Brevet FR2621982A1 — publié le 19890421

-- '1 -- La présente invention concerne un allumeur de gaz liquide, du type comportant une structure dans laquelle est ménagé un réservoir pour du gaz liquide, une cheminée d'évacuation, un flux de gaz étant susceptible de s'établir entre ce réservoir et cette cheminée, un dispositif d'obtura- tion pour ce flux, comprenant un obturateur, un moyen de limitation non réglable du débit de ce flux et un moyen conduisant ce flux depuis l'inté- rieur du réservoir jusqu'à l'obturateur. Dans les allumeurs connus jusqu'à présent, la complexité même du procédé d'assemblage et la dispersion existant dans les propriétés des matières premières sont à l'origine d'écarts dans le débit du gaz et donc dans la hauteur voulue de la flamme. A cet effet inévitable, il faut ajou- ter l'influence de la température qui, au fait de faire varier la pression du gaz contenu dans le réservoir, ajoute des variations dela hauteur de la flamme au-dessus des valeurs de fabrication, celle-ci se trouvant dans certains cas en dehors des limites conseillables pour la sécurité de l'uti- lisateur ou de celles raisonnables pour le fonctionnement de l'allumeur. Dans de nombreux pays, la hauteur limite de la flamme est prise légalement, et c'est habituellement la recommandation de V'ASTM dans sa norme F-400-85 (Novembre 1985). Les allumeurs de la dernière génération (sans dispositif de régulation de débit) réalisent la limitation du flux grace à l'utilisation de membranes microporeuses (presque exclusivement de la marque Celgard types 2400 et 2500) et souffrent des défauts antérieurs auxquels s'ajoutent des difficultés de manipulation dans l'assemblage, étant donné la finesse de la membrane microporeuse et l'instabilité de celle-ci avec l'usage, qui est due à son manque de consistance (épaisseur de 0,025 mm et résistance à la déchirure de 1,4 kg/mm2) et au changement de ses propriétés avec la température. On rencontre de façon typique un phénomène de flammes de grande hauteur et dangereuses pour la sécurité de l'utilisateur après une chute de l'allumeur occasionnée par la rupture de la membrane en raison du coup de bélier de la masse de gaz liquide au moment de l'impact. Une solution courante consiste à équiper les allumeurs d'un dispositif réglable de limitation du débit de gaz, mais elle comporte une - 2- hausse du coût du produit et ne permet en tout cas qu'un ajustement de la hauteur de la flamme une fois observés ses effets non désirés. On sait déjà que certains allumeurs de gaz réalisent la limita- tion du flux de gaz grâce à la compression réglable de nappes ou éponges fibreuses (brevet USA 1.737.037) ou grâce à l'utilisation de membranes microporeuses (brevet français 2.613.638 ou USA 4.496.309), ainsi que de matières frittées ou pastillées par un procédé spécial (brevet français 2. 450.418). Toutes ces mesures se basent sur un problème commun. Etant donné l'impossibilité de réaliser actuellement, dans un processus industri- el, un passage constitué d'un trou calibré unique, d'une section de passage extrêmement réduite et de dimensions qui soient industriellement utilisa- bles, on a recours, dans les différentes techniques citées, à la superposi- tion de multiples canaux de passage de propriétés hydrodynamiques individu- ellement inconnues, alors que globalement (c'est-à-dire intégrées sur une certaine aire ou surface de passage), ces propriétés se règlent (avec une dispersion obligée inhérente au concept statistique même du mécanisme) à des valeurs moyennes convenables pour leur utilisation dans des allumeurs. On a par conséquent été amené à parler d'une section de passage, nouveau facteur de variation dans le débit, puisque cette section doit se matéria- liser et sera donc soumise aux dispersions elles-même de son procédé de fabrication. Les techniques permettant l'obtention des éléments cités de restriction du débit sont, dans tous les cas, complexes et les résultats du procédé se trouvent fréquemment hors de contr8le, seule une gamme étroite parmi toute la production étant utilisable. Les microdéchirures propres aux membranes microporeuses apparaissent sous l'effet d'un étirement bidirec- tionnel dans un processus de laminage à température contr8lée, tandis qu'il est indispensable, pour l'obtention d'une porosité convenable, d'aboutir à une pellicule extrêmement mince, en laissant subsister les difficultés imaginables de manipulation et de traitement ultérieur. De même, la porosi- té des pièces frittées utilisées pendant un certain temps comme éléments de restriction de débit est très au-dessous de la normale pour les pièces convenables de cette technique, comme le sont des filtres et des sépara- teurs, ce qui implique une grande complexité et difficulté dans le procédé d'obtention. 