Brevet FR2464519A1 — publié le 19810306

La présente invention concerne un actionneur sensible à la température destiné à produire une fonction à La sortie, en réponse aux variations de température. Il existe différents types d'actionneur5 thermiques conçus pour des buts divers. Par exemple, un actionneur à bilame est utilisé dans divers buts, les changements de température agissant sur une bande bimétallique pour engendrer un mouvement qui peut être utilisé pour faire fonctionner un élément de sortie. De tels dispositifs sont valables dans de nombreuses applications, et ils souffrent d'un certain nombre de limitations et d'inconvénients. S'ils sont exposes à des températures très élevées pendant de longues périodes, ils ont tendance à mal fonctionner. Un autre actionneur thermique communément utilisé fait usage d'un système étanche fluide, conteant du mercure, et il comporte un bulbe destiné à être place à l'emplacement d'exposition aux variations de température, une capsule souple pour engendrer un mouvement de sortie, et un tube capillaire de liaison. Le mercure est choisi pour ses propriétés bien connues de rester liquide dans un large domaine de températures et en particulier d'avoir un point d'ébullition élevé.Pour l'utilisation dans le reperage des températures de flamme, par exemple dans un dispositif à défaut de flamme, un système rempli de mercure peut engendrer un mouvement de sortie appréciable et des forces de sortie appréciables pendant la transition entre la phase liquide et la phase vapeur, ou inversement. Toutefois, un système rempli de mercure souffre d'un certain nombre d'inconvénient. Le mercure étant hautement toxique, il n'est pas souhaitable et souvent pas acceptable pour différentes applications, mais en particulier dans les conditions d'usage domestique. Le mercure est également extrêmement cher et hautement corrosif aux températures elevees, ce qui augmente les risques d'une fuite. En outre, s'il se produit un blocage dans le tube capillaire, le risque d'explosion d'un composant du système n'est pas négligeable, et le risque est aggravé par la tendance à restreindre le volume des composants et par suite le diamètre des capillaires. Théoriquement, il est possible d'utiliser d'autres liquides dans un tel système étanche, mais en pratique tous les systèmes connus souffrent de divers inconvénients. Par exemple, à 3600C, la pression de vapeur de l'eau est supérieure à 186 kg;cm , et aux températures des flammes, la pression de vapeur serait totalement inacceptable pour de nombreux dispositifs. L'utilisation d'un gaz à la place d'un liquide dans le système peut sembler être tout à fait indésirable. Le coefficient de dilatation thermique est essentiellement bas et le mouvement de sortie ainsi que la force de sortie engendrés doivent être beaucoup plus petits que dans le cas du système à mercure. Toutefois, de façon surprenante, on a trouvé qu'un système rempli de gaz peut, par un contrôle précis des paramètres, produire des résultats valables. Par un choix soigné de la pression de remplissage à laquelle le système est fermé, joint à une conception des volumes relatifs des composants du système et à la souplesse de la capsule élastique, un actionneurrempli de gaz de ce type peut être utilisé pour fournir une commande efficace d'un élément de sortie dans un domaine utile de variation de température. Le gaz se dilate selon la loi normale des gaz, approximativement sur une base linéaire qui facilite la conception et les calculs. On peut choisir un gaz approprié qui soit inerte ou non corrosif aux températures de foncionnement. Le gaz peut être totalement exempt de toxicité et il est dans tous les cas relativement peu coûteux. Le remplissage pose un problème facile et l'actionneur peut par suite être relativement simple et de fabrication économique. Un actionneur thermique rempli de gaz, selon l'invention, peut être utilisé pour une grande variété de projets. Il peut fonctionner par exemple comme dispositif automatique à gaz pour la détection d'absence de flamme dans un équipement à brûleur à gaz tel qu'un four ou une chaudière domestique. Il peut également être utilisé comme détecteur de flamme pour faire fonctionner les soupapes d'extincteur ou des commutateurs dans des circuits d'alarme électrique. En général, il peut être utilisé dans toute application où une fonction de sortie est nécessaire automatiquement à partir d'une variation de température. D'une façon générale, l'invention concerne un actionneur sensible à la température, comprenant un système scellé contenant