Brevet FR2885993A1 — publié le 20061124

Appareil à foyer ouvert récupérateur de chaleur pour l'équipement des cheminées d'appartement. La présente invention concerne un appareil à foyer ouvert récupérateur de chaleur pour l'équipement des cheminées et plus particulièrement des cheminées dites d'appartement. L'appareil selon l'invention est plus spécialement destiné à l'équipement des cheminées à foyer ouvert ; elle vise à remédier aux principaux défauts des cheminées de ce genre connues à ce jour. Ces principaux défauts et désagréments sont : - une importante déperdition de chaleur dans le local chauffé, lorsqu'on laisse le feu s'éteindre naturellement et que le registre de réglage du tirage doit obligatoirement être laissé en position ouverte, par mesure de sécurité, pour l'évacuation des gaz et des fumées ; - l'impossibilité de réguler la combustion par une fermeture plus ou moins complète du registre, sous peine de couper le tirage et d'occasionner des refoulements de fumées dans le local chauffé ; le manque de sécurité dû à l'ouverture du foyer sur le local à chauffer. Pour s'affranchir de tels défauts et désagréments, de nombreux utilisateurs préfèrent s'équiper de cheminées à foyer fermé selon lesquelles l'entrée du foyer est fermée par un rideau coulissant ou par une porte vitrée. Toutefois, un tel choix apporte des défauts et désagréments qui lui sont propres tels que, par exemple : la faible résistance aux chocs de la partie vitrée le plus souvent constituée par une plaque de vitrocéramique ; le fait que cette vitre est portée à une haute température lors de l'utilisation de la cheminée, de sorte que son contact peut occasionner des brûlures graves ; la partie vitrée se salit très rapidement en diminuant d'autant la visibilité du feu, malgré les différents systèmes mis en u̇vre à ce jour, tandis que le nettoyage de la vitre est très contraignant et onéreux par suite de la nécessité d'utiliser des produits de nettoyage spécifiques coûteux ;la formation de créosote disgracieuse et dangereuse à l'intérieur du foyer fermé, par suite de la différence importante de température entre l'intérieur du foyer et la température ambiante, créant de la condensation chargée de goudrons qui, en refroidissant occasionnent la formation de cette créosote ; le risque d'incendie qui est très important, car il est dû principalement à la concentration des gaz à l'intérieur du conduit de fumée découlant de la faible alimentation en air de combustion par le système de réglage de la combustion du foyer fermé et à la faible dynamique du tirage dans le conduit ;en effet, lorsque l'on règle la combustion au minimum, les gaz s'accumulent dans le conduit et lorsque l'on veut faire repartir la combustion en augmentant l'arrivée d'air ou en rechargeant en combustible, on introduit de l'oxygène dans le conduit et le mélange de gaz et d'oxygène s'enflamme en produisant presque instantanément des températures de l'ordre de 850[deg], provoquant ainsi un risque d'incendie. la très forte température des parois extérieures du foyer fermé occasionne la carbonisation des poussières produisant des traînées noires aux sorties d'air chaud sur la hotte des cheminées ; cette carbonisation est de plus induite par la faible dynamique du mouvement ascensionnel de l'air chaud, due à la convection statique, rendant nuisible l'inhalation de cet air chargé de poussière carbonisée et dépourvu d'oxygène. L'invention se propose de remédier à la fois aux défauts des cheminées à foyer ouvert et à ceux des cheminées à foyer fermé. Selon l'invention, une première étape vers la réalisation de cet objectif est obtenue par un appareil à foyer ouvert du genre comportant un foyer délimité par un âtre ou plancher, deux parois latérales et une paroi de fond ou paroi arrière, ce dispositif comprenant une première chambre ou caisson de préchauffage d'air aménagée au-dessous de l'âtre et s'étendant horizontalement ou sensiblement horizontalement, cette première chambre comportant