Brevet FR2464006A1 — publié le 19810227

La présente invention a trait à des organes de chauffage à autorégulation comportant une bande allon- gée d'un polymère conducteur à coefficient de température positif (CTP), deux (ou plusieurs) électrodes parallèles en contact électrique (et facultativement également physi- que) avec la-bande, et une gaine électriquement isolante. De tels organes de chauffage sont connus et sont décrits par exemple dans les brevets américains NO 3.793.716; 3.823.217; 3861.029; 4.177.376 et 4. 188.276 et dans le Thermal Design Guide publié par la Chemelex Division de Raychem Corporation (H 50190 505 B5 1/78). Pour définir de tels organes de chauffage, on fait souvent référence à leur "puissance de sortie passi- ve" et à leur "puiesance de sortie active". La "puissan- ce de sortie passive" d'un organe de chauffage est la valeur du terme V /R, o R est la résistance d'une longueur unitaire (habituellement 1 mètre) de l'organe de chauffage à 210C et V est la tension de la source d'énergie électrique connectée à l'organe de chauffage, habituellement 120 ou 240 volts alternatifs. La "puis- sance de sortie active" d'un organe de chauffage est la puissance de sortie mesurée d'une longueur unitaire de l'organe de chauffage (habituellement 1 mètre) lorsqu'il est relié à la source d'énergie électrique, avec une surface principale de l'organe de chauffage en contact avec un substrat métallique qui est maintenu à une cer- taine température liée à l'utilisation prévue de l'or- gane de chauffage, par exemple 7 à 650C, tel que 100C pour des organes de chauffage conçus pour empêcher la congélation de tuyaux. Des organes de chauffage en bande classiques comportent deux ou plusieurs électrodes sous la forme de fils noyés dans un élément polymère conducteur à coefficient de température positif (cTP) et possèdent une puissance de sortie passive sensible- ment inférieure à 165 watts par mètre à leur tension de fonctionnement nominale; l'utilisation de tels organes de chauffage ayant des puissances de sortie passives plus élevées a 6té évitée car ils donnent peu ou pas d'accroissement utile de la puissance de sortie active et présentent des inconvénients majeurs, en particulier une longévité plus courte. Il a été constaté que si un organe de chauf- fage en polymère conducteur à coefficient de tempéra- ture positif est entouré par une enveloppe de métal ou d'autre matériau à conductibilité thermique satisfai- sante, il est possible de faire usage de l'organe de chauffage à dés tensions auxquelles sa puissance de sor- tie passive est supérieure à 165 watts par mètre sans présenter les inconvénients précédemment associés à une telle utilisation, et qu'une augmentation très sensible de puissance de sortie active peut ainsi être obtenue. Par exemple, l'adjonction d'une telle enveloppe rend, de façon surprenante, possible d'utiliser, à une tension de 240 volts, un organe de chauffage à coefficient de température positif qui possède une puissance de sortie passive à 120 volts inférieure à 165 watts/mètre et à 240 volts supérieure à 165 watts/mètre, bien qu'un tel organe de chauffage, en l'absence de l'enveloppe, possè- de une longévité courte inacceptable à 240 volts. Selon un de ses aspects, l'invention propose un procédé de chauffage qui comporte la circulation d'un courant à travers un organe de chauffage à autorégu- lation comportant (a) un organe de chauffage à coefficient de température positif CTP qui comprend (i) une bande allongée d'une composition polymère conductrice présentant un com- portement CTP, (ii) deux électrodes parallèles allongées en contact électrique avec ladite bande, et (iii) une gaine électriquement isolante qui entoure ladite bande et lesdites élec- trodes; et (b) une enveloppe qui entoure ledit organe de chauffage CTP et qui est constituée d'un matériau présentant une conductibilité thermique d'au moins 0,1 Cal/cm OC sec., de préférence au moins 0,3 Cal/cm C sec., le courant étant fourni par une source d'énergie élec- trique ayant une tension V et l'organe de chauffage a- yant une puissance de sortie active à ladite tension V d'au moins 165 watts/mètre, de préférence au moins 230 watts/mètre. L'organe de chauffage peut être utilisé pour chauffer un substrat solide, auquel cas l'enveloppe est de préférence façonnée pour épouser le substrat; ou il peut être utilisé comme organe de chauffage d'ambiance, auquel cas l'ensemble est de préférence sous la forme d'une bobine, avec un espace entre les spires en vue d'une circulation d'air ou autre liquide. Selon un autre aspect, l'invention réalise un organe de chauffage à autorégulation comportant un organe de chauffage à coefficient de température po- sitif CTP et une enveloppe telle que définie ci-des- sus, l'organe de chauffage ayant