Brevet FR2792395A1 — publié le 20001020

L'invention concerne un dispositif d'allumage pour brûleur, en particulier pour brûleur de type chalumeau ou torche, et brûleur équipé d'un tel dispositif d'allumage. On connait de nombreuses versions d'allumeurs de flamme utilisant l'énergie d'une étincelle électrique pour initier la combustion d'un mélange gazeux. De tels dispositifs sont d'ailleurs parfois appelés "veilleuses". Ainsi, on peut citer, à titre d'exemples, les briquets piézo-électriques jetables ou non; les ustensiles de camping à gaz; les chalumeaux air- propane de plombier ou analogues; ou encore les appareils de type chaudière ou chauffe-eau ayant un allumage de ce type et qui sont dotés d'une source électrique de haute tension, par exemple un générateur, un dispositif piézo-électrique, un transformateur ou un ensemble oscillateur- transformateur, qui alimente un éclateur pour générer l'étincelle dont une des extrémités est une "électrode", en général une pièce électriquement conductrice comportant une pointe, cet éclateur étant, en outre, balayé par un flux gazeux (voir figure 1). Selon le cas, l'électrode servant à générer l'étincelle d'allumage peut être soit "excentrée" par rapport à l'axe de la conduite amenant le flux gazeux, ainsi que représenté, par exemples, par le document US-A- ,470,227 ou par le document DE-A-44 20 935, soit coaxiale avec l'axe de la ligne amenant le flux gazeux. De manière à étudier un chalumeau de type oxy-propane ou oxy- acétylène, la flamme principale a été allumée à l'aide d'un allumeur constitué d'un brûleur équipé d'une électrode alimentée par un générateur piézo-électrique. Dans tous les cas, la fiabilité de l'allumage d'un chalumeau de soudage est essentielle pour le confort et la sécurité de l'opérateur. 2 2792395 En simplifiant, pour que l'allumage de la flamme principale du chalumeau se fasse correctement et efficacement, il faut tout d'abord qu'une étincelle d'une énergie suffisante éclate dans un flux gazeux dont la teneur locale en combustible et comburant soit à l'intérieur des limites d'inflammabilité du mélange, et qu'ensuite, la flamme de l'allumeur atteigne le flux de mélange principal du chalumeau et lui transfère l'énergie nécessaire à son allumage. Classiquement, les temporisations induites par ces conditions, à savoir essentiellement une synchronisation correcte des flux gazeux et de l'étincelle, sont aisées à réaliser pour l'homme du métier. Par contre, l'éclatement de l'étincelle est conditionné par la continuité du circuit électrique, son impédance et la distance entre les deux pôles de l'éclateur générant l'étincelle. De là, des défaut d'éclatement sont toujours possibles et généralement dus soit à une électrode usée, déformée et/ou brûlée, soit à un isolant détruit ou encrassé, c'est-à-dire des problèmes analogues à ceux rencontrés avec les bougies des moteurs à explosion. Ainsi, l'électrode comporte habituellement une extrémité en forme de pointe, de façon à pouvoir mieux maîtriser le lieu de concentration des 2 0 charges électriques. Cependant, cette forme en pointe est fragile et des détériorations de celle-ci sont relativement fréquentes et c'est pour cette raison que certains brûleurs comportent une électrode conçue pour être facilement changée en cas d'usure. Par ailleurs, le transfert d'énergie au flux gazeux principal est conditionné non seulement par la disposition spatiale relative de l'allumeur, essentiellement de l'électrode, et de la sortie du brûleur principal, notamment la distance les séparant et l'angle qu'ils forment l'un par rapport à l'autre, mais aussi par le milieu ambiant ou les conditions ambiantes, c'est-à-dire, par exemple, la présence éventuelle d'un courant d'air latéral. 3 2792395 Il s'ensuit que les conditions les plus favorables à un transfert efficace sont, en particulier: - une flamme d'allumage longue et rigide, - un accrochage de la flamme de l'allumeur au brûleur par effet Coanda, - un allumeur proche du brûleur principal, et/ou - un milieu ambiant calme, c'est-à-dire sans courant d'air. Or, on comprend aisément qu'il est relativement difficile de maîtriser les conditions ambiantes. Par ailleurs, il est gênant d'approcher l'allumeur du brûleur exagérément près car, d'une part, l'allumeur peut gêner la visibilité de la scène de travail et donc l'accessibilité à celle-ci pour l'opérateur et, d'autre part, la flamme principale peut endommager l'allumeur, en particulier l'électrode et l'isolant, et il est donc indispensable de disposer d'une flamme principale longue et rigide. De plus, dans le cas d'un brûleur de type chalumeau ou torche, des projections venant de la pièce