Brevet FR2186800A1 — publié le 19740111

Certains matériaux, comme par exemple le carbure de silicium, sous diverses formes cristallines et/ou en aglomérats simples ou complexes avec certains liants céramiques ou similaires, ainsi que divers oxydes métalliques en combinaisons simples ou complexes et autres, ayant toutefois entre eux un point commun de fabrication à haute température, comme par exemple frittage et cuisson avec des liants à température élevée, présentent des propriétés remarquables de semi-conduction électronique et électrique sous des températures de fonctionnement relativement élevées. Ces propriétés de semi-conduction en fonction de certains paramètres (de caractéristiques diverses selon les matériaux utilisés) ont été toutefois remarquées pour des températures relativement basses, de l'ordre de la centaine de degrés centigrades, température très en dessous d'ailleurs des fonctionnements en tant qu'éléments chauffants prévus par la présente invention, c'est-à-dire jusqu plus 12000K. Toutefois ces propriétés à température faible ont été surtout considérées jusqu présent comme négligeables et parasites. Elles n'ont jamais été utilisées en propre et ont été surtout considérées comme de grande nuisance en fonction des buts visés par les constructeurs. Ceux-ci, au contraire, travaillent actuellement à leur annulation et n'hésitent pas à mentionner, même dans certains de leurs catalogues que : ces phénomènes parasites, d'ailleurs négligeables seront progressivement éliminés en fonction de l'évolution technologique de la fabrication". De plus, ces éléments que l'on précise plus loin, ne sont pas réserves à des fins strictement professionnelles et se retrouvent dans des catalogues de "gadgets", (Radio-Télévision, Musique, etc....) ce qui a d'ailleurs provoqué des baisses considérables de prix tout en ne démontrant pas des possibilités d'utilisation comme nous le préconisons. Il est vrai que pour la plupart des constructeurs l'utilisation de leurs matériaux ne fut nullement prévue pour constituer des éléments chauffants pouvant atteindre des températures élevées et utilisés en tant que "charge" pour le courant électrique. Il en est tout à fait de même pour certains éléments magnétiques frittés à haute température qui, en particulier, ne furent Jamais envisagés comme pouvant devenir par exemple des éléments chauffants de fer à souder électrique. Cette application ci-dessus, pour les ferrites, entre dans le cadre d'un brevet séparé déposé ce jour après celui-ci et ceci pour des raisons de "division d'invention". Avec les éléments chauffants discrets de la présente invention nous avons réalisé des dizaines de variantes matériali -sées par les prototypes en notre possession, des fers à souder électriques alimentés sur secteur alternatif ou autre type de courant, et dont la température peut être rendue telle que les éléments chauffants peuvent rougir sous l'influence du courant électrique sans se détruire tout en restant capable de supporter importe quel cycle thermique ; expériences entre autre réalises en nos laboratoires avec toutes les mesures qui s'imposent et qui nous ont permis de constater qu'en raison des propriétés particulières de variation de la résistance dans le sens décroissant en fonction de la température, mais étendues à des températures relativement élevées de certains matériaux nous obtenons les résultats ci-dessus. Ces phénomènes à haute température sont systématiquement recherchés et majorés dans la construction de nos systèmes, car ils présentent la qualité très précieuse de pouvoir permettre la réalisation d'éléments chauffants à résistance semi-conductrice variable à haute température sous un volume extrèmement réduit tout en présentant des caractéristiques d'auto-régulation de puissance. Certains autres éléments chauffants selon l'invention (fabriqués toutefois d'une façon semblable), tels que résistances non linéaires variables avec la tension ou/et avec la température et à coefficient négatif et/ou positif de variation, utilisés jusqu ce jour à des fins diverses, exclusion faite de l'utilisation envisagée par la présente invention, présentent des caractéristiques parfois opposées mais retenues par nous, aussi comme éléments chauffants.Ces éléments sont d'ailleurs utilisés en général comme régulateurs, limiteurs ou autres de courant et de tension protégeant une charge quelconque, mais jamais utilisés jusqu'à ce jour en