Brevet FR2678360A1 — publié le 19921231

i APPAREIL DE CHAUFFAGE AVEC BRULEUR CATALYTIQUE La présente invention concerne un appareil de chauffage, avec brûleur catalytique. Par "appareil de chauffage", on entend de manière générale tout appareil portatif ou non, intégrant ou raccordé à une source de gaz combustible, utilisant la chaleur de combustion produite par le brûleur catalytique à différentes fins, telles que cuisson, chauffage, soudure, génération d'air chaud, frisage des cheveux, etc, et comportant éventuellement d'autres éléments ou organes permettant l'usage dudit appareil pour la fin ou destination retenue, par exemple une panne de soudure, si l'usage retenu pour l'appareil est le soudage. Par "brûleur catalytique", on entend tout ensemble permettant de brûler un gaz combustible, par mélange de ce dernier avec de l'air dit primaire, en amont d'une structure catalytique, combustion sans flamme dudit mélange lors de son passage au travers de la structure catalytique, et évacuation des fumées de combustion par la face aval de cette même structure Un tel brûleur selon l'invention, dit "à air induit", doit être distingué des brûleurs catalytiques dits "à air secondaire", pour lesquels le gaz combustible passe directement au travers de la structure catalytique, et est brûlé sans flamme sur la face aval de ladite structure catalytique, par mélange avec l'air ambiant. Par "structure catalytique" ou "structure de combustion catalytique", on entend toute structure perméable au mélange à brûler, et suffisamment épaisse pour générer une perte de charge lors du passage dudit mélange, de la face amont à la face aval de ladite structure Cette structure s'étend en surface transversalement ou perpendiculairement à la direction de passage du mélange à brûler Cette structure comprend un support inerte vis-à-vis du mélange à brûler, du gaz combustible, et des gaz de combustion,et mécaniquement résistant aux températures élevées générées par la combustion catalytique Ce support est revêtu, au moins sur sa ou ses surfaces internes, directement ou indirectement, par une matière catalytique proprement dite, telle que platine ou sels de platine, catalysant la combustion. Ressortent de la définition précédente, d'une part les structures catalytiques, dites en "nid d'abeille", consistant en une tranche ou un noyau d'un matériau réfractaire tel que céramique, traversé par une pluralité de canaux transversaux adjacents, et d'autre part des structures du type tissu ou tamis catalytique. Conformément au document FR-A-2 621 981, on a décrit un appareil de chauffage du type fer à souder portatif, comprenant: un brûleur catalytique, constitué par un organe d'éjection, tel qu'un injecteur, d'un flux de gaz combustible, un organe tel qu'un venturi, d'admixtion d'air primaire au flux de gaz combustible, pour obtenir un mélange à brûler, une chambre de distribution de ce dernier, et une structure catalytique du type "nid d'abeille", traversée par le mélange, de sa face amont en relation avec la chambre de distribution, à sa face aval évacuant les fumées de combustion et une enveloppe métallique entourant le brûleur catalytique, recevant la chaleur de combustion par conduction, convection des fumées de combustion, et rayonnement, et dissipant la chaleur reçue vers la panne de soudure, pour la consommer à cet endroit en fonction des travaux de soudure effectués. Les brûleurs catalytiques à air induit, y compris celui décrit précédemment, se caractérisent par une forte puissance calorifique spécifique, c'est-à-dire par unité de surface, comprise entre 10 et 100 W/cml. Une telle puissance spécifique importante ne pose pas trop de problèmes, tant que la surface de la structure catalytique demeure relativement faible. Cette puissance devient un obstacle, dès que l'on dépasse une certaine surface de la structure catalytique, en raison de l'échauffement important observé sur l'appareil. Un tel échauffement peut être facilement expliqué pour une structure catalytique circulaire ou cylindrique, ayant une épaisseur constante, par le fait que la puissance calorifique obtenue augmente avec le carré du diamètre, alors que la surface d'échange du brûleur avec les parois et le récepteur thermique consommant la chaleur de combustion augmente avec le diamètre. Cet échauffement est évidemment dommageable à plusieurs titres il diminue la durée de vie de la structure catalytique, composant essentiel de l'appareil de chauffage il oblige à prévoir sur l'appareil différents moyens de protection thermique il entraîne des prises de feu en amont de la structure catalytique, dans la chambre de distribution du mélange à brûler, par exemple. Pour toutes ces raisons, dès que la surface d'une structure catalytique telle que précédemment définie excède une