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(11) | EP 0 202 172 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Récipient pour gaz liquide, incorporé ou non dans un appareil d'utilisation |
| (57) Un tube d'alimentation (6) est disposé dans un évidement central (9a) d'un tampon
(9) de matière absorbante. Cet évidement reçoit une cheminée perforée (7) qui forme
parement interne. Un tube d'alimentation (6) est engagé avec jeu dans la cheminée
(7). Son extrémité libre (69) se trouve au milieu de la hauteur du tampon (9) tandis que son autre extrémité est
associée à une valve (5) pour le prélèvement uniquement en phase gazeuse. |
[0002] Par gaz liquide, on entend tout corps présentant dans ses conditions de stockage - (notamment pression, température) deux phases, à savoir liquide et gazeuse, normalement séparées par un interface. Il peut s'agir d'un gaz liquéfié, c'est-à-dire d'un corps pour lequel la phase liquide est en équilibre avec sa phase vapeur, la pression gazeuse à l'intérieur du récipient étant alors égale à la pression de vapeur dudit corps ; au premier rang des gaz liquéfiés se situent les gaz de pétrole liquéfiés (ou GPL), par exemple butane, par référence auxquels la présente invention sera explicitée. Il peut s'agir aussi d'un gaz dissout, c'est-à-dire d'un corps dont la phase gazeuse est en équilibre avec une phase dissoute dans un solvant approprié, ce dernier constituant la phase liquide dont il a été question précédemment. Par corps, il faut comprendre de manière générale, aussi bien un corps pur qu'un mélange de corps purs ; ainsi le butane dit commercial apparaît être un mélange de butène et d'autres hydrocarbures, par exemple du butane.
[0003] S' agissant des conditions de stockage, le gaz liquide contenu dans le récipient peut être sous- pression ou non, la pression interne au sein du récipient étant inférieure, supérieure ou égale à la pression ambiante ou externe, par exemple atmosphérique. De même, la température du gaz liquide peut être ou non inférieure ou égale à la température ambiante ; les récipients selon l'invention peuvent être des stockages cryogéniques, c'est-à-dire destinés à stocker des gaz liquéfiés à très basse température, par exemple de l'azote liquide.
[0004] Les récipients envisagés par la présente invention peuvent revêtir différentes formes, en particulier en fonction de leur utilisation.
1) ils peuvent être fixes ou mobiles, portables ou non, de petit ou grand volume ;
2) s'agissant des récipients portables, ils peuvent être rechargeables, et donc réutilisables, ou jetables, et donc à usage unique ;
3) s'agissant des récipients jetables, l'invention concerne aussi bien des récipients per- forables, que la pratique désigne sous fe nom de "cartouches", que des récipients présentant un dispositif de prélèvement particulier en phase gazeuse par exemple un robinet, une valve ou un clapet ;
4) s'agissant des récipients jetables avec valve, l'invention, concerne en particulier les générateurs d'aérosol, pour lequels le gaz liquide sert d'agent propulseur d'un autre corps divisé, solide ou liquide, contenu ou non dans le même récipient ;
5) enfin, les récipients envisagés par l'invention peuvent être ou non intégrés ou incorporés dans des appareils d'utilisation, consommant d'une manière ou d'une autre le gaz liquide sous forme gazeuse ; ainsi, pour un appareil avec brûleur alimenté par la phase gazeuse d'un gaz de pétrole liquéfié, un récipient selon l'invention peut être' un réservoir intégré dans l'appareil, rechargeable avec du butane commercial par exemple, prélevé à partir d'une cartouche.