chauffée peuvent venir obstruer ou encrasser l'allumeur et il est donc, de ce fait, souhaitable que la distance entre l'allumeur et la buse principale du chalumeau soit grande. Il s'ensuit qu'étant donné qu'une déviation du jet de l'allumeur par effet Coanda permet de placer l'allumeur en dehors de la trajectoire des projections, il est préférable que la flamme et les produits de combustion chauds générés par l'allumeur puissent être guidés jusqu'à la sortie de la buse principale. Compte tenu de ce qui précède, le problème qui se pose est de proposer un brûleur à allumeur présentant une moindre sensibilité à la chaleur et à l'encrassement que les brûleurs de conception classique et qui puisse, en outre, permettre de produire une flamme longue, rigide et facilement guidable jusqu'à la sortie de la buse principale. En d'autres termes, la présente invention à pour but d'améliorer les brûleurs et dispositifs d'allumage connus. 4 2792395 La solution proposée par l'invention repose sur un brûleur avec un dispositif d'allumage, encore appelé allumeur, alimenté par un flux gazeux laminarisé au maximum et ne comportant pas 'd'électrode' indépendante étant donné que les étincelles se forment directement sur les parois internes du conduit d'alimentation véhiculant le flux gazeux laminarisé ou de la buse délivrant ce flux pour obtenir la flamme d'allumage. Un tel brûleur permet d'éviter la fragilité liée aux petites dimensions des "électrodes" pointues et permet de réaliser des écoulements de mélange gazeux non perturbés par la présence de l'électrode et de son isolant. En effet, la flamme ainsi obtenue est très peu perturbée, s'accroche plus efficacement à un guide par effet Coanda et l'allumeur peut alors être disposé selon un axe relativement éloigné de la trajectoire des projections de manière à le préserver au maximum de celles-ci. La présente invention concerne alors un dispositif d'allumage pour brûleur, en particulier pour brûleur de type chalumeau ou torche, comportant: - un circuit de gaz susceptible de véhiculer un gaz ou un mélange gazeux d'allumage, - des moyens d'allumage électrique pour créer au moins une étincelle 2 0 ou un arc électrique à l'intérieur dudit circuit de gaz, et - au moins une pièce électriquement isolante fixée solidairement audit circuit de gaz, ladite pièce électriquement isolante étant agencée de manière à isoler électriquement, l'une de l'autre, au moins une première partie et une deuxième partie dudit circuit de gaz et de manière à permettre la création d'au moins une étincelle ou un arc électrique entre lesdites première partie et deuxième partie. Selon le cas, le dispositif d'allumage de l'invention peut inclure l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - ladite pièce électriquement isolante est fixée à proximité de l'extrémité terminale du circuit de gaz, de préférence l'extrémité terminale du circuit de gaz comporte une buse d'allumage. - ledit circuit de gaz comprend un conduit d'alimentation en gaz et une buse d'allumage et en ce que ladite pièce électriquement isolante est fixée à proximité de l'extrémité aval du conduit d'alimentation ou intercalée entre l'extrémité aval du conduit d'alimentation et la buse d'allumage. - la paroi interne de ladite pièce isolante forme une partie du conduit d'alimentation et/ou de la buse d'allumage. - la pièce électriquement isolante est cylindrique ou annulaire, de préférence la pièce annulaire et le conduit d'alimentation et/ou la buse d'allumage sont coaxiaux. - la première partie est portée par le conduit d'alimentation ou est constituée d'au moins un tronçon du conduit d'alimentation et/ou la deuxième partie est constituée d'au moins un tronçon de ladite buse d'allumage. - la première partie est portée par le conduit d'alimentation ou est constituée d'au moins un premier tronçon dudit conduit d'alimentation et la deuxième partie est portée par le conduit d'alimentation ou est constituée d'au moins un deuxième tronçon du conduit d'alimentation. Par ailleurs, l'invention concerne aussi un brûleur comportant: - un conduit principal d'alimentation en gaz de combustion susceptible de véhiculer un gaz ou un mélange gazeux de combustion, - une buse principale située à une extrémité aval dudit conduit d'alimentation en gaz de combustion, et - un dispositif d'allumage selon l'invention. Selon le cas, le brûleur de l'invention peut inclure l'une ou plusieurs des caractéristiques ci-après: - le conduit principal comprend un mélangeur de gaz. - il est choisi parmi les chalumeaux et les torches de soudage, coupage ou traitement thermique. De plus, l'invention concerne également l'utilisation du brûleur de