Brevet FR2498348A1 — publié le 19820723

Elément électrothermique de commande. Dans l'industrie de la construction d'appareils et de dis- positifs, lorsqu'il s'agit de commander électriquement des éléments constitutifs individuels, on se sert alors, pour les appareils habituels, par exemple d'un servomoteur, d'un disjoncteur magnétique, d'un solénoïde ou d'autres disposi- tifs qui réagissent au passage d'un courant en produisant un mouvement mécanique, comme par exemple les bimétals chauffés électriquement. Ces éléments constitutifs ont en commun qu'ils sont encom- brants,s u j e t s aux pannes et surtout coteux. Dans l'in- dustrie de la mécanique de précision, mais aussi dans la construction d'appareils, il existe cependant un grand nombre d'applications pour lesquelles il ne s'agit ni de vitesse ni de précision mais o la sécurité de fonctionnement et le prix sont au premier plan. Aussi a-t-il déjà été proposé comme solution de chauffer électriquement des systèmes à dilatation, par exemple avec des charges spéciales de cire, pour provoquer des processus mécaniques. Ces systèmes ou dispositifs produisent des forces très grandes lors de la dilatation de la cire, qui condui- sent à l'endommagement du système, en particulier lorsqu'il est bloqué de l'extérieur, si des mesures de sécurité ne sont pas prises. Du fait des grandes forces de dilatation, ces éléments sont constitués la plupart du temps par des capsules métalliques rigides qui ne sont pas complètement fermées et qui sont mal adaptées au chauffage par l'électri- cité pour des raisons d'isolation. Pour fournir un élément électrothermique de commande simple et de fonctionnement suer, il s'agit d'assurer la fonction électrothermique de telle manière qu'un éclatement soit im- possible, même lors d'un blocage de l'extérieur, quand on utilise un récipient en matière plastique. Ce but est atteint par l'invention qui permet de satisfaire les conditions posées grâce à la combinaison adéquate pour l'élément constitutif d'une courbe caractéristique électro- thermique et d'une courbe caractéristique thermodynamique. Un autre but, qui n'est pas atteint par les éléments de commande à dilatation habituels, consiste en ce que le mou- vement de commande se déroule de manière exactement réversi- ble entre deux positions extrêmes, indépendamment de la durée pendant laquelle le système est en circuit etde la températu- re ambiante à laquelle il se refroidit. Cette propriété souvent dé- terminante pour l'utilité pratique est présentée par l'élément électrothermique de commande selon l'invention. A cela s'ajoutent d'autres avantages par rapport à d'autres systèmes électromécaniques: Il n'y a pas d'organe glissant ou rotatif pouvant éventuelle- ment coller et nécessiter un entretien, il n'y a pas d'enrou- lement de fil fragile, pas de problème d'étanchéité ou analogue. L'élément de commande proposé par l'invention comprend un élé- ment de chauffage électrique, un agent se modifiant en fonc- tion de la température et un organe mécanique de commande. Il est caractéristique que par le choix particulier et par la combinaison de propriétés déterminées, il résulte un élé- ment de commande se stabilisant de lui-même avec des proprié- tés particulières. En tant qu'élément de chauffage est prévue une résistance à coefficient de température positif (CTP) qui a, pour un choix adéquat, la propriété de ne chauffer que jusqu'à une température déterminée, sans surchauffe. Cette résistance à coefficient de température positif chauffe dans un récipient clos un liquide dont la température de vaporisation se trouve un p e u en dessous du coude de la oeute caractéristique de la résistance CTP. Une membrane déformable associée au récipient réagit à l'augmentation de volume entraînée par la vapeur produite et assure un mou- vement mécanique. Il est évident que par un bon choix de la résistance CTP et du liquide, on peut fournir des conditions optimales pour un élément électrothermique de commande de ce type. On peut d'une part éviter une surchauffe du système en utilisant par exemple une résistance CTP ayant une température limite de C. Une telle résistance ne peut jamais être chauffée électriquement au-dessus de cette température. On peut,d'autre part, dans ce domaine de température, utiliser par exemple de l'eau c o m m e liquide, qui se vaporise comme on le sait à environ 100 . Le mouvement de la membrane a en conséquence lieu brusquement lorsque la température d'ébullition est at- teinte, une surcharge du système par la pression