au moins une entrée d'air extérieur et communiquant : d'une part, avec une deuxième chambre de chauffage d'air aménagée à l'arrière de la plaque de fond du foyer et s'étendant verticalement ou sensiblement verticalement, cette deuxième chambre communiquant, en partie supérieure, avec une goulotte de convection horizontale ou sensiblement horizontale disposée au-dessus du foyer et comportant des bouches de distribution d'air chaud, et, d'autre part, avec au moins une tubulure ascendante, de préférence disposée à l'arrière de la plaque de fond du foyer et dont l'extrémité supérieure débouche dans un collecteur ménagé au-dessus dudit foyer où brûle le combustible ou chambre de combustion, de préférence au-dessous de la goulotte de convection et de distribution d'air chaud. Selon une autre disposition caractéristique, l'appareil à foyer ouvert selon l'invention comprend un passage ascendant de convection des fumées et gaz brulés ménagé derrière la paroi frontale du collecteur d'air chaud pour l'aspiration des fumées et des gaz résiduels, ce passage étant délimité par une plaque positionnée parallèlement et à distance réduite de ladite paroi frontale. De préférence, cette plaque est munie de deux évents placés de part et d'autre de la goulotte de convection et de distribution d'air chaud, au-dessous de la partie haute du registre de réglage du tirage, afin d'optimiser l'action d'aspiration des fumées et des gaz résiduels assurée par la prévision du passage frontal ascendant. Selon une autre disposition caractéristique, la plaque de fond du foyer constituant la paroi avant de la chambre ou caisson de chauffage arrière, comporte une partie supérieure inclinée en direction du foyer et un espace de largeur réduite est ménagé entre le bord supérieur de cette portion de plaque inclinée et la partie basse du registre de réglage du tirage. L'appareil à foyer ouvert récupérateur de chaleur selon l'invention procure de nombreux avantages outre le fait que, comme tous les foyers de ce type, il permet une vision directe du feu et non pas une vision à travers une plaque de fermeture plus ou moins transparente, ce qui permet de profiter des plaisirs traditionnels du feu de bois sans danger de casse ou de brûlure. Ces avantages nouveaux sont notamment : l'obtention d'un bon tirage, même en position fermée, grâce aux moyens particuliers d'aspiration des fumées et gaz et aux moyens de convection et d'apport d'air extérieur dans le collecteur d'air chaud, au-dessus du registre de réglage du tirage, en supprimant l'aspiration de l'air du local, sans couper le tirage; la possibilité de régler la combustion en permettant de ralentir l'intensité de la flamme ; l'optimisation possible du tirage par la création d'un effet de Vortex audessus du collecteur d'air chaud et résultant, d'une part, du fait que le flux de fumées et d'air se reforme, au départ du conduit de fumée, et, d'autre part, du fait de l'accélération de l'élévation des flammes et gaz de combustion par la convection interne créée par le passage ménagé à la partie antérieure du collecteur d'air chaud ;la réalimentation en oxygène chauffé par la tubulure arrière comportant une prise d'air extérieur, dans la double paroi verticale au dos de l'appareil, contribuant à une bonne évacuation des fumées et des gaz lorsque le feu est allumé ; la suppression de l'aspiration de l'air chauffé du local lors de l'extinction du feu ; en effet, l'apport d'air assuré par la tubulure ascendante, suffit pour alimenter la dépression dans le conduit de fumée en supprimant ainsi l'aspiration de l'air chauffé du local ; les arrivées d'air extérieur, de préférence prévues sous le socle ou base de l'appareil, assurent l'alimentation du foyer en air de combustion, évitant ainsi d'utiliser l'air du local pour permettre cette combustion, ce qui ne nuit pas à l'ambiance calorique dudit local ;le volume d'air chaud produit par l'appareil, provenant directement de l'extérieur étant animé par la dynamique