Brevet FR2003000A1 — publié le 19691107

La présente invention concerne un thermocouple produisant un signal électrique, plus Epécialement pour commander des soupapes électriques de sécurité pour brûleurs à gaz Dans les appareils de chauffage en général, par exemple étuves, cuísinières, réchauds, etc., on connaît déjà l'emploi de dispositifs de sécurité comportant une soupape électrique de sécurité commandée par un thermocouple chauffé par la flamme au brûleur principal ou d'un brûleur pilote, et dans lesqués l'obturateur de la soupape électrique, qui coupe le conduit d1 alimentation en gaz, intervient lorsque le brûleur-pilote s éteint pour une raison quelconque en plus du ou des brûleurs principaux Dans ces dispositifs de sécurité, le signal électrique produit par le thermocouple sert à maintenir l'excitation d's électro-aimant de commande de la soupape électrique de sécurité dont l'obturateur se déplace dans ie sens de la fermeture sous l'action d'un ressort pour fermer le conduit d'arrivée du gaz quand le thermocouple se refroidit, et que par suite la tensIon produite parce thermocouple diminue Pour que le dispositif de sécurité fonctionne efficacemertç il est très important, afin de limiter le volume débité de gaz non brulé, que la décroissance de la tension du thermocouple en dessous du seuil de maintien de l'excitation de l'électro-aimant soit rapide lorsque le brûleur pilote s'éteint, c1est-à-dire que la constante de temps du thermocouple soit très faiblie On entend ici par constante de temps la pente de la courbe représentant la variation de la tension en fonction du temps La valeur de la constante de temps ainsi définie est fonction de nombreux paramètres ; elle dépend en particulier de la disposition constructive, de la forme et de la masse des eléments composant le thermocouple, de la longueur, des surfaces et des constantes thermiques et theflTio-électriques des métaux utilisés Un dispositif généralement aacpté pour les thermocouples éons aérés ici est décrit, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis d Amérique 35 2.891.610, 2.126.564 et 2.475.430. Les thermocouples de ce type comprennent une borne extérieure de forme tubulaire, en une matière thermo-électrique réfractaire, dont l'extrémité exposée à la flamme est soudée à une borne intérieure de potentiel thermo-électrique contraire, la soudure constituant une jonction thermo-électrioue chaude L'extrémité opposée de la borne thermo-électrique intérieure est soudée à un conducteur constitué habituellement par un fil de cuivre. La deuxième soudure constitue une jonction thermo-électrique opposée, c'est-à-dire dont la polarité thermoélectrique est opposée à celle du premier joint. Pour obtenir une structure robuste; indéformable et permettant un blocage énergique du thermocouple sur son support, 12 borne extérieure est introduite sur une partie de sa longueur dans une pièce intermédiaire robuste, qui est généralement en un alliage métallique bon conducteur de la chaleur et l'électricité. La borne extérieure est en outre soudée sur la pièce intermédiaire dans la région du bord du siège contenant cette borne, afin de réaliser une troisième jonction soudée. Sur le côté opposé, la pièce intermédiaire est soudée en outre à une gaine, tube ou enveloppe métallique électriquement conducteur, qui, avec interposition d'une matière isolante, contient un conducteur soudé à la jonction thermo-électrique opposée. L'extrémité libre du conducteur etcelle du tube, gaine ou enveloppe métallique, sont connectées électriquement, par un raccord convenable, aux extrémités de l'enroulement d'excitation de la soupape électrique. Dans un thermocouple de composition connue et conforme à ce qui précède, l'un des paramètres déterminant en ce qui concerne la valeur de la constante de temps, est constitué par la longueur libre de la borne thermo-électrique extérieure et exposée à l'action directe de la flamme. Les alliages thermo-électriques réfractaires connus jusqu'ici et avec iesquels on réalise généralement la borne extérieure (alliages de ferro-chrome, de nickel-chrome, de ferronickel-chrome, aciers inoxydables, etc), possèdent une faible conductibilité thermique. I1 en résulte que, pendant le refroidissement du thermocouple, la dissipation de la chaleur par conduction, depuis la soudure chaude de la borne vers la pièce intermédiaire t la soudure opposée, se produit avec un retard d'autant plus grand que la longueur libre du produit fini est elle-meme plus grande. I1 serait donc avantageux de réduire sensiblement cette longueur libre, mais cela est impossible parce que la jonction soudée entre la borne extérieure et la pièce intermédiaire ne peut résister à l'action corrosive et oxydante de la flamme. La jonction soudée est en effet particulièrement vulnérable quand elle est réalisée (ce qui est