Brevet FR2459539A1 — publié le 19810109

L'invention est relative à un dispositif destiné à protéger contre les surcharges thermiques une résistance électrique mdtallique, en particulier une résistance additionnelle servant à régler par paliers la vitesse du moteur entratnant un ventilateur sur les véhicules automobiles, ce dispositif comportant un système de contact capable de se fermer lorsque la résistance métallique se dilate sous l'effet de la chaleur. Un tel dispositif protecteur est décrit dans le brevet allemand n 537 785. Dans ce cas, la résistance métallique est constituee par une tige qui s'allonge, en cas de surcharge électrique, sous l'effet de la chaleur développée par effet Joule. En cas de variation suffisante de longueur de cette résistance métallique une tige de référence, fixée à la première tige de façon à en hêtre isolée thermiquement, provoque par l'intermédiaire d'un mécanisme à levier la fermeture d'un interrupteur électromécanique monté séparément à proximité, en vue de déclencher une fonction de coupure. Avec un tel diposltif protecteur, l'actionnement du mécanisme à levier exige, pour titre sar et reproductible, un fort allongement de la résistance métallique en tige, c'est-8-dire une résistance de grande longueur. La construction de ce dispositif proteteur est compliquée au point de vue mécanique et exige des opérations de réglage conteuses. Etant donné que l'interrupteur est actionné par un mécanisme à levier sensible à un effet de dilatation, le dispositif est fortement exposé à des incidents de fonctionnement sous l'effet de vibrations. Il ne eonvient donc pas à titre utilisé sur un véhicule automobile, en particulier pour protéger les résistances additionnelles qui servent à régler par paliers la vitesse des moteurs de ventilateurs. La demande de brevet allemand n 1 480 095 décrit un dispositif qui est destiné à protéger contre les surcharges une résistance additionnelle associée au moteur électrique d'un ventilateur et dont le principe de fonctionnement est le suivant : une sonde de température, constituée par un bilame ou par un thermostat, réagit à un échauffement critique de la résistance additionnelle et provoque le shuntage de celle-ci par l'intermédiaire d'un interrupteur à contact de travail de manière à provoquer avec certitude le déclenchement d'un coupe-circuit à surcharge lorsque l'intensité du courant est excessive.Bien que ce dispositif protecteur ait donné en fonctionnement des résultats satisfaisants avec les moteurs de ventilateurs installés sur des véhicules automobiles et ait ainsi été appliqué en grand nombre pendant de nombreuses années et bien qu'il soit peu encombrant, il présente pour le montage en grande série de gros inconvénients en raison du temps qu'il exige pour sa fabrication et son réglage.En effet les pertes admissibles se produisant en fonctionnement dans les résistances additionnelles qui sont utilisées avec les moteurs de ventilateurs en vue de régler par paliers leur vitesse et qui sont en général constituées par des enroulements de fil ou par des circuits imprimés, atteignent, selon les caractéristiques du ventilateur, Jusqu'à 25% de la puissance électrique absorbée par le moteur en fonctionnement sous tension nominale, c'est-à-dire sans que la résistance additionnelle soit branchée en série. Comme de telles résistances sont de préférence placées dans le courant d'air créé par le ventilateur, en étant ainsi soumises à une ventilation forcée, la chaleur des pertes par effet Joule est évacuée sans difficulté dans les circonstances normales.Les conditions de refroidissement variables et les pertes admissibles élevées nécessitent toutefois que soient ajustées avec une grande précision les Garactéristiques de réponse en ce qui concerne le shuntage de la résistance additionnelle à l'aide d'un contact de travail, pour une intensité de courant qui ne fait pas encore répondre le coupecircuit à surintensité mais qui conduit déjà à un échauffement excessif de cette résistance. De tels états de fonctionnement, qui se présentent par exemple lorsque le moteur du ventilateur est grippé ou court-circuité, suscitent des risques d'incendie ou tout au moins de destruction des dispositifs électriques voisins par la chaleur. Compte tenu de ces inconvénients