Brevet FR2630528A1 — publié le 19891027

- DESCRIPTION La présente invention est relative à une buse à allumage piézo-élèctrique du type comprenant un noyau central entouré par une enveloppe tubulaire, ces deux pièces étant électriquement conductrices et isolées l'une de l'autre et délimitant un passage de gaz qui s'étend jusqu'à une sortie de la buse et qui définit au moins localement un entrefer d'éclatement d'étincelles. Elle s'applique notamment à la réalisation des modules d'allumage piézo-électriques pour brûleurs oxy-combustibles décrits dans la demande de brevet FR 85 14 848. Dans les applications industrielles, l'utilisation de brûleurs pour les opérations de chauffe ou de maintien en -température s'accompagne généralement d'allumages répétitifs. Ce fonctionnement discontinu nécessite l'adjonction d'une veilleuse intégrée ou sous forme de module d'allumage pour la remise en route du brûleur. Pour éviter d'avoir à effectuer manuellement l'allumage de la veilleuse, des modules d'allumage piézo-électriques ont été proposés, par exemple par la demande de brevet précitée. L'invention a pour but d'améliorer ces modules d'allumage pour en augmenter la fiabilité d'allumage, même en milieu industriel pollué, la résistance à la rentrée de flammes, la souplesse de fonctionnement et la commodité d'entretien. A cet effet, l'invention a pour objet une buse du type précité, caractérisée en ce que l'entrefer est entièrement situé à l'intérieur de la buse, à une certaine distance de ladite sortie. L'invention a également pour objet un module d'allumage pour brûleur comprenant une telle buse. -* Quelques exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: 2 2630528' - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un module d'allumage équipé d'une buse selon l'invention; - la figure 2 est une vue analogue, à plus grande échelle, de la partie d'extrémité de cette buse; - les figures 3 et 4 sont des vues analogues à la figure 2 représentant deux variantes de la buse; et - la figure 5 représente en perspective un ensemble de chauffe équipé du module d'allumage de la figure 1. Le module d'allumage représenté à la figure 1 a dans l'ensemble la même structure que celui décrit dans la demande de brevet FR 85 14 848 précitée, et est destiné à s'intégrer dans un contexte (ensemble de chauffe) identique. Ce module d'allumage comprend essentiellement quatre sous-ensembles: un bloc prismatique 1 destiné à permettre l'intégration du module d'allumage dans un ensemble de chauffe comprenant des brûleurs, représenté sur la figure 5, une buse 2, un injecteur-mélangeur 3, et un mécanisme d'allumage piézo-électrique 4. Le bloc 1 est traversé par un alésage étagé 5, d'axe X-X supposé vertical pour la commodité de la description, dans lequel sbont positionnés l'un au-dessus de l'autre le mécanisme 4 et la buse 2. Il présente par ailleurs un alésage étagé 6 qui rencontre à angle droit l'alésage 5 au niveau de la partie supérieure de la buse et dans lequel est positionné l'injecteur-mélangeur 3. Les sous-ensembles 2 à 4 sont pourvus de joints d'étanchéité annulaires 7. La buse 2 comporte une jupe tubulaire 8 et un noyau central plein 9 coaxial à la jupe, ces deux pièces étant métalliques. Un passage 10 délimité entre la jupe 8 et le noyau 9 est relié à une chambre de mélange 11 de l'injecteur-mélangeur 3. Cette chambre de mélange est alimentée d'une part par une canalisation 12 en oxygène, d'autre part par une 3 2630528 canalisation 13 en gaz combustible. L'injecteur-mélangeur est facilement démontable grâce à une tête hexagonale 14 extérieure au bloc 1, ce qui permet de changer l'injecteur-mélangeur suivant le gaz et/ou les débits de gaz utilisés. Les extrémités inférieures de la jupe 8 et du noyau 9 sont maintenues coaxiales et écartées l'une de l'autre à l'aide d'un insert céramique électriquement isolant 15, et une busette 16 est vissée dans l'extrémité inférieure de la jupe. Le mécanisme 4 d'allumage piézo-électrique comporte une jupe tubulaire 17 prolongeant vers le haut la jupe 8 et dans laquelle sont montés, de haut en bas sur