Brevet FR2372569A1 — publié le 19780623

La présente invention concerne un dispositif de chauffage électrique pour fluide à partir du réseau alternatif, ce dispositif étant du genre comprenant une enceinte munie d'une entrée et d'une sortie pour le fluide et un circuit électrique alimentant des moyens de chauffage. Elle concerne également des applications de ce dispositif au chauffage des locaux. Les appareils connus de ce genre fonctionnent généralement par effet Joule, c'est-à-dire que le circuit électrique se compose d'un certain nombre de résistances dont la chaleur se dissipe dans le fluide. Pourvu que l'on prenne des précautions élémentaires ae calorifugeage, ces appareils ont un excellent rendement, la quasi-totalité de énergie électrique consommée se retrouvant sous forme thermique dans le fluide chauffé. Cependant, de tels appareils présentent l'inconvénient d'une montée en température relativement lente lorsque l'on part d'un état froid. Cet inconvénient passe souvent inaperçu lorsqu'il s'agit de chauffe-eau classiques qui présentent une capacité importante. I1 n'en est pas de même lorsque l'on désire, par ces moyens, chauffer l'eau d'une installation de chauffage central à action intermittente. Le flux de chaleur émis est en effet relativement faible en raison des dimensions réduites des résistances, et lton ne peut pas compenser cet effet par une élévation importante de la température de la résistance.On se heurte en effet dune part à un probleme de tenue de cette résistance, et d'autre part au fait que, la résistivité augmentant avec la température, il faudrait disposer d'une source à tension relativement élevée, ce qui crée rait des difficultés dans le cas d'une application domestique. Or, une possibilité d'échauffement rapide est une des conditions nécessaires pour adopter un mode de chauffage intermittent, générateur par ailleurs d'importantes économies d'énergie. La présente invention vise à réaliser un dispositif qui permette échauffer rapidement un fluide en ne nécessitant que les investissements courants d1une installation domestique classique. Suivant l'invention, le dispositif de chauffage élec- trique pour fluide à partir du réseau alternatif comprend une enceinte munie d'une entrée et d'une sortie pour le fluide et un circuit électrique alimentant des moyens de chauffage situés dans l'enceinte et baignés par le fluide, et il est caractérisé en ce que les moyens de chauffage comprennent une plaque en matériau magnétique,et en ce que le circuit électrique comprend au moins une inductance comportant un noyau muni de masses polaires coopé- rant avec ladite plaque. On a constaté que, sous l'effet du courant alternatif induit, la plaque s'échauffait et pouvait transmettre au fluide qui la baigne une puissance thermique très importante. En outre, l'absence à peu près totale de composante réactive permet de ne conférer aucun surdimensionnement à l'équipement électrique d'alimentation. De-préférence, la plaque est en un matériau à forte énergie d'hystérésis, de manière à permettre la dissipation d'une puissance maximale. Suivant une réalisation particulière de l'invention, chaque inductance comprend trois bobinages reliés aux trois phases du réseau d'alimentation et logés dans des encoches du noyau définissant entre elles les masses polaires. On bénéficie ainsi des avantages du branchement triphasé. Suivant une réalisation avantageuse de l'invèntion, les masses polaires extrêmes sont notablement plus larges que les masses polaires intermédiaires, de manière à minimiser les flux de fuite. De préférence, l'épaisseur de la plaque est approximativement égale à la moitié de la largeur d'une masse polaire intermédiaire, de manière à rendre approximativement constante la réluctance du circuit magnétique. Suivant une première réalisation de I'invention, la plaque est courbée sensiblement suivant un cylindre à base circulaire, l'enceinte est annulaire et la plaque en constitue la paroi interne. Le noyau de l'inductance comprend des paquets de tôles disposés à l'intérieur du cylindre suivant des rayons. Cette disposition est particulièrement bien adaptée au chauffage de l'eau dans une installation de chauffage central, ou de l'air dans un chauffage à air pulsé Suivant une seconde réalisation de l'invention, la plaque comprend une partie plane disposée verticalement dans un carter formant l'enceinte. Ce carter est muni à sa partie inférieure d'une entrée d'air froid et à sa partie supérieure, d'une sortie d'air chaud, et les inductances sont disposées le long de la plaque à l'intérieur d'un circuit électromagnétique comprenant la plaque, et des éléments conducteurs complémentaires. On