Brevet FR2807144A1 — publié le 20011005

TITRE : Dispositif d'agencement d'un thermocouple classique par l'intérieur du conduit d'alimentation air-gaz d'un brûleur à gaz pour assurer les fonctions de "sécurité froide" et de "sécurité chaude". L'invention concerne les moyens d'installation, par l'intérieur du conduit d'alimentation en mélange air-gaz d'un brûleur à gaz, d'un thermocouple classique afin de lui permettre d'assurer à la fois -la fonction de "sécurité froide" en cas d'extinction de flamme. -la fonction de "sécurité chaude" en cas de prise de feu à l'injecteur et ce, sans dispositif supplémentaire. -une longévité de fonctionnement considérablement accrue grâce au refroidissement permanent par le mélange "frais" air-gaz de ce thermocouple très fortement chauffé au niveau de ses éléments proches de la chambre de combustion. , Le dispositif est particulièrement destiné aux appareils dont la chambre de combustion fonctionne en confinement à de hautes températures et nécessite néanmoins le positionnement du thermocouple au niveau de la dite chambre. Dans l'état actuel de la technique, les thermocouples sont des composants d'un dispositif de sécurité bien connu se présentant extérieurement sous la forme d'une gaine métallique appelée conducteur externe se terminant, côté exposé à la chaleur, par une pointe de sonde dans un bulbe formant fourreau assujetti à une douille et à l'autre extrémité par un raccord de connexion électrique à une valve de sécurité. A l'intérieur du fourreau de bulbe, un segment en métal spécifique différent de celui du fourreau du bulbe est soudé à son extrémité à la pointe de ce dernier. Cette soudure est appelée "soudure chaude". Ce segment est prolongé à son autre extrémité par une autre soudure à un fil conducteur isolé enfermé dans le tube conducteur externe. Cette seconde soudure est appelée "soudure froide". Enfin, le fil conducteur interne rejoint à la sortie du tube conducteur, le raccord de connexion à la valve de sécurité. Conducteur interne et conducteur externe sont ansi connectés à une bobine électromagnétique à l'intérieur d'une valve de sécurité. Quand la pointe de sonde du bulbe est soumise à la chaleur d'un brûleur, la différence de température qui s'établit entre la soudure chaude et la soudure froide génère un mouvement des électrons et la différence du potentiel créée engendre un micro-courant continu dont la force électromotrice est en mesure d'induire, au niveau du solénoïde de la bobine de la valve de sécurité, un champ électromagnétique suffisant pour maintenir en position attirée, contre l'électro-aimant de la dite bobine un noyau mobile portant le clapet d'ouverture-fermeture de la valve de sécurité. Si la pointe de sonde du thermocouple se refroidit quand cesse la production de chaleur par le brûleur lorsqu'il s'éteint, volontairement ou non, la différence de potentiel disparaît, et donc également le champ électromagnétique, et le clapet, rappelé par un ressort, retourne en position fermée. Dans l'état actuel de la technique, ce dispositif de sécurité par thermocouple donne entière satisfaction dans de nombreuses applications où la configuration des appareils de combustion du gaz permet de disposer le thermocouple de façon à ce que seule la soudure chaude de la pointe de sonde soit exposée à la chaleur d'une flamme. C'est principalement le cas des dispositifs de veilleuses pilotes ou de torches de combustion non confinées dans une enceinte de surélévation de la température. Et si la température, en pointe de sonde uniquement, ne dépasse pas 600 C, la longévité du thermocouple reste à l'intérieur des limites d'une durée de vie normale et ne pose pas de problèmes particuliers sinon d'une maintenance raisonnable lorsque l'usure de la pointe de sonde exposée à la combustion oxydante d'une flamme nue finit par détruire la soudure chaude supprimant ainsi la génération de la force électromotrice recherchée. La situation ne se présente pas de façon aussi satisfaisante, ou même acceptable dans d'autres applications, et en particulier de nouvelles, où il n'est pas possible de limiter l'exposition à la chaleur de la seule