Brevet FR2774453A1 — publié le 19990806

La présente invention concerne un appareil à combustion d'un gaz combustible, notamment réchaud de cuisson, appareil de chauffage, d'éclairage, soudage, etc... La Demanderesse fabrique et vend sous les marques MAX XTREME , XPEDITIONw et XPERTw une gamme de réchauds de cuisson portatifs pour une activité de plein air du type camping ou randonnée. Les brûleurs de tels réchauds sont alimentés en phase liquide, à partir d'un récipient sous pression du gaz combustible. Le gaz combustible en phase liquide passe en phase gazeuse au sein du réchaud. De tels appareils comprennent de manière générale - un corps métallique, relativement massique, formant puits thermique, dans lequel est ménagé un chemin d'écoulement depuis une entrée d'alimentation dudit gaz combustible sous pression, jusqu'à une sortie d'évacuation de ce dernier en phase gazeuse - un organe de contrôle formant également puits thermique, à savoir un robinet, du débit dudit gaz combustible, préférentiellement en phase liquide, circulant dans le chemin d'écoulement précité ; cet organe de contrôle est séparé de et relié au corps métallique par un conduit flexible - un organe d'admixtion d'air primaire avec un flux du gaz combustible en phase gazeuse, obtenu à la sortie d'évacuation en phase gazeuse, pour obtenir un mélange à brûler - un brûleur du mélange à brûler thermiquement solidaire du corps métallique. Par "relativement massique", on entend le fait que la masse du corps métallique est plus importante que celle strictement nécessaire pour obtenir par évidement le chemin d'écoulement du gaz combustible. Par "puits thermique", on entend la propriété selon laquelle le corps métallique est susceptible de stocker de la chaleur, de par sa masse, notamment par échange thermique avec l'atmosphère ambiante. Par "thermiquement solidaire", on entend toute disposition selon laquelle le brûleur est susceptible d'échanger de la chaleur avec le corps métallique, principalement par conduction et/ou rayonnement ; une telle disposition peut consister à monter le brûleur directement sur le corps métallique. Si les appareils précités donnent toute satisfaction, leurs performances lors de leur allumage peuvent être améliorées, à basse température, par exemple jusqu'à -5 OC, et/ou avec un gaz combustible comportant une fraction hydrocarbonée légère relativement importante, par exemple un mélange 60/40 butane/propane. En effet, dans ces circonstances, la vaporisation incomplète du gaz combustible peut affecter la performance desdits appareils, et entraîner l'apparition d'une flamme molle Conformément au document EP-A-O 703 409, on a proposé, pour ce type d'appareil, d'améliorer la vaporisation, en prévoyant et disposant une boucle de vaporisation, branchée sur le chemin d'écoulement du gaz combustible, disposée sur et à l'extérieur du corps métallique, s'étendant au voisinage du brûleur, et en relation d'échange thermique avec ce dernier. Une telle disposition ne peut améliorer substantiellement la vaporisation qu'en fonctionnement, et non au démarrage ou allumage de l'appareil. Pour un appareil alimenté en gaz combustible en phase liquide, la présente invention a pour objet une disposition permettant d'améliorer le taux de vaporisation du gaz combustible, en particulier lors du démarrage ou allumage du réchaud. Conformément à un aspect de l'invention, l'organe de contrôle consiste en un détendeur, au moins pour partie intégré dans le corps métallique, comprenant une chambre d'admission du gaz combustible en phase liquide sous haute pression, et une chambre d'évacuation dudit gaz sous basse pression, au moins partiellement en phase gazeuse, ménagées dans le corps métallique, ainsi qu'un clapet disposé en majeure partie au sein dudit corps métallique. Par un protocole expérimental adéquat, et pour un débit du gaz combustible (mélange butane/propane 60/40) de l'ordre de 240g/h, à -5 C, on a montré que grâce à l'invention, et toutes choses égales par ailleurs, le phénomène de "f laring", explicité précédemment, est évité, ou en tout cas, limité de manière acceptable. Conformément à un autre aspect de l'invention, et de