étant par ailleurs exclue étant donné que la pression de vapeur n'est que de deux bars environ à la température limite. Le système est ainsi auto-régulateur et précisément défini. Une dépense particulière en commutateur de régulation est évitée. Etant donné que la quantité de liquide peut être très limitée (la vapeur d'eau occupe même pour une pression d'ébullition de deux bars, un volume neuf cents fois plus grand que le volume d'eau), la chauffe du système se fait relativement vite. A cela s'ajoute que, par rapport aux systèmes bimétalli- ques chauffés électriquement, il ne s'agit pas, pour l'élément de manoeuvre selon l'invention, d'un mouvement progressif continu, mais que le mouvement commence seulement lorsque la trerat-lire d'ébullition est atteinte qui se produit rela- tivement rapidement étant donné les quantités relativement faibles qui doivent être chauffées. - Le mouvement dans la direction opposée, lors de la coupure du courant,est aussi plus favorable que pour les systèmes bimétalliques qui s'approchent lentement de manière asympto- tique de la position extrême lors du refroidissement jusqu'à la température ambiante. Le mouvement de retour de l'élément de manoeuvre électro- thermique selon l'invention a lieu à la température d'ébul- lition qui est sensiblement plus élevée que la température ambiante, de sorte que l'évacuation de chaleur est plus ra- pide en raison de la plus grande différence de température. Il est important de prévoir un couplage thermique étroit entre la résistance de chauffage et le liquide. C'est pour- quoi l'invention propose d'utiliser, à la place de l'eau qui est conductrice comme on le sait, une huile silicone isolante électriquement en tant qu'agent, ou un liquide analogue qui permet de noyer la résistance CTP et ses bornes directement dans le liquide sans g a i n e de protection. On peut ainsi obtenir un échange calorique maximum et on alimente directement la résistance de chauffage avec la tension du réseau en 220 volts. Une telle réalisation- nécessite des quan- tités de chaleur extrêmement faibles de sorte que,dans e.-e r t a i n s c a s,une commande électronique est même possible, ce qui aurait même par exemple exclu l'utilisation de systèmes bimétalliques pour de telles applications. Une autre amélioration consiste à enfermer l'élément de chauffage et le liquide dans un récipient en matière plasti- que dont la paroi est artiellement réalisée sous forme d'une meim- brane déformable grÉce au fait qu'à l'endroit souhaité l'épais- seur de paroi est réalisée comparativement plus faible que le -reste de la paroi. Un tel système fonctionne particulièrement avantageusement lorsque le récipient en matière plastique est complètement remnli de liquide, sous un vide aussi poussé que possible. On cbtient ainsi un retour de la membrane dans la position de départ, sous la pression atmosphérique extérieure, dès que la condensation de l'agent vaporisé a eu lieu. Il est ainsi superflu de prévoir un quelconque ressort de rappel ou un autre élément constitutif. Etant donné que la forme de la membrane peut varier dans de larges mesures, l'invention propose de conformer la membrane - de manière non symétrique afin que puisse être obtenu un mou- vement pivotant en plus du déplacement linéaire grâce au fait que l'on associe à la partie mobile de la membrane par exemple un levier d'arrêt ou un organe spécial de comman- de. De ces possibilités supplémentaires découlent souvent des simplifications constructives dans les coopérations cinématiques fonctionnelles d'appareils qui ne sont réalisables par ailleurs qu'avec des mécanismes mobiles compliqués. La construction simple de l'élément de commande permet même une autre amélioration de construction qui consiste en ce que l'on associe la membrane à une surface d'extrémité du récipient en matière plastique et les bornes électriques à la surface d'extrémité opposée. Dans une telle disposition, on obtient un élément constitutif simple à manier et à fabri- quer, qui peut en outre être équipé d'organes de fixation analogues à une prise balonnette, de sorte qu'il peut être placé ou changé d'une seule main. Il est aussi possible de prévoir des nervures de refroidissement ou une isolation ther- mique, suivant le cas, selon que l'on souhaite des temps de rappel plus ou moins courts. La figure 6 montre à titre d'exemple la disposition de nervures de refroidissement 13. La figure 1 montre le diagramme caractéristique d'une résis- tance CTP, c'est-à-dire sa résistance ohmique R en