avantageux) au moyen d'un alliage eutectique fusible, par exemple d'un alliage à base d' argent Un autre obstacle à la diminution de la constante de temps dans les thermocouples constitués comme indiqué ici, est dû à la longueur axiale de la borne thermo-électrique intérieure qui est connectee à la borne extérieure par la soudure chaude précitée On est en effet obligé de réaliser la borne intérieure en une matière ayant un pouvoir thermo-électrique élevés par exemple, le constantan ou un autre alliage analogue. D'autre part, cette longueur axiale elle-meme ne peut pas être réduite sensiblement dans les thermocouples déja connus, car la jonction opposée se trouverait trop près de la soudure chaude, ce qu'on doit éviter par suite de la nature de la jonction opposée parce que le conducteur peut s'oxyder et se détériorer, spécialement s'il est en cuivre. En outre, il ne faut pas oublier que, pour obtenir une bonne sensibilité, il faut que la température de régime du thermocouple, et par suite sa tension utile, soient- aussi élevées que possible. L'objet de la présente invention est un dispositif ne comportant pas les inconvénients caractéristiques des thermocouples de structure déjà connue qui sont décrits plus haut. La présente invention a pour objet un thermocouple, ayant des dimensions analogues à celles des thermocouples déjà connus pour pouvoir être intégré dans les dispositifs de sécurité existants, et réalisé à l'aide de matières thermo-électriques déjà connues et précitéeg ce thermocouple possédant une constante de temps sensiblement réduite ainsi que de bonnes caractéristiques de sensibilité tout en conservant la résistance à la flamme et d'autres particularités qui caractérisent les thermocouples déjà connus. Selon la présente invention, dans un thermocouple du type considéré, la borne thermo-électrique extérieure est placée à l'extérieur sur un appendice cylindrique de la pièce intermédiaire qui s'étend sur au moins 10 % de la longueur axiale totale de la borne si bien que la pièce intermédiaire, qui est l'organe de dissipation de la chaleur, est dispo-sée dans la région du joint chaud tandis que la soudure de liaison entre la borne extérieure et la pièce intermédiaire se trouve en dehors de la flamme qui baigne la soudure chaude. Suivant l'invention, il est également avantageux que la borne thermo-électrique intérieure soit soudée au conducteur correspondant avec interposition d'une partie intermédiaire d'élément thermo-électrique connectée par deux soudures thermoelectriques opposées en série, la partie d'élément thermo-électrique étant en un métal à haute résistance thermique. I1 est très avantageux que la borne thermo-électrique intérieure possède également, dans le voisinage de la soudure chaude, une partie à section réduite liée au reste de la borne intérieure par un raccord, la borne extérieure étant pourvue d'une partie tubulaire extrême qui entoure la partie à section reduite de la borne interne et est unie au reste de la borne externe par un raccord tronconique à angle d'ouverture élevé. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront mieux de la description détaillée suivante, qui concerne un exemple non limitatif de réalisation et se réfère aux figures jointes dans lesquelles - la figure 1 est une coupe axiale du thermocouple perfectionne suivant la présente invention, - les figures 2 à 4 représentent en élévation diverses variantes de thermocouples, - la figure 5 représente une forme modifiée de trémie. On voit sur la figure 1 la borne thermo-électrique externe 10 qui est exposée à l'action de la flamme et est connectée à une borne interne 11 ayant des caractéristiques thermo-électriques opposées, au moyen d'un joint soudé 12 qui constitue la soudure chaude du thermocouple. Suivant la présente invention, la borne 10 est placée, sur une partie de sa longueur axiales autour de l'appendice co.respondant 13a de longueur L' d'une pièce intermédiaire 15 insérée entre la borne 10 et la borne 11. Dans la région de ltextrémité opposée au joint chaud 12, la borne 10 est connectée à la pièce intermédiaire 13 par une soudure 14, séparée du joint chaud 12 par une longueur L égale à la longueur axiale totale de la borne 10. Suivant la présente invention, le rapport entre les longueurs axiales L' et L est avantageusement compris entre 0,1 et 0,5 (et de préférence entre 0,25 et 0,45), si bien que l'appendice cylindrique 15a de la pièce intermédiaire 13, non seulement réalise un contact supeniciel étendu avec la borne lf mais encore se prolonge sur une longueur appréciable vers la soudure chaude 12, ce qui favorise une bonne transmissIon de chaleur entre la borne et la pièce intermédiaire qui a pour but de rayonner la chaleur. On obtient ainsi, une dissipation efficace de la chaleur accumulée dans la borne 10, par la pièce intermédiaire 