[0005] La présente invention s'intéresse aux récipients tels que définis précédemment, à même de délivrer en phase gazeuse, et seulement sous cette forme, le gaz liquide qu'ils renferment. En effet,. dans la plupart des utilisations de la phase gazeuse, le prélèvement intempestif de phase liquide, sous l'effet de causes diverses, par exemple une position inadéquate du récipient, conduit à divers inconvénients, voire des dangers. Ainsi, si l'on se réfère à une lampe à souder avec brûleur à gaz, alimentée par une cartouche de butane commercial, la lampe doit être au démarrage tenue verticalement, pour qu'on soit sûr de prélever le gaz uniquement sous forme gazeuse, c'est-à-dire dans le ciel gazeux de la cartouche. Toute agitation, par exemple inclinaison de la cartouche, conduit à un prélèvement de gouttes de phase liquide, et à une combustion directe de celle-ci dans le brûleur. Comme il est conçu pour travailler en phase gazeuse, l'introduction de phase liquide provoque immédiatement l'apparition de longues flammes mottes, de couleur jaune, dûes à une combustion sans air secondaire ; pour certains appareils, par exemple de type domestique, l'apparition de telles flammes peut être dangereuse.
[0006] Pour retenir la phase liquide du gaz, et ne prélever ce dernier qu'en phase gazeuse, il est connu depuis très longtemps de "piéger" cette phase liquide sur un matériau absorbant disposé dans le récipient. Dans toute la présente description et les revendications, par matériau absorbant, il faut comprendre un matériau présentant un volume apparent excédant dans une proportion importante son volume réel, et ayant donc une grande surface développée, tant interne qu'externe, pour retenir par tension superficielle la phase liquide du gaz liquide. Un tel matériau présente donc une proportion importante de vides. Il peut s'agir d'un matériau poreux, fibreux, ou ayant toute autre forme, consistance, ou texture, dès lors qu'il répond à la définition générale précédente, et ce quelle que soit la nature du matériau employé, naturelle, minérale, organique, synthétique, etc...
[0007] Ainsi conformément au brevet britannique 677 303, on a déjà proposé un récipient pour gaz liquide, obtenu de la manière suivante :
-on part d'un tampon en matériau absorbant, en l'occurrence un matériau poreux tel que du charbon actif, lequel comporte un évidement borgne, allongé selon une dimension, en l'occurence la hauteur ;
-on constitue autour du tampon une paroi étanche aux gaz et aux liquides jouant le rôle de corps du récipient, par projection d'une laque ou résine ;
-on prélève le gaz liquide sous forme gazeuse, par un orifice laissé libre dans la paroi, matérialisé par un tube, en relation avec l'extrémité ouverte de l'évidement.
[0008] S'agissant des gaz de pétrole liquéfiés, divers . matériaux absorbants ont été proposés :
a) conformément aux documents FR-A-897 877 et GB-A-654 045, on a par exemple proposé un bourrage en coton, c'est-à-dire en un matériau naturel, du type fibreux, et dont les fibres sont creuses (voir pages 17 et suivantes de l'ouvrage de O. ROEHRICH, intitulé "La fibre de coton", paru aux Editions de l'Industrie Textile en 1948) ;
b) conformément au document GB-A-1 010 986, et s'agissant en particulier d' un réservoir rechargeable d'un briquet, on a proposé un remplissage complet dudit réservoir avec une mousse plastique, formée par exemple in situ, notamment du po- lyuréthane.
[0009] Une autre voie proposée pour évacuer le gaz liquide, uniquement sous forme gazeuse, consiste en fonction de la forme et des dimensions du récipient, à ajuster Ia quantité de gaz liquide introduite dans ce dernier, en fonction de la position de l'extrémité libre d'un tube d'alimentation, plongeant à l'intérieur et selon l'axe du récipient, à partir d'un dispositif de prélèvement. Ainsi, selon le brevet US-A-2 465 643, et s'agissant d'une lampe à souder avec réservoir cylindrique, le tube d'alimentation plonge jusqu'au milieu du réservoir qui est rempli à moitié, de telle sorte que, quelle que soit la position de la lampe à souder, l'interface gaz-liquide affleure le niveau ou est situé au-dessous de l'extrémité libre du tube d'alimentation.
[0010] Quel que soit le mode de stockage et/ou de prélèvement du gaz liquide, chacune des solutions envisagées précédemment conduit, pour un récipient d'une capacité donnée, à stocker une quantité limitée du gaz liquide, en tout cas une quantité bien en deçà de la capacité disponible du récipient.
[0011] Un exemple emprunté au domaine des cartouches jetables à valve, contenant du butane commercial, permettra de mieux comprendre le propos précédent.