pointe de sonde du thermocouple et de contenir, de plus, cette exposition à la chaleur dans un gradient de température ne dépassant pas, au maximum, 600 C. C'est le cas, à titre d'exemple non limitatif, des nouvelles chambres de combustion d'émetteurs infrarouges "haute température" en grilles métalliques réfractaires où la configuration recherchée nécessite l'introduction de la pointe de sonde dans une chambre de combustion confinée pour atteindre des températures atteignant plus ou moins 950 C. Dans ces conditions, non seulement la pointe de sonde du bulbe subit une température allant au delà de ses propres limites de 600 C pour sa longévité, mais également la douille à laquelle est fixée ce bulbe est soumise par conduction à une température non acceptable. C'est à l'intérieur et au niveau de cette douille que se situe la soudure "froide". Celle-ci portée à trop forte température, affecte la valeur de la différence de potentiel avec la soudure "chaude", mais surtout, soumet le segment en alliage spécifique compris entre ces 2 soudures à une destruction inexorable par perte de matière suivant une géométrie en "pointes de crayon" opposées par le sommet (à l'image d'électrodes d'arc électrique), cette détérioration allant jusqu'à la rupture définitive du segment au niveau des 2 pointes opposées. A cela s'ajoute immédiatement, en amont de la douille, l'attaque du conducteur externe qui devient poreux et particulièrement sensible à l'oxydation et à l'action corrosive des gaz brûlés dégagés par la combustion voisine. Dans ces conditions de température et de proximité, la durée de vie d'un thermocouple classique est très sensiblement réduite. Les efforts déployés pour rallonger cette durée de vie consiste essentiellement à retarder ces effets destructeurs -renforcement du volume de la soudure chaude -traitement de surface par dépôt de nickel sur la douille et sur la partie du conducteur externe proche de la zone chaude. Quoiqu'il en soit, il faut constater que ces efforts d'amélioration ne portent que sur les effets et non sur la cause. En ce qui concerne les dispositifs de sécurité chaude, en cas de prise de feu à l'injecteur, les dispositifs de coupure électrique connus sont de conception "mécanique", que cette interruption se fasse par rupture d'un fusible ou par l'ouverture d'un contact thermostatique. Ces dispositifs constituent évidemment un surcoût, avec de surcroît l'inconvénient d'un shuntage "pirate" toujours possible par un utilisateur inconscient ou imprudent. La présente invention a donc pour objet Pour la sécurité froide -de traiter la cause de la détérioration précoce des thermocouples lorsque ceux-ci sont placés par nécessité au sein même d'enceintes de combustion portées à haute température atteignant plus ou moins 950 C. Pour la sécurité chaude -de bénéficier des conséquences induites par les moyens d'agencement mis en oeuvre afin de traiter cette cause de détérioration, pour permettre aussi au thermocouple d'assurer la fonction de sécurité chaude sans dispositif "mécanique" de coupure électrique. Et donc obtenir globalement avec un thermocouple classique un usage de longue durée à un coût minimum puisqu'il est utilisé pour assurer à la fois les fonctions de sécurité froide et chaude sur des appareils à chambre de combustion confinée présentant l'intérêt de générer de hautes températures. Ces hautes températures sont particulièrement recherchées pour les émetteurs infrarouges lumineux afin d'obtenir les longueurs d'ondes électromagnétiques comprises entre 1,5 et 4 microns. Avant la description détaillée proprement dite, il convient par une présentation générale, de montrer le principe de fonctionnement. Le dispositif objet des présents agencements et combinaisons consiste donc -à positionner le thermocouple (1), en faisant passer par l'intérieur du conduit d'arrivée du mélange air-gaz (2), pour faire déboucher la pointe de la sonde (3) du bulbe (4) à l'intérieur de la chambre de diffusion (5) au centre de la chambre de combustion (6), ou, s'il n'y a pas de chambre de diffusion au débouché du conduit d'alimentation (7) dans la chambre de combustion elle-même