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PROCEDE ET APPAREIL DE REGULATION AUTOMATIQUE DES CHAUDIERES.
La présente invention concerne un procédé et un appareil de régula- tion de la marche des chaudières et générateurs de vapeur et plus particuliè- rement le réglage automatique du débit du combustible (ou du combustible et de
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Pair) fourni au foyer d9un chaudière., deun générateur de vapeur ou analogue par rapport au débit du courant d'eau ou autre liquide à chauffer ou à vapo- riser admis dans la chaudière.
.Les procédés et appareils de régulation jusqu'ici appliqués pour commander l'alimentation des chaudières et des générateurs n'ont pas donné entièrement satisfactiono Les procédés antérieurs étaient ordinairement basés sur le principe du réglage de la quantité de combustible fournie à la chau- dière par rapport à sa productiono Dans de tels procédés, on observe une ten- dance marquée à des fluctuations de la production de la chaudière en présence d'une demande variable, étant donné quil existe un décalage important entre
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Conformément à la présente invention, la marche d'une chaudière est principalement commandée en fonction de son admission plutôt que par sa température ou¯son débite Selon le procédé perfectionné de commande;, on uti- lise le courant de liquide admis dans la chaudière pour actionner un élément mobile d'une façon proportionnée au débit du liquide, et 19on utilise les mou- vements dudit élément pour commander d'une façon proportionnée la quantité de combustible fournie au foyer de la chaudière.
Lappareil permettant de réaliser le présent procédé peut être décrit brièvement comme comprenant un dispositif placé sur le chemin de Peau d'alimentation (ou autre liquide) allant à la chaudière et sensible au débit
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momentané du courant dgeau fourni à la chaudière.
Ce dispositif est relié mécaniquement à une soupape servant à commander la quantité de fluide sous pression, par exemple d9huile combustible., fournie à un moteur hydraulique qui est destiné à ouvrir et fermer des soupapes servant à commander l'admis- sion de combustible et d9air au foyer de la chaudière., ladite soupape servant à commander 1?admission du liquide sous pression au moteur hydraulique étant telle qu9elle obéisse immédiatement à toute accélération ou ralentissement du courant de liquide admis à la chaudière et que, lorsque cette accélération ou ce ralentissement cesse et que le débit redevient constant.,
la soupape fonc- tionne de manière à couper 1?admission de liquide sous pression au moteur hydraulique et à maintenir les soupapes à combustible et à air dans des posi- tions propres à assurer 1?admission de volumes constants de combustible et d9 air à la chambre de combustiono 'Les dispositions et les constructions des pièces sont telles que la force nécessaire pour actionner les soupapes à combustible et à air est engendrée par le moteur hydraulique.
Par conséquent, le fonctionnement de ces soupapes n'impose aucune charge à Isolément sensible au courante Ainsi, l'élément sensible à la vitesse travaille toujours contre une charge pré- déterminée, et les variations susceptibles d9intervenir dans la force et le travail nécessaire pour actionner les soupapes à combustible et à air n'ont pas d'influence sur ledit élémento
Aux dessins annexés
Figo 1 est une vue schématique représentant une installation de génération de vapeur à laquelle est appliquée une forme de réalisation préférée de la présente invention, ainsi que les parties principales de l'in- stallationo
Figo 2 est une vue perspective, en grande partie schématique,
destinée à faire comprendre en quoi le présent appareil de régulation et les principes sur lesquels il repose se distinguent des mécanismes actuel- lement en usage, certaines parties ayant été omises dans cette vue afin de permettre de voir d9autres parties normalement cachéeso
Figo 2a représente un dispositif retardateur faisant partie de l'appareil' de régulation conforme à l'invention, Figo 3 est une vue en plan de l'appareil de commandée
Figo 4 est une coupe par la ligne 4-4 de figure 3, mais à une échelle un peu plus grandeo Figo 5, 6 et 7 sont des coupes à plus grande échelle par la ligne 5-5 de figure 4, représentant différentes positions d'une soupape ou tiroir de distribution visible à la figure 4.
Figo 8 est,une vue de face en regardant suivant la ligne 8-8 de ,figo 39
Figo 9 est une vue partielle par la ligne 9-9 de fig 39et
Fig. 10 est une vue partielle par la ligne la-10 de figo 3.
