Brevet FR2852547A1 — publié le 20040924

L'invention concerne un appareil à fonctionnement à gaz comprenant une première chambre d'un premier volume comprenant des moyens pour enflammer un gaz combustible et générer une flamme, une deuxième chambre d'un deuxième volume et des moyens de mise en communication des deux chambres agencés pour permettre le passage de la flamme. L'invention concerne plus particulièrement un appareil de scellement à gaz à combustion interne, dans lequel un piston est propulsé sous l'action de l'explosion d'un mélange de gaz et d'air pour, par l'intermédiaire de sa tige, o0 venir frapper un clou, il s'agit alors d'un cloueur à gaz, ou autre élément de fixation. Les appareils à deux chambres présentent des avantages. Avec deux chambres, la première est une chambre de pré-compression qui permet d'accroître la pression d'explosion dans la deuxième chambre, la pression d'explosion dans un volume étant proportionnelle à la pression du mélange avant l'explosion. En effet, du fait de l'explosion dans la première chambre, la pression de combustion ainsi engendrée dans cette première chambre comprime le mélange non brûlé qui est poussé par le front de flamme et 20 passe dans la deuxième chambre pour en augmenter la pression avant que l'explosion nle se produise dans cette deuxième chambre. Si cette deuxième chambre est délimitée en partie par un piston d'entraînement, grâce à cette pré-compression, le piston n'a que très faiblement bougé vers l'avant au moment o l'explosion se produit dans cette deuxième chambre de 25 propulsion de piston, ce qui permet au piston de profiter correctement de l'énergie de combustion du gaz. Quand, de surcroît, il est prévu un ventilateur dans la chambre génératrice de flammee, on augmente la vitesse de combustion et le niveau de la 30 pression maximale dans cette chambre, ce qui permet de réduire le temps de montée de cette pression et, par suite, de limiter encore le déplacement du piston dans sa chambre d'entraînement avant que ne s'y produise l'explosion et donc d'augmenter encore l'énergie de l'appareil. On notera que l'effet d'un ventilateur d'accélération est plus que significatif; il permet de diviser le temps de montée en pression par un facteur de l'ordre de 10. Cependant, et même avec une chambre de pré-compression, ou préchambre de combustion, la demanderesse a réalisé qu'on ne profitait pas pleinement de l'énergie de combustion du gaz et que, par conséquent, on se devait de chercher à encore accroître le niveau de pression et la vitesse de 10 combustion dans la deuxième chambre d'entraînement et, ainsi, à augmenter l'énergie des appareils à deux chambres. En effet, la flamme engendrée dans la première chambre de précompression passe dans la deuxième chambre d'entraînement avant que 15 tout le mélange non brûilé de la première chambre n'ait pu passer dans la deuxième chambre pour en augmenter la pression. Or, dès que la flamme est passée dans la deuxième chambre, l'explosion s'y produit. De plus, compte tenu de la relation -pV constante T plus on veut augmenter la pression dans la chambre d'entraînement, plus il faut augmenter le volume de la première chambre de pré-combustion, ce qui n'est pas forcément souhaitable. C'est donc dans ces circonstances que la demanderesse propose son invention. Ainsi, l'invention concerne tout d'abord un appareil à fonctionnement à gaz comprenant - une première chambre de pré-compression d'un gaz combustible et génératrice de flamme, - une deuxième chambre de propulsion et - des moyens de mise en communication des deux chambres agencés pour permettre le passage de la flamme, caractérisé par le fait qu'il est prévu - une troisième chambre intermédiaire de compression et d'accélération de la flarrmme reliant les première et deuxième chambres. Grâce à l'invention, on est sûr qu'au moins tout le volume de mélange de la troisième chambre intermédiaire est poussé dans la deuxième chambre de propulsion pour y augmenter la pression, la flamme engendrée dans la première chambre passant par l'entrée et la sortie de la chambre intermédiaire. De préférence, la troisième chambre intermédiaire de compression et d'accélération de la flamme est une chambre tubulaire, de préférence de section sensiblement égale à celle de la flamme engendrée dans la première chambre génératrice de la flamme. Avantageusement, il est prévu un ventilateur d'accélération dans la première chambre génératrice de flammne. 