Brevet FR2722705A1 — publié le 19960126

La présente invention concerne un dispositif de mélange air/gaz, destiné à alimenter en mélange comburant/carburant un brûleur à prémélange total, par exemple un brûleur de chaudière ou de chauffe-eau. En sortie d'un tel dispositif, le mélange doit avoir une composition volumique air/gaz constante, quel que soit le débit gazeux sortant. Pour éviter la formation d'oxyde d'azote, le mélange contient un excès d'air par rapport aux proportions stoechiométriques. Pour réaliser un tel mélange, il est connu de faire converger l'une vers l'autre deux canalisations, I'une d'air, I'autre de gaz, chacune comportant une vanne permettant la régulation du débit. Les deux vannes sont reliées entre elles, de telle sorte que la variation de l'ouverture d'une vanne entraîne la variation d'ouverture de l'autre vanne dans les mêmes proportions. Dans un tel système, I'énergie de mélange varie en fonction de l'ouverture des vannes. Lorsque le débit est faible, I'énergie de mélange est faible et le mélange obtenu n'est pas homogène. Ce mauvais mélange est dû aussi au fait que la vitesse des gaz chute lors du passage dans les vannes. II est alors connu d'accélérer le gaz et l'air, dans la zone de rencontre de ceux-ci, juste à la sortie des vannes. Ce dispositif est compliqué, car, pour obtenir une bonne régulation, il est nécessaire d'installer un analyseur d'oxygène sur le dispositif. Le but de l'invention est alors de fournir un dispositif de mélange air/gaz bon marché, fiable, facile à commander et qui fournit un mélange air/gaz homogène, dont la proportion air/gaz est constante quel que soit le débit de mélange. A cet effet, le dispositif qu'elle propose comporte deux canalisations, I'une pour l'air, I'autre pour le gaz, chacune étant équipée d'une vanne de régulation de débit. Selon l'invention, I'air et le gaz sont maintenus à pression constante par un dispositif régulateur de pression, les débits respectifs d'air et de gaz sont réglés essentiellement en fonction de la section de passage laissée ouverte par chaque vanne de régulation de débit, et la vanne de régulation de débit d'air et la vanne de régulation de débit de gaz sont montées coaxialement, soit de façon concentrique, soit avec un faible décalage axial. Le débit d'un fluide dans une canalisation dépend de la section de passage du fluide et de la pression qui est liée à la vitesse du fluide. Ici, pour faire varier le débit, contrairement aux mélangeurs connus, la pression est maintenue constante et seule la section de passage du fluide varie. Ainsi, la vitesse d'écoulement du fluide reste constante et même pour de faibles débits, le mélange air/gaz peut s'effectuer dans de bonnes conditions, car l'énergie de mélange est suffisante. Le montage co-axial des vannes de régulation de débit d'air et de gaz permet d'obtenir un dispositif ne nécessitant pas de joint d'étanchéité sur les pièces mobiles et permet donc d'avoir des pièces plus simples à fabriquer. Le coût du dispositif est donc réduit. Selon une forme d'exécution d'un tel dispositif, la canalisation destinée à l'alimentation en gaz est une canalisation cylindrique tubulaire, à l'extrémité aval de laquelle est montée la vanne de régulation de débit de gaz et sur laquelle, à proximité de cette extrémité, est monté le clapet de la vanne de régulation de débit de l'air. Pour obtenir un meilleur mélange de l'air avec le gaz en évitant en même temps tout risque d'échappement de gaz ou de mélange air/gaz en amont des clapets, les flux d'air et de gaz s'écoulent dans le même sens, et les sièges des vannes de régulation de débit de l'air et du gaz sont des surfaces coniques, I'une étant convergente dans le sens de l'écoulement, I'autre étant divergente, de telle sorte qu'à la sortie des vannes de régulation, les flux d'air et de gaz convergent l'un vers l'autre. Pour réguler la pression de l'air et du gaz, il est possible d'utiliser un régulateur de pression, tel par exemple un régulateur à membrane, ou tout autre type de régulateur connu. Avantageusement cependant, le dispositif de régulation de pression pour l'air est une vanne trois voies, placée sur l'alimentation en air du