du chauffage augmente automatiquement en fonction de la combustion ; le chauffage est complété par la convection produite autour des parois de l'appareil sans carbonisation des poussières par la température de ces parois restée raisonnable, ceci étant dû au fait que le foyer étant ouvert, la chaleur se répand en dehors par rayonnement au lieu de se concentrer dans les parois de l'appareil ; de plus, la paroi arrière de celui-ci, la plus sollicitée, étant à double fond, d'une part, et, d'autre part, sans cesse ventilée, l'extérieur du fond vertical de l'appareil est très peu chauffé. Ainsi, grâce aux dispositions caractéristiques susmentionnées et à leur combinaison, l'appareil à foyer ouvert récupérateur de chaleur selon l'invention, peut répondre aux principaux impératifs de confort, de chaleur, de sécurité, d'économie d'énergie, d'esthétique et de plaisir de vision du feu, et offre une alternative intéressante à la réalisation de cheminées équipées soit de foyers fermés, soit de foyers ouverts traditionnels dont on a précédemment souligné les défauts et désagréments. Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus, et d'autres encore, ressortiront mieux de la description qui suit et des dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une vue en perspective éclatée, avec arrachements partiels, d'un exemple de réalisation de l'appareil à foyer ouvert récupérateur de chaleur selon l'invention. La figure 2 est une vue de face de cet appareil. La figure 3 est une vue de côté de la figure 2. La figure 4 est une vue de dessus du corps de chauffe de l'appareil. La figure 5 est une vue en coupe verticale éclatée du corps de chauffe et du collecteur d'air chaud de l'appareil. La figure 6 est une vue en coupe de l'appareil assemblé. La figure 7 est une vue en coupe selon la ligne 7-7 de la figure 6. La figure 8 est une vue en perspective de la goulotte de convection d'air chaud.La figure 9 est une vue en coupe longitudinale de cette goulotte. La figure 10 est une vue de face de cette dernière. La figure 11 est une vue en coupe suivant la ligne 11-11 de la figure 2. Les figures 12 et 13 sont des vues de fonctionnement de l'appareil représenté par les figures précédentes. On se réfère auxdits dessins pour décrire un mode d'exécution avantageux, bien que nullement limitatif, de l'appareil à foyer ouvert récupérateur de chaleur selon l'invention. Cet appareil peut être réalisé en trois éléments assemblables par boulonnage, afin de faciliter son installation dans les cheminées d'appartement existantes. Par exemple, l'appareil peut être composé, de bas en haut, d'un corps de chauffe 1, d'un collecteur d'air chaud 2 et d'un avaloir 3. Le corps de chauffe 1 est constitué par un caisson 4 ouvert à l'avant, dans lequel est aménagé le foyer 5 ou volume dans lequel s'effectue la combustion des matières combustibles, ce caisson présentant, de préférence, une forme parallélépipédique à base rectangulaire. Ce caisson est exécuté en acier et l'âtre ou plancher 6 du foyer 5, ainsi que les faces internes des parois latérales (côtés 7 et fond 8) délimitant ledit foyer, sont revêtues de plaques de fonte. Selon une première disposition caractéristique de l'invention, une chambre de préchauffage 9 est aménagée au-dessous de l'âtre 6, cette chambre communiquant : d'une part, avec une chambre de chauffage 10 aménagée à l'arrière de la plaque de fond 8 du foyer, et, d'autre part, avec au moins une tubulure orientée vers le haut 11, de préférence disposée à l'arrière de la plaque de fond 8. La chambre de préchauffage 9 s'étend horizontalement ou sensiblement horizontalement entre l'âtre 6 et la base 4a du caisson 4 constituant l'enveloppe du foyer. Elle comporte au moins une entrée d'air et, de préférence deux entrées d'air 12 ou ventouses de prise d'air frais avantageusement prévues dans la base 4a du caisson 4 et conformées pour permettre leur raccordement à une conduite d'arrivée d'air extérieur (non représentée). A l'arrière, la