Brevet FR3161939A1 — publié le 20251107

Brûleur radiant à flamme confinée. Il est constitué, d’une part, d’un brûleur à flamme de prémélange, produisant une flamme principale (1) en forme de dard, et un pilotage (2) annulaire, dans une chambre d’allumage (7), d’autre part, d’un monolithe réfractaire (11), composé d’ une pluralité de canaux longitudinaux (11a), la recouvrant, caractérisé en ce que la flamme principale (1) est confinée dans un canal principal (11b) qui l’entoure intimement, au point de pouvoir produire, sur la paroi extérieure correspondante, une source active de rayonnement, alors que toute la surface débitante de sortie de ce monolithe est composée de cellules, dont la dimension est suffisamment faible, pour empêcher l’allumage d’une zone explosive extérieure, ou permet, si la longueur suffisante, la post-combustion catalytique des produits de combustion de la flamme principale (1) et du pilotage (2). C’est seulement l’introduction d’un élément extérieur dans une ouverture utile de capot (13a) qui permet à ce brûleur d’être une source d’allumage. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Brûleur radiant à flamme confinée Dans le cadre des brûleurs à gaz avec admixtion d’air induit, la présente invention concerne un brûleur de production de chaleur, essentiellement par rayonnement, susceptible de fonctionner sans risque dans une atmosphère explosive. De la publication FR2664678B1 est connu un dispositif pour allumer une cigarette. Comme ce brûleur ne bénéficie pas d’air primaire induit, la puissance par unité de surface active étant limitée par la vitesse de diffusion de l’air secondaire, le volume extérieur du brûleur est nécessairement élevé. En outre, comme une flamme transitoire est à l’origine de l’amorçage de la réaction catalytique, seul un support de catalyseur fibreux est envisageable. Du coup, le dispositif correspondant est particulièrement fragile. En dehors de cet exemple, les modes de combustion des briquets à gaz actuels peuvent être répartis en trois familles : A flamme de diffusion : le jet de combustible gazeux se consume dans l’air ambiant en produisant une flamme jaune A flamme de prémélange, à « flamme rigide », ou à flamme bleue : un prémélange air-gaz combustible est, après admixtion d’air atmosphérique, le plus souvent répartie en une zone axiale principale conique bleue, le dard, et une zone annulaire de faible vitesse assurant la stabilité dynamique du dard A catalyse : à partir du cas précédent, l’ajout d’un élément solide actif améliore la stabilité de la combustion Dans ces trois versions, une flamme libre, toujours visible, est une source potentielle d’incendie d’autant plus critique, que la quantité disponible de ces dispositifs d’allumage est, sur terre, de l’ordre d’un par habitant. D’ailleurs, pour pallier cette situation sur le marché américain, une norme impose au briquet jetable d’intégrer des contraintes d’ergonomie le rendant « résistant aux enfants », comme, par exemple, décrit dans WO0138795A1. Concernant plus généralement les brûleurs catalytiques du type nid d’abeille, FR2678356A1 montre que, si, garantir la stabilité de fonctionnement par la répartition du prémélange peut paraître efficace, le vieillissement des catalyseurs reste la contrainte majeure : pour ce type de brûleur à haute puissance spécifique, l’usage de catalyseur conduit inévitablement à une durée de vie limitée. Par ailleurs, la conception des brûleurs radiants classiques (sans catalyseur) aboutit à un brûleur plat utilisant un support réfractaire, obéissant généralement à deux contraintes : présenter des canaux amont dont les petites dimensions interdisent, par coincement, la prise de feu, et des canaux aval plus larges, de position et de longueurs judicieusement variées, pour, du fait de la pénétration locale du front de combustion, récupérer du rayonnement utile : FR1297959A en est un exemple. Avec cette présente invention, du fait que le dard de la flamme est situé en amont du support réfractaire, le monolithe, l’échange thermique correspondant est optimum : la partie active du monolithe, entoure, intimement et sur sa longueur, une flamme axiale de prémélange, permettant, ainsi, de récupérer efficacement la chaleur produite par le front de combustion. La partie extérieure correspondante assure ainsi un rayonnement optimal avec l’extérieur. La présente invention