dispose ainsi d'un appareil plat qui peut etre fixé le long d'un mur pour former convecteurt l'air, animé par convection naturelle, venant lécher la plaque. D'autres particuiarités de 1t invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés donnés à titre dtexemples non limitatifs : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une première réalisation d'un dispositif conforme à l'invention - - la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1 - la figure 3 est une coupe en plan d'une seconde réalisation du dispositif, suivant III-III de la figure 4 - la figure 4 est une vue en coupe suivant IV-IV de la figure 3 - la figure 5 est un diagramme relatif au fonctionnement du dispositif. En référence aux figures 1 et 2, le dispositif conforme à l'invention comprend une enceinte 1 formée d'une virole 2, d'un fond 3 et d'un dessus 4. L'enceinte 1 est complétée par une plaque s en matériau magnétique à forte énergie d'hystérésis enroulée suivant un cylindre sensiblement coaxial à la virole 2. Dans ltexemple décrit, la plaque 5 est en acier trempé. L'enceinte 1, qui présente ainsi une forme annulaire et dont la plaque 5 constitue la paroi interne, comprend encore une entrée 6 et une sortie 7 destinées à être branchées sur un circuit de chauffage central à eau chaude, ainsi qu'un ajutage 8 prévu pour recevoir un thermomètre de contrôle. Un circuit électrique 9 est relié au réseau triphasé à travers un presse-étoupe 11 d'un couvercle 12 recouvrant la pla que cylindrique 5. Ce circuit comprend une inductance 13 comprenant elle-même un noyau 14 formé de paquets de tôles 15 disposés suivant des rayons de la plaque cylindrique 5, et découpés pour former quatre masses polaires 16, 17, 18, 19 entre lesquelles sont disposés trois enroulements 21, coaxiaux à la plaque 5 et reliés respectivement aux trois phases du réseau. Dans l'exemple décrit, les paquets de tôle sont sensiblement jointifs par leurs extrémités voisines de l'axe du dispositif. Les paquets de tôles 15 sont frettés autour d'un mandrin 22, et l'ensemble de l'inductance repose sur un tasseau 23 fixé à l'intérieur de la plaque cylindrique 5. Dans le but de réduire le plus possible l'-entrefer entre le noyau 14 et la plaque 5, le jeu diamétral entre ces deux éléments est très faible, et obtenu par rectification. Dans l'exemple décrit, il est de 0,2 mm. Les masses polaires extrêmes 16, 19 sont notablement plus larges que les masses polaires intermédiaires 17, 18 dans le but de réduire le flux de fuite aux extrémités du noyau 14, et la largeur de ces masses polaires intermédiaires 17, 18 est approximativement égale au double de l'épaisseur de la plaque 5, afin de conférer au circuit magnétique formé par cette plaque et le noyau 14 une réluctance sensiblement uniforme. Quand 1'inductance 13 est connectée au réseau, les champs électro-magnétiques créés provoquent l'apparitiondans la plaque 5 de courants électriques dont l'énergie se dissipe par effet Joule. Il en résulte un échauffement de cette plaque, échauffement qui se transmet à l'eau circulant dans l'enceinte 1. Des relevés expérimentaux sont résumés sur le diagramme de la figure 5 qui représente l'évolution de la température T en fonction du temps t. Ils permettent de constater que l'échauffement de l'eau était très rapide, beaucoup plus rapide qu'avec un chauffage par résistance dans les mêmes conditions de puissance instal idée, On peut tenter d'expliquer ce résultat a priori surprenant par le fait que,d'une part, la chaleur n'a pas à traverser la plaque 5, étant produite en son sein par effet de conduction vive et que, d'antre part, la surface de contact de la plaque avec l'eau est beaucoup plus grande que la surface d'une gaine de résistance, toutes choses égales d'ailleurs. L'invention permet donc de réaliser un système de chauffage central à eau chaude à montée en température très rapide, autorisant sans inconvénient le chauffage intermittent, pour une dépense dtinvestissement relativement modérée. On a constaté en effet que la puissance réactive mise en jeu était pratiquement inexistante. On va maintenant décrire, en référence aux figures 3 et 4, une seconde réalisation de l'invention, en conservant les memes numéros de repère pour désigner les éléments équivalents à ceux de la réalisation précédente. Une plaque 5 en acier trempé est formée de quatre parties planes, deux à deux face à face. Les parties planes, disposées verticalement devant un mur 24, sont toutes de même hauteur, mais les parties planes 5a, 5b parallèles au mur sont beaucoup plus longues que les parties 5c, 5d transversales par rapport au mur qui servent essentiellement à assembler les deux