3- L'invention se propose de fournir un allumeur à l'aide duquel on élimine les inconvénients précédemment signalés et on obtienne une plus grande constance du débit. D'une manière surprenante, ceci s'obtient avec un allumeur du type indiqué au début et qui est caractérisé en ce que le moyen de limita- tion et le moyen conducteur sont constitués par un tube unique de longueur supérieure à 5 mm, avec au moins un passage longitudinal qui présente une section de passage, et avec une section totale de passage, somme des sections de passage des passages, comprise entre 0,03 et 0,002 mm2, ce tube étant adapté de façon étanche à la structure de l'allumeur, directement ou par l'intermédiaire d'une pièce de support. Avec le tube de limitation indiqué, l'allumeur est plus sûr et fonctionnel que ceux habituellement connus, étant donné qu'on obtient une plus grande robustesse, une plus faible dispersion dans le débit de gaz et une meilleure stabilité de ce débit face à des variations de température. On obtient de plus une réduction importante de son coût du fait d'une dimi- nution du co t de ses composants et de la simplification de son assemblage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressorti- ront de la description de modes préférés de réalisation qui va suivre à titre non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe axiale de la soupape d'un allumeur de gaz liquide, la structure de cet allumeur et le tube de limitation étant représentés avec des arrachements, la figure 2 est une coupe analogue à la précédente et correspon- dant à une autre forme de réalisation et les figures 3a à 3f représentent des exemples de section droite du tube. L'allumeur comprend une structure 2 qui n'est représentée que par ses parties voisines de la soupape. On comprendra que, sur les figures 1 et 2, la structure s'étend vers le bas et forme un réservoir 4 pour du gaz liquide. Cette structure 2 comprend aussi la tubulure 6 dans laquelle on distingue une partie 8 faisant saillie et une partie 10 qui pénètre dans le réservoir 4. Cette tubulure 6 est de préférence cylindrique et présente une umière longitudinale 12 qui la traverse, éventuellement avec des tronçons - 4- de différents diamètres. La soupape se loge dans cette tubulure 6 et, lorsqu'elle est ouverte, il se présente une circulation de gaz combustible à partir du réservoir 4, et, dans ce qui suit, les expressions "en amont" et "en aval" indiqueront respectivement le sens vers le réservoir et le sens contraire. Il est de préférence envisagé qu'il soit prévu, au moins dans la partie 10 de la tubulure 6, une pièce de support 14 qui y est ajustée de faron étanche et qui comporte de préférence une partie plus large dans le sens latéral 16 qui est située immédiatement au-dessus de la partie 10. Cette pièce de support 14 présente une ouverture 18 dans laquelle un tube 20 est inséré de manière étanche; cette insertion s'obtient grâce à un emboîtement basé sur de petites différences entre les diamètres de l'ouverture et du tube, ou grâce à n'importe quel autre système qui garan- tit son immobilité et son étanchéité, comme la réalisation d'un rebord, un collage à l'aide d'une substance adhésive ou autre. Cette insertion se réalise de préférence sur une longueur de 3 à 5 mm. L'invention prévoit aussi que le tube 20 s'insère directement dans la structure 2 elle-même; dans ce cas, la structure présente une ouverture analogue à l'ouverture 18 décrite. Le tube 20 cité est un moyen permettant de conduire le flux du gaz contenu dans le réservoir 4 et en même temps un moyen de limitation du débit de ce flux. Ce tube a une longueur supérieure à 5 mm et atteint de préférence le voisinage du fond non représenté du réservoir 4 de l'allumeur. Il offre de préférence un seul passage longitudinal 22, bien que l'invention pré- voit aussi la possibilité de plusieurs passages longitudinaux 22a, 22b, 22c indépendants, et la section totale de passage (résultant éventuellemnt de la somme des sections de passage de chaque passage indépendant) est extrê- mement réduite, en étant comprise entre 0,03 et 0,002 mm2, en fonction de la forme de la section qu'on a choisi et d'autres paramètres. La forme extérieure du tube est sensiblement cylindrique et son diamètre extérieur est de préférence compris entre 0,5 et 1 mm. La section de passage de chacun des passages 22 est sensiblement constante sur toute la longueur du tube 20 et cette section est en outre d'une dimension connue et préfixée, en fonction de la limite de débit qu'on cherche à obtenir. 