20 Généralement, l'appareil de l'invention sera un appareil de scellement, la deuxième chambre de propulsion étant délimitée notamment par uin piston d'entraînement d'un élément de fixation et destiné à être propulsé sous l'action de l'explosion du mélange dans cette deuxième chambre de 25 propulsion. A titre de comparaison et pour bien éclairer les esprits, on soulignera que dans un appareil classique à une seule chambre génératrice de flamme et de propulsion de piston, le piston peut avoir été déplacé, au pic de pression, 30 d'environ 2 cm, pour une course globale d'environ 10 cm; dans un appareil à deux chambres, cette portion de course perdue peut être réduite de moitié, à I cm environ, et, dans l'appareil de l'invention, réduite encore d'un facteur 3 ou 4, à 0,3 cm environ. Grace à l'invention, le volume utile se trouvant essentiellement dans la chambre intermédiaire, on peut diminuer le volume de la première chambre génératrice de flamme avec, donc, pour avantage supplémentaire, de faciliter grandement les conditions d'échappement du mélange brûlé et de refiroidissement de l'appareil. On peut même vouloir établir des conditions aux limites d'une confusion de la première chambre et de la chambre intermédiaire et c'est ainsi que la 10 demanderesse entend également revendiquer un appareil à fonctionnemrent à gaz comprenant - une première chambre de pré-compression d'un gaz combustible et génératrice de flameme, - une deuxième chambre de propulsion, et - des moyens de mise en communication des deux chambres agencés pour permettre le passage de la flamme, caractérisé par le fait que: - la première chambre est agencée pour être une chambre de précompression, génératrice de flamme et de compression et d'accélération de 20 la flamme. Dans un cas, à deux chambres, ou dans l'autre, à une seule chambre en amont de la chambre de propulsion, il est préférable de prévoir des moyens à clapet à l'entrée de cette chambre de propulsion. 25 De façon intéressante, dans les cas d'un appareil de scellement à piston d'entraînement d'éléments de fixation, comprenant un corps, dans lequel le piston est monté coulissant, un logement de réception d'un chargeur d'éléments de fixation et une poignée de manoeuvre et d'actionnement, la 30 ou les chambres génératrice de flamme, de compression et d'accélération de la flamme sont ménagées dans la poignée, ce qui facilite la conception modulaire de l'appareil, la réduction de son encombrement. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de plusieurs formes de réalisation de l'appareil de l'invention, en référence au dessin annexe sur lequel: - la figure 1. est une représentation schématique de l'appareil, à trois chambres; -la figure 2 est une représentation schématique de l'appareil, à deux chambres et -la figure 3 est une représentation schématique d'une variante de réalisation modulaire de l'appareil de la figure 1. L'appareil de la figure I est un cloueur à gaz pour enfoncer des clous 1 dans un matériau 2. Il comporte un corps 3 avec, à l'avant, un guidepointe 4 et, en partie basse, une poignée de manoeuvre et d'actionnement 5. Pour 1 l'entraînement des clous 1, un piston 6, par sa tête 8, est monté coulissant dans un cylindre 7. Le piston 6 comporte une tige 9 de poussée des clous 1. Le corps 3 comnporte un logement de réception d'une cartouche d'un gaz combustible destiné à être injecté dans un ensemble de chambres de combustion avant d'enflammer le mélange de gaz et d'air pour la propulsion 20 du piston 6. Le corps 3 comporte encore une culasse portant une bougie d'allumage 10 pour enflammer le mélange. Il est ici prévu, dans]e corps 3, une première chambre 11, avec un orifice 12 d'admission de gaz dans laquelle plonge la bougie d'allumage 10, qui est 25 une chambre de pré-compression du mélange gaz-air et génératrice de flamme. Le ventilateur 13 d'un groupe moto-ventilateur est monté dans cette première chambre 1 1. La chambre 1 1 communique avec l'entrée d'une chambre intermédiaire tubulaire 14 qui est une chambre de compression et d'accélération de flamnme. La chambre intermédiaire tubulaire 14 30 communique, par sa sortie et par l'intermédiaire d'une pluralité d'orifices 16 obturables par un clapet 17, avec une dernière chambre 15, délimitée en partie par la tête de piston 8, qui est une chambre de propulsion. Le fonctionnement de l'appareil va maintenant être expliqué. Après fermeture de la dernière chambre de propulsion 15 et l'injection de gaz dans la première chambre 1 1, la bougie 1 0 va créer une étincelle qui va 5 enflammer le mélange de gaz et d'air de la chambre 1 1, dont la combustion va faire monter la pression dans cette chambre. Du fait de l'augmentation de pression, le mélange non brûlé de la première chambre 11 et surtout de la chambre tubulaire intermédiaire 14 va, par les orifices 16, passer dans la dernière chambre de propulsion 15 et ainsi en comprimer le mélange. La 10 flamme de combustion, engendrée dans la première chambre ll, en arrivant dans la chambre tubulaire 14, va s'accélérer (quasiment de façon exponentielle) grâce à l'augmentation de pression en aval, dans la chambre de propulsion 15. Passant à travers les mêmes orifices 16, la flamme va enflammer le mélange dans la dernière chambre 15, ici donc selon un allumage "multipoints". La pression dans cette dernière