certaine valeur, par exemple cm 2, il devient absolument nécessaire de refroidir le brûleur catalytique. Et tel est l'objet de la présente invention. Après avoir essayé différents moyens de refroidissement s'étant révélés inefficaces, compliqués, ou trop chers, la Demanderesse a abouti à la découverte suivante, supportant la solution retenue selon l'invention. L'appareil s'échauffe principalement en amont de la structure catalytique, parce qu'en fait, dans l'épaisseur de cette dernière et selon la direction de passage du mélange à brûler, il existe un front rayonnant de combustion sans flammes, à proximité immédiate de la face amont de ladite structure catalytique Et le reste de l'épaisseur de la structure catalytique ne sert qu'à parfaire la combustion et évacuer les fumées. Dès lors, tout refroidissement de l'appareil passe par l'évacuation de la chaleur rayonnée par la face amont de la structure catalytique Pour ce faire, l'évacuation par le récepteur thermique de l'appareil, c'est-à-dire la partie qui consomme ou utilise les calories produites par la combustion, disposé classiquement en aval de la structure catalytique apparaît être la meilleure solution. Selon l'invention, tout d'abord on choisit un fonctionnement à l'envers, notamment sens dessus dessous du brûleur catalytique précédemment décrit, en ce que, d'une part le récepteur thermique s'étend en vis-à- vis de la face amont (et non la face aval) de la structure catalytique, selon pratiquement toute la surface de cette dernière, de manière à recevoir l'énergie thermique rayonnée émise par le front rayonnant de combustion de la structure catalytique en fonctionnement Enfin, de son côté le récepteur est choisi, agencé, ou construit pour dissiper, du côté opposé à la face amont de la structure catalytique, au moins 30 % de l'énergie thermique reçue par rayonnement du front rayonnant Préférentiellement, le récepteur thermique est un élément en vitro- céramique Une telle configuration apporte en outre les avantages déterminants suivants. Le mélange à brûler étant introduit dans le brûleur, par le côté aval de la structure catalytique, n'est en relation thermique avec la face amont de cette dernière qu'au dernier moment, c'est-à-dire juste avant sa combustion; dans ces conditions, le mélange à brûler est à température relativement plus basse dans la chambre de distribution, ce qui réduit de manière importante les prises de feu en amont de la structure catalytique. Comme les brûleurs catalytiques sont des brûleurs radiants à température relativement basse, et comme selon la présente invention, le récepteur thermique est disposé en vis-à-vis de la face la plus rayonnante, c'està-dire la face amont, alors un appareil de chauffage selon l'invention présente un bon rendement de combustion. En résumé, la solution selon l'invention permet tout à la fois de diminuer le risque de prise de feu en amont de la structure catalytique, et d'augmenter le rendement du brûleur catalytique, ce qui n'est jamais rencontré pour un brûleur catalytique classique à air induit. Grâce à la configuration selon la présente invention, le récepteur thermique se trouve lui aussi maintenu à un niveau de température raisonnable, par le refroidissement permanent généré par l'arrivée du mélange à brûler contre sa surface interne, en vis-à-vis de la face amont de la structure catalytique Ceci est favorable à la tenue en température du récepteur thermique. Selon l'invention, le récepteur thermique est toute structure ou tout matériau ayant la capacité de: recevoir et absorber la chaleur émise par rayonnement par la face amont de la structure catalytique dissiper cette chaleur reçue, dans la proportion d'au moins 30 %, du côté opposé à la face amont de la structure catalytique, par conduction et/ou transmission de la chaleur absorbée, par exemple vers une charge thermique, telle qu'un récipient à chauffer. De manière particulière, un récepteur thermique réalisé en matériau vitro-céramique répond complètement à ces prescriptions, mais aussi une plaque métallique noircie des deux côtés. La présente invention est maintenant décrite à titre d'exemple non limitatif, par référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure I représente, de manière schématique, une vue en coupe verticale d'un appareil de chauffage selon la présente invention, du type réchaud de cuisson la figure 2 représente une vue en coupe horizontale, selon la ligne I.II de la figure 1, du réchaud de cuisson représenté à la figure 1. L'appareil de chauffage représenté aux figures l et 2 comprend de manière générale, d'une part un brûleur catalytique 1, plus particulièrement décrit ci-après, et un récepteur thermique 2, constitué par une galette circulaire d'une vitro-céramique, ce récepteur consommant au moins