Brevet FR2652824A1 — publié le 19910412

La présente invention est relative à un dispositif de préparation, par électrolyse de l'eau, d'un mélange gazeux d'oxygène et d'hydrogène servant à l'alimentation d'une flamme d'ionisation. Ainsi qu'on le sait, on utilise, dans de nombreux ap- pareils de laboratoire, de petites flammes destinées à produire certains effets, et servant notamment à l'ionisation de molécu- les organiques, ce qui permet leur identification. Dans les détecteurs visant à déceler l'existence de faibles traces de molécules, il est usuel d'utiliser une flamme alimentée à l'aide d'un combustible non-organique, c'est-à-dire ne comportant pas d'atomes de carbone organique. Le combustible le plus couramment utilisé dans ce cas est l'hydrogène servant à ioniser les particules qui sont ensuite recueillies par un système d'électrodes approprié. L'hydrogène qui est nécessaire peut, par exemple, être fourni à l'état pur par une bouteille sous pression, ou bien être préparé par un générateur d'hydrogène qui, dans le cas d'un appareil de laboratoire, fournit par minute quelques centimètres-cube de ce gaz. Les appareils usuels dans le commerce font appel à l'électrolyse de l'eau et veillent, par leur structure et leur fonctionnement, à une séparation parfaite de l'hydrogène et de l'oxygène, notamment en faisant appel à des membranes semi-per- méables de séparation et à des électrodes en platine, ce qui impose d'utiliser, en tant d'électrolyte, une eau bi-distillée additionnée d'une quantité précise d'un corps dissociable très pur. De tels générateurs sont donc des appareils coûteux, fragiles qui exigent beaucoup de soin et un entretien cons- tant. Leur utilisation n'est en fait justifiée que lorsque l'on désire absolument utiliser de l'hydrogène très pur. Lorsqu'il est possible, lors de l'alimentation en oxygène de la flamme d'ionisation, d'utiliser en même temps de l'hydrogène comme combustible, on peut se contenter d'un mélan- ge combustible formé d'un mélange d'oxygène et d'hydrogène (ne contenant pas de traces de corps organiques), tel qu'il est produit par exemple par électrolyse. L'invention a donc essentiellement pour objet un ap- pareil d'électrolyse de l'eau, fournissant un mélange stoechio- métrique d'oxygène et d'hydrogène prêt à brûler qui soit d'un maniement facile tout en assurant la sécurité désirée, ledit dispositif d'une structure ramassée étant aisément transporta- ble sur le chantier, par exemple dans une cabine d'analyse si- tuée sur un lieu de forage pétrolier. L'appareil conforme à l'invention, qui est pourvu d'un système d'électrolyse, d'un dispositif d'alimentation électrique du système d'électrolyse et d'organes de contrôle, est essentiellement caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaison un châssis immobilisable sur son assise et suppor- tant le système d'électrolyse, des organes de contrôle de la pression des gaz préparés dans le système d'électrolyse, un or- gane de sécurité arrêtant l'électrolyse en cas de surpression, un organe de surveillance du niveau minimal de l'électrolyte dans le récipient d'électrolyse et arrêtant cette dernière et fournissant un signal d'alarme en cas d'insuffisance de rem- plissage du récipient d'électrolyse, un dispositif de déshumi- dification des gaz se dégageant du système d'électrolyse et une poignée empêchant toute utilisation de l'appareil lors de son transport. Dans une forme de réalisation préférée de l'appareil conforme à l'invention, le récipient contenant l'électrolyte supporte les électrodes par son couvercle étanche qui est pour- vu d'un bouchon de remplissage et de deux ajutages ou embouts isolés de l'atmosphère par des raccords rapides pouvant être reliés l'un aux moyens de contrôle de la pression des gaz libé- rés dans le réservoir d'électrolyse et l'autre au dispositif dêshumidificateur porté par le châssis du dispositif. