Brevet FR2648217A1 — publié le 19901214

DISPOSITIF DE PRECHAUFFAGE DE COMBUSTIBLE, POUR UN ATOMISEUR A ULTRASONS EQUIPANT DES APPAREILS DE CHAUFFAGE La présente invention se rapporte à un dispositif de préchauffage de combustible pour un atomiseur à ultrasons, dans un appareil de chauffage qui fonctionne par combustible liquide et comprend une chambre de combustion, avec un échan- geur thermique situé dans la continuité de celle-ci, et une zone d'inflammation dans laquelle s'engage le dispositif d'in- flammation, ainsi qu'une tête de brûleur équipée de moyens d'amenée de combustible et d'air comburant, l'atomiseur à ul- trasons étant muni, pour recevoir le combustible, d'un perça- ge longitudinal central qui communique avec un perçage radial en vue de l'amenée du combustible, et ledit atomiseur à ultra- sons étant disposé à l'intérieur du carter du brûleur, selon l'axe longitudinal de ce dernier, dans une collerette d'ato- miseur présentant un perçage étagé de passage longitudinal. Des appareils de chauffage de ce genre sont utili- sés pour le chauffage de véhicules indépendamment du moteur, et pour le préchauffage dudit moteur. Un dispositif du même type est connu d'après le brevet DE-C-35 22 697. L'agencement décrit dans ce brevet sert lui aussi à chauffer, indépendamment du moteur, non seu- lement des véhicules, mais également des machines de terras- sement et des bateaux, ainsi qu'à préchauffer le moteur d'ins- tallations de ce genre. De tels chauffages de véhicules doi- vent être compacts, étant donné que seulement un espace très restreint est disponible pour leur intégration. En outre, ils doivent réclamer seulement de faibles besoins en courant, car ils sont alimentés électriquement par la batterie du véhicule qui, en présence de températures très basses, c'est-à-dire précisément lorsqu'il existe un besoin particulier pour le chauffage de l'habitacle du véhicule indépendamment du mo- teur, et éventuellement pour le préchauffage de ce moteur, ne présente qu'une aptitude particulièrement faible à fournir du courant. Des appareils de chauffage connus, d'une puissance chauffante d'environ 10 kW, sont parcourus par un débit d'en- viron 1,3 1/h de carburant Diesel. En mode chauffage station- naire, c'est-a-dire lorsque l'installation est chaude en ser- vice, 2 W de puissance électrique effective, y compris une réserve de sécurité, sont nécessaires pour l'atomisation par ultrasons. Cette puissance est engendrée par un générateur d'ultrasons, dans un circuit oscillant, puis est délivrée à l'atomiseur à ultrasons. Lors du démarrage à froid dans des conditions extrêmes atteignant par exemple - 40 C, pour les- quelles de tels appareils de chauffage sont notamment conçus, le fort accroissement de la viscosité du combustible, la va- porisation accrue correlative à laquelle est soumis le disque d'atomisation de l'atomiseur à ultrasons, ainsi que la disso- ciation plus difficile des gouttelettes du brouillard de com- bustible, d'avec le film de combustible, se traduisent par une augmentation des besoins en puissance électrique qui at- teint du quintuple au décuple, si bien que le générateur d'ul-. trasons doit délivrer, pour cette condition de fonctionnement, une puissance effective de 10 watts à 15 watts. C'est pourquoi, dans les dispositifs connus, le gé- nérateur d'ultrasons est conçu pour deux paliers de puissan- ce, c'est-a-dire pour la phase de démarrage à froid (déli- vrance de puissance de 12 W, par exemple) et pour le fonc- tionnement normal (délivrance de puissance de 2 W), le pa- lier 1 étant utilisé uniquement pour la plage de mise en marche, durant quelques minutes seulement pour une tempéra- ture ambiante nettement inférieure à 0 C. Lorsque la tempé- rature de service est atteinte, il est cédé par l'intermé- diaire de la chambre de combustion de l.'appareil de chauffa- ge, par convection et par rayonnement, une quantité de cha- leur telle qu'une commutation au palier 2 puisse s'opérer avec faible délivrance de puissance. Ce dispositif connu accuse, toutefois, l'inconvé- nient consistant en ce que les éléments constitutifs que sont le transformateur de sortie et les transistors du palier fi- nal du générateur d'ultrasons doivent être conçus pour la forte puissance d'environ 15 W, ce qui implique un moins bon rendement pour la durée de service largement prépondérante, et est de surcroit onéreux. Par ailleurs, dans ce disposi- tif, un inconvénient consiste en ce que la forte puissance S électrique effective impose à l'atomiseur A ultrasons, au cours de la phase de démarrage a froid, de fortes