Brevet FR2238310A1 — publié le 19750214

La présente invention concerne des éléments chauffants électriques, particulièrement - bien que non exclusivement - pour appareil de chauffage de locaux et notamment pour un tel appareil destiné à entre posé sur le mur d'une pièce, par exemple sous forme de panneau chauffant, ou le long des parties inférieures des murs normalement occupées par les plinthes, ou encore appareil auto-porteur formé de panneaux chauffants. Le brevet britannique nO 1 296 397, par exemple, décrit un appareil de chauffage de locaux comportant un élément résistant en feuille enrobé dans une masse de réfractaire électriquement isolant qui contient une résine synthétique. Toutefois, on constate que, pour les éléments chauffants classiques, la masse globale de la matière d'enrobage est en grande partie régie par les caractéristiques de résistance mécanique de cette matière, ce qui peut obliger à utiliser, pour une matière donnée par ailleurs convenable à cette fin, une masse supérieure à celle qui serait autrement nécessaire. La présente invention a pour objet un élément chauffant qu' on puisse réaliser sous de nombreuses formes pour les usages précités, ainsi que d'autres, et qui puisse fonctionner à des températures très variées, par exemple de 1000 ou moins jusqu'à 109300 ou plus. Elle a encore pour but de réaliser un élément chauffant qui permette d'obtenir, par enrobage, un ensemble enrobé à résistance mécanique nettement améliorée. On sait fabriquer de la fibre de carbone à haute résistance à la traction en carbonisant des fibres de polymère organique, par exemple polyacrylonitrile, par processus combiné de chauffage et de mise sous tension. On trouve de telles fibres dans le commerce sous forme de faisceau plat ou ruban continu appelé "mèche" dans l'industrie textile. Ce sont de telles fibres à haute résistance à la traction que concerne l'invention. De telles fibres seront dites pour plus de brièveté fibres de carbone résistantes ou robustes et, chaque fois qu'on parlera ci-après de "fibres de carbone", il s'agira de ces fibres de carbone robustes. L'élément chauffant électrique selon la présente invention est formé d'un faisceau continu de fibres de carbone robustes, formant un circuit résistant électrique, et de moyens de connexion de ce circuit à une source d'énergie électrique. L'invention vise aussi un appareil de chauffage comportant de tels éléments chauf fants. On forme commodément les moyens de connexion en entourant les tronçons terminaux (ou éventuellement d'autres tronçons) des fibres d'une gaine en tresse de cuivre au'on peut fixer aux 'fibres par écrasement, puis agrafage ou soudage. Les fibres peuvent avoir des longueurs diverses et s'étendre côte à côte suivant la longueur du faisceau, la densité par unité de longueur de ce dernier étant alors de préférence constante. La masse totale de fibres de carbone et la disposition des fibres dans cette masse dépendent bien entendu du genre d'élément chauffant nécessaire et des températures à obtenir. Il est toutefois préférable d'utiliser les mèches du commerce précitées. Ces mèches contiennent un grand nombre de filaments de très faible diamètre, par exemple 10 000 fibres ayant chacune 9 microns de diamètre réunies en une mèche d'environ 6 mm de large. On constate qu'unie telle mèche a une résistivité d'environ 36 par mètre et est très commode, par ses dimensions et sa puissance utile, pour la fabrication de divers éléments chauffants selon l'invention. Pour manipuler plus facilement un faisceau de fibres sous cette forme en vue de former les éléments, on commence de préférence par réunir ensemble les fibres de la mèche à l'aide d'une résine- synthétique non durcie pour former un cordon souple. Dans un exemple d'élément pouvant servir dans un panneau mural de chauffage par rayonnement ou dans un radiateur auto-porteur, on fixe la mèche à un subjectile en fibre de verre rigidifiée en lui faisant décrire un trajet formé par une série de trOn- cons rectilignes espacés sur la longueur ou la largeur du subjectile et reliés deux à deux du-fait que la mèche décrit alternativement des coudes de retour dans des sens opposés. kux deux extrémités de la mèche, on réalise comme décrit ci-dessus, à l'aide de tresse de cuivre, des connexions qu'on munit de conducteurs isolés pour raccordement au secteur. La mèche peut être fixée au subjectile par agrafage à intervalles ou par réunion adhérente à l'aide de résine synthétique ou d'adhésif convenable. Pour assurer les meilleurs résultats, un tel panneau chauffant doit présenter une répartition de température sensiblement