Brevet FR2669712A1 — publié le 19920529

ELEMENT D'ECOULEMENT CONTROLE D'UN FLUIDE, ET ORGANES DE COMMANDE D'UN DEBIT INCORPORANT UN TEL ELEMENT La présente invention concerne de manière générale un élément d'écoulement contrôlé d'un fluide, qu'il s'agisse d'un liquide ou d'un gaz. Par "élément d'écoulement contrôlé d'un fluide", on entend tout moyen permettant fonctionnellement de limiter, calibrer, et de manière générale contrôler le débit d'un fluide circulant d'une zone amont ou entrée, par exemple sous pression relativement haute, à une zone aval ou sortie, par exemple sous pression relativement basse. Il s'agit d'un élément présentant un conduit ayant une certaine longueur, permettant d'obtenir une veine de circulation, et d'éjecter cette dernière selon un jet. La présente invention sera introduite, définie, décrite et argumentée, par référence aux brûleurs et à la combustion d'un gaz combustible, étant entendu qu'elle ne saurait être limitée à ce domaine d'application. Pour des brûleurs de faible puissance calorifique, notamment catalytiques, de l'ordre de O à 150 W, travaillant avec des gaz de pétrole liquéfié comme le butane, il est nécessaire d'utiliser des gicleurs ou injecteurs permettant de contrôler ou calibrer des débits massiques de quelques g/heure. De tels injecteurs requièrent des perçages de l'ordre de quelques centièmes de mm de diamètre. Aujourd'hui, de tels perçages sont aux limites des techniques d'usinage traditionnel, tel qu'alésage, ou irréalisables avec de telles techniques. Il faut donc recourir à d'autres techniques plus évoluées, comme l'usinage laser, beaucoup plus coûteuses; et encore celles-ci ne permettent-elles pas de descendre au-dessous de 0,04 mm pour des injecteurs ou gicleurs métalliques. De telles techniques surenchérissent de toutes façons les coûts de fabrication, et apparaissent a priori ipcompatibles avec des productions ou fabrications en grande série. La présente invention a pour objet un élément d'écoulement contrôlé, tel que défini précédemment, rompant avec les techniques usuelles de réalisation ou fabrication, et permettant ainsi d'en franchir les limites. La présente invention a pour objet un élément d'écoulement contrôlé, permettant d'obtenir des micro-débits d'un fluide, et notamment d'un gaz combustible, et compris entre 0 et 10 g/h. De manière générale, un élément d'écoulement contrôlé selon l'invention comprend au moins deux pièces assemblées l'une sur l'autre, présentant un interface commun d'étanchéité entre deux surfaces de jonction en vis-à-vis, appartenant aux deux pièces respectivement. Et au moins l'une des pièces présente au moins un canal de surface, s'étendant selon l'interface commun, ouvert selon toute sa longueur sur la surface de jonction de la pièce à laquelle il appartient. De cette manière, l'assemblage des deux pièces selon l'interface commun forme un conduit fermé, délimité pour partie par ledit canal de surface, et communiquant de part et d'autre respectivement avec l'entrée et la sortie pour ledit fluide. Par "assemblage" des deux pièces, on entend toute solution traditionnelle ou non, permettant de maintenir ensemble lesdites pièces selon l'interface commun. Il peut s'agir en particulier d'un joint adhésif entre les deux pièces, par exemple dans l'interface commun entre les deux surfaces de jonction en vis-à-vis. La solution selon l'invention ouvre la voie à des conduits ou passages de très faible section, car sur au moins l'une des pièces ou ébauches constituant un élément selon l'invention, le canal de surface peut être obtenu aisément selon toutes techniques usuelles d'enlèvement superficiel de matière, telles qu'abrasion ultrasonore, photogravure, gravure chimique, etc... L'assemblage de la pièce ainsi usinée avec l'autre pièce selon l'interface commun, ou plan de joint, permet ensuite d'obtenir le micro-conduit, sans autre opération particulière ou spécifique. La solution selon l'invention permet aussi d'obtenir des conduits de diamètres compris entre 10 tim et quelques mm. S'agissant de contrôler le débit d'un gaz combustible, la solution selon l'invention permet d'obtenir des débits inférieurs à 1g/h, avec une alimentation en "pression directe", c'est-àdire selon laquelle le gaz sous haute pression alimente directement l'élément d'écoulement contrôlé selon la présente invention. La solution selon la