utilise un monolithe issu d’un support robuste de type nid d’abeille. Comme ce dernier est brut (sans revêtement à haute surface spécifique, ni dépôt de métal précieux), sa durée de vie n’est pas limitée par une réduction de l’activité catalytique, elle-même souvent due à une modification structurelle d’éléments ajoutés. Comme tous les produits de combustion, issus de la flamme principale et du pilotage, sortent par une face aval de support munie de cellules de dimension suffisamment faibles pour produire le coincement des réactions de combustion, l’invention permet le fonctionnement dans une ambiance explosive sans risque d’inflammation : la flamme reste confinée, à l’allumage, comme au cours du fonctionnement nominal. Cette invention permet ainsi, en particulier, de proposer un allume-cigarette intrinsèquement sûr : l’absence de flamme libre lors de son usage à vide, c’est-à-dire sans introduction d’un objet extérieur comme une cigarette, évite tout risque de provoquer un incendie, même si l’atmosphère ambiante est explosive. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation particulier pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés : FIG. 1 est une représentation schématique en coupe longitudinale du brûleur à flamme de prémélange sur lequel s’appuie l’élément actif selon de l’invention FIG. 2 est une représentation schématique en coupe longitudinale du dispositif complet selon l'invention FIG. 3 est une représentation schématique selon une demi- coupe longitudinale de l’élément actif selon l’invention FIG. 3 représente la section transversale amont A-A de la FIG. 3 FIG. 3 représente la section transversale active B-B de la FIG. 3 FIG. 3 représente la section transversale aval C-C de la FIG. 3 FIG. 4 est la représentation schématique en coupe longitudinale du dispositif selon l'invention, dans un plan perpendiculaire à celui de la FIG. 3 FIG. 4 schématise le nouveau profil de la flamme après le doublement du débit de gaz FIG. 5 présente une amélioration de l’invention sur le plan de l’hygiène de combustion FIG. 6 montre un usage de l’invention en tant qu’allume-cigarette Description détaillée Comme le dispositif selon l’invention est constitué principalement d’un habillage autour d’une flamme de prémélange, il est nécessaire de décrire précisément le brûleur qui est à l’origine de cette flamme. Selon la FIG. 1 , ce brûleur présente une flamme axiale principale en forme de dard conique (1) et un pilotage annulaire (2). Ce dard (1), est un cône, image d’un front de combustion visible bleu. La couche réactionnelle correspondante s’appuie sur cette surface conique et utilise la plus grande partie du débit de gaz. Dans l’exemple décrit, le niveau de débit total intégrant le pilotage (2), est du même ordre que celui des briquets à gaz jetables : environ 2 g/h d’isobutane. Tel que représenté sur la FIG. 1 , le dispositif comprend un injecteur (3) qui permet l’admixtion d’air primaire par les quatre orifices (4), un tube (5) permettant alors la formation d’un mélange homogène air-gaz. Une bobine de répartition (6) sépare ce mélange en 2 flux parallèles ; le flux axial principal, qui alimente le dard (1), et plusieurs petits flux secondaires distribués symétriquement dans un espace annulaire, qui alimentent le pilotage (2) : une électrode (8), grâce au retour de masse d’un élément piézoélectrique (9), permet l’allumage de cette couronne de flammes pilotes (2), elle-même nécessaire pour assurer l’allumage et la stabilité du dard (1) ; les flammes pilotes (2) sont protégées sur la hauteur par une chambre d’allumage isolante réfractaire (7), améliorant ainsi leur propre stabilité face aux courants d’air ; une protection métallique extérieure , le capot de protection (10), permet, à un niveau de température acceptable au toucher, la diffusion vers l’extérieur de la chaleur produite. Par référence à la FIG. 2 , la présente invention s’appuie sur l’habillage des flammes (1) et (2) à partir, dans notre exemple, d’un monolithe du type nid d’abeille en cordiérite à 400 cellules/inch² (11), couramment utilisé comme support de catalyseur de traitement des gaz d’échappement des automobiles, et dont les canaux sont parallèles à l’axe d’écoulement. C’est le façonnage de ce monolithe (11) pour habiller les flammes (1) et (2) qui aboutit à l’élément principal de l’invention. Ce support a la particularité