Brevet FR2481867A1 — publié le 19811106

la présente invention concerne, d'une manière générale, des perfectionnements apportés aux dispositifs de chauffage par rayonnement infrarouge, dans le but d'assurer le chauffage de cabines ou d'engins à partir d'une source de courant continu basse tension. Il convient, avant d'aborder les dispositions principales de l'invention, de rappeler les difficultés rencontrées à l'occasion de l'installation de dispositifs de chauffage dans des véhicules, engins, cabines , et d'une manière générale, lorsque l'on n'a pas à disposition une source de courant électroique alternatif 110 ou 220 volts. On a donc recherché différents modes de chauffage et il existe différents dispositifs connus, mais tous présentent des inconvénients rendant leur emploi limité en raison d'une sécurité médiocre, d'un coût de fabrication et fonctionnement élevés, souvent tributaires du fonctionnement du moteur d'un véhicule. On citera tout d'abord le chauffage à eau chaude (ou à huile), par échangeur de chaleur en utilisant l'eau (ou l'huile), de refroidissement du moteur du véhicule (lorsque le moteur est refroidit par eau) et ventilation électrique (air pulsé) pour améliorer les échanges. Ce genre de chauffage est sain; il consomme peu d'énergie. Seuls les ventilateurs consomment de la puissance électrique empruntée aux batteries doe véhicules, de l'ordre de 6 à 10 ampères sous 12 volts. Ce chauffage, du genre à échangeur huile ou eau, présente toutefois deux inconvénients qui limitent son emploi - il n'ést pas utilisable sur les moteurs à refroidissement à air, - il ne fonctionne pas à l'arr8t du moteur du véhicule. On connaft également le chauffage à brûleur, à gaz ou à fuel On rangera les cllauffages à catalyse dans cette classe de chauffage, bien que la conception de ceux-ci soit différente des chauffages directs à brtleurs. Ces chauffages sont généralement puissants, ils sont bien entendu autonomes et par suite, fonctionnent à l'arrét du véhicule. Toutefois, à l'usage, ils se révèlent grands consommateurs d'énergie : électricité et fuel ou gaz pour le breur. ns ne sont pas très sains raison des émanations9 Ils sont coûteux et très fréquemment dangereux. On connaft encore les chauffages électriques, mais ils ne sont pas utilisés sur les véhicules sauf cas particuliers nécessitant l'installation de groupes électrogènes ou de batteries supplémentaires, et le remplacement de l'alternateur. Ces chauffages sont de type classique. Une ou plusieurs résistances bobinées sont parcourues par le courant électrique et portées "au rouge". Une ventilation électrique propulse l'air ambiant de la cabine sur ces résistances. Au contact, l'air s'échauffe. Une cabine vitrée de 3 m3 nécessite environ une puissance calorifique de 1 000 à 1 500 watts, compte tenu des déperditions thermiques très importantes et inhérentes au mode de construction de ces véhicules. Cette puissance importante n'élève l'air que de 12 à 20 dans la cabine, compte tenu du fait que l'air doit être obligatoirement renouvelé 5 à 6 fois par heure. Une telle puissance entraîne une importante consommation électrique sous une tension de 12 volts continu de: P = 1000 83.3 I =U = 83.3 ampères U 12 Cette capacité dépasse largement les capacités normales des batteries actuelles qui sont de l'ordre de 70 à 80 amp/heure pour les véhicules légers et de 150 à 160 ampXheure pour les engins. Sachant que les batteries ne sont utilisables qu'à 70 % de leur charge environ, on peut assurer que le chauffage électrique du type en question ne fonctionnerait pas plus de 80 x 0.7 = 0.67 heure soit 40 mn maximum 83.3 si la batterie est convenablement chargée. Un chauffage électrique de ce type est sain, sans émanation, n est souple d'emploi ; sa régulation est aisée. Par contre, il est inutilisable sur batteries 12 ou 24 volts sans installation spéciale du genre groupe électrogène, étant donné que les alternateurs de véhicules actuels ont une capacité de l'ordre de 45 à 50 ampXheure, ce qui exclut la recharge de la batterie dans ces conditions. Ce genre de chauffage coûte très cher ; il consomme beaucoup d'énergie en pure perte. En raison des inconvénients cités ci-dessus, le chauffage électrique n'a pu se développer dans les cabines d'engins ou de véhicules. La présente invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients en faisant appel à un mode de chauffage en soi connu, à savoir le rayonnement infrarouge de manière à supprimer l'échauffement de l'air. Si les chauffages à infrarouge existent depuis longtemps et sont utilisés, soit dans la chimie pour la conservation, soit dans l'industrie pour le séchage des peintures, soit dans le bâtiment pour le séchage des pitres ou le chauffage des locaux, tous ces appareils utilisent une alimentation électrique en 110 ou 220 volts. Réaliser des lampes infrarouges à quartz à alimentation en 12 ou 24 volts est