présente invention, mise en oeuvre avec les techniques d'usinage précitées, permet en outre d'obtenir avec une bonne fidélité ou reproductibilité, toutes formes et dimensions nominales choisies pour un canal de surface. La solution selon la présente invention permet une grande souplesse de réalisation, les différents canaux de surface pouvant être obtenus et agencés selon tous circuits appropriés, par les techniques de gravure chimique par exemple. Ainsi, un élément selon l'invention peut être agencé avec plusieurs canaux de surface, en série, en parallèle, se rejoignant, se séparant, etc..., par exemple pour mélanger plusieurs fluides au sein dudit élément. Toutes choses égales par ailleurs, en particulier à hauteur ou encombrement égal de l'élément d'écoulement contrôlé, la solution selon l'invention permet d'obtenir un rapport diamètre/longueur relativement faible. En d'autres termes, pour un même diamètre, la longueur totale du conduit de circulation peut être beaucoup plus longue. Une telle longueur permet de mieux concentrer le débit gazeux circulant dans l'élément, et d'obtenir une vitesse de sortie supérieure, favorable à l'entraînement d'air primaire, en vue d'une combustion par exemple. La présente invention est maintenant décrite par référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente, de manière schématique et en perspective, un élément d'écoulement contrôlé, selon l'invention - la figure 2 représente, en perspective de face, la pièce de l'élément représenté à la figure 1, comportant le canal de surface - la figure 3 représente, de manière schématique et en coupe verticale, un brûleur comprenant un gicleur, lequel incorpore un élément d'écoulement contrôlé selon l'invention - la figure 4 représente, en coupe verticale, et à un stade intermédiaire, une tige composite, dans laquelle peuvent être tronçonnés des éléments d'écoulement contrôlé selon l'invention. Conformément à l'invention, un élément d'écoulement contrôlé référencé (1) comprend deux pièces (2) et (3) assemblées l'une sur l'autre, présentant un interface (4) commun d'étanchéité entre deux surfaces de jonction (2a) et (3a) en vis-à-vis, appartenant aux deux pièces (2) et (3) respectivement. L'une des pièces, à savoir (3), présente un canal (3b) de surface, s'étendant selon l'interface commun (4), ouvert selon toute sa longueur sur la surface de jonction (3a) de la pièce (3). L'assemblage des deux pièces (2) et (3), comme représenté à la figure 1, selon l'interface commun (4), forme un conduit fermé (5), délimité pour une partie par le canal de surface (3b), et pour une autre partie par la surface de jonction (2a) de la pièce (2). Ce canal (5) débouche, de part et d'autre du corps constitué par l'assemblage des pièces (2) et (3), respectivement sur une entrée (5a) et sur une sortie (5b). L'élément représenté aux figures 1 et 2 présente en outre les caractéristiques techniques suivantes - l'interface d'étanchéité (4) est substantiellement plan, grâce à la planéité des surfaces de jonction (2a) et (3a) - l'interface (4) d'étanchéité et le canal de surface (3b) s'étendent d'une extrémité basse de l'élément (1), au niveau de l'entrée (5a) à une extrémité haute, au niveau de la sortie (5b), moyennant quoi c'est le débouché du canal qui forme aux deux extrémités précitées, d'une part l'entrée (5a) et d'autre part la sortie (5b) pour le fluide contrôlé - le canal de surface (3b), et donc le conduit fermé (5) s'étendent selon une ligne droite, correspondant approximativement à l'axe de symétrie du corps (6), constitué par l'assemblage des pièces (2) et (3) - pour l'essentiel, les deux pièces (2) et (3) sont symétriques par rapport à l'interface (4) d'étanchéité, lui-même plan - le corps (6) présente une partie inférieure (6a), de forme parallélipipédique, et une partie supérieure (6b) cylindrique, de section plus faible que la section parallélipipédique - le canal de surface présente une section transversale triangulaire, mais la même section peut être carrée - comme dit ci-après, les deux pièces (2) et (3) peuvent être réalisées en un matériau tel que, métal, alliage métallique, verre, silice et céramique préférentiellement, ce matériau est un verre, comme on le verra ci-après en ce qui concerne les modalités de réalisation. A titre de variante, l'une et l'autre pièces (2) et (3) présentent deux canaux de surface, dont (3b), s'étendant selon l'interface commun (4), en correspondance et adaptés l'un à l'autre, l'assemblage des pièces (2) et (3) selon ledit interface (4) formant un conduit fermé, délimité à la fois par l'un et l'autre canaux de surface. Conformément à la figure 3, on obtient tout d'abord un gicleur (7), comportant une paroi tubulaire (8), à partir d'un élément d'écoulement contrôlé (1), tel que décrit précédemment, monté à l'intérieur de la virole (8), de telle manière que l'entrée (5a) et la sortie (5b) dudit élément soient dirigées vers les deux extrémités de la virole (8), à savoir inférieure et supérieure. L'élément (1) est monté à l'intérieur de la virole (8), de telle manière que le conduit (5) soit disposé approximativement selon l'axe de symétrie de la virole (8). L'élément (1) débouche librement à l'extérieur de la paroi tubulaire (8), par la sortie (5b) du conduit (5).La paroi tubulaire (8) comporte deux parties, à savoir une partie (8a), formant à l'intérieur une chambre d'admission pour le gaz combustible directement sous haute pression, et une partie supérieure rétreinte (8b), à l'intérieur de laquelle est monté et collé un élément (1) selon l'invention. Le gicleur ainsi constitué est monté à l'intérieur d'un tube (9) de brûleur, par l'intermédiaire d'un bouchon (10) obturant son extrémité inférieure et appuyant sur le gicleur (7). Ce tube (9) comporte deux arrivées (9a) d'air primaire, à la sortie (5b) du gicleur, lesquelles forment alors un moyen d'admixtion d'air primaire au jet de gaz combustible éjecté par le gicleur (7). Le même tube (9) comporte par ailleurs un orifice de sortie (9b) du mélange gaz combustible/air primaire, dans lequel se forme la flamme de combustion. Comme non représenté, bien d'autres organes ou dispositifs peuvent être obtenus avec un élément d'écoulement contrôlé (1) selon l'invention, tels que vannes ou robinets par exemple. Pour obtenir un élément tel que décrit par référence aux figures 1 et 2, on part d'une plaque de verre du type miroir argenté, car il s'agit d'un matériau présentant en général une très bonne planéité, et une faible rugosité de sa surface libre. Cette plaque est tout d'abord découpée avec une scie à disque diamanté en bandes, puis en morceaux de forme carrée. La moitié de ces morceaux est soumise à un usinage par ultrasons, avec un outil approprié fixé sur une sonotrode, de manière à obtenir sur lesdits morceaux ainsi usinés un canal de surface tel que (3b) (cf. figure 2), de quelques microns de profondeur. Les morceaux ou pièces comportant un canal de surface sont ensuite assemblés par collage avec ceux ne comportant aucun canal, pour obtenir un corps ou ébauche de forme parallélipipédique comportant un conduit (5) de part en part.Le corps ainsi obtenu est ensuite soumis à un détourage, toujours par usinage par ultrasons, de manière à obtenir la partie cylindrique (6b) selon figure 1. L'élément ainsi obtenu peut être emmanché dans un tube de laiton, par sa partie cylindrique (6b), pour obtenir un injecteur ou gicleur tel que représenté à la figure 3. Conformément à la figure 4, on obtient des éléments selon l'invention par une autre technique, et en partant de joncs ou tiges de verre. Celles-ci sont alors posées de manière adjacente sur un support plan approprié, et fixées sur ce dernier par un collage temporaire, par exemple avec une colle fondant à une température de l'ordre de 80 C. L'empilement horizontal ainsi obtenu est ensuite rectifié, rodé et pôli, jusqu'à obtenir une surface unique plane, située à mi-hauteur du diamètre d'une tige ou jonc unitaire. Pour un jonc sur deux, on procède ensuite comme précédemment à l'usinage d'un canal de surface, s'étendant et situé dans l'axe de chaque jonc, ainsi usiné. On décolle les joncs de leurs supports plan, pour obtenir d'une part des demijoncs semi-cylindriques, comportant selon leur axe un canal de surface, et des demi-joncs sans canal de surface. Les premiers sont alors assemblés avec les seconds par collage, pour obtenir ainsi des joncs reconstitués, présentant d'une extrémité à l'autre un conduit à canal de surface. Conformément à la figure 4, chaque jonc ainsi reconstitué (21) est emmanché et introduit dans un tube métallique décolleté (21), avec collage au four. Grâce à des lignes circulaires (21a) de pré-tronçonnage, et par découpage selon ces lignes, il est