tant que charge propre, c'est-à-dire en générateur thermique de calories pouvant atteindre en toute sécurité des températures de plus de 1200 K avec des possibilités insoupçonnées de tenue en température élevée (rouge très clair virant sur le jaune par exemple), sous la condition expresse, bien entendu, entrant dans le cadre de la présente invention de pouvoir amener le courant électrique au niveau de ces éléments chauffants par l'intermédiaire de fils et des connexions susceptibles de supporter les températures décrites ci-dessus, et audelà, tout en respectant les nécessités d'isolement électrique et de conduction thermique pour les utilisations envisagées, ce qui ne peut être le cas pour tous ces matériaux non prévus pour ces nouvelles applications et dont les fils de connexions sont soudés à l'aide de soudure d'étain laquelle ne peut supporter généralement des températures supérieures à 2000C et de plus ces éléments sont vendus dans le commerce enrobés de compounds divers supportant tout au plus 2000C. Nous donnons plus loin de nombreuses façons de procéder pour le montage pratique de ces éléments appelés désormais, par la présente invention à jouer un rôle non négligeable, dans la réalisation d'éléments chauffants discrets et intègres, à haute concentration volumétrique de production thermique de calories avec auto-régulation de puissance. Nous proposons de baptiser cette nouvelle génération d'éléments chauffants sous le vocable de "SCET", c'est-à-dire "semi-conducteurs à effet thermique Il a été dit précédemment que selon les types de matériaux intervenant dans la fabrication des éléments chauffants, faisant ltobjet de la présente invention, les comportements, en fonction des divers paramètres utilisés en température élevée pouvaient être très différents. Ces comportements peuvent même devenir pour certains matériaux de caractéristiques inverses, opposées et parfois en combinaisons multiples. Par exemple, certains éléments chauffants utilisés, selon l'invention, voient leur résistance électrique s'abaisser considérablement et de par ce fait même on constate que la tension apparaissant à leurs bornes diminue en fonction de la température, si l'on prend soin de dispo ser en série une résistance dans le circuit d'alimentation, pro- cédé économique qui permet d'obtenir une régulation de puissance par diminution de tension aux bornes de ces éléments en fonction de la température.En opposition de ce type de fonctionnement, certains autres éléments au carbure de silicium ou à base d'oxydes métalliques de combinaison différente dès leur fabrication, utilisés selon l'invention, comme par exemple des résistances variables avec la tension (V.D.R.), présentent, sous les conditions de fonctionnement pré-citées, en plus de leurs caractéris tiques initiales, une augmentation de- leur résistance aux températures élevees, ce qui provoque une diminution de courant, dans les mêmes conditions que ci-dessus, ce qui permet une régulation de puissance par atténuation et limitation d'intensité.Ce phénomène est analogue, mais en températures élevées, au comportement des résistances à coefficient de température positif utilisées en régime habituel, c'est-à-dire à températures relativement basses alors que dans le cas de fonctionnement selon l'invention ce phénomène n'apparat que pour des températures relativement élevées, en se transformant toutefois progressivement en une résistance linéaire dans une certaine plage de températures ce qui permet à l'élément de s'auto-réguler de façon quasi parfaite. Il est parfaitement possible d'ailleurs d'utiliser en éléments chauffants à température élevée, certaines de ces résistances à coefficient de température positif, si,bien entendu, d'une part leur fabrication a été effectue à haute température, et si, d'autre part, les connexions nécessaires sont réalisées en matériaux supportant ces températures élevées, ce qui ne se fait pas habituellement car ces éléments, comme nous l'avons déjà dit plus haut, n'ont pas été envisagés par les constructeurs pour les fonctionnements en régimes sévères et inédits comme c'est le cas, selon l'invention. La présente invention concerne aussi, et tout particulièrement, les moyens environnementaux nécessaires au bon fonctionnement de ces nouveaux éléments chauffants pour les nouvelles applications qui en découlent ; applications qui, rappelons-le, sont des applications très différentes des utilisations