Brevet FR2821369A1 — publié le 20020830

FER A REPASSER A VAPEUR PULSEE La présente invention concerne les fers à vapeur où la vaporisation de l'eau est quasi instantanée. On connaît les fers à vapeur comprenant généralement un réservoir d'eau, une chambre de vaporisation chauffée pour évaporer rapidement l'eau qui lui parvient goutte à goutte du réservoir, une semelle chauffée comportant la surface de repassage, des trous de sortie de la vapeur étant ménagés dans la semelle. Les fers les plus simples comportent une vanne à débit réglable par où l'eau chute du réservoir dans la chambre de vaporisation sous l'effet de la gravité. La vapeur produite sort du fer vers l'atmosphère par des canaux et des trous de sortie constituant un circuit d'échappement de la vapeur. Mais la vapeur occupe un gros volume et parcourt le circuit d'échappement à vitesse élevée. Par suite des pertes de charge de ce circuit, la pression de la vapeur dans la chambre de vaporisation augmente. Par ailleurs, lorsque le fer à repasser est appliqué sur l'étoffe repassée, la sortie de vapeur par les trous de la semelle est contrariée et la pression dans la chambre de vaporisation augmente encore. Cette pression interne à la chambre de vaporisation s'oppose au passage de l'eau dans la vanne à débit réglable, ce qui diminue sensiblement la quantité suivante de vapeur produite. La surpression interne ne peut pas dépasser une valeur correspondante à la hauteur de la colonne d'eau comprise entre la sortie d'eau de la vanne et le niveau d'eau dans le réservoir, généralement de quelques centimètres. De ce fait la quantité de vapeur varie fortement pendant le repassage, suivant les étoffes et le support de repassage. Les pertes de charge étant proportionnelles au carré de la vitesse de la vapeur dans le circuit, la vitesse est limitée, en particulier la vitesse de sortie par les trous de la semelle, ce qui peut être un inconvénient pour la pénétration de la vapeur dans les étoffes. De plus on ne peut pas utiliser la vapeur dans un pulvérisateur, lequel nécessite beaucoup trop de pression pour son fonctionnement. Ces inconvénients justifient l'emploi, dans des fers plus élaborés, d'une pompe qui force le passage de l'eau depuis le réservoir jusqu'à la chambre de vaporisation, la pression délivrée par la pompe étant très supérieure à celle qui est générée par les pertes de charges. Mais cette solution augmente le prix du fer pour la valeur d'une pompe, de sa mise en place et de son dispositif d'alimentation si elle est électrique. On connaît aussi des dispositifs utilisant les variations de la pression de vapeur dans la chambre de vaporisation entre les périodes où le fer est posé sur le tissu et celles où il ne l'est pas, ceci afin de forcer le passage de l'eau. Un tel dispositif est décrit par exemple dans le brevet FR2626901. Mais ces dispositifs sont également coûteux et délicats. La vapeur peut aussi être mise sous pression élevée, ce qui résout ces problèmes. C'est le cas lorsque le fer comprend-ou est associé à-un générateur de vapeur ayant un bouilleur fermé dans lequel une masse d'eau bout lentement. Mais ces systèmes sont d'un prix élevé. L'objet de l'invention ci après est de pallier à ces inconvénients en proposant un fer économique dans lequel la pression moyenne de la vapeur générée est suffisamment élevée pour s'affranchir des surpressions dues au repassage et/ou pour permettre des vitesses de sortie de vapeur élevées et/ou pour permettre l'utilisation de la vapeur dans un pulvérisateur. Le but de l'invention est atteint par un fer à repasser comprenant un réservoir d'eau à la pression atmosphérique, l'eau du réservoir s'écoulant par un ajutage entre ce réservoir et une chambre de vaporisation chauffée et régulée, une semelle comportant la surface de repassage, des trous de sortie de la vapeur étant ménagés dans la semelle, remarquable en ce que le fer comprend des moyens de variation cyclique de la pression de la vapeur générée dans la chambre de vaporisation, autour d'une pression moyenne supérieure à celle qui correspond à la colonne d'eau disponible dans le fer. La figure 1 en annexe montre comment on obtient de manière étonnante un tel fer à repasser. Cette figure est un graphique du débit massique Q de vapeur en grammes par minute en fonction de la section totale S en millimètres carrés des orifices de sortie de la vapeur, pour différents diamètres de passage de l'ajutage d'un prototype. Les diamètres sont repérés sur chaque courbe. Le