Brevet FR2283618A1 — publié le 19760326

La présente invention concerne un dispositif chauffant à faible gradient permettant une régulation précise de la température d'un corps chauffé par ce dispositif. En matière de régulation de la température d'un corps que celui-ci soit solide, liquide ou gazeux, les impératifs à satisfaire sont en relation avec les points suivants - vitesse de montée en température; - écart maximum de température par rapport à une température de consigne (écart de réglage); - reproductibilité du phénomène de chauffage (temps, texpéra- ture) dans le cas d'une consigna constante; - valeur maximale des gradients de température mesurée en ré gime permanent sur et/ou dans le corps chauffé; - rapidité de réponse du système en face d'une perturbation (de température par exemple); - encombrement et coflt du système chauffant. Pour réguler la température d'un corps à faible inertie thermique, la solution actuellement la plus répandue est la technique du bain-marie : on stabilise la température d'une grande masse d'un agent intermédiaire (eau, huile ...) dont on utilise l'inertie thermique pour stabiliser la température du corps à réguler qui s'y trouve immergé (partiellement ou complétement). Un détecteur de température placé au sein de l'agent intermédiaire commande, si besoin est, un organe chauffant. Dans le meilleur des cas, un brassage assure une bonne homogénéité de la température du bain. Cette méthode présente les inconvénients suivants - Obligation de chauffer une grande masse d'un agent intermé diaire, d'oit . dépense d'énergie accrue, temps assez long pour atteindre l'équilibre, encombrement de l'installation; - La température qui est réellement mesurée (et donc stabili sée) est non pas celle du corps dont la température doit entre régulée, mais celle de l'agent intermédiaire. I1 en résulte que si la température du corps, cette température constituant la finalité de la régulation, est perturbée, il faudra attend dre un temps assez long avant que l'état d'equilibre soit rétabli.Ce retour à l'équilibre est asymptotique puisque le transfert de chaleur bain-corps est d'autant plus faible que l'on se rapproche de l'équilibre. - En outre, des phénomènes de dérive peuvent apparaître en cas d'immersion incomplète du corps dans le bain-marie. Or, il est souvent indispensable qu'une partie (au moins une face) du corps ne soit pas immergée. Une autre méthode connue, applicable notamment aux liquides, consiste à utiliser un thermoplongeur (électrique par exemple). Elle présente l'inconvénient de créer au sein du corps (liquide) de forts gradients de température, notamment à l'interface liquide/thermoplongeur, ce qui est inadmissible lorsque, par exemple, le liquide est un bain de traitement (photographique ou autre) que des zones de surchauffe peuvent détériorer0 Là encore une agitation est nécessaire pour homogénéiser la température du bain. La présente invention a pour but de réaliser un moyen de chauffage à faible inertie thermique et faible gradient, se prêtant à une régulation à faible écart de réglage par rapport à la température du corps chauffé, cela sans perdre de 1 'ner- gie en chauffant un corps intermédiaire. Selon l'invention ce résultat est obtenu, avec un dispositif chauffant comportant une résistance électrique, par le fait que cette résistance est constituée par une pellicule conductrice prise en sandwich entre deux feuilles de matière isolante. Cette pellicule conductrice peut Qtre constituée par exemple par du carbone de préférence à l'état de graphite; quant aux feuilles de matière isolante, elles peuvent etre en matière plastique (par exemple en polyester, en polytétra fluoréthylène, etcs.) choisie en fonction de sa tenue en température, de sa stabilité dimensionnelle et de sa résistance mécanique. L'invention prévoit en outre que l'une des feuilles isolantes peut être collée soit sur une feuille métallique (c'est-à-dire sur du métal assez mince pour que le dispositif puisse se conformer à la surface extérieure de l'objet à chauffera soit sur une plaque métallique, c'est-à-dire sur du métal offrant une rigidité suffisante pour constituer une paroi ou une partie de paroi d'une enceinte contenant le corps à chauffer. C'est ainsi que le dispositif peut oestre réalisé sous la forme d'une cuve ou partie de cuve dont au moins le fond est constitué par une telle plaque, Une telle cuve peut alors être pourvue d'un capteur de température coopérant avec des moyens de régulation qui commandent le courant électrique d'alimentation de la pellicule conductrice. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparat- tront à la lecture de l'exemple non limitatif suivant décrit en se référant au dessin annexé dans lequel la Bigo 1 représente un dispositif chauffant selon l'invention, réalisé ici sous la forme d'une cuve thermostatee adaptée au traitement de photographies en couleur; La Fig. 2 représente le schéma de principe du circuit électronique de régulation0 Une cuve parallélépipédique désignée dans son ensemble par la référence 1, comporte des parois latérales 2 en matière synthétique. Le fond de cette cuve est constitué par une plaque métallique 3 qui est par exemple en acier inoxydable. Le dessus de cette plaque est destiné à Qtre en contact avec le bain introduit dans la cuve.Sur le dessous de cette plaque est collée une première feuille 4 en matière plastique connue sous l'appellation de "Rylar" sur laquelle est appliquée une couche continue de graphite colloïdal 5 entre deux électrodes en cuivre 6, 6' qui sont sensiblement parallèles. Ces électrodes servant à appliquer la tension électrique d'alimentation de la résistance constituée par le film 5. Une autre feuille de "plan" 7 protège la résistance qui se présente donc comme une pellicule conductrice prise en sandwich entre deux feuilles de matière isolante, Le fond métallique du bac est percé, ainsi que les feuilles 4 et 7 et la pellicule conductrice 5, pour permettre le passage d'un capteur de température. Dans le présent exemple, ce capteur est constitué par une thermistance 8 logée dans un tube métallique 9 dont une extrémité est fermée et qui traverse la plaque 3 et le sandwich 4, 5, 7. I1 va de soi que cette réalisation n'est nullement limitative et que le capteur de température pourrait entre contenu dans une petite enveloppe indépendante fixée ou supportée d'une façon quelconque au-dessus de la zone centrale du fond. Dans ce cas, les fils de sortie de la thermistance (sous gaine isolante ét étanche) peuvent soit traverser le fond par un petit trou, soit aller jusqu'à une paroi latérale 2 et la traverser ou la longer vers le haut jusqu'à son bord supérieur.Dans la forme de réalisation préférée, le fond métallique de la cuve se trouve à une certaine hauteur h au-dessus du plan d'assise x x' afin de ménager un espace libre pour recevoir des moyens de régulation constitués par un circuit électronique qui se présente sous la forme d'une résistance ajustable 10 et d'un module 91 fixés, chacun, à la partie inférieure de l'une des parois latérales 2. Ce module 11 pourrait entre situé soit dans 1'espace entre le fond et un double fond (non représenté) qui occuperait le plan x x' entre les faces latérales 2. il pourrait aussi entre placé dans un logement ménagé sur l'une des faces de la cuve, ou encore dans un bottier séparé. La Fig. 2 représente schématiquement le circuit électronique de régulation qui comporte : un pont de comparaison, constitué ici par un pont de Wheastone dont deux branches sont constituées par des résistances fixes R1 R2. Les deux autres branches de ce pont sont constituées l'une par 1. la thermistance, (Fig. 1), l-'autre par la résistance ajustable 10. La thermistance, constituant le capteur de température, 8transforme" une valeur de température en une valeur de résistance. Une tension continue est appliquée entre les bornes E et E', de sorte que l'on dispose entre les bornes S et S' d'une tension représentative de l'état d'équilibre ou de déséquilibre du pont.Comme les résistances R1 et R2 ont des valeurs fixes, cet état ne dépend que des valeurs de résistance de la thermistance 8 et de la résistance ajustable 10 dont le réglage correspond alors au réglage d'une température de référence (température de consigne). La tension entre S et S' est nulle si, et seulement si, la température de la thermistance 8 contre à celle-ci-une valeur qui, compte tenu du réglage de l'éliment 10, réalise lréquilibre du pont. La tension entre les bornes S S', représentative de l'écart entre la valeur de consigne et la valeur réelle (erreur ou "écart de réglage"), est transmise à un amplificateur 12 qui, avec le pont de Wheastone, constitue un ensemble comparateur fournissant un signal de déclenchement à un circuit 13 à thyristor connu en soi, qui alimente en courant du secteur la résistance chauffante 5. Bien entendu, le thyristor n'est rendu conducteur que si la tension entre les borne S et S est d'une polarité correspondant à une température de thermistance inférieure à la valeur de consigne. Un organe dtinterruption de circuit commandé électriquement, un relais par exemple, peut entre utilisé à la place du thyristor. Dans la forme de réalisation représentée, la thermistance est disposée