des dispositifs protecteurs usuels, l'invention a pour but de créer un dispositif protecteur, du genre défini en préambule, qui puisse être fabriqué facilement et qui, une fois mis en place, ait un fonctionnement sar aussi bien au-dessous qu'au dessus des conditions de fonctionnement critiques. Avec un dispositif protecteur du genre en question, ce but est atteint grtce essentiellement au fait que le système de contact est constitué, d'une part, par la résistance métallique elle-même et d'autre part, par un élément conducteur disposé à proximité immédiate de cette résistance et formant pour celle-ci un contre-contact. Avec la solution conforme à l'invention, ce n'est pas un interrupteur installé à part qui entre en action lorsqu'un état de fonctionnement critique est atteint, mais c'est la résistance additionnelle elle-même et un élément conducteur placé à son voisinage qui constituent des contacts de travail en vue d'accrortre davantage l'intensité du courant et de faire intervenir ainsi avec sécurité le coupe circuit à surintensité, grâce au fait qu'une liaison électrique s'établit avec l'élément conducteur formant contre-contact, en raison de la dilatation thermique subie par la résistance métallique additionnelle. Selon un mode de réalisation préféré, la résistance métallique est constituée par une hélice cylindrique de fil s'étendant entre une borne d'entrée et une borne de sortie et l'élément conducteur, formant contre-contact, s'étend sous la forme d'un conducteur de court-circuit isolé par rapport à l'hélice de fil, le long du cylindre géométrique dans lequel s'inscrit cette hélice. Ce mode de réalisation se distingue en particulier par une grande robustesse mécanique et par une grande résistance vis-à-vis de la chaleur, avec un comportement sûr en ce qui concerne la réponse à une surcharge thermique. Selon un développement avantageux, l'hélice de fil est reliée électriquement, par sa sortie de courant, à l'extrémité de sortie voisine de l'élément conducteur de court-circuit. C'est ainsi la totalité de la résistance métallique additionnelle qui est shuntée en pratique par l'élément conducteur de contre-contact et qui est déchargée de tout courant en cas de surcharge ; elle peut donc se refroidir rapidement, ce qui évite avec sécurité tout risque d'incendie. il est particulièrement judicieux, au point de vue pratique, de disposer un commutateur devant la borne d'entrée de l'hélice de fil et devant l'extrémité d'entrée voisine de l'élément conducteur de court-circuit. Dans ce cas en effet, c'est l'élément conducteur de contre-contact lui-m8me qui peut servir à shunter la résistance additionnelle, lorsque le moteur du ventilateur tourne à vitesse non réduite, et ceci sans qu'on ait besoin de compléter l'installation par des organes contacteurs supplémentaires. L'élément conducteur de court-circuit peut être constitué par une surface cylindrique creuse, électriquement conductrice, à l'intérieur de laquelle repose tangentiellement l'hélice de fil, avec interposition d'une couche de matière isolante thermoplastique. il en résulte notamment l'avantage d'une construction robuste ainsi que d'un effet protecteur pour la résistance métallique, et celui d'une grande précision de la réponse en raison de la pression radiale qui s'exerce, lors de l'échauffement, contre la paroi intérieure du cylindre creux. Dans ce cas, il y a intérêt à constituer l'élément conducteur de court-circuit par un cylindre métallique creux, recouvert à sa surface intérieure par une couche de matière isolante mince, déformable à la chaleur, dans laquelle est adaptée l'hélice de fil.Ce cylindre métallique constitue un piège à chaleur qui sert à évacuer, d'une résistance additionnelle surchargée, de la chaleur certes accrue mais pas encore critique et qui évite ainsi à cette résistance d'être détruite prématurément. Selon une solution apparentée à la précédente, au moins deux cylindres creux, dans chacun desquels une hélice de fil est logée tangentiellement, sont juxtaposés de façon à se toucher par leurs surfaces extérieures respectives. L'évacuation de la chaleur est ainsi améliorée car les cylindres creux au contact l'un de l'autre offrent ensemble une plus grande masse comme piège à chaleur. Même au cas où la résistance additionnelle