Principes techniques des soupapes

Les électrovannes sont utilisées partout où le débit d'un fluide doit être contrôlé automatiquement. Elles sont de plus en plus utilisées dans les types d'installations et d'équipements les plus divers. La variété des modèles disponibles permet de sélectionner une vanne adaptée à l'application concernée.

GENÉRALITÉS

Les électrovannes sont utilisées partout où le débit d'un fluide doit être contrôlé automatiquement. Elles sont de plus en plus utilisées dans les installations et équipements les plus divers. La variété des modèles disponibles permet de choisir une électrovanne adaptée à l'application concernée.

CONSTRUCTION

Les électrovannes sont des unités de commande qui, lorsqu'elles sont alimentées ou inactives, coupent ou permettent le débit de liquides. L'actionneur se présente sous la forme d'un électroaimant. Lorsqu'il est alimenté, un champ magnétique se forme et tire un piston ou une armature pivotante contre l'action d'un ressort. Lorsqu'il n'est pas alimenté, le piston ou l'armature pivotante revient à sa position d'origine sous l'action du ressort.

FONCTIONNEMENT DE LA SOUPAPE

Selon le mode d'actionnement, on distingue les soupapes à action directe, les soupapes à pilotage interne et les soupapes à pilotage externe. Une autre fonctionnalité distinctive est le nombre de raccords ou le nombre de voies d'écoulement (« voies »).

VANNES À ACTION DIRECTE

Dans une électrovanne à action directe, le joint d'étanchéité du siège est fixé au noyau de l'électroaimant. À l'état désexcité, l'orifice du siège est fermé, puis s'ouvre lors de l'excitation de la vanne.

VANNES À 2 VOIES À ACTION DIRECTE

Les vannes à deux voies sont des vannes d'arrêt avec un orifice d'entrée et un orifice de sortie (Fig. 1). À l'état désactivé, le ressort du noyau, assisté par la pression du fluide, maintient le joint de la vanne sur le siège de la vanne pour couper le débit. Lorsqu'elle est activée, le noyau et le joint sont tirés dans la bobine électromagnétique et la vanne s'ouvre. La force électromagnétique est supérieure à la force combinée du ressort et des forces de pression statique et dynamique du fluide.

figure 1

VANNES À 3 VOIES À ACTION DIRECTE

Les vannes à trois voies ont trois raccords et deux sièges de vanne. Un joint de vanne reste toujours ouvert et l'autre fermé en mode hors tension. Lors de la mise sous tension de la bobine, le mode s'inverse. La vanne à 3 voies illustrée à la figure 2 est conçue avec un noyau de type plongeur. Diverses fonctions de vanne peuvent être obtenues en fonction de la manière dont le fluide est raccordé aux orifices de travail de la figure 2. La pression du fluide s'accumule sous le siège de vanne. Lorsque la bobine est désexcitée, un ressort conique maintient le joint inférieur du noyau fermement contre le siège de vanne et coupe le débit de fluide. L'orifice A est évacué par R. Lors de l'alimentation de la bobine, le noyau est tiré vers l'intérieur, le siège de vanne au niveau de l'orifice R est scellé par le joint supérieur à ressort du noyau. Le fluide s'écoule alors de P vers A.

figure 2 Contrairement aux versions à noyau de type plongeur, les vannes à armature pivotante ont tous les raccords d'orifice dans le corps de vanne. Une membrane d'isolation garantit que le fluide ne vient pas en contact avec la chambre de la bobine. Les vannes à armature pivotante peuvent être utilisées pour obtenir n'importe quel fonctionnement de vanne à 3 voies. Le principe de conception de base est illustré à la figure 3. Les vannes à armature pivotante sont équipées d'une commande manuelle en caractéristique standard.

figure 3

ÉLECTROVANNES À COMMANDE INTERNE

Avec les vannes à action directe, les forces de pression statique augmentent avec le diamètre de l'orifice, ce qui signifie que les forces magnétiques obligatoires pour surmonter les forces de pression deviennent proportionnellement plus importantes. Les électrovannes à pilotage interne sont donc utilisées pour commuter des pressions plus élevées en combinaison avec des orifices de plus grande taille ; dans ce cas, la pression différentielle du fluide effectue le travail principal d'ouverture et de fermeture de la vanne.