habituelles de ces matériaux, dont les constructeurs s'évertuaient jusqu'à présent à faire diminuer et si possible éliminer certains des paramètres qui sont utilisés par nous, décrits dans le présent brevet et poussés au-delà de tout ce qui fut connu à ce jour. Il entrerait, d'ailleurs, dans le cadre de la présente invention, toute fabrication de matériaux semi-conducteurs construits dans les mêmes buts d'utilisation et réalisés selon les données fondamentales de fabrication et de réalisation que nous donnons ci-après. Données ayant pour but d'obtenir une amélioration considérable des performances que nous obtenons selon les procédés faisant l'objet de la présente invention, par majoration systématique de ces paramètres intéressants, alors que jusqu'à présent, ils ont été systématiquement rejetés, prohibés et éliminés par triage des matériaux. C'est en réalité dans de nombreux cas ces éléments considérés comme mauvais et rejetés qui sont les plus intéressants pour la fabrication des éléments chauffants selon la présente invention. Définition pratique, mécanique et volumétrique des divers éléments discrets chauffants selon l'invention et description de l'environnement nécessaire. Données fondamentales Nous extrayons de la plupart des ouvrages modernes de physique du solide des considérations sur le comportement des matériaux faisant l'objet de l'invention. En particulier, le texte ci-après extrait d'un ouvrage récent illustre la théorie actuelle dans ce domaine. Il est dit en substance que pour les résistances V.D.R. la caractéristique d'une résistance N.L. a pour équation U = Kin n - Sa valeur ne dépend que de la nature de l'élément K - Sa valeur dépend de la nature du semi-conducteur, de la forme et des dimensions du modèle, et de la température. Seul le paramètre K varie avec la température K = K ( 1 +o(t t ). Les variations de la résistance d'un élément N.L. avec la température constituent un phénomène parasite, que l'on s'efforce d'éliminer: en faisant fonctionner la V.D.R. dans des conditions telles qu'il n'y ait pas d'échauffement notable par effet Joule et en choisissant un matériau à faible coefficient de température. Or, dans la présente invention, le but recherché est précisément celui qui consiste à faire travailler l'élément semiconducteur en régime générateur de calories. Afin d'augmenter l'effet recherché dans la présente invention nous préconisons d'utiliser un matériau semi-conducteur qui soit doté d'un coefficient de température supérieur à 0,3 ; par degré centigrade. Ainsi dans le régime de fonctionnement qui correspond à celui de la présente invention nous obtiendrons un régime équivalent à celui d'une résistance linéaire travaillant à haute température avec tous les avantages de miniaturisation et d'autorégulation que présente ce nouvel élément. Symbolisme. Nous proposons comme symbole électrique et électronique des "SCET" (semi-conducteurs à effet thermique) le symbole représenté en figure 15. Montage électrique des "SCET". Les "SCET" peuvent être montés selon n'importe quelles combinaisons classiques, depuis l'élément unique jusqu'à n'importe quelle combinaison multiple en série ou en parallèle ou en compound (série/parallèle). Toutefois, la mise à proximité de plusieurs "SCET" fait intervenir des paramètres physiques intéressants comme celui que nous appelons coefficient de réaction thermique. Ce phénomène modifie le courant électrique dans chacun des éléments et démontre d'ailleurs une auto-régulation de la puissance dissipée et radiée. Le montage le plus simple d'un "SCET" est le montage correspondant à la figure 18. Dans le montage représenté en figure 28, donné à titre d'exemple non limitatif, on voit que l'élément chauffant est mis en série avec un dipôle 27 avec un quelconque réseau électrique continu ou alternatif 54. Précisons tout de suite que le dipôle 27 est un élément qui peut être simple ou complexe de constitution, ce peut être par exemple une simple résistance linéaire de faible ou de forte puissance et/ou une résistance pouvant supporter l'intensité nominale du système. Ce peut être aussi une résistance non linéaire dépendant de la tension, (V.D.R.) et de la température (C.T.P.), (C.T.N.), lampe à incandescence, diodes, transistors montés en diodes et autres semi-conducteurs ou tout élément limiteur, régulateur, interrupteur disjoncteur, fusible, etc..... Il entrerait d'ailleurs dans le cadre de la présenteinven- tion