est enfermée dans un cylindre creux de façon telle qu'une contrepression radiale s'exerce lors de la dilatation radiale de l'hélice de fil sous 11 effet de la chaleur, il est possible et avantageux d'utiliser l'élément conducteur de contre-contact, qui est monté en parallèle par rapport à la résistance métallique additionnelle à la fois géométriquement et électriuuement en cas de réaction à la surcharge, en tant que pont de court-circuit entre la borne d'entrée et la borne de sortie de courant d'une telle résistance métallique additionnelle (ou d'un montage en série de telles resistances), lorsqu'on opère la commutation sur des résistances additionnelles de valeurs différentes en vue de régler la vitesse du moteur de ventilateur à des paliers de valeurs difi'érentes. A cet effet, au moins un comia'tteur est raccordé d'une part à un cylindre creux et d'autre pe.rt, par l'intermédiaire d'une ouverture ménagée dans la paroi de ce cylindre creux, à une prise que comporte l'hélice de fil à l'intérieur du cylindre creux. A l'aide de tels commutateurs de court-circuit, les éléments d'un montage en série de résistances peuvent être shuntés par l'intermédiaire de l'élément conducteur de court-circuit. Selon un perfectionnement, un commutateur étagé est relié par son entrée à une source de courant et par sa sortie, soit, en une première position, à la borne d'entrée d'un montage en série de résistances métalliques, soit, en une deuxième position, à la prise située entre deux telles résistances métalliques, soit encore, en une troisième position, à l'extrémité d'entrée du cylindre creux. Afin de régler par paliers la vitesse du ventilateur, ce commutateur étagé met en circuit une partie plus ou moins grande du montage en série des résistances ou ferme le circuit sur l'élément conducteur de court-circuit. D'autres caractdristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture du complément de description qui suit de modes de réalisation préférés de l'invention, lesquels sont représentés aux dessins annexés que l'on a limités à l'essentiel en vue de les simplifier. La figure 1 représente, par un schéma de principe, la construction du dispositif protecteur conforme à l'invetsson. La figure 2 représente, en coupe axiale, un mode de réalisation préféré du schéma de principe de la figure 1. La figure 3 montre à plus grande échelle le détail désigné par III à la figure 2, avant et après la réponse du dispositif protecteur. La figure 4 représente, par un schéma de principe, une variante du mode de réalisation de la figure 2, à gauche en coupe longitudinale et à droite en coupe transversale. La figure 5 représente une variante du schéma de principe de la figure 4. Comme il est habituel en particulier sur les véhicules automobiles, le moteur électrique 1 d'un ventilateur servant par exemple à la ventilation ou à la climatisation de l'habitacle d'un véhicule est alimenté par une source de courant 3 telle que la batterie du véhicule par l'intermédiaire de résistances métalliques 2 pouvant être mises en série pour régler par paliers la tension d'alimentation du moteur 1, ainsi qu'il est représenté de façon simplifiée à la figure 1. En certains états de fonctionnement, la forte capacité de la source de courant 3 et la puissance élevée pouvant être prélevée par le moteur électrique 1 ont paur effet que, lors de certains incidents te) que court-circuit ou que grippage du moteur 1, la résistance métallique 2 s'échauffe jusqu'au rouge sans que réagisse un coupe-circuit de surintensité 4 monté en série avec cette résistance 2 et sans par conséquent que soit interrompu le circuit ainsi ffiis en surcharge. Comme les résistances métalliques 2 servant à régler la vitesse du moteur 1 sont disposées près d'installations électriques du véhicule et fréquemment même tout près du revêtement du tableau de bord, un tel échauffement excessif des résistances métalliques 2 risque de provoquer des dégâts sur l'isolant électrique des installations voisines ou même un incendie au niveau du tableau de bord. Pour mettre fin à de tels états de fonctionnement intermédiaires critiques qui correspondent à une surcharge des résistances métalliques mais qui sont encore incapables de déclencher immédiatement le coupe-circuit 4, chaque résis- tance métallique 