précédentes pour refermer le circuit électromagnétique. La partie plane 5a la plus voisine du mur porte des crochets 25 coopérant avec des anneaux 26 scellés dans le mur 24 pour supporter-la plaque 5, toutes précautions d'isolement électrique étant prises suivant des dispositions à la portée de lthomme de l'art. Dans la cavité ménagée entre les parties planes précitées est logée une inductance 13 comprenant un noyau 14 formé de tôles de f.er doux empilées, disposées verticalement et transversalement par rapport au mur 24. Ces tôles sont découpées pour former quatre paires de masses polaires 16, 17, 18, 19 dirigées respectivement vers les parties planes 5a et 5b et ménageant entre elles trois paires de gorges où sont logés respectivement trois enroulements 21 reliés chacun à une phase du réseau par des connexions non représentées. Le jeu entre les masses polaires et les parties planes 5a et 5b est très faible, de tordre du dixième de millimètre et est obtenu par rectification. L'ensemble du noyau 14 repose sur des tasseaux 23 fixés à la base des parties planes 5a et 5b. Comme dans la réalisation précédente, les masses polaires extrêmes 16, 19 sont notablement plus larges que les masses polaires intermédiaires 17 18, et la largeur des masses polaires intermédiaires 17, 18 est approximativement égale au double de ltépaisseur de la plaque 5, pour conférer une réluctance sensiblement uniforme au circuit magnétique formé par le noyau 14 et la plaque 5. L'ensemble qui vient d'être décrit est enfermé dans un capot en tôle mince 2 constituant une enceinte 1 qui présente à sa partie inférieure une ouverture grillagée 6, et au moins sur la partie supérieure de sa façade, une ouverture grillagée 7. En fonctionnement, la plaque 5 s'échauffe comme dans la réalisation précédente et échauffe l'air contenu dans l'enceinte 1 ce qui provoque, grâce aux.ouvertures 6 et 7, une circulation d'air de bas en haut par convection naturelle. L'invention permet donc de réaliser un convecteur pour chauffer un local, de haute efficacité, procurant un chauffage très rapide, et de construction relativement économique. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux exemples décrits, et lton pourrait, sans sortir de son cadre, concevoir de nombreuses variantes en donnant, par exemple, des formes diverses au noyau et à la plaque. On pourrait également envisager oqt d'autres applications que celles qui/été indiquées. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage électrique pour fluide à partir du réseau alternatif, comprenant une enceinte munie d'une entrée et- d*une sortie pour le fluide et un circuit électrique alimentant des moyens de chauffage situés dans l'enceinte et baignés par le fluide, caractérisé en ce que les moyens de chauffage comprennent une plaque en matériau magnétique et en ce que le circuit électrique comprend au moins une inductance comportant un noyau muni de masses polaires coopérant avec ladite plaque. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque est en un matériau à forte énergie d'hystérésis, tel que l'acier trempé. 3. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que chaque inductance comprend trois bobinages reliés respectivement aux trois phases du réseau d'alimentation et logés dans des encoches du noyau définissant entre elles les masses polaires. 4. Dispositif conforme à la revendication 32 caractérisé en ce que les masses polaires extrêmes sont notablement plus larges que les masses polaires intermédiaires. 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que ltépaisseur de la plaque est approximativement égale à la moitié de la largeur d'une masse polaire intermédiaire. 6. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la plaque est courbée sensiblement suivant un cylindre à base circulaire, 1'enceinte étant annulaire et la plaque constituant sa paroi interne, et en ce que le noyau de l'inductance comprend des paquets de tôles disposés à l'intérieur du cylindre suivant des rayons. 7. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la plaque comprend au moins une partie plane disposée verticalement dans un carter formant l'enceinte précitée, ce carter étant muni à sa partie inférieure d'une entrée d'air froid, et à sa partie supérieure d'une sortie d'air chaud, et l'inductance étant disposée le long de la plaque à l'intérieur d'un circuit électromagnétique comprenant la plaque et des éléments conducteurs complémentaires. 8. Application d'un dispositif conforme à la revendication 7 au chauffage du fluide caloporteur d'un circuit de chauffage central. 9. Application d'un dispositif conforme à la revendication 8 à un convecteur pour chauffer un local.