toutes combinaisons simples ou complexes de 1 ou n éléments cités ci-dessus pour réaliser ce que nous appelons le dipôle 27, lequel dipôle 27 a pour but de limiter le courant, d'agir parfois en disjoncteur, de servir de ballast, de régulateur ou d'asservissement quelconque à un paramètre. Le dipôle 27 a plus particulièrement pour rôle, selon le cas, d'être une protection de surintensité et/ou de surtension, de sécurité. Ce dipôle 27 peut être un ballast permettant l'auto-régu- lation tout en assurant une certaine sécurité, ou bien un limiteur ou un disjoncteur ou un asservissement thermique et/ou électrique et/ou électronique. Ce dipôle 27 peut être aussi un ensemble comme un dispositif commutateur à plusieurs éléments dont le rôle est de faire varier la puissance nominale de fonctionnement en amplitude, en forme et/ou en fréquence. Il peut, à la limite, être un simple cément de conductibilité quelconque. Description et fonctionnement du montage représentés en figure 28. Le montage mécanique correspondant du "SCET" est donné en figure 22. Nous voyons sur cette figure 28 un "SCET" 40 constitué suivant la figure 21 dont 31 est l'élément semi-conducteur, 32 et 33 des plaques métalliques haute température so lidaires assujéties à l'élément 31 36 et 37 des conducteurs haute température (arrivée et départ de courant électrique) 34 et 35 des isolants électriques haute température com me mica ou ceramique métallïsee ou non, par exemple. Désormais, dans la suite de la description, ltélément correspondant à la figure 21 correspondra à l'élément 40 dans les schémas, tout en précisant que la figure 21 est représentative de n'importe quels éléments représentés de la figure 1 à la figure 14 incluse, sans limitation. Toujours sur cette figure 28 sont représentés : un dipôle 27, un indicateur de courant électrique 52, un voltmètre 53, le réseau électrique 54. Le "SCET" choisi est par exemple un élément au carbure de silicium capable de supporter par construction des températures élevées, associé pour cela avec des conducteurs électriques adéquats ainsi que les isolements qui s'imposent. Pour l'élément 27 correspondant par exemple à une résistance linéaire de quelques centaines d'ohms, on obtient dans un -"SCET" (choisi par exemple à une tension de référence de 68 V pour son courant nominal de 1 mA) une intensité de 150 mA environ pour une tension à ses bornés supérieure à 68 Volts, ce qui donne une puissance utile radiée de plusieurs dizaines de Watts. nombre d'associations possibles de "SCET" toujours données à ti tre d'exemple non limitatif. L'élément 28 étant représentatif d' une association des dipôles simples ou complexes résultats des combinaisons possibles des figures 15, 16 et 17. Dans quelque montage électrique que ce soit, il est précisé qu'entrerait dans le cadre de la présente invention tous systèmes de montages ther miques et mécaniques associés totaux ou partiels, y compris le dipôle 27. Par exemple, figure 31 le ,SCET" 40 est placé hors du système thermique/mécanique de l'ensemble "SCET" 40 i et dipôle 27. Toute autre combinaison, à la fois électrique, thermique et mécanique à distance proche ou lointaine des éléments, associés ou dissociés au système, entrerait dans le cadre de la présente invention. Commandes électriques : De même que pour les connexions électriques des "SCET" toutes les commandes peuvent être effectuées sous forme série, parallèle, série/parallèle ou toutes autres combinaisons avec divers types de courants. Définition des types de courants nécessaires à l'alimenta tion des éléments chauffants selon l'invention. Tous les types de courants électriques sont compatibles avec les "SCET". Courant alternatif, redressé, mono-alternance, bi et/ou multi-alternances avec plus ou moins de taux d'ondula tion. Courant alternatif sinusordal, écrêté, triangulaire, rec tangulaire, mono ou bi-polaires, ou/et toutes formes et toutes combinaisons. Courant pulsé à commande horizontale (angle de déphasage) commandé en courant pulsé, courant pulsé à commande à courant, à commande en tension, à commande en puissance, à commande verticale (contre tension appliquée), courant continu et/ou alternatif de ntimporte quelle fréquence du spectre élec tro-magnétique. Généralités sur les éléments chauffants selon l'invention, sur leurs avantages et leurs performances, sur leurs possibili tés, etc..... Les éléments chauffants selon l'invention présentent de nombreux avantages 10/ haute fiabilité à températures élevées jusqu'à plus de 12000K 20/ Dimensions mécaniques réduites et pouvant prendre importe quelle forme, c'est-à-dire pouvant s'adapter à d'innombrables applications. 