prototype équipé à l'origine d'un ajutage dont le diamètre était de 0,95mm avait une section initiale de sortie de vapeur de 80mm2. Des trous de sortie de vapeur ont été progressivement supprimés pour diminuer la section de sortie. Dans cette opération, jusqu'à une section de 25mm2 environ, on a vu le débit de vapeur diminuer lentement sans surprise. Puis en continuant ! a diminution, le fer a produit de manière surprenante de plus en plus de vapeur, jusqu'à 24 grammes par minute avec une section de sortie de vapeur de seulement environ 10 mm2, et avec une vitesse de sortie élevée. Simultanément on constate que le fer émet un bruit et que la pression moyenne dans la chambre de vaporisation augmente de façon très importante pour dépasser largement la valeur correspondante à la hauteur de la colonne d'eau alimentant l'ajutage. On constate avec satisfaction que la vapeur a alors une grande vitesse et un bon effet de pénétration dans les étoffes repassées, sans que l'application du fer sur l'étoffe diminue sensiblement le débit de vapeur. On constate que la pression varie de façon périodique. On constate aussi des refoulements de vapeur à travers l'ajutage. La vapeur se re-condense aussitôt dans le réservoir d'eau en provoquant de petites implosions à une cadence rapide. Le phénomène n'est pas clairement expliqué. Pour partie, on peut penser que la chambre de vapeur se comporte avec les trous de sortie comme une cavité résonante de Helmholtz qui serait excitée par la vaporisation de l'eau. Pour partie on peut penser que les implosions de la vapeur dans le réservoir juste au dessus de la vanne propulsent l'eau avec force dans la chambre comme le ferait une pompe. Comme la chambre de vaporisation est une cavité qui n'est pas dessinée pour avoir une fréquence de résonance basse du point de vue acoustique, on peut penser que les phénomènes se conjuguent et que lorsque assez d'énergie peut être maintenue dans le résonateur ainsi constitué, il oscille en générant d'importantes surpressions qui entraînent une pression moyenne élevée. Ceci s'obtient quand on ajuste correctement le passage de sortie de vapeur avec le passage dans l'ajutage. Par rapport aux fers connus il faut diminuer sensiblement la sortie de vapeur et augmenter le passage dans l'ajutage, ce qui, sans l'effet précédemment décrit, aurait pu faire craindre que la surpression de vapeur due à l'abondance de l'eau empêche le fonctionnement. La surpression est obtenue pour une valeur de la section de sortie de vapeur inférieure à une valeur critique. Pour des sections de sortie supérieures proches de cette valeur critique, le démarrage du mode de fonctionnement décrit s'obtient par un ébranlement ou une ouverture brutale de l'ajutage. Le fonctionnement peut alors présenter une instabilité, ce qu'on peut tenter d'expliquer par une perte d'énergie excessive par les trous de sortie, ou par une grande difficu ! té à transformer l'énergie de pression en une énergie cinétique suffisante. Cette énergie se charge normalement de créer une dépression temporaire dans la chambre et d'aspirer l'eau par l'ajutage. On a tracé sur la figure 1 différentes courbes d'un prototype relatives à des ajutages dont le diamètre de passage est différent. La zone ou le mode de fonctionnement cherché est stable et démarre spontanément est limitée vers la droite par une courbe A en trait tireté. Cette courbe représente les solutions d'une fonction f (S, Q) =0 qui peut être interpolée par un polynôme dans la zone utile. A titre d'exemple dans le cas particulier du prototype de la figure 1 cette fonction s'écrit : F (S, Q) =0. 00027Q3-0. 035Q2+1. 258Q-S+8.18 Avec S exprimé en millimètre carré et Q en grammes de vapeur produite par minute. La fonction F (S, Q) est nulle pour les points choisis sur la courbe en trait tireté, positive si on choisit un point M (S1, Q1) de fonctionnement stable et négative si le fonctionnement est instable. De préférence les passages dans les trous de sortie de vapeur et le diamètre de l'ajutage sont ajustés de telle sorte que la fonction F (S, Q) =m10-4Q3-n10-2Q2+pQ-S +q soit positive, dans laquelle Q est le débit massique de vapeur (en g/min) S est la section totale des orifices (en mm2) m est compris entre 1,5 et 3,5, de préférence 2,5 n est compris entre 2 et 4,5, de préférence 3,5 p est compris entre 1 et 2, de préférence 1,25 q est compris entre 7 et 10, de préférence 8 On ajuste donc les passages dans les trous pour se trouver dans la zone où la fonction