Brevet FR2887014A1 — publié le 20061215

L'invention a trait à un foyer de combustion fermé fonctionnant au bois et à une cheminée équipée d'un tel foyer. Un tel foyer est habituellement monté dans une cheminée et utilisé comme appareil de chauffage au bois. II est équipé d'une porte vitrée permettant d'accéder à l'intérieur du foyer pour effectuer différentes opérations de chargement en combustible et de nettoyage. Une telle porte permet de minimiser les risques de brûlure et d'interdire les projections d'étincelles ou de bois incandescent dans la pièce où est installée la cheminée. Elle permet une vision de l'intérieur du foyer par les personnes présentes dans la pièce. Un foyer fermé forme une chambre de combustion close permettant d'augmenter le rendement thermique par rapport à un foyer ouvert. L'alimentation en comburant, c'est-à-dire en oxygène contenu dans l'air, est généralement assurée par une arrivée d'air disposée en partie inférieure du foyer, de préférence sous la zone de combustion du bois. Les fumées de combustion, bien qu'évacuées en partie haute du foyer par un conduit de cheminée, restent présentes suffisamment longtemps dans le foyer fermé pour déposer un film de suie, opacifiant la vitre de la porte. Ceci induit un encrassement de la vitre qui est d'autant plus rapide et important que les fumées contiennent beaucoup de particules non brûlées et qu'elles sont évacuées lentement dans le conduit de cheminée. La présence de ces particules non brûlées dans les fumées limite également le rendement thermique du foyer fermé, la combustion du bois n'étant pas complète. On connaît des foyers fermés équipés d'une seconde arrivée d'air, ménagée en partie haute de la porte. Cette arrivée d'air génère, par dépression, un flux d'air le long de la vitre, ce qui permet de diminuer l'encrassement de celle-ci. Néanmoins, un foyer de ce type ne présente pas un rendement thermique optimal, les fumées présentes dans la chambre de combustion contenant encore beaucoup de particules non brûlées. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un foyer fermé où les particules non brûlées dans les fumées de combustion sont peu nombreuses, alors que le rendement thermique est amélioré, tout en préservant la sécurité et le confort visuel de l'utilisateur de ce type de foyer. A cet effet, l'invention a pour objet un foyer de combustion fermé fonctionnant au bois, comprenant une première arrivée d'air en dessous d'une zone de combustion du bois, une deuxième arrivée d'air au niveau d'une porte d'accès à la zone de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend une troisième arrivée d'air située au voisinage de la partie supérieure des flammes. La présence d'une troisième arrivée d'air permet d'améliorer la combustion dans le foyer et, en diminuant le taux de particules présentes dans les fumées, de préserver l'aspect visuel de la porte vitrée. Le taux de pollution rejetée à l'extérieur est également abaissé, les fumées étant moins chargées en particules non brûlées ce qui améliore également le rendement thermique d'un tel foyer. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel foyer peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: La troisième arrivée d'air est ménagée à l'arrière du foyer, au dessus de la zone de combustion. - La troisième arrivée d'air est formée de plusieurs orifices, disposés selon une direction sensiblement horizontale et ménagés dans une plaque de fond du foyer positionnée dans un plan globalement vertical. - Les orifices sont disposés sur la plaque de fond à une hauteur comprise 5 entre 30 % et 40 % de la hauteur du volume total du foyer. - La troisième arrivée d'air est raccordée à une prise d'air extérieur à la pièce dans laquelle se trouve le foyer. En variante, la troisième arrivée d'air est raccordée à une prise d'air provenant de la pièce dans laquelle se trouve le foyer. - Le débit d'air passant par ladite troisième arrivée d'air est réglable. - Le réglage de la troisième arrivée d'air est fonction du débit d'air entrant par ladite première arrivée d'air. - La plaque de fond portant la troisième arrivée d'air est adaptée pour être montée sur un foyer existant, en remplacement d'une plaque de fond d'origine. L'invention concerne également une cheminée équipée d'un foyer tel que précédemment décrit. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue de face d'un foyer fermé conforme à l'invention, la porte étant en position fermée, le haut et le bas du foyer étant partiellement arrachés, - la figure 2A est une coupe selon le plan II à la figure 1, - la figure 2B est une vue, à plus grande échelle, de la partie supérieure de la porte du foyer représentée à la figure 2A et - la figure 3 est une vue de face, à plus grande échelle, d'une plaque de fond du foyer représentée aux figures précédentes équipée d'une troisième arrivée d'air. Un foyer fermé 1 conforme à l'invention est réalisé généralement, en fonte, en acier ou en matériau réfractaire. En partie supérieure, le foyer 1, de forme globalement cubique, comprend une hotte 2, de forme pyramidale, qui est raccordée à un conduit 3 d'évacuation des gaz vers l'extérieur du bâtiment. En partie inférieure, le fond 4 du foyer repose sur des pieds 5. Le fond est globalement horizontal et comprend une grille 6, située sensiblement en position centrale. Cette grille 6 est munie de plusieurs orifices 7. Ceux-ci sont disposés en rangées parallèles et ont une section plus importante sur la face inférieure 60 de la grille que sur la face supérieure 61 sur laquelle repose le bois. Ainsi, par la forme en entonnoir de ces orifices 7, une première arrivée d'air AI, dite principale, permet d'obtenir un flux laminaire à débit contrôlé grâce au passage de l'air à travers la grille 6. La disposition et la forme des orifices 7 permettent d'optimiser le flux d'air laminaire arrivant au niveau inférieur du tas de bois disposé sur le fond 4 du foyer. Ce tas de bois constitue une zone principale Z de combustion du bois. Par ailleurs, la forme des orifices 7 de la grille inférieure 6 favorise l'évacuation des cendres vers un tiroir ou cendrier situé en partie basse du foyer, entre les pieds 5 de celui-ci. Pour plus de visibilité, le tiroir n'est pas représenté sur les figures. Dans un autre mode de réalisation non illustré, un dispositif d'obturation, par exemple un volet réglable situé en face avant du foyer, permet de faire varier le débit du flux d'air principal AI arrivant sur le bois. La première arrivée d'air AI a pour fonction principale, d'alimenter le feu en oxygène au niveau de la zone de combustion principale Z. Lors de cette première phase de combustion, les fumées comprennent une forte proportion de résidus particulaires non brûlés. Un des côtés du foyer, en l'espèce la face avant F, est équipé d'une ouverture disposée dans un plan sensiblement perpendiculaire à la grille 6. Cette ouverture est obturable par une porte 8 pourvue, sur la majorité de sa surface, d'une vitre 8A. Ainsi, une personne située devant le foyer 1 voit l'intérieur de ce dernier, c'est-à-dire le feu de bois. Au niveau des parois supérieure et inférieure de la porte 8, des espaces 9 sont ménagés entre la vitre 8A et le cadre 8B de la porte et forment une deuxième arrivée d'air A2, comme illustré à la figure 2B. Dans cette configuration, la vitre 8A de dimensions sensiblement inférieures à celle du cadre 8B, est maintenue dans le cadre 8B au niveau de ses coins par exemple par des étriers. Un joint 8C disposé entre le dormant 8B et la face avant F assure l'étanchéité en position fermée de la porte. En variante, la vitre 8A comprend, respectivement sur ces bords supérieur et inférieur, un décrochement formant les espaces 9. Ces espaces 9 permettent une entrée d'air par aspiration, du fait de la pression relative légèrement négative régnant à l'intérieur du foyer fermé. La deuxième arrivée d'air A2 permet d'obtenir deux flux, laminaires, s'écoulant en directions opposées l'un de l'autre. Ils forment ainsi un film gazeux le long de la vitre 8A. Cette arrivée d'air A2 permet de minimiser le dépôt, sur la vitre, des particules contenues dans les fumées et donc d'éviter de noircir celle-ci. Cette deuxième arrivée d'air assure également un certain apport en comburant, en l'occurrence en oxygène contenu dans l'air, ce qui permet d'améliorer la combustion des résidus présents dans les fumées. Néanmoins, cette seconde arrivée d'air, de par son débit et sa disposition, ne