une puissance de sor- tie passive à 120 volts d'au moins 165 watts/mètre. L'organe de chauffage CTP comporte de pré- férence deux (ou plusieurs) électrodes sous la forme de fils qui sont noyés dans et en contact physique avec la bande CTP. Cependant, l'invention englobe d'autres types d'organes de chauffage CTP, par exem- ple ceux dans lesquels une ou plusieurs des électrodes est séparée de la bande CTP par une bande d'un autre matériau conducteur, par exemple une composition po- lymère conductrice présentant un comportement à coef- ficient de température nul, et ceux qui comportent un élément CTP laminaire et deux ou plusieurs électrodes laminaires. La puissance de sortie passive de l'organe de chauffage dépend de la résistivité de la composition CTP et de la dimension et de la forme des électrodes et de l'élément CTP. Pour une bande de chauffage ordi- naire, par exemple tele que décrite dans l'exemple ci- dessous, la puissance de sortie passive est de préfé- rence de 165 à 655 watts/mètre, de préférence 230 à 655 watts/mètre. Pour l'ensemble des organes de chauf- fage entrant dans le cadre de l'invention, la gamme r préférée de puissance de sortie passive est mieux ex- primée par une expression qui inclut la largeur de l'élément CTP sur lequel est produitela chaleur. Ainsi la puissance de sortie passive des éléments de chauffage selon l'invention est de préférence de 2170 D à 862 D, particulièrement 302 D à 862 D watts/mètre, dans la- quelle D est la dimension transversale maximum (en cen- timètre) de la bande CTP qui se trouve entre les élec- trodes. La puissance de sortie active d'un organe de-chauffage CTP est sensiblement accrue par la présen- ce de l'enveloppe, et des organes de chauffage préférés ont une puissance de sortie active à 100C qui est au moins 1,5 fois la puissance de sortie active à 101C de l'organe de chauffage CTP sans l'enveloppe. L'enveloppe est de préférence constituée par une paire de feuilles allongées, l'organe de chauffage étant intercalé entre elles, les feuilles venant au con- tact l'une de l'autre de part et d'autre de l'organe de chauffage. Les feuilles ont de préférence 0,025 à 1,3 mm, par exemple 0,075 à 0,2 mm d'épaisseur et com- posées d'un matériau ayant une conductibilité thermi- que d'au moins 0,3, par exemple de l'aluminium. Elles peuvent être fixées l'une à l'autre et/ou à l'organe de chauffage au moyen d'une colle, par exemple une colle epoxy. Il est important que l'enveloppe et l'organe de chauffage CTP soient en contact thermique intime, et l'enveloppe se trouve de préférence au contact (soit directement, soit par l'intermédiaire d'une colle) au moins des zones de la gaine isolante adjacente à ces parties de l'organe de chauffage dans lesquelles la chaleur est engendrée. De préférence, il n'y a pas de vides entre l'enveloppe et l'organe de chauffage. Il est préférable que l'enveloppe s'étende vers l'ex- térieur de l'organe de chauffage CTP sous la forme d'ailettes, de sorte que la zone superficielle exposée de l'enveloppe soit au moins 1,5 fois, par exemple au moins 2 fois, la zone superficielle de la gaine i- solante de l'organe de chauffage CTP, en particulier au moins 2 fois. L'enveloppe peut également servir pour limiter un accès de l'oxygène à la composition CTP comme enseigné par la demande de brevet français No 79/29556. Les organes de chauffage peuvent comporter deux ou plusieurs éléments chauffants CTP. Les organes de chauffage peuvent être espacés l'un de l'autre et réunis par une enveloppe qui entoure chacun d'eux, par exemple un ensemble d'organes de chauffage sous forme de bandes parallèles intercalées entre une paire de feuilles métalliques. L'invention est illustrée sur les dessins annexés. La figure lest un vue isométrique, en coupe partielle, d'un organe de chauffage selon l'invention. La figure 2 est un graphique montrant la re- lation entre le courant électrique et la température du substrat dans les essais décrits dans l'exemple; On se réfère à présent à la figure 1 qui re- présente un organe de chauffage CTP comportant des élec- trodes 1 et 2 noyées dans une bande 3 d'une composition polymère conductrice CTP qui est entourée par une gai- ne isolante 4. L'organe de chauffage est intercalé en- tre une paire de feuilles d'aluminium 5 et 6 qui sont fixées l'une à l'autre et à l'organe de chauffage au mo- yen d'une colle (non représentée). L'invention est en outre illustrée par l'e- xemple suivant. EXEMPLE L'organe de chauffage CTP utilisé était une longueur de 61 cm d'un organe de chauffage en forme de bande CTP comme représenté sur la figure 1. Les élec- trodes étaient des fils de cuivre de 1,3 mm de diamè- tre, avec un espacement entre les axes de 7,6 mm. L'é- lément CTP avait 10 mm de large et 1,8 mm d'épaisseur et était constitué d'une