dispositif, dont la première voie est reliée à l'alimentation en air, la seconde voie est constituée par la vanne de régulation de débit d'air, et la troisième voie est constituée par une vanne d'échappement d'air, dont l'ouverture varie en sens inverse de celle de la vanne de régulation d'air. Une forme d'exécution préférentielle de cette vanne trois voies prévoit que la vanne d'échappement d'air est disposée coaxialement à la vanne de régulation de débit d'air, de l'autre côté de l'alimentation en air, et que le clapet de la vanne d'échappement est solidaire du clapet de la vanne de régulation du débit d'air. Pour que les proportions du mélange restent constantes quel que soit le débit de fluide en sortie de mélangeur, il faut que le débit d'air soit toujours proportionnel, dans un même rapport, au débit de gaz. Pour que cette condition soit réalisée, il faut que le rapport de la course du clapet et du diamètre de celui-ci soit le même pour les deux clapets. Selon l'invention, les clapets des vannes de régulation de débit d'air et de gaz sont reliés mécaniquement, et le rapport des déplacements des clapets des vannes de régulation de débit d'air et de gaz est égal au rapport des diamètres de ces clapets. Dans un tel mélangeur, plusieurs possibilités existent pour commander simultanément l'ouverture et la fermeture des deux clapets. L'invention propose deux modes de réalisation préférentiels. Dans la première forme d'exécution, les deux clapets des vannes de régulation de débit d'air et de gaz sont des pièces taraudées, le rapport des pas de vis de ces taraudages de ces clapets est égal au rapport des diamètres de ces clapets, et ces deux clapets sont reliés mécaniquement, de telle sorte que l'entraînement en rotation de l'un entraîne l'autre en rotation dans un rapport 1:1. Dans cette forme d'exécution, avantageusement, le pas de vis du taraudage du clapet de la vanne de régulation du débit d'air est tel qu'un quart de tour suffit pour amener ce clapet de sa position fermée à sa position d'ouverture maximale. Ainsi, le dispositif de mélange peut être commandé par un système adapté à un moteur de régulation du type moteur quart de tour. Dans la seconde forme d'exécution, les deux clapets des vannes de régulation de débit d'air et de gaz sont montés coulissant le long d'un même axe et sont reliés entre eux par un levier comportant un point fixe et tel que le rapport des distances des points de liaison du levier avec les clapets est égal au rapport des diamètres des clapets. Dans tous ces dispositifs, I'alimentation en air est de préférence assurée par un ventilateur placé en amont dans la conduite d'alimentation en air, et un échangeur de chaleur air/gaz est placé dans le flux d'aspiration du ventilateur. Ainsi, le gaz et l'air sont admis dans le dispositif mélangeur à une même température et les proportions du mélange sont mieux respectées. Pour compenser d'éventuelles fluctuations de la pression d'air, dues par exemple à des variations de la tension d'alimentation du ventilateur, il est souhaitable que la pression du gaz soit asservie à la pression d'air. De toute façon, I'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, deux formes d'exécution d'un dispositif de mélange air/gaz selon l'invention Figure 1 est une vue en coupe longitudinale représentant une première forme d'exécution d'un mélangeur selon l'invention; Figure 2 est une vue en coupe longitudinale représentant une seconde forme d'exécution d'un tel mélangeur. Le dispositif de mélange air/gaz représenté sur la figure 1 comporte une canalisation pour l'arrivée du gaz 1 à l'extrémité de laquelle se trouve une première vanne 2, une arrivée d'air 3 obturée par une seconde vanne 4 et un boîtier 5 dans lequel se trouvent ces divers éléments. La canalisation 1 pour le gaz se situe au centre du boîtier 5. L'extrémité aval de cette canalisation est chanfreinée sur son bord intérieur, de façon à présenter une surface inclinée servant de siège 2a au clapet 2b de la vanne pour le gaz 2, qui présente une surface de forme complémentaire à la surface 6. La vanne de gaz 2 se situe à l'extérieur de la canalisation 1 de gaz, sur l'axe de celle-ci et juste à son