permet pas d'augmenter de manière significative le rendement thermique d'un tel foyer car la combustion des particules résiduaires reste insuffisante. Une troisième arrivée d'air A3 est réalisée sur une plaque arrière 10 du foyer. Cette plaque forme la partie arrière du foyer et est disposée dans un plan sensiblement parallèle au plan contenant la porte 8 en position fermée. La troisième arrivée d'air A3 est obtenue par plusieurs orifices 11 circulaires d'un diamètre globalement compris entre 6 et 8 millimètres. Ces orifices sont alignés dans un plan sensiblement horizontal et globalement parallèle au plan contenant la grille du foyer. Ces orifices 11, dont le nombre est globalement compris entre 6 et 16 et de manière avantageuse entre 9 et 13 sont disposés sur la grille 10 de manière à être situés, par rapport à la grille 6, à une hauteur h comprise entre 30 % et 40 % de la hauteur H du volume total du foyer comme représenté à la figure 2A. Par volume total on entend le volume de la partie du foyer où se situe la zone de combustion Z et la hotte 2. En l'espèce pour un foyer 1 avec une façade comprise entre 70 et 81 centimètres, la troisième arrivée d'air A3 est située entre 21 et 29 centimètres au dessus de la grille. Ceci correspond à des orifices 11 situés de 12 à 17 centimètres du bord supérieur de la plaque 10. Une telle disposition permet de créer une troisième arrivée d'air A3 sensiblement au niveau de la partie supérieure S des flammes 12 et sur l'arrière de la zone de combustion principale Z. La partie supérieure S, également dénommée terminale, des flammes 12 s'entend comme la région, située à proximité de l'extrémité des flammes, où celles-ci changent de couleur. Cette région, relativement éloignée du combustible, est également celle où l'on observe une diminution significative de la température de la flamme. Dans cette même région, les fumées se forment et, la baisse de la température aidant, des particules non brûlées de bois entraînées par convexion sont présentes en quantité dans ces fumées. Outre une baisse du rendement thermique par effet d'étouffement du feu, les fumées chargées constituent une pollution atmosphérique lorsqu'elles sont évacuées en l'état par le conduit de cheminée. La troisième arrivée d'air A3 permet un apport d'oxygène, donc de comburant, au voisinage de la partie terminale des flammes. Cet apport d'air permet de relancer la combustion qui sans cet apport diminuerait du fait de l'absence de comburant pour brûler le carburant restant, à savoir les particules précitées. Grâce à cette combustion secondaire, la température augmente dans le foyer, cela avec la même quantité initiale de bois. On obtient donc une augmentation du rendement thermique du foyer. En parallèle, la combustion des particules permet de diminuer les rejets polluants dans l'atmosphère et l'encrassement de la vitre de la porte. Pour plus d'efficacité et de contrôle sur l'alimentation en air, cette troisième arrivée d'air est adaptée pour envoyer un flux laminaire dans le foyer. L'entrée de l'air s'effectue par dépression, du fait de la pression relative légèrement négative régnant à l'intérieur du foyer. Deux barrettes 13 disposées en saillie vers l'intérieur du foyer, en partie haute et basse des orifices 11 alignés, permettent de former deux rails parallèles disposés de part et d'autre de la ligne d'orifices 11 afin de protéger ceux-ci contre tout dépôt de particules qui risqueraient de les obturer. Par ailleurs les barrettes 13 permettent de diriger le flux d'air entrant. Ce flux d'air est, dans une première configuration, de l'air ambiant c'est-à-dire de l'air présent dans la pièce dans laquelle se trouve le foyer fermé. Dans une autre configuration, il s'agit d'air extérieur, c'est-à-dire de l'air provenant d'une autre pièce, voire de l'extérieur du bâtiment dans lequel se trouve la pièce où est situé le foyer. Dans ce cas, une gaine raccorde le débouché extérieur des orifices 11 et l'extérieur du bâtiment. De manière avantageuse, cette arrivée d'air est équipée d'un système de réglage du débit d'air entrant. Le système de réglage 14, illustré partiellement à la figure 2, est une vanne ou une plaque commandée par une tringlerie T manoeuvrable à partir