Brevet FR2824628A1 — publié le 20021115

un mitigeur thermostatique (26). 1 2824628 CHAUDIERE A EXTRACTEUR DE FUMEE L'invention concerne les appareils de chanffage utilisant un système de forçage des flux de gaz tels que les chaudières à gaz munies d'extracteur de fumée, et plus précisément la sécurité de telles chaudières à la mise en route et en fonctionnement. Une chaudière à gaz est un appareil de chauffage par combustion d'un gaz; elle présente un brûleur alimenté par une vanne de gaz et une tuyauterie ou conduite d'évacuation des gaz. D'autres éléments, tels qu'électrode d'allumage, échangeur de chaleur, sans incidence sur le fonctionnement de l'invention, ne sont pas décrits ici. Pour de tels appareils, les directives 90/396/CEE et 92/42/CEE, 93/58/CEE, les normes européennes EN 437, EN 483, EN 26, la norme expérimentale française pour les chaudières fuel de type C XP-D-35430 prévoient un arrêt ou une mise en sécurité de l'appareil avant que la combustion ne se détériore. Plus précisément, la norme EN 483 impose que 1'appareil ne puisse fonctionner que si le taux de monoxyde de carbone, ramené dans les conditions st_chiométriques, est inférieur, par exemple à 1000 ou 2000 ppm, suivant les conditions d'essais. Les chaudières peuvent être munies d'un extracteur de fumée, qui assure le refoulement vers une conduite d'évacuation des gaz bralés de la chambre de combustion de la chaudière, et donc l'aspiration d'air frais dans la chambre de combustion; dans ce cas, pour être conforme aux normes en vigueur, il suffit que l'extracteur assure un déhit d' air suffisant et donc une dépression pour obtenir une combustion répondant aux exigences des normes en vigueur. Il a donc été proposé sur les chaudières actuelles un ensemble de prises de pression relié à un pressostat, et de ne perrnettre la mise en route de la chaudière que si le débit d'air, indiqué par la pression mesurée par le pressostat, est suffisant. La prise de pression peut être disposce dans l'extracteur lui-même, ou encore dans la conduite d'évacuation. En pratique, à la mise en route de la chaudière, la vanne gaz de l'appareil ne laisse passer le gaz vers le bruleur que si la pression mesurée est supérieure à une première valeur de consigne. Au cours du fonctionnement de la chaudière, la pression mesurée par le pressostat doit rester supérieure à une deuxième valeur de consigne; si tel n'est pas le cas, la chaudière s'arrête; ceci peut résulter notamment d'une baisse de tension, d'une détérioration de l'extracteur, d'une chemince bouchée. Les valeurs de consignes sont réglées par le fabricant lors du développement de la chaudière. Une chaudière présentant un tel extracteur avec une prise de pression dans la conduite de refoulement de 1'extracteur et un pressostat est commercialisoe, à titre d'exemple, par la société GLOW WORM sous la référence Compact. Ces chaudières connues assurent un fonctionnement conforme aux normes en vigueur. Elles présentent toutefois l'inconvénient de nécessiter un équipement H:\DACrYLO\176(0\17690 doc - 9/05/01- 1/0 2 2824628 complexe - prise de pression, pressostat - à monter sur l'extracteur ou dans la conduite d'évacuation des gaz. EP-A-O 981 025 décrit une chaudière à gaz, qui comprend un ventilateur pour l'injection de l'air servant de comburant au gaz. La vitesse de rotation du ventilateur est commandée en fonction de l'ouverture de la vanne d'admission de gaz; celle-ci est commandée par un capteur de température. Ce document propose une solution au problème de l'influence de la longueur du tuyau d'évacuation des gaz brûlés sur le fonctionnement de la chaudière; il saggère de prévoir plusieurs courbes de vitesse de rotation du ventilateur en fonction du débit de gaz; ces différentes courbes correspondent, pour un modèle de chaudière donné, à plusieurs longueurs possibles du tuyau d'évacuation des gaz brûlés. Ce document ne mentionne en rien la mise en route de la chaudière ou son arrêt de la chaudière en cas de combustion incomplète: de fait, le ventilateur d'injection assure une présence suffisante d'air pour la combustion. Par ailleurs, WO-A-98 40751 décrit un moteur muni d'un capteur de vitesse à effet Hall; la vitesse de rotation du rotor magnétique du