F (S, Q) décrite est positive, c'est à dire située à gauche du trait tireté dans le cas particulier de la figure 1. On peut non seulement ajuster la section des passages mais aussi leur longueur afin d'ajuster les effets d'inertie de la vapeur circulant dans ces passages à vitesse élevée. De préférence l'ajutage est constitué du passage d'une vanne à débit réglable. La section de sortie de vapeur est choisie pour convenir à une large gamme d'ouvertures de la vanne, de façon à maintenir un réglage de débit aisément possible dans le mode de fonctionnement décrit. Dans une deuxième version, le fer comporte un clapet anti-retour entre le réservoir et la chambre de vaporisation. Le clapet et la vanne réglable peuvent avantageusement être combinés pour ne faire qu'un sous ensemble. Dans cette version le fonctionnement est beaucoup plus critique avec les chambres de vaporisation et les circuits de vapeur connus. En effet le clapet anti-retour supprime les petites implosions décrites plus haut. De préférence le circuit de vapeur comporte des passages allongés où la vapeur circule à grande vitesse qui constituent avec le clapet et la chambre de vaporisation un circuit de vapeur oscillant stable. On retrouve ainsi la stabilité de fonctionnement. La vapeur est contrainte avant de s'échapper de parcourir à grande vitesse un ou des passages relativement longs et de faible section par rapport aux circuits de vapeur connus. De ce fait une grande masse de vapeur est mise en vitesse dans les passages pendant la vaporisation et acquiert de l'énergie cinétique transformant ainsi l'énergie de pression générée dans la chambre de vaporisation. Lorsque la vaporisation de l'eau introduite dans la chambre se termine, cette énergie cinétique contribue à vider la chambre de sa vapeur restante pendant un laps de temps suffisant, provoquant l'ouverture du clapet, une nouvelle admission d'eau, une nouvelle vaporisation, et le cycle recommence. La fréquence de fonctionnement n'est pas égale à la fréquence de résonance acoustique du circuit de vapeur car la haute pression dure tant que l'eau admise brutalement n'est pas toute évaporée. Aussi il suffit que le circuit ait assez d'énergie pour ouvrir le clapet en fin d'évaporation pour que le système fonctionne. On retrouve un fonctionnement caractéristique similaire à celui décrit en figure 1 si on remplace en abscisse la section S par un produit comprenant la section et l'inverse de la longueur du circuit de sortie. L'ensemble peut donc être ajusté pour obtenir les oscillations spontanées et stables. Dans une troisième version de l'invention le fer à repasser comprend un clapet à passage fixe faisant office d'ajutage entre le réservoir et la chambre de vaporisation. Cette version fonctionne comme la précédente, mais le débit de vapeur est limité par le circuit de sortie de la vapeur. De préférence le fer à repasser comporte en outre une vanne de réglage du débit de vapeur située sur le circuit de vapeur. On limite le débit de vapeur en agissant sur le circuit de vapeur plutôt que sur le circuit d'eau comme dans la deuxième version. Par ailleurs le fonctionnement des oscillations est le même que dans cette deuxième version. L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples ci après et des dessins annexés. La figure 1 est, comme on a déjà pu le voir, un diagramme des courbes caractéristiques du débit massique de vapeur d'un fer selon l'invention en fonction de la sortie de vapeur. La figure 2 est un diagramme des courbes caractéristiques du débit massique de vapeur d'un fer selon l'invention en fonction de la sortie de vapeur au voisinage du fonctionnement à sortie de vapeur SO constante. La figure 3 est le diagramme de la courbe caractéristique du débit massique de vapeur d'un fer selon l'invention ayant un passage d'admission d'eau maximal et constant ainsi qu'une section de sortie de vapeur variable. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un fer selon une première version de l'invention. La figure 5 est une section montrant le clapet d'un fer selon une deuxième version de l'invention. La figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'un fer selon une deuxième version de l'invention. La figure 7 est une vue de détail en coupe longitudinale d'un fer selon une troisième version de l'invention. La figure 8 est une vue en coupe longitudinale d'un fer selon une troisième version de l'invention. Dans une première version de l'invention représentée sur la figure 4, le fer 1 comporte un réservoir d'eau 2, une semelle 3 en liaison thermique avec un corps chauffant 4 incluant une chambre de vaporisation 5 fermée par une plaque 6 et muni d'un élément chauffant 7. Le corps 4 est régulé en température par un thermostat 22. Un dispositif de goutte à goutte 8 ménage un passage de l'eau du réservoir 2 vers la chambre de vaporisation 5. Le goutte à goutte a un orifice 9 dont la section peut être réduite par un pointeau 10. La vapeur produite dans la chambre de vaporisation instantanée 5 est recueillie par des passages ou canaux 11. Elle s'échappe dans l'atmosphère par un ou des passages calibrés 12. De préférence la vapeur est ensuite répartie sous la semelle 3 par une chambre de répartition 13 d'où elle s'échappe par les trous 14 de la semelle vers le tissu à repasser. En se reportant à la figure 1 correspondant au prototype, on constate qu'en réduisant suffisamment la section S des orifices 12 on obtient des régimes de fonctionnement qui comprennent une composante pulsatoire et correspondent à la fois à des maximums de débit de vapeur et de pression moyenne interne de vapeur. Ces régimes ont un fonctionnement spontané et stable quand les valeurs sont choisies à gauche de la courbe A tiretée sur le diagramme. On choisit un passage maximal de l'orifice 9 du dispositif goutte à goutte 8 correspondant par exemple à la courbe C0 de la figure 2 et on choisit de calibrer la sortie de vapeur 12 avec une section SO, repérée en abscisse de la figure 2. Le point M représente alors le fonctionnement où la vaporisation est maximale. La section SO est choisie en relation avec la courbe C0 pour que ce point M soit situé dans la zone de stabilité. Lorsque le pointeau se ferme et que le débit d'eau diminue, le point de fonctionnement m se déplace sur le diagramme de la figure 2 en quittant verticalement la courbe C0 pour se rapprocher de l'axe des abscisses parallèlement à l'axe des ordonnées. La section SO est choisie pour que dans cette opération le déplacement du point de fonctionnement coupe un maximum de courbes caractéristiques dans la zone de stabilité pour permettre un réglage sans aléas. Dans ces conditions quand le fer est chaud et que l'utilisatrice met la vaporisation en marche, la vapeur est produite spontanément dans un régime pulsatoire dont elle ne perçoit pas les vibrations. La vapeur générée à haute pression franchit les passages de sortie étroits 12, dont la perte de charge est très supérieure aux pertes de charge que le repassage peut engendrer. La vapeur est émise avec force et traverse facilement les étoffes ce qui rend le repassage plus facile, ou nécessite moins de vapeur à travail égal. Ceci contribue à maintenir une ambiance de travail saine. Par ailleurs on constate que les variations de pressions empêchent le tartre de se déposer sur les organes sensibles tels que le boisseau, et il devient pulvérulent pour une grande partie. Il s'évacue facilement avec la vapeur. De ce fait on a pu, dans une deuxième version de l'invention, ajouter un clapet à l'orifice d'admission d'eau comme indiqué en figure 5. Le clapet est par exemple constitué par une bille 15 disposée dans un alésage en bout de l'ajutage 9. Normalement ouvert par le poids de la bille, le clapet laisse passer l'eau du réservoir 2 tant que la pression dans la chambre 5 est faible, et se ferme ensuite. Dans une réalisation préférentielle de cette version représentée en figure 6, les canaux 11 sont allongés et calibrés avec le même soin que les orifices de sortie 12 de façon à ce que les grandes vitesses de déplacement concernent plus de vapeur. En fin d'évaporation de l'eau préalablement admise dans la chambre, le système dispose alors de plus d'énergie pour créer une dépression dans la chambre 5 et ouvrir le clapet. Les canaux 11 ont alors leur entrée 16 éloignée de la sortie par les orifices 12. Au besoin, la longueur des canaux 11 peut encore être augmentée par exemple par un tube 17 enroulé et ayant une entrée dans la chambre 5, comme on peut le voir en figure 7. On constate que le fonctionnement présente beaucoup de similitudes avec le fonctionnement de la précédente version, avec l'avantage qu'il n'y a pas de refoulements dans le réservoir. Une troisième version de l'invention, dérivée de la précédente et représentée en figure 8, utilise un passage de l'eau du réservoir 2 dans la chambre 5 à travers un orifice calibré 9 et muni d'un clapet ayant une bille 15. Mais l'ajutage ainsi constitué de comporte pas