130 A la différence de la borne 10, dont on doit choisir la matière constitutive parmi les alliages ayant des pouvoirs thermo-électriques élevés et par suIte de faibles coefficients de conductibilité thermique, cette pièce 13 peut être réalisée en une matière choisie parmi celles qui ont une conductibilité thermique élevée, par exemple le cuivre et ses alliages correspondants. La pièce intermédiaire constitue ainsi un radiateur efficace qui cède la chaleur au milieu extérieur par rayonnement et convection, et l'on peut encore améliorer cette dissipation de chaleur en accroissant la surface extérieure totale de la pièce 13, par exemple par un filetage ou par des nervures 1-. Le profil extérieur représenté de la pièce 15 n'est évidemment pas limitatif ; il est évident que ce profil peut prendre des formes et configurations extrêmement variées, en foncticn des pinces ou autres systèmes d'attache du thermocouple, et suivant que le thermocouple détend d'un brûleur principal ou d'un brûleur pilote. La soudure de liaison 14, qu par la nature de la matière de la borne 10, est réalisée en alliages fusibles, par exemple à base a'argent, ne résistant pas à l'action de la flamme, ue trouve dIsposée avantageusement par rapport à la soudure chaude 12, grâce à la longueur axiale L de la borne 10. Cette longueur peut en effet être choisie de façon que la soudure 14 soit assez éloignée de la flamme qui baigne la soudure chaude 12, la longueur L étant toujours choisie de façon à satisfaire à la relation L' 4 0,5 L De plus, suivant la présente invention, la borne thermoélectrique il a une longueur axiale H légèrement supérieure à la longueur axiale précitée L, le rapport H/L étant compris entre 1,0 et 1,5. Cela est possible car selon la présente invention, la borne thermo-électrique 11 est reliée à un conducteur 15 avec interposition d'un élément thermo-électrique intermédiaire 16. La borne Il est réalisée en alliages classiques, par exemple cupro-nickel, constantan, alumel, etc., ayant une polarité thermo-électrique négative. Par contre, l'élément thermo-électrique intermédiaire 16 est en une matière à potentiel thermo-électrique positif, par exemple fer, nichrome et autres alliages analogues, matière possédant également une résistance thermique élevée, en ce sens qu'elle ne subit pas d'altérations de texture importantes, comme cela arrive par exemple avec le cuivre quand il subit un échauffement élevé. Suivant l'invention, la liaison entre la borne 11 et le conducteur 15 est donc réalisée au moyen de deux jonctions intermédiaires 17 et 18 qui sont disposées en série. Suivant la présente invention, la soudure intermédiaire 17 peut avoir une résistance thermique élevée, de toute façon très supérieure à celle des soudures habituelles des thermocouples. Cela tient d'une part au fait que la matière constituant l'élément intermédiaire 16 est plus réfractaire, et d'autre part, au fait que cet élément peut être soudé à l'extrémité 11 avec une soudure sans apport de matière, par exemple par une soudure électrique par résistance : l'exécution de la souåure-serait plus difficile si le conducteur 15 en cuivre était relié directement à la borne 11, par suite de.la différence extrêmement élevée entre les conductibilités thermiques et électriques du cuivre et de la matière thermo-électrique de la borne négative 1l. Par contre, le conducteur en cuivre 15 pourra être soudé à l'élément intermédiaire 16 par une soudure 18 avec apport de matière sans que cette soudure soit détériorée par la chaleur, étant donné la distance qui la sépare de la soudure chaude, ou plus généralement de la zone du thermocouple exposée à l'action de la flamme. Suivant l'invention, la borne thermo-électrique 11 ainsi que ltélément intermédiaire 16 sont tous deux logés dans une gaine 19 en une matière électriquement isolante. Le conducteur L5 qui est également recouvert d'une façon convenable par une matière électriquement isolante, est en outre logé dans un autre conducteur extérieur 20, qui est un tube, une gaine ou une enveloppe tubulaire métallique classique à forte conductibilité électrique Le conducteur 15 et l'enveloppe 20 agissent en liaison avec les contacts correspondants 21 et 22 auxquels aboutissent, par l'intermédiaire d'organes appropriés de contact non représentés sur la figure, les conducteurs qui relient le thermocouple à l'électro-aimant utilisant l'énergie produite par ce thermocouple. Les figures 2 à 4 montrent diverses variantes possibles de réalisation de la pièce intermédiaire 13. Cette pièce intermédiaire peut être cylindrique comme indiqué en 13c sur la figure 2, ou bien présenter un col 13d (figure 5), ou une série de gorges 13e (figure 4), qui servent à la mise en place de bandes, colliers ou autres organes de fixation. On voit sur la figure 5 que la borne extérieure 10 du