262198 2 - 5- Le tube 20 est en une matière à bonne stabilité chimique, thermi- que et dimensionnelle, ce qui résulte de façon convenable de son procédé de fabrication; un homopolymère d'acétal respecte ces conditions. Il existe des configurations préférées pour les passages 22 en ce qui concerne leur section transversale, avec un rapport élevé périmètre/ aire de section. A cet effet, on prévoit des passages dans lesquels il existe des surfaces longitudinales 24 se faisant sensiblement face de manière qu'il se présente des intervalles très étroits entre ces surfaces 24 en regard, ce qui forme de petites fentes qui dans certains cas présen- tent une configuration en labyrinthe. Les sections représentées aux figures 3a à 3f sont des exemples de diverses géométries de sections de passage qui sont utiles dans le but envisagé de limitation de débit. On se reportera à nouveau plus loin à ces configurations spéciales pour traiter des questions de perte de charge. On fabrique les tubes 20 par extrusion à des dimensions quelques fois supérieures à celles du produit fini, la difficulté du processus étant analogue à celle d'obtention d'un tube quelconque. A la sortie de l'extru- deuse, avec la matière encore à l'état plastique, et suivant un procédé analogue à celui d'obtention des fibres textiles, on l'étire, avec une réduction tant du diamètre extérieur que de la section intérieure du passage. Après refroidissement, il n'y a plus qu'à couper à la longueur voulue ce tube obtenu en continu. La variation de débit, entre des tubes de mêmes forme intérieure et longueur, obtenus par ce procédé et essayés avec les combustibles prévus pour les allumeurs considérés, dans leurs condi- tions habituelles, est inférieure à + 4% de sa valeur moyenne, sans néces- sité d'un autre réglage. Dans la partie en saillie 8 de la tubulure 6, il est prévu une cheminée d'évacuation 30 qui, en liaison avec l'organe qui l'entoure, donne un jeu d'allumeur de 0,1 mm. Cette cheminée est déplaçable dans le sens de la longueur entre une première position d'introduction maximale qui corres- pond à la situation de soupape fermée et une seconde position (non repré- sentée) à laquelle on parvient en utilisant des moyens d'actionnement qui tendent à maintenir la cheminée dans ladite première position. Ces moyens d'actionnement ne sont pas représentés parce qu'étant classiques. La cheminée 30 présente un conduit intérieur axial 32 destiné au 26219 8 2 -6- passage du gaz vers l'extérieur et le gaz parvient à ce conduit par l'in- termédiaire de lumières 36. Il est prévu, solidaire de la cheminée, un dispositif d'obturation qui comprend un obturateur 34, de préférence en forme de disque et qui peut être un élastomère de faible dureté (environ 70 Shore) et à stabilité chimique et thermique éprouvée, tel qu'un butadiène- acrylonitrile. Une chambre 38 est définie entre l'extrémité supérieure du tube 20 et cet obturateur 34. Dans une première forme de réalisation représentée à la figure 1, la pièce de support 14 n'est soumise à aucune condition restrictive en ce qui concerne la conductivité thermique ou la chaleur spécifique, puisque le combustible qui traverse le tube 20 de limitation de débit se trouve en phase gazeuse et, sa vaporisation s'étant produite au sein de la masse liquide du réservoir, n'a pas besoin d'apport ultérieur de chaleur. La pièce de support 14 peut par conséquent être fabriquée en laiton, aluminium ou alliages de zinc, et de façon plus préférentielle en une matière plasti- que, telle qu'un homopolymère d'acétal, qui est la plus appropriée pour offrir les mêmes coefficients de dilatation thermique que le tube de limitation 20. Avec cet agencement, l'allumeur travaille