de présenter des cellules (11a) de dimension suffisamment faible pour interdire, par coincement, toute propagation du front de combustion à l’extérieur, c’est-à-dire qu’elles bloquent chimiquement et thermiquement toute propagation du front de combustion en aval. En outre, ce support a des parois fines assurant une section ouverte de l’ordre de 80% de la surface totale ; son usage en aval du flux de combustion, modifiant faiblement la perte de charge de l’ensemble, permet, de conserver un taux d’aération primaire suffisamment élevé par les orifices (4). Diminuer le taux d’aération serait d’autant plus préjudiciable qu’il limiterait la puissance utile du prémélange air-gaz, supposé déjà riche : en effet, comme la conception du brûleur à flamme est définie pour une flamme rigide qui, lorsqu’elle est libre, bénéficie déjà d’un apport d’air secondaire, l’air apporté par induction est, en général, insuffisant pour assurer, seul, la combustion totale. Par ailleurs, la rondelle isolante (12) permet de couvrir la chambre d’allumage (7), avec, par conséquent, une amélioration de la stabilité des flammes pilotes (2) au vent. Le diamètre intérieur de la rondelle (12) est légèrement supérieur à la dimension du canal (11b) pour isoler la chambre d’allumage (7) du rayonnement thermique interne du monolithe, tout en permettant le passage des produits de combustion des flammes pilotes (2) dans les canaux situés à la périphérie du canal principal (11b). Le capot obtenu à partir d’un tube en acier inoxydable (13) permet de maintenir la position du monolithe (11) par l’intermédiaire d’isolants réfractaires souples en amont (12) et en aval (14), agissant tant sur le plan mécanique que thermique. Les quatre pattes (13b) de ce capot tubulaire assurent, par un serrage interne, la liaison mécanique dans le capot de protection (10). La surface de contact limitée réduit ainsi le transfert de chaleur entre le capot tubulaire (13) et le capot de protection (10). Pour monter le brûleur de la FIG. 2 , l’élément décrit par la FIG. 3 , est ajouté au brûleur de la FIG. 1 , sans aucune modification de ce dernier ; la compréhension de cette invention est ainsi facilitée par la parfaite modularité du dispositif décrit. Sur cette FIG. 3 , par une ouverture utile de capot (13a) non coupée, la forme apparente, illustrée par sa face utile (11c), est celle qu’aurait une flamme vraiment « rigide ». A partir de cette même FIG. 3 , la description de l’amont vers l’aval, de la répartition des cellules dans des sections transversales à différentes hauteurs permet de préciser localement les différents rôles des trois éléments constitutifs de ce sous-ensemble, le monolithe (11), le capot métallique (13) et les joints (12) et (14). FIG. 3 , zone amont : Les cellules périphériques du monolithe et la présence du joint (12), permettent d’assurer que le prémélange ne s’échappe pas à l’extérieur, et ce, d’autant plus facilement que l’effet de jet du dard dans le canal (11b) met cet espace en dépression ; par ailleurs, tous les passages vers l’extérieur en aval des flammes pilotes, respectent une dimension maximale qui permet de garantir qu’aucune d’entre elles ne s’échappe, même au moment de l’allumage Le haut des pattes du capot métallique (13b) montre leur surface de contact réduite limitant le transfert de chaleur en amont Aussi, au droit de l’électrode, le joint (12) permet, en éloignant le capot de l’électrode, de favoriser l’obtention de l’étincelle d’allumage au niveau de la bobine FIG. 3 , zone active : Les rangées extérieures de cellules ont été ôtées pour aboutir à la platine radiante (11c), d’épaisseur équivalente à deux cellules complètes. Ainsi, le monolithe, du fait d’une faible distance entre le front de combustion du dard et la paroi du canal (11b), et d’une épaisseur minimale, réduite à celle d’une paroi unique, permet le transfert de chaleur efficace à la paroi extérieure (11c), au point de la porter à plus de 600°C avec un rayonnement rouge vif Le capot tubulaire guide les produits de combustion du pilotage, avec une possibilité supplémentaire de diffusion vers l’extérieur par les deux ouvertures symétriques du capot (13a) Ces ouvertures (13a) sont suffisantes pour permettre l’usage extérieur de la chaleur radiante produite par les deux surfaces symétriques (11c) qui leur font face FIG. 3 , zone aval : Le monolithe, à partir de la section