures extrêmes dans lesquelles le robinet est susceptible de devoir fonctionner normalement.

[0038] Notamment en cas d'application oxygène et lors de l'ouverture de la vanne de fermeture/ouverture 26 du robinet, la mise en pression du passage de gaz compris entre ladite vanne et le détendeur 12 pourra donner lieu de manière transitoire à des compressions adiabatiques susceptibles de générer des augmentations de température et d'initier des combustions à l'intérieur du corps de la vanne. Une telle combustion peut être rendue possible par la présence de résidus ou d'impuretés dans la vanne dans des matériaux combustibles.

[0039] En cas de combustion, les flammes peuvent sortir du robinet notamment en raison du flux important d'oxygène. La présence d'un dispositif automatique de fermeture ou au moins de réduction du passage de gaz permet de garantir au robinet un certain niveau de sécurité face à cette problématique restée jusqu'à lors sans réelle solution. En effet, en cas de début de combustion lors de l'ouverture de la vanne 26, l'élément en alliage à mémoire de forme va très rapidement s'échauffer et dépasser son seuil critique. Il va alors en un temps très court directement lié à son inertie thermique se déformer et venir en contact avec la paroi interne de la cavité. Ce contact va fermer le passage de gaz, en l'occurrence d'oxygène, et, partant, stopper les flammes.

[0040] Il est à noter que le contact entre le bord extérieur de la partie active de l'élément en alliage à mémoire de forme et la surface interne de la cavité peut ne pas être parfaitement étanche, notamment en fonction de l'état de surface de cette partie active et de l'état de la surface interne correspondante de la cavité. Le dispositif pourra par conséquent être un dispositif de réduction ou diminution du passage du gaz et non un dispositif de fermeture totale.

[0041] La cavité 14 débouche en amont sur un filtre 20 disposé dans un raccord 22. Le gaz traversant la cavité 14 va par conséquent rencontrer un premier rétrécissement générateur de pertes de charges formé par le filtre et un second rétrécissement directement en aval au niveau du siège du détendeur. Les pertes de charges formées par ces éléments vont accentuer l'onde de choc au niveau du gaz lors de l'ouverture de la vanne de fermeture/ouverture. Cette onde de choc va naître dans la cavité 14. Le positionnement de la partie active du dispositif de fermeture dans cette cavité et à proximité du filtre et du siège du détendeur permet de réduire au minimum le temps de réponse du dispositif et, partant, son efficacité.

[0042] En référence à la remarque faite plus haut à un dispositif de réduction de la section de passage, il est à noter qu'en fonction de l'application et de ses paramètres, un tel dispositif se limitant à réduire sensiblement, par exemple d'au moins 70%, préférentiellement 80%, plus préférentiellement encore 90%, la section de passage pourra également augmenter la sécurité du robinet en limitant de manière notoire la propagation des flammes en dehors du robinet.

[0043] La figure 3 illustre le dispositif de fermeture de la figure 1 avec toutefois un design de l'élément en alliage à mémoire de forme différent au niveau de la partie active ou tête de l'élément. Ce dernier 16 comprend une première partie active 161 en forme de dôme et une deuxième partie généralement cylindrique 162. La cavité 14 est généralement cylindrique avec une première zone 141 d'un premier diamètre donné et dans laquelle la partie active 161 de l'élément est située. La cavité 14 comprend également une deuxième zone 142 directement adjacente à la première zone et en connexion fluidique avec cette dernière. La deuxième zone présente un diamètre inférieur à celui de la première. La partie en forme de dôme 161 de l'élément 16 est orientée de manière à ce que sa partie creuse soit orientée vers la deuxième zone 142 de la cavité 14. La cavité 14 est alimentée en gaz radialement au niveau de la deuxième zone 142. Le gaz s'écoule donc en contournant la partie arrière et le bord extérieur de la partie en forme de dôme.

[0044] La partie cylindrique 162 de l'élément 16 se termine par un filetage mâle 163 engagé dans un filetage femelle pratiqué dans une troisième zone 143 de la cavité 14. Les trois zones 141 , 142 et 143 de la cavité 14 sont concentriques.

[0045] Lors de l'ouverture de la vanne de fermeture/ouverture et en cas de combustion provoquée par l'onde de choc adiabatique, la température dans la première zone 141 de la cavité 14 va augmenter. La partie active en forme de dôme 161 de l'élément 16 verra sa température augmenter et va se déformer pour prendre la forme illustrée à la figure 4. Le dôme 161 s'est aplati et son diamètre extérieur a augmenté de manière à être en contact avec la surface intérieure de la cavité 14. Cette déformation super élastique permet ainsi que fermer le passage de gaz et de stopper net la combustion. De plus la forme en dôme ou parapluie de cette partie, orientée de manière à ce que son creux soit orienté côté amont du débit de gaz, permet à cette partie de se déformer d'avantage dans le sens de la fermeture sous l'effet de l'onde de choc provoquée par sa déformation.

[0046] Il est à noter que les éléments en alliage à mémoire de forme qui sont illustrés aux figures 1 , 3 et 4 sont purement exemplatifs. Ils peuvent prendre diverses formes autres que celles illustrées.

Liste des signes de référence

[0047 2 : robinet bouteille

[0048 4 : corps

[0049 6 : filetage mâle

[0050 8 : entrée de gaz

[0051 10 : passage de gaz

[0052 12 : détendeur

[0053 14 : cavité

[0054; 141 : première zone de la cavité 14

[0055 142 : deuxième zone de la cavité 14

[0056 143 :troisième zone de la cavité 14

[0057 16 : élément en alliage à mémoire de forme

[0058 161 : partie active en forme de dôme de l'élément 16

[0059 162 : partie allongée de l'élément 16

[0060 163 : filetage mâle de la partie allongée 162 de l'élément 16

[0061 20 filtre

[0062 22 siège de détendeur et support de filtre

[0063 24 volant de commande de la vanne de fermeture/ouverture

[0064; 26 vanne de fermeture/ouverture