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de déshumidification du mélange des gaz produits est constitué par un récipient tubulaire rempli de gel de silice et obturé à sa partie supérieure par un couvercle étanche suppor- tant deux raccords rapides inversés, la partie femelle du rac- cord rapide, servant à l'entrée du mélange gazeux dans le dis- positif déshumidificateur, pouvant être reliée à la partie mâle correspondante du raccord, reliée quant à elle, par une tubu- lure, à l'un des embouts du couvercle du récipient d'électroly- se, la partie mâle de l'autre raccord rapide, solidaire du couvercle du récipient de déshumidification du mélange gazeux, étant reliée à la partie femelle correspondante du raccord, qui est reliée, en ce qui la concerne, à une tubulure servant au transfert du mélange gazeux hydrogène/oxygène déshumidifié à un dispositif régulateur de pression monté en amont d'un système d'analyse à ionisation de flamme. Selon une autre caractéristique de l'invention, la partie femelle du raccord rapide, servant à l'introduction du gaz à déshumidifier, débouche dans un tube de diffusion pourvu d'une pluralité de perforations et traversant le gel de silice, ledit tube, après avoir traversé une perforation prévue dans un tamis de retenue du produit déshumidificateur porté par une douille pénétrant dans le tube à sa partie inférieure débou- chant lui-même, à sa partie inférieure, dans un pot de décanta- tion amovible. Selon une autre caractéristique de l'invention, le pot de décantation amovible est vissable sur la partie infé- rieure du tube déshumidificateur et présente intérieurement un épaulement qui, lorsqu'il est mis en place sur ledit déshumidi- ficateur, presse, dans le tube proprement dit de ce dernier, la douille de support du tamis de retenue du produit déshumidi- ficateur, qui est pourvue d'un joint torique d'étanchéité et d'une anse de préhension facilitant son extraction du tube. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en re- gard des dessins annexés qui représentent, schématiquement et simplement à titre d'exemple, un mode de réalisation préféré de l'appareil de production du mélange d'oxygène et d'hydrogène. Sur ces dessins: La Fig. 1 est une vue schématique en élévation de l'ensemble de l'appareil de préparation par électrolyse d'un mélange d'oxygène et d'hydrogène, le dispositif déshumidificateur étant écarté du châssis de l'appa- reil et représenté partie en coupe diamétrale. La Fig. 2 est, à deux échelles différentes, une vue analogue à celle de la figure 1, le déshumidificateur étant re- présenté de façon simplifiée, mais montrant la liaison de ses raccords rapides aux conduites d'entrée et de sortie du mélange gazeux. 4 2652824 La Fig. 3 est une vue de dessus correspondant à celle de la figure 1, le récipient d'électrolyse étant prêt à être utilisé. La Fig. 4 est une vue analogue à celle de la figure 3, le dis- positif étant pourvu de sa poignée de transport. La Fig. 5 est une vue de dessus du récipient d'électrolyse, le reste de l'appareillage étant enlevé. La Fig. 6 est une vue en coupe suivant VI - VI de la figure 5. La Fig. 7 est une vue en coupe suivant VII - VII de la figure 6. La Fig. 8 est une vue en perspective montrant la forme et la disposition réciproque des électrodes. La Fig. 9 est une vue en perspective correspondant à celle de la figure 8 et montrant le montage des électrodes sur un élément cruciforme isolant, l'anode étant placée entre les deux cathodes cylindriques inté- rieure et extérieure. La Fig. 10 est une vue en plan de dessus de l'élément crucifor- me isolant. La Fig. 11 est une vue en coupe verticale axiale de l'élément cruciforme, selon la ligne XI - XI de la figure 10. La Fig. 12 est une vue schématique montrant l'ensemble du sys- tème électrique du dispositif. Comme on peut le voir sur la figure 1, le dispositif de production du mélange d'hydrogène et d'oxygène est constitué par un châssis