moteur est détectée par un capteur à effet Hall présent sur un circuit imprimé; celui-ci présente des broches de soudage ou des surfaces de contact et est intégré dans un élément du moteur. Le moteur décrit dans ce document est adapté à un usage dans les véhicules automobiles, par exemple pour les fenêtres, dossiers de sièges, assises de sièges, rétroviseurs, etc. L'invention propose une solution au problème de la détection des conditions de fonctionnement dans les chaudières à extracteurs; elle propose de détecter les conditions de fonctionnement de la chaudière à partir de la vitesse de rotation de l'extracteur, et non plus à partir de la pression; cette détection est plus simple à mettre en _uvre, et ne nécessite pas non plus de monter une prise de pression dans le passage de refoulement. Le capteur n'est pas soumis aux conditions de température et de pression que subissent les pressostats de l'état de la technique. Plus précisément, I'invention propose une chaudière présentant une vanne de contrôle du déhit de gaz fournissant du gaz à un brûleur, un extracteur de fumée aspirant les produits de combustion du brûleur, un capteur de la vitesse de rotation de l'extracteur de fumée, et un circuit de contrôle commandant la vanne en fonction de la vitesse de rotation captée par le capteur de vitesse. Le circuit de contrôle ouvre la vanne lorsque la vitesse de rotation est dans une première plage prédéterminée. Le circuit de contrôle ferme la vanne lorsque la vitesse de rotation sort d'une deuxième plage prédéterminée. H:\DACIYLO\17600\17690 doc - 9/05/01 - 2/10 3 2824628 Dans un mode de réalisation, la borne supérieure de la première plage est inférieure à la borne supérieure de la deuxième plage. Dans un mode de réalisation, le capteur de vitesse est un capteur à effet Hall. L'invention concerne également un procédé de contrôle du fonctionnement d'une chaudière présentant une vanne de contrôle du débit de gaz fournissant du gaz à un brûleur, un extracteur de fumée aspirant les produits de combustion du brûleur et un capteur de la vitesse de rotation de l'extracteur de fumée, le procédé comprenant les étapes de: - mesure de la vitesse de rotation de l'extracteur à l'aide du capteur; - commande de la vanne de contrôle en fonction de la vitesse mesurée. Lorsque la vitesse de rotation est dans une première plage prédétermince, l'étape de commande comprend l'ouverture de la vanne. Lorsque la vitesse de rotation sort d'une deuxième plage prédéterminée, l'étape de commande comprend la fermeture de la vanne. Dans un mode de réalisation, la borne supérieure de la première plage est inférieure à la borne supérieure de la deuxième plage. Dans un mode de réalisation, l'étape de mesure comprend la mesure de la vitesse à l'aide d'un capteur à effet Hall. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de 1'invention, donnée à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés qui montrent: - figure 1, une représentation schématique d'une chaudière à extracteur de fumée; - figure 2, une courbe de la vitesse de rotation en fonction du débit pour un extracteur de fumoe; - figure 3, une vue en perspective éclatée d'un extracteur de fumée. L'invention propose, pour les appareils de chauffage utilisant un système de forçage des flux de gaz, de contrôler la mise en route ou l'arrêt de la chaudière à partir d'une information sur la vitesse de rotation de l'extracteur de fumée. On donne dans la suite une description de l'invention en référence à la chaudière de production d'eau chaude domestique représentée à la figure 1, étant entendu que l'invention s'applique aussi à des appareils d'autres types. La figure 1 montre une représentation schématique d'une chaudière à extracteur de fumée. La chaudière 1 est reliée à une conduite d'admission de gaz, qui débouche sur une vanne 2 de contrôle du débit de gaz. Le gaz sortant de la vanne 2 est fourni à un brûleur 4, o il est mélangé à 1'air servant de comburant et brûlé. Un échangeur de chaleur 6 assure le chauffage de l'eau qui le traverse. Un extracteur de fumée est situé audessus de l'échangeur de chaleur 6; il comprend une volute 10 dans laquelle tourne une turbine 12 entrâînée en rotation par un moteur 14. La rotation