[0012] Supposons une cartouche à valve, dont le diamètre et la hauteur sont respectivement de 40 mm et 125 mm, et donc un récipient dont la hauteur excède la largeur ou le diamètre. Le volume utile minimum en tenant compte de l'encombrement de la valve, est de 135 cm3. Conformément à la règlementation française - (Règlement de Transport des Matières Dangereuses article 301, alinéa 5, Journal Officiel du 18109161) et pour des raisons de sécurité, une partie de ce volume utile doit être affectée à la phase gazeuse (au moins 5% à 50°C), et en conséquence le volume maximal pouvant être affecté à la phase liquide est de 124,5 cm3, ce qui, compte tenu de la masse volumique du butane commercial à 50°C, soit 0,513 kg/l, représente une charge de butane au plus égale à 63,84 g, appelée ci-après mo.
[0013] Supposons que la même cartouche fasse application de la solution selon le brevet américain 2 465 643, c'est-à-dire incorpore un tube d'alimentation jusqu'à mi-hauteur de ce récipient. Dans ce cas, le volume maximal pouvant être affecté à la phase liquide est de 67,5 cm', en ne tenant pas compte du tube d'alimentation, ce qui, compte tenu de la masse volumique du butane commercial à 50°C, représente une charge de butane au plus égale à 34,691 soit 54% de mo.
[0014] Supposons que la même cartouche fasse application de la solution selon le brevet britannique 677 303 et qu'on prévoit en conséquence un tampon en fibres de cellulose, type pâte à papier, ayant la forme d'un cylindre avec un évidement axial et occupant la totalité du récipient.
[0015] En négligeant l'évidement axial, et en supposant que les densités réelles et apparentes des fibres de cellulose utilisées soient de 1,5 g/cm3 et 0,11 g/cm3 respectivement, le volume utile minimum disponible est de 121,4 cm3. En tenant compte de la même réglementation que précédement, le volume maximal pouvant être affecté à la phase liquide du butane commercial est de 115,3 cm', ce qui correspond à 50°C à une charge de butane au plus égale à 59,16 g, appelée ci-après m,, et égale à 93% environ de mo.
[0016] Par conséquent, avec un bourrage de fibres de cellulose absorbant théoriquement la totalité de la phase liquide du gaz introduit dans la cartouche, il est possible d'avoisiner la charge de la cartouche sans bourrage, sans voir apparaître de phase liquide lorsqùe la cartouche se vide en phase gazeuse.
[0017] La pratique démontre, dans cet exemple particulier et dans le cas de récipients ayant une géométrie comparable, des résultats relativement éloignés de la théorie. Avec un évidement ayant un diamètre de 6 mm, et selon la procédure d'essai définie ci-après, la charge pouvant être introduite, sans apparition de phase liquide lors du prélèvement, est de 48 g, ce qui représente 81% de la charge théorique m,, et 75% de la charge m sans bourrage.
[0018] Pour un récipient avec matériau absorbant, la présente invention a pour objet d'augmenter la charge de phase liquide pouvant être absorbée, pour une géométrie et des dimension données du récipient.
[0019] Selon l'invention, un tube d'alimentation est diposé dans l'évidement, comporte une extrémité libre située dans ce dernier, sans contact avec le tampon, et communique par son autre extrémité, de manière étanche par rapport à l'intérieur du récipient, avec un dispositif de prélèvement uniquement en phase gazeuse, situé dans la zone de prélèvement du gaz liquide.
[0020] Par extrémité libre, il faut entendre la partie du tube d'alimentation comportant un ou plusieurs orifices de soutirage du gaz liquide sous forme gazeuse. Selon l'invention, cette extrémité libre est disposée à distance de la paroi de l'évidement du tampon, par exemple au centre de celui-ci, pour éviter tout contact de l'orifice de soutirage (ou de sa bordure) directement avec le tampon de matière abasorbante.