minimale avec quatre cellules complètes retrouve rapidement sa section maximale qui lui permet, d’assurer, à la fois, dans l’axe, des dimensions assurant le coincement du dard, et sur la périphérie, son positionnement radial Les joints (14) perfectionnent ce centrage tout en diminuant le transfert de chaleur entre le capot tubulaire (13) et le monolithe (11) Sur la FIG. 4 , un canal axial (11b) entoure intimement le front de combustion définissant le dard (1), pour récupérer sa chaleur sur toute sa longueur, selon une paroi longitudinale étanche l’isolant de l’extérieur. Bien sûr, pour que les réactions de combustion existent, dans la direction perpendiculaire à l’écoulement, la dimension transversale de ce canal (11b) est nécessairement supérieure à celles des cellules (11a) : dans notre exemple, quatre cellules contiguës ont été prévues pour former la section carrée de ce canal (11b). Nous pouvons alors préciser le fonctionnement sûr dans une zone extérieure explosive ; il faut considérer : D’une part, comme déjà évoqué, le coincement direct de la réaction de combustion en phase homogène du fait d’une taille maximum de cellules (11a), pour le pilotage (2) comme pour la flamme principale (1) D’autre part, la limitation du risque d’allumage par surface chaude : en cas de présence d’une atmosphère explosible extérieure, les produits de combustion issus de la couronne de pilotage (16) représentés sur la FIG. 4 , engendre une couche relativement froide qui dilue cette atmosphère au point que, lorsque l’on s’écarte de la paroi (11c), soit, au voisinage de cette paroi (11c), la teneur en oxygène est significativement inférieure à 12%, soit , au voisinage du capot (13), la température du flux gazeux est inférieur à 300°C : ainsi, la surface radiante (11c), même à 600°C, ne peut pas être la source d’allumage d’un mélange gazeux extérieur inflammable; l’invention est ainsi plus sûre que tout dispositif d’allumage utilisant une source électrique directe. La conception de cet exemple était initialement prévue pour, en entourant le dard (1) sur toute sa hauteur, porter au maximum l’échange thermique entre le dard (1) et le canal (11b), consommant ainsi une puissance spécifique théorique moyenne d’environ 50 W/cm². Mais, étonnamment le doublage du débit de gaz, observé par le doublage de la hauteur de flamme du brûleur de la FIG. 1 , augmente la puissance de rayonnement de la surface radiante (11c) : sur la FIG. 4 on voit que le dard a été étêté (17) ; la possibilité d’allumage d’une flamme en aval de notre brûleur par une allumette, montre que le niveau de gaz imbrûlés est cependant élevé ; mais, le système répond favorablement _davantage de débit, entraine davantage de puissance rayonnée_, et une grande souplesse de fonctionnement est ainsi garantie : la stabilité d’un tube de combustion (17) est, en effet, assurée tant que les flammes du pilotage (2) existent. De la FIG. 5 est proposée une variante de l’invention permettant, en particulier, dans ce cas, d’améliorer l’hygiène de combustion de notre brûleur. Il s’agit, pour assurer un temps de contact des espèces chimiques suffisant, d’allonger la partie de section F-F de la FIG. 3 et traiter cette partie afin qu’elle soit active _par exemple, revêtement à haute surface spécifique supportant du platine finement dispersé (il n’y a, alors, plus de coincement), pour assurer une post-combustion catalytique à basse température : Pour les produits de combustion des flammes pilotes, un apport d’air secondaire (17) est déjà suffisant pour parfaire l’hygiène de combustion, même si le prémélange gaz-air primaire reste riche Quant à la flamme principale, si la conception du brûleur décrit par la FIG. 1 permet, à chaud, un fonctionnement proche de la stœchiométrie, une post-combustion, assurée par une réaction catalytique hétéro-homogène (19), permet de réduire le taux de gaz imbrûlés : comme il s’agit d’un post- traitement à faible charge, en présence d’une forte dilution par les produits de combustion du « dard » (18), l’intégrité structurelle de cette partie peut être assurée. La hauteur de la partie active ajoutée à notre module initial de la FIG. 3 , est, avantageusement, légèrement supérieure à la longueur de la flamme visible, qu’on aurait observée après un allumage extérieur des gaz imbrulés du dard à partir ce module. Par ailleurs, quel que soit le débit, une fois