manière avérée au plan expérimental, deux avantages inattendus sont également apportés. Tout d'abord, un autre phénomène dit de "f ogging" consécutif à la combustion d'un gaz combustible alimenté en phase liquide, se trouve limité, dans certaines circonstances, lorsque la pression du gaz combustible en phase liquide augmente de manière importante, et que ledit gaz peut se trouver évacué du brûleur sous forme pulvérisée, c'est à dire sous la forme d'une suspension de gouttelettes dans une phase gazeuse. C'est le phénomène dit de "jogging", qui peut perturber de manière importante le fonctionnement du brûleur. Conformément à un aspect de l'invention, le phénomène précité disparaît quasiment, ou en tout cas se trouve contenu dans des limites acceptables. Conformément à un autre aspect de l'invention, un fonctionnement relativement stable ou constant est obtenu, lorsque le débit du gaz combustible est relativement faible, et que le chaleur transférée du brûleur vers le corps métallique demeure limitée. Conformément encore à un autre aspect de l'invention, le détendeur comporte un clapet de type amont, c'est à dire un obturateur disposé dans la chambre d'admission, rappelé vers un siège. Grâce à cette disposition, le fonctionnement du brûleur est amélioré pour deux raisons - toute augmentation de la pression dans la chambre d'admission, entraîne une diminution relative de la pression détendue dans la chambre d'évacuation, ce qui permet une auto-régulation de l'appareil - et toute surpression du gaz combustible en phase liquide provoque la fermeture du clapet du détendeur, et donc de ce dernier ; on détermine en particulier le détendeur pour fixer la surpression de fermeture à une valeur inférieure à la pression de déformation du récipient à usage unique. La solution selon l'invention apporte en outre les avantages complémentaires suivants * en travaillant en pression relativement basse ou détendue, on peut mettre en oeuvre des sections de passage plus importantes, notamment au niveau de l'injecteur du moyen d'admixtion d'air primaire, ce qui évite ou limite le phénomène de bouchage, et augmente la durée de vie de l'appareil à combustion ; cet avantage prend toute son importance pour un brûleur alimenté en phase liquide, car les impuretés transportées avec cette dernière se déposent dans l'appareil lors de la vaporisation du gaz combustible * on augmente la compacité de l'appareil, ce qui permet un temps de réaction relativement court lors des manoeuvres du détendeur, et en particulier un temps relativement court d'extinction du brûleur. La présente invention est maintenant décrite par référence au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 représente une vue en coupe verticale d'un appareil à combustion selon la présente invention - la figure 2 représente une vue en perspective de l'appareil représenté à la figure 1 - la figure 3 représente un détail de la figure 1, en relation avec la filtration du gaz combustible. Conformément aux figures 1 et 2, il est représenté, repéré de manière générale par la référence numérique 1, un réchaud de cuisson, formant appareil ou dispositif à combustion d'un gaz combustible, par exemple d'un gaz de pétrole liquéfié, notamment butane et/ou propane. De manière générale, l'appareil 1 comprend à titre principal - un corps métallique 2, relativement massique, formant à la fois l'ossature de l'appareil et un puits thermique, au sens où ce corps métallique est, d'une part bon conducteur de la chaleur, et d'autre part permet en raison de sa masse d'accumuler ou stocker de la chaleur - un organe de contrôle 6 du débit du gaz combustible, consistant en un détendeur, pour partie intégré dans le corps métallique 2 - un organe 26 d'admixtion d'air primaire avec un flux du gaz combustible en phase gazeuse, pour obtenir un mélange à brûler - un brûleur 7 du mélange à brûleur, sous forme gazeuse - et un moyen 24 de connexion de l'appareil 1 avec une source du gaz combustible sous forme liquéfiée et sous pression ; en l'occurrence, et de manière non représentée, cette source consiste en un récipient à usage unique, ou jetable, du type cartouche, comportant une valve de