une partie de la chaleur générée par le brûleur catalytique 1, et étant disposé pour recevoir une charge thermique sur sa face externe 2 b, par exemple un récipient dans lequel on effectue une cuisson. L'ensemble précédemment décrit est disposé verticalement, le récepteur thermique 2 étant placé au-dessus du brûleur catalytique 1, et la circulation des gaz s'effectuant verticalement, de haut en bas, puis de bas en haut comme décrit ci-après. Le brûleur catalytique 1 comprend ou associe un organe 3 d'éjection d'un flux ou jet de gaz combustible, par exemple un injecteur un organe 4 d'admixtion d'air primaire au flux de gaz combustible, pour obtenir un mélange à brûler, circulant dans un conduit 7, disposé selon l'axe de la galette 2 en vitro-céramique; cet organe d'admixtion consiste simplement en un espace ménagé entre la sortie de l'injecteur 3 et l'entrée du tube 7, de manière à y introduire de l'air primaire, par l'aspiration provoquée par l'éjection du flux de gaz combustible une chambre de distribution 5, ayant la forme d'un cylindre, disposée entre la galette 2, ou récepteur thermique, et la structure catalytique 6 décrite ci- après; cette chambre de distribution communique avec la sortie du tube 7, et permet de répartir le mélange à brûler selon toute la surface de la structure catalytique 6 la structure de combustion catalytique 6, consistant en une galette d'un matériau réfractaire, du type céramique, comportant une pluralité de canaux la traversant de part en part perpendiculairement à sa surface d'extension, et lui conférant une structure du type nid d'abeille; la surface interne des canaux 6 c de cette galette, est revêtue directement ou indirectement avec une matière catalytique de combustion, par exemple du platine; cette galette ou structure catalytique 6 est disposée parallèlement à la galette 2 ou récepteur thermique, de manière coaxiale, et est traversée en son centre par l'extrémité de sortie du tube 7; comme montré par la figure 1, la galette 6 est traversée par le mélange à brûler, de sa face amont 6 a à sa face aval 6 b évacuant les fumées de combustion, c'est-à-dire de haut en bas. Conformément à l'invention, en relation avec le front 10 de combustion catalytique à l'intérieur et à proximité de la face amont 6 a de la structure catalytique 6, le récepteur thermique 2 s'étend en vis-à-vis de la face amont 6 a précitée, selon pratiquement toute la surface de cette dernière, de manière à recevoir l'énergie thermique rayonnée émise par le front rayonnant de combustion de la structure catalytique en fonctionnement A partir de cet agencement, différentes caractéristiques techniques complémentaires, permettent de transférer la chaleur de combustion vers le récepteur thermique 2 et une charge thermique (par exemple une casserole à chauffer) posée du côté extérieur dudit récepteur, par convection et conduction. Un déflecteur 8 des fumées de combustion sortant de la face aval 6 b de la structure catalytique 6 est disposé en vis-à-vis et à distance de cette face aval Ce déflecteur 8, par sa forme montrée à titre d'exemple à la figure 1, associant de l'intérieur vers l'extérieur une partie conique 8 a dirigée vers le bas et une autre partie conique 8 b dirigée vers le haut, permet de renvoyer les fumées du côté de l'amont de la structure 6, et à l'extérieur de la chambre de distribution 5 Ce déflecteur 8 peut être isolé thermiquement vers le bas Les fumées ainsi renvoyées servent à réchauffer la charge thermique présente sur la plaque 2 en vitro-céramique. Ce déflecteur 8 sert également d'écran réflecteur, disposé en vis-à-vis de la face aval 6 b de la structure catalytique 6, pour réfléchir le rayonnement émis par cette face aval, toujours à l'extérieur de la chambre de distribution 5. Pour terminer, le brûleur catalytique I comprend des moyens 9 de circulation en retour des fumées de combustion Ces moyens consistent en une pluralité d'ailettes radiales Il autour du volume cylindrique aplati déterminé par les deux galettes 6 et 2, entre une virole métallique interne 12 et éventuellement une virole métallique externe 13, de manière à ménager entre les ailettes 11 des canaux de circulation Ces ailettes 11 permettent d'extraire de la chaleur de la chambre de distribution 5, pour réchauffer les fumées, et augmenter ainsi l'apport de chaleur par convection à la charge thermique De plus, lorsque les ailettes sont en contact avec la charge thermique, elles lui apportent aussi de la chaleur par conduction. Grâce à ces dispositions conjointes, la chaleur développée par le front de combustion 10, et par conséquent par le brûleur catalytique, se trouve transférée au récepteur thermique 2, et à la charge thermique présente sur ce dernier, principalement par rayonnement entre la face amont 6 a de