pratiquement impossible et illusoire L'invention a en conséquence pour but principal d'apporter un dispositif de chauffage perfeotionné, à rayonnement infrarouge, essentiellement pour chauffer le corps humain, dans des cabines de véhicules ou d'engins, en utilisant une source de courant électrique basse tension. Un autre but de l'invention est la réalisation d'un dispositif de chauffage pouvant fonctionner sur batterie, à l'arrêt du moteur, avec une consommation faible de manière à obtenir une autonomie de fonctionnement suffisante sans épuiser la charge des batteries. L'invention concerne à cet effet un dispositif de chauffage du corps humain, par rayonnement infrarouge, destiné aux cabines d'engins ou de véhicules possédant une source de courant électrique basse tension, dispositif caractérisé en ce que, d'une part l'émetteur de rayons infrarouges se présente sous forme d'une plaque en matériau réfractaire ou semiréfractaire, de forme parabolique, au moins une résistance métallique de forte section étant intégrée dans l'épaisseur de cette plaque, d'autre part, en ce que cette résistance est revêtue d'une gaine de compensation assurant un contact permanent entre la rdsistance et le matériau constitutif de la plaque, d'autre part encore, en ce que ledit émetteur reçoit sur sa paroi arrière convexe un récupérateur d'énergie calorifique se présentant soue forme d'un réflecteur, de manière à former entre ce réflecteur et ladite paroi arrière de l'émetteur, un passage en forme générale de venturi permettant la production d'air chaud par convection. Gråce à cette disposition, on obtient suivant la puissance des batteries, une autonomie de chauffage sans recharge, comprise entre deux et six heures, une consommation de l'ordre de 20 ampères et une température d'environ 200C à 40 cm pour une température ambiante de 3 5. Suivant une disposition de l'invention, dans le cas d'un émetteur en matériau réfractaire, la plaque parabolique est de préférence en céramiclue, la ou les résistances métalliques sont en tungstène, tandis que la gaine de compensation de dilatation entre matériau réfractaire et résistance est de préférenceux3 mousse silicone, phénolique ou d'amiante. On peut prévoir d'autres matières de compensation comme par exemple les huiles silicones haute température ainsi que les gaines métalliques comme par exemple la paille de fer. Suivant une autre disposition, l'émetteur à rayonnement infrarouge comporte sur le trajet du faisceau d'émission primaire un réflecteur partageant le faisceau primaire en plusieurs faisceaux secondaires à zones dé diffusion différenciées. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui suit, de différents modes d'exécution de l'invention, donnés ici surtout à titre d'exemples et Illustrés dans les dessins joints, dans lesquels La figure 1 est une vue en perspective montrant un premier mode d'exécution d'un dispositif de chauffage selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe transversale du dispositif de la figure I montrant à plus grande échelle la structure et les composants. La figure 3 est une vue en coupe transversale montrant une autre version du dispositif. La figure 4 est une vue montrant un des modes d'installation du dispositif de chauffage selon la figure 3, dans une cabine d'engin. Dans le premier mode d'exécution représenté aux figures 1 et 2, on a désigné le dispositif de chauffage par rayonnement infrarouge, par la référence générale 10. Extérieurement, l'appareil se compose d'un boitier métallique étanche I1, à l'intérieur duquel est prévu un logement frontal 12, à l'intérieur duquel est placé l'émetteur de rayons infrarouges 13, protégé des contacts par une grille 14. L'appareil comporte, sur le bandeau de façade, un témoin lumineux de fonètionnement 15, ainsi qu'un bouton de commande "marche-arrêt" et de régulation 16. Dans ce mode d'exécution, le boitier est conçu pour être mis en place sur une horizontale, par l'intermédiaire d'un support 17, entre les branches duquel l'ensemble du boitier 11 peut pivoter par l'intermédiaire d'un axe d'orientation 18. Le boitier de l'appareil est complété, à sa partie inférieure, par un plan de grille 19, permettant d'introduire dans un circuit de l'appareil, de l'air à température ambiante, air qui sera restitué réchauffé dans l'atmosphère au travers d'une grille d'évacuation 20, disposée au voisinage de la façade supérieure du boitier 11. On se reportera maintenant à la figure 2 pour décrire plus en détail les différents composants du dispositif. L'émetteur de rayons infrarouges 13, se présente sous-la forme d'une plaque de forme parabolique, réalisée en matériau réfractaire ou semiréfractaire. Dans le cas de matériau réfractaire, on préférera la céramique qui présente de bonnes caractéristiques mécaniques et thermiques. La plaque parabolique présente une face de rayonnement primaire 13a, tourne vers