DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

[001] La présente invention concerne une vanne de régulation de pression à pincement pour tube souple comportant un support fixe coopérant avec un côté d’un tube souple à réguler, un appui dynamique agencé du côté opposé au support fixe et apte pincer le tube afin d’en réguler la pression.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

[002] Dans l'état de la technique antérieure, comme dans les brevets US2020/096120 A1 et US2020/282361 A1 , les vannes à pincement sont conçues avec un actionneur linéaire pour effectuer la régulation de la contre-pression. Dans tous ces modes de réalisation, l'axe de l'actionneur linéaire est perpendiculaire à l'axe de la conduite souple. L'actionneur linéaire consiste en un plongeur qui comprime le tube contre un support fixe du côté opposé.

[003] Ces solutions souffrent du fait que la perte de charge exercée par la vanne à pincement n'est pas proportionnelle à la hauteur de pincement. En pratique, la plage de hauteur de pincement dans laquelle la contre-pression peut être régulée est très étroite, notamment dans les faibles débits où le tube doit être presque fermé pour induire une perte de charge.

[004] Un autre inconvénient de ces solutions est la faible largeur du plongeur. Ces valves sont généralement dérivées de vannes à pincement conçues pour fermer le tube, pour une fonction d'isolation. Le plongeur est donc étroit pour minimiser la force nécessaire à l'obturation du tube, donc pour minimiser la puissance de l'actionneur linéaire. Cependant, pour réaliser une chute de pression progressive telle que nécessaire pour une vanne de régulation, il est préférable de pincer le tube sur une surface plus large afin que la chute de pression soit plus importante pour une même hauteur de pincement.

[005] Le document GB2274326I décrit une vanne de régulation (« pinch valve ») comportant une came 38 et une contre-came 39 (« cam follower ») agissant en pincement sur un tube souple 42. De l’autre côté, le tube est maintenu par une face d’appui ajustable en fonction du diamètre du tube. Le système avec came et contre-came est complexe et peu précis et donc inadapté pour gérer des niveaux de régulation avec précision. [006] Le document EP2908902 décrit une vanne de régulation de flux dans un dispositif d’injection médical. L’écoulement circulant dans un tube est régulé par une came apte à agir contre un côté du tube. De l’autre côté du tube, un élément de pincement presse le tube contre la came. Le profil de l’élément de pincement est relativement pointu, de façon à permettre une interruption du flux dans le tube.

[007] Le document US2003/127613 décrit également une vanne de régulation de débit, utilisant des éléments de serrage d’un tube dont on souhaite effectuer la régulation. Les éléments de serrage sont arrondis et de faible dimension en regard du tube, ce qui empêche d’effectuer une régulation fine et précise.

[008] Pour pallier ces différents inconvénients, l’invention prévoit différents moyens techniques.

EXPOSE DE L'INVENTION

[009] Tout d’abord, un premier objectif de l’invention consiste à fournir une vanne de régulation de pression permettant de fournir un niveau de réglage de haute précision pour une vaste gamme de pressions.

[0010] Un autre objectif de l’invention consiste à fournir une vanne de régulation de pression de construction fiable, à coût modéré.

[0011] Encore un objectif de l’invention consiste à fournir un système de filtration tangentielle avec une régulation de pression précise et fiable.

[0012] Pour ce faire, l’invention prévoit une vanne de régulation de pression à pincement pour tube souple comportant un support fixe coopérant avec un côté d’un tube souple à réguler, un appui dynamique agencé du côté opposé au support fixe et apte à pincer le tube afin d’en réguler la pression, l’appui dynamique étant constitué d’un galet rotatif monté en rotation autour d’un axe excentré par rapport au centre du galet et pourvu d’une surface périphérique de contact exerçant une force directement sur le tube de façon à progressivement écraser le tube contre le support fixe lors d’une rotation du galet dans le sens de serrage et progressivement libérer le tube lors d’une rotation du galet dans le sens de desserrage, le support fixe comportant une surface active susceptible d’écraser le tube, ladite surface active étant plane ou concave avec une largeur Lar supérieure ou égale à 1.4 fois le diamètre extérieur DE du tube au repos. [0013] En tournant le galet dans le sens de serrage (avec augmentation de l’angle oc), le galet écrase le tube et augmente la perte de charge dans le circuit. En tournant le galet dans le sens de desserrage (avec diminution de l’angle a) le galet relâche le tube, qui reprend sa forme et permet de réduire la perte de charge dans le circuit. Ce système est simple, fiable, permet des ajustements très fins, et est facilement interchangeable. La largeur Lar minimale de la surface active correspond à la largeur du tube en position écrasée.