la figure, un aimant 18 usiné sous forme d'une vis permettant le démontage de l'ensemble du mécanisme, aimant auquel est accroché un marteau métallique 19 ayant une forme sensiblement cylindrique, dont la partie inférieure comporte une surface convexe 20 et dont la partie supérieure comporte un lamage annulaire 21. Ce dernier délimite avec la paroi interne cylindrique de la jupe 17 un espace relié à une arrivée 22 d'azote. Sous le marteau 19 et à distance de celui-ci, se trouve une enclume 23 comportant une surface supérieure convexe 24 placée face à lasurface convexe 20 de convexité opposée, et une face inférieure plane reposant sur la face supérieure d'un bloc piézo-électrique 25 (première électrode du bloc). Le marteau et l'enclume sont normalement maintenus à distance à l'aide d'un ressort 26 qui s'appuie d'une part sur la partie inférieure du marteau et d'autre part sur la partie supérieure de l'enclume. Un espace est ainsi dégagé entre le marteau et l'enclume, espace relié à une canalisation de sortie d'azote 27. L'échappement d'azote s'effectue dans une direction perpendiculaire à l'axe X-X de la jupe 8, et donc de la flamme oxy-combustible, et n'engendre aucune perturbation de celle-ci. La face inférieure du bloc piézo-électrique 25 (seconde électrode de ce bloc) est 4 2630528 reliée électriquement au noyau 9 de la buse et repose sur une vis 9A vissée dans ce noyau et servant au maintien en position de celui-ci. Le bloc 25 (qui dans le présent exemple est cylindrique) est gainé par un insert électriquement isolant 28 permettant de l'isoler latéralement de la jupe. Comme on le voit mieux sur la figure 2, le noyau 9 présente de haut en bas, dans sa partie inférieure, un épaulement 29, une partie cylindrique , une partie tronconique convergente 31, une autre partie cylindrique 32, et un nez 33 grossièrement parabolique constitué en fait, pour la commodité de l'usinage, par un tronc de cône suivi d'un cône à plus grand angle au sommet. De plus, le noyau comporte une série de rainures longitudinales 34 qui s'évanouissent au niveau de la partie convergente 31. L'insert 28 est une bague en céramique qui s'applique contre l'épaulement 29 et occupe l'espace annulaire séparant le noyau de la jupe sur toute la hauteur de la partie cylindrique 30. Ainsi, à ce niveau, le- passage laissé libre pour le mélange oxy-combustible est réduit à autant de canaux longitudinaux 35 qu'il y a de rainures 34. La busette 16 s'applique sur la face inférieure de l'insert 28. Elle est traversée longitudinalement par un alésage comportant de haut en bas: une partie convergente 36 située en regard de la partie 31 du noyau, une partie cylindrique 37 située en regard de la part.ie cylindrique 32 du noyau et s'étendant légèrement au-delà pour éviter tout risque d'interférence entre le noyau et la busette 16; une partie convergente 38 entourant le nfiez 33 du noyau et s'étendant légèrement au-delà; et un conduit cylindrique axial de sortie 39. Entre les parties cylindriques 32 et 37 est délimité un entrefer annulaire 40 qui constitue l'endroit o le passage délimité entre le noyau et la jupe possède une section transversale minimale. C'est donc là que la création d'une différence de potentiel entre le noyau et la jupe au moyen du mécanisme piézoélectrique 4 provoque l'éclatement d'étincelles. En amont de l'entrefer 40, la section de passage décroît; en aval, elle croît légèrement jusqu'à l'extrémité inférieure de la partie cylindrique 37, puis reste sensiblement constante jusqu'à la pointe du nez 33, puis décroît légèrement sur une courte longueur jusqu'à l'entrée du conduit 39, dans lequel elle reste constante. Le fonctionnement de ce module est le suivant. Lorsqu'on souhaite créer cette étincelle et ainsi engendrer une flamme à la sortie de la buse 2 (cette flamme auxiliaire servant ensuite à allumer un ou plusieurs brûleurs), on commence tout d'abord par injecter l'oxygène et le gaz combustible en quantités prédéterminées dans la chambre de prémélange 11. Ce prémélange est ensuite envoyé dans l'espace 10, à travers une gorge 40 et une