30/ Auto-régulation de puissance de chauffe, avec commande possible de la zone de température désirée. 40/ Réglage souple de la puissance de chauffe. 50/ Réglage de la température maximum. 60/ Alimentation tous courants et multi-tension. 70/ Très longue durée de vie. 80/ Aucune limitation de puissance (des générateurs thermiques de plusieurs dizaines de kilowatts et même mégawatts sont possibles). 90/ Prix de revient tres réduit. 100/ Possibilité de fonctionnement dans des ambiances diverses (vide, gaz, liquides, solides, air ambiant etc... ainsi que tout système d'échanges thermiques d'un type d'ambiance à un autre type. 110/ Possibilité d'asservissements, de télé-commande, d'indication. 120/ Possibilité d'obtention de températures étalonnées. 130/ Réalisation possible de fusibles retardés par l'intermédiaire de calories fournies par des "SCET" en fonction des caracté ristiques particulières d'alimentation, etc..... Définition pratique, mécanique et volumétrique des divers éléments et de leur environnement. La figure 1 représente le profil de la figure 2. 1 et 3 sont des disques métalliques conducteurs de haute tenue en température intimement réunis et/ou assujettis au matériau semi-conduoteur 2. Ces disques métalliques 1 et 3 peuvent être reliés sous pression à des connecteurs et/ou arrivées de courant ou éventuellement être munis de tiges perpendiculaires ou de pattes latérales selon les cas d'utilisation envisagés, dont un exemple exemple non limitatif,est donné figure 21. La figure 3, profil de la figure 4 représente un "SCET" en couronne (où 7 représente le trou ménagé) où 4 et 6 sont les matériaux conducteurs haute température et 5 le matériau semiconducteur. Cette disposition mécanique présente certains avantages que nous retrouverons lors de certaines descriptions d'applications. La figure 5, profil de la figure 6 représente (comme les figures suivantes jusqu'à la figure 14 incluse et non limitative) différentes variantes de réalisations mécaniques en vue de diverses applications. Les nombres 1,3,4,6,8,tO,11,13,15,17,18,20,22 24 et 25 correspondent aux éléments conducteurs haute température dans le cadre de la présente invention toutes formes polygonales à n facettes y compris le cercle pour les coupes. La figure 27 est un exemple non limitatif de l'utilisation de l'invention sous forme dynamique. Les éléments 49 ("SCET") pouvant être constitués sous forme non limitative et plus particulièrement comme décrits de la figure 1 à la figure 14 incluse, disposés sur des pales de ventilateur, permettent de ce fait l'obtention d'air pulsé à température variable. Variante dans les matériaux semi-conducteurs. Entreraient dans le cadre de la présente invention, toutes réalisations de semi-conducteurs à effet thermique constitués de carbure de silicium sous ses trois formes cristallines rattachables : (diamant, blende, wurtzite) et tous aglomérats dérivés de ceux-ci fabriqués à haute température à l'aide de liants céramique, stéatite ou similaire. il en serait de même pour ltuti- lisation d'autres carbures comme B4C, Na2C2, CaC2, BeC2, MgC2, 2 HgC2, Al2(C2)3, Cu2C2, Ag2C2 Au2C2, LaC2, UC2, ThC2, VC2, etc dont certains sont comme le carbure de silicium des corps thermiquement stables, durs et chimiquement inertes. il en serait aussi de même pour tous les types de carbure interstitiels qui forment un groupe très important et qui sont obtenus par chauffage du carbone et du métal en poudre vers 2200 C. Ces carbures interstitiels, de conductibilité électrique particulière sont, la plupart, très durs et thermiquement inertes, les principaux étant :TiC, Z2C, HgC, VC, V2C, NbC, TaC, W2C, WC, M02C ét MoC. il en serait aussi de même pour certains carbures constitués avec certains matériaux de transition tels que C2, Mn, Fe, Co et Ni dont les rayons atomiques sont si petits qu'ils ne rendent pas possible la formation de carbures interstitiels mais qui donnent naissance aux Cr3C2, Mn3C, Fe3C, Co3C et Ni 3C dont certaines structures cristallines et aglomérats sont susceptibles de réaliser des éléments discrets de semi-conducteur à effet thermique, et enfin de manière plus générale, tous les divers constituants et dérivés du carbone fabriqués à température élevée. Tous les matériaux semi-conducteurs pouvant servir à la réalisation des "SCET" et constituant de ce fait des éléments chauffants selon l'invention peuvent avoir de très nombreuses applications et peuvent être utilisés isolés ou en combinaison avec d'autres moyens de chauffage. On peut citer à titre d'exemple non limitatif les applications suivantes : fer à souder, cuisinière, chauffage domestique, chauffage des bâtiments, fer à repasser, chauffe-biberon, four, étuve etc..... Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ces modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties ayant été plus spécialement indiquées -elle embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Eléments discrets chauffants à au moins deux électrodes, régulateur de puissance pouvant fonctionner dans des milieux divers depuis OOK jusqu plus de 12730K et pouvant être portés à plus de 12730K, de formes, diépaisseurs et de volumes divers, de très forte concentration de calories, associés à différents dispositifs d'alimentation électrique, d'isolement, de protection et d'utilisation des calories, supportant les gammes de températures considérées. 2. Eléments discrets chauffants selon la revendication 1 caractérisés en ce que les milieux divers d'environnement peuvent autre le vide, des gaz, des vapeurs, des liquides et/ou des solides divers, en milieu radioactif ou non et sous n'importe 2 quelle pression jusqu plus de 1500 kg par cm2 ou/et traction 2 jusqu'à plus de 500 kg par cm 3. Eléments discrets chauffants selon les revendications 1 et/ou 2 caractérisés en ce que les éléments discrets chauffants à au moins deux électrodes possèdent de plus des propriétés magnétiques comme les ferrites par exemple, éléments particuliers créés à partir de frittage à haute température et dont certaines utilisées selon l'invention présentent des propriétés particulières à des températures relativement élevées. 4. Eléments discrets chauffants selon les revendications 1 et/ou 2 caractérisés en ce que le matériau chauffant est un mélange comprimé, de volume et de forme quelconques de poudre ou/et de grains de carbure de silicium agglomérés par liant céramique et cuits à haute température ou tout autre carbure ou tous constituants ou dérivés du carbone fabriqués à haute température. 5. Eléments discrets chauffants selon les revendications 1 et/ou 2 caractérisés en ce que le matériau chauffant est une combinaison judicieuse d'oxydes métalliques frittés à haute température. 6. Eléments discrets chauffants selon les revendications 1 et/ou 2 caractérisés en ce que le matériau chauffant est du carbure de silicium extrudé, pressé ou cristallisé et par addition de liant céramique ou autre, stabilisé à haute température. 7. Eléments discrets chauffants réalisés à partir de combinaisons simples ou complexes des différents éléments chauffants correspondants aux revendications 1 à 6 incluse. 8. Eléments discrets chauffants selon la revendication 7 rappelant que tous les dispositifs précités ci-dessus sont par nous utilisés dans des conditions de fonctionnement hautement anormales par rapport au cahier des charges des fabricants, mais restant toutefois compatibles avec les propriétés de la physique du solide. 9. Eléments discrets chauffants selon la revendication 8 caractérisés par le fait que les susdits éléments ont des formes mécaniques, des alimentations et des montages électriques correspondant plus particulièrement aus dessins annexés. 10. Eléments discrets chauffants caractérisés par le fait que les susdits éléments peuvent fonctionner dans toutes les applications, dans tous les types d t ambiance d'échange thermique par n'importe quel moyen y compris les moyens à haute température de contrôle et de commande d'asservissement et ce dans le cadre des applications terrestres, maritimes et spatiales. 11. Eléments discrets chauffants selon la revendication 10 à facoe métalliséoe ou non métallisée,, les électrodes étant dans ce cas des métaux malléables plaqués sous haute pression et pouvant même s'imbriquer et même se lier intimement au matériau chauffant. 12. Eléments discrets chauffants selon la revendication 11 de lutilisation de ces éléments insérés dans tous types de circuits électriques en tant que charges productrices de calories à des fins d'exploitations et d'utilisations en tant que source de chaleur ou/et de transferts de fonctions par l'intermédiaire de flux thermique.