désigné dans son ensemble par la référence 1, ledit châssis étant essentiellement constitué par une embase 2 pourvue de moyens 3 et 4 de verrouillage rapide dudit châssis sur une assise appropriée. L'embase 2 que comporte le châssis 1 est, dans la forme d'exécution représentée, de forme rectangu- laire et elle supporte un carter cylindrique 5 dans lequel est assujetti le réservoir d'électrolyse 6 pourvu d'un couvercle vissable 7 étanche, lui-même équipé d'un bouchon 8 quart de tour servant au remplissage et pourvu d'une soupape de sécurité non-représentée, du type autocuiseur. Le carter cylindrique 5 comporte des pattes de support pour un tube déshumidificateur désigné dans son ensemble par la référence 9, pour un disposi- tif 10 de mesure de la pression et pour un interrupteur de pression 11 couplé au répartiteur électrique 12. 2652824 On peut voir également, sur à la figure 3 des des- sins, une patte de support 13 pour le déshumidificateur 9. A la partie supérieure du couvercle 7 sont prévus deux embouts 14 et 15. L'embout 14 est relié au dispositif 10 de contrôle de la pression, en l'occurrence un manomètre, par l'intermédiaire d'une conduite 16 aboutissant à un distributeur formé par un raccord en T 17 qui, quant à lui, est relié d'une part au mano- mètre 10 et, d'autre part, à l'interrupteur de pression 11 as- socié qui, en cas de dépassement d'une pression déterminée dans le récipient 7 d'électrolyse, coupe l'alimentation en courant des électrodes depuis le répartiteur électrique 12. Le distri- buteur 17 en T est relié, par un raccord 18, au manomètre 10 supporté par une équerre 19 solidaire d'un étrier 19' fixé au carter cylindrique 5 et supportant l'interrupteur de pression 11, le distributeur 17 en T et le répartiteur électrique 12. Sur la tubulure 16, reliant l'ajutage 14 au distri- buteur 17 en T, est fixée, ainsi qu'on l'a représenté, une poi- gnée de transport 20 comportant deux raccords taraudés 21 et 22 venant respectivement se visser, dans la position de transport de l'appareil représenté à la figure 4, le premier sur l'ajuta- ge ou embout 14 après dévissage de la tubulure 16 et le second sur l'ajutage 15 également débarrassé d'une tubulure 23, non représentée sur la figure i des dessins, mais représentée aux figures 2 à 4, et le reliant, quant à lui, à un raccord rapide 24 servant à l'entrée, dans le déshumidificateur 9, du mélange gazeux produit par les électrodes plongeant dans l'électrolyte contenu dans le récipient 6. A la figure 3, on a représenté en plan l'appareil qui vient d'être décrit en regard de la figure 1. Sur cette fi- gure, on peut voir la plaque de base 2, le couvercle 7 du réci- pient d'électrolyse, le bouchon de remplissage 8, le manomètre , la tubulure 16, l'ajutage 14, l'ajutage 15, et une tubulure souple 23 reliant l'embout 15 au raccord rapide 24 d'introduc- tion du mélange gazeux produit dans le déshumidificateur, dont on ne voit que le couvercle supérieur 25 portant un raccord rapide 26 servant au transfert du mélange déshumidifié. On peut voir également le répartiteur 12 à broches servant au branchement électrique des différents organes de l'appareil, notamment à l'alimentation des électrodes par les bornes 27 et 28 prévues sur le couvercle 7 du récipient. On peut également voir sur cette figure un conducteur 29 pénétrant dans le récipient 6 d'électrolyse et relié à un dispositif, non représenté ici, qui sert à la mesure, par voie électrique, du niveau de l'électrolyte, et dont il sera question plus loin. Sur cette figure 3, la poignée de transport 20 est fixée de manière amovible à la tubulure 16 aboutissant à l'interrupteur à pression 11 visible à la figure 1. La figure 4, analogue dans son ensemble à la figu- re 3, n'en diffère que par le fait que la tubulure 16 ayant été enlevée de l'embout ou ajutage 14 et la tubulure 23 débranchée de l'embout 15, on a, en vue du transport de l'appareil, vissé