VANNES À 2 VOIES À PILOTAGE INTERNE

Les électrovannes à pilotage interne sont équipées d'une électrovanne pilote à 2 ou 3 voies. Un diaphragme ou un piston assure l'étanchéité du siège de la vanne principale. Le fonctionnement d'une telle vanne est illustré à la figure 4. Lorsque la vanne pilote est fermée, la pression du fluide est construite des deux côtés du diaphragme via un orifice de purge. Tant qu'il existe une différence de pression entre les orifices d'entrée et de sortie, une force de fermeture est disponible grâce à la plus grande surface effective sur la partie supérieure du diaphragme. Lorsque la vanne pilote est ouverte, la pression est relâchée de la partie supérieure du diaphragme. La force de pression nette effective plus importante provenant du dessous soulève alors le diaphragme et ouvre la vanne. En général, les vannes à pilotage interne nécessitent une différence de pression minimale pour garantir une ouverture et une fermeture satisfaisantes. Omega propose également des vannes à pilotage interne, conçues avec un noyau et un diaphragme couplés qui fonctionnent sans différence de pression (fig. 5).

figure 4

ÉLECTROVANNES MULTIVOIES À COMMANDE INTERNE

Les électrovannes à 4 voies à pilotage interne sont principalement utilisées dans les applications hydrauliques et pneumatiques pour actionner des vérins à double effet. Ces vannes ont quatre connexions : une entrée de pression P, deux connexions de vérin A et B, et une connexion d'échappement R. Une vanne à clapet à 4/2 voies à pilotage interne est illustrée à la figure 6. Lorsqu'elle est hors tension, la vanne pilote s'ouvre au niveau du raccordement entre l'entrée de pression et le canal pilote. Les deux clapets de la vanne principale sont alors sous pression et commutent. Le raccordement P est alors connecté à A, et B peut évacuer via un deuxième restricteur à travers R.

figure 5

SOUPAGES À COMMANDE EXTERNE

Avec ces types de soupapes, un moyen pilote indépendant est utilisé pour actionner la soupape. La figure 7 montre une soupape à siège incliné à piston avec ressort de fermeture. À l'état non pressurisé, le siège de la vanne est fermé. Une électrovanne à 3 voies, qui peut être montée sur l'actionneur, commande le fluide pilote indépendant. Lors de l'alimentation de l'électrovanne, le piston est soulevé contre l'action du ressort et la vanne s'ouvre. Une version de vanne normalement ouverte peut être obtenue si le ressort est placé du côté opposé au piston de l'actionneur. Dans ce cas, le fluide pilote indépendant est raccordé à la partie supérieure de l'actionneur. Les versions à double effet commandées par des vannes 4/2 voies ne contiennent aucun ressort.

figure 6

MATÉRIAUX

Tous les matériaux utilisés dans la fabrication des vannes sont soigneusement sélectionnés en fonction des différents types d'applications. Le matériau du corps, le matériau du joint et le matériau du solénoïde sont choisis afin d'optimiser la fiabilité fonctionnelle, la compatibilité avec les liquides, la durée de vie et le coût.

MATÉRIAUX DU CORPS

Les corps des vannes pour liquides neutres sont en laiton et en bronze. Pour les liquides à haute température, par exemple la vapeur, un acier résistant à la corrosion est disponible. De plus, le polyamide est utilisé pour des motifs économiques dans diverses vannes en plastique.

MATÉRIAUX DU SOLÉNOÏDE

Toutes les pièces de l'actionneur solénoïde qui entrent en contact avec le fluide sont en acier austénitique résistant à la corrosion. Cela garantit une résistance à l'attaque corrosive des liquides neutres ou légèrement agressifs.

MATÉRIAUX DES JOINTS

Les conditions mécaniques, thermiques et chimiques particulières d'une application sont prises en compte dans le choix du matériau des joints. Le matériau standard pour les liquides neutres à des températures allant jusqu'à 194 °F est normalement le FKM. Pour des températures plus élevées, on utilise l'EPDM et le PTFE. Le PTFE est universellement résistant à pratiquement tous les liquides d'intérêt technique.

PRESSIONS NOMINALES - PLAGE DE PRESSION

Toutes les pressions indiquées dans cette section sont des pressions manométriques. Les pressions nominales sont exprimées en PSI. Les soupapes fonctionnent de manière fiable dans les plages de pression indiquées. Nos schémas s'appliquent à une plage de sous-tension de 15 % à une surtension de 10 %. Si des soupapes 3/2 voies sont utilisées dans un autre type de fonctionnement, la plage de pression admissible change. Vous trouverez plus de détails dans nos fiches techniques.

En cas de fonctionnement sous vide, il faut veiller à ce que le vide se trouve du côté sortie (A ou B) tandis que la pression la plus élevée, c'est-à-dire la pression atmosphérique, est connectée à l'orifice d'entrée P.

VALEURS DE DÉBIT

Le débit à travers une vanne est déterminé par la nature de la conception et par le type de débit. La taille de la vanne requise pour une application particulière est généralement établie par l'indice Cv. Ce chiffre est calculé pour des unités et des conditions normalisées, c'est-à-dire un débit en GPM et en utilisant de l'eau à une température comprise entre 40 °F et 86 °F avec une chute de pression de 1 PSI. Les indices Cv de chaque vanne sont indiqués. Un système normalisé de valeurs de débit est également utilisé pour la pneumatique. Dans ce cas, le débit d'air en SCFM en amont et une chute de pression de 15 PSI à une température de 68 °F.