chambre de préchauffage 9 communique avec l'ouverture d'entrée inférieure de la chambre de chauffage 10 laquelle s'étend verticalement ou approximativement verticalement entre la plaque de fond 8 du foyer 5 et la paroi postérieure 4b du caisson 4. La chambre de préchauffage 9 communique également avec l'ouverture d'entrée inférieure de la tubulure ascendante 11 qui est de préférence logée dans la partie médiane de la chambre 10, entre la plaque de fond 8 du foyer 5 et la paroi postérieure 4b du caisson 4. A sa partie supérieure, le caisson 4 est partiellement fermé par une plaque horizontale 13 occupant la partie arrière de ladite partie. Cette plaque 13 est munie : - d'une part, d'un raccord tubulaire 14 orienté vers le haut et disposé dans la partie médiane de ladite plaque, et, d'autre part, d'orifices 15 disposés devant ledit raccord tubulaire 14. Elle comporte une large ouverture 22 mettant en communication le foyer 5 avec le collecteur d'air chaud 2 disposé au-dessus de ce dernier. Le corps du collecteur d'air chaud 2 est fixé par boulonnage, par l'intermédiaire de sa bordure inférieure, sur la partie supérieure du corps de chauffe 1. Le collecteur d'air chaud présente une section transversale trapézoïdale délimitée par une paroi antérieure inclinée 17. Dans le collecteur d'air chaud, est installée une goulotte de convection d'air chaud 16. Cette goulotte comporte une extrémité interne tubulaire 16a à axe vertical, conformée pour pouvoir s'emboîter dans ou sur le raccord tubulaire du corps de chauffe 1 et une extrémité externe 16b sortant du collecteur d'air chaud et disposée en avancée par rapport à la paroi avant inclinée 17 de celui-ci. Les parties extrêmes 16a et 16b de la goulotte 16 sont reliées par une partie intermédiaire interne 16c, de préférence positionnée horizontalement et comportant une section en losange disposée de sorte à présenter deux parois inférieures divergentes 16c' formant un V ouvert. L'extrémité externe 16b de cette goulotte est munie de deux bouches de chaleur 16b' orientées de façon divergente. L'extrémité interne 16a de la goulotte 16 est emboîtée dans ou sur le raccord tubulaire 14, sa portion intermédiaire 16c est placée, d'une part, audessus des orifices 15 et, d'autre part, au-dessus du foyer 5, et son extrémité externe 16b munie des bouches de chaleur 16b' est disposée à l'extérieur du collecteur d'air chaud, de sorte que ces dernières débouchent dans le local à chauffer, lorsque le foyer ouvert est installé dans une cheminée. D'autre part, l'extrémité supérieure de la tubulure 11 communique avec le collecteur d'air chaud 2 via les orifices de sortie 15 ménagés dans la plaque supérieure 13. On comprend que l'air frais extérieur entre d'abord dans la chambre inférieure de préchauffage 9, via les ouvertures d'entrée 12, puis s'élève dans la chambre postérieure de chauffage 10 et passe ensuite dans la goulotte de convection 16 où sa température est de nouveau augmentée avant de déboucher dans le local à chauffer par les bouches de chaleur 16b'. Simultanément, une partie de l'air transitant par la chambre inférieure 9 s'élève dans la tubulure 11 où il est réchauffé, et traverse les orifices 15 avant de déboucher dans le collecteur d'air chaud 2. A l'arrière et à faible distance (par exemple à une distance de l'ordre de 2 cm) de la paroi avant inclinée 17 du collecteur d'air chaud 2, est disposée, parallèlement ou approximativement parallèlement, une deuxième paroi inclinée 18 constituée par une plaque d'acier, de sorte qu'un passage 19 se trouve ménagé entre lesdites parois. A mi-hauteur ou approximativement à mi-hauteur, la paroi interne 18 est munie de deux évents 20 disposés de part et d'autre du plan vertical dans lequel se trouve placée l'arête inférieure de la portion intermédiaire horizontale 16c de la goulotte de convection 16. L'ouverture inférieure du passage 19 communique avec le foyer ou chambre de combustion 5, tandis que son ouverture supérieure débouche dans la partie