chambre va croître à un niveau supérieur à celui des deux chambres amont 14 et 1 1 et dans un intervalle de temps plus court. Les orifices 16 de communication entre les deux dernières chambres 20 14, 15 engendrent des écoulements soniques, c'est-à-dire que la vitesse du mélange et de la flamme devient supérieure à la vitesse du son, grâce à quoi la vitesse de combustion dans la dernière chambre de propulsion 15 va être très grande. Dans ces conditions, le maintien du piston 6 n'est pratiquement plus nécessaire pour éviter qu'il ne soit déplacé dès le début de la montée 25 en pression. La vitesse de combustion est telle que la pression maximale est atteinte avant que le piston 6 n'ait eu le temps de se déplacer. En l'espèce, ce déplacement perdu est réduit à quelques millimètres. On notera que la communication "multipoints" entre chambres, ici les 30 chambres 14 et 15, favorise le brassage du mélange dans la chambre de propulsion 15 avant l'arrivée de la flamme. Le ou les clapets d'obturation des orifices de communication peuvent être utilisés en limiteurs de pression et ne s'ouvrir qu'à une pression prédéterminée pour favoriser les écoulements soniques et augmenter la vitesse de combustion dans la chambre de propulsion 15. On peut également envisager une pré-compression mécanique ou électrique dans la première chambre, dans la limite de l'ouverture des clapets, pour augmenter encore le niveau de pression dans la première chambre 11 ainsi d'ailleurs que dans la chambre de propulsion 15. Les chambres génératrice 10 de flamme 11 et de propulsion 15 peuvent avoir un volume très faible, permettant d'utiliser moins de gaz et d'augmenter ainsi le rendement de l'appareil. A titre indicatif, alors que le rendement d'un cloueur à gaz de l'art antérieur ne dépasse pas 6 à 8 %, on peut envisager, avec l'appareil de l'invention, des rendements pratiquement doubles, de l'ordre de 13 à 14 %. De même, le nombre de tirs par cartouche de gaz, avec les appareils de l'art antérieur étant de l'ordre de 750, il peut passer, avec l'appareil de l'invention, à 1500, voire 2000. Quant au nombre de tirs par charge de la batterie équipant 20 l'appareil, pour la commande du moto-ventilateur et de la bougie, il est d'environ 900 pour un appareil classique et peut dépasser 2000, voire 3000 pour l'appareil de l'invention. La première chambre génératrice de flammie peut être confondue avec la 25 chambre de compression et d'accélération de la flamme, pour réduire encore le temps de montée en pression de la chambre de propulsion. En référence à la figure 2, sur laquelle les éléments homologues de ceux de la figure I sont référencés par les mêmes nombres, l'appareil ne comporte 30 que deux chambres: la chambre finale de propulsion 15, délimitée en aval, du côté du cylindre 7. par le piston 6, et une première chambre 18, à fonctions multiples de pré-compression, génératrice de flarrmme, compression et accélération de flamme, avec le ventilateur 13 et la bougie d'allumage 10O, cette première chambre 18 étant tubulaire et communiquant avec la chambre de propulsion 15 par une pluralité d'orifices 16 et un ou des clapets 17. Pour le reste, le fonctionnement de la forme de réalisation de la figure 2 de l'appareil de l'invention est similaire à celui de la forme de réalisation de la figure 1. Dans un cas comme dans l'autre, le niveau de pré-compression et de pression finale de compression dans la dernière chambre finale de propulsion 15 dépend de la longueur et du volume de la chambre tubulaire 10 14, 18. Le tube peut être enroulé sur lui-même, de façon à réduire l'encombrement. On peut aussi envisager une conception modulaire de l'appareil, comme dans la forme de réalisation de la figure 3. L'appareil de la figure 3 comporte trois modules. Un premier module de corps 20 comporte essentiellement le cylindre 21, avec son piston 22, et, à l'anrrière derrière le cylindre, la chambre finale de propulsion 23, le corps étant prolongé à l'avant par le guide-tampon 24. Sous le module de corps 20 est fixé un deuxième module de poignée 25 à 20 quatre compartiments disposés sensiblement en carré: le long du corps 20 s'étend le compartiment 26, contenant la première chambre génératrice de flamme 27, avec son moto-ventilateur 28, et la chambre tubulaire de compression et accélération de flamme 29, coudée en aval (30) pour le raccordement latéral à la chambre finale de propulsion 23; sous la 25 première chambre 27 s'étend un deuxième compartiment 36, sensiblement orthogonal au compartiment 26 sous l'avant du corps 20, dans lequel peut être logée une cartouche de gaz 31, avec sa valve 32 de raccordement à la première chambre 27 pour le remplissage de gaz combustible; la poignée proprement dite 33, avec la détente 39, formant les deuxième et troisième 30 compartiments 34, 35 sensiblement à angle droit l'un de l'autre, se raccorde à l'extrémité inférieure du