La figure 1 représente schématiquement une installation de géné- rateur de vapeur à laquelle sont incorporés un certain nombre d'appareils plus ou moins classiques sur lesquels influe le présent appareil de régula- tion, ainsi que les différents circuits du générateuro
La partie essentielle de l'installation est bien entendu le gé- nérateur de vapeur en soi, qui a été désigné dans son ensemble par 10.
Il s'agit ici d'un type de chaudière destiné à se comporter indifféremment à la façon d'un chauffe-eau ou d'un générateur de vapeur et qui comprend plu- sieurs groupes concentriques de serpentins tubulaires qui sont reliés entre eux en série et identifiés respectivement par 12-15 incluse L'espace 16 en- touré par les serpentins 12 constitue un foyer au-dessus duquel est disposée la boite à feu ou brûleur 17, surmonté d'une tuyère d'injection 18 qui,,
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dans le cas d'un combustible liquide, se comporte comme un pulvérisateuro
La chaudière 10 reçoit 1?eau d'un réservoir 20,
cette eau é- tant puisée dans ledit réservoir et refoulée à l'aide d'une pompe 21 de façon qu'elle traverse les divers serpentins de la chaudière.-L'eau dali- mentation va du réservoir 20 à l'extrémité dadmission du groupe tubulai- re extérieur 15 en passant par le tuyau 22, la pompe 21, le tuyau 23, l'appareil de régulation perfectionné 24 qui fait l'objet de cette in- vention, le tuyau 25, le réchauffeur 26 et le tuyau 27.
Un clapet de rete- nue 28 empêche rétablissement d'un courant inverse en cas d'interruption du fonctionnement de la pompeoLa vapeur et l'eau chaude sortent du géné- rateur par un tuyau 30 et pénètrent dans un séparateur de vapeur 31, dont le résidu d'eau chaude est ramené au réservoir 20 par un tuyau 32 qui est relié par l'intermédiaire d'un purgeur d'eau à godet 33 et d'un tuyau 34 au serpentin de chauffage 35 du réchauffeur d'eau d9alimentation 26. L'ex- trémité de sortie du serpentin 35 est reliée à un tuyau 36 aboutissant au réservoir à eau 20. On observera que sur son chemin de retour vers le ré- servoir,Peau chaude en provenance du séparateur 31 réchauffe Peau d'ali- mentation traversant le réchauffeur 26.
La vapeur est retirée du sépara- teur 31 par un tuyau 38 pourvu d9un robinet darrêt 390
Un tuyau 40 relie 1?extrémité supérieure du séparateur de va- peur au cylindre de commande dune soupape 41 actionnée par la pression de la vapeur d'eau, cette soupape étant reliée par un tuyau 42 au tuyau dali- mentation d'eau 23o Lorsque la pression de la vapeur du séparateur 31 s'élè- ve au-dessus d'un maximum prédéterminé, la soupape 4.1 s'ouvre pour diriger Peau d'alimentation à l'écart du tuyau 23, cette eau pouvant, si on le dé- sire, être ramenée au réservoir 20 par un tuyau 43 ou recevoir toute autre destinationo La pompe 21 est du type à débit constant,
c'est-à-dire que le volume d'eau admis par unité de temps au générateur par les tuyaux 25 et 27 est fonction de la quantité deau déviée à l'écart du tuyau 23 par le tuyau 42, celle-ci étant à son tour fonction du degré d'ouverture de la sou- pape 41.
Le ressort ou autre organe chargeant cette soupape est de construc- tion telle que l'ouverture de la soupape est proportionnelle à la pression de vapeur;, de sorte qu9un accroissement de la pression de vapeur diminue proportionnellement le volume d'eau passant par l'appareil de régulation 24 et, par suite La quantité de combustible admise au générateur et le degré de chauffage de celui-cio Il est ainsi évident qu'à mesure que la pression de vapeur sélève au-dessus de la valeur nécessaire pour ouvrir la soupape 41, la quantité d'eau d'alimentation fournie à l'appareil .24 diminue,
et réci- proquemento
Toute demande importante et brusque de vapeur occasionnera évi- demment une réduction brusque correspondante de la pression de vapeur et un accroissement brusque résultant du débit de l'eau admise au générateur; et comme celui-ci est du type à chauffage rapide par serpentins tubulaires, il est possible que la température de l'eau du générateur s'abaisse très forte- ment avant que le thermostat 45 ait pu réagir de manière à effectuer une aug- mentation proportionnelle de la quantité de combustible et d'air fournie au brûleur 17.