l'invention dans une opération de soudage, de coupage ou de traitement 6 2792395 thermique d'au moins une pièce métallique, notamment une pièce d'acier. L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide des figures annexées, lesquelles sont données à titre illustratif mais non limitatif. Les figures 1 à 4 schématisent différents dispositifs d'allumage équipant des brûleurs selon l'art antérieur, alors que des dispositifs d'allumage équipant des brûleurs selon l'invention sont montrés sur les figures 5 à 16. Le brûleur selon l'art antérieur, tel que schématisé sur la figure 1, comporte un dispositif d'allumage ou allumeur A à électrode 4 externe comportant, d'une part, un conduit principal 1 au sein duquel circule un gaz ou un mélange gazeux de combustion jusqu'à une buse principale B, en aval de laquelle se forme la flamme de combustion ou flamme principale et, d'autre part, d'un allumeur A comportant un conduit ou une ligne 3 d'alimentation en gaz destinée à véhiculer un gaz ou un mélange gazeux servant à générer une flamme d'allumage, encore appelée "veilleuse", délivrée par la buse d'allumage 2. Plus précisément, l'étincelle permettant d'allumer la flamme d'allumage est créée par un allumeur A de type air-gaz comportant une électrode 4 externe portée par un support isolant 5 fixé au corps du conduit principal 1 du brûleur et alimentée en courant électrique par un cable 6 isolé relié à une source de haute tension 7. La figure 2 représente un autre allumeur A susceptible d'équiper un brûleur selon l'art antérieur comportant aussi un conduit d'alimentation 3 en gaz au sein duquel circule le gaz ou mélange gazeux jusqu'à une buse d'allumage 2, en aval de laquelle se forme la flamme d'allumage destinée à allumer la flamme principale délivrée par le conduit principal du brûleur, comme schématisé sur la figure 1 et sur les figures 5 et 6 détaillées ci- après. Dans ce cas, l'étincelle servant à allumer la flamme d'allumage est créée, comme précédemment, par l'allumeur A constitué d'une électrode 4 portée par un support isolant 5 et alimentée en courant électrique par un cable 6 isolé et relié à une source de haute tension 7. Toutefois, dans ce 7 2792395 mode de réalisation, l'électrode 4 est agencée directement à l'intérieur du conduit d'alimentation 3, de manière à ce que l'électrode 4 soit placée à l'intérieur du conduit d'alimentation 3, c'est-à-dire sur le trajet du flux alimentant la buse d'allumage 2 et non plus à l'extrémité de celui-ci comme montré sur la figure 1. La figure 3 présente un mode de réalisation analogue à celui de la figure 1, mais dans lequel l'électrode 4 est placée à la sortie du conduit 3 et en aval de la buse d'allumage 2, en étant éloignée de cette dernière d'une distance préfixée et permettant la création de l'étincelle entre l'extrémité de l'électrode 4 et la buse d'allumage 2. La figure 4 présente un autre mode de réalisation analogue à celui de la figure 2, dans lequel l'électrode 4 est placée à l'intérieur du conduit d'allumage 3 et est agencée coaxialement à l'axe de ce conduit 3, ce qui peut perturber l'écoulement gazeux de par la présence de l'électrode et de son isolant à l'intérieur même du conduit d'allumage 3. A l'inverse, la figure 7 schématise un premier mode de réalisation d'un dispositif d'allumage ou allumeur A selon la présente invention. Ce dispositif d'allumage A comprend une pièce 14 annulaire ou cylindrique électriquement isolante agencée entre l'extrémité 3' aval du conduit 3 et la buse 2, de manière à séparer et à isoler électriquement ledit conduit 3 et ladite buse 2 et à permettre la formation d'étincelles entre ces deux parties lorsque celles-ci sont reliées aux bornes opposées d'une source de courant électrique. La pièce cylindrique 14 a sensiblement le même diamètre que le conduit 3 à son extrémité aval 3' et que la buse 2 à son extrémité amont 2', c'est-à-dire que la pièce cylindrique 14 constitue, en quelque sorte, un prolongement du conduit d'alimentation 3. En d'autres termes, la pièce 14 annulaire incorporée au conduit cylindrique 3 constitue un tronçon de conduit constitué d'une matière isolante, par exemple une résine de synthèse, une résine époxyde chargée en verre, un matériau de type TEFLONTM, PEEKTm (Dupont de Nemours) ou 8 2792395 RITONTM (Ciba Geigy), ou une céramique. De manière à pouvoir générer une étincelle à l'intérieur du conduit d'alimentation 3 pour allumer la flamme d'allumage délivrée par la buse d'allumage 2 servant à allumer la flamme principale du brûleur, on relie électriquement, d'une part, le conduit 3 et, d'autre part, la buse 2 à une source électrique 7, via les liaisons électriques 30 et 