Brevet FR2531595A1 — publié le 19840210

DISPOSITIF DE RECHAUFFAGE UTILISABLE SUR UN CAPTEUR D'INCIDENCE AERODYNAMIQUE La présente invention concerne un dispositif de réchauffage utilisable notamment sur un capteur d'incidence aérodynamique pour préserver le bon fonctionnement en évitant la formation de givre ou de glace. L'invention va être exposée plus particulièrement dans le cadre d'une telle application qui ne doit pas cependant être consi- dérée comme limitative, ainsi que l'on pourra s'en rendre compte aisément. Les sondes d'incidence sont des équipements avioniques embar- qués, destinés à mesurer l'incidence locale d'un aéronef en vol, c'est- à-dire l'angle que fait la projection (sur le plan de symétrie de l'avion) de la direction d'écoulement des filets d'air locaux avec l'axe longitudinal de l'avion. Ces sondes sont conçues de manières diverses Lûne d'elles consiste à utiliser une palette fuselée extérieure au fuselage de l'avion, jouant un rôle de girouette qui s'oriente automatiquement dans les filets d'air, et dont la rotation autour d'un axe-avion fixe est relevée par un ou plusieurs capteurs angulaires (codeurs opti- ques, inductifs, potentiomètres). Les caractéristiques de tels capteurs d'incidence dépendent étroitement des performances aérodynamiques de la girouette qui constitue l'élément sensible en ce sens Il convient donc que, quelles que soient les conditions de vol (grand froid, brouillard en altitude, ), la masse et la géométrie de la girouette ne varient pas, c'est-à- dire que celle-ci ne se charge pas de givre ou de glace Il est par suite nécessaire de prévoir un dispositif de réchauffage de la girouette, suffisamment performant pour éviter la formation de glaçons ou de givre. Une solution connue pour produire le réchauffage consiste à surmouler la girouette conçue en alliage léger, sur une résistance chauffante Mais, outre la difficulté technologique de réalisation, cette option présente deux inconvénients- une nécessité de régulation, soit à l'aide d'un thermostat, soit par l'utilisation de résistances dites autorégulantes, fragