Brevet FR2605388A1 — publié le 19880422

BRULEUR La présente invention concerne un brûleur dans lequel la combustion sur une plaque de brûleur est comman- dée sous la dépendance de l'air mélangé avec un gaz combus- tible. Dans cette sorte de brûleur, un thermocouple constituant un capteur thermique est prévu pour détecter l'état de combustion sur une plaque de brûleur; Dans ce cas, le thermocouple produit un signal de sortie dont la valeur correspond au rapport air/combustible pour un cer- tain niveau de combustion. Par conséquent, la plage du signal de sortie du thermocouple lorsqu'un rapport air/combustible approprié est obtenu, est déterminée préalablement pour un certain niveau de combustion. Dans ces conditions, le brûleur détermine que la combustion est dans une condition anor- male, de façon à l'interrompre, lorsque le thermocouple produit un signal de sortie qui est supérieur ou inférieur à la plage déterminée pour le signal de sortie. Cependant, la plage de signal de sortie ci-dessus se déplace sous la dépendance du niveau de combustion qui est susceptible de changer pendant le fonctionnement. Il en résulte la possibilité que le brûleur interrompe la combustion sous l'effet du niveau de combus- tion, bien que le rapport air/combustible soit compris dans une plage appropriée. L'invention a donc pour but de procurer un brû- leur qui soit capable d'arrêter effectivement la combustion sur une plaque de brûleur indépendamment du niveau de la combustion, lorsque le rapport air/combustible s'écarte d'une certaine plage appropriée. Le brûleur conforme à l'invention comprend une plaque de brûleur sur laquelle un gaz combustible est enflammé, un capteur thermique qui produit une tension de sortie sous la dépendance de la combustion de ce gaz com- bustible, de façon à détecter la composante du gaz combus- tible consistant en air, le signal de sortie de ce capteur thermique correspondant au niveau de combustion sur la plaque de brûleur, et un circuit de sécurité qui arrête la combustion sur la plaque de brûleur lorsque le signal de sortie du capteur thermique s'écarte d'une valeur comprise dans une certaine plage. Avec cette structure, un brûleur est capable d'arrêter effectivement la combustion sur une plaque de brûleur indépendamment du niveau de la combus- tion, lorsque le rapport air/combustible s'écarte d'une valeur prédéterminée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, pré- sentés-à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans lesquels les éléments identiques ou correspondants sont toujours dési- gnés par les mêmes références et dans lesquels: La figure 1 est un schéma synoptique d'un circuit de commande conforme à un premier mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est une représentation schématique d'un chauffe-eau; La figure 3 est un schéma électrique d'un circuit de détection de vitesse de rotation; La figure 4 est un graphique montrant la relation entre la vitesse de rotation d'un ventilateur et le signal de sortie du circuit de détection de vitesse de rotation; La figure 5 est un graphique montrant la relation entre le signal de sortie du circuit de détection de vitesse de rotation et le courant électrique qui est appli- qué à une valve directionnelle proportionnelle; La figure 6 est un graphique représentant le signal de sortie normal d'un thermocouple en fonction du signal de sortie du circuit de détection de vitesse de rotation; La figure 7 est un schéma synoptique d'un circuit de commande conforme à un second mode de réalisation de l'invention; La figure 8 est un graphique similaire à celui de la figure 6; La figure 9 est un schéma synoptique d'un circuit de commande conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention; et La figure 10 est un schéma d'un circuit électro- nique concernant l'amplificateur de thermocouple, le cir- cuit d'interruption en cas d'excès de combustible et le circuit de détection de combustion anormale. On va maintenant considérer les dessins et en particulier la figure 2, qui représente schématiquement un chauffe-eau à gaz 1. Le chauffe-eau 1 dans lequel l'inven- tion est incorporée comprend une section de brûleur 3 com- portant un échangeur thermique 2, un conduit d'alimentation en gaz combustible 4, et un circuit électronique de com- mande 5. La section de brûleur 3 comporte une chambre 32 dans laquelle est placé un brûleur en céramique 31. Sous la chambre 32 se trouve une section d'alimentation en air 34 dans laquelle est placé un ventilateur 33. Au-dessus de la chambre 32 se trouve une ouverture d'évacuation 35 par laquelle passe le gaz évacué provenant du brûleur 31. L'échangeur thermique 2 comporte un conduit d'eau 22 por- tant une série d'ailettes 21 et permettant de communiquer de la chaleur à l'eau qui circule à partir de la partie supérieure du conduit 22, de façon à fournir de l'eau chau- de. Le conduit d'alimentation en gaz 4 comporte une buse 41 qui éjecte un gaz combustible qui passe par un tuyau d'alimentation en gaz 42. A la partie supérieure du tuyau d'alimentation en gaz 42 se trouve une valve 43 qu'on peut exciter et désexciter pour l'ouvrir et la fer- mer. Au-dessous de la valve 43, une valve régulatrice 44 est placée pour régler le débit de gaz. Une valve direc- tionnelle proportionnelle 45 est placée au-dessous de la valve régulatrice 44, et le degré d'ouverture de la valve change en fonction d'un courant électrique qui lui est appliqué. Dans le circuit électronique de commande 5,.se trouvent une paire d'électrodes espacées 51, disposées sur la plaque de brûleur 31 pour faire éclater une étincelle entre elles au moment de-l'inflammation du gaz. Un thermo- couple 53, faisant fonction de capteur thermique, est pla- cé au-dessus de la plaque de'brûleur 31 pour détecter le rapport air/combustible au moyen du circuit électronique de commande 5. Une thermistance 52 est montée sur le tuyau d'alimentation en eau 22 de l'échangeur thermique 2 de façon à permettre la commande par le circuit électronique de commande 5. Le circuit 5 commande la température de l'eau qui provient du tuyau d'alimentation 22 de l'échan- geur thermique 2, lorsqu'il est actionné au moyen d'un bouton 54, de façon que le ventilateur 33, la valve 43 et la valve directionnelle proportionnelle 45 fonctionnent de la manière prévue. On va maintenant considérer la figure 1 qui mon- tre comment s'effectue la commande du degré d'ouverture de la valve directionnelle proportionnelle 45 et comment s'effectue la commande du débit d'air du ventilateur 33. Comme le montre la figure 1, il existe un circuit de com- mande de ventilateur 61 qui fait fonction de circuit de réglage de température, destiné à régler la température de l'eau chaude qui traverse le tuyau d'alimentation 22. On réalise ce réglage en comparant le signal de sortie de la thermistance 52 avec une tension de référence résultant de la manoeuvre du bouton 54, pour commander le niveau d'ali- mentation du ventilateur 33. Un circuit de détection de vitesse de rotation 62 est prévu pour détecter le débit d'air provenant du ventilateur 33, en détectant la vitesse de rotation de ce dernier. Un circuit de commande de valve directionnelle proportionnelle 63 est prévu pour commander le débit de gaz combustible en réglant le degré d'ouverture de la valve directionnelle proportionnelle 45 sous la dépendance du signal de sortie du circuit de détection de vitesse de rotation 62 et du signal de sortie du thermo- couple 53. Il existe un circuit de sécurité 64 qui coupe l'alimentation du ventilateur 33, de la valve électromagné- tique 43, des électrodes de génération d'étincelles 51 ou d'éléments similaires, pour arrêter la combustion sur la plaque de brûleur 31 lorsque le signal de sortie du thermo- couple 53 indique que le rapport air/combustible s'écarte d'une certaine valeur appropriée, au cours de l'opération de chauffage d'eau. Un circuit de visualisation 65 montre à un opérateur si le chauffe-eau à gaz 1 fonctionne effecti- vement ou est arrêté. Dans ce but, le circuit de détection de vitesse de rotation 62 est constitué de la manière représentée à titre d'exemple sur la figure 3. Dans le circuit de détec- tion de vitesse de rotation 62, un moteur électrique sans collecteur est incorporé dans le ventilateur 33, dans lequel un aimant permanent 33b est fixé sur un arbre tour- nant 33a du ventilateur. En plus de l'aimant 33b, le cir- cuit de détection de vitesse de rotation 62 comporte un dispositif à effet Hall 33c, un générateur de signal 62A qui comprend des bobines (CO1)-(C04), des moyens de commu- tation analogiques 62B; un décodeur 62C et un transducteur de tension 62D. Le transducteur 62D change sa tension (V) proportionnellement à la vitesse de rotation (N) du ventila- teur 33, dans une certaine plage de tension, comme le montre la figure 4. Le circuit de commande valve 63 détermine le niveau d'excitation (A) qui est appliqué à la valve direc- tionnelle proportionnelle 45 conformément à la tension de sortie (V) du circuit de détection de vitesse de rotation 62, comme le montre la figure 5. En outre, le circuit de commande de valve 63 détermine le niveau d'excitation de la valve 45 de façon à fournir à la plaque de brûleur 31 une quantité appropriée de gaz combustible et d'air pour main- tenir un rapport air/combustible normal. Le circuit électronique de commande 5 ayant la structure qu'on vient de décrire fonctionne de la manière suivante. La manoeuvre du bouton 54 change la tension de référence sous la dépendance du signal de sortie de la thermistance 52, ce qui fait que le circuit de commande de ventilateur 61 change instantanément sa tension de sortie de façon à fixer la vitesse de rotation du ventilateur 33. La variation de la vitesse de rotation du ventilateur 33 fait varier la. tension de sortie V du circuit de détection de vitesse de rotation 62, de façon à fixer le niveau d'excitation de la valve directionnelle proportionnelle , conformément à la figure 5. Ainsi, la manoeuvre du bouton 54 change de façon pratiquement instantanée à la fois la vitesse de rotation du ventilateur 33 et le degré d'ouverture de la valve directionnelle proportionnelle 45, ce qui fait qu'on obtient rapidement de l'eau chaude ayant la température désirée. Du fait de la variation instantanée à la fois du degré d'ouverture de la valve 45 et de la vitesse de rota- tion du ventilateur 33, la quantité d'air provenant du ventilateur 33 et la quantité de gaz combustible sont main- tenues dans une proportion appropriée pour maintenir tou- jours un rapport air/combustible normal. Du fait que le capteur 53 contrôle en permanence la température de l'eau chaude, et que le circuit de com- mande de ventilateur 61 commande la valve directionnelle proportionnelle 45 de façon à faire correspondre la tempé- rature détectée par la thermistance 52 et celle fixée par le bouton 54, le degré d'ouverture dela valve direction- nelle proportionnelle 45 est commandé-aussi rapidement que la thermistance 52 détecte la température de l'eau chaude. Ceci a pour effet de compenser la température de l'eau chaude qui est fournie par le chauffe-eau 1, de la manière déterminée par le bouton 54. Ceci élimine pratiquement un temps de retard avant que la température de l'eau n'attei- gne celle qui est désignée par le bouton 54. Pendant ce temps, comme le montre la figure 6, le circuit de sécurité 64 produit un signal de sortie mV supé- rieur à une tension de référence (avec par exemple un rapport air/combustible de 1,02) qui est déterminée con- formément à la tension de sortie du circuit de détection de vitesse de rotation 62 (qui correspond au niveau de com- bustion), ce qui conduit à déterminer que la combustion sur la plaque de brûleur 31 est dans une condition anormale. Ceci provoque la coupure de l'alimentation du ventilateur 33 et de la valve 43, pour interrompre la com- bustion sur la plaque de brûleur 31 et pour.activer simul- tanément le circuit de visualisation 65, pour montrer que l'opération de combustion a été arrêtée. Le circuit de sécurité 64 arrête également le fonctionnement lorsque ce circuit détermine que le rapport air/combustible X est inférieur à 1,02, lorsque le ther- mocouple 53 produit un signal de sortie mV supérieur à la valeur B1, avec la tension de sortie V du circuit de détec- tion de vitesse de rotation 62 à la valeur A1. Le circuit de sécurité 64 arrête en outre le fonctionnement lorsqu'il détermine que le rapport air/combustible A est inférieur à 1,02, lorsque le thermocouple 53 produit une tension de sortie mV supérieure à la valeur B2, avec la tension de sor- tie V du circuit de détection de vitesse de rotation 62 à la valeur A2. Comme on peut le comprendre à la lecture de ce qui précède, le circuit de sécurité 64 interrompt la combustion sur la plaque de brûleur 31, pour arrêter le fonctionnement, lorsque le rapport air/combustible s'écarte de la valeur prédéterminée, indépendamment du niveau de combustion sur la plaque de brûleur 31. On va maintenant considérer la figure 7 qui repré- sente un second mode de réalisation de l'invention. Dans ce second mode de réalisation, le niveau de combustion est détecté par la tension de sortie V0 du circuit de commande de valve 63, qui commande le degré d'ouverture de la valve 45. Le circuit de sécurité 64 arrête le fonctionnement du chauffe-eau 1 lorsque le thermocouple 53 produit une ten- sion de sortie mV supérieure à la tension V2 qui correspond au rapport air/combustible A (voir la figure 8). On notera que l'évaluation faite par le circuit de sécurité 64 est basée sur le degré d'ouverture de la valve directionnelle proportionnelle 45, ce qui fait qu'une variation du débit d'air est entièrement compensée, contrairement à ce qui se passe pour le gaz combustible. On considérera maintenant la figure 9 qui montre une unité de commande conforme à un troisième mode de réa- lisation de l'invention. L'unité de commande comporte un circuit de réglage de température 101 comprenant un bouton de réglage et une thermistance, un circuit de compensation de ventilateur 102, un circuit d'attaque de ventilateur 103, un circuit de variation de vitesse de rotation 104 et une valve directionnelle proportionnelle. L'unité de com- mande comprend en outre un circuit d'attaque de valve 105 qui fonctionne de la même manière que le circuit de com- mande de valve directionnelle proportionnelle 63 dans le premier mode de réalisation de liinvention. L'unité de com- mande comprend un circuit de régulation de courant de valve 106, un circuit de compensation de vitesse de rotation 107, un thermocouple et un circuit amplificateur de thermocouple 108. L'unité de commande comporte en outre un circuit de compensation de thermocouple 109 qui compense le signal de sortie du thermocouple en fonction de celui du circuit de changement de vitesse de rotation 104. Il existe un circuit d'interruption en cas d'excès de combustible 110, qui fait fonction de circuit de sécurité, ainsi qu'un circuit d'in- terruption en cas d'insuffisance de combustible 111, uh circuit de détection de combustion anormale 112, un circuit de détection de vitesse de rotation de ventilateur 113, un circuit de détection de flamme 114, un circuit de détection d'étincelle 115, un circuit de détection de circulation 116, un circuit séquenceur 117 et un circuit de visualisa- tion 118 qui indique si le chauffe-eau 1 est en fonctionne- ment ou non. Le circuit de réglage de température 101, le cir- cuit de compensation de ventilateur 102 et le circuit d'attaque de ventilateur 103 fonctionnent conjointement de la même manière que le circuit de commande de ventila- teur 61 dans le premier mode de réalisation. La figure 10 montre un schéma de circuit électro- nique du circuit amplificateur de thermocouple 108, du cir- cuit d'interruption en cas d'excès de combustible 110 et du circuit de détection de combustion anormale 112. Le circuit amplificateur de thermocouple 108 comporte un amplificateur opérationnel opl dont la borne d'entrée non inverseuse est connectée de façon à recevoir une tension de référence. La borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur opl est con- nectée à une borne négative du thermocouple 53, dont la borne positive est connectée à la masse. L'amplificateur opérationnel ainsi connecté produit un signal de sortie plus faible lorsque la température de la flamme que détecte le thermocouple 53 augmente. D'autre part, le circuit d'interruption en cas d'excès de combustible 110 comporte un amplificateur opéra- tionnel op2, un comparateur coml et un inverseur notl. La borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur op2 est con- nectée de façon à recevoir un signal de sortie de l'ampli- ficateur opl du circuit amplificateur de thermocouple, tandis que sa borne non inverseuse reçoit une tension de référence. L'amplificateur op2 produit un signal de soqrtie plus élevé lorsque la température de la flamme que détecte le thermocouple 53 augmente. La borne de sortie de l'ampli- ficateur op2 est connectée à la borne inverseuse du compara- teur coml, dont la borne non inverseuse reçoit le signal de sortie du circuit de changement de vitesse de rotation 104, par l'intermédiaire du circuit de compensation de thermo- couple 109. Dans ce cas, le signal de sortie du circuit 104 s'élève lorsque la vitesse de rotation du ventilateur 33 augmente. Dans ces conditions, le comparateur coml produit un signal à l'état haut lorsque le signal de sortie du cir- cuit de changement de vitesse de rotation 104 est supérieur à celui de l'amplificateur op2. Au contraire, le compara- teur coml produit un signal à l'état bas lorsque le signal de sortie de l'amplificateur op2 est supérieur à celui du circuit de changement de vitesse de rotation 104. Le signal de sortie du comparateur coml est appliqué au circuit séquenceur 117 par l'intermédiaire de l'inverseur notl. Le signal à l'état bas provenant de l'inverseur notl indique que la combustion est dans la condition normale, de façon à poursuivre le fonctionnement. Le signal à l'état haut émis par l'inverseur notl indique que la