couronne de trous 41 prévus dans la jupe 8, puis éjecté par les canaux 35 et le conduit 39 de la busette. On déclenche ensuite une injection d'azote dans la canalisation 22, sous une pression suffisante pour exercer une force capable de décrocher le marteau 19 de l'aimant 18. Le marteau est ainsi violemment projeté vers le bas, de sorte que sa face convexe 20 vient heurter la face convexe 24 de l'enclume 23 placée en visà-vis. Cette enclume, par sa face inférieure, applique ainsi une force importante sur le bloc piézo-électrique 25 et crée une déformation de celui-ci. Sous l'effet de cette déformation mécanique, le bloc piézoélectrique, de par ses propriétés, engendre des charges électriques de polarités opposées sur ses deux faces opposées, lesquelles sont reliées électriquement d'une part à la jupe 8, et d'autre part au noyau 9. Cette jupe et ce noyau étant électriquement conducteurs, les charges ainsi créées sont transportées jusqu'à l'entrefer 40, dont la dimension radiale est suffisamment faible pour que lesdites charges électriques de 6 2630528 polarités opposées créent une étincelle. Cette étincelle est suffisante pour enflammer le mélange oxy-combustible, et la flamme est éjectée et vient s'accrocher à la sortie du conduit 39. On voit que la zone d'allumage est interne à la buse et est protégée contre l'accumulation de particules métalliques présentes dans les fumées environnantes ou provenant de projections. L'allumage est ainsi fiable pendant une durée accrue d'utilisation du module. De plus, grâce à la configuration du noyau et de l'alésage de la busette décrite plus haut, qui conduit à une section de passage à peu près constante en aval de l'entrefer 40, on évite à la fois, après création de l'étincelle, un ralentissement important de l'écoulement générateur de turbulences, et une accélération prématurée de' l'écoulement qui risquerait d'éteindre la flamme. On constate par ailleurs que la buse présente une très faible tendance à la rentrée de flammes et que sa plage de fonctionnement (débit et pression des gaz, rapport de consommation 02/G) est très élargie. En outre, grâce à la présence d'une busette démontable 16, l'entretien de la zone d'allumage est commode, et l'on peut facilement, par simple changement de la busette, utiliser le même module d'allumage avec différents 'gaz combustibles et/ou avec différents débits. Il est également à noter que le présence d'un entrefer cylindrique permet une réalisation fiable de la buse avec des tolérances de fabrication relativement larges. Dans la variante de la figure 3, une partie du débit du mélange oxycombustible est déviée, en amont des rainures 34, dans un conduit radial 42 du noyau qui débouche dans un conduit axial borgne 43 du noyau, lequel débouche à son tour à l'extrémité du nez 33. Ceci permet d'étendre le domaine de bon fonctionnement du module d'allumage à des réglages qui, 7 2630528 avec la configuration de la figure 2, provoquerait des claquements sans accrochage d'une flamme stable au bout de la buse. Dans la variante de la figure 4, une partie du débit de mélange oxycombustible est déviée dans un conduit latéral 44 prévu dans le bloc 1, ce conduit étant prolongé par un tuyau 45 qui débouche près de la sortie du conduit 39, à l'extérieur de la buse. Ainsi, les étincelles générées dans l'entrefer 40 provoquent l'apparition très brève d'une flamme en sortie de buse, et c'est cette flamme instable qui allume le mélange sortant du tuyau 45 en formant une flamme stable. De même que celle de la figure 3, cette variante permet d'améliorer la souplesse de fonctionnement du module d'allumage. Les modules d'allumage décrits ci-dessus peuvent être utilisés avec l'ensemble de chauffe modulaire représenté schématiquement à la figure 5, qui est identique à celui décrit dans la demande de brevet FR 85 14 848 précitée. On voit sur cette figure 5, de gauche à droite, une plaque de fermeture 46, le bloc 1 du module d'allumage selon l'invention, puis une pluralité de modules brûleurs 47-48, 49-50, 51-52,..., 53-54,..., et une plaque de fermeture 55. L'ensemble de