[0014] L’ architecture proposée comporte un moyen de pincement monopièce, avec contact direct du galet sans utilisation de pièce intermédiaire, contribuant à simplifier et fiabiliser l’architecture du produit. Le moyen de pincement utilise un galet excentré, permettant de réguler la pression avec un très haut niveau de précision. Cette architecture facilite l’interchangeabilité des pièces pour utiliser divers diamètres de tubes avec un même dispositif.

[0015] Un tel agencement permet de fournir un niveau de pincement ou serrage du tube souple de façon progressive, de façon à assurer une régulation précise et fiable. La mise en œuvre d'un galet de grande dimension en regard du tube augmente la longueur de pincement du tube, et permet donc d'avoir une chute de pression plus importante pour une hauteur de pincement donnée par rapport à un plongeur étroit. A cet effet, le galet est avantageusement dimensionné pour pouvoir agir au moins sur toute la largeur du tube.

[0016] De manière avantageuse, la longueur plane Lminflat ou concave Lminconc minimale de la surface active correspond à la longueur du tube au contact du galet lorsque celui-ci est à un angle de rotation a de 180°.

[0017] Selon un mode de réalisation avantageux, le galet est entraîné en rotation par un moteur électrique, de préférence un moteur pas à pas, avec ou sans réducteur agencé entre le moteur et le galet rotatif. Encore en variante, on peut prévoir un entraînement par un moteur « brushless » avec codeur de position absolu ou relatif. Ceci permet d’automatiser la régulation avec un réglage fin.

[0018] Dans le cas où un réducteur est agencé entre le moteur et le galet rotatif, cela permet de convertir l'angle du galet excentrique à la sortie de la boîte d'engrenages en un angle plus grand ou en plusieurs tours à l'entrée du réducteur où le galet est actionné. La précision angulaire du galet est donc multipliée par le rapport de transmission pour contrôler l'angle a du galet excentrique. [0019] De manière avantageuse, la vanne de régulation comprend un accouplement en rotation entre le galet rotatif et l'axe de rotation avec des dents radiales par rapport à l'axe de rotation. On peut également utiliser un accouplement de type Hirth. De tels accouplements permettent de réduire ou supprimer le jeu angulaire au niveau de l'angle a qui serait préjudiciable sur la précision de la régulation. De tels agencements procurent par ailleurs une grande simplicité du montage, permettant un remplacement rapide de galet pour utiliser divers diamètres de tubes.

[0020] De manière avantageuse, le galet comporte une cage extérieure montée libre en rotation en regard du galet. La cage extérieure est donc libre en rotation, de sorte que lorsque le noyau excentrique à galet tourne, la cage extérieure ne glisse pas le long du tube. Cela évite l'usure du tube et le déplacement latéral du tube le long de son axe.

[0021] L’ invention comprend également un système de régulation de pression comportant une vanne de régulation tel que préalablement décrit et un tube souple à réguler, dans lequel le tube est déformable élastiquement et reprend sa forme après écrasement et relâchement de l’effort de pincement.

[0022] De manière avantageuse, le galet est excentré d’une distance d-ex correspondant à 0,5 x (1-K2) x diamètre intérieur du tube + K1 x épaisseur de la paroi du tube, et la distance « D » entre l'axe de rotation (5) effectif du galet et le support fixe (2) correspond à 0,5 x [diamètre extérieur du galet + (1-K2) x diamètre intérieur du tube] + [2-K1] x épaisseur de la paroi du tube, où K1 , sans unité, représentant le facteur de compression des parois du tube lorsque la hauteur de pincement « P » est minimale est compris entre 0,05 et 0,15 et K2, sans unité, représentant le taux de fermeture du tube lorsque l'angle est de 0°, est compris entre 0 et 0,15.