[0021] Selon l'invention, il est également essentiel que l'entrée (dans la sens d'écoulement du gaz prélevé) du dispositif de prélèvement choisi, assurant la communication entre l'intérieur et l'extérieur du récipient, communique de manière étanche avec l'extrémité du tube d'alimentation opposée à l'orifice de soutirage ; étanchéité voulant dire que la jonction entre le tube et le dispositif de prélèvement est étanche vis-à-vis de la phase liquide du gaz, éventuellement présente à l'intérieur du récipient, de manière libre, c'est-à-dire en dehors du matériau absorbant.
[0022] Le protocole expérimental explicité ci-après a démontré, pour différents matériaux absorbants, que grâce à l'invention la charge maximale sous forme liquide pouvant être introduite dans un récipient, sans apparition de phase liquide (ultérieurement lors du prélèvement), pouvait approcher la charge théorique m,, calculée comme précédemment.
[0023] Sans être certain des hypothèses avancées, on peut expliquer l'invention de la manière suivante :
1) La présence d'un tube d'alimentation permet de remplir le récipient, jusqu'à obtention de l'interface gaz-liquide au niveau, et pas au-delà, de l'extrémité libre du tube d'alimentation ; ceci représente, par exemple, une certaine hauteur h de phase liquide dans le récipient. Si la longueur t du tube est au moins égale à cette hauteur h, en retournant le récipient, on ne prélèvera pas de phase liquide ;
2) Sur cette hauteur h, le matériau absorbant va être saturé en phase liquide, et sur la hauteur restante du même matériau, en fonction de la hauteur d'ascension capillaire H de la phase liquide, on obtient un gradient de concentration liquide, d'une valeur maximale proche de l'interface, à une valeur nulle au voisinage de la hauteur h + H ;
3) Sans le tube d'alimentation, le matériau absorbant ne pourrait être imprégné avec la phase liquide que sur la hauteur H, en tout cas, si l'on désire un prélèvement continu en phase gazeuse.
[0024] La présente invention est maintenant décrite par référence aux figures en annexe dans lesquelles :
-La figure 1 représente en coupe axiale un récipient jetable, du type générateur d'aérosol, ou cartouche à valve, selon l'invention ;
-La figure 2 montre en coupe axiale une variante du récipient représenté à la figure 1.
-Le figure 3 illustre en coupe axiale un autre récipient jetable, du type cartouche perforable, établi selon l'invention ;
-La figure 4 représente de manière - schématique une chaîne de fabrication, en grande série, de cartouches à valve selon la figure 1.
[0025] La cartouche à gaz 1 illustrée en fig. 1 comprend un corps 2 réalisé d'une pièce par filage ou extrusion d'un lingot d'aluminium comme cela est bien connu. Le corps 2 comporte un fond concave vers le bas 2a et une ouverture supérieure 2b bordée par un bourrelet périphérique 2c. Après remplissage l'ouverture 2b est fermée par une coupelle 3 dont la périphérie 3a est sertie par rapport au bourrelet 2c du corps 2, un joint 4 étant disposé entre ces deux éléments de manière à assurer une étanchéité parfaite. Le centre de la coupelle 3 comporte un bossage creux 3 b ouvert vers le bas qui retient un corps de valve 5 par rétreinte centripète en dessous d'une tête 5a de ladite valve. Celle-ci est associée de manière étanche à un tube plongeur 6 disposé dans une cheminée perforée 7 s'étendant dans l'axe du corps 2, et qui est destiné à l'alimentation en gaz. Un filtre 8 est placé entre la valve 5 et le tube plongeur 6 de manière que le gaz prélevé dans le corps 1 s'échappe, lorsque désiré, hors de la valve 5 en n'ayant en suspension qu'un nombre extrêmement réduit d'impuretés.
[0026] La cheminée perforée 7 qui est réalisée en une matière plastique appropriée entoure avec jeu le tube plongeur 6 et constitue une séparation entre un tampon- annulaire de matière absorbante désigné sous la référence générale 9, et ledit tube plongeur. En fait ce tampon 9 comporte un évidement central allongé 9a de manière que la cheminée perforée 7 forme parement interne de l'évidement de ce tampon. On observe que l'évidement 9a s'étend pratiquement sur toute la hauteur du corps 2.