haute du collecteur d'air chaud, pratiquement dans l'avaloir 3 fixé sur ce dernier. Le registre de réglage du tirage 21 est conformé et installé dans l'ensemble corps de chauffe 1-collecteur d'air chaud 2, de sorte à permettre la fermeture ou l'ouverture plus ou moins complètes de l'ouverture 22 mettant en communication le foyer 5 et le collecteur d'air chaud 2. Toutefois, les orifices 15 de sortie de la tubulure 11 restent toujours ouverts de sorte qu'une partie de l'air extérieur circule en permanence en direction de l'avaloir 3. D'autre part, le foyer ou chambre de combustion 5 communique en permanence avec l'avaloir 3 par l'intermédiaire du passage de convection 19. De manière connue en soi, l'avaloir 3 peut être équipé d'un clapet pivotant 23 actionnable par un système de chaîne et contrepoids, pour la fermeture du conduit de fumée lors de l'arrêt complet de la combustion ou lorsque l'appareil n'est pas utilisé. D'autre part, par mesure de sécurité, ce dernier peut être équipé d'une porte amovible ou escamotable par tout procédé convenable, et munie d'un fin grillage assurant une vision libre du feu et non nécessaire au processus de combustion, cette porte étant par exemple montée coulissante dans des glissières verticales. Les figures 12 et 13 illustrent le fonctionnement de l'appareil à foyer ouvert récupérateur de chaleur qui vient d'être décrit. Sur la figure 12, l'appareil est en fonctionnement ; le registre de réglage du tirage 21 est placé dans une position autorisant la libre ascension des fumées et des gaz brûlés à travers l'ouverture 22 en direction du conduit de fumée, via le collecteur d'air chaud 2 et l'avaloir 3. D'autre part, la tubulure 11, distribue l'air extérieur réchauffé dans le collecteur 2. A son entrée dans ce dernier, le flux d'air sortant des orifices 15 se trouve divisé par les faces divergentes 16c' de la goulotte 16 et incorporé au flux ascendant des fumées et des gaz de combustion, de sorte que les fumées et l'air se mélangent et sont aspirés par un effet de vortex dans le conduit de fumée. Concomitamment, l'air extérieur est chauffé lors de son passage successif dans la chambre 9, dans la chambre 10 et dans la goulotte 16 et diffusé dans le local. Sur la figure 13, l'appareil est représenté en situation de feu éteint ou de fonctionnement au ralenti. Dans cette situation, le registre de réglage du tirage 21 est placé en position de ralenti maximum suivant laquelle il ferme complètement ou quasi complètement l'ouverture 22. Dans ce cas, l'aspiration des fumées et des gaz résiduels est assurée : d'une part, par la circulation permanente d'air extérieur en direction du conduit de fumée, via la chambre 9, la tubulure 11, le collecteur d'air chaud 2 et l'avaloir 3, et, d'autre part, par le passage 19 dont l'action est optimisée par la prévision des évents 20. On observe que lorsque le registre de réglage du tirage est fermé et même lorsque le feu s'éteint, l'air extérieur continue de circuler en direction du conduit de fumée, via la chambre 9, la tubulure 11, le collecteur d'air chaud 2 et l'avaloir 3, en alimentant ainsi la dépression du conduit au lieu que cette dépression se nourrisse de l'air ambiant du local chauffé, au détriment de celui-ci. D'autre part, dans la situation de fonctionnement au ralenti, on prévoit un agencement avantageux du registre de réglage du tirage 21 et de la partie supérieure de la paroi de fond 8 du foyer 5 suivant lequel un petit espace 24 reste ménagé entre la partie basse du registre 21 et la partie supérieure inclinée de la paroi de fond 8 du foyer 5, dans la position de réglage à l'extrême ralenti dudit registre, offrant un passage aux fumées résiduelles qui sont aspirées par l'effet de siphonnage produit par le passage de l'air provenant de la tubulure aspiré lui-même par la dépression du conduit de fumées. REVENDICATIONS 1. Appareil à foyer ouvert récupérateur de chaleur pour l'équipement des cheminées d'appartement du genre comportant un foyer