de manière à tenir compte à la fois de la tespéra- ture du liquide et de celle du dispositif chauffant ce qui permet de limiter leur écart et donc d'améliorer la précision. Bien entendu, la régulation peut se faire non seulement en fonction de la valeur instantanée de l'écart de réglage, mais encore en fonction de sa dérivée et/ou de son intdgrale par rapport au temps, selon les principes connus de la régulation par action dérivée et/ou intégrale. Le dispositif chauffant qui est ici partie intégrante d'une cuve, comporte une résistance de grande surface bien répartie, ce qui évite la création de zones chaudes, et par conséquent élimine les gradients de température importants, cela aussi bien pendant le chauffage qu'à ltéquilibre. L'inertie thermique de l'ensemble du système est réduite à celle du corps chauffé, du récipient et du dispositif chauffant. Cette faible inertie thermique permet de monter rapidement la température de l'ensemble jusqutau point de consigne et de ne pas le dépasser considérablement dès le premier arrêt du chauffage. Pour réaliser le dispositif chauffant utilisé dans cet exemple, on peut procéder comme suit Sur une face d'une plaque métallique 3 (en cuivre ou en aluminium, ou encore en acier inoxydable etc..) on forme une pellicule électriquement isolante 4, soit par collage d'un film de matière plastique, soit par dépit au pistolet, soit par badigeonnage, soit encore par formation d1une pellicule à pores fermés et suffisamment épaisse d'oxyde (alumi̇um), ou par phosphatation (fer). Sur cette pellicule on colle ensuite, près des bords opposés de la plaque, deux conducteurs rectilignes 6 et 6' ayant sensiblement la mtme longueur, en les disposant de façon qu'ils soient sensiblement parallèles. Ces conducteurs ont de préférence une section rectangulaire. Sur cette pellicule et sur ces conducteurs, on applique ensuite, une suspension de graphite colloïdal dans un liquide qui, de préférence, est volatil. Après évaporation, il subsiste une couche conductrice et continue de carbone 5 qui constitue la résistance proprement dite. Sur cette couche, on dépose ensuite une pellicule électriquement isolante 7, soit par application d'un film en matière plastique, soit par déport, au pistolet ou an badigeon, d'un vernis isolant. Le trou pour le passage de la sonde de terpérature 8, 9 peut étre réalisé dans les différents éléments 3, 4, 7 avant leur assemblage. Dans le cas d'une fabrication en série, ce trou peut aussi entre découpé par poinçonnage. Dans une autre variante possible, le logement 9 de la thermistance 8 est embouti dans la plaque elle-e. D'autres méthodes de réalisation de ce dispositif chauffant sont possibles. C'est ainsi par exemple que la pellicule conductrice peut entre normée par application au pistolet d'un produit habituellement utilisé pour réaliser le blindage électrostatique de tubes cathodiques de télévision et pour permettre l'écoulement de charges électriques. Bien entendu, on pourrait aussi remplacer la couche de graphite par un dépit métallique mince (par exemple en argent) ou meme par une feuille mince d'un alliage résistant. Dans le cas où la résistance du dépit métallique est trop faible, on peut prévoir un petit transformateur abaisseur de tension pour obtenir la puissance désirée. Après réalisation du dispositif chauffant 3, 4, 5, 7, on a placé celui-ci dans une enceinte parallèlépipédique formée de quatre parois 2 et pourvus intérieurement d'un épaulement 2a pour supporter la plaque 3 et créer l'étanchéité. Dans le cadre d'une fabrication en série, on pourrait réaliser la cuve complète en métal en prévoyant un habillage protecteur. Dans cet exemple, le dispositif selon l'invention a été décrit comte partie intégrante d'une cuve pour liquide. L'invention n'est nullement limitée à cette réalisation, bien au contraire-. Dans sa forme la plus simple le dispositif selon l'invention ne comporte que deux feuilles de matière plastique 4 et 7 faElylarn, polyester, P.T.Ft.E., etc..) sur au moins l'une desquelles est appliquée une couche conductrice 5 prise "en sandwich" entre ces feuilles, en méme temps que des électrodes 6 qui sont parallèles entre elles et sont placées au voisinage de deux extrémités opposées du dispositif. Sous cette forme, le dispositif se présente comme une nappe souple que l'on peut placer autour de l'objet à chauffer ou à maintenir à une certaine température. Le capteur de température (thermistance) peut alors titre placé dans un bouchon ou une capsule métallique collés sur une face externe de la feuille qui sera au contact de l'objet chauffé, tandis que le circuit de régulation (résistance ajustable comparateur et circuit à thyristor) peut eAtre inclus dans un petit boiter comportant par exemple le connecteur de jonction à l'extrémité du cordon d'alimentation. Le dispositif suivant l'invention présente de nombreux avantages techniques. La régulation du corps est effectuée en boucle fermée, c'est-à-dire avec prise de température sur le corps même à ré réguler, ce qui assure une meilleure neutralisation des perturba tisons. La faible inertie thermique de l'ensemble, son homogénéité, sa grande surface de contact avec le corps à chauffer assure une montée régulière et rapide en température, tandis que l'é- cart de température maximale vis & vis de la consigne peint être restreint. Enfin, on peut ainsi réaliser facilement des asservissements c' est-à-dire suivre une évolution de température prévue à l'avance. Au point de vue économique, l'absence de bain intermédiaire permet de réduire considérablement le poids et le volume du dispositif, qui est ainsi moins coûteux que le dispositif au bain-marie0 L'énergie consommée est réduite au strict minimum. Enfin, une large plage de température est couverte avec un seul dispositif, car on n'est plus limité par le point d'ébullition de l'agent intermédiaire ou par la puissance de chauf- fe nécessaire dans le cas d'une grande montée thermique0 les applications sont variées. En outre du remplacement des bains-marie, on peut utiliser l'invention pour les réacteurs chimiques, biologiques, médicaux, et aussi pour les appareils culinaires (fours, plats chauffants) ou sanitaires (baignoires chauffantes). REVENDICATIONS 1 - Dispositif chauffant à faible gradient permettant une régulation à faible écart de réglage de la température d'un corps chauffé, ce dispositif comportant une résistance électrique protégée par un isolant électrique, caractérisé en ce que la résistance est constituée par une pellicule conductrice prise en sandwich entre deux feuilles en matière électriquement isolante. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule conductrice est constituée par du carbone, de préférence à l'état de graphite. 3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pellicule conductrice est constituée, par un dépôt métallique, sur au moins l'une des feuilles. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule conductrice est une feuille mince d'un métal. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est associé à un capteur de température placé dans une enveloppe conductrice de la chaleur fixée sur une face du dispositif en matière électriquement isolante, et en ce que ce capteur de température est relié à ltentrée de comparaison d'une régulation électronique connue en soi dont la sortie commande l'alimentation en courant de la pellicule conductrice (résistance). 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'une des faces du dispositif est constituée par une feuille métallique à laquelle l'une des feuilles isolantes adhère par sa face qui n1 est pas au contact de la pellicule conductrice constituant la résistance. 7 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la feuille métallique constitue au moins une partie e la paroi d'une enceinte destinée à envelopper le corps chauffé. 8 - Dispositif selon la revendica;tion 7, caractérisé en ce que la feuille métallique est une plaque constituant une cuve ou le fond d'une cuve. 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la plaque et les feuilles isolantes, ainsi que la pellicule conductrice sont percées d'un trou communiquant du cOté intérieur de la cuve, avec un logement contenant le capteur de température, tandis que le circuit électronique est placé soit en-dessous du fond de la cuve, soit dans un logement amenagé sur l'une de ses faces, soit dans un bottier séparé. 10 - Procédé de fabrication d'un dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on applique sur une feuille ou une plaque métallique une première feuille i matière plastique, telle quhn polyester, sur laquelle on dépose une suspension de carbone colloidsl dans un liquide volatil, puis, après évaporation de ce liquide, on applique et on fixe, par exemple par collage, une deuxième feuille de matière plastique sur la couche conductrice ainsi formée et en ce que deux électrodes sont mis en contact avec la couche de carbone de manière à assurer l'arrivée du courant sur cette résistance, les électrodes pouvant étre disposées avant ou après le film chauffant. Il - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins l'une des feuilles de matière plastique est formée au moment de son application qui se fait selon une technique de peinture.