extrémité. Son clapet 2b présente un taraudage 9 borgne débouchant du côté de la canalisation 1 de gaz. Une vis 7 coopère avec le taraudage du clapet 2b. Sa tête est bloquée à l'intérieur de la canalisation 1 de gaz. Afin de ne pas obstruer le passage du gaz, des évidements 8 sont prévus dans cette tête de vis pour laisser passer le gaz. La seconde vanne 4 pour l'air est montée coaxialement à la première vanne 2. Le clapet 4b de cette seconde vanne 4 est monté sur la canalisation de gaz 1, à proximité de l'extrémité de celle-ci. Le clapet pour l'air 4b présente un taraudage 10 coopérant avec un filetage réalisé sur la surface extérieure de la canalisation de gaz 1. Ce second clapet 4b coopère avec une surface inclinée 4a réalisée sur une nervure annulaire 12 à l'intérieur du boîtier 5. La surface inclinée 2a est une surface conique divergente dans le sens de l'écoulement des gaz. La surface inclinée 4a, servant de siège à la vanne de régulation du débit d'air 4 est quant à elle également conique, mais elle est convergente dans le sens de l'écoulement de l'air. Ainsi, en sortant de chaque vanne 2 et 4, les flux de gaz et d'air convergent l'un vers l'autre. L'angle au sommet des cônes des surfaces coniques 2a et 4a est d'environ 900. Ainsi, les flux d'air et de gaz convergent l'un vers l'autre sous un angle d'environ 900, ce qui est très favorable pour obtenir un bon mélange. Le second clapet 4b est monté sur une extrémité d'un manchon taraudé cylindrique 13, à l'autre extrémité duquel se trouve un troisième clapet 14. La pièce constituée par les deux clapets 4b et 14 et le manchon 13 a une forme rappelant un diabolo. Ce troisième clapet 14 coopère également avec une surface inclinée 15, qui est montée mobile à l'intérieur du boîtier 5. Lorsqu'il s'ouvre, le second clapet 4b se ferme, et réciproquement. L'arrivée d'air 3 est ménagée dans le boîtier 5 entre les deux clapets 4b et 14. L'alimentation en air se fait grâce à un ventilateur (non représenté). Le réglage de la position de la surface inclinée 15 à l'intérieur du boîtier permet de déterminer le point de fonctionnement du ventilateur, et ainsi de régler la pression de l'air. L'alimentation en air 3, la vanne de régulation de débit d'air 4 et la vanne formée par le clapet 1 4 et le siège 15, appelée aussi vanne d'échappement, constituent une vanne trois voies permettant de réguler la pression d'air et de la maintenir constante. La liaison entre le clapet 14 de la vanne d'échappement et le clapet 4b de la vanne de régulation de débit d'air, telle que la vanne d'échappement s'ouvre lorsque la vanne de régulation de débit d'air se ferme -et inversement- permet de maintenir la pression de l'air au niveau de la vanne de régulation de débit d'air constante. Quant à la pression du gaz, elle est régulée par un régulateur de pression à membrane (non représenté). Une prise d'air (non représentée) au niveau de l'arrivée d'air 3 permet d'asservir de manière connue la pression du gaz à la pression de l'air, pour compenser d'éventuelles fluctuations de la pression d'air dues à des variations de la tension d'alimentation du ventilateur par exemple. La commande du débit de fluide sortant du dispositif de mélange s'effectue à l'aide d'une tige de commande 16 fixée sur le troisième clapet 14. Ce dernier ne formant qu'une seule pièce avec le second clapet 4b, la tige de commande 1 6 commande directement le clapet 4b pour l'air. Le clapet 2b pour le gaz est muni d'un disque 17 perpendiculaire à l'axe du clapet 2b pour le gaz. Ce disque 17 présente au moins une encoche prévue pour le logement d'une tige 18 s'étendant parallèlement à l'axe des clapets et fixée au clapet 2b pour le gaz. Ainsi, lorsque la tige de commande 16 est actionnée, entraînant le troisième clapet 14 en rotation autour de l'axe des clapets d'un angle a, les deux autres clapets 2b, 4b sont également entraînés en rotation autour du même axe d'un même angle c. Les second et troisième clapets 4b, 14 étant solidaires, lors de la rotation d'angle a ils se déplacent axialement d'une même course L puisqu'ils sont montés à l'aide d'un pas de vis sur la canalisation fixe de gaz 1. Le taraudage 10 des clapets 4b et 14 est