De même.9 une diminution brusque ou la suppression de la demande en vapeur peuvent occasionner le processus inverse sans provoquer une réac- tion rapide du thermostat- En d'autres termes, le thermostat fonctionnant sous la dépendance de la température de la vapeur et de l'eau déchargée est incapable de répondre avec une rapidité suffisante à un accroissement brus- que de cette température pour réduire l'alimentation en combustible et en air de manière à éviter une oscillation pendulaire de la pression de vapeuro
La présente invention a par conséquent principalement pour ob- jet un appareil de régulation qui soit sensible aux variations momentanées du débit de l'eau d'alimentation admise au générateur et qui soit capable d'éffectuer un réglage instantané et précis des quantités de combustible et
d'air fournies au brûleur du générateuro
L'appareil de régulation 24 a pour rôle de régler automatique- ment 1?admission du combustible, gaz ou huile, à la tuyère d'injection 18 et
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par suite au brûleur 17, et en même temps de régler le tirage forcé¯vers ce dernier, en vue de maintenir un équilibre correct entre le combustible et l'air.
Le combustible, habituellement de 1?huile ou un gaz, est four- ni à la tuyère 18 par un tuyau 50 dans lequel est branchée une soupape 51 qui commande le débit du combustible au brûleur et qui est elle-même com- mandée automatiquement par l'appareil de régulation 24 en fonction du débit selon lequel l'éau d'alimentation est momentanément fournie au générateuro
Afin de pouvoir faire varier progressivement la quantité de com- bustible fournie par la soupape 51, celle-ci est de préférence munie d'une soupape 51a fermée par un ressort, dans laquelle est formée une rainure en V 51b (figo 8) et qui communique avec l'orifice de sortie 51c en vue de fournir le combustible au tuyau 50 qui communique avec la tuyère 18.Lors- que la soupape 51a est abaissée,
comme on le décrira ci-après, la rainure 51b est mise dans une position diminuant l'ouverture efficace de la soupa- pe et par suitè le débit du combustibleo Lorsque la pression exercée vers le bas sur la tige 51d de la soupape cesse, la soupape 51a se soulève sous Inaction du ressort 51e de manière à augmenter l'ouverture efficace de la rainure 51b.
Lorsqu'on a recours à de l'huile comme combustible, on ad- met de 19 air ou autre fluide comprimé dans la tuyère 18 par le conduit 50c de manière à fournir la pression de pulvérisation de l'huile. Le volume d'air fourni au brûleur 17, sous forme du tirage forcé assuré par un ven- tilateur 52 est commandé par un régulateur de tirage 52a (figo 1) qui est de même commandé automatiquement à son tour par l'appareil de régulation 24, en fonction du débit momentané de l'eau d'alimentation et, incidemment, du débit momentané du combustibleo
L'appareil de régulation 24 est représenté en détail aux figu- res 2 à 10 et comprend plusieurs pièces moulées ou corps, désignés par 53 à 56, formant collectivement un ensemble complet en soi.
Les corps 53 et 54 sont assemblés par des boulons pour former une boîte dont l'intérieur est divisé en deux chambres, 57 et 58, par une membrane 59 qui est serrée par ses bords entre les faces annulaires tournées l'une vers l'autre, de ces deux corpso Le corps 53 est pourvu d'un orifice d'entrée d'eau d'alimen- tation 60 et le corps 54 est pourvu d'un orifice de sortie d'eau 61 communi- quant avec le générateur par un tuyau 25. La membrane 59 présente une ou- verture axiale à travers laquelle est insérée une douille à épaulement 63 dont l'ouverture 64 constitue le passage par lequel l'eau passe de la cham- bre 57 dans la chambre 58.