sur les embouts 14 et 15 les raccords 21 et 22 de la poignée 20 de transport bien visible à droite de la figure 1. L'embout 26 de sortie du déshumidificateur 9, porté par le couvercle 25 de ce dernier, se raccorde à une tubulure 42 destinée à l'évacua- tion du gaz déshumidifié et transmettant ce dernier à un régu- lateur de pression non représenté monté en aval de l'appareil, avant le dispositif à ionisation de flamme alimenté en hydro- gène et en oxygène par l'appareil conforme à l'invention. La figure 5 représente de dessus le récipient 6 pro- prement dit d'électrolyse, tous les autres éléments du disposi- tif étant enlevés. A la figure 6, qui est une vue en coupe axiale sui- vant la ligne VI - VI de la figure 5, on voit le récipient 6, son couvercle 7 avec le bouchon de remplissage 8 et les bornes 27 et 28 électriquement reliées à des tiges conductrices en mé- tal 30 et 31, respectivement, servant à amener le courant aux électrodes. Les électrodes sont cylindriques et coaxiales. L'a- node 32, reliée à la tige 31, est enserrée entre des becs 33 prévus chacun à l'extrémité de chacune des quatre branches d'une pièce cruciforme 34 qui sera décrite plus loin. Les deux cathodes 35 et 36, également coaxiales entre elles, sont élec- triquement reliées par une barrette conductrice 37 de liaison. La cathode 35 externe est reliée à la tige 30 amenant le cou- rant et la cathode interne 36 est enfoncée dans une perforation centrale de la pièce cruciforme 34 d'isolement, en prenant con- tact avec la barrette 37. Entre les deux bornes 27 et 28, fixées sur le cou- vercle 7 du récipient 6 d'électrolyse, pénètre, à travers un alésage étanche dudit couvercle, un câble 29 relié au réparti- teur électrique qui sera décrit plus en détail plus loin. Ce câble 29, à deux conducteurs, coopère avec un flotteur tubulai- re de contact 38, coulissant axialement à la partie inférieure d'une tige 39 le supportant, le contact étant réalisé ou sup- primé par déplacement du flotteur 38 baignant dans l'électroly- te, ledit flotteur fournissant, dès qu'il descend par suite d'une baisse de niveau de l'électrolyte, un signal d'alarme in- diquant que le remplissage doit être complété, en même temps que le courant fourni aux électrodes se trouve également coupé. La figure 7, coupe radiale suivant VII - VII de la figure 6, fait bien ressortir l'élément cruciforme 34 et l'em- placement des électrodes 32, 35 et 36, et des tiges 30 et 31 d'alimentation en courant. La figure 8 est une vue en perspective, ne montrant que le système des électrodes portées par les deux tiges d'ali- mentation en courant 30 et 31, elles-mêmes supportées par le couvercle 7 du récipient 6 d'électrolyse. La figure 9, analogue à celle de la figure 8, montre en perspective la liaison électrique des cathodes à l'aide de la barrette 37 et l'isolement de l'anode sur l'élément cruci- forme 34 possédant une perforation centrale cylindrique 68 dans laquelle vient se loger, en appui contre la barrette conductri- ce de liaison 37, la cathode interne 36. En se reportant à nouveau à la figure 1, et notamment sur sa partie de gauche ou l'on a représenté en détail, en po- sition écartée de son support, le tube déshumidificateur 9, on peut voir que ce dernier est essentiellement constitué par un tube transparent 40, réalisé par exemple en polyméthacrylate de méthyle disponible dans le commerce, notamment sous la dénomi- nation déposée "ALTUGLAS"(R), par un chapeau 25 et par un pot inférieur 41 de décantation. Le chapeau 25 du tube 40 du déshumidificateur proprement dit 9 comporte deux raccords rapides 24 et 26 du type "STAUBLI"(R), qui sont inversés et qui servent l'un à admettre le mélange gazeux à déshumidifier et l'autre à transférer à son utilisation le mélange gazeux déshumififié. En ce qui concerne le tube déshumidificateur, le raccord 24 fixé sur son chapeau 25 est prolongé, à l'intérieur du tube 40,par une tubulure