uniforme et, étant donné que cette répartition dépend de l'espacement des tronçons de mèche dans le panneau, il faut étudier cet espacement, en fonction à la fois de la répartition thermique et du coût de la longueur de mèche nécessaire, de façon à faire apparaître la résistance ohmique nécessaire à l'obtention, à la surface du panneau, d'une température superficielle donnée ; la résistance ohmique étant fonction inverse de l'intensité, il s'ensuit que, plus le panneau est grand, plus la résistance est faible et la charge élevée pour l'obtention de la même température superficielle. Ainsi, par exemple, avec l'élément précité enrobé dans un panneau en réfractaire électriquement isolant à coefficient K (selon la norme britannique "Imperial Standard") d'environ 2,5 kcal, la température superficielle maximale souhaitable peut être de l'ordre de 820C, ce qui exige une charge, sous 240 V, d'envi- ron 1300 W/m2, soit une résistance de 480f2, de sorte que, pour une mèche ayant une résistivité de 36 2 /m par mètre carré de panneau, il faut une longueur de mèche d'environ 13,4 m.En conséquence, pour un panneau d'environ G,18 m2,- de 99 x 18 cm, il faut - pour obtenir la meme température - 6,4 m de mèche offrant une résistance 231 #, la charge atteignant environ 250 W. Dans ce cas, le subjectile a environ 91 x 15 cm et les 6,4 m de mèche lui sont-fixés longitudinalement sous forme de sept tronçons reliés par des coudes de retour et espacés d'environ 19 mm, ce pas assurant une bonne distribution thermique ; l'expérience montre qu'on obtient de bons résultats avec un pas allant Uusqutà 25mm. Toutefois, on constate que, pour obtenir la même température superficielle sur des panneaux plus grands avec une mèche ayant les mêmes caractéristiques, il faut une longueur globale de mèche moindre pour offrir la résistance plus faible nécessaire, de sorte que le pas des tronçons de mèche vient à dépasser la limite admissible précitée. Dans ce cas, on peut obtenir une bonne réparsition thermique en prévovant sur le subjectile, deux circuits de mèche ou plus, montés en parallèle. Ainsi, dans l'exemple donné ci-dessus, on peut porter les dimensions du panneau à 99 x 35,6 cm et prévoir deux circuits de mèche identiques, montés en parallèle sur un subjectile de dimensions accrues en conséquence, pour obtenir un panneau d'une puissance utile double, c'est-à-dire d'environ 500 watts. Dans un autre exemple, on peut prévoir un subjectile en fière de verre muni de deux conducteurs longitudinaux espacés terminés à chaque extrémité par des connexions de raccordement à d'autres éléments montes en série, les conducteurs étant fixés -5 à l'aide de tresse de cuivre, comme-dncrit plus haut, aux extrémités oyscsées d'une mèche en fibres de carbone, enroulée en hélice autour du subjectile, d'un bord d'extrémité à l'autre, pour former une série de tronyons rectilignes espacés suivant la largeur du subjectile. Dans cet exemple, l'élément se prete encore à entre enrobé de la manière décrite dans le brevet précité et est destiné dans ce cas à former la feuille résistante d'un groupe de chauffage "au niveau des plinthes" décrit dans ce brevet Dans un autre exemple, on obtient un élément chauffant selon l'invention en enroulant un cordon en fibres de carbone autour d'un mandrin, suivant u trajet préfixe, puis en le chauffant pendant un temps bref par raccordement de ses extrémités à une source de courant sous la tension secteur, ce chauffage transformant le cordon souple en une masse sensiblement rigide qu'on peut alors munir de connexions d'extrémité et placer dans un moule pour mouler de la matière d'enrobage moulable déversée autour d'elle.Cette matière moulable peut mètre, par exemple, formée par fusion de grains de quartz translucides, qu'on peut colorer à volonté, l'empreinte du moule étant telle que le moulage ait la forme d'une bruche ou d'un gros morceau de charbon. Dans ce dernier cas, on peut munir de -connexions une série de mèches rigides moulées ayant.des formes différentes, par exemple celles de morceaux de charbon, et les placer dans des moules voisins pour mouler de la matière coulée autour d'elles. On peut ainsi obtenir un élément chauffant dont l'ensemble évoque un feu de charbon et l'on calcule alors la résistivité et l'i-ntensité appliquée de façon que, lorsqu'il est traversé par du courant, l'élément atteigne un état d' incandescence visible à travers le quartz. Bien entendu, la température de fusion du quartz est si élevée que, si l'on effectue le moulage sous atmosphère normale, le moule contenant l'élément en fibres de carbone se désintègre. Gn