[0023] Dans le cas où la pompe est régulée pour fournir un débit constant, la vanne de régulation peut être avantageusement utilisée pour réaliser une régulation de pression en aval de la pompe. La vanne de régulation est alors régulée en boucle fermée avec une mesure de pression située entre la pompe et la vanne de régulation.

[0024] L’ invention prévoit aussi un système de filtration tangentielle comportant un filtre à membrane, une pompe pour injection d’un mélange à filtrer dans le filtre à membrane, une vanne de régulation de contre-pression, en coopération fluidique avec la sortie du filtre à membrane, et une cuve de recirculation, connectée entre la vanne de régulation de contre- pression et la pompe, dans lequel la vanne de régulation de contre-pression est une vanne de régulation à pincement tel que préalablement décrit. [0025] De manière avantageuse, le système de filtration comporte un circuit de régulation en boucle fermée avec une mesure de pression en amont de la vanne de régulation pour obtenir la pression de consigne là où la pression est mesurée.

[0026] Egalement de manière avantageuse, le point de consigne et rétroaction de régulation est une pression différentielle.

[0027] La pression différentielle est de préférence une pression transmembranaire d'un média filtrant de filtration tangentielle, la pression transmembranaire TMP correspondant à la pression moyenne du rétentat moins la pression Pp du perméat, le «perméat» correspondant à la fraction du mélange à filtrer qui passe au travers de la membrane, la fraction restante, le "rétentat" étant recyclée dans la cuve de recirculation.

[0028] Cet agencement permet un contrôle en boucle fermée avec retour de pression, intégrant éventuellement le débit pour une régulation plus performante.

[0029] Dans le cas avantageux où la pompe est régulée pour fournir une pression constante, la vanne de régulation peut être avantageusement utilisée pour réaliser une régulation de pression en aval de la pompe. La vanne de régulation est alors régulée en boucle fermée avec une mesure de pression située entre la pompe et la vanne de régulation.

DESCRIPTION DES FIGURES

[0030] Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, complétée par les figures 1 à 11 présentées uniquement à des fins d’exemples non limitatifs, et dans lesquelles :

-la figure 1 est une vue en perspective montrant un exemple de vanne de régulation ;

-la figure 2 montre une vue en coupe de la vanne de régulation de la figure 1 ;

-la figure 3 est une représentation schématique illustrant le concept du décentrage du galet de la vanne de régulation afin d’agir en pincement sur un tube souple pour réguler la pression, ici avec le galet positionné à 0° ;

-la figure 4 est une représentation schématique illustrant le concept du décentrage du galet de la vanne de régulation afin d’agir en pincement sur un tube souple pour réguler la pression, ici avec le galet positionné entre 0° et 180°, provoquant un pincement du tube avec restriction du débit ;

-la figure 5 est une représentation schématique illustrant le concept du décentrage du galet de la vanne de régulation afin d’agir en pincement sur un tube souple pour réguler la pression, ici avec le galet à 180°, provoquant un écrasement du tube et blocage de l’écoulement du fluide ;

-la figure 6 est un graphique illustrant l’effet du pincement du tube sur la pression ;

-la figure 7 est une représentation schématique d’un exemple de système de filtration tangentielle ;

-la figure 8 est une représentation schématique d’un exemple de régulation automatique utilisant une vanne de régulation à pincement ;

-la figure 9 montre la vanne de régulation de la figure 1 en vue éclatée.

-la figure 10 est une représentation schématique similaire à celle de la figure 5, avec le galet à 180°, et illustrant la longueur minimale d’une surface active plane ;

-la figure 11 est une représentation schématique similaire à celle de la figure 5, avec le galet à 180°, et illustrant la longueur minimale d’une surface active concave.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

Difficultés de la régulation

[0031] Pour illustrer les difficultés liées à la régulation, le graphique de la figure 6 montre la contre-pression d'une vanne à pincement en fonction de la hauteur de pincement et du débit. Dans cet exemple, la tubulure est conçue pour une gamme de débit de 20 à 600LPH, pour une régulation de la contre-pression cible entre 0,2 et 3bar. Ces valeurs dépendent de la conception de la vanne à pincement et du tube choisis.