rectiligne 43 de diffusion pourvue de multiples perforations débouchant dans le gel de silice (non représenté sur le dessin) servant à déshumidifier le mélange gazeux introduit par ledit raccord rapide 24. Ce tube 43, après avoir traversé un tamis 44 porté par une douille cylindrique 45 pressée dans le tube 40 par un épaulement que comporte le pot de décantation 41 pourvu d'un taraudage servant à son vissage sur la partie inférieure du tu- be 40, pénètre à l'intérieur dudit pot. La douille 45, montée avec interposition d'un joint torique, comporte elle-même une anse de préhension 46 servant à son extraction du tube 40. Le raccord rapide de sortie du mélange gazeux, dont seule la partie mâle est illustrée à la figure 1, se raccorde (voir figure 2) à la partie femelle correspondante 47 elle-même reliée à une tubulure souple 42 aboutissant à un régulateur de pression non représenté. La figure 12 est une vue schématique, avec arrache- ment partiel, du récipient 6 portant le couvercle 7 avec les bornes 27 et 28 d'alimentation en courant des tiges 30 et 31 respectivement reliées la première à la cathode extérieure 35 et la seconde à l'anode intermédiaire 32. On voit également sur cette figure l'interrupteur à flotteur 38 coulissant sur une tige 39 solidaire d'un élément de support porté par le couver- cle 7 du récipient 6, ledit flotteur 38 assurant en position haute la liaison électrique des fils 48 et 49 aboutissant aux broches 50 et 51 du répartiteur 12 dont les autres broches 52 et 53 sont reliées par des conducteurs 54 et 55 aux contacts 56 et 57 de l'interrupteur 11 à pression. De la borne 50 du répartiteur part également un con- ducteur 58 aboutissant à une broche 59 elle-même reliée à un plot 56. Le plot 60 coopérant avec la broche 59 de l'interrup- teur 11 à pression est relié par un conducteur 61 à une broche 62 du répartiteur 12. Aux broches 63 et 64 du répartiteur 12 sont reliés les conducteurs 65 et 66 délivrant le courant au bornes 28 et 27 d'alimentation des électrodes plongeant dans le récipient 6. Pour des facilités de démontage du couvercle 7 de la cuve 6, le conducteur 29 est interrompu par un raccord électri- que 67 permettant sa déconnexion. Il va de soi que l'appareil de production d'un mé- lange gazeux d'hydrogène et d'oxygène n'a été décrit qu'à titre d'exemple purement explicatif, nullement limitatif, et que di- verses modifications de détail pourraient être apportées à la forme de réalisation indiquée sans que l'on sorte pour autant du domaine de l'invention. C'est ainsi notamment que la disposition réciproque des électrodes pourrait être différente de celle représentée et que l'emplacement mutuel des divers éléments constituant l'ap- pareil pourrait être modifié, les organes et éléments de con- trôle pouvant parfaitement être directement disposés, totale- ment ou en partie, sur le couvercle du récipient d'électrolyse. De même, le câblage électrique pourrait être diffé- rent de celui représenté à titre d'exemple. RE V E N D I C A T I 0 N S 1. Appareil d'électrolyse de l'eau, fournissant un mélange stoechiométrique d'oxygène et d'hydrogène utilisable dans un dispositif d'analyse à ionisation de flamme, caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaison un châs- sis immobilisable sur son assise et supportant le système (6, 7, 32, 35, 36) d'électrolyse, un organe (10) de contrôle de la pression des gaz préparés dans le système d'électrolyse, un or- gane de sécurité (11) arrêtant l'électrolyse en cas de surpres- sion, un organe (38) de surveillance du niveau minimal de l'é- lectrolyte dans le récipient d'électrolyse et arrêtant cette dernière et fournissant un signal d'alarme en cas d'insuffisan- ce de remplissage du récipient (6) d'électrolyse, un disposi- tif (9) de déshumidification des gaz se dégageant du système d'électrolyse et une poignée (20) empêchant toute utilisation de l'appareil lors de son transport. 