Un goujon conique 66 traverse axialement l'ou- verture 64 et rétrécit ainsi ladite ouverture dans une mesure qui dépend de la position axiale dudit goujon par rapport à la membrane. Le gros bout 66' de ce goujon est vissé dans un bouchon 67 et bloqué par un contre-écrou 680 Il va de soi qu'on peut faire varier la section de passage de l'ouverture 64 en réglant la position du goujon 66 suivant son axeo Ce réglage est ef- fectué à l'usine et sera ordinairement permanento Bien entendu, chaque fois que le régulateur laisse passer de l'eau d'alimentation, la membrane 59 flé- chit proportionnellement à la différence des pressions hydrauliques régnant dans les chambres 57 et 580 Toutefois,
il n'est en général pratiquement pas possible de relier directement à la membrane la soupape de commande du com- bustible, d'une part, et la soupape ou papillon à air, d'autre part, parce que la force nécessaire pour actionner ces éléments et la tringlerie les re- liant varierait grandement et que toute variation de la charge de la membra- ne se traduirait évidemment par une variation correspondante de sa sensibi- lité aux variations de pressiono Pour assurer une régulation précise au cours- d'une longue période de temps dans les conditions régnant généralement, il faut donc faire en sorte que la charge de la membrane, c'est-à-dire la résis- tance qu'elle doit vaincre pour fonctionner, soit maintenue aussi constante que cela est pratiquement possibleo
Une bielle 71 (figo 2 et 4)
est reliée par un bout à la membrane 59 et pivote par l'autre bout sur 1?extrémité d'un bras 73, calé ou autre- ment fixé rigidement à un arbre 74 qui tourne dans des coussinets 75 et 76
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et traverse -un joint étanche à Peau 77.A 1?extrémité de 1.'arbre 74 éloig- née du bras 73 est fixé un moyeu 80 qui constitue l'organe d'attache de l'extrémité intérieure d9un ressort spiral 81 dont l'extrémité extérieure est fixée à une cuvette 82 centrée dans un alésage 83 du corps 55.La cu- vette 82 comporte une bride radiale présentant, réparties à sa circonféren- ce,
plusieurs entailles pouvant être placées sélectivement en regard d'une vis de blocage 85 destinée à empêcher la cuvette de tournero On fait tour- ner la cuvette 82 pour armer le ressort et on la bloque alors dans la posi- tion angulaire choisie, à 1?aide de la vis 85.On voit ainsi que la mem- brane 59 est sollicitée par le ressort spiral 81, qui se comporte comme - un ressort de rappel et crée une charge bien déterminée résistant aux mou- vements de ladite membraneo
Un second arbre 86 coaxial à l'arbre 74, est relié à celui-ci par un accouplement 87 et tourne dans l'alésage d'un troisième arbre 88 qui porte un bras 89 à l'extrémité libre duquel est fixé un manchon 900 L'arbre 88 tourne dans une douille fixe formant coussinet 92 qui est em- boitée à force dans un alésage central du corps 56,
ce dernier étant fixé au corps 55 de façon amovible à l'aide de vis 93 et constituant le support de la douille 92 et de diverses autres pièces
Une portion intermédiaire de l'arbre 86 est fraisée sur deux cotés (fig 5, 6 et 7) de manière à constituer un papillon rotatif, de forme généralement rectangulaire en section transversale qui a été désig- né par 86 a. Ce papillon s9ajuste étroitement dans l'alésage de l'arbre 88 et se comporte normalement comme un obturateur pour deux lumières 95 et 96 de l'arbre 88 (voir figo 5). La lumière 95 communique continuelle- ment avec une lumière 97 et un conduit 98 pratiqués dans le corps 56 et se raccordant à un tuyau 99 par lequel de l'huile sous pression est admi- se au papillon 86 a.
La lumière 96 communique avec une rainure d'échappe- ment 100 pratiquée dans 19 arbre 88 et aboutissant à une chambre à mane- ton lois communiquant par un alésage 102 avec un tuyau de sortie 102 (figo 4).Il existe un autre groupe de lumières (désignées par 104 et 105) disposées en quadrature par rapport aux précédenteso Une tuyauterie 108 (figo 2) est reliée à une pompe 108a et alimente le tuyau 99 en fluide sous pression; et une autre tuyauterie 109 (figo 2) est reliée à l'alésa- ge 102 et ramène le fluide sous pression de la chambre à maneton 101 à un réservoir d'alimentation 1070 On peut utiliser tout fluide sous pres- sion approprié.