en phase gazeuse et c'est exclusivement du combustible vaporisé qui passe le long du tube 20. Pour assurer cette condition, certaines modifications de la structure moléculaire superficielle de la matière constitutive du tube 20 de limita- tion de débit sont nécessaires, de manière typique une silanisation (avec par exemple de l'hexaméthyl-1,1,1,3,3,3 disilazane) ou un traitement à l'aide de silicones ou de composés fluorés qui soient adhérents sur la matière du tube 20 de limitation de débit, de manière que ce dernier manifeste un comportement lipophobique, c'est-à-dire qui ne laisse pas s'élever la colonne de gaz liquide et exige donc la vaporisation du combus- tible au sein de la masse liquide. Dans la forme de réalisation suivant la figure 2, la pièce de support 14 présente un prolongement 40 qui est coaxial à un tronçon longi- tudinal de la cheminée d'évacuation 30, une distance réduite existant dans le sens radial entre le prolongement 40 et ce tronçon de la cheminée. Ce prolongement 40 a la forme d'une cuvette et entoure extérieurement le tronçon correspondant de la cheminée 30. Dans ce mode de réalisation, la pièce de support est de préféren- 262198 2 -7- ce métallique (par exemple en laiton, aluminium ou alliage de zinc) ou en n'importe quelle autre matière bonne conductrice et accumulatrice de chaleur, de façon à garantir une vaporisation facile du combustible liquide qui s'élève par l'intérieur du tube 20. La cession de chaleur s'effectue dans les instants immédiatement postérieurs à l'ouverture du dispositif d'obturation, aux dépens de la chaleur spécifique accumulée sous forme mas- sique dans la pièce de support 14 et, dans les instants qui suivent, aux dépens de la chaleur que cède la flamme, transportée par rayonnement et conduction par l'intermédiaire de la cheminée d'évacuation 30 et du prolon- gement 40 de la pièce de support 14. Cette pièce 14 peut s'obtenir par usinage, emboutissage ou injection et il est conseillé qu'elle possède une masse minimale assurant une chaleur spécifique disponible de 0,15 joules / C. Il est également judicieux que la chambre 38 soit de dimensions réduites, afin d'obtenir une bonne turbulence qui favorise l'échange thermique et évite une accumulation excessive de combustible qui, d'une façon transitoire, brûle dans les premiers instants de l'allumage. De cette manière, il en résulte que le phénomène d'excès de flamme par accumulation dans les instants initiaux est imperceptible. Avec cette forme de réalisa- tion, l'allumeur travaille en phase liquide et le tube 20 de limitation fournit du gaz liquide. Dans cette forme de réalisation permettant de travailler en phase liquide, il est judicieux que la cheminée d'évacuation 30 soit en une matière bonne conductrice de la chaleur, telle que de la fonte de zinc. Ainsi qu'il a déjà été indiqué précédemment, la pièce de support est ajustée de façon étanche à la tubulure 6 et, à cet effet, la surface extérieure de cette pièce est adaptée pour que son ancrage dans cette tubulure se produise de manière que soit assurée une étanchéité absolue et qu'elle résiste à la pression interne du gaz liquide sans effectuer aucun mouvement. Dans la forme de réalisation suivant la figure 2, la surface extérieure du prolongement 40 offre des caractéristiques analogues à celles de la pièce de support 14 elle-même de façon à permettre un ajustement convenable avec la surface intérieure de la partie en saillie 8 de la tubulure 6. Il est courant que le gaz liquide utilisé comme combustible pour - 8 - des allumeurs soit l'isobutane, ou comme succédané un mélange d'hydrocar- bures à chatne droite (n-propane, n-butane et isobutane), volatils à la température ambiante, qui manifeste des propriétés analogues à celles de l'isobutane. A 23 C, l'isobutane offre une pression de vapeur relative de 3,25 bars (0,325 MPa). A des températures supérieures ou inférieures à celle indiquée ci-dessus, qui peuvent aussi être des températures ambian- tes, la pression de vapeur sera respectivement supérieure ou inférieure à 3,25 bars et l'allumeur doit suivre en fournissant une flamme fonctionnel- le. La pression dans l'extrémité aval de la chambre 38 ne devant être que légèrement supérieure à la pression atmosphérique (pour obtenir une hauteur normale de flamme), la chute de pression entre l'extrémité amont et l'ex- trémité