29, respectivement. Toutefois, comme montré sur la figure 8, qui représente un autre mode de réalisation de la pièce 14 de la figure 7, il est préférable de chanfreiner la partie de la pièce 14 située vers l'intérieur du conduit 3 et au contact du flux de gaz, de sorte d'éviter le risque de jaillissement de l'étincelle en dehors de la zone d'allumage. En effet, selon ce mode de réalisation des figures 7 et 8, l'étincelle se produit quasi tangentiellement à la direction du flux gazeux, c'est-àdire axialement, dans les zones de faible vitesse de flux à proximité des couches limites. Cette disposition a donné un allumage très fiable car, selon l'invention, les extrémités de la buse 2 et du conduit 3, séparées par la pièce isolante intermédiaire 14, forment deux cercles qui offrent chacun une multitude de sites de départ des étincelles et, dès lors, la durée de vie de l'allumeur est considérablement augmentée par rapport à une simple électrode pointue comme connue de l'art antérieur. Pour augmenter encore le nombre de sites de départ d'étincelles et bénéficier de l'effet de pointe, les extrémités de la pièce 14 sont préférentiellement usinées avec une rugosité élevée, comme susmentionné et montré sur la figure 8. Grâce à la présente invention, il n'est désormais plus nécessaire, comme c'est le cas avec les dispositifs classiques, de chercher à positionner correctement la pointe de l'électrode dans le flux. En outre, selon l'invention, il est possible de supprimer la liaison ou 3 0 le câble électrique qui vient alimenter l'électrode dans la solution classique. En effet, comme schématisé sur la figure 9, la canalisation 3 est 9 2792395 raccordée directement, par sa partie amont, à un pôle du générateur 7 piézo-électrique et, par sa partie aval, directement à la masse du générateur 7. La figure 10 montre un allumeur du type air-propane selon l'invention, dans le circuit de mélange du combustible et de l'air induit est dimensionné, en diamètre et en longueur, pour obtenir un écoulement laminaire du flux gazeux. Des grilles 21, 22 sont disposées en amont de la pièce isolante 14 pour que le mélange gazeux soit homogène avec un faible gradient de vitesse. Ce montage se distingue des brûleurs air-propane du commerce, dans lesquels on recherche une turbulence maximale pour créer une flamme courte et "dense". La figure 1 1 représente, quant à elle, un autre mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, lequel est munie d'une bague 17. En effet, pour éviter de mettre une partie accessible à l'opérateur à un potentiel électrique différent de la masse du chalumeau, il est possible de disposer une bague 17 isolée sur le circuit de gaz 3, laquelle bague 17 peut être constituée d'un matériau isolant de même composition que celui constituant la pièce isolante 14 ou, au contraire, d'un matériau différent. De manière analogue, la bague 17 et la pièce isolante 14 peuvent être formée d'une seule pièce ou être solidaires l'une de l'autre ou, à l'inverse, être séparables l'une de l'autre. Le dispositif de la figure 12 est une variante de réalisation à étincelle transversale créée dans le flux gazeux. Pour des mélanges gazeux demandant une énergie d'allumage plus importante ou présentant des turbulences de grande amplitude, notamment lorsque le circuit 3 ne peut être optimisé pour des raisons d'encombrement par exemple, il peut être intéressant de faire jaillir l'étincelle perpendiculairement à l'axe d'écoulement du mélange gazeux et selon une corde qui intéresse la veine gazeuse au-delà de la couche limite. Dans ce cas, on voit sur la figure 13, 2792395 qui est une coupe selon AA' de la figure 12, que la pièce isolante 14 n'est pas circulaire et ne forme qu'une portion d'un tronçon du conduit 3. De manière similaire, le dispositif de la figure 14 est une variante de réalisation à étincelle diamétrale. Lorsque le diamètre du conduit 3 de mélange gazeux est inférieur à la longueur maximale d'éclatement de l'étincelle autorisée par la source électrique 7, il est possible d'utiliser une pièce isolante 14 tel que l'étincelle traverse diamétralement toute la veine gazeuse. En outre, les figures 5 et 6 illustrent le cas du fonctionnement d'un brûleur équipé d'un dispositif d'allumage selon l'invention (par exemple selon la figure 7 ou 10) pendant lequel des projections PJ venant d'une pièce chauffée PC par la flamme principale FP sortant de la buse B viennent obstruer et encrasser l'allumeur A servant à générer la flamme d'allumage FA. Grâce à la présente invention, il est possible de prévoir une distance plus grande entre l'allumeur A et la buse B principale du chalumeau, comme montré sur la figure 