tel que lorsque ceux-ci effectuent un quart de tour, le clapet 4b pour l'air passe de la position fermée à la position d'ouverture maximale. La tige de commande 16 peut alors être commandée par un moteur de régulation quart de tour (non représenté). Le taraudage 9 du premier clapet 2b pour le gaz est tel que, pour une rotation du clapet 2b autour de l'axe d'un angle a, le déplacement axial induit est I. Le rapport des déplacements I et L est égal au rapport des diamètres des clapets pour le gaz (2b) et pour l'air (4b). De cette façon, le déplacement des clapets est proportionnel aux diamètres des clapets et la proportion air/gaz dans le mélange résultant est constante. Pour le cas où le gaz et l'air risquent d'être à des températures différentes, un échangeur de chaleur air/gaz (non représenté) est placé dans le flux d'aspiration du ventilateur. Le dispositif de mélange air/gaz représenté à la figure 2 reprend pour l'essentiel les éléments du dispositif représenté à la figure 1 et décrit ci-dessus. Seules les différences entre ces deux dispositifs seront décrites ci-après. La pièce constituée par les second et troisième clapets 4b, 14 et le manchon 13 n'est pas taraudée, mais simplement montée glissante sur la canalisation de gaz 1. Cette dernière n'est donc pas filetée. Le clapet 2b pour le gaz reste identique. II comporte un taraudage dont le pas est dans le cas présent indifférent, dans lequel est vissé la vis 7. Cependant, la tête de vis n'est pas bloquée dans la canalisation de gaz 1, mais montée coulissante dans celle-ci afin de guider le clapet 2b pour le gaz lors de son ouverture et de sa fermeture. Le système de commande de l'ouverture des clapets 2b, 4b, 14 est différent de celui représenté à la figure 1. Ce système comporte la tige de commande 16 fixée sur le troisième clapet 14. Cette tige 16 commande les clapets 4b, 14 non plus par un mouvement de rotation, mais de translation. Ces deux clapets 4b, 14 coulissent alors sur la canalisation de gaz 1. Ce mouvement de translation est transmis au clapet 2b pour le gaz par l'intermédiaire d'un levier 19, mobile en rotation autour d'un point fixe 20, solidaire de la canalisation de gaz 1 et reliée à celle-ci par un bras 21. Les extrémités du levier 1 9 sont pourvues de rotules 22 venant en prise dans des logements 23 solidaires l'un du clapet 2b pour le gaz, I'autre du clapet 4b pour l'air. Le logement 23 solidaire de ce dernier clapet 4b est ménagé sur un bras 24 fixé au clapet 4b pour l'air. Le rapport des distances du point fixe 20 au centre des rotules 22 est égal au rapport des diamètres des clapets 2b, 4b pour l'air et le gaz. Ainsi, les déplacements de ces clapets 2b et 4b pour le gaz et l'air sont proportionnels aux diamètres de ces clapets et les proportions du mélange obtenu sont constantes. Les deux dispositifs de mélange air/gaz décrits ci-dessus comportent des pièces qui sont simples à fabriquer. Leur montage est simplifié par le fait qu'aucun joint n'est nécessaire sur les pièces mobiles. Ces dispositifs permettent un très bon mélange de l'air et du gaz. Les surfaces inclinées des sièges de vanne 2a, 4a sont orientées de telle sorte que les vitesses de sortie du gaz et de l'air sont perpendiculaires, favorisant ainsi le mélange. En outre, les vitesses d'injection sont élevées et constantes, permettant ainsi d'avoir une énergie de mélange élevée. L'air et le gaz s'écoulant parallèlement dans le même sens, il n'y a pas de risque d'échappement de gaz ou de mélange vers l'amont. Enfin, grâce au système de vanne à trois voies formée par l'arrivée d'air 3 et les deux clapets 4b et 14, la pression de l'air est maintenue constante, sans qu'il soit nécessaire de prévoir un système de variation de vitesse pour le ventilateur. Comme il va de soi, I'invention ne se limite pas aux deux seules formes d'exécution décrites ci-dessus à titre d'exemples, elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mélange air/gaz comportant deux canalisations, I'une pour l'air, I'autre pour le gaz (1), chacune étant équipée d'une vanne (4, 2) de régulation de débit, caractérisé en ce que l'air et le gaz sont maintenus à pression constante par un dispositif régulateur de pression, en ce que les débits respectifs d'air et de gaz sont réglés essentiellement en fonction de la section de passage laissée ouverte par chaque vanne de régulation de débit (2, 4), et en ce que la vanne de régulation de débit d'air (4) et la vanne de régulation de débit de gaz (2) sont montées coaxialement, soit de facon concentrique, soit avec un faible décalage axial. 