combustion est dans une condition anormale, de façon à interrompre le fonctionnement. Autrement dit, le niveau de combustion qui a été déterminé précédemment par la vitesse de rotation du ven- tilateur 33, est comparé avec le niveau détecté par le thermocouple 53 au moment de la combustion. Lorsque le il paramètre mentionné en dernier est supérieur à celui men- tionné en premier, le circuit de sécurité 64 indique par l'intermédiaire du circuit séquenceur 117 que le gaz com- bustible est en excès par rapport au débit d'air, de façon * 5 à interrompre le fonctionnement. Ceci évite que le fonc- tionnement du chauffe-eau 1 soit interrompu sous la dépen- dance du niveau de combustion, du fait que le rapport air/ combustible prédéterminé est correctement détecté à n'importe quel niveau de combustion sur la plaque de brû- leur 31. D'autre part, le circuit de détection de combus- tion anormale 112 comporte un comparateur com2 dont la borne non inverseuse est connectée au point commun d'une résistance électrique RI et d'un capteur d'oxygène S1. La borne inverseuse du comparateur com2 est reliée à la masse. * Le capteur d'oxygène SI est en zirconium et il est placé à proximité de la flamme qui est établie sur la plaque de brûleur 31, et il est conçu de façon que sa résistance augmente lorsque la quantité d'oxygène augmente. Avec cette structure, lorsque la quantité d'oxy- gène intervenant dans la flamme diminue jusqu'à une valeur inférieur à la valeur prédéterminée, en cas de combustion anormale, le signal de sortie du comparateur com2 est un signal à l'état bas qui fait changer l'état du signal de sortie du comparateur coml du circuit d'interruption en cas d'excès de combustible, 110, de façon à faire apparat- tre un signal à l'état haut sur la borne de sortie de l'inverseur notl, ce qui arrête le fonctionnement par l'in- termédiaire du circuit séquenceur 117. On notera que dans le mode de réalisation ci-dessus la combustion sur la plaque de brQleur 31 s'arrête lorsque le rapport air/combustible devient infé- rieur au niveau prédéterminé, par l'action du circuit d'in- terruption en cas d'excès de combustible 110, mais on peut employer le circuit d'interruption en cas d'insuffisance de combustible 111 à la place du circuit d'interruption en cas d'excès de combustible 110. On notera également qu'on peut utiliser un para- mètre autre que la vitesse de rotation du ventilateur 33 pour commander le degré d'ouverture de la valve direction- nelle proportionnelle 45. On peut incorporer l'invention dans un appareil de chauffage d'air, au lieu de l'incorporer dans un chauffe-eau correspondant au mode de réalisation ci-dessus. On notera également qu'on peut utiliser d'autres sortes de combustibles, comme par exemple du pétrole au lieu de kéro- sène. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Brûleur, caractérisé en ce qu'il comprend: une plaque de brûleur (31) sur laquelle un gaz combustible est enflammé; un capteur thermique (53) qui produit une tension de sortie sous la dépendance de la combustion du gaz combus- tible, de façon à détecter.la quantité d'air associée au gaz combustible, le signal de sortie de ce capteur thermique (53) correspondant au niveau de combustion sur la plaque de brûleur (31); et un circuit de sécurité (64) qui arrête la combustion sur la plaque de brûleur (31) lorsque le signal de sortie du capteur thermique (53) s'éca. rte. d'une valeur comprise dans une certaine plage. 2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de sécurité (64) arrête la combustion sur la plaque de brûleur (31) lorsque le signal de sortie du capteur thermique (53) dépasse une valeur prédéterminée. 3. Brûleur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le niveau de combustion est déterminé par le degré d'ouverture d'une valve direc- tionnelle proportionnelle (45) à travers laquelle passe le gaz combustible. 4. Brûleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le degré d'ouverture de la valve directionnelle proportionnelle (45) est commandée sous la dépendance de la vitesse de rotation d'un ventilateur qui fournit un débit d'air à la plaque de brûleur (31), tandis que le niveau de combustion est déterminé conformément à la vitesse de rota- tion du ventilateur (33). 5. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur thermique est un thermocouple (53). 6. Brûleur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit de sécurité (64) actionne des moyens de visualisation (65) pour indi- quer que l'opération de combustion a cessé.