l'ouverture de la grille de protection 14, et une face de rayonnement secondaire 13b, dirigée vers la partie de fond d'un récupérateur d'énergie calorifique 21, dont le roule sera décrit plus loin. Suivant un mode d'exécution préféré, le rayonnement infrarouge est obtenu par une ou plusieurs résistances électriques 22, noyées dans l'épaisseur du matériau réfractaire de l'émetteur. Avantageusement, cette résistance est constituée d'un fil de tungstène, de résistance faible, et donc de fil relativement gros en section, oeoi en application des lois d'ohm à savoir si P = 250 watts (puissance consommée) puisque P = U x I = P = 250 = 20 83 ampères U = U = 12 La loi d'ohm nous donne U=RxI Soit R = U = 0.58 ohm L or R = P x L/S x S d'où S = x L x 1/R s R avec p = résistivité = 2.108 L = longueur = 0.100 mètre R = résistance = 0.58 d'où S=2.108 x 0.1 x-1 = 34.48106 m2 0.58 soit S = 34.48 mm2 Le diamètre du fil utilisé dans ce cas sera de Diamètre : 6.63 mm Le diamètre de 6.63 mm pour la résistance, a donné d'excellents résultats dans une application à un dispositif du genre décrit.Toutefois, on comprend qu'en raison de la section importante de la ou des résistances, il existe des différences de coefficient de dilatation notoires entre le matériau réfractaire et la résistance métallique. Les essais ont montré que si l'on intègre la résistance dans le matériau réfractaire par enrobage direct, il peut se produire, lors de la dilatation des résistances, des fissures du matériau réfractaire, provoquant la rupture de ce matériau. Il est à noter, que dans les appareils antérieurement connus,par exemple du genre à barreaux de quartz, travaillant à l'air libre, on n'a pas eu à se préoccuper des problèmes de dilatation radiale des barreaux. Pour permettre l'intégration des résistances métabliques dans le matériau réfractaire, on a, suivant une disposition de l'invention, enrobé la ou les résistances métalliques 22 d'une gaine de compensation 23, assurant un contact permanent entre la résistance et le matériau constitutif de la plaque émettrice. Suivant un mode d'exécution préféré, les gaines de compensation sont obtenues par un procédé "au trempé" des résistances 22, dans un réactif liquide, qui lors de la polymérisation, donne naissance à des mousses a cellule s fermées. Pour une température de 3000 qui correspond à un émetteur de + 150 watts, on formera la gaine de compensation d'unetmouss2 silicone. Pour la température pouvant atteindre 600 , ce qui correspond ê un émetteur de + 300 watts, on constitue la gaine de compensation à l'aide d'une mousse phénolique. Pour une température pouvant aller jusqu'à 1500 , on préférera une mousse d'amiante. On peut également constituer la gaine de compensation pour toute température, à l'aide de paille de fer. gracie aux spécifications techniques qui viennent d'être décrites, b matériau réfractaire de émetteur est porté à des températures comprises entre 350 et 400 C. La solution constructive adoptée permet de faire parcourir les résistances, par exexemple par un courant de 12 volts sous 21 ampères, et d'admettre donc une forte intensité. A titre de comparaison, les émetteurs les plus puissants actuellement connus fournissent 1500 watts sous 220 volts, ne laissant passer que 7 ampères. Vis-à-vis de ces performances connues, deux types d'émetteurs selon l'invention ont été testés, à savoir Emetteur court: Longueur 125 mm Hauteur 69 mm Emetteur long: Longueur 246 mm Hauteur 60 mm La forme de parabole de l'émetteur a été choisie en fonction de son caractère plus directif, assurant la focalisation du chauffage sur le passager du véhicule, ou de l'engin. Sur les appareils d'essais (figure 2), conformément à une disposition de l'invention, l'émetteur 13 a été monté dans un récupérateur d'énergie 21, qui se présente sous la forme d'un réflecteur qui, placé derrière la face convexe de l'émetteur, renvoie vers l'avant du dispositif les rayonnements émis par la face de rayonnement secondaire 13b dudit émetteur. Le réflecteur 21 a aussi pour rôle d'isoler la parabole émettrice du boitier 11, de l'appareil. Les températures relevées lors des esaais ont montré l'utilité du réflecteur 21, ainsi qu'il résulte des mesures suivantes Température de la parabole émettrice 390" Température du réflecteur au milieu 60 sur les bords 40 (résultats obtenus à une température extérieure de 7"C et une température intérieure de 1900 à 0. 