fonction de la température en Celsius. (analogue au "Kaltleiter" (conducteur froid) type 063100-C 884 de la société Siemens). La oeur4e> caractéristique montre clairement que la résistance, par exemple 1 000 ohms, ne change pas sensiblement sur la plage comprise entre 200 et 800, qu'elle monte faiblement à 1000 et qu'elle croit déjà à 1200 jusqu'à quelques centai- nes de milliers d'ohms, de sorte qu'il se produit conjointe- ment une coupure du courant de chauffage. En utilisation pra- tique, il s'établit donc de manière oscillante une valeur de résistance qui suffit tout juste à couvrir les pertes ther- miques. La figure 2 indique le diagramme type du mouvement d'un élément deicommande électrothermique selon l'invention. La course H est portée sur le diagramme en fonction du temps t. Si le courant est branché, la résistance de chauffage s'echauffe tout d'abord puis chauffe le liquide environnant. Etant donné que la dilatation linéaire du liquide est très petite, il n'y a pas au début de mouvement notable de la membrane. La course de la membrane ne commence pratiquement qu'après avoir atteint le point d'ébullition du liquide et la vaporisa- tion. Aussitôt que la course a atteint la valeur H 2 (ou même avant lors d'un blocage externe du système), la pression monte dans le système jusqu'à atteindre la pression de vapeur qui correspond à la température oscillante. La course extrême de la membrane dans la position H 2 est déterminr e de manière univoque par la précontrainte donnée à la membrane, car la température finale de la résistance CTP d'une part, et la pression de vapeur de l'agent utilisé d'autre part, sont déterminées en tant que grandeurs physiques par cette température. Ensuite, la résistance CTP du type mentionné chauffe en quel- ques fractions de seconde jusqu'à sa température finale, de sorte que cette durée peut être négligée. Lors du refroidissement, la vapeur se condense tout d'abord, la température de vaporisation se maintenant, jusqu'à ce que la vapeur soit liquéfiée. Cet état correspond à la position H 1 de la membrane. Un refroidissement supplémentaire du système jusqu'à la température ambiante reste pratiquement sans effet car il a à nouveau lieu sur la plage de la dila- tation linéaire du liquide. Avec un tel élément de commande électrothermique selon l'in- vention, une correspondance univoque des forces de commande est ainsi physiquement possible. Il s'établit d'une part un lo équilibre entre l'énergie électrique fournie et}es pertes thermiques produites, qui entraîne une température univoque. Cette température correspond d'autre part de manière univoque à la pression de vapeur de l'agent qui est à nouveau en équi- libre avec les forces agissant en sens contraire, c'est-à-dire la précontrainte de la membrane et les composantes de force agissant de-l'extérieur. Etant donné que cette pression de vapeur, pour un système déterminé, ne peut jamais être dépassée, il suffit de calcu- ler la pression d'éclatement de la membrane ou du système seuiement en fonction de cette pression. Il ne peut abris Jarais se produire d'endommagement, même lors d'un blocage du système à partir de l'extérieur, car à chaque instant, c'est-à-dire pour chaque position de la membrane, seule agit la pression de vapeur déterminée par la température du système. Les figures 3 et 3a montrent un exemple de réalisation d'un élément électrothermique de commande selon l'invention. Dans un bottier 1, par exemple en matière plastique, est enfermée une résistance CTP 2 à bornes 5 qui est entourée par un agent 3. La membrane 4 est représentée à la figure 3 à l'état non chauffé et à l'état chauffé à la figure 3a. On peut voir clairement que,par l'augmentation de volume de l'agent chauffé,la membrane,tout d'abord incurvée vers l'inté- rieur, est comprimée vers l'extérieur à l'état chauffé, si bien que l'on peut en dériver un mouvement mécanique. La figure 4 montre à titre d'exemple une forme de réalisa- tion d'un élément électrothermique de commande équipé d'uni levier de blocage disposé sur la membrane et qui décrit aussi, en plus du déplacement, un mouvement pivotant. Dans cet exemple de réalisation, un élément électrothermique de com- mande analogue à celui qui est représenté à la figure 3 est monté dans une plaque 6. Sur la membrane 4 est disposé un levier de blocage 9 qui, en particulier 1 o r s q u e la membrane 4 est réalisée en matière plastique injec- t4e,est injecté directement en tant que partie mono- bloc de la membrane- Le levier de blocage 9 retient un volet 