prélèvement du combustible liquide ; cette valve est du type valve aérosol, et comprend une cheminée de section polygonale, par exemple hexagonale, dont il sera question ci-après ; ce moyen de connexion, protégé par ailleurs par la Demanderesse, selon la demande de brevet PCT/US97/14091, permet tout à la fois, d'ouvrir le récipient, par sa valve de prélèvement, et d'assurer une liaison étanche entre ledit récipient et l'appareil, ainsi que de fixer positivement le récipient sur l'appareil et ce de manière réversible. En fonctionnement, l'appareil 1 précédemment défini présente la particularité d'être alimenté en gaz combustible, en phase liquide et sous pression relativement haute, et de brûler le même gaz combustible en phase gazeuse et sous pression relativement basse, ou détendue. On décrit maintenant les différents organes ou composants précédemment identifiés. Le corps métallique 2 est agencé pour ménager de manière générale un chemin 3 d'écoulement du gaz combustible, en phase liquide et/ou gazeuse, depuis une entrée 4 d'alimentation en phase liquide, jusqu'à une sortie 5 d'évacuation en phase gazeuse. Le corps métallique 2 présente un appendice 2a saillant, à l'intérieur duquel est ménagé un canal 4 formant l'entrée d'alimentation du gaz combustible sous forme liquide et sous pression. Un puits 22 de décantation, de section relativement plus importante que la section moyenne du chemin 3 d'écoulement, est ménagé dans le corps métallique 2, et fait partie dudit chemin 3. L'extrémité supérieure 22b de ce puits se confond avec la sortie 5 d'évacuation en phase gazeuse du gaz combustible, sous pression détendue, comme décrit ci-après. Le moyen 24 de connexion comporte - une bague 28, comportant un taraudage intérieur 28b, montée de manière fixe en rotation sur le corps métallique 2, et comportant des dents 28a distribuées et réparties autour de son axe ; les dents 28a présentent, d'une part un talon 28c adapté pour être encliqueté repoussé à l'intérieur d'un bourrelet prévu de manière correspondante sur le récipient à usage unique, et plus précisément sur la valve, et d'autre part une portée oblique 28d, adaptée pour coopérer avec une portée oblique correspondante 27c du noyau 27 décrit ci-après ; - un noyau 27, monté libre en rotation à l'intérieur de la bague 28, comportant une chambre 27a de section polygonale, par exemple hexagonale, dans laquelle est compris l'appendice 2a décrit précédemment et comprenant le canal 4 d'alimentation en phase liquide ; ce noyau 27 comporte un filetage extérieur 27b , engrené avec le taraudage intérieur 28b de la bague 28. En relation avec la structure du récipient décrit précédemment, et notamment la section polygonale de la cheminée de sa valve, le fonctionnement du moyen de connexion 24 se déduit de la description précédente, en partant de la position représentée à la figure 1 - on assemble le récipient à l'appareil 1, d'une part en cliquetant les dents 28a sous le bourrelet annulaire de la valve, et d'autre part en insérant la cheminée de cette dernière dans la chambre 27a - dès l'assemblage, en particulier avec l'aide du joint 30, on ouvre la valve du récipient, et on établit une liaison étanche entre ledit récipient ouvert et l'appareil ; - en se servant de la cartouche, on peut visser le noyau mobile 27, par rapport à la bague fixe 28, déplacer en translation le noyau et la bague l'un vers l'autre, et amener en contact les portées obliques 27c et 28d - dès ce moment, les dents 28c sont repoussées positivement sous le bourrelet annulaire de la valve du récipient à usage unique et ce dernier se trouve verrouillé de manière étanche sur l'appareil 1 ; - le tout de manière parfaitement réversible. Le détendeur 6, ou organe de contrôle est caractérisé néanmoins par son intégration ou incorporation au moins partielle dans le corps métallique 2 de l'appareil. Ce détendeur est préférentiellement, mais de manière non exclusive, un détendeur avec un clapet 10 de type amont, c'est-à-dire un détendeur dont l'obturateur 11 est disposé dans la chambre d'admission du gaz combustible sous haute pression, en étant rappelé vers le siège 12. Conformément à la figure 