d'organe de réglage de débit d'eau. Le circuit de vapeur est muni d'un réglage de débit de vapeur 20 constitué par exemple d'un pointeau ou d'un boisseau agissant à la jonction des canaux 11 avec les orifices 12. Le passage de l'eau dans l'orifice 9 étant constant on utilise qu'une seule des courbes caractéristiques similaires à celles précédemment décrites, par exemple la courbe C0 de la figure 3 correspondant au maximum des possibilités de vaporisation. Le dispositif de réglage 20 étant en pleine ouverture, il correspond au point Sm de la caractéristique de la sortie et au point M de fonctionnement. On calibre les canaux 11 pour que ce point de fonctionnement à pleine puissance soit situé dans la zone de stabilité. Lorsque le dispositif de réglage ferme la sortie, le point S'm se rapproche de l'origine des abscisses et le point de fonctionnement m suit la courbe C0 avec un débit de vapeur correspondant, en se rapprochant des origines du diagramme. Dans les essais réalisés, la courbe A délimitant la zone de stabilité est concave vers les origines, aussi cette variante de réalisation de l'invention donne plus de précision et de stabilité des fonctionnements à faibles débits, au prix d'un arrangement à peine plus complexe. A cette construction on peut aussi adjoindre un clapet 21 pour fermer le passage de l'eau vers la chambre 5 lorsque l'utilisatrice veut repasser à sec. Quelle que soit la version, la vapeur sort avec suffisamment de force pour pouvoir être utilisée dans un pulvérisateur. Il suffit pour cela d'aiguiller la sortie de vapeur par un commutateur vers un pulvérisateur plutôt que vers la chambre de distribution de vapeur 13. De nombreuses variantes peuvent être conçues sans sortir du cadre de l'invention. On pourrait par exemple utiliser un organe de régulation du débit de vapeur dans la première version décrite. On peut aussi sans difficulté adapter l'invention à des semelles et des chambres de vapeur différentes de celles qui sont illustrées, entre autres l'adaptation peut concerner des fers à plusieurs éléments chauffants. REVENDICATIONS 1. Fer à repasser (1) comprenant un réservoir d'eau (2) à la pression atmosphérique, l'eau du réservoir s'écoulant par un ajutage entre ce réservoir (2) et une chambre de vaporisation (5) chauffée et régulée, une semelle (3) comportant la surface de repassage, des trous (12) de sortie de la vapeur étant ménagés dans la semelle (3), caractérisé en ce que le fer (1) comprend des moyens de variation cyclique de la pression de la vapeur générée dans la chambre de vaporisation (5), autour d'une pression moyenne supérieure à celle qui correspond à la colonne d'eau disponible dans le fer. 2. Fer à repasser selon la revendication précédente caractérisé en ce que les trous de sortie de vapeur (12) et le diamètre du passage (9) de la vanne (8) sont ajustés de telle sorte que la fonction F (S, Q) =m10' Q-n10'+pQ-S +q soit positive, dans laquelle Q est le débit massique de vapeur (en g/min) S est la section totale des orifices (en mm2) m est compris entre 1,5 et 3,5, de préférence 2,5 n est compris entre 2 et 4,5, de préférence 3,5 p est compris entre 1 et 2, de préférence 1,25 q est compris entre 7 et 10, de préférence 8 3. Fer à repasser selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'ajutage est constitué par le passage (9) d'une vanne (8) à débit réglable. 4. Fer à repasser selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que le fer (1) comporte un clapet anti-retour (15,9) entre le réservoir (2) et la chambre de vaporisation (5). 5. Fer à repasser selon la revendication précédente caractérisé en ce que le circuit de vapeur comporte des passages (11) allongés, où la vapeur circule à grande vitesse, qui constituent avec le clapet (15,9) et la chambre de vaporisation (5) un circuit de vapeur oscillant spontanément et stable. 6. Fer à repasser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fer comprend un clapet à passage fixe (9) faisant office d'ajutage entre le réservoir (2) et la chambre de vaporisation (5). 7. Fer à repasser selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte en outre une vanne de réglage (20) du débit de vapeur située sur le circuit de vapeur. 8. Fer à repasser selon la revendication précédente caractérisé en ce que le circuit de vapeur comporte des passages (11) allongés, où la vapeur circule à grande vitesse, qui constituent avec le clapet et la chambre de vaporisation (5) un circuit de vapeur oscillant spontanément et stable.