la structure catalytique 6 et la face interne 2 a du récepteur, mais aussi pour une autre partie par les fumées de combustion qui apportent leur chaleur au récepteur 2 et à la charge thermique, et pxour umedernière partie par conduction métallique entre la structure 6 et le récepteur 2, par exemple dans la masse de la virole métallique 12. La présence du conduit central 7, traversant de part en part la structure catalytique 6, et assurant le passage du mélange à brûler du côté aval au côté amont de la structure précitée, permet de refroidir cette dernière, et d'améliorer sa longévité. Le matériau vitro-céramique du récepteur thermique 2, présentant un coefficient de transmission d'un rayonnement thermique, compris entre 30 et 60 %, apparaît particulièrement bien adapté au but visé, à savoir le refroidissement du côté amont du brûleur catalytique, parce que: la face interne 2 a de la galette 2 absorbe par rayonnement une partie substantielle de la chaleur émise par la face amont 6 a de la structure 6 et du côté opposé 2 b à la face amont 6 a de la structure 6, la galette 2 dissipe et transmet la chaleur reçue par rayonnement, mais aussi par conduction, si une charge thermique est disposée sur la face externe 2 b de cette même galette. L'appareil de cuisson précédemment décrit possède de multiples avantages: sa partie brûleur est étanche, ce qui permet de le faire fonctionner en toute circonstance, par exemple sous la pluie ou par grand vent la structure catalytique est protégée par la galette 2, contre les "coulures" ou chocs accidentels à travers la vitro-céramique, le fonctionnement de la structure catalytique est parfaitement visible et contrôlable par l'utilisateur; si la structure ne s'allume pas, la face amont reste sombre; si une prise de feu se produit, elle peut être détectée par l'utilisateur un allumage piezo-électrique peut être disposée du côté de la face aval 6 b de la structure 6, et de manière non visible de l'utilisateur. Selon une variante de la présente invention, le mélange à brûler peut être introduit par le côté ou sur le pourtour de la structure catalytique, entre cette dernière et le récepteur thermique. REVENDICATIONS 1 Appareil de chauffage comprenant un brûleur catalytique ( 1) et un récepteur thermique ( 2) consommant au moins une partie de la chaleur générée par le brûleur catalytique, ce dernier comprenant un organe ( 3) d'éjection d'un flux de gaz combustible, un organe ( 4) d'admixtion d'air primaire audit flux pour obtenir un mélange à brûler, une chambre de distribution ( 5) dudit mélange, et une structure ( 6) de combustion catalytique, traversée par le mélange, de sa face amont ( 6 a) en relation avec la chambre de distribution ( 5), à sa face aval ( 6 b) évacuant les fumées de combustion, caractérisé en ce que, le front rayonnant ( 10) de combustion sans flammes étant situé en fonctionnement à proximité de la face amont de la structure de combustion catalytique, le récepteur thermique ( 2) s'étend en vis-à-vis de la face amont ( 6 a) de la structure catalytique ( 6), selon pratiquement toute la surface de cette dernière, de manière à recevoir l'énergie thermique émise par le front rayonnant, et ledit récepteur est agencé et construit pour dissiper, du côté opposé ( 2 b) à la face amont ( 6 a) de la structure catalytique, au moins 30 % de l'énergie thermique reçue par rayonnement du front rayonnant. 2 Appareil selon la revendications 1, caractérisé en ce que le récepteur thermique ( 2) est réalisé en matériau vitro-céramique. 3 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un déflecteur ( 8) des fumées de combustion est disposé en vis-à-vis de la face aval ( 6 b) de la structure catalytique ( 6), pour renvoyer lesdites fumées du côté de l'amont de ladite structure, à l'extérieur de la chambre de distribution ( 5). 4 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un écran réflecteur ( 8) est disposé en vis-à-vis de la face aval ( 6 b) de la structure catalytique ( 6), pour réfléchir le rayonnement émis par la face aval ( 6 b) de la structure catalytique, à l'extérieur de la chambre de distribution ( 5). 5 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le brûleur comprend des moyens ( 9) de circulation en retour des fumées de combustion. 6 Appareil selon la revendication 1, du type chauffage radiant, caractérisé en ce que le récepteur thermique ( 2) est agencé et construit pour transmettre par conduction et convection de la chaleur du côté opposé ( 2 b) à la face amont ( 6 a) de la structure catalytique ( 6). 7 Appareil selon la revendication 6, du type gril de cuisson, caractérisé en ce que le récepteur thermique ( 2) est agencé et construit pour rayonner de la chaleur du côté opposé ( 2 b) à la face amont ( 6 a) de la structure catalytique ( 6).