1, l'organe de contrôle 6 comporte - un corps 31, inséré dans le corps métallique 2, déterminant le siège 12 précité - une chambre 8 d'admission du gaz combustible en phase liquide sous haute pression, déterminée à la fois dans le corps 31, et par conséquent dans le corps métallique 2 - une chambre 9 d'évacuation du gaz combustible sous basse pression, au moins partiellement en phase gazeuse, ménagée dans le corps métallique 2 - le clapet 10 de type amont, associant l'obturateur 11 avec son joint d'étanchéité, et le siège 12, contre lequel ledit obturateur est rappelé par un ressort 32 ; - une membrane 20, fermant la chambre d'évacuation, dont le bord circulaire est serré entre le corps métallique 2 et un chapeau extérieur 21 , monté sur ledit corps ; - une chape 33, solidaire ou fixée sur la membrane 20, en appui contre l'extrémité de l'obturateur 11 opposée au siège 12 ; - un ressort 18, en appui d'un côté contre la chape 33, à l'extérieur de la chambre d'évacuation 9, et de l'autre côté contre un coulisseau 17, monté librement et axialement à l'intérieur du chapeau 21 - un organe de commande 15, disposé à l'extérieur du corps métallique 2, comprenant au moins deux positions repérées, l'une d'ouverture du clapet 10, dans laquelle la pression du gaz combustible sortant de la chambre d'évacuation est contrôlée, et l'autre de fermeture dans laquelle le clapet 10 est bloqué en position fermée cet organe de commande 15 associe, premièrement le chapeau 21 précédemment décrit, monté sur le corps métallique 2 ; deuxièmement le coulisseau 17 monté librement en translation à l'intérieur du chapeau 21, en appui contre le moyen de rappel ou ressort 18, de la membrane 20 ; troisièmement un moyen de rappel ou ressort 19 du coulisseau 17, à l'opposé de la membrane 20 du détendeur, en appui d'un côté contre le chapeau 21, et de l'autre côté contre le coulisseau 17 et quatrièmement un moyen d'actionnement en translation du coulisseau 17, composé d'un volant 16, monté libre en rotation coaxiale sur le chapeau 21, comprenant deux rampes symétriques 16a, en rotation par rapport à l'axe 13, en contact respectivement avec deux ergots opposés 17a et du coulisseau 17. Entre les deux positions repérées d'ouverture et de fermeture de l'organe de commande 15, différentes positions de réglage peuvent être ménagées sur les rampes symétriques 16a. Comme le montre bien la figure 1, la chambre d'admission 8 est immédiatement adjacente à l'entrée 4 en phase liquide, ce qui présente l'avantage de limiter la quantité de gaz combustible restant dans l'appareil et évacuée à l'air libre lorsque le récipient est déconnecté dudit appareil comme décrit précédemment. Par ailleurs, cette chambre 8 est immédiatement adjacente à l'axe 14 du brûleur, ce qui la place au moins pour partie dans la zone de transfert thermique à partir du brûleur 7. Par ailleurs, le canal 4 d'alimentation est aligné selon l'axe 13 avec l'axe du détendeur 6, et plus précisément de son clapet 11. Cet axe 13 est lui-même disposé de manière orthogonale ou perpendiculaire à l'axe 14 du puits 22 décrit précédemment, qui correspond également à celui de la sortie d'évacuation 5 du gaz combustible sous forme gazeuse de l'injecteur 36, et du brûleur 7 décrit ci-après. Comme montré plus particulièrement par la figure 3, un filtre 40 est disposé dans le puits 22, immédiatement en amont de l'organe 26 d'admixtion d'air primaire, selon le sens de circulation du gaz combustible. Ce filtre est plus particulièrement emmanché dans un trou ménagé dans l'injecteur 36, et faisant face au puits 22. Le filtre 40 et le puits 22 sont agencés l'un par rapport à l'autre pour ménager un interstice périphérique 41 entre la paroi du puits et une partie latérale 40a dudit filtre, de telle sorte que le filtre 40 est disposé à la manière d'une crépine. Préférentiellement le filtre consiste en un cylindre ou bouchon d'un matériau (notamment métal) fritté et donc poreux. En faisant varier la hauteur du filtre 40 à partir de l'injecteur 36, on peut modifier l'importance de la surface latérale 40a du filtre, et donc le temps de colmatage de ce dernier, toutes choses égales par ailleurs. La face amont 