un bulbe sensible à la température, une capsule souple et un tube capillaire à petit trou reliant le bulbe à la capsule, le système étant rempli d'un gaz à une pression au-dessus de la pression atmosphérique à la température ambiante. De préférence, le système est rempli à une pression absolue de 1 à 15 bars, ou mieux de 1,1 à 4 bars, par exemple à 2,5bars. La pression de remplissage doit être choisie en tenant compte de différents facteurs. Si la pression de remplissage est trop grande, la pression augmente en fonctionnement et peut provoquer une déformation permanente de la capsule. La pression dépend ainsi partiellement de la résistance et de la raideur de la capsule.La pression de remplissage doit tenir compte également de variations possibles en altitude. Même un dispositif de détection de flamme pour un brûleur domestique à gaz peut être installé à une altitude quelconque, peut être jusqu'à 3000 m. Selon une caractéristique préférée de l'in vention, le gaz est mono-atomique et de préférence inerte (groupe 8a de la Classification périodique des éléments) tel que l'argon, l'hélium, le néon ou le krypton. Ces gaz ne pénètrent pas au travers de l'enveloppe métallique à température élevée. L'hélium a des avantages spéciaux, puisqu'il permet de détecter des fuites, il est bon marché et possède une conductibilité thermique élevée, ce qui améliore la vitesse de réponse. Les gaz inertes sont préférables, mais ce n'est pas toujours essentiel. Un gaz tel que C02 ou N2, qui est relativement non corrosif aux basses températures de fonctionnement, peut être utilisé. I1 est également possible d'utiliser des mélanges de gaz. Toutefois, en général, il n'est pas possible d'utiliser des gaz organiques d'hydrocarbure et bien entendu les gaz choisis ne doivent pas se liquéfier à l'extrémité inférieure du domaine de température, et ils ne doivent pas exploser à l'extrémité supérieure. Le volume mort constitué par l'espace entre le tube capillaire et la capsule comprimée doit être maintenu à un minimum, puisque celui-ci est relativement peu chauffé et ne contribue pas à la dilatation. De plus, le volume mort tend à réduire le mouvement de sortie provenant de la capsule. De préférence, le volume mort est réduit à moins de 30 % du volume total du système comportant le bulbe. Le volume du bulbe doit être suffisamment grand pour produire la sortie nécessaire, mais des dimensions excessives constituent un inconvénient. De préférence, le volume du bulbe est 3 3 compris entre 200 et 1000 mm , et de préférence entre 300 et 500 mm La capsule peut avoir différentes formes. Théoriquement, on peut utiliser un soufflet ou un tube de Bourdon, mais leur conception est complexe et, dans certaines applications, elle est inutilisable.En tout cas, il est souhaitable que le volume mort soit maintenu à un minimum et, selon une caractéristique préférée de l'invention, la capsule comprend deux parois opposées qui sont capables de se rapprocher et de s'éloigner l'une de l'autre et qui, en 3 position comprimée, déterminent un volume interne de moins de 50 mm Les deux parois peuvent être planes, mais pour des raisons de souplesse, il est préférable qu'elles ne soient pas planes et qu'elles aient approximativement la même forme pour s'ajuster ou s'emboiter étroitement l'une contre l'autre. Au moins l'une des parois de la capsule est de préférence précontrainte en position comprimée ou position limite. L'élasticité de la paroi agit partiellement comme un ressort de rappel sur l'élément de sortie et, en outre, tend à ramener cette paroi à l'état comptimé de volume minimum. L'invention concerne également un actionneur thermique déterminé en liaison avec un élément de sortie mécanique relié à une partie mobile de la capsule. L'élément de sortie peut être conçu pour faire fonctionner une soupape de commande de fluide ou un interrupteur électrique ou magnétique ou tout autre dispositif externe de commande. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation en se reportant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente une coupe schématique montrant un dispositif automatique de détection de flamme pour un dispositif à brûleur; - la figure 2 représente une vue schématique montrant un actionneur thermique selon l'invention, couplé à un microrupteur faisant partie d'un circuit d'alarme; et - la figure 3 représente un diagramme représentant la relation entre la température et la dilatation de la capsule pour différentes valeurs de la pression de remplissage, en bars, et de la souplesse de la capsule, en mètres par Pascal. Selon la figure 1, un bulbe 10 en acier inoxydable est placé dans la flamme d'une veilleuse à gaz (non représentée) et il est relié par un tube capillaire 11 à petit trou à un élément 12 de commande de gaz. Celui-ci possède une entrée principale 13 pour le gaz et une sortie 14, avec un passage commandé par la plaque circulaire 16 d'une soupape. Le tube capillaire est ajusté dans un trou de l'enveloppe, il est positionné par un bloc 17 et de la colle 18, et il est rendu hermétiquement étanche par rapport à une capsule extensible 20 qui est constituée de deux plaques métalliques souples avec ondulations annulaires. La plaque supérieure est bloquée efficacement et la plaque inférieure est fixée à une tige filetée 21 attachée à la plaque circulaire de la soupape, munie en son centre d'un trou taraudé correspondant. Le système étanche comprend le bulbe, le tube capillaire et la capsule et il est rempli sous pression avec de l'hélium, absolue à une pression/d'environ 2,5 bar à la température ordinaire (150c). Le diamètre de la plaque de soupape est approximativement de 38 mm, le diamètre de la capsule est compris entre 5 et 50 mm, de préférence environ 18 mm, et le volume du bulbe est d'environ 500 mm2. En fonctionnement, la charge initiale sur la capsule 20 et la plaque 16 est ajustée par rotation de la plaque 16 sur la tige 21, jusqu'à ce que la plaque soit fermée de façon étanche et que la capsule 20 soit légèrement tirée en arrière et ainsi précontrainte. On notera que la capsule est soumise extérieurement à la pression dans la sortie de gaz, qui peut pratiquement être prise égale à la pression atmosphérique. Des changements de la pression atmosphérique affectent donc jusqu'à un certain point le fonctionnement. La pression du gaz d'entrée agit vers le haut sur la plaque de soupape et cela augmente la force de fermeture de la soupape produite par l'élasticité précontrainte de la capsule elle-même. Dans l'exemple de la figure 2, le système sensible à la température est semblable à celui qui est décrit ci-dessus, et les mêmes éléments sont repérés par les mêmes numéros. Dans ce cas, l'élément de sortie ou tige 21' fixé à la capsule 20' est conçu pour agir par l'intermédiaire d'un levier basculant 24 sur un microrupteur 25 faisant partie d'un circuit électrique d'alarme. I1 est évident que l'actionneur peut être conçu pour produire une fonction de sortie mécanique d'un type quelconque pour une application particulière quelconque. La capsule peut agir directement comme actionneur mécanique, par exemple pour ouvrir une soupape d'extinction de feux, ou elle peut agir par l'intermédiaire d'un dispositif mécanique multiplicateur tel qu'un levier, ou elle peut agir sur un système amplificateur ou assisté par l'intermédiaire d'une soupape pilote. La raideur ou l'élasticité de la capsule est un paramètre important de conception du système, et elle doit être de préférence entre environ 5 x 10-10 mètres par Pascal et 5 x 10-8 mètres par Pascal. La valeur pratique la meilleure est d'environ 3 x 10 9 mètres par Pascal. L'invention présente un certain nombre d'avantages certains et plutôt surprenants.En utilisant un gaz de remplissage inerte sous pression, contrairement au remplissage par la vapeur d'un liquide comme dans le système rempli de mercure, un actionneur selon l'invention peut être utilisé pour les températures dans le domaine inférieur à 350 C. De plus, par un choix approprié ou un ajustage de l'épaisseur et des caractéristiques du joint en caoutchouc sur le siège de la soupape 16, la température d'ouverture peut être amenée à monter, descendre ou rester stable à différentes températures ambiantes. En d'autres termes, les variations de la température ambiante peuvent être compensées par la variation de l'épaisseur ou par le matériau du siège de soupape. L'utilisation d'un gaz de remplissage sous pression est particulièrement importante. Premièrement, il permet de détecter des fuites. Deuxièmement, il améliore grandement les performances du système, c' est-à-dire l'amplitude du mouvement de la soupape pour toute variation choisie de la température. Troisièmement, il permet d'utiliser l'élasticité de la capsule 20 comme ressort de rappel automatique, de façon à fournir une caractéristique supplémentaire "défaut/sans défaut". L'utilisation d'un ressort de rappel supplémentaire est supprimée en tant que depense additionnelle. En fonctionnement, le système étanche 10, 11, 20 est d'abord rempli à une pression qui force les deux parois de la capsule 20 å se séparer légèrement et à être légèrement