selon des détails d'agencements qui seront décrits plus loin dans un exemple additionnel. -à guider le bulbe (4) de l'élément sensible (pointe de sonde) du thermocouple introduit dans le conduit l'alimentation en mélange air-gaz et assurer son positionnement exact, la pointe de sonde venant buter contre la paroi interne de la grille constituant la chambre de diffusion. -à créer par un déflecteur au débouché du tube (7) côté chambre de diffusion une mini-zone abritée du flux frais et rapide du mélange air-gaz non encore enflammé. Cette mini-zone, plus calme, contraint une parcelle de la paroi en grille de la chambre de diffusion à rougir très localement. De l'autre côté de la grille, en effet, le mélange air-gaz entre en combustion au ras de la grille dans la mini-zone abritée. C'est précisément à cet endroit même que la pointe de sonde vient buter contre la grille rougie ou seule donc, l'extrémité de soudure chaude est sollicitée par la chaleur nécessaire et suffisante pour générer la force électromotrice recherchée et donc pour obtenir la fonction de sécurité "froide"grâce à la mini-zone abritée. Les mesures de température, à la pointe de sonde, se cantonnent autour des 500 C. En amont du bulbe de la pointe de sonde, tout le reste du thermocouple se trouvant quant à lui ventilé par le flux frais air-gaz voit sa température s'établir à un niveau très inférieure à celui de la soudure chaude, cette différence atteignant plusieurs centaines de degrés centigrades. Par ailleurs, cette ventilation par le flux neuf et frais le met à l'abri de tout contact avec les gaz environnants de la combustion voisine, gaz d'autant plus corrosifs qu'ils sont extrêmement chauds, et en conséquence très dommageables pour le thermocouple quant à sa longévité. Pour remplir la fonction de sécurité chaude, sans dispositif mécanique additionnel, en cas de prise de feu à l'injecteur, c'est la chaleur de cette combustion interne elle-même, dans le conduit air-gaz avant son débouché dans la chambre de diffusion qui est utilisée. Cette inflammation interne environne alors le conducteur externe du thermocouple qui parcourt l'intérieur du conduit jusqu'à la douille où se trouve la soudure froide. La zone de combustion s'étant ainsi déplacée du brûleur dans le conduit, la soudure froide devient plus chaude alors que la soudure chaude devient moins chaude. La force électromotrice s'effondre et la mise en sécurité de fermeture du gaz est automatique. Avec les moyens mis en oeuvre selon l'invention, cette inversion des températures est précisément la conséquence d'une prise de feu à l'injecteur, pour un thermocouple interne. Dans cette éventualité en effet, le mélange air-gaz s'enflammant dans le conduit et non plus dans la châmbre de combustion la douille contenant la soudure froide devient plus chaude que le bulbe contenant la soudure chaude. Dans un laps de temps de l'ordre de 15 à 45 secondes, selon les caractéristiques des composants employés, la coupure électrique interrompt la prise de feu. La brièveté de cet événement anormal n'affecte pas suffisamment le conducteur externe pour le détériorer sérieusement et l'expérience montre qu'il faudrait compter une dizaine d'accidents successifs de prise de feu à l'injecteur, et donc que neuf opérations de maintenance d'un appareil aient été négligées, pour avoir à remplacer le thermocouple. DESCRIPTION Pour la commodité de la description, il convient de décrire, suivant un mode préféré de réalisation, le cas le plus courant où l'invention peut-être avantageusement utilisée. C'est particulièrement le cas des brûleurs à gaz émetteurs Infrarouges en haute température, selon la technique de combustion en chambre confinée. Cela n'exclut pas d'autres types de brûleurs pour d'autres applications comme cela sera mentionné plus loin. La partie concernée du brûleur, objet de la description, est essentiellement constitué -côté amont : d'un conduit d'arrivée du mélange air-gaz, appelé aussi tube venturi (2). Ce tube venturi comporte à son extrémité d'entrée : .une prise d'air neuf -une valve de sécurité d'arrivée du gaz (8). Celle-ci alimente un injecteur de gaz (9) fixé au