possible d'obtenir des gicleurs ou injecteurs conformes à l'invention. Comme déjà dit, les canaux de surface peuvent être obtenus également par usinage chimique, selon les techniques déjà employées, en ce qui concerne la gravure de disques de silicium ou de quartz, pour des réalisations en micro-électronique. REVENDICATIONS 1 - Elément d'écoulement contrôlé d'un fluide, notamment pour l'obtention de débits relativement faibles dudit fluide, comprenant au moins une entrée (5a) pour ledit fluide à contrôler, et au moins une sortie (5b) pour le fluide contrôlé, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux pièces (2,3) assemblées l'une sur l'autre, présentant un interface (4) commun d'étanchéité entre deux surfaces (2a,3a) de jonction en vis-à-vis, appartenant aux deux pièces respectivement, et au moins l'une (3) des pièces présente au moins un canal (3b) de surface, s'étendant selon l'interface commun, ouvert selon toute sa longueur sur la surface de jonction de la pièce à laquelle il appartient, l'assemblage des deux pièces selon l'interface commun formant au moins un conduit (5) fermé, et délimité pour partie par ledit canal de surface, et communiquant de part et d'autre respectivement avec l'entrée et la sortie pour ledit fluide. 2 - Elément d'écoulement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une et l'autre pièces (2) et (3) présentent deux canaux de surface, s'étendant selon l'interface (4) commun, en correspondance et adaptés l'un avec l'autre, l'assemblage des deux pièces selon ledit interface formant un conduit fermé, délimité par lesdits canaux de surface. 3 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interface (4) commun d'étanchéité est plan. 4 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interface (4) commun d'étanchéité et le canal (3b) de surface s'étendent d'une extrémité à une autre extrémité des deux pièces assemblées l'une sur l'autre, moyennant quoi le conduit fermé débouche aux deux extrémités respectivement, pour former l'entrée (5a) et la sortie (5b) respectivement pour ledit fluide. 5 - Elément selon la revendication 3, caractérisé en ce que le canal (3b) de surface et donc le conduit (5) fermé s'étendent selon une ligne droite. 6 - Elément selon les revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le canal de surface (3b) et donc le conduit fermé (5) s'étendent approximativement selon un axe de symétrie des deux pièces assemblées. 7 - Elément selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux pièces (2) et (3) sont symétriques par rapport à l'interface (4) plan d'étanchéité. 8 - Elément selon la revendication 7, caractérisé en ce que les deux pièces (2) et (3) forment ensemble un corps (6) présentant une partie cylindrique. 9 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal de surface (3b) présente une section triangulaire ou carrée. 10 - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière constitutive des deux pièces (2) et (3) est choisie parmi les matériaux suivants, à savoir métal, alliage métallique, verre, silice, et céramiques. 11 - Gicleur (7) comprenant un élément (1) d'écoulement contrôlé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, ainsi qu'une paroi (8) tubulaire, caractérisé en ce que ledit élément d'écoulement est monté à l'intérieur d'une virole (8), de telle manière que l'entrée (5a) et la sortie (5b) de l'élément d'écoulement contrôlé soient dirigées vers les deux extrémités de la virole respectivement. 12 - Gicleur selon la revendication 11, avec un élément d'écoulement selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit élément (1) d'écoulement est monté à l'intérieur de la virole (8), de telle manière que le conduit (5) soit disposé approximativement selon l'axe de symétrie de la virole. 13 - Gicleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que la sortie de l'élément (1) d'écoulement contrôlé débouche librement à l'extérieur de la virole (8). 14 - Brûleur comprenant un gicleur selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen (9a) d'admixtion d'air primaire au jet de gaz combustible éjecté par le gicleur, et un orifice de sortie (9b) du mélange gaz combustible/air primaire, dans lequel se forme la flamme. 15 - Organe de contrôle d'un débit fluide, du type vanne ou robinet, incorporant un élément d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.