constate toutefois qu'on peut opérer avec succès le moulage sous atmosphère exempte d'oxygène, par exemple d'argon gazeux. En variante, la matière moulable peut être formée d'un ciment à haute teneur en alumine et d'un agrégat silicoalumineux et est alors de nature à entrer en incandescence sous charge suffisante. Tous les éléments cités à titre d'exemples sont prévus pour incorporation à des appareils de chauffage de locaux. Toutefois, on conçoit qu'on peut obtenir des éléments pouvant atteindre de fortes températures superaiclelles, par exemple supérieures à 204^, tels que plaques chauffantes, réchauds électriques, grils et plaques de cuisinières, en enrobant une mèche de longueur voulue dans une composition ayant une résistance à la chaleur convenable. Une telle composition peut par exemple contenir 3 parties d'agrégat à forte teneur en alumine, 1 partie de eime.t fortement alumineux et jusqu'à 10% du poids total de poudre d'aluminium oxydé, le tout mélangé avec l'eau ; on laisse durcir la composition après enrobage de l'élément. A titre d'autre exemple, on peut, pour obtenir un élément chauffant en fibres de carbone, enrouler en hélice une mèche autour d'un conduit de fluide tubulaire à lace extérieure électriquement isolante, la mèche étant par exemple fixée à cette face par une résine synthétique électriquement isolante et munie, comme décrit ci-dessus, de bornes de connexion de l'élément à une source d'énergie électrique. Un autre avantage important résultant de l'adoption de fibres de carbone solides, utilisées comme décrit ci-dessus est que, pour une résistivite donnée, la mèche en fibres dè carbone couvre beaucoup plus de surface chauffante qu'un fil résistant classique et assure ainsi un chauffage plus régulier de la surface par unité de masse, ce qui est très souhaitable pour le chauffage de locaux au moyen de surfaces chauffées. En outre, le chauffage à des températures modérées, avec une répartition ther moque admissible et une résistivité donnée, peut exiger du fil dl-un diamètre ne dépassant pas 127 p, ce qui soulève pratiquement des difficultés de manutention et des risques de rupture prématurée. -On peut encore utiliser des éléments chauffants selon 1' in- vention dans des articles s textiles chauffants tels que combinaisons de vol ou de sport automobile, tapis, couvertures et autres. Dans ce cas, les mèches de fibres de carbone peuvent entre incorporées par couture aux articles, et reliées, pour fonctionner sans danger, à une source d'énergie électrique sous tension modérée, par, exemple de 35 à 50 V. On peut aussi Incorporer à des tapis de sol d'automobiles des garnitures chauffantes de ce genre alimentées par la batterie pour rechauffer l'intérieur de la voiture pendant que le dispositif de chauffage normal atteint la température de fonctionnement. Le circuit peut aussi comporter une minuterie assurant ltalimentation du circuit avant qu'on n'utilise la voiture. Toutefois, il est très souhaitable que des panneaux chauffants du genre décrit ci-dessus aient un coefficient de résistance calorifique positif notable et l"on constate qu'on peut modifier les éléments chauffants décrits ci-dessus pour qu'ils présentent à la fois les avantages précités résultant de l'utilisation de fibres en carbone résistantes et un coefficient de résistance calorifique positif notable. L'invention couvre une telle modification selon laquelle on munit un ensemble chauffant électrique d'un premier élément résistant formé d'un faisceau continu de fibres de carbone résistantes, d'un second élément résistant formé d'une masse polymérisée de forme préfixée contenant un réfractaire électriquement conducteur et une résine synthétique et de deux électrodes espacées dans la dite masse et reliées au premier élément résistant pour former un élément composite, ainsi que de moyen de raccordement de l'élément composite à une source d'énergie électrique. L'invention couvre encore un appareil chauffant comportant de tels ensembles chauffants modifiés. Le premier élément résistant (dit ci-après élément "-en fibres de carbone") peut se présenter sous l'une quelconque des formes décrites ci-dessus et le second élément résistant (dit ci-après élément "semi-conducteur) peut prendre l'une quelconque des formes décrites dans la demande de brevet Français nO 73 30677 déposée le 24 Août 1973 dans laquelle on pourra trouver d'autres détails on constate que, sous toutes ces formes, de tels éléments ont un coefficient de résistance calorifique positif notable. Ainsi, un tel élément composite incorporé à un ensemble chauffant offre en combinaison les avantages