2 peut être shuntée à l'aide d'un conducteur de court-circuit 5. Ceci fait croître davantage l'intensité du courant, d'une façon rapide et importante, par l'intermédiaire du coupe-circuit 4 qui réagit alors aussitbt en interrompant le circuit, de façon telle que les résistances métalliques 2 puissent se refroidir jusqu'à des températures non critiques. Pour assurer ce shuntage, chaque résistance métallique 2 est équipée d'un dispositif de contact à commande thermique dont l'un des contacts est constitué par une zone de la surface extérieure de cette résistance 2 elle-mEme et dont le contrecontact est constitué par le conducteur de court-circuit 5. Ces contacts sont fermés lorsque, par suite d'un échauffement excessif critique, la résistance métallique 2 se dilate suffisamment pour toucher le conducteur de court-circuit 5 placé à son voisinage immédiat. A cet effet, on peut prévoir un contact sur toute la longueur de la résistance métallique 2 et donc aussi sur toute la longueur du conducteur de courtcircuit 5 pour dévier le courant hors de cette résistance 2. Des essais ont néanmoins montré que c'est à proximité immédiate de sa borne d'entrée 6 qu'il se produit, en cas de surcharge, l'échauffement le plus rapide et le plus important de la résistance métallique 2 et par conséquent sa dilatation la plus rapide et-la plus importante. Comme l'illustre la figure 1, il est donc avantageux de connecter la borne de sortie 7 de la résistance métallique 2 avec l'extrémité de sortie voisine 8 du conducteur de court-circuit 5 et de disposer ce conducteur 5 tout à côté de la résistance métallique 2, avec interposition d'un isolant 9.A l'extrémité opposée du conducteur de courtcircuit 5, c'est-à-dire à son extrémité d'entrée 10, il se produit donc, lorsque la résistance métallique 2 se dilate sous l'effet de la chaleur, une mise en contact avec le conducteur de court-circuit 5, schématisée à la figure 1 par une nèche en zig-zag 11, et par conséquent un shuntage de la résistance métallique 2 qui n'est donc plus soumise à l'effet Joule par passage du courant électrique et qui peut donc se refroidir jusqu'à une température non critique. L'isolant 9 pourrait être constitué par un étroit intervalle'd'air entre le conducteur de court-circuit 5 et la surface avoisinante de la résistance métallique 2. Paur éviter avec sécurité de faux contacts même au cas où le dispositif est soumis à des vibrations, par exemple sur un véhicule automobile en marche, sans qu'on soit obligé d'avoir recours à une construction compliquée pour tenir les éléments du dispositif, il est n8anmdns plus avantageux de constituer un tel isolant 9 par une mince couche de matière isolante 12, ainsi qu'il sera décrit plus en détail à l'aide de la figure 2. il est avantageux de monter un commutateur 13 devant la borne d'entrée 6 de la résistance métallique 2 et devant l'extrémité d'entrée 10 du conducteur de court-circuit 5 de façon à pouvoir faire contourner la résistance métallique 2 par le conducteur de court-circuit 5, même en l'absence de surcharge, c'est-à-dire pour faire fonctionner le moteur de ventilateur 1 sous tension maximale, donc à vitesse maximale. De préférence et comme montré à la figure 2, la résistance métallique 2 est constituée par une hélice de fil 14 inscrite géométriquement dans un cylindre. Cette hélice 14 est entourée de près, en n'en étant séparée que par la mince couche de matière isolante 12, par un conducteur de courtcircuit formé d' un cylindre creux 15 dont la surface intérieure 16 est électriquement conductrice. En cas de surcharge électrique, l'hélice de fil 14 développe, par suite de sa dilatation, une force dont la composante radiale est absorbée par le cylindre creux 15. Cette composante est maximale au voisinage de la borne d'entrée 6, c'est-à-dire au niveau de la première expire 14.1.La couche mince de matière isolante 12, à comportement thermoplastique, est fondue là où elle est touchée par la surface extérieure 17 de la spire 14.1 et pressée vers l'extérieur par cette surface (voir la figure 3 à gauche) jusqu'à ce que s'établisse la connexion schématisée par la flèche 11 à la figure 3 (à droite) entre la surface extérieure 17 de la première spire 14.1 et la surface int6- rieure conductrice 16 du cylindre creux 15 et que