ces différents modules peut coulisser sur des tiges 56 à 59 permettant l'empilage des blocs côte à côte. Ces tiges parallèles comportent à chacune de leurs extrémités des moyens de fixation 60 à 63 permettant de maintenir les modules brûleurs et le module d'allumage solidaires les uns des autres. On a également représenté schématiquement sur cette figure une canalisation générale d'alimentation 64 pour les différents gaz nécessaires au fonctionnement du brûleur modulaire, en particulier l'oxygène et le gaz combustible pour réaliser les différentes flammes d'allumage et de chauffe, l'azote, nécessaire pour actionner pneumatiquement le système d'allumage 8 2630528. piézo-électrique, ainsi qu'un fluide de refroidissement. Bien entendu, chacun de ces modules comporte des canalisations internes de raccordement aux différentes sources de gaz. Les différents modules comportent des portions de canalisations, respectivement d'azote, de combustible et d'oxygène, qui débouchent sur les faces latérales de chaque module de manière à se raccorder directement aux modules adjacents, et chaque module d'extrémité est flanqué d'une plaque de fermeture 46,55. La buse 2 est montée dans le bloc 1 de façon que l'axe X-X forme un angle avec la face avant du module brûleur adjacent 47-48. Cet angle est tel que l'axe X-X est situé sensiblement dans le même plan que l'axe du module brûleur 47-48, les deux axes formant un angle sensiblement de 15 dans l'exemple présenté sur la figure. D'une manière générale, cet angle est déterminé pour que l'intersection entre l'axe de la buse du module d'allumage et l'axe de la buse du module brûleur de chauffe. le plus proche soit située quelques centimètres en avant de celle-ci. Une telle disposition garantit un allumage instantané du premier brûleur puis, de proche en proche, de tout l'ensemble de chauffe. 9 2630528 REVENDICATIONS 1- Buse (2) à allumage piézo-électrique, du type comprenant un noyau central (9) entouré par une enveloppe tubulaire (8,16), ces deux pièces étant électriquement conductrices et isolées l'une de l'autre et délimitant un passage de gaz (10,35,40,39) qui s'étend jusqu'à une sortie (39) de la buse et qui définit au moins localement un entrefer (40) d'éclatement d'étincelles, caractérisée en ce que l'entrefer (40) est entièrement situé à l'intérieur de la buse, à une certaine distance de ladite sortie (39). 2- Buse suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le noyau (9) présente une série de rainures longitudinales (34) qui se terminent en amont de l'entrefer (40) et débouchent dans un espace annulaire formant cet entrefer. 3- Buse suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'entrefer (40) est délimité entre deux portées cylindriques (32,37) du noyau (9) et de l'enveloppe (8,16). 4- Buse suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'enveloppe (8,16) présente, en aval de l'entrefer (40), un profil intérieur convergent (38) se terminant, au delà de l'extrémité aval du noyau (9), par un conduit central unique (39) de sortie de gaz. 5- Buse suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le noyau (9) présente, en aval de l'entrefer (40), un nez (33) à profil convergent. 6- Buse suivant les revendications 4 et 5 prises ensembles, caractérisée en ce que l'espace annulaire délimité entre l'enveloppe -(8, 16) et le nez (33) du noyau (9) a une seotion transversale à peu près constante. 2630528 7- Buse suivant l'une quelconque des revendications i à 6, caractérisée en ce que la partie terminale (16) de l'enveloppe (8), jusqu'à l'entrefer (40) au moins, est amovible. 8- Buse suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le noyau (9) comporte un conduit axial (43) de passage d'une partie du gaz alimentant la buse (2). 9- Buse suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un conduit latéral (44) de passage d'une partie du gaz alimentant la buse (2), ce conduit débouchant devant la sortie (39) de la buse. - Module d'allumage pour brûleur, caractérisé en ce qu'il comprend une buse suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9.