d'un élément en fibres de carbone et ceux dtun élément semi-conducteur, ce qui rend l'ensemble chauffant très efficace et économique. On constate que, grâce à la réduction d'encombrement assurée, pour une puissance utile donnée, par des ensembles chauffants en-, robés comportant des éléments composites tels que décrits ci-dess4 et à la réduction correspondante d'isolation thermique assurée par la matière d'enrobage, les ensembles répondent plus vite à des variations de température et sont moins motteux à fabriquer que les ensembles à encombrement supérieur.De plus, les ensembles occupent moins de place (par exemple des panneaux muraux font moins saillie sur le mur) et, du fait qu'il répondent plus vite à des variations de la température ambiante, ils consomment moins de courant Dans l'é1êmentcomosIte, l'élément en fibres de carbone et l'élément semi-conducteur peuvent entre montés en série ou en pa parallèle, selon les dimensions et la puissance utile recuises, et l'on réalise commodément des ensembles chauffants complets par les procédés décrits dans la demande de brevet précitée. Quand les éléments semi-conducteur et en fibres de carbone sont montés en série, on peut donner à l'élément semi-conducteur la structure et les dimensions voulues, par rapport à l'élément en fibres de carbone, pour qu'il constitue une résistance à réglage automatique, ctest-à-dire qu'il transmette, à froid, une intensité maximale à l'élément en fibres de carbone et, après saturation du milieu, une intensité minimale du fait que sa résistance atteint un maximum. On conçoit 'qu'on peut donner à l'élément composite de nombreuses formes, selon le genre d'appareil de chauffage à réaliser. On peut calculer les dimensions ae l'élément semi-conducteur comme décrit dans la demande de brevet précitée et déterminer comme décrit ci-dessus la forme de l'élément en fibres de-carbone et la quantité de fibres incorporées à c-et élément. On va maintenant décrire à titre d'exemples certains modes de réalisation de l'invention en se référant aux dessins schématiques annexés, sur lesquels La figure I représente en perspective le contour d'un appa reil de chauffage auto-porteur comportant deux panneaux chauffants; la figure 2 représente en perspective un moule contenant un panneau chauffant partiellement formé, pour incorporation à l'appareil de chauffage montré sur la figure 1 la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne B-S de la figure 2 la figure 4 est une vue en perspective avec arrachement d'un panneau fini la figure 5 montre en perspective un élément en fibres de carbone pour ensemble de chauffage-disposé au niveau des plinthes;; la figure 6 montre en perspective un tréteau de montage facilitant la réalisation de l'élément représenté sur la figure 5 la figure 7 montre en perspective un ensemble de chauffage au niveau des plinthes comportant un élément de forme modifiée. La figure 1 montre un appareil de chauffage auto-porteur comportant essentiellement deux panneaux rayonnants il montés sur un batl formé c .ux suttorts d'ex--rémi-é opposé 12 reliés par nes entretoises 13, les panneaux 11 étant surmontés d'un chapeau décoratif 14 de forme correspondant à celle du bâti,, muni sur sa face inférieure d'une garniture réfléchissante 1b, par exemple en aluminium poli, et espacé des panneaux pour ménager avec eux des passages d'air 17.Les panneaux sont disposés face à face, à une certaine distance l'un de l'autre et présentent vers le naut et l'extérieur une inclinaison faible, par exemple de 50, sur la verticale. Ainsi, les faces extérieures des panneaux 11 rayonnent de la chaleur et leurs faces intérieures définissent un passage de convection dans lequel de l'air arrive à travers le bâti à claire-voie pour-ressortir par les passages 17. Les panneaux 11 ont la structure représentée sur les figures 2, 3 et 4. On met à l'aide d'un tréteau de montage, comme on 1' exposera, une mèche 21, en fibres de carbone formées de filaments continus comme décrit ci-dessus, sous forme de circuit électrique résistant comportant une succession continue de coudes de retour espacés 22, les extrémités de la mèche, diagonalement opposées, étant reliées, par l'intermédiaire de gaines en cuivre tressé 23, à des conducteurs 24, isolés par de la fibre de verre, de raccordement au secteur, qu'on fixe au circuit en carbone une fois ce dernier retiré du tréteau de montage. Ce dernier est muni d'une feuille de soutien 26 en fibre de verre sur laquelle on forme les coudes de retour. rour faciliter la manipulàtion du circuit et conserver aux coudes de retour 22 un espacement invariable, on