7 mètre) . On améliore encore le rendement énergétique de l'appareil en prévoyant, entre la face de rayonnement secondaire 13b de la parabole et le fond du réflecteur, un passage 24 en forme de venturi, dans lequel circule un courant d'air admis dans le passage par l'intermédiaire d'un collecteur d'admission 25, dont le débit est contrôle par un registre 26 disposé dans le plan-de grille 19 du boitier II. L'air de circulation est chauffé au contact de la face de rayonnement secondaire de l'émetteur et de la façade de fond, il circule en thermo-siphon en direction d'un collecteur d'échappement 27 qu'il traverse, pour s'échapper dans l'atmosphère au travers de la grille20. L'émetteur 13 est fixé élastiquement à la partie de fond du réflecteur 21 et à cet effet, la face postérieure de l'émetteur est pourvue de deux pieds de montage 28, ayant une portée suffisamment longue pour recevoir entre la face 21a de la paroi de fond du réflecteur 21 et un épaulement d'appui 29, un empilement de rondelles élastiques 30, ayant un rôle d'amortisseur de vibrations. Le pied 28 de l'émetteur est maintenu bloqué sur la paroi de fond du réflecteur 21, par l'intermédiaire d'une gorge 31 à l'intérieur de laquelle prend place un arêtoir 32, du genre goupille élastique ou cerclips L'ensemble du réflecteur et de l'émetteur 13 est monté dans le boitier Il sur une platine de cloisonnement 33, cette platine constituant une des parois des collecteurs d'admission et d'échappement 2S, 27, Dans la variante d'exécution représentée figure 3, les mêmes chiffres de références désignent les mêmes composants.Dans ce mode d'exécution, le faisceau primaire P de l'émetteur, est partagé en faisceaux secondaires Si, 82, S3, grâce à la présence, sur le trajet du faisceau primaire, d'un réflecteur secondaire 34, formé de plusieurs panneaux plans dont les orientations différentes ont pour but de couvrir l'ensemble des parties du corps de l'occupant d'une cabine, ainsi qu'il est montré figure 4. il est prévu en outre d'équiper le dispositif de chauffage de différents autres composants de fonction ou de réglage, et notamment un régulateur d'allure de chauffe. Une protection électrique est également prévue, notamment un disjoncteur thermique à bilames, ainsi qu'un fusible. Suivant une caractéristique, l'metteur 13 rayonne dans la bande moyenne de deux à sixe , Dans ce spectre, l'émetteur reste sombre zen ce qui est un avantage la nuit, et son rayonnement a la propriété de traverser correctement les couches d'air pour atteindre sa cible, notamment le corps à chauffer, tout en assurant une excellente efficacité et un bon rendement. On notera encore que le dispositif décrit est un économiseur d'énergie étant donné qu'il assure avec 250 watts, le même office (chauffage du corps humain), qu'un chauffage conventionnel de 1000 watts. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples d'exécution ci-dessus décrits et représentés, dans lesquels on pourra prévoir d'autres variantes et combinaisons, sans pour cela sortir du cadre des revendications annexées. REVENDICATIONS 1) Dispositif de chauffage du corps humain, par rayonnement infrarouge, destiné aux cabines d'engins ou de véhicules possédant une source de courant électrique basse tension, dispositif caractérisé en ce que, d'une part l'émetteur de rayons infrarouges se présente sous forme d'une plaque en matériau réfractaire ou semiréfractaire, de forme parabolique, au moins une résistance métallique de forte section étant intégrée dans ltépaisseur de cette plaque, d'autre part, en ce que cette résistance est revêtue d'une gaine de compensation assurant un contact permanent entre la résistance et le matériau constitutif de la plaque, d'autre part encore, en ce que ledit émetteur reçoit sur sa paroi arrière convexe un récupérateur d'énergie calorifique se présentant sous forme d'un réflecteur de manière à former, entre ce réflecteur et ladite paroi arrière de l'émetteur, un passage en forme générale de venturi permettant la production d'air chaud par convection. 2) Dispositif de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas d'un émetteur en matériau réfractaire, la plaque parabolique est de préférence en céramique, la ou les résistances métalliques sont en tungstène, tandis que la gaine de compensation de dilatation entre matériau réfractaire et résistance est de préférence une mousse de silicone, phénolique ou d'amiante 3) Dispositif de chauffage selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les faces de l'émetteur à rayonnement infrarouge sont vitrifiées. 4) Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'émetteur à rayonnement infrarouge est fixé élastiquement à la paroi du réflecteur récupérateur, de manière à pouvoir fonctionner sans subir directement les trains de vibrations générés par les véhicules ou engins utilisateurs. 5) Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que l'émetteur à rayonnement infrarouge comporte sur le trajet du faisceau d'émission primaire, un réflecteur partageant le faisceau primaire en plusieurs faisceaux secondaires à zones de diffusion différenciées. 6) Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la longueur d'onde de l'émetteur à rayonnement infrarouge est comprise entre 2 et 6A de manière à rester sombre la nuit, et de traverser correctement les couches d'air pour atteindre le corps à chauffer.