thermocouple, comprend une première partie 10'a de forme tubulaire, reliée directement à la soudure chaude 12, une deuxième- partie lO'b de forme tronconique à angle d'ouverture élevé, reliant la partie 10'a avec une troisième partie 10'c de forme tubulaire, montée sur la pièce intermédiaire 13. La borne intérieure l1' comprend elle-même une première partie ll'a en contact direct avec la soudure chaude 12 et ayant une section réduite, et un raccord li'b reliant la partie ll'a avec la partie ll'c de la borne intérieure traversant la pièce intermédiaire 13. Les résultats d'essais pratiques ont montré qu'un thermocouple réalisé suivant la présente invention a une constante de temps inférieure de 20 à 50 % à celle d'un thermocouple classique ayant les mêmes dimensions exterieures et employant les mêmes métaux ou alliages métalliques pour réaliser les éléments thermoélectriques, la comparaison étant faite en montant le thermocouple classique et le thermocouple perfectionné de l'invention, en des positions identiques par rapport à la flamme du brûleurpilote, et avec des brûleurs de même puissance. En outre, par suite du fort rétrécissement de la partie extrême de la borne intérieure, le thermocouple de la présente invention atteint des températures de régime très élevées, et produit par suite des tensions utiles également très élevées ces caractéristiques permettent un refroidissement très rapide, et par suite une diminution très rapide de la tension utile iors de l'extinction de ia flamme, ce qui assure une intervention rapide de la soupape électromagnétique commandée par le thermocouple. Le principe de la présente invention étant respecté, les details d'exécution et les formes de réalisation pourront évidemment être largement modifiés par rapport à la présente description et aux figures jointes, sans que l'on sorte pour cela du domaine protégé par cette invention. REVENDICATIONS Thermocouple pour dis-aitis thermo-électriques de sécurité de brûleurs à gaz, du type comprenant une borne thermoélectrique externe et une borne thermo-électrique interne reliées entre elles par une jonction ou soudure chaude, caractérisé par le fait que la borne externe est placée autour d'un appendice cylindrique d'une pièce intermédiaire qui s'étend sur une longueur L au moins égale à 10 ffi de la longueur axiale totale L de la borne, si bien que la pièce intermédiaire qui constitue l'organe de dissipation de la chaleur atteint la région de la soudure chaude, tandis que la soudure qui relie la borne externe et la pièce intermédiaire se trouve à l'extérieur de la flamme qui baigne ladite soudure chaude Thermocouple conforme à ia revendication 1, caractérisé par le fait que le rapport entre la longueur axiale de l'appendice de la pièce intermédiaire et de la longueur axiale totale de la borne externe est compris entre 0,1 et 0,50 5 Thermocouple conforme aux revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la pièce intermédiaire comporte des ailettes ou un filetage extérieur, cu tout autre dispositif analogue augmentant sa surface d'échange thermique. 4. Thermocouple conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que la soudure de liaison entre la borne externe et la pièce intermédiaire est réalisée avec apport d'une matière consituée par un alliage fusible, par exemple à base d'argent. 5. Thermocouple conforme aux revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la borne interne est soudée à un conducteur correspondant avec interposition d'une partie d'un élément thermo-électrique intermédiaire, connectée au moyen de deux jonctions thermo-électriques d'opposition en série 6. Thermocouple conforme à la revendication 5, caractérisé par le fait que la partie de l'élément thermo-électrique interne aviaire est en une matière thermo-électrique ayant une forte résistance thermique, et par le fait que la soudure reliant ladite partie à la borne interne peut avantageusement être une soudure sans apport de matière, alors que la soudure reliant cette partie à un conducteur peut être réalise avec apport de matière, plus spécialement avec apport d'un alliage eutectique à base d'argent ou analogue. 7 Thermocouple conforme à l'unie ou l'autre des revendica tions précédentes, caractérisé par le fait que le rapport entre la longueur axiale de la borne interne et la longueur de la orne externe est compris entre 1,0 et 1,5. 8 Thermocouple conforme à lZune ou l'autre des revendications préeedentes, caractérisé par le fait que la borne interne comporte dans le voisinage de la jonction chaude une partie à section réduite reliée au reste de la borne interne par un raccord, la borne externe comportant une partie tubulaire d'extrémité qui entoure la partie à section réduite de la borne interne et est reliée au reste de la borne externe par un raccord tronconique à forte ouverture angulaire.