contraintes thermiques et mécaniques qui ont des répercussions négatives sur la longévité et la fiabilité. En vue de compenser les fluctuations de viscosité enregistrées dans le fioul domestique, au cours des dernières années écoulées, il est connu, dans des installations de chauffage de bâtiments équipées de brûleurs à atomisation sous haute pression, d'installer un élément chauffant dans le flux d'arrivée du fioul domestique, avant la buse d'atomisa- tion. Cela permet également d'abaisser la limite de puissance inférieure de ces brûleurs, c'est-a-dire d'atomiser moins de combustible moyennant une dimension égale de la buse. Cepen- dant, un dispositif de ce genre ne se prête pas au préchauf- fage du combustible destiné à des appareils de chauffage de véhicules; en effet, dans cet agencement connu d'un élément chauffant, celui-ci est en permanence baigné circonférentiel- lement par le combustible froid, de sorte que ledit élément chauffant est en service, et consomme en permanence de l'éner- gie électrique. Cette énergie n'est pas disponible dans un véhicule en vue du réchauffage, notamment lorsque le moteur est à l'arrêt et lorsque le chauffage fonctionne. En revan- che, lorsque le chauffage est en fonction, la température de la chambre de combustion a pour effet d'engendrer suffisam- ment de chaleur pour préchauffer le combustible. L'invention a pour objet un dispositif du genre susmentionné, amélioré de telle sorte que, moyennant une fai- ble complexité technique supplémentaire, il se prête à un démarrage à froid économisant le courant, en assurant l'atomi- sation du combustible dans la plage de basses températures (atteignant jusqu'à environ - 40 C). Conformément A l'invention, cet objet est atteint par la présence d'un élément chauffant situé, au voisinage de l'amenée du combustible, à proximité spatiale de l'atomi- seur à ultrasons, et à l'extérieur du conduit à combustible. Grâce à cet agencement, le flux thermique s'opé- rant de l'élément chauffant au combustible et, après alluma- ge de l'appareil de chauffage et réchauffage de la chambre de combustion, le flux thermique s'opérant de la chambre de com- bustion au combus.tible, sont harmonisés de façon telle que l'élément chauffant puisse être mis à l'arrêt, ou bien s'ar- réte de lui-même après une courte durée de service de l'ap- pareil de chauffage. De ce fait, l'élément chauffant ne doit pas être en contact thermique.trop intime avec le combusti- ble, faute de quoi, lorsque la délivrance de combustible froid se poursuit, et même lorsque la chambre de combustion est déjà chaude, aucune interruption du courant de chauffage ne s'opère et, en conséquence, il se produit une forte con- sommation de courant qui vide la batterie. Dans cet agence- ment, il s'est étonnamment révélé que, aussitôt après une courte formation de la flamme dans le foyer de l'appareil de chauffage, et après stabilisation de ce dernier, l'on peut re- noncer au préchauffage extérieur assuré par l'élément chauf- fant; en effet, le disque d'atomisation de combustible de l'atomiseur à ultrasons est suffisamment réchauffé par le rayonnement de la flamme et par la convection des gaz de com- bustion, si bien que la viscosité du film de combustible adhé- rent peut être réduite d'une ampleur propre à assurer une bonne atomisation. D'autre part, cependant, le transfert de chaleur s'opérant de l'élément chauffant au combustible doit être suffisamment bon pour qu'une part la plus grande possi- ble de l'effet Joule soit répercutée sur le combustible, et pour qu'elle ne le soit, en tant que perte, que modestement sur les éléments constitutifs du brûleur, et sur l'air combu- rant qui circule dans la tête du brûleur. De ce fait, il s'est révélé avantageux que l'élément chauffant soit implanté, du côté tourné à l'opposé du foyer, en liaison thermiquement conductrice avec la collerette de l'atomiseur. Par "collerette de l'atomiseur", il faut alors entendre la pièce constitutive qui porte centralement l'ato- miseur à ultrasons, et est reliée au carter du brûleur. Cet- te collerette peut également se composer de membrures indivi- duelles. Dans ce cas, l'installation de l'élément chauffant peut avoir lieu dans un appendice qui est venu solidairement de coulée sur la collerette de l'atomiseur et est percé à la cote dudit élément chauffant, la consignation à demeure pou- vant être assurée par une agrafe de retenue. Il est alors ju- dicieux de déposer une pâte à conduction thermique pour com- penser d'éventuelles tolérances,. en vue d'établir un bon con- tact thermique entre l'élément chauffant et le