41b du filtre 40 est disposée à distance de l'extrémité inférieure 22a du puits 22, au plus près de l'injecteur 36. L'organe 26 d'admixtion d'air primaire, associe, d'un côté un injecteur 36 disposé à la sortie 22b du puits 22, et de l'autre côté des ouvertures 37a ménagées sur le tube 37 du brûleur 7. Le jet de gaz combustible émis par l'injecteur 36 entraîne donc l'air primaire nécessaire à la combustion par les orifices 37a. Le brûleur 7 comporte deux pièces 38 et 39 embouties, serties l'une sur l'autre, ménageant entre elles un interstice de circulation du mélange à brûler, la pièce 39 présentant des perforations 39a. Une boucle 23 de vaporisation, extérieure au corps métallique 2, est branchée sur le chemin d'écoulement 3 du gaz combustible, selon le sens d'écoulement de ce dernier, entre une entrée 25a intermédiaire, constituée par un orifice ménage sur le corps métallique 2, communiquant avec la chambre d'évacuation 9, et une sortie d'intermédiaire 25b pénétrant dans le puits 22 à distance de son extrémité inférieure 22a, tangentiellement par rapport à la circonférence ou surface intérieure cylindrique du puits 22. Ces dispositions permettent de retenir au fond du puits 22, situé selon l'axe 14 du brûleur, les impuretés lourdes susceptibles d'être déposées lors de la vaporisation du gaz combustible, en particulier par effet tourbillonnant du flux de gaz dans le puits 22. La boucle 23 de vaporisation est agencée de manière amovible par rapport au corps métallique 2, et en particulier par rapport aux entrée 25a et sortie 25b, ce qui permet d'adapter la boucle aux différentes configurations ou dispositions du brûleur 7, selon l'application ou destination de l'appareil, et ce sans avoir à changer le reste dudit appareil. Cette boucle 23 de vaporisation contribue à drainer par conduction la chaleur résiduelle émise par le brûleur 7 vers le corps métallique 2. En conséquence de la description précédente, et en fonctionnement, à partir du soutirage en phase liquide et sous haute pression d'un récipient à usage unique, l'écoulement du gaz combustible s'effectue de la manière suivante - introduction en phase liquide et sous haute pression, dans la chambre d'admission 8, éventuellement après filtration ; la haute pression est par exemple de 1 à 9 bars - détente contrôlée en phase liquide au travers du clapet 10, et passage du gaz combustible sous basse pression dans la chambre 9 d'évacuation, en partie en phase gazeuse - introduction et circulation du gaz combustible dans la boucle 23 de vaporisation, et réintroduction du gaz combustible, entièrement en phase gazeuse dans le puits 22 de décantation - passage du gaz combustible en phase gazeuse et sous basse pression, par l'extrémité supérieure 22b du puits 22, qui communique avec l'organe 6 d'admixtion d'air primaire, à savoir l'injecteur 36 à partir duquel un flux de gaz combustible est obtenu - obtention du mélange à brûler par mélange du flux de gaz combustible d'air primaire, et combustion dudit mélange dans le brûleur 7. Toutes les dispositions précitées permettent d'améliorer de manière significative le fonctionnement d'un brûleur en phase gazeuse, mais alimenté en phase liquide d'un gaz combustible. REVENDICATIONS 1/ Appareil (1) à combustion d'un gaz combustible, par exemple d'un gaz de pétrole liquéfié, comprenant - un corps (2) métallique, relativement massique, formant puits thermique, dans lequel est ménagé un chemin (3) d'écoulement depuis une entrée (4) d'alimentation dudit gaz combustible en phase liquide, jusqu'à une sortie (5) d'évacuation en phase gazeuse - un organe de contrôle (6) du débit dudit gaz combustible circulant dans ledit chemin d'écoulement (3) ; - un organe (26) d'admixtion d'air primaire avec un flux du gaz combustible en phase gazeuse, obtenu à la sortie (5) d'évacuation en phase gazeuse, pour obtenir un mélange à brûler - un brûleur (7) du mélange à brûler, thermiquement solidaire du corps métallique (2) caractérisé en ce que, l'organe de contrôle (6) consiste en un détendeur, au moins pour partie intégré dans le corps métallique (2), comprenant une chambre (8) d'admission du gaz combustible en phase liquide sous haute pression, et une chambre (9) d'évacuation dudit gaz sous basse pression, au moins partiellement sous phase gazeuse, ménagées dans ledit corps (2) métallique, ainsi qu'un clapet (10) disposé en majeure partie au sein dudit corps métallique (2). 