[0032] Ce graphique permet de dégager quelques constats, applicables pour tout type de vanne à pincement. Le premier constat indique que plus le débit est faible, plus étroite est la plage de hauteur de pincement dans laquelle la plage de contre-pression requise peut être obtenue. Par exemple, dans l'exemple encadré de la figure 6, la contre-pression de la vanne augmente de 1bar avec seulement 53 pm de variation de hauteur quand elle fonctionne à 50LPH ou 100LPH, donc dans la gamme des faibles débits.

[0033] Le second constat que l’on peut tirer de ce graphique est le suivant : dans la plage haute de pression, où le tube doit être très pincé, un léger changement de la hauteur de pincement induit une grande variation de contre-pression. Ces constats nous permettent de déduire qu’une très grande précision dans l'actionneur est nécessaire pour gérer la hauteur de pincement, en particulier dans la plage proche de la fermeture complète du tube. Une précision sur la hauteur de pincement de l'ordre du pm est nécessaire pour réguler une variation de pression de l'ordre de 0.1 bar. Définitions

[0034] On entend par « vanne de régulation de contre-pression » une vanne à ouverture pilotée qui régule à la valeur de consigne la pression à son orifice d'entrée d'un fluide fourni à débit constant, usuellement par la régulation d'une pompe située en amont de cette vanne. Son ouverture est augmentée pour réduire la perte de charge induite par cette vanne lorsque la pression à l'entrée dépasse le point de consigne de la pression. Son ouverture est diminuée pour augmenter la perte de charge induite par cette vanne lorsque la pression à l'entrée est en dessous du point de consigne de la pression.

[0035] On entend par « LPH » une mesure de débit en litres par heure.

[0036] « BPCV » est l’abrégé de « Back Pressure Control Valve », qui correspond en français à une « vanne de régulation de la contre-pression ».

[0037] On entend par « angle » ou « angle du galet », tous les angles se référant à l'angle de rotation du galet excentré, comme représenté aux figures 3, 4 et 5 par le symbole a. Un angle étant défini par deux axes, à savoir un axe de référence AREF et un axe de rotation AROT, et un point de croisement entre les deux axes. Le point de croisement est l'axe de rotation 5 effectif du galet excentrique, représenté sur la figure 3 par un cercle vide. L'axe de référence AREF est la ligne perpendiculaire à l'axe du tube souple 25 et passant par l'axe de rotation 5 effectif du galet excentré. L'axe de rotation est défini par la ligne passant par l'axe de rotation et l'axe excentré du galet, représenté aux figures 3 à 5 par un petit disque noir plein.

[0038] On entend par « TMP », la pression transmembranaire.

Vanne de régulation avec galet

[0039] La présente invention propose un nouveau concept de vannes de régulation de la contre-pression conçu pour tout type de tube souple, dans la mesure où le tube reste élastique lorsqu'il est complètement pincé, c'est-à-dire qu'il revient sensiblement à son ouverture initiale lorsqu'il est relâché. Le concept s’applique au moins pour des contre- pressions allant de 1 bar absolu à 30 bars absolus. Le concept est compatible avec tout fluide en phase gazeuse ou liquide et toute application de traitement des fluides.

[0040] Comme représenté sur la figure 1 qui montre un exemple de réalisation et aux figures 3 à 5, le principe de l'invention consiste à de pincer un tube souple 25 entre un support fixe 2 et un galet excentré 4 entraîné en rotation sur un demi-tour par un moteur électrique 8 ou un actionneur rotatif avec ou sans réducteur 9 intermédiaire.

[0041] Dans les exemples illustrés, le galet 4 a un profil extérieur circulaire, de sorte que son axe de rotation « naturel » se trouve au centre 6 du galet. Le galet 4 étant excentré, son axe de rotation 5 réel ou effectif est décalé d’une distance « d-ex » correspondant au décentrage de l’axe de rotation 5 effectif en regard du centre 6 du galet. En variante, lorsque le profil extérieur du galet n’est pas de forme circulaire, le centre 6 correspond au centre géométrique du profil concerné.

[0042] Tel que représenté à la figure 3, le décentrage « d-ex » du galet excentré 4 et la distance « D » entre l'axe de rotation 5 effectif du galet et le support fixe 2 sont adaptés à la tubulure 25 de sorte qu'à un angle de rotation de 0°, la hauteur de pincement « P » entre le galet et le support fixe est suffisante pour installer facilement la tubulure souple avec un certain jeu ou nécessitant une légère compression comme indiqué à la figure 4, et à un angle de rotation de 180°, la tubulure est complètement fermée comme indiqué sur la figure 5. La régulation de la contre-pression est effectuée avec un angle intermédiaire entre 0° et 180° tel que dans l’exemple de la figure 4.