de la turbine H:\DACTYLO\17600\17690 doc - 9/05/01 - 3/10 4 2824628 dans la volute aspire le mélange d'air et de produits de combustion, désignés par la suite par gaz brûlés, et le refoule vers une conduite d'évacuation 16. L'extracteur de fumée peut être intégré à la chaudière ou monté entre celle-ci et la conduite d'évacuation, sans que ceci n'ait d'incidence sur le fonctionnement. Est prévu sur I'extracteur de fumée un capteur 18 de vitesse de rotation, qui mesure la vitesse de rotation de la turbine de l'extracteur. La chaudière comprend enfin un circuit de contrôle 20; celui-ci re,coit les signaux de mesure de vitesse de rotation provenant du capteur 18; en outre, le circuit 20 contrôle 1'ouverture de la vanne 2. Le circuit peut aussi exercer d'autres fonctions, et par exemple commander la mise en route du moteur 14 de 1'extracteur, détecter que la chaudière doit être allumoe, etc. Sur la figure 1, la chaudière peut comprendre en outre une vanne de sécurité 3 permettant l'arrêt de la chaudière si, par exemple, une fuite est détectée. Par ailleurs, une arrivée d'air frais 5 peut être prévue au-dessus du moteur. La figure 2 montre un diagramme de vitesse de rotation de la turbine d'un extracteur, en fonction du débit à travers l'extracteur; la courbe donnée à titre d'exemple à la figure 2 correspond à un extracteur du type ES3098, commercialisé par WSC. Les caractéristiques de cet extracteur sont les suivantes: - plage de détit: 0 à 90 m3/h; - puissance électrique absorbée: 50 Watts. Comme le montre la figure 2, la vitesse de l'extracteur est une fonction décroissante du débit, qui est sensiblement linéaire pour des déhits faibles, puis décroît plus fortement à mesure que le débit augmente. Dans toute la plage de fonctionnement, la fonction reste bijective, c'est-àdire qu'une seule valeur de débit correspond à une valeur donnée de vitesse dans la plage de vitesses possibles. La courbe de la figure 2 correspond à un extracteur donné; une courbe de même allure est obtenue pour d'autres modèles d'extracteurs. On a en outre porté sur la figure 2 deux valeurs de débit d'air, avec les vitesses correspondantes de la turbine de l'extracteur. La première valeur de 55 m3/h, qui correspond à une vitesse de 2520 t/min - point de fonctionnement marqué A sur la courbe - est la valeur minimale de débit nécessaire à la mise en route de la chaudière. Cette valeur est calculée ou déterminée expérimentalement, pour un modèle de chaudière donné, en fonction du débit de gaz à la mise en route de la chaudière; on peut notamment utiliser une mesure du taux de CO au refoulement de l'extracteur pour diverses valeurs de la vitesse de rotation. Cette valeur assure un débit d'air frais suffisant pour une combustion répondant aux exigences des normes en vigueur. La deuxième valeur de 44 m3/h portée sur la figure 2 correspond au point de fonctionnement marqué B sur la courbe, et à une vitesse de rotation de 2620 t/min. Cette valeur correspond au débit minimal et à la vitesse maximale admis en cours de H:\DACIYLO\17600\17690 doc - 9/05/01 - 4/10 fonctionnement de la chaudière pour assurer une combustion conforme aux normes en vi gueur. D e nouveau, ces valeurs p euvent être c al cu lées ou déterminées expérimentalement, pour une chaudière donnée, en fonction du débit de gaz maximal admis en cours de fonctionnement. La valeur de vitesse de rotation au point B est supérieure à la valeur de vitesse de rotation au point A, de telle sorte que la valeur de débit au point A est supérieure à la valeur de déhit au point B. Le fonctionnement de la chaudière de la figure 1 est le suivant. A la mise en route, l'extracteur 8 est d'abord mis en marche, le moteur 14 entraînant en rotation la turbine 12. L'allumage de la chaudière - l'ouverture de la vanne 2 de contrôle du débit gaz - n'est possible que si la vitesse de rotation de la turbine est inférieure à la valeur de 2520 t/min correspondant au point A de la figure 2. On assure ainsi que le débit dans l'extracteur- autrement dit la quantité d'air frais aspiré dans la chambre de combustion et pouvant servir de comburant - est supérieure à 55 m3/h. De la sorte, la combustion à la mise en marche de la chaudière respecte les contraintes fixées