composition comportant une dis- persion de noir de carbone dans un mélange de polyéthy- lène et d'un copolymère d'éthylène/acrylate d'éthyle. La gaine isolante était constituée d'un polyuréthane et avait environ 0,25 mm d'épaisseur. L'organe de chauffage avait une puissance de sortie passive d'environ 250275 watts/mètre. La puissance de sortie active de cet organe de chauffage, seul ou en tant que partie d'un ensemble de chauffage, a été mesurée en fixant l'organe de chauffa- ge ou l'ensemble à une plaque d'aluminium de 1,25 x ,25 x 61 cm, en reliant l'organe de chauffage à une ali- mentation de 120 volts alternatifs et laissant le systè- me atteindre son équilibre tout en maintenant la plaque à une température désirée. Au cours des essaisq l'organe de chauffage seul (Echantillon A) ou l'organe de chauffage intercalé entre deux feuilles d'aluminium identiques de 61 cm de long et de 0,03 cm d'épaisseur, et ayant des largeurs de 11,4; 6,3; 3,8 et 1,9 cm (Echantillons BsC, 24640b06 D et E) fut utilisé. La figure 2 montre la relation en- tre la température de la plaque et le courant traversant l'organe de chauffage. Le Tableau ci-après montre la puissance de sortie active calculée (courant x tension appliquée) de l'organe de chauffage lorsque la plaque se trouve à 10OC. TABLEAU Echantillon A B C D E Largeur de l'enveloppe de métal (cm) néant 11,4 6,3 3,8 1,9 Puissance active à 10 C (watts/mètre). REVENDICATIONS 1) Procédé de chauffage, qui comporte la circula- tion d'un courant à travers un organe à autorégulation comportant un élément de chauffage à coefficient de température positif CTP qui comprend (i) une bande allongée (3) d'une composition polymère conductrice présentant un.compor- tement CTP, (ii) deux électrodes (1 et 2) parallèles allongées en contact électrique avec ladite bande, et (iii) une gaine électriquement isolante (4) qui entoure ladite bande et lesdites électrodes; caractérisé en ce que l'organe de chauffage (a) est entouré par une enveloppe qui est constituée d'un matériau ayant une conductibilité thermique d'au moins 0, 1 Cal/cm.0C sec, et (b) possède une puissance de sortie passive à la tension d'alimentation d'au moins watts/mètre. 2) Procédé selon la revendication i, caractérisé en ce que ledit organe de chauffage CTP possède une puissance de sortie passive de 217 D à 862 D dans laquelle D est la dimension transversale maximum (en centimètre) de la bande CTP entre les électrodes. - 3)- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit organe CTP est intercalé entre une paire de feuilles allongées (5 et 6) qui sont au contact l'une de l'autre de part et d'autre de l'organe de chauffage et qui sont constituées d'un matériau ayant une conductibilité thermique d'au moins 0,3 Cal/cm. C sec. 4) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la zone superficielle découverte desdites feuilles est au moins 1,5 fois la zone superficielle de la gaine isolante de l'organe de chauffage CTP. 5) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe de chauffage possède une puissance de sortie active à 100C qui est au moins 1,5 fois la puissance de sortie active à 100C de l'organe de chauffage CTP sans l'enveloppe. 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension d'alimen- tation est de 120 ou 240 volts alternatifs. 7) Ensemble de chauffage à autorégulation compor- tant un élément de chauffage CTP qui comprend (i) une bande allongée (3) d'une composition polymère conductrice présentant un compor- tement CTP, (ii) deux électrodes (1 et 2) parallèles allongées en contact électrique avec ladite bande, et (iii) une gaine électriquement isolante(4) qui entoure ladite bande et lesdites électrodes; caractérisé en ce que ledit organe de chauffage CTP (a) possède une puissance de sortie passive à 120 volts de 165 à 655 watts/mètre, et (b) est entouré par une enveloppe qui est constituée d'un matériau ayant une conductibilité thermique d'au moins 0,1 Cal/cm.C sec. 8) Ensemble de chauffage selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit organe CTP est intercalé entre une paire de feuilles allongées (5 et 6) qui viennent au contact l'une de l'autre de part et d'autre de l'organe de chauffage et qui sont constituées d'un matériau ayant une conductibilité thermique d'au moins 0,3 Cal/cm 0C sec. 2464oo6 9) Ensemble de chauffage selon la revendication 8, caractérisé en ce que la zone superficielle découverte desdites feuilles est au moins 1, 5 fois la zone superficielle de la gaine isolante de l'organe de chauffage CTP. ) Ensemble de chauffage selon l'une des reven- dications 7 à 9, caractérisé en ce que l'organe de chauffage possède une puissance de sortie active à 10eC qui est au moins 1,5 fois la puissance de sortie active à 10 C de l'organe de chauffage CTP sans l'enveloppe.