[0043] La figure 2 fournit des détails complémentaires à la figure 1 avec une vue en coupe verticale dans l'axe du galet 4. Elle fournit donc plus de détails sur la conception interne du galet. Dans cet exemple de réalisation, l'axe de rotation 5 du galet est donné par l'arbre de sortie 12 du réducteur. Tel que montré aux figures 2 et 9, celui-ci est équipé d'un accouplement avec denture radiale 22, fixé par une frette de serrage sur l'axe de rotation pour coupler sa rotation avec le noyau excentré 14 du galet qui dispose également d'une denture complémentaire avec la denture 22 pour que les deux pièces s'assemblent sans jeu quand elles sont serrées ensemble par la vis frontale 23.

[0044] Le réducteur 9 est choisi avec jeu angulaire réduit ou sans jeu. L'accouplement en rotation entre l'axe de rotation 5 et le réducteur 9 est réalisé avec une frette de serrage. Enfin, l'accouplement en rotation entre le galet et l'axe de rotation est réalisé avec des dents radiales par rapport à l'axe de rotation, ou avec un accouplement de type Hirth. Cet accouplement avec dents radiales permet de supprimer tout jeu angulaire lors du serrage de l'assemblage par la vis avant. Il concilie ainsi précision angulaire et simplicité du montage, permettant un remplacement rapide de galet pour utiliser divers diamètres de tubes. [0045] Cependant, toutes les autres solutions de couplage en rotation disponibles sur le marché sont possibles. Le noyau excentré 14 du galet est un cylindre dont l'axe est décentré par rapport à l'arbre de rotation 12. Le décentrage est représenté par la cote « d-ex » à la figure 3.

[0046] Le galet 4 et le support fixe 2 sont des pièces dimensionnelles qui peuvent être échangées pour s'adapter à différentes tailles de tubes. Tel qu’illustré en particulier aux figures 10 et 11 , le support fixe 2 comporte une surface active 13 susceptible de coopérer avec un tube 25 afin d’écraser ce dernier. Cette surface active 13 est de préférence plane tel que montré dans l’exemple de la figure 10. En variante, elle est concave, tel que montré dans l’exemple de la figure 11. Ces deux formes permettent d'allonger la longueur du tube écrasée sous le galet, et donc l'amplitude de l'angle de rotation exerçant une perte de charge dans le tube, ce qui permet une régulation plus progressive de la pression.

[0047] La surface active 13 comporte une longueur minimale. Dans le cas d’une surface active plane, illustrée à la figure 10, la longueur plane (Lminflat) minimale correspond à la longueur du tube 25 au contact du galet 4 lorsque celui-ci est à un angle de rotation a de 180°. Dans le cas d’une surface active concave, illustrée à la figure 11 , la longueur plane (Lminconc) minimale correspond également à la longueur du tube 25 au contact du galet 4 lorsque celui-ci est à un angle de rotation a de 180°. Cette longueur dépend des coefficients K1 , K2, de l'épaisseur du tube et du diamètre du galet, et du rayon de concavité éventuel.

[0048] La surface active 13 comporte une largeur « Lar » supérieure ou égale à 1.4 fois le diamètre extérieur DE du tube 25 lorsque ce dernier est au repos, sans action d’écrasement.

[0049] Une même vanne peut donc être utilisée de manière optimale avec différentes échelles de débit. La denture radiale permet un accouplement sans jeu, une fois serrée, contrairement à d'autres solutions comme la clavette qui demanderait des ajustements très précis, donc difficiles à assembler, pour réduire le jeu en rotation.