perçage (qui ne doit pas nécessairement être rond, mais peut aussi être ovale ou rectangulaire pour correspondre à la forme dudit élé- ment chauffant). Dans cet agencement, dans lequel l'élément chauffant est par exemple constitué d'un fil résistif, les raccords électriques dudit élément chauffant sont connectés à la tension de service, dans l'appareil de commande de l'appa- reil de chauffage, par l'intermédiaire d'un relais. Ce relais est enclenché au cours de la phase de démarrage à froid de l'appareil de chauffage, la chaleur cédee par l'élément chauf- fant chauffe la collerette de l'atomiseur et fait monter la température du combustible soit par l'intermédiaire de ladite collerette, soit directement lorsque le conduit d'amenée du combustible se trouve sur cette collerette. En présence de températures extrêmes comprises, par exemple, entre - 40 C et - 10 C, la délivrance du combustible peut également être enclenchée avec temporisation, après un temps de préchauffage arrêté au préalable, par l'intermédiaire d'un circuit de tem- porisation intégré dans l'appareil de commande. La mise à l'arrêt de l'élément chauffant, lorsqu'il se produit un transfert de chaleur suffisant provenant de la chambre de com- bustion, peut avoir lieu en fonction du temps ou de la tempé- rature. L'élément chauffant peut toutefois aussi être réali- sé sous la forme d'un élément aplati et être assujetti, par des agrafes, à la collerette de l'atomiseur sur laquelle il est recouvert d'une isolation thermique. Ce mode de fixation se prête en particulier à la transformation ultérieure d'appa- reils de chauffage déjà existants, équipés d'un atomiseur à ultrasons. Il s'est révélé particulièrement avantageux d'em- ployer un élément semi-conducteur, raccordé à l'appareil de commande du chauffage; d'après une solution encore plus avantageuse de l'objet recherché, l'élément semi-conducteur revêt la forme d'un élément à coefficient positif de tempé- rature (PTC). Cette solution offre en particulier des avanta- ges en.matière de sûreté, mais elle est également moins oné- reuse. Un autre avantage résulte du fait que le générateur d'ultrasons peut être conçu et optimalisé en vue d'une fai- ble puissance effective, et du fait qu'aucune instruction de commande ne doit nécessairement être engendrée, dans l'appa- reil de commande, pour provoquer une commutation de puissan- ce. Du fait que les résistances PTC (conducteurs froids) pré- sentent un accroissement brusque de leur valeur résistive, en présence d'une température de référence spécifique du maté- riau, il peut être renoncé à une activation par l'intermé- diaire d'un relais d'enclenchement, c'est-à-dire que les élé- ments PTC sont directement raccordés a la tension de servi- ce, en tant qu'éléments chauffants autorégulateurs. Les élé- ments chauffants PTC peuvent présenter une forme cylindrique ou discoTdale de telle sorte qu'ils puissent, tout comme les éléments chauffants en un fil résistif, être incorporés dans le tube ménage sur la collerette de l'atomiseur. En vue d'atténuer le transfert thermique, s'opérant vers le carter du brûleur à partir de la collerette de l'ato- miseur réchauffée par l'élément chauffant, il s'est par ail- leurs révélé avantageux d'interposer une isolation thermique entre ledit carter du brileur et ladite collerette de l'ato- miseur, qui porte l'élément chauffant et renferme le système d'amenée du combustible. Cette isolation thermique remplit la fonction d'un "étranglement thermique". Dans la plupart des cas d'application, une simple bague en un matériau approprié suffit en tant qu'isolation thermique; cependant, il est également possible de choisir une autre forme, par exemple une configuration en cornière, afin de séparer le mieux pos- sible, du point de vue thermique, le carter métallique du brûleur d'avec la collerette métallique de l'atomiseur. L'élément chauffant peut avantageusement se trouver dans un réceptacle du type manchon, ménagé d'un seul bloc avec la collerette de l'atomiseur. De préférence, cet élément chauffant repose à plat sur la collerette de l'atomiseur, et est retenu au moyen d'une agrafe élastique. L'isolation thermique peut être judicieusement cons- tituée d'une bague en céramique, de configuration en corniè- re. Cette bague peut présenter un filetage en vue de la soli- darisation avec la collerette de l'atomiseur, et un autre fi- letage en vue de la solidarisation du carter du brûleur. L'invention va à présent être décrite plus en dé- tail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins schématiques annexes sur lesquels: la figure 