les autres spires de l'hélice de fil 14 soient ainsi shuntées. C'est en particulier lorsque, suivant un mode de réalisation préféré, le cylindre creux 15 est formé par un tube métallique qu'il constitue un piège à chaleur pour dissiper rapidement le fort échauffement produit dans la première spire 14.f Les éléments circonvoisins, tels que ceux en matière plastique portés par le tableau de bord d'un véhicule automobile, sont donc protégés contre tout risque d inflammation ou meme sealerr1ent d'altération par fusion. En outre, ce cylindre creux 15 offre une protection mécanique à l'hélice de fil 14 Si bien qu'on peut se dispenser d'adapter à celle-ci les gaine de protection ajourées usuelles. On agence de préférence le cylindre creux 15 et la mince couche de matière isolante 12, en particulier en ce qui concerne leur résistance à la chaleur, de façon telle qu'en cas d'incidents de fonctionnement mineurs (avaries aux paliers du moteur de ventilateur 1, figure 1, par exemple) provoquant une augmentation de l'intensité du courant et par conséquent une élévation de la température dans hélice de fil 14, ceuxci ne provoquent pas encore la mise hors service de ce circuit glace au fait qu'un éc1uffement insuffisant pour porter au rouge la résistance métallique 2 et pour enlever par fusion la mince couche de matière isolante 12, est éliminé par évacuation de la chaleur dans le cylindre creux 15 en raison du contact multiple établi entre l'hélice de fil 14 et ce cylindre creux 15. Ceci empoche l'hélice de fil 14 et la couche de matière isolante 12 d'être détruites et l'ensemble visible à la figure 2, constitué de l'hélice de fil 14 et du cylindre creux 15, reste en état de marche après remplacement ou réparation du moteur de ventilateur 1 défectueux. Ainsi qu'il est montré à la figure 2, il y a inte- rêt à installer cet ensemble sur une platine isolante 18; des tôles de connexion 19, entre lesquelles le cylindre creux 15 est maintenu par ses extrémités transversales, se rétrécissent de façon à constituer des broches de contact 20 qui traversent la platine 18 et sont ancrées dans celle-ci. Par l'intermé- diaire d'une liaison à sertissage 21, la borne de sortie 7 de l'hélice de fil 14 est reliée mécaniquement et électriauement à celle des broches 20 qui est associée à l'extrémité de sortie 8 du cylindre creux 15. La borne d'entrée 6 de l'hélice de fil 14 est connectée à une autre broche de contact 22 qui est ancrée elle aussi à la platine 18.Lorsque le commutateur 13 occupe la position symétrique de celle illustrée à la figure 2, l'alimentation du moteur de ventilateur 1 sous tension maximale, c'est-à-dire pour la vitesse maximale, peut se faire par l'intermédiaire des broches 20, 22 et par exemple d'une carte à circuits imprimés. Cette construction à broches permet de remplacer facilement cet ensemble, même en cas de prise de contact par suite d'une surcharge thermique de l'hélice de fil 14 ; jusque là, le circuit, une fois que la cause de l'incident et de la surcharge a été éliminée, continue à pouvoir fonctionner, sans qu'il soit possible toutefois de mettre en série une résistance additionnelle 2. Ainsi que le montre la figure 4, la paroi du cylindre creux 15 peut comporter une ouverture 23; une commutateur étagé 13', comportant un étage supplémentaire par rapport au commutateur 13 des figures 1 et 2, peut être branché par l'un de ses étages à une prise 25 placée entre deux hélices de fil 14 en série, par l'intermédiaire d'un conducteur passant par l'ouverture 23. Les autres étages du commutateur 13' sont reliés, l'un, à la borne d'entrée 6 de la série des hélices de fil 14, et, l'autre, à l'extrémité d'entrée 10 du conducteur de courtcircuit 5, lequel est constitué par le cylindre creux 15.