précontraintes.Le réglage de la plaque de soupape 16 sur la tige 21 augmente la contrainte sur la capsule. S'il existe un défaut dans le système} l'élasticité naturelle de la capsule tire le siège 16 étroitement fermé en le maintenant contre le siège de soupape. L'invention est particulièrement utile comme soupape de coupure automatique en cas d'absence de flamme pour commander une soupape à gaz principale en réponse à l'absence de flamme d'une veilleuse reliée au même dispositif à gaz. Les températures de flamme peuvent entre de l'ordre de 11000K et le dispositif peut être réglé pour fermer la soupape à gaz à environ 7000K. Sur le diagramme de la figure 3, les courbes représentent la variation de l'extension totale de la capsule en fonction de la température du bulbe pour différents systèmes thermiques, avec les caractéristiques suivantes 3 volume du bulbe 500 mm volume mort 50 mm3 diamètre de la capsule 18 mm Les courbres représentent la pression absolue de remplissage et elles correspondent à différentes souplesses de la capsule. On notera que 1) L'augmentation de la pression de remplissage augmente le gradient de la courbe et par suite augmente les performances de la soupape. 2) Une conception particulière de la capsule n'est pas possible au-del d'une extension maximale sans affecter facheusement celle-ci. (Pour de l'acier 302, des capsules de 18 mm de diamètre, cela correspond à environ 1,1 mm). Dans le choix d'un projet, cela doit être pris en considération. 3) Des capsules plus raides tendent à donner des gradients plus faibles (par suite des performances moins bonnes), même si la pression de remplissage est augmentée de façon que ltexten- sion initiale soit la même que pour un projet moins raide (voir les courbes 2 bars' 5 x 10 m/Pa et 6 bars, 10 m/Pa). 4) Ainsi pour une performance maximale, on préfère des capsules à faible élasticité. Toutefois, dans les conceptions à faible élasticité, la température d'ouverture est plus sensible aux variations de la pression atmosphérique. I1 faut trouver le meilleur compromis entre la stabilité et les performances. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Actionneur sensible à la température, caractérisé en ce qu'il comprend un système étanche comprenant un bulbe sensible à la température, une capsule élastique et un tube capillaire à petit trou reliant le bulbe à la capsule, le système étant rempli avec un gaz sous une pression supérieure à la pression atmosphérique à la température ordinaire. 2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système est rempli une pression absolue de 1 à 15 bars, ou de préférencel,là 4 bars, par exemple entre 1,5 et 2,25 bars. 3. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz est mono-atomique et de préférence inerte, comme l'argon, l'hélium, le néon ou le krypton. 4. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz est relativement inerte et non corrosif aux températures de fonctionnement, par exemple C02 ou N2. 5. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume mort du tube capillaire et de la capsule n'est pas supérieur à 30 % du volume total du système y compris le bulbe. 6. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume du bulbe est compris entre 200 et 1000 mm , et de préférence entre 300 et 500 mm . 7. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la capsule comprend deux parois opposées qui sont capables de se rapprocher et de s'-éloigner l'une de l'autre et qui, dans leur position rapprochée, déterminent un volume interne de moins de 500 mm3. 8. Actionneur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les deux parois sont non planes et approximativement de même forme pour s'ajuster étroitement l'une contre 11 autre. 9. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la capsule a un diamètre effectif entre 5 et 50 mm. 10. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la capsule est élastique et précontrainte dans sa position limite, et en ce que son élasticité agit pour ramener la capsule à son état aplati. 11. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de sortie mécanique relié à une partie mobile de la capsule. 12. Actionneur selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'élément de sortie est conçu pour faire fonctionner une soupape de commande de fluide ou un commutateur électrique ou magnétique ou tout autre dispositif de commande externe. 13. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élasticité de la capsule est compris entre 5 x 10-10 et 5 x 10-8 m/Pa, ou de préférence entre et et îo8 m/Pa.