1 est une coupe d'une partie de l'appa- reil de chauffage, muni d'un élément chauffant incorporé dans un appendice; la figure 2 est une vue en plan du dispositif selon la figure I; la figure 3 est une coupe similaire à la figure 1, sur laquelle un élément chauffant est toutefois rapporté au moyen d'une agrafe; et la figure 4 est une vue en plan du dispositif d'après la figure 2. Sur toutes les figures, les mêmes références numé- riques désignent des parties identiques. Les figures 1 et 3 montrent respectivement, par une coupe longitudinale, la par- tie d'un appareil de chauffage dans laquelle se trouvent l'ato- miseur à ultrasons, le système de délivrance de combustible et l'élément chauffant. Dans cette région illustrée de l'appa- reil de chauffage, l'on n'a pas représenté des détails con- cernant, par exemple, le système de retenue de l'atomiseur à ultrasons et le système d'admission du combustible dans ce dernier; ces systèmes sont, par exemple, conformes au brevet DE-C-35 22 697. L'on distingue un carter 1 de brûleur, percé d'orifices de passage 2 pour l'amenée d'air comburant à une chambre de combustion 3, laquelle présente également des ori- fices de passage 4 pour l'introduction de l'air comburant dans un foyer 5, dans lequel une flamme 6 se forme en service. La chambre de combustion 3 est obturée, frontalement, par un fond 7 par l'intermédiaire duquel elle est reliée à une col- lerette 8 d'atomiseur. Le fond 7 de la chambre de combustion est percé d'orifices de passage 9, en vue de l'introduction d'une partie de l'air comburant dans le foyer 5. Une garnitu- re d'étanchement 10 en un matériau thermiquement isolant, rem- plissant la fonction d'un "étranglement thermique", est in- terposée entre la collerette 8 et le carter 1. Cette sépara- tion thermique vise, au premier chef, à empêcher un flux de sortie trop intense de la chaleur engendrée par un élément chauffant 20, dans le carter 1 qui est encore froid lors de la phase de démarrage à froid, et agit de ce fait comme un puits de chaleur intense; et, en outre, à empêcher un flux de chaleur trop intense, vers la collerette 8, à partir de la chambre de combustion 3 qui est chaude en condition de servi- ce, afin d'éviter un trop fort réchauffement du combustible, faute de quoi il pourrait aisément se produire, dans le con- duit d'amenée du combustible, des bulles de vapeur qui impli- queraient une perturbation du fonctionnement. La garniture 10 consiste, dans le cas le plus simple, en une bague en un maté- riau thermiquement isolant, mais peut également consister en une bague profilée en un matériau rigide, comme par exemple de la céramique. Cette réalisation peut simultanément être utilisée pour former une pièce de solidarisation entre la col- lerette 8 de l'atomiseur et le carter 1 du brûleur, ce qui prodigue une séparation thermique particulièrement bonne en- tre ces deux parties constitutives. La collerette 8 porte, en son centre, un atomiseur 11 à ultrasons qui posséde des rac- cords électriques 12 menant au générateur d'ultrasons. L'ato- miseur 11 comporte, pour l'amenée du combustible, un perçage radial 13 débouchant dans un perçage axial 14, par l'intermé- diaire duquel le combustible est guidé vers un disque d'ato- misation 15. Des orifices de passage 16, pratiqués dans la collerette 8, servent à amener l'air comburant vers le foyer 5. Dans l'exemple de réalisation illustré, l'amenée du combusti- ble, vers le perçage radial 13 ménagé dans l'atomiseur 11, a lieu par l'intermédiaire d'un canal 17 qui est pratiqué dans la collerette 8 et dans lequel se trouve, côté entrée, un em- bout tubulaire 18 destiné au raccordement d'un conduit 19 d'arrivée du combustible. Toutefois, le conduit 19 ne doit pas nécessairement gagner le perçage radial 13 de l'atomi- seur 11 en traversant la collerette 8 sur le trajet le plus court; il peut également longer la collerette 8 sur une ré- gion partielle, ou bien être prolongé par l'intermédiaire de boucles, voire s'étendre hélicoTdalement. Le mode de guidage du conduit 19 mentionné en dernier lieu prodigue une meilleu- re protection contre la chaleur émanant du foyer 5, avec meilleur prélèvement simultané de chaleur par l'élément chauffant 20. Cet élément 20, par exemple un élément en un fil résistif ou de préférence un élément A coefficient positif de température (PTC), est logé dans un réceptacle 21 du type manchon dans l'exemple de réalisation d'après la fi- gure 1, et d'après la figure 2 associée. Ledit réceptacle possède des nervures latérales d'appui 22 et, pour obtenir un bon transfert de chaleur de