[0027] Le cheminée perforée 7 comporte une partie supérieure 7a entourant avec jeu la partie correspondante du tube plongeur 6 et qui se termine par une collerette 7b prenant appui sur le dessus du tampon 9 se trouvant lui-même à une certaine distance en dessous de la coupelle 3.
[0028] Une coiffe d'inviolabilité 10 représentée en traits discontinus comprend une cheminée centrale 10a qui coopère avec l'intérieur de la partie périphérique 3a de la coupelle 3 et une jupe extérieure 10b comportant à la manière connue une saillie annulaire inférieure 10c venant s'engager élastiquement sous le bourrelet 2c du corps 2. Le bas de la jupe 10b est associé au moyen d'une ligne d'affaiblissement à une bande de garantie déchirable 11 assurant l'authenticité du contenu de la cartouche 1, tant qu'elle n'est pas détruite.
[0029] On observe qu'il existe un interstice non seulement entre la tête du tube plongeur et la partie correspondante de la cheminée perforée 7, mais aussi tout le long du tube entre celui-ci et ladite cheminée. La longueur du tube 6 considéré est telle que son extrémité libre 6a se situe, quelle que soit la position dans l'espace de la cartouche 1, très légèrement au-dessus d'un interface liquide - gaz théorique correspondant au volume du gaz liquide contenu dans le volume disponible de la cartouche.
[0030] Suivant un mode d'exécution avantageux de l'invention le débouché du tube plongeur d'alimentation dans l'évidement 9a se situe au niveau médian dudit évidement.
[0031] Conformément à la figure 2, le tube d'alimentation consiste en une pièce creuse monobloc, fermée à un bout 6 cet comportant deux nervures annulaires externes 6d et 6e. Ces nervures, assimilables à deux cloisons transversales, et plus précisément perpendiculaires à l'axe de la cartouche, délimitent avec la paroi de l'évidement 9, et plus précisément avec la cheminée perforée 7, une cage de soutirage 22, dans laquelle est comprise l'extrémité libre 6a du tube.
[0032] Les deux nervures ou cloisons 6 d et 6e forment entretoises entre la cheminée 7 et le tube 6 et préservent ainsi l'extrémité libre de ce dernier de tout contact avec le tampon de matière absorbante 9.
[0033] La cloison 6 d prévue au niveau de l'extrémité libre 6a obture le tube d'alimentation et pour le soutirage, le tube comporte deux orifices de soutirage, ou lumières 6f s'étendant entre les deux cloisons 6 d et 6e.
[0034] Conformément au mode d'exécution de la figure 2, le ou les orifices de soutirage sont protégés dans leur environnement immédiat, contre toute particule ou autre forme dispersée de matière absorbante, s'interposant entre l'extrémité. libre du tube d'alimentation d'une part, et le tampon absorbant d'autre part. Une telle interposition établirait un "pont" entre le tube et la matière absorbante, à la manière d'une mèche acheminant de la phase liquide non désirée vers le tube.
[0035] Si l'on désire réaliser conformément à l'invention une cartouche perforable telle que celle 12 illustrée en fig. 3, il est nécessaire d'associer la partie supérieure du tube d'alimentation 6 au fond 13a d'une cuvette 13 dont les bords libres sont soudés ou associés de toute autre manière étanche à la face inférieure du dessus bombé 12a de la cartouche 12, en face de la zone de perforation 12b. Dans ce cas, la partie haute du tube 6 doit traverser de façon étanche le fond 13a de la cuvette 13, afin que son canal central 6b débouche dans cette cuvette.
[0036] S'agissant du matériau absorbant, diverses matières ont été testées et retenues selon l'invention :
a) des matières fibreuses végétales, telles que coton cardé, déchets de coton, fibres de cellulose ; parmi ces dernieres, différentes sortes de pâte à papier, dénommés par les praticiens de cette industrie, respectivement pâte mécanique, pâte kraft écrue de résineux, pâte kraft blanchie de feuilles, pâte blanchie au bisulfite de résineux, pâte kraft blanchie de résineux, pâte blanchie, qualité dite fluff ;
b) des mousses plastiques à base de po- lyuréthane, et plus particulièrement des mousses polyéthers ou polyesters, à cellules ouvertes ou non, avec différentes porosités.