7 qui est monté pivotant en 8, contre une surface d'étan- chéité 10. Le volet 7 sert ici en s'appuyant contre la sur- face d'étanchéité 10 à fermer un compartiment dans lequel se trouve un agent de rinçage. Si la résistance 2 est chauf- fée, il se produit la déformation connue de la membrane 4 et le levier de blocage 9 qui lui est relié rigidement vient en conséquence dans la position représentée à la figure 5. Le verrouillage du volet 7 est alors libéré et celui-ci peut pivoter librement. A la figure 6 est représentée une forme de réalisation parti- culièrement avantageuse d'éléments de commande électrothermi- ques selon l'invention, les éléments semblables étant indi- qués par les mêmes chiffres de référence. La conformation en tuyau avec la membrane de commande à une extrémité et les fiches plates 11 sur la surface extrême opposée est particu- lièrement simple à monter dans des appareils, grâce en par- ticulier à la présence de pièces de branchement 12 du type baïonnette qui permettent le montage et l'échange d'une seu- le main. Les possibilités d'adaptation d'un élément de commande élec- trothermique selon l'invention à des nécessités constructives sont extraordinairement diverses et il n'est pas possible d'en décrire toutes les variantes, mais le fonctionnement de principe peut être tiré clairement des exemples, de sorte qu'il est possible,sans difficultés, de construire des éléments de commande selon l'invention qui permettent par exemple une libération sur deux côtés ou un mouvement de libération en coin, c'est-à-dire latéral. Tous les champs d'application sont possibles pour un tel élément de commande, en particulier ceux o le léger retard est-acceptable, ceux o il faut prendre en considération de petites dimensions, et ceux o on souhaite un mouvement doux et sans à-coup. L'inutilité de tout moyen de régulation est aussi d'une importance déterminante. Les éléments de commande selon l'invention peuvent être utilisés avec profit dans des ma- chines à laver le linge ou à laver la vaisselle dans lesquel- les un tel élément de commande peut être mis en circuit par un contact du circuit programmé et aussi pour lesquelles un temps de mise en circuit très long du contact programmé ne conduit à aucune dégradation de l'élément. Revendications. Elément électrothermique de commande, comprenant un élément électrique de chauffage, un agent se modifiant en fonction de la température et un organe de commande mécanique, carac- térisé en ce que, en tant qu'élément de chauffage, est prévue une résistance (2) à coefficient de température positif (CTP) qui chauffe dans un récipient clos (1) un liquide (3) dont la tempéra- ture d'ébullition se trouve légèrement en dessous du coude de la ligne caractéristique de la résistance CTP, une membrane (4) déformable associée au récipient transformant l'augmentation de volume produite par la vapeur en un mouvement mécanique. 2. Elément électrothermique de commande selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'une huile silicone isolante électriquement, ou un liquide analogue est utilisé en tant qu'agent. 3. Elément électrothermique de commande selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que l'élément de chauffage (2) et le liquide (3) sont enfermnés dans un réc ipient (1) en matière plastique dont la paroi est partiellement réalisée sous forme de mem- brane déformable (4). 4. Elément électrothermique de commande selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'agent est mis sous vide dans le récipient (1). 5. Elément électrothermique de commande selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à la partie mobile de la membrane est associé un levier de blocage (9) qui décrit,lors de la déformation dela membrane (4) un mouvement pivotant en plus du déplacement. 6. Elément électrothermique de commande selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisé en ce que le récipient (1) en matière plastique est constitué de telle manière que la membrane (4) se trouve sur une surface d'extrémité et que les bornes électriques (11) se trouvent sur la surface d'extrémité opposée. 7. Elément électrothermique de commande selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des organes de fixation (12) analogues à une monture à baïonnette sont prévus sur le récipient en matière plastique. 8. Elément électrothermique de commande selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens d'isolation ou des nervures de refroidissement(13) sont prévus sur le récipient en matière plastique.