Toutefois, comme la présente installation prévoit remploi d'huile comme combustible, la pompe 108a est celle qui alimente en huile combustible sous pression la tuyère 18 d'injection de combustible. Les lu- mières 104 et 105 sont reliées par des tuyaux 110 et 111 à un moteur hydrau- lique composé de deux cylindres 112 et 113 (figo 2) et de deux pistons 114, 115 coulissant respectivement dans ces cylindres et reliés par des bielles 116 et 117 au maneton 900 Des joints à labyrinthe convenables 119 et 119' (figo 4) empêchent les fuites du fluide le long de l'arbre 860
Lorsque la membrane 59 est soumise à une différence de pression, elle fléchit proportionnellement et provoque une rotation correspondante des arbres 74 et 860 Il s'ensuit que le papillon 86a, qui fait partie intégran- te de l'arbre 86,
effectue un mouvement angulaire qui est proportionnel à la déflexion de la membrane, comme on le voit aux figures 6 et 70 A la figu- re 6, qui représente un stade succédant directement à l'établissement ini- tial d'un courant d'admission d'eau, on voit que la pression de l'huile est communiquée, à partir du conduit 98, à la lumière 105 et, de là, par le tuyau 111, au cylindre 113.En même temps, la lumière 104 est mise en commu- nication avec la lumière 96 et la rainure 100, ce qui établit un circuit pour l'échappement de l'huile du cylindre 112.
Le mouvement d'avancement résultant du piston 115 et le mouvement de recul du piston 114 sont communi- qués par l'intermédiaire des bielles 116 et 117, du manchon 90 et du bras 89 à l'arbre 88, qui tourne dans le même sens que celui dans lequel l'arbre 86 avait tourné précédemment- Lorsque l'arbre 88 a tourné dans une mesure telle que ses lumières 95 et 96 sont de nouveau fermées par le papillon 86a (figure 7),sa rotation est interrompue par le fait que l'admission d9huile
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au cylindre 112 est coupéeo Il est important de noter d'une part que la rotation de l'arbre 88 fait promptement suite à celle de l'arbre 86 et qu'elle est toujours du même angle, et d'autre part que la force exer- cée pour/faire tourner l'arbre 88 est dérivée non pas de l'arbre 86 mais d'une source séparée,
qui est dans ce cas la pompe à huile 108a. Par consé- quent, les variations de charge auxquelles l'arbre 88 est susceptible d'ê- tre soumis n'influencent pas la charge de la membrane 59. Il s'ensuit que si les rotations de l'arbre 88 sont utilisées pour commander la soupape d'alimentation.en combustible 51 et le registre 52, les variations éven- tuelles de la force nécessaire pour faire mouvoir ces éléments n'auront pas d'effet sur la sensibilité de la membrane, pas plus que sur l'amplitude du mouvement de l'un ou de l'autre des éléments commandés, puisque le mo- teur hydraulique est capable de développer le couple, si grand soit-il, qui peut être nécessaire.
Chaque fois que l'eau passe, le papillon 86a occupe une posi- tion différente de sa position normale, par exemple celle des figures 6 et 7, et conserve cette position jusqu'à ce qu'un changement de débit inter- vienneo Un nouvel accroissement du débit provoque une rotation supplémen- taire des éléments 86 et 88 dans le sens dextrorsum (figo 6 et 7), alors qu'une réduction du débit entrafne évidemment une rotation de ces mêmes éléments dans le sens opposé et d'un angle correspondant à la réduction de la déflexion de la membraneo En cas d'interruption totale du courant d'eau, la membrane revient à sa position normale de figo 4, déterminée par le ressort de rappel 81o De plus, une came 131 tournant avec l'arbre 88 (figo
1, 4 et 8)
fait osciller un levier 132 qui actionne le poussoir 133 d'un interrupteur à déclenchement brusque 134, en provoquant ainsi l'ouvertu- re d'un circuit d'excitation électrique passant par le solénoide de com- mande de la soupape 135 pour couper toute arrivée de combustible à la tuy- ère 18 (figo 1).