[0037] Pour diverses cartouches, aux formes ou dimensions fifférentes le taux d'absorption de butane commercial, c'est-à-dire la charge maximum M, exprimée en gramme, pouvant être introduite sans apparition de phase liquide lors du prélèvement du gaz a été évaluée selon la procédure d'essai suivante :
1) Le tampon du matériau absorbant a une forme et des dimensions telles qu'il occupe pratiquement tout le volume interne du récipient..
2) On met sous vide la cartouche, jusqu'à obtenir une pression interne de 10 à 20 mm de mercure.
3) Une charge M est introduite en phase liquide dans chaque cartouche.
4) Chaque cartouche est ensuite équipée d'un dispositif de prélèvement, pourvu d'un robinet et d'un injecteur calibré pour délivrer un débit massique constant (par exemple 50g de butane par heure) à la température de l'expérience.
5) La cartouche ainsi équipée est disposée dans un bain d'eau thermostaté à 50°C pendant 30 minutes.
6) La cartouche est extraite du bain thermostaté et disposée dans une ambiance à 22°C, et on ouvre le robinet en disposant la cartouche dans différentes positions, tête en haut, couchée et horizontale, et tête en bas ; le débit de butane est évacué dans l'atmosphère, sans combustion.
7) On note le temps à partir duquel il y a apparition de phase liquide ; si ce temps est inférieur à 1 mn, on replace la cartouche équipée du dispositif de prélèvement dans le bain thermostaté pendant 10 mn, puis on recommance selon 6) ; au-delà d'une minute, on considère que la charge introduite ne conduit pas à l'apparition de phase liquide, car selon les expériences effectuées, au-delà de ce temps, il n'apparaît plus généralement de phase liquide.
8) L'apparition de phase liquide peut être matérialisée en disposant à la sortie de l'injecteur une feuille de papier kraft, à 1 cm, laquelle va se teinter dès l'apparition de. gouttelettes ou de brouillard.
9) dès que l'absence de phase liquide est constatée selon les étapes précédentes, on note la charge M résiduelle de butane, contenue dans la cartouche, mesurée par pesée.
[0038] Pour différents supports fibreux à base de cellulose, type pâte à papier, disposés dans diverses cartouches à valve selon la figure 1, et pour du butane commercial, on obtient les résultats montrés dans le tableau ci-après ; m, est la charge maximum théorique de butane évaluée comme indiqué dans le préambule de la présente description, en tenant compte du volume de l'évidement.
[0039] Si l'on compare les résultats de l'essai n° 6 avec les valeurs données dans le préambule de la présente description, on constate qu'on avoisine la capacité théorique d'absorption du tampon de matériau absorbant, en remplissant la cartouche à 92% de sa capacité sans bourrage. Cette performance obtenue selon l'invention est intéressante, dans la mesure où le bourrage ne fait perdre en définitive qu'un volume limité pour le stockage de la phase liquide.
[0040] Afin de produire en grande série des cartouches selon la figure 1, on met en oeuvre un procédé illustré schématiquement en fig. 3.
[0041] En partant d'un rouleau de matière première se présentant sous la forme d'une nappe de fibres 14, on fait passer cette nappe- dans un appareil défibreur 15 à partir duquel un ventilateur centrifuge 16 envoie les fibres séparés dans une trémie 17 dans laquelle lesdites fibres sont séparées de l'air. Un autre ventilateur 18 aspire de l'air dans le défibreur 15 et dans la trémie 17 et le rejette à l'extérieur après qu'il soit passé dans un dispositif de filtration 19.
[0042] Les fibres disposées dans la trémie 17 tombent dans une cheminée doseuse 20 alimentant une vis d'archimède 21. Celle-ci par rotation comprime les fibres dans les corps 2 placés axialement de manière successive au débouché de cette vis. On prévoit de disposer un mandrin central non représenté dans chaque corps 2 de manière que les fibres se disposent en couronne autour de ce mandrin qui permet la formation de l'évidement 9a et la mise en place de la cheminée perforée 7 dans cet évidement.