2/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détendeur (6) comporte un clapet (10) de type amont, c'est-à-dire un obturateur (11) disposé dans la chambre d'admission (8), rappelé vers un siège (12). 3/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre d'admission (8) est immédiatement adjacente à l'entrée (4) en phase liquide. 4/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détendeur (6) comporte un organe (15) de commande, disposé à l'extérieur du corps métallique (2), comprenant au moins deux positions repérées, l'une d'ouverture du clapet (10), dans laquelle la pression du gaz combustible sortant de la chambre d'évacuation est contrôlée, et l'autre de fermeture dans laquelle ledit clapet est bloqué en position fermée. 5/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de commande comporte - un chapeau (21), monté sur le corps métallique (2) ; - un coulisseau (17) monté librement en translation, à l'intérieur du chapeau, en appui contre le moyen de rappel (18) de la membrane (20) du détendeur - un moyen de rappel (19) du coulisseau (17), à l'opposé de la membrane (20) du détendeur - un moyen d'actionnement en translation du coulisseau (17), notamment composé d'un volant (16) monté libre en rotation sur le chapeau (21) comprenant au moins une rampe (16a) au contact d'au moins un ergot (17a) appartenant au coulisseau (17). 6/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un puits (22) est ménagé dans le corps métallique (2), et communique à son extrémité inférieure (22a) avec la chambre (9) d'évacuation du détendeur (6), et à son extrémité supérieure (22b) avec l'organe (6) d'admixtion d'air primaire. 7/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une boucle (23) de vaporisation est branchée sur le chemin d'écoulement (3) du gaz combustible, entre une entrée (25a) intermédiaire et une sortie intermédiaire (25b) selon le sens de cheminement du gaz combustible, et s'étend dans l'axe (14) et au voisinage du brûleur (7), en relation d'échange thermique avec ce dernier. 8/ Appareil selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la sortie intermédiaire (25b) pénètre dans le puits (22) à distance de son extrémité inférieure (22a), par exemple tangentiellement par rapport à la circonférence de ce dernier. 9/ Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la boucle (23) de vaporisation est agencée de manière amovible par rapport au corps métallique (2). 10/ Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un filtre (40) est disposé dans le puits (22), immédiatement en amont de l'organe (26) d'admixtion d'air primaire, selon le sens de circulation du gaz combustible. 11/ Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le filtre (40) et le puits (22) sont agencés l'un par rapport à l'autre pour ménager un interstice périphérique (41) entre la paroi du puits et une partie de la surface latérale (40a) dudit filtre. 12/ Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que la face amont (41b) du filtre (40) est disposée à distance de l'extrémité inférieure (22a) du puits (22). 13/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre d'admission (8) est adjacente à l'axe (14) du brûleur (7). 14/ Procédé de combustion d'un gaz combustible, par exemple d'un gaz de pétrole liquéfié, selon lequel - on dispose du gaz combustible en phase liquide et sous pression - on soutire ledit gaz en phase liquide, puis on vaporise cette dernière, pour obtenir un flux de gaz combustible en phase gazeuse - on mélange le flux de gaz combustible avec de l'air primaire, pour obtenir un mélange à brûler - on brûle ce dernier caractérisé en ce que on détend le gaz combustible soutiré en phase liquide et sous pression relativement haute, pour obtenir ledit gaz au moins partiellement en phase gazeuse, sous pression relativement basse, à partir duquel ledit flux de gaz combustible est obtenu pour mélange avec l'air primaire.