compartiment 36 de la cartouche et au milieu du compartiment 26 de la chambre tubulaire 29. Enfin, sous le guide- pointe 24 et le long du compartiment 36 du module 25, s'étend le troisième module 37 dans lequel peut être aligné un chargeur d'éléments de fixation (clous) . La communication entre les deux chambres 29, 23 peut ici aussi s'effectuer par des orifices à clapet 38. Toutefois, on peut noter à cet endroit qu'on peut envisager de se passer de clapet pour simplifier l'appareil, en fonction du fonctionnement et du rendement désirés de l'appareil. Le fonctionnement de l'appareil de la figure 3 est évidemment parfaitement analogue à celui des deux autres formes de réalisation précédemment décrites. La conception modulaire de l'appareil permet aux pièces sensibles, comme le moto-ventilateur 28, de ne pas être soumises aux chocs et vibrations is engendrés dans le module de corps 20 du cylindre 21 et de la chambre finale de propulsion 23. Du fait de la taille réduite de la première chambre génératrice de flamme 27, on peut n'utiliser qu'un petit motoventilateur 28 qui sera d'un coût raisonnable et consommera peu d'énergie, augmentant l'intérêt de l'appareil au plan de la capacité de la batterie d'alimentation. 20 La conception modulaire de l'appareil de la figure 3 permet naturellement aussi de réduire son encombrement et notamment sa longueur. On aura remarqué à cet égard l'absence de culasse à l'arrière de la dernière chambre de propulsion 23, élément de culasse qui, sinon, porte la bougie et les 25 moyens de l'alimenter. Ici, et bien qu'elle n'ait pas été représentée, elle est montée dans le module de poignée 25. Dans le même ordre d'idée, le centre de gravité de l'appareil est abaissé, ce qui, au plan du maniement, est un avantage. Bref, l'appareil de la figure 3 ressemble beaucoup à un appareil pneumatique. On vient de décrire un appareil modulaire conçu sur le principe de trois chambres du type de celles de la forme de réalisation de la figure 1. Une telle conception modulaire est tout aussi envisageable sur le principe de la Forme de réalisationi de la figure 2 à deux chambres. Il REVENDICATIONS 1. Appareil à fonctionnement à gaz comprenant - une première chambre de pré-compression d'un gaz combustible et génératrice de flamme (1; 27), une deuxième chambre de propulsion (15; 23) et - des moyens (16; 38) de mise en communication des deux chambres agencés pour permettre le passage de la flamme, caractérisé par le fait qu'il est prévu - une troisième chambre intermédiaire (14; 29) de compression et d'accélération de la flamme reliant les première et deuxième chambres (11,15; 27,23). 2. Appareil à fonctionnement à gaz comprenant 15- une première chambre de pré-compression d'un gaz combustible et génératrice de flamme (18), - une deuxième chambre de propulsion (15) et - des moyens (16) de mise en communication des deux chambres agencés pour permettre le passage de la flamme, 20 caractérisé par le fait que: - la première chambre (18) est agencée pour être une chambre de précompression, génératrice de flamme et de compression et d'accélération de la flamme. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la chambre de compression et d'accélération de la flamme (14; 18; 29) est une chambre tubulaire de section sensiblement égale à celle de la flamme. 4. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel il est prévu 30 un ventilateur d'accélération (1 3; 28) dans la première chambre génératrice de flamme ( 1; 18; 27). 5. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, qui est un appareil de scellement dont la chambre de propulsion (15; 23) est délimitée par un piston (6; 22) d'entraînement d'un élément de fixation (1) et destiné à être propulsé sous l'action de l'explosion du mélange dans cette chambre de propulsion. 6. Appareil selon l'une des revendications I à 5, dans lequel lesdits moyens de communication (16; 38) comprennent des moyens à clapet (17). 7. Appareil selon l'une des revendications t à 6, dans lequel lesdits moyens de communication (16; 38) comprennent une pluralité d'orifices. 8. Appareil selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel il est prévu 15 un corps (20) comprenant un cylindre (21) dans lequel le piston (22) est monté coulissant, un logement (37) de réception d'un chargeur d'éléments de fixation et une poignée de manoeuvre (25) dans laquelle est ménagée la chambre de compression et d'accélération de flamme (29). 9. Appareil selon la revendication 8, dans lequel la chambre génératrice de flamme (27) est ménagée dans la poignée (25). 10. Appareil selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel la chambre de propulsion (23) est ménagée à l'anière du corps (20), derrière le cylindre 25 (21). Il. Appareil selon l'une des revendications 8 à 10, qui comporte un module de corps (20), un module de logement de chargeur (37) et un module de poignée (25).