aval du tube 20 de limitation de débit doit être pratiquement égale à la différence de pression entre le réservoir 4 et la pression atmosphéri- que. Par conséquent, pour obtenir une hauteur de flamme sensiblement constante indépendamment de la température d'utilisation, le débit de gaz à travers le tube 20 doit être aussi indépendant que possible de la pression régnant à l'intérieur du réservoir 4, qui est la pression de la vapeur du gaz liquide à chaque température. Le processus de perte de charge dans le passage longitudinal 22 du tube 20 de limitation de débit est complexe et dépend de la géométrie de la section de passage du passage longitudinal (ou des passages longitudi- naux) 22. En général, et sans que cela dépende de la forme de la section, on préfère un régime turbulent à un régime laminaire, étant donné que, dans le premier, les pertes de charge augmentent de façon exponentielle avec la vitesse moyenne de circulation (qui, pour une section donnée, est équiva- lente au débit et aussi à la hauteur de la flamme), tandis que, dans le second, cette augmentation n'est que linéaire. Quand l'allumeur fonctionne en phase gazeuse, un flux normal (typiquement de 1,2 mg/s) étant dû au dispositif de limitation de deébit, on est toujours en régime turbulent, indépendamment de la géométrie de la section de passage, avec une vitesse de circulation de l'ordre de 75 m/s et un nombre de Reynolds toujours supérieur à celui d'un régime laminaire. Quand l'allumeur fonctionne en phase liquide, il faut prendre des précautions spéciales pour assurer un flux turbulent. Dans un fonctionnement en phase liquide, les résistances -9- visqueuses du gaz liquide sont beaucoup plus élevées (la cohésion interne des molécules du fluide ayant augmenté) et ce phénomène peut encore s'ac- croitre par augmentation du périmètre de la section de passage (en conser- vant la valeur de la section), ce qui permet d'entrer dans un état de couche limite, et on passe d'une distribution de vitesses parabolique à celle du mouvement des plaques planes au sein d'un fluide, avec des pertes de charge par viscosité beaucoup plus grandes. Ainsi qu'il a déjà été indiqué précédemment, on préfère les sections de passage qui répondent à des géométries telles que celles qui se trouvent aux figures 3a à 3f. Si la section intérieure du passage longitu- dinal du tube 20 est circulaire, le rapport des débits massiques entre un fonctionnement de l'allumeur en phase liquide et, sous les mêmes conditions de température et de pression, en phase gazeuse est de 25 fois. Par contre, lorsque les passages longitudinaux présentent des surfaces longitudinales 24 se faisant face avec des intervalles très étroits entre surfaces (c'est-à-dire avec les configurations représentées), il est possible de rendre les débits sensiblement égaux dans les deux situations de fonctionnement (phase liquide et phase gazeuse). Par ailleurs, avec les conditions exprimées dans le paragraphe précédent, les variations de débit en fonction des variations de pression sont petites. C'est ainsi que, pour des situations extrêmes de pression comme le sont 2 et 5 bars, les débits massiques (et donc les hauteurs des flammes diffèrent de moins de 20% par rapport au débit à 3,25 bars, tandis que, dans les allumeurs couramment connus, ce rapport est supérieur à 100%. Dans le choix de cette géométrie optimale pour la section de passage, outre les considérations présentées, il intervient des phénomènes de stabilité de la couche limite (L. PRANDIL, Résultats de l'Institut d'Essais Aérodynamiques, Gattingen, fascicule III, 1927, et H.L. LANGHAAR, Ecoulement laminaire dans le trongon de transition d'un tube rectiligne, J. Appl. Mech., vol. 9, p. 55-58, 1942) et des phénomènes thermodynamiques par dilatation du fluide et changement de phase, d'une description complexe et qui empêchent de donner un paramètre général définissant une géométrie optimale, comme pourrait l'être un rapport périmètre/aire de la section de passage. Etant donné la grande surface latérale du passage longitudinal du - 10 - tube 20 de limitation de débit, par comparaison avec ceux connus jusqu'ici, et du fait que celui-ci est de préférence immergé presque complètement dans le réservoir de gaz liquide (qui est une masse thermique relativement très importante), cela permet que, dans une configuration