l’allumage effectué par l’étincelle issu de l’élément piézoélectrique, une partie de flamme bleue reste visible de l’extérieur par les canaux aval (11a). Ainsi, selon l’invention, il est possible de proposer une version hybride de brûleur composée d’un tronc de flamme pilotée (18) en amont d’une réaction catalytique hétéro-homogène (19) qui présente un taux de gaz imbrûlés négligeable : il s’agit d’un brûleur longiforme, dont la stabilité structurelle est principalement liée à la répartition de la charge thermique sur cette longueur. Exemples Le dispositif selon l'invention répond à toute demande, nécessitant à la fois, une densité volumique de puissance élevée et un fonctionnement sans risque dans une zone potentiellement explosive. En particulier, l’usage de ce brûleur radiant pourrait être bien adapté pour le collage ou la polymérisation à haute température en présence de solvant. Pour les outils à gaz (fer à souder, pistolet à colle, thermoplongeur), ce dispositif est intéressant dès qu’un encombrement radial minimum est requis. Pour peu que la conception du produit permette de récupérer efficacement la chaleur émise par le capot de protection, ce brûleur allongé présente, en effet, de nombreux avantages : allumage piézo-électrique intégré, compacité et puissance spécifique élevée, en présentant un fonctionnement souple et stable dans le temps. Il est aussi particulièrement adapté au domaine des briquets : la FIG. 6 montre quel pourrait être l’usage sous cette forme, appliqué à la cigarette seule (20). Du fait de la multiplicité des surfaces de sortie, l’introduction de cette cigarette (20) dans un des deux orifices (13a), ne freine qu’une partie des produits de combustion du pilotage. Ainsi, comme l’allumage d’une cigarette n’entraine pas une diminution significative du taux d’aération, la puissance utile fournit reste constante. Par ailleurs, si ce type de design était rendu obligatoire pour tous les fumeurs de cigarette, le nombre de décès accidentels (incendie) serait réduit drastiquement. Même avec un usage inapproprié, produire une inflammation nécessiterait, en effet, en plus des actions exigées par l’usage courant, l’approche volontaire d’un élément solide extérieur vers l’orifice (13a). Ainsi, ce brûleur est un allume-cigarette moins dangereux que n’importe quel briquet électrique et, sur le plan de la sécurité, significativement plus sûr que n’importe quel briquet à gaz muni d’une sécurité enfant. L’objet de cette invention est un brûleur radiant comprenant une flamme de prémélange air-gaz pilotée, muni d’une électrode d’allumage (8), produisant un front de combustion principal sous la forme d’un dard axial (1) caractérisé en ce qu’il comprend, en aval, un support réfractaire (11) muni de canaux (11a) parallèles à l’axe d’écoulement, recouvrant totalement le pilotage annulaire (2) dans sa chambre d’allumage (7), entourant intimement, au moins à sa base, le dard axial, pour récupérer efficacement la chaleur produite, et présentant, pour chaque cellule débitante en sortie, une dimension suffisamment faible, pour empêcher, y compris à l’allumage, toute propagation de la réaction de combustion à l’extérieur. La forme extérieure du support réfractaire est un tronc de cône, dont la longueur est légèrement supérieure à celle du canal principal (11b) et dont la section minimale est celle de ce canal entouré d’une seule paroi périphérique. Sur deux plans symétriquement opposés, s’étendant d’une zone aval proche de la base du cône jusqu’à intégrer la zone de section minimale, une seule paroi étanche longitudinale sépare le canal principal (11b) de cette surface plane extérieure (11c), la source active de rayonnement. Une rondelle isolante réfractaire souple (12), de diamètre intérieur légèrement supérieur au diamètre équivalent du canal principal (11b), limite les contraintes mécaniques et thermiques transmises à la chambre d’allumage amont (7) tout en laissant passer les produits de combustion des flammes de pilotage (2). Pour maintenir le support réfractaire (11) en position, il est prolongé en aval jusqu’à retrouver le diamètre de sa base, et un capot métallique tubulaire (13), munis d’ouvertures faisant, avec une surface équivalente, face à chaque surface active de rayonnement (11c), assure son centrage et sa fixation. Le balayage de chaque surface rayonnante (11c) par les produits de combustion