-Par son entrée, le commutateur étagé 13' est raccordé à la source de courant (cf. figure 1) par le coupe-circuit à surintensité 4.Ce commutateur étagé 13' permet donc de mettre en circuit soit la série de deux hélices de fil 14 représentées, soit seulement l'une de ces deux hélices de fil 14 (celle de droite à la figure 4), soit encore aucune de ces deux hélices de fil 14, ce qui permet de régler à volonté par paliers la vitesse d'un ventilateur. On pourrait obtenir le meme effet en branchant des interrupteurs de court-circuit entre d'une part, le cylindre creux 15 et , d'autre part, soit laborne d'entrée 6, soit la prise 25, mais ceci entratnerait une grande complication électromécanique. La figure 5 montre qu'avec plusieurs hélices de fil 14 montées en série et munies de cylindres creux 15 individuels, (par exemple trois cylindres 15 comme montré à la partie droite de la figure 5), il est avantageux d'agencer ensemble de façon telle que, par suite de la mise en contact mutuel des cylindres creux 15 par leurs surfaces extérieures, on obtienoeun piège à chaleur plus volumineux et partant plus efficace pour évacuer la chaleur lors d'un échauffement qui n'est pas encore critique ou lors d'une surchauffe locale de la ou des hélices de fil 14. L'invention n'est donc pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle en englobe toutes les modifications et variantes qui sont à la portée des spécialistes en la matière. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à protéger contre les surcharges thermiques une résistance électrique métallique, en particulier une résistance additionnelle servant à régler par paliers la vitesse du moteur entraSnant un ventilateur sur les véhicules automobiles, ce dispositif comportant un système de contact capable de se fermer lorsque la résistance métallique se dilate sous l'effet de la chaleur, caractérisé en ce que le système de contact est constitué, d'une part, par la résistance métallique (2) elle-même et, d'autre part, par un élément conducteur (5) disposé à proximité immédiate de cette résistance (2) et formant pour celle-ci un contre-contact. 2. Dispositif protecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistance métallique (2) est constituée par une hélice cylindrique de fil (14) 'étendant entre une borne d'entrée (6) et une borne de sortie (7) et en ce que l'élément conducteur (5), formant contre-contact, s'étend sous la forme d'un conducteur de court-circuit isolé par rapport à l'hélice de fil (14), le long du cylindre géomiétrique dans lequel s'inscrit cette hélice (t4). 3. Dispositif protecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'hélice de fil (14) est reliée électriquement, par sa sortie de courant, à l'extrémité de sortie voisine (8) de l'élément conducteur de court-cirnuit (5). 4. Dispositif protecteur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'un commutateur (13) est disposé devant la borne d'entrée (6) de l'hélice de fil (14) et devant l'extrémité d'entrée voisine (10) de l'élément conducteur de court-circuit (5). 5. Dispositif protecteur selon l'une quelconoue des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'élément conducteur de court-circuit (5) est constitué par une surface cylindrique creuse, électriquement conductrice, à l'intérieur de laquelle repose tangentiellement l'hélice de fil (14), avec interposition d'une couche de matière isolante thermoplastique (12). 6. Dispositif protecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément conducteur de court-circuit est constitué par un cylindre métallique creux (15), recouvert à sa surface intérieure par une couche de matière isolante mince (12), déformable à la chaleur, dans laquelle est adaptée l'hélice de fil (14). 7. Dispositif protecteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'au moins deux cylindres creux (15), dans chacun desquels une hélice de fil (14) est logée tangentiellement, sont juxtaposés de façon à se toucher par leurs surfaces extérieures respectives. 8. Dispositif protecteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'au moins un commutateur est raccordé d'une part à un cylindre creux (15) et d'autre part, par 32intermédiaire d'une ouverture (23) ménagée dans la paroi de ce cylindre creux (15), à une prise (25) que comporte l'hélice de fil (14) à l'intérieur du cylindre creux (15). 9. Dispositif protecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un commutateur étagé (13') est relié par son entrée à une source de courent et par sa sortie, soit, en une première position, à la borne d'entrée (6) d'un montage en série de résistances métalliques (2), soit, en une deuxième position, à la prise (25) située entre deux telles résistances métalliques (2), soit encore, en une troisième position, à l'extrémité d'entrée (10) du cylindre creux (15).