bout d'un tube porte-injecteur (10). Cet ensemble est de type classique. -côté aval : à son extrémité de sortie du mélange air-gaz, le tube venturi(2), coudé dans l'exemple décrit, comporte avant son débouché (7) dans la chambre de diffusion (5) une plaquette de positionnement et de guidage (11) de la pointe de sonde (3) du bulbe (4) du thermocouple. Sur cette plaquette de positionnement (11) est ménagée une lumière (12) dans laquelle est engagé le bulbe (4) du thermocouple. Une fois cette plaquette traversée, la pointe de sonde (3) du bulbe vient buter contre la surface interne (13) de la grille constituant la paroi de la chambre de diffusion (5). Cette solution d'assujettissement de la plaquette à la base du tube d'arrivée du mélange air-gaz est, dans l'exemple présent une solution commode. Cependant, cette solution n'est pas exclusive, et il peut être avantageux dans d'autre configuration, de fixer la plaquette, non pas au tube, mais au niveau de la chambre de diffusion elle même, à sa base de contact avec le tube. L'essentiel étant que la fonction de guidage, de positionnement du bulbe et de contact avec la grille de la chambre de diffusion soit assurée, quelque soit le moyen équivalent. La plaquette de guidage et de positionnement est orientée en travers du mouvement longitudinal du flux air-gaz afin que sa surface forme en déflecteur un écran à la vélocité du flux au débouché du tube venturi. Ainsi se créé une mini-zone de flux plus calme entre la face non exposée de la plaquette (11) et la portion de surface interne (13) de la paroi de la chambre de diffusion parce qu'elle est abritée sous la plaquette. Ce flux plus calme, lorsqu'il s'enflamme sur la face externe de la grille de la chambre de diffusion au niveau de la mini- zone, s'enflamme au ras de la grille qui présente alors une petite surface de rougissement localisé du métal de la grille, précisément autour du point de contact de la pointe du bulbe avec la grille. C'est le but recherché pour ne chauffer que l'extrémité de la soudure chaude de la pointe de bulbe sans affecter le reste du thermocouple par les effets néfastes d'une trop forte température. L'interposition d'une grille entre la pointe du bulbe (soudure chaude) et la flamme de combustion présente entre en outre l'avantage de protéger cette pointe, d'une détérioration favorisée par le caractère oxydant d'une flamme nue. L'expérience montre l'importance de ce facteur sur la perte de longévité des pointes de sonde des thermocouples. Pour compléter la description du moyen de guidage précis du thermocouple, après son introduction par l'amont du tube venturi pour faire aboutir la pointe de bulbe au centre de la lumière (12) de la plaquette de guidage et de positionnement, il convient de remarquer que la section tubulaire, concave à l'intérieur, de la partie coudée du tube (convexe à l'extérieur), convient tout particulièrement au guidage automatique de la pointe de bulbe . Comme la ligne de talweg d'une rigole, il n'y a qu'une ligne de plus grande pente, et une seule, au fond de la concavité du tube, selon laquelle la pointe de sonde va glisser obligatoirement vers le centre de la lumière de la plaquette de positionnement, placée à l'aplomb de cette ligne de glissement. Dans le cas d'autres configurations d'appareils (Fig.2/3) , en particulier les brûleurs comportant un tube venturi (2) non coudé, qu'il soit vertical ou oblique, la figure (2/3) montre comment le guidage d'introduction et de positionnement du thermocouple par un fourreau adjacent (18) peut-être assuré de façon aussi rigoureuse, grâce à l'effet de "rigole" de l'intérieur du tube, immédiatement en amont de son débouché dans la chambre de diffusion. Il convient alors d'obturer, autour du conducteur externe du thermocouple l'extrémité libre du fourreau adjacent aussi bien pour ne pas perturber le flux air-gaz qu'empêcher tout retour de flux intempestif par le fourreau. La partie "combustion" du brûleur pris en référence de description (Fig.l/3)comporte enfin une chambre de combustion (6) dont le volume est délimité -par la face externe de la paroi de la chambre de diffusion citée plus haut -et par la face interne de l'enceinte extérieure de la dite chambre de combustion. C'est dans cet espace compris entre ces deux parois que se produit l'inflammation et la combustion du mélange air-gaz à haute température. Cette dernière pouvant atteindre plus ou moins 950 C. On remarquera donc que le thermocouple se trouve bien, quant à lui, entièrement séparé de cet espace où a lieu la combustion, puisque, même sa pointe de sonde (31) est de l'autre côté de la chambre de diffusion. Pour étendre l'application selon l'invention à d'autres brûleurs (Fig.3/3) ne comportant pas de chambre de diffusion, conique, cylindrique ou autre, mais seulement et au mieux une grille plate dite "accroche flamme" au niveau du débouché (7) du tube (2), il convient de prévoir à ce niveau, suivant le même principe que celui décrit précédemment, un espace calme et protégé. Cet espace est en fait une mini-chambre de diffusion (19)en métal réfractaire finement ajouré avec, à son entrée côté tube, une plaquette (11) avec lumière d'introduction (l2) de la pointe de sonde du bulbe. Cette plaquette doit être de surface inférieure à la section transversale de la mini-chambre de diffusion pour laisser le flux frais (donc non enflammé) du mélange air-gaz remplir par cette entrée le volume intérieur de la dite mini-chambre. On reconstitue ainsi les conditions de protection de l'extrémité sensible du thermocouple de même que l'on obtient la ventilation recherchée de la douille et du conducteur externe du thermocouple. On peut donc employer y compris dans ces autres configurations un thermocouple de constitution classique et l'agencer comme suit a)-côté pointe de sonde du bulbe la douille (14) d'assujettissement du bulbe de la pointe de sonde est utilisée sur ses premiers millimètres de jonction au bulbe comme palier d'appui dans la lumière (12) de la plaquette de guidage et de positionnement (11). La pointe de sonde, au niveau de sa soudure chaude (3), rencontre comme point de butée et d'appui la paroi interne de la chambre de diffusion. Dans la présente description de la configuration préférée, l'ensemble bulbe-douille du thermocouple se trouve calé, naturellement, par effet de "coin", entre ses deux points d'appui, ce calage étant favorisé par l'oblicité de la paroi conique de la chambre de diffusion. Dans d'autres configurations comme par exemple celle d'une chambre de diffusion cylindrique (20) l'effet de "coin" de l'ensemble bulbe-douille contre la grille de la chambre de diffusion est avantageusement obtenu, par exemple par une protubérance cylindro-conique (21)sur la douille (14), à l'aplomb amont de la plaquette de guidage et de positionnement. Cette protubérance (21), qui peut être une bague enfilée en force sur la douille, en prenant appui sur la paroi interne du tube venturi, donne à l'ensemble bulbe-douille l'oblicité qui pourrait lui manquer en raison de la verticalité de la paroi cylindrique de la chambre de diffusion. b)-Côté entrée du tube venturi II convient d'immobiliser le conducteur externe du thermocouple afin d'empêcher son recul et garantir ainsi la permanence du contact en butée de la pointe de sonde contre la paroi interne de la chambre de diffusion. Cet assujettissement précis du conducteur externe par rapport au tube venturi est assuré par deux moyens commodes dans le cas de la configuration décrite, -sur le tube venturi une vis de serrage (15) au niveau de l'entrée d'air bloque dans la position adéquate le conducteur externe (16) en le pressant contre le tube injecteur de gaz (10) -Sur le conducteur externe une saillie-repère (17), formant butée, empêche le conducteur de s'engager plus profondément dans le tube. Elle sert aussi de repère de positionnement si cet engagement est au contraire insuffisant. Un moyen intéressant de réalisation de cette saillie-repère (17) consiste à utiliser un segment de gaine thermorétractable présentant l'avantage d'être aisément enfilé dans le thermocouple avant chauffage de rétraction et d'être rigoureusement positionné après ce chauffage. Il va de soi que tous autres moyens donnant un résultat équivalent peuvent être utilisés, particulièrement