l'élément 20 à la collerette 8, un interstice 23 éventuellement présent est comblé par une pâte à conduction thermique. A cette fin, ladite pâte est déposée en une couche mince sur l'élément 20, préalablement à l'incor- poration, après quoi ledit élément est introduit dans le ré- ceptacle 21. Des raccords électriques 24 de l'élément chauf- fant 20 conduisent la tension de service (d'environ 12 V ou 24 V) délivree par l'appareil de commande du chauffage. La collerette 8 de l'atomiseur consiste, très sou- vent, en une pièce plane percée d'un ou plusieurs orifices 16 de passage de l'air comburant, et munie du réceptacle 21 de l'élément chauffant 20. Elle présente par ailleurs, en vue de recevoir centralement l'atomiseur 11 à ultrasons, un appendi- ce 25 qui y est ménagé d'un seul tenant, entoure annulaire- ment l'ouverture destinée à l'atomiseur 11, et sert à la so- lidarisation du fond 7 de la chambre de combustion dans la région tour- née vers la chambre de combustion 3. Néanmoins, la collerette 8 peut également se composer de deux ou plusieurs membrures, auquel cas l'air comburant peut circuler entre lesdites mem- *brures, et le réceptacle 21 est disposé sur l'une de ces mem- brures. Dans l'exemple de réalisation selon les figures 3 et 4, l'appareil de chauffage est d'une structure similaire. Un manchon 26 est toutefois ménagé d'une seule pièce sur la collerette 8 de l'atomiseur, en vue du raccordement du con- duit 19 d'arrivée du combustible. Dans cet exemple de réali- sation, l'élément chauffant 20 consiste en un élément PTC aplati, pourvu du raccord électrique 24. Cet élément chauf- fant 20 aplati repose sur la collerette 8 sur laquelle il est retenu, et plaqué pour permettre le contact thermiquement conducteur, par une agrafe élastique 27 fixée à ladite colle- rette 8 au moyen d'une vis 28 (ou d'un rivet). Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de 1 'invention. 2648 2 1 7 -R E V E N D I C AT I O N S- 1. Dispositif de préchauffage de combustible pour un atomiseur A ultrasons, dans un appareil de chauffage qui fonctionne par combustible liquide et comprend une chambre de combustion, avec un échangeur thermique situé dans la conti- nuité de celle-ci, et une zone d'inflammation dans laquelle s'engage un dispositif d'inflammation, ainsi qu'une tête de brûleur équipée de moyens d'amenée de combustible et d'air comburant, l'atomiseur à ultrasons étant muni, pour recevoir le combustible, d'un perçage longitudinal central qui commu- nique avec un perçage radial en vue de l'amenée du combusti- * ble, et ledit atomiseur à ultrasons étant disposé, à l'inté- rieur de la tête de brûleur, dans une collerette d'atomiseur présentant un perçage étagé de passage longitudinal, dispo- sitif caractérisé par un élément chauffant (20) situé, au voisinage de l'amenée du combustible, A proximité spatiale de l'atomiseur (11) à ultrasons, et à l'extérieur du conduit (19) d'arrivée du combustible. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément chauffant (20) est implanté, du cô- té à l'opposé de la chambre de combustion (3), en liaison thermiquement conductrice avec la collerette (8) de l'atomiseur. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé par le fait que l'élément chauffant (20) est un élé- ment semi-conducteur raccordé A l'appareil de commande du chauffage. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'élément semi-conducteur (20) revêt la forme d'un élément à coefficient positif de température (PTC). 5. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, ca- ractérisé par le fait qu'une isolation thermique (10) est in- terposee entre le carter (1) du brûleur et la collerette (8) de l'atomiseur, qui porte l'élément chauffant (20) et est per- cée du canal (17) à combustible. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé par le fait que l'élément chauffant (20) se trouve dans un réceptacle (21) du type manchon, ména- gé d'un seul bloc sur la collerette (8) de l'atomiseur. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé par le fait que l'élément chauffant (20) repose à plat sur la collerette (8) de l'atomiseur, et est retenu au moyen d'une agrafe élastique (27). 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'isolation thermique (10) est constituée d'une bague en céramique de configuration en cornière. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la bague en céramique de configuration en cornière présente un filetage en vue de la solidarisation avec la collerette (8) de l'atomiseur, et un autre filetage en vue de la solidarisation du carter (1) du brûleur.