ACTIONNEUR SOLÉNOÏDE

Une caractéristique commune à toutes les électrovannes Omega est le système de solénoïde encapsulé dans de l'époxy. Avec ce système, l'ensemble du circuit magnétique (bobine, connexions, culasse et tube de guidage du noyau) est intégré dans une unité compacte. Il en résulte une force magnétique élevée contenue dans un espace minimal, garantissant une isolation électrique de première classe et une protection contre les vibrations, ainsi que contre les effets corrosifs externes.

BOBINES

Les bobines Omega sont disponibles dans toutes les tensions CA et CC couramment utilisées. La faible consommation électrique, en particulier avec les systèmes solénoïdes plus petits, permet un contrôle via des circuits à semi-conducteurs.

figure 7 La force magnétique disponible augmente à mesure que l'entrefer entre le noyau et l'écrou de bouchon diminue, qu'il s'agisse de courant alternatif ou continu. Un système à solénoïde à courant alternatif dispose d'une force magnétique plus importante à une course plus grande qu'un système à solénoïde à courant continu comparable. Les graphiques caractéristiques de la course en fonction de la force, indiqués à la figure 8, illustrent cette relation.

La consommation de courant d'un solénoïde à courant alternatif est déterminée par l'inductance. Avec l'augmentation de la course, la résistance inductive diminue et entraîne une augmentation de la consommation de courant. Cela signifie qu'au moment de la mise hors tension, le courant atteint sa valeur maximale. La situation inverse s'applique à un solénoïde à courant continu, où la consommation de courant dépend uniquement de la résistance des enroulements. Une comparaison dans le temps des caractéristiques d'excitation des solénoïdes à courant alternatif et à courant continu est présentée à la figure 9. Au moment de l'excitation, c'est-à-dire lorsque l'entrefer est à son maximum, les électrovannes consomment des courants beaucoup plus élevés que lorsque le noyau est complètement rétracté, c'est-à-dire lorsque l'entrefer est fermé. Il en résulte un rendement élevé et une plage de pression accrue. Dans les systèmes à courant continu, après la mise sous tension, le débit augmente relativement lentement jusqu'à ce qu'un courant de maintien constant soit atteint. Ces vannes ne peuvent donc contrôler que des pressions plus faibles que les vannes à courant alternatif pour des orifices de même taille. Des pressions plus élevées ne peuvent être obtenues qu'en réduisant la taille de l'orifice et, par conséquent, le débit.

EFFETS THERMIQUES

Une certaine quantité de chaleur est toujours générée lors de l'alimentation d'une bobine électromagnétique. La version standard des électrovannes présente des élévations de température relativement faibles. Elles sont conçues pour atteindre une élévation de température maximale de 144 °F dans des conditions de fonctionnement continu (100 %) et avec une surtension de 10 %. De plus, une température ambiante maximale de 130 °F est généralement admissible. Les températures maximales admissibles du fluide dépendent des matériaux spécifiques utilisés pour les joints et le corps. Ces chiffres peuvent être obtenus à partir des données techniques.

DÉFINITIONS DES TEMPS (VDE0580) TEMPS DE RÉPONSE

Les petits volumes et les forces magnétiques relativement élevées impliqués dans les électrovannes permettent d'obtenir des temps de réponse rapides. Des vannes avec différents temps de réponse sont disponibles pour des applications spéciales. Le temps de réponse est défini comme le temps écoulé entre l'application du signal de commutation et la fin de l'ouverture ou de la fermeture mécanique.

PÉRIODE D'ACTIVATION

La période d'activation est définie comme le temps écoulé entre l'activation et la désactivation du courant du solénoïde.

PÉRIODE DE CYCLE

La durée totale des périodes d'activation et de désactivation correspond à la période de cycle. Période de cycle recommandée : 2, 5, 10 ou 30 minutes.

CYCLE DE SERVICE RELATIF

Le cycle de service relatif (%) est le rapport en pourcentage entre la période d'activation et la période de cycle totale. Le fonctionnement continu (cycle de service de 100 %) est défini comme un fonctionnement continu jusqu'à ce que la température d'équilibre soit atteinte.

FONCTIONNEMENT DE LA VANNE

Le code de fonctionnement de la vanne est toujours composé d'une lettre majuscule. Le résumé à gauche détaille les codes des différents fonctionnements de la vanne et indique les symboles de circuit standard appropriés

VISCOSITÉ

Les données techniques sont valables pour des viscosités allant jusqu'à la valeur indiquée. Des viscosités plus élevées sont autorisées, mais dans ces cas, la plage de tolérance de tension est réduite et les temps de réponse sont étendus.

PLAGE DE TEMPÉRATURES

Les limites de température pour le fluide sont toujours détaillées. Cependant, divers facteurs, tels que les conditions ambiantes, les cycles, la vitesse, la tolérance de tension, les détails d'installation, etc., peuvent influencer les performances thermiques. Les valeurs indiquées ici ne doivent donc être utilisées qu'à titre indicatif. En cas de fonctionnement dans des conditions de température extrêmes, veuillez consulter le service d'ingénierie d'Omega.

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