Pour transmettre le mouvement de l'arbre 88 à la soupape à com- bustible 51 et au registre à air 52, de manière que les quantités de com- bustible et d'air admises au foyer soient exactement proportionnées au.vo- lume d'eau d'alimentation traversant l'ouverture 64 de la membrane, ladite soupape 51 et ledit registre 52 sont actionnés par des plaques-cames ré- glables, désignées par 120 et 121 (figo 8), ces cames commandent respecti- vement la soupape 51 et le registre 52, en étant supportées par des bras dia- métralement opposés 122 et 123 et étant déformées de façon réglable, à l'ai- de de vis de réglage convenables 124,
pour permettre de donner aux surfaces
120a et 121a desdites cames une obliquité telle quelles effectuent exacte- ment le degré de mouvement de ladite soupape et dudit registre qui convient pour chaque déplacement angulaire de l'arbre 88. En d'autres termes, les cames sont réglées de manière que les mouvements qu'elles communiquent à la sou- pape.51 et au registre 52 soient en harmonie avec les déflexions momentanées de la membrane 59 et par suite, avec le débit momentané du courant d'eauo Une fois les cames ajustées,
on monte des éléments de recouvrement 122a et 123a au- dessus des têtes des vis 124 et on boulonne ces éléments sur les bras 122 et
123 de manière à empêcher toute modification du réglage des cames par une personne non autoriséeo
La soupape 51 d'alimentation en combustible est pourvue d'un bras de commande portant un galet suiveur de came 125 qui prend appui sur la sur- .face directrice 120a de la came 1200 Les mouvements transmis par ce galet à la tige 51d de la soupape correspondent bien entendu au contour de la surface ' 120ao
Le -registre 52 est actionné par une tringle 126 reliée à un axe 126a, figo 3,fixé à l'extrémité libre d'un bras pivotant 127 qui porte un galet suiveur de came 128 prenant appui sur la surface directrice 121a de la came 121.
Les mouvements transmis par le galet 128 au registre correspondent évidemment au contour de la surface 121a.
Les deux bras porte-came 122 et 123 font corps avec un moyeu 130 calé sur l'arbre 88 et supporté par la douille 92 par l'intermédiaire d'un
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roulement à galets 1360
Les pistons 114 et 115 du régulateur (fig 2), la soupape à combustion 51a (figo 8) et le registre à air 52a (figo 1) sont représen- tés dans leurs positions intermédiaires. Le mouvement d'entrainement du piston 115 du moteur hydraulique vers la gauche de figure 2 correspond aussi à un accroissement des quantités de combustible et d'air fournies par unité de tempso On notera donc qu'un mouvement dextrorsum des cames 120 et 121 (figo 8) augmente les débits du combustible et de l'air et qu'un mouvement sinistrorsum desdites cames diminue ces débits.
Pour main- tenir un mouvement relativement régulier du régulateur 24 dans le sens vou- lu pour accroître le débit du combustible et par suite le degré de chauf- fage ; ainsi que pour assurer un mouvement rapide dudit régulateur lorsqu' il devient désirable d9interrompre le chauffage, un organe retardateur 137 est interposé dans le tuyau 111 servant à l'admission du fluide sous pres- sion au cylindre 113. Cet organe comprend un corps 138 présentant un siège conique 139 (figo 4)
-sur lequel repose une bille 140 obturant l'orifice 1410 Le fluide' sous pression admis par le tuyau 111 à 1%intérieur du cylin- dre 113 doit donc passer par un canal de section limitée 142 pratiqué dans le siège 139 et propre à retarder le mouvement d'entrainement du piston 115.
Au contraire, lorsque le piston 115 se meut vers la droite de figo 2, le fluide sous pression chassé hors du cylindre 113 repousse la bille 140' du re- tardateur et permet par conséquent un mouvement rapide du régulateur dans le sens voulu pour réduire ou couper l'admission du combustibleo
Il ressort de la description donnée ci-dessus que l'invention offre, d'une part, un appareil de régulation selon lequel la régulation est basée sur les variations auxquelles est soumis le débit du courant d'eau d'alimentation admis à un générateur,
par opposition aux appareils de régu- lation fonctionnant sous l'influence de températureso Il est en outre évident que ladite invention offre également un nouveau mécanisme de transmission ou de conversion d'énergie qui se prête tout particulièrement à son utilisation en combinaison avec ledit appareil.
Bien entendu, le principe nouveau sur lequel est basé le présent régulateur est susceptible de recevoir de'nombreuses formes de réalisation et l'invention n9est donc pas limitée à la forme 'et aux détails de construc- tion décrits et représentés et comprend au contraire toutes les variantes et modifications rentrant dans le cadre et l'esprit de ladite invention.