du pilotage (2) empêche, par dilution, l’allumage d’une zone explosive extérieure qu’elle serait susceptible d’enflammer en tant que surface chaude. Dans ce dernier cas, la partie aval du support réfractaire peut, par une imprégnation adaptée et sur une hauteur suffisante, être rendue catalytiquement active, pour assurer la post-combustion d’un débit de prémélange trop élevé pour le canal (11b), en assurant ainsi un temps de contact des réactifs suffisant pour faciliter la combustion complète du prémélange issu de ce canal principal (11b), les produits de combustion du pilotage bénéficiant déjà d’un apport d’air secondaire par chaque ouverture (13a). Le capot muni d’au moins un orifice de diamètre supérieur à celui d’une cigarette, permet son allumage par proximité avec la paroi chaude (11c) sans freiner significativement le flux total des produits de combustion du brûleur. Dans le cas de l’exemple décrit, le support réfractaire utilisé est du type nid d’abeille en cordiérite avec, au niveau de la surface débitante aval, 400 cellules/inch². Brûleur radiant comprenant une flamme de prémélange air-gaz pilotée, muni d’une électrode d’allumage (8), produisant un front de combustion principal sous la forme d’un dard axial, la flamme principale (1), caractérisé en ce qu’il comprend, en aval, un monolithe réfractaire (11) muni de canaux (11a) parallèles à l’axe d’écoulement, dont un canal principal, recouvrant totalement un pilotage annulaire (2), à l’intérieur d’ une chambre d’allumage (7), entourant intimement, au moins à sa base, le dard axial, pour récupérer efficacement la chaleur produite, et présentant, pour toute cellule débitante en sortie, une dimension suffisamment petite, pour empêcher, y compris à l’allumage, toute propagation de la réaction de combustion à l’extérieur Brûleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la forme extérieure du monolithe est un tronc de cône, dont la longueur est légèrement supérieure à celle du canal principal (11b), le canal principal entourant intimement le dard, et dont la section minimale est celle de ce canal entouré d’une seule paroi périphérique Brûleur selon la revendication 2 caractérisé en ce que, sur deux plans symétriquement opposés, s’étendant d’une zone aval proche de la base du cône jusqu’à intégrer la zone de section minimale, une seule paroi étanche longitudinale sépare le canal principal (11b) d’une surface plane extérieure, définissant une source active de rayonnement (11c) Brûleur selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce qu’une rondelle isolante réfractaire souple (12), de diamètre intérieur légèrement supérieur au diamètre équivalent du canal principal (11b), limite les contraintes mécaniques et thermiques transmises à la chambre d’allumage (7), tout en laissant passer les produits de combustion du pilotage (2) Brûleur selon les revendications 3 et 4 caractérisé en ce que, pour maintenir le monolithe réfractaire (11) en position, il est prolongé en aval jusqu’à retrouver le diamètre de sa base, et un capot métallique tubulaire (13), munis de deux ouvertures utiles (13a) faisant, avec une surface équivalente, face à chaque source active de rayonnement (11c), assure son centrage et sa fixation Brûleur selon la revendication 5 caractérisé en ce qu’un balayage de chaque source active de rayonnement (11c) par les produits de combustion du pilotage (16) empêche, par dilution, l’allumage d’une zone explosive extérieure qu’elle serait susceptible d’enflammer en tant que surface chaude Brûleur selon la revendication 6 caractérisé en ce que la partie aval du monolithe réfractaire est, par une imprégnation adaptée et sur une hauteur suffisante, rendue catalytiquement active, pour assurer la post-combustion catalytique à basse température, des produits de combustion de la flamme principale (1) et du pilotage (2) issus d’un débit de prémélange trop élevé Brûleur selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que, seulement l’introduction d’un élément extérieur dans une des deux ouvertures utiles de capot (13a) permet à ce brûleur d’être une source d’allumage d’une cigarette (20), si cette ouverture a un diamètre suffisant Brûleur selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le monolithe réfractaire utilisé est du type nid d’abeille en cordiérite avec, au niveau de la surface débitante aval, 400 cellules/inch²