applique à la mèche, qui est alors sous forme de cordon comme exposé plus haut, du courant sous tension él-evée, par exemple de 175 V, pendant un temps bref. De ce fait, la résine précédemment non durcie devient rigide, ce qui rigidifie la mèche 21 et la fait adhérer à la feuille en fibre de verre 26. On retire alors le circuit et sa feuille de soutien 26 du tréteau de montage et l'on fixe les conducteurs 24, dont l'un est muni d'un thermostat 27 jouant le rôle de disjoncteur à maxima à ré-enclenchement automatique.Gn pose ensuite l'ensemble sur une couche de mastic 28, en réfractaire contenant de la résine synthétique, préalablement formée dans une boîte de moulage 29 et, après avoir fait ressortir les extrémités des deux conducteurs 24 d'un côté de la boîte 29, on ajoute assez de réfractaire pour enrober le circuit et on laisse durcir toute la masse pour obtenir un panneau 11 fini. a technique de moulage et la matière d'enrobage brièvement décrite ci-dessus font l'ot- jet de la demande de brevet précitée, dans laquelle on trouvera d'autres détails. Pour incorporation à un ensemble de chauffage au niveau des plinthes, tel que décrit dans la demande précitée, on utilise 1' élément modifié représenté sur les figures 5 et 6. On utilise comme précédemment un cordon de fibres de carbone 71, auquel on fait décrire une série de coudes de retour 32 en lui faisant contourner une série de chevilles amovibles 33 saillant sur un socle en bois 34 et formant un tréteau de montage, après avoir posé sur le socle A une série de bandes de soutien 36 en fibre de verre. Cn fixe ensuite des éléments de connexion 37 en cuivre tressé aux extrémités opposées de la mèche 31, qu'on fait traverser comme précédemment par un courant sous tension élevée. On dépose ensuite les chevilles 33 pour pouvoir retirer en le soulevant l'élément rigidifié du tréteau. On fixe aux tresses de connexion 37 et aux bandes en fibre de verre 36 des bandes métalliques longitudinales 38, à section en U, sur lesquelles on pose d'autres tresses de connexion 39. Chaque tresse de connexion 37, 39 est munie d'une douille de connexion 41. Gn enrobe alors l'élément terminé dans une masse de réfractaire électriquement isolant pour former un ensemble de chauffage au niveau des plinthes tel que décrit dans la demande de brevet précitée. Cn va maintenant décrire une variante d'élément, doté d'un coefficient de résistance calorifique positif notable comme exposé plus haut, en se référant à la figure 7 qui représente à titre d'exemple, en coupe longitudinale, un panneau 42 de chauffage au niveau des plinthes et montre un élément résistant composite noyé dans la matière d'enrobage. L'élément composite comprend essentiellement un élément en fibres de carbone 43 monté en parallèle avec un élément semi-conducteur 44 et est muni de barrettes conductrices 46 terminées par des douilles de connexion 47 servant aussi à relier le panneau 42 à des panneaux voisins longeant les murs d'une pièce. REVEEDICATIONS 1) Elément chauffant électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un faisceau continu de fibres de carbone robustes formant un circuit électriquement résistant et des moyens de connexion de ce circuit à une source d'énergie électrique. 2) Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres, de longueurs diverses, s'étendent ctte à cotte suivant la longueur du faisceau. 3) Elément selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fibres forment une miche de filaments continus. 4) Elément selon une quelconque des revendicatiens précéden- tes, caractérisé n ce teuton réunit les fibres ensemble à l'aide d'une résine synthétique non durcie avant de former le circuit. 5) Elément selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'on fait épouser à la mèche un trajet formé d'une série de tron çons rectilignea espacés reliés les uns aux autres par des coudes de retour alternativement dirigés en sens opposés. 6) Elément selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'on rend le circuit rigide en lui appliquant du courant sous tension élevée. 7) Elément selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au circuit de l'élément en fibres de carbone est incorporé un élément semi-conducteur formé d'une masse polymérisée de forme préfixée contenant un réfractaire éleetri- quement conducteur et une résine synthétique, ainsi que deux électrodes espacées dans la masse et reliées à l'élément en fibres de carbone pour former un élément composite. 8) Elément selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est enrobé dans une masse de matière élec- triquement isolante.