dans le cas d'autres configurations, l'essentiel étant d'assurer le maintien systématique du thermocouple interne dans la position adéquate d'assujettissement. En résumé, par la description ci-dessus détaillée, le dispositif et les moyens d'agencement exposés permettant l'utilisation d'un thermocouple classique, par son installation à l'intérieur du conduit d'arrivée du mélange air-gaz pour assurer à la fois les fonctions de sécurité froide et de sécurité chaude pour des brûleurs "hautes températures" - en s'affranchissant de la limite de température au dessus de laquelle la résistance matérielle du thermocouple n'est plus assurée. - en utilisant, en cas de combustion interne dans le conduit d'arrivée du mélange air-gaz , l'inversion de température entre la soudure chaude et la soudure froide du thermocouple en raison de son échauffement à l'intérieur du conduit où le mélange air-gaz est entré en combustion. Le résultat est l'interruption rapide de cette prise de feu à l'injecteur par effondrement de la force électromotrice dont la conséquence finale est la fermeture de l'arrivée du gaz. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'agencement, de guidage et de positionnement d'un thermocouple classique par l'intérieur du conduit air-gaz d'un brûleur à gaz assurant à la fois les fonctions de sécurité froide et de sécurité chaude, Caractérisé en ce que a)-la partie aval du conducteur externe du thermocouple, côté pointe de sonde (3), pénètre à l'intérieur du conduit (2) d'arrivée du mélange air-gaz. b) A l'intérieur de la chambre de diffusion (5) - La pointe de sonde (3) du bulbe (4) bute en appui sur la surface interne de la zone de contact (13) de la paroi ajourée de la chambre de diffusion (5), la base de la douille (14) de support du bulbe (4) étant également calée en appui dans la lumière (12) de la plaquette de guidage et de positionnement (11). -la plaquette (11), fixée transversalement à la section du débouché (7) du conduit air-gaz (2) présente une surface de dimension appropriée pour remplir la fonction d'écran de ralentissement localisé du flux air-gaz au niveau de la zone de contact (13) avec la surface interne de la chambre de diffusion (5). -la plaquette (11) est assujettie : .soit au débouché du conduit air-gaz (2) .soit à la base de la chambre de diffusion côté débouché (7) du conduit 2) Dispositif selon la revendication I Caractérisé en ce que la douille support du bulbe (l4) peut être munie, si nécessaire, dans l'une quelconques des applications, d'une protubérance (21) dont le profil détermine l'inclinaison et le calage adéquat de la pointe de sonde (3) contre la zone de contact (13) de la surface interne de la paroi de la chambre de diffusion (5). 3) Dispositif selon la revendication I Caractérisé en ce que, dans le cas où le corps du brûleur est organisé autour d'un axe vertical, avec un conduit air-gaz (2) essentiellement vertical côté débouché (7), la partie aval du thermocouple, côté pointe de sonde (3), pénètre à l'intérieur du conduit air-gaz (2) en amont du débouché par un fourreau adjacent de guidage (18) rejoignant le dit conduit (2). Le conducteur externe du thermocouple est alors solidarisé au niveau de sa saillie-repère (22) à l'extrémité libre du fourreau adjacent par un élément de blocage et d'obturation (23). 4) Dispositif selon la revendication I Caractérisé en ce que, dans le cas où le corps du brûleur comporte un conduit air-gaz coudé, La partie aval du thermocouple côté pointe de sonde (3), pénètre à l'intérieur du dit conduit air-gaz (2) par l'extrémité amont du tube venturi (2) côté entrée mélange air-gaz, le conducteur externe (16) du thermocouple étant alors solidarisé au niveau de sa saillie repère (15) par un moyen de blocage (17). 5) Dispositif selon la revendication I Caractérisé en ce que, dans le cas des brûleurs ne comportant pas de chambre de diffusion mais seulement et au mieux une grille "accroche flamme", une mini chambre de diffusion (l 9) et une plaquette de guidage et de positionnement (11) sont intégrées au niveau du débouché (7) du conduit (2) du mélange air-gaz à l'entrée de la chambre de combustion (6).