[0050] Le noyau excentré 14 du galet est équipé à l'extérieur d'entretoises et paliers 11 serrés ensemble le long de l'axe de rotation avec des rondelles et des vis. Les roulements 11 se logent dans le creux de la cage extérieure 10. La cage extérieure est donc libre en rotation, de sorte que lorsque le noyau excentré du galet tourne, la cage extérieure 10 ne glisse pas le long du tube 25. Cela évite l'usure du tube et le déplacement latéral du tube le long de son axe. Les exemples de réalisation avec galet, entretoises et rondelles ne sont considérés qu'à titre d'exemple pour la fonction de rotation libre autour du noyau excentré du galet. D'autres alternatives avec des paliers lisses en matière plastique ou des roulements à aiguilles peuvent également être utilisées pour une conception plus compacte. Une conception plus simple sans la fonction de rotation libre peut également être mise en œuvre, par exemple avec le noyau excentré du galet directement en contact avec le tube souple, si ce dernier peut supporter le frottement du noyau excentré du galet pendant sa durée de vie.

[0051] D'autres réalisations sont possibles avec un accouplement d'arbre différent ou un autre type de réducteur, ou sans réducteur, donc avec un actionneur rotatif directement couplé au noyau excentré du galet. L'important est que la précision angulaire de l'actionneur de régulation, ou du volant s'il est manuel, soit suffisamment élevée, et que le jeu angulaire du réducteur et de l'accouplement avec le galet soit suffisamment faible pour que l'erreur d'angle n'induise pas de fluctuation au-delà de l'acceptable dans la régulation du BPCV.

[0052] En fonction de la précision requise dans la régulation de la contre-pression, de la plage de pression, différents calculs de décentrage « d-ex », de distance « D » peuvent être mis en œuvre. Dans les sections suivantes, plusieurs exemples sont expliqués.

[0053] En général, le décentrage « d-ex » du galet excentré et la hauteur « D » sont calculés comme étant :

- Excentration « d-ex » = 0,5 x (1-K2) x diamètre intérieur du tube + K1 x épaisseur de la paroi du tube.

- Hauteur « D » = 0,5 x [diamètre extérieur du galet + (1-K2) x diamètre intérieur du tube] + [2-K1] x épaisseur de la paroi du tube.

[0054] K1 , sans unité, représente le facteur de compression des parois du tube lorsque la hauteur de pincement « P » est minimale, c'est-à-dire lorsque l'angle est de 180°. Si K1 est choisi faible, tel que 0,05, le tube est légèrement serré lorsque l'angle du galet excentrique est de 180°. Dans cette position, le tube peut ne pas être suffisamment étanche pour faire office de vanne d'isolement. Cependant, une faible valeur de K1 positionne la plage angulaire où le tube est le plus pincé plus près de 180°. C'est là qu'une grande précision est nécessaire. Comme la hauteur de pincement « P » résulte du cosinus de l'angle, lorsque l'angle se rapproche de 180°, la variation de l'angle entraîne une variation beaucoup plus faible de la hauteur de pincement que si l'angle était dans une plage inférieure. En conséquence, pour une valeur de K1 comprise entre 0,05 et 0,15, l'actionneur rotatif fournit un contrôle plus fin de la hauteur du pincement dans cette plage où la variation de la pression est élevée. Le coefficient 0.15 permet de prendre en compte l'écrasement de l'épaisseur du tube sous l'effet de la pression.

[0055] Si K1 est choisi plus élevé, tel que 0,25, la plupart des tubes peuvent être fermés de manière étanche lorsque le galet excentrique est tourné à 180°. La vanne régulée par la contre-pression peut donc être utilisée comme vanne d'isolement. Cependant, cela positionne la plage angulaire où le tube est le plus pincé dans des valeurs angulaires plus petites. Une variation angulaire entraîne une plus grande variation de la hauteur de pincement. La sensibilité de la régulation n'est donc pas aussi grande que dans l'exemple précédent. K1 peut également être choisi dans une plage négative, telle que -0,05, de manière à positionner la plage angulaire où le tube est le plus pincé encore plus près de 180° par rapport au premier exemple, et donc gagner un peu plus de précision. Cependant, la tolérance de fabrication de l'épaisseur de la paroi du tube souple doit être prise en compte de sorte que dans le pire des cas, si l'épaisseur de la paroi est en tolérance inférieure, le pincement est suffisant pour obtenir la contre-pression ciblée.

[0056] K2, sans unité, représente le taux de fermeture du tube lorsque l'angle est de 0°. Si K2 est choisi égal à 0, la hauteur de pincement « P » correspond au diamètre extérieur du tube lorsque l'angle est de 0°. Cela facilite l'installation du tube dans la vanne.