par les normes en vigueur. Autrement dit, le circuit de contrôle 20 n'ouvre la vanne 2 que si la vitesse de rotation captée par le capteur 18 se trouve dans une plage donnée, qui correspond à une mise en route dans des conditions de sécurité prédéterminces - dans l'exemple celles de la norme EN483. En cours de fonctionnement de la chaudière, on contrôle le déhit d'air, de sorte à assurer que la combustion respecte les contraintes des normes en vigueur. Si la chaudière fonctionne à régime constant- i.e. avec une ouverture constante de la vanne de déhit de gaz lorsque la chaudière est allumée - la vitesse de rotation de l'extracteur est réglée à une valeur de consigne qui correspond au déDit d'air assurant un rendement maximal de la chaudière. La vitesse de rotation de l'extracteur peut varier, pour de multiples raisons: baisse de tension, conduite d'évacuation bouchée, ou autres. Dans ce cas, la chaudière est arrêtée si la combustion est incomplète. Dans l'exemple de la figure 2, la combustion est interrompue si la vitesse de 1'extracteur est supérieure à la vitesse de 2520 t/min correspondant au point B ou inférieure à la vitesse de 2420 t/min correspondant au point A. Il est aussi possible de contrôler le fonctionnement d'une chaudière dans laquelle la vanne de contrôle du débit de gaz présente une ouverture variable au cours du fonctionnement. Dans ce cas, on peut contrôler le débit d'air grâce à la vitesse de l'extracteur, pour assurer un rendement constant ou optimal de la chaudière. Comme dans l'exemple précédent, on peut arrêter la chaudière si le rendement est insuffisant, i. e. si la vitesse de rotation de 1'extracteur est telle que le débit n'assure pas une aspiration d'air frais correspondant à une combustion complète ou quasicomplète. Dans un cas comme dans l'autre, la chaudière est arrêtée en fonction de la vitesse de l'extracteur, si le débit d'air n'est plus suffisant pour assurer une H:\DACTYLO\17600\17690.doc - 9105101 - 5110 6 2824628 combustion correcte: le circuit de contrôle 20 ferme la vanne 2 si la vitesse de rotation captée par le capteur 18 sort d'une plage de vitesses donnée, qui correspond à un fonctionnement de la chaudière dans des conditions de sécurité prédéterminces dans l'exemple, celles de la norme EN483. S On comprend que le contrôle de la mise en marche de la chaudière peut être mis en _uvre indépendamment de l'arrêt de la chaudière au cours de son fonctionnement; notamment, si l'on dispose d'un autre moyen de contrôler la mise en marche de la chaudière, on peut n'utiliser la mesure de vitesse de l'extracteur que pour arrêter la chaudière. Inversement, si l'on dispose d'un autre moyen d'arrêter la chaudière tel que la vanne de sécurité 3, on peut n'utiliser la mesure de vitesse de l'extracteur que pour contrôler la mise en route de la chaudière. La figure 3 montre une vue en perspective éclatée d'un extracteur de fumoe; dans le mode de réalisation de la figure, I'extracteur est muni d'un capteur de vitesse utilisant l'effet Hall. Cet effet est connu en soi; un capteur à effet Hall est constitué d'un détecteur qui réagit au passage d'un champ magnétique. La figure 3 montre donc d'une part la volute 10 de 1'extracteur, avec sa turbine. Le moteur 14 présente un arbre 22 en saillie par rapport au moteur à ses deux extrémités. Une des exkémités de l'arbre 22 du moteur entraîne la turbine 12. A l'autre extrémité du moteur est disposé le capteur de vitesse 18. Comme le montre la figure, un support d'aimant 24 est fixé sur 1'arbre; il supporte un aimant 26. On utilise un aimant multipolaire, dans l'exemple un aimant à 24 pôles. L'aimant est donc entraîné en rotation à la même vitesse que l'arbre du moteur. Un griffe-axe 28, formé d'une rondelle présentant des fentes radiales intérieures maintient l'aimant et le support d'aimant en translation. Le capteur est complété par un circuit imprimé 30 présentant une cellule à effet Hall, qui est montée dans un capot 32 fixé sur le moteur. La rotation de l'arDre du moteur engendre une rotation correspondante de l'aimant devant la cellule à effet Hall; celle-ci fournit un signal de sortie en créneaux dont la fréquence est représentative du nombre de pôles Nord passant par seconde devant la cellule. La vitesse de rotation de l'arDre en t/min s'obtient en divisant la fréquence du signal fourni par le capteur par la moitié du nombre de pôles de l'aimant. Le circuit imprimé 30 peut aussi comprendre un diviseur ou tout autre circuit adapté à traiter le signal de vitesse avant de le fournir au circuit de contrôle de la chaudière. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art. Ainsi, I'invention ne s'applique pas uniquement aux chaudières du type représenté à titre d'exemple à la figure 1; on pourrait notamment changer la position de l'extracteur dans la chaudière en la mettant au niveau de H:\DACTYL0\17600\17690 doc - 9/05/01 - 6/10 7 2824628 I'arrivée d'air frais. De même, on peut utiliser un autre extracteur que celui représenté à la figure 3; par exemple, la forme de la volute, de la turbine ou plus généralement de la partie aérodynamique de l'extracteur peut différer de celle de l'extracteur de la figure 3; ainsi la turbine peut être en matière plastique, la volute S peut présenter une forme ronde ou carrée. Le sens de rotation de la turbine peut être inversé en changeant l'orientation des aubes. Enfin, comme indiqué plus haut, un capteur à effet Hall n'est qu'un des moyens possibles pour obtenir une information de vitesse de rotation de la turbine de l'extracteur; on pourrait aussi utiliser un capteur optique, ou encore une mesure fonction de la consommation du moteur, de la puissance absorbée, de courants, du déphasage. Dans la description qui précède, on a mentionné quelques normes à respecter; il est aussi possible d'utiliser la mesure de la vitesse de l'extracteur de fumée pour respecter des contraintes autres que celles imposces par ces normes. En ce sens, ces normes doivent être comprises simplement comme un exemple des contraintes imposoes aux gaz rejetés par une chaudière. H:\DACIYLO\17600\17690.doc - 9/05/01 - 7/10 8 2824628 REVENDICATIONS 1. Une chaudière (1) présentant une vanne de contrôle (2) du déhit de gaz fournissant du gaz à un brûleur (4), un extracteur de fumée (8) aspirant les produits de combustion du brûleur, un capteur (18) de la vitesse de rotation de l'extracteur de fumoe, et un circuit de contrôle (20) commandant la vanne (2) en fonction de la vitesse de rotation captée par le capteur de vitesse (18). 2. La chaudière de la revendication 1, caractérisoe en ce que le circuit de contrôle (20) ouvre la vanne (2) lorsque la vitesse de rotation est dans une première plage 1 0 prédéterminée. 3. La chaudière de la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le circuit de contrôle ferme la vanne (2) lorsque la vitesse de rotation sort d'une deuxième plage prédétermince. 4. La chaudière des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que la borne supérieure de la première plage est inférieure à la borne supérieure de la deuxième plage. 5. La chaudière de l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le capteur de vitesse est un capteur à effet Hall. 6. Un procédé de contrôle du fonctionnement d'une chaudière (1) présentant une vanne de contrôle (2) du débit de gaz fournissant du gaz à un brûleur (4), un extracteur de fumoe (8) aspirant les produits de combustion du brûleur et un capteur (18) de la vitesse de rotation de l'extracteur de fumée, le procédé comprenant les étapes de: - mesure de la vitesse de rotation de l'extracteur à l'aide du capteur; - commande de la vanne de contrôle (2) en fonction de la vitesse mesurée. 7. Le procédé de la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape de commande comprend l'ouverture de la vanne (2) lorsque la vitesse de rotation est dans une première plage prédétermince. H:\DACIYLO\17600\17690.doc - 9/0501 - 8/10 9 2824628 8. Le procédé de la revendication 6, caractérisé en ce que 1'étape de commande comprend la fermeture de la vanne (2) lorsque la vitesse de rotation sort d'une deuxième plage prédéterminée. 9. Le procédé des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la borne supérieure de 1a première plage est inférieure à la borne supérieure de la deuxième plage. 10. Le procédé de l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que 1'étape de mesure comprend la mesure de la vitesse à l'aide d'un capteur à effet Hall.