6, de manière à minimiser ce phénomène d'encrassement intempestif de l'allumeur A par les projections PJ. En effet, plus la distance séparant l'allumeur A de la pièce PC est grande, plus le nombre de projections qui atteignent l'allumeur A est faible. En d'autres termes, l'éloignement de l'allumeur A permet de le placer en dehors de la trajectoire des projections PJ tout en bénéficiant de l'effet Coanda favorable à un allumage efficace de la flamme principale FP grâce à un accrochage favorisé de la flamme d'allumage sur la paroi externe de la buse B. La présente invention n'est pas limitée au domaine du soudage, mais peut aussi être appliquée à d'autres domaines techniques o des problèmes analogues sont susceptibles de se poser, c'est-à-dire que la présente invention peut être appliquée non seulement aux chalumeaux allumés par allumeur ou aux torches notamment pour machine d'oxycoupage, mais aussi à tout autre brûleur à allumage indirect. il 2792395 De plus, les variantes de réalisation décrites ci-dessus peuvent être combinées les unes aux autres pour donner d'autres modes de réalisation, par exemples à étincelle semi-transversale, à étincelle diamétrale étirée axialement, à bague isolante à deux conducteurs isolés des canalisations amont et aval comme montré sur la figure 15 ou 16. 12 2792395 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'allumage pour brûleur, en particulier pour brûleur de type chalumeau ou torche, comportant: - un circuit de gaz (2, 3) susceptible de véhiculer un gaz ou un mélange gazeux d'allumage, - des moyens d'allumage électrique (14, 7) pour créer au moins une étincelle ou un arc électrique à l'intérieur dudit circuit de gaz (2, 3), et - au moins une pièce (14) électriquement isolante fixée solidairement audit circuit de gaz (2, 3), ladite pièce (14) électriquement isolante étant agencée de manière à isoler électriquement, l'une de l'autre, au moins une première partie (31) et une deuxième partie (32) dudit circuit de gaz (2, 3) et de manière à permettre la création d'au moins une étincelle ou un arc électrique entre lesdites première partie (31) et deuxième partie (32). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce (14) électriquement isolante est fixée à proximité de l'extrémité terminale du circuit de gaz (2, 3), de préférence l'extrémité terminale du circuit de gaz comporte une buse (2) d'allumage. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit circuit de gaz (2, 3) comprend un conduit d'alimentation (3) en gaz et une buse (2) d'allumage et en ce que ladite pièce (14) électriquement isolante est fixée à proximité de l'extrémité aval (3') du conduit d'alimentation (3) ou intercalée entre l'extrémité aval (3') du conduit d'alimentation (3) et la buse (2) d'allumage. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la paroi interne (15) de ladite pièce isolante (14) forme une partie du conduit d'alimentation (3) et/ou de la buse d'allumage (2). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pièce (14) électriquement isolante est cylindrique ou annulaire, de préférence la pièce annulaire (14) et le conduit d'alimentation (3) et/ou la 13 2792395 buse d'allumage (2) sont coaxiaux. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première partie (31) est portée par le conduit d'alimentation (3) ou est constituée d'au moins un tronçon du conduit d'alimentation (3) et/ou en ce que la deuxième partie (32) est constituée d'au moins un tronçon de ladite buse d'allumage (2). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première partie (31) est portée par le conduit d'alimentation (3) ou est constituée d'au moins un premier tronçon dudit conduit d'alimentation (3) et en ce que la deuxième partie (32) est portée par le conduit d'alimentation (3) ou est constituée d'au moins un deuxième tronçon du conduit d'alimentation (3). 8. Brûleur comportant: - un conduit principal (1) d'alimentation en gaz de combustion susceptible de véhiculer un gaz ou un mélange gazeux de combustion, - une buse principale (B) située à une extrémité aval (1') dudit conduit (1) d'alimentation en gaz de combustion, et - un dispositif d'allumage selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Brûleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le conduit principal comprend un mélangeur de gaz. 10. Brûleur selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi les chalumeaux et les torches de soudage, coupage ou traitement thermique. 11. Utilisation d'un brûleur selon l'une des revendications 8 à 10, dans une opération de soudage, de coupage ou de traitement thermique d'au moins une pièce métallique, notamment une pièce d'acier.