[0057] Pour maximiser la précision du régulateur de pression, sans compromettre la plage de débit de la vanne de régulation de pression, il peut être intéressant de choisir une valeur K2 comprise entre 0 et 0,15, pour concilier l'installation facile du tube entre le galet et la surface active, et pour réduire l'excentricité nécessaire et donc permettre une régulation plus fine de la pression. Cela nécessite de pincer légèrement le tube lorsque le galet est à l'angle 0°, mais une compression de 5% du tube n'est pas difficile à obtenir : l'installation du tube reste facile. De même, l'exemple de la figure 6 montre qu'aucune chute de pression n'est obtenue avec une hauteur de pincement de 8,90 qui correspond à une compression de 5% du tube de diamètre intérieur 9,4mm. Cela n'augmente donc pas la contre-pression du chemin d'écoulement à un angle de 0° lorsque la contre-pression n'est pas nécessaire. Cependant, les formules ci-dessus montrent qu'une valeur positive de K2 tend à réduire l'excentricité. Comme la variation de la hauteur de pincement « P » est proportionnelle à l'excentricité « d-ex »: avec une valeur positive de K2, la variation de l'angle se traduit par une plus faible variation de la hauteur de pincement « P », d'où une plus grande précision de la régulation quel que soit l'angle. K2 peut également être choisi avec une valeur négative, telle que -0,05. Dans ce cas, avec le galet à 0°, la hauteur de pincement « P » est supérieure au diamètre extérieur du tube et facilite donc la mise en place de ce dernier, ou peut permettre l'utilisation d'un tube plus grand. Mais on peut facilement déduire qu’il en résulte une moindre précision de la hauteur de pincement « P ».

Exemple d’application de la vanne de régulation

[0058] La présente invention peut s'appliquer à toute application fluidique, avec manipulation de liquide ou de gaz, nécessitant une régulation de la contre-pression sur un tube souple.

[0059] De nombreux procédés de traitement des fluides nécessitent une vanne de régulation de contre-pression « BPCV » pour maintenir une pression fixe et stable dans le circuit en amont de la BPCV afin d'assurer le bon fonctionnement du procédé lors de l'écoulement d'un liquide ou d'un gaz dans la tuyauterie. Des exemples d'applications sont, sans s'y limiter, la chromatographie de procédé, la filtration tangentielle.

[0060] La filtration tangentielle requiert en effet un pilotage précis de la pression transmembranaire « TMP », tel qu’illustré schématiquement à la figure 7. La filtration membranaire est une technique de séparation où un produit à filtrer circule sous pression, habituellement au moyen d'une pompe 18, au travers d’une membrane 17 semi-perméable d’un filtre 16. La fraction qui passe au travers de la membrane est nommée "perméat" 21. La fraction restante, le "rétentat" 20, est recyclée dans une cuve 19 de recirculation. Afin que la filtration soit optimale, une différence de pression stable doit être exercée sur la membrane 17 de filtration, appelée pression transmembranaire. La pression transmembranaire est calculée comme la pression moyenne du rétentat moins la pression du perméat (Pp). La pression moyenne du rétentat est la moyenne de la pression mesurée dans l'orifice de sortie du rétentat (Pr) et de la pression mesurée P dans l'orifice d'entrée du rétentat (Pf). Donc, TMP = (Pr+Pf)/2 - Pp, tous ces paramètres étant mesurés dans la même unité de pression (bar, Pascal, PSI, ou autre). En régulant l'ouverture de la BPCV, la TMP peut-être régulée autour de sa valeur de consigne. Ainsi, au total, la TMP utilisée comme point de consigne et comme rétroaction pour la régulation du BPCV peut être calculée à partir de trois mesures de pression (Pr, Pf, Pp).