de la face avant du foyer. La tringlerie T s'étend jusqu'en partie inférieure de la porte 8, ce qui permet de la manipuler aisément. Elle est adaptée pour optimiser le débit d'air entrant par la troisième arrivée en fonction du feu et/ou de la quantité d'air entrant au niveau de la grille d'arrivée d'air principale. Les arrivées d'air AI, A2 et A3, de plusieurs endroits et de directions opposées, permettent, outre un apport plus important en oxygène, un brassage plus efficace grâce à une plus grande turbulence des fumées à l'intérieur du foyer. On favorise ainsi la combustion des résidus et particules présents dans les fumées. La surface de contact entre les particules et l'oxygène, ainsi que le temps de contact, sont plus importants. A titre d'exemple des essais effectués avec un combustible de même nature (essence du bois, humidité, poids, nombre et dimension des bûches similaires) ont montré que les puissances et les rendements obtenus sont supérieurs à ceux d'un foyer fermé dépourvu d'une troisième arrivée d'air. Ces gains de puissance et de rendement s'accompagnent d'une baisse du taux de pollution, le taux d'oxyde de carbone rejeté étant divisé au moins par 1,5. Dans un autre mode de réalisation illustré aux figure 1 et 2A, un tel foyer est équipé en partie haute, d'un dispositif permettant d'augmenter le temps de présence des fumées dans le foyer et de rendre encore plus turbulent le mouvement des fumées dans le foyer. Ce dispositif optionnel comprend un déflecteur 15 adapté pour maintenir dans la partie supérieure de la zone de combustion les fumées et les particules en suspension tout en les obligeant à avoir une circulation de type turbulent. On améliore ainsi encore la combustion, en retardant l'évacuation vers l'extérieur, des fumées et en les brassant. Un foyer équipé d'une telle troisième arrivée d'air peut être d'une forme autre que cubique. Par exemple ce peut être un parallélépipède rectangle, une pyramide ou une sphère. En variante, un foyer fermé déjà existant est adapté pour recevoir une troisième arrivée d'air, par montage d'une plaque de fond 10 et, avantageusement, d'un déflecteur 15. REVENDICATIONS 1. Foyer de combustion fermé (1) fonctionnant au bois, comprenant une première arrivée d'air (AI) en dessous d'une zone de combustion (Z) du bois, une deuxième arrivée d'air (A2) au niveau d'une porte (8) d'accès à ladite zone de combustion (Z), caractérisé en ce qu'il comprend une troisième arrivée d'air (A3) située au voisinage de la partie supérieure (S) des flammes (12). 2. Foyer selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite troisième arrivée d'air (A3) est ménagée à l'arrière du foyer (1), au dessus de ladite zone de combustion (Z). 3. Foyer selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite troisième arrivée d'air (A3) est formée de plusieurs orifices (11), disposés selon une direction sensiblement horizontale et ménagés dans une plaque de fond (10) dudit foyer (1) positionnée dans un plan globalement vertical. 4. Foyer selon la revendication 3, caractérisé en ce que les orifices (11) sont disposés sur la plaque (10) à une hauteur (h) comprise entre 30 % et 40 % de la hauteur (H) du volume total du foyer (1). 5. Foyer selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite troisième arrivée d'air (A3) est raccordée à une prise d'air extérieur à la pièce dans laquelle se trouve le foyer (1). 6. Foyer selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite troisième arrivée d'air (A3) est raccordée à une prise d'air provenant de la pièce dans laquelle se trouve le foyer (1). 7. Foyer selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit d'air passant par ladite troisième arrivée d'air (A3) est réglable. 8. Foyer selon la revendication 7, caractérisé en ce que le réglage de ladite troisième arrivée d'air (A3) est fonction du débit d'air entrant par ladite première arrivée d'air (AI). 9. Foyer selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite plaque de fond (10) portant la troisième arrivée d'air (A3) est adaptée pour être montée sur un foyer existant, en remplacement d'une plaque de fond d'origine. 10. Cheminée équipée d'un foyer de combustion réalisé selon une des revendications précédentes.