ouvert (5) délimité par un âtre ou plancher (6), deux parois latérales (7) et une paroi de fond ou paroi arrière (8), caractérisé en ce qu'il comprend une première chambre ou caisson de préchauffage d'air (9) aménagée au-dessous dudit âtre (6) et s'étendant horizontalement ou sensiblement horizontalement, cette première chambre comportant au moins une entrée d'air extérieur (12) et communiquant :- d'une part, avec une deuxième chambre ou caisson de chauffage d'air (10) aménagée à l'arrière de ladite plaque de fond (8) et s'étendant verticalement ou sensiblement verticalement, cette deuxième chambre (10) communiquant, à sa partie supérieure, avec une goulotte de convection (16) horizontale ou sensiblement horizontale, disposée au-dessus du foyer (5) et comportant des bouches (16b') de distribution d'air chaud, et, - d'autre part, avec au moins une tubulure ascendante (11), dont l'extrémité supérieure débouche dans un collecteur d'air chaud (2) ménagé au-dessus du foyer ou chambre de combustion. 2. Appareil à foyer ouvert récupérateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un collecteur d'air chaud (2) est disposé au-dessus de l'ensemble constitué par le foyer (5), la chambre inférieure (9) et la chambre verticale (10), ce collecteur présentant, de préférence, une section trapézoïdale délimitée par une paroi antérieure pentée (17) et communiquant avec le foyer (5) et avec la sortie de la tubulure ascendante (11). 3. Appareil à foyer ouvert récupérateur de chaleur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'entrée d'air extérieur ou chaque entrée d'air extérieur (12) est prévue dans le socle ou base (4a) du caisson (4) dans lequel est aménagé le foyer (5). 4. Appareil à foyer ouvert récupérateur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la tubulure ascendante (11) débouche au-dessous de la goulotte (16) de convection et de distribution d'air chaud. 5. Appareil à foyer ouvert récupérateur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la tubulure ascendante (11) est disposée à l'arrière de la plaque de fond (8) du foyer (5). 6. Appareil à foyer ouvert récupérateur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, dans sa portion interne horizontale (16c) disposé au-dessous du foyer (5), la goulotte de convection d'air chaud (16) présente une section losangée de sorte à comporter deux parois intérieures divergentes (16c') disposées au-dessus des orifices de sortie (15) de la tubulure ascendante (11) et de l'ouverture supérieure (22) du foyer (5). 7. Appareil à foyer ouvert récupérateur d'air chaud selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un passage ascendant (19) ménagé en arrière de la paroi frontale (17) du collecteur d'air chaud (2), pour l'aspiration des fumées et gaz résiduels de combustion, ce passage (19) étant délimitée par une paroi interne (18) disposée parallèlement ou sensiblement parallèlement et à distance réduite de ladite paroi frontale (17). 8. Appareil à foyer ouvert récupérateur d'air chaud suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la plaque interne (18) est munie d'évents (20) disposés de part et d'autre du plan vertical dans lequel se trouve placée l'arête inférieure de la portion intermédiaire horizontale (16c) de la goulotte de convection (16). 9. Appareil à foyer ouvert récupérateur d'air chaud selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par un agencement du registre de réglage du tirage (21) et de la partie supérieure de la paroi de fond (8) de l'âtre (5), suivant lequel un petit espace (24) reste ménagé entre la partie basse dudit registre et ladite partie supérieure de la paroi de fond (8) dans la position de réglage à l'extrême ralenti dudit registre. 10. Appareil à foyer ouvert récupérateur d'air chaud, selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est réalisé en trois éléments assemblables par boulonnage, à savoir, de bas en haut, un corps de chauffe (1), un collecteur d'air chaud (2) et un avaloir (3).