normale (par exemple: diamètre extérieur du tube 0,8 mm, longueur 50 mm et épaisseur des parois latérales 0,25 mm), on obtienne un apport de chaleur suffisant (0,1 cal/s) pour une vaporisation complète du flux de gaz liquide (typiquement 1,2 mg/s) dans le cas o on travaille en phase liquide à l'intérieur du tube de limitation, grâce à la convection et la conduction de la masse liquide vers le dispositif de limitation (0, 2 cal/s pour un saut thermique de 15 C) et des quantités résiduelles par chaleur spécifique ou la conversion en chaleur de l'énergie par perte de charge lors de la circulation du fluide. Par conséquent, lorsqu'on alimente encore le tube 20 en phase liquide, comme la vaporisation se produit pendant que le fluide circule à travers celui-ci, il atteint l'extrémité aval de la chambre de vaporisation 38 sous forme de vapeur et, comme il ne demande pas d'apport ultérieur de chaleur, il est possible de travailler avec une pièce de support 14 et une cheminée qui ne sont pas bonnes conductrices de la chaleur. Il s'est avéré que la dispersion du débit massique pour de mêmes conditions d'alimentation se trouve à l'intérieur de + 4% de la valeur moyenne. Ces variations induisent des modifications non appréciables de la hauteur de flamme (pour une flamme normale de 20 mm, elles sont de + 1 mm) . Si on exige une meilleure uniformité du débit, on prévoit un premier sectionnement à la sortie de la machine d'extrusion, à une longueur légère- ment supérieure à la longueur théorique, puis ensuite (après avoir intro- duit le tube 20 de limitation dans la pièce de support 14 ou une fois ceci fait) et avant de placer l'ensemble dans l'allumeur, on procède à une lecture de débit en alimentant en air ou autre fluide connu, à une pression connue, et, en fonction du résultat de cette lecture, on réalise un second sectionnement d'ajustage, ce qui permet de réduire la dispersion existant dans le débit à celle des éléments de mesure et de sectionnement. On détecte en même temps les ensembles défectueux du fait de la fabrication et, avant de les insérer dans l'allumeur (auquel cas le coût des pièces à refuser serait supérieur), on les écarte du circuit de production. - 11 - REVENDICATIONS 1. Allumeur de gaz liquide, du type comportant une structure (2) dans laquelle est ménagé un réservoir (4) pour du gaz liquide, une cheminée d'évacuation (30), un flux de gaz étant susceptible de s'établir entre ce réservoir (4) et cette cheminée (30), un dispositif d'obturation pour ce flux, comprenant un obturateur (34), un moyen de limitation non réglable du débit de ce flux et un moyen conduisant ce flux depuis l'intérieur du réservoir (4) jusqu'à l'obturateur (34), caractérisé en ce que le moyen de limitation et le moyen conducteur sont constitués par un tube unique (20) de longueur supérieure à 5 mm, avec au moins un passage longitudinal (22) l0 qui présente une section de passage, et avec une section totale de passage, somme des sections de passage des passages, comprise entre 0, 03 et 0,002 mm2, ce tube (20) étant adapté de façon étanche à la structure (2) de l'allumeur, directement ou par l'intermédiaire d'une pièce de support (14) . 2. Allumeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la section de passage de chacun des passages longitudinaux (22) est sensible- ment constante et connue sur toute la longueur du tube (20). 3. Allumeur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que, dans au moins l'un des passages longitudinaux (22), il est prévu des surfaces longitudinales (24) se faisant sensiblement face, des intervalles très étroits étant définis entre ces surfaces (24) en regard. 4. Allumeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (20) présente une surface extérieure sensiblement cylindrique et son diamètre extérieur est compris entre 0,5 et 1 mmn. 5. Allumeur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pièce de support (14) est en une matière bonne conductrice de la chaleur et présente un prolongement (40), sensiblement en forme de cuvette, qui entoure extérieurement un tronçon longitudinal de la cheminée d'évacuation (30), une distance réduite existant dans le sens radial entre ce prolongement (40) et ce tronçon. 6. Allumeur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le tube (20) est en une matière à comportement lipophobique.