[0061] Dans le cas d'une application simple nécessitant une pression fixe réglée manuellement, le mécanisme de contrôle est généralement un diaphragme ou un piston avec ressort pour réguler l'ouverture du fluide. Ceci peut être couvert par la présente invention au moyen d'un volant à la place du moteur électrique ou de l'actionneur rotatif de la figure 1. Cependant, la présente invention s'adresse principalement au cas des systèmes automatisés où la consigne de pression est définie par un système de contrôle électronique. Dans ce cas, l'ouverture de la vanne est régulée par un actionneur électrique qui est contrôlé électroniquement en boucle fermée en utilisant comme retour une mesure de pression en amont de la vanne. La pression peut être mesurée juste en amont de la vanne, ou peut être une mesure plus complexe, telle que la pression transmembranaire dans le cas d'une filtration tangentielle.

[0062] Comme alternative aux solutions avec tuyauterie rigide, en plastique ou en acier, beaucoup d'équipements sont aujourd'hui conçus avec des tubes souples faits d'élastomères tels que le silicone, le PVC, le PTFE, ou d'autres matériaux souples avec éventuellement un renfort extérieur textile ou métallique pour apporter une plus grande résistance à la pression. Ces solutions sont de plus en plus employées dans le cadre des procédés dits "à usage unique" dans l'industrie pharmaceutique, où l'ensemble de la tuyauterie et de l'instrumentation, c'est-à-dire toutes les surfaces en contact avec le produit, sont remplacées entre les cycles de production, les lots ou lors des changements de produit pour éviter les contaminations croisées.

Régulation en boucle

[0063] La section suivante concerne la commande électronique du BPCV. Le moteur 8 ou actionneur rotatif du BPCV a pour but de positionner l'angle du galet excentré de manière précise et rapide en fonction de la pression mesurée en amont du BPCV, afin d'obtenir la pression de consigne.

[0064] Ceci peut être résumé par la figure 8, qui présente un logigramme de contrôle en boucle fermée très classique. Les termes " P, I, D " désignent les paramètres de contrôle " proportionnel ", " intégral " et " dérivé " couramment utilisés dans le contrôle en boucle fermée.

[0065] Le régulateur BPCV gère le début de la boucle : il reçoit la consigne de pression qu'il compare à la mesure de pression (simple ou complexe comme indiqué précédemment). La différence entre la consigne de pression et la mesure de pression sert de point d'entrée pour la régulation, en utilisant les paramètres de contrôle P, I, D et en résultant avec une correction du pincement « P » (0% = pincement minimal, 100% = pincement maximal). L'entraînement de l'axe procède au réglage de l'angle du galet excentré correspondant à cette correction de pincement.

[0066] Plusieurs solutions sont possibles pour la régulation, de la plus simple mais moins performante, à une régulation plus complexe prenant en compte le débit du fluide pour une meilleure performance du BPCV. Dans le cas de la solution la plus simple : la régulation est appliquée sur toute la course de la BPCV, c'est-à-dire : de 0° à 180° quel que soit le débit utilisé. Dans le cas d'un débit faible et d'une pression de consigne élevée, où l'angle doit être poussé jusqu'à 180°, et si la régulation commence avec la vanne complètement ouverte, donc avec le galet excentrique à 0°, il peut s'écouler un long moment avant que la BPCV n'atteigne l'angle approprié, pendant lequel la régulation peut accélérer la vitesse de rotation et donc induire une variation de pression trop rapide lorsque l'angle correct est atteint. La régulation doit donc être lente pour éviter un dépassement de la pression.

[0067] Une solution plus performante mais aussi plus complexe peut être mise en œuvre, consistant à ajuster la plage angulaire de la régulation du BPCV au débit en cours. Ceci nécessite de mesurer le débit ou d'informer la régulation du débit en cours. La régulation BPCV agit sur une plage angulaire limitée. Le plus petit angle est calculé pour fournir la hauteur de pincement minimale où aucune contre-pression n'est encore exercée par le BPCV au débit en cours. Par exemple, dans la figure 4, si le débit est de 100LPH, le plus petit angle doit fournir une hauteur de pincement de 6,5 mm (8). Le plus grand angle régulé est choisi pour fournir la pression maximale autorisée au débit donné. Par exemple, dans la figure 6, si le débit est de 100 LPH et que la pression maximale autorisée est de 3.3 bar, le plus grand angle doit fournir une hauteur de pincement de 6,00 mm. Cette intégration du débit dans la régulation permet d'avoir un temps de réponse plus court et cohérent de la régulation du BPCV, quel que soit le débit.

Numéros de référence employés sur les figures