2. Dispositif de mélange air/gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la canalisation (1) destinée à l'alimentation en gaz est une canalisation cylindrique tubulaire, à l'extrémité aval de laquelle est montée la vanne de régulation de débit de gaz (2) et sur laquelle, à proximité de cette extrémité, est monté le clapet (4b) de la vanne de régulation de débit de l'air (4). 3. Dispositif de mélange air/gaz selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les flux d'air et de gaz s'écoulent dans le même sens, et en ce que les sièges des vannes de régulation de débit de l'air (4a) et du gaz (2a) sont des surfaces coniques, I'une étant convergente dans le sens de l'écoulement, I'autre étant divergente, de telle sorte qu'à la sortie des vannes de régulation (4, 2), les flux d'air et de gaz convergent l'un vers l'autre. 4. Dispositif de mélange air/gaz selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de régulation de pression pour l'air est une vanne trois voies, placée sur l'alimentation en air (3) du dispositif, dont la première voie est reliée à l'alimentation en air, la seconde voie est constituée par la vanne de régulation de débit d'air (4), et la troisième voie est constituée par une vanne d'échappement d'air (14, 15), dont l'ouverture varie ne sens inverse de celle de la vanne de régulation d'air. 5. Dispositif de mélange air/gaz selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les clapets (4b, 2b) des vannes de régulation de débit d'air et de gaz sont reliés mécaniquement, et en ce que le rapport des déplacements des clapets (4b, 2b) des vannes de régulation de débit d'air et de gaz est égal au rapport des diamètres de ces clapets (4b, 2b). 6. Dispositif de mélange air/gaz selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux clapets (4b, 2b) des vannes de régulation de débit d'air et de gaz sont des pièces taraudées, en ce que le rapport des pas de vis de ces taraudages (10, 9) de ces clapets est égal au rapport des diamètres de ces clapets, et en ce que ces deux clapets (4b, 2b) sont reliés mécaniquement, de telle sorte que l'entraînement en rotation de l'un entraîne l'autre en rotation dans un rapport 1:1. 7. Dispostif de mélange air/gaz selon la revendication 6, caractérisé en ce que le clapet (4b) de la vanne de régulation de débit d'air, est montée sur la canalisation (1) d'alimentation en gaz, dont la surface extérieure comporte un filetage. 8. Dispositif de mélange air/gaz selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le pas de vis du taraudage (10) du clapet (4b) de la vanne de régulation du débit d'air (4) est tel qu'un quart de tour suffit pour amener ce clapet (4b) de sa position fermée à sa position d'ouverture maximale. 9. Dispositif de mélange air/gaz selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux clapets des vannes de régulation de débit d'air (4b) et de gaz (2b) sont montés coulissant le long d'un même axe et sont reliés entre eux par un levier (19) comportant un point fixe (20) et tel que le rapport des distances des points de liaison du levier avec les clapets est égal au rapport des diamètres des clapets. 10. Dispositif de mélange air/gaz selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un ventilateur permettant l'alimentation en air du dispositif est placé en amont dans la conduite d'alimentation en air, et en ce qu'un échangeur de chaleur air/gaz est placé dans le flux d'aspiration du ventilateur. 11. Dispositif de mélange air/gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que la vanne d'échappement (14, 15) est disposée coaxialement à la vanne de régulation de débit d'air (4), de l'autre côté de l'alimentation en air (3), le clapet (14) de la vanne d'échappement étant solidaire du clapet (4b) de la vanne de régulation de débit d'air (4).