2. Appareil d'électrolyse de l'eau selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que le récipient (6) contenant l'élec- trolyte supporte les électrodes par son couvercle (7) étanche qui est pourvu d'un bouchon (8) de remplissage et de deux aju- tages ou embouts (14, 15) isolés de l'atmosphère par des rac- cords rapides pouvant être reliés l'un au moyen de contrôle de la pression (10, 11) des gaz libérés dans le réservoir (6) d'électrolyse et l'autre au dispositif déshumidificateur (9) porté par le châssis (1, 2, 5) du dispositif. 3. Appareil d'électrolyse de l'eau selon les revendi- cations 1 et 2, caractérisé par le fait que le dispositif (9) de déshumidifica- tion du mélange des gaz produits est constitué par un récipient tubulaire (40) rempli de gel de silice et obturé à sa partie supérieure par un couvercle (25) étanche supportant deux rac- cords rapides (24, 26) inversés, la partie femelle (24) du rac- cord rapide, servant à l'entrée du mélange gazeux dans le dis- positif déshumidificateur (9), pouvant être reliée à la partie mâle (24') correspondante du raccord, reliée quant à elle, par une tubulure (23) à un des embouts du couvercle (7) du réci- 1l pient (6) d'électrolyse, la partie mâle (26) de l'autre raccord rapide, solidaire du couvercle (25) du récipient de déshumidi- fication du mélange gazeux, étant reliée à la partie femelle correspondante du raccord, qui est reliée, en ce qui la concer- ne, à une tubulure (42) servant au transfert du mélange gazeux hydrogène/oxygène déshumidifié à un dispositif régulateur de pression monté en amont d'un système d'analyse à ionisation de flamme. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la partie femelle (24) du raccord rapide, servant à l'introduction du gaz à déshumidifier, débou- che dans un tube de diffusion (43) pourvu d'une pluralité de perforations et traversant le gel de silice, ledit tube, après avoir traversé une perforation prévue dans un tamis (44) porté par une douille (45) pénétrant dans le tube (40) à sa partie inférieure et supportant le gel de silice, débouchant lui-même, à sa partie inférieure, dans un pot de décantation (41) amovi- ble. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le pot (41) de décantation amovible est vissable sur la partie inférieure du tube (40) du déshumi- * dificateur et qu'il présente intérieurement un épaulement, qui lorsqu'il est mis en place sur ledit déshumidificateur, presse, dans le tube proprement dit (40) de celui-ci, une douille (45) de support du tamis (44) de retenue du produit déshumidifica- teur, ladite douille étant pourvue d'un joint torique d'étan- chéité et d'une anse (46) de préhension facilitant son extrac- tion du tube. 6. Appareil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les électrodes (32, 35, 36), sup- portées par les tiges (30, 31) solidaires des bornes (27, 28) d'alimentation en courant, sont cylindriques. 7. Appareil selon l'une des revendications i à 6, caractérisé par le fait que l'anode (32), reliée à la tige (31) alimentée en courant par la borne (28), est insérée entre deux cathodes également coaxiales (35, 36), qui sont reliées entre elles par une barrette métallique de liaison (37). 8. Appareil selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les électrodes (32, 35, 36) sont montées sur une pièce isolante cruciforme (34) en forme d'étoi- le, dont les branches sont pourvues de becs (33) servant au maintien de l'anode (32). 9. Appareil selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la pièce cruciforme isolante (34) comporte une perforation cylindrique centrale (68) dans laquel- le vient se loger, en appui ferme contre la barrette métallique (37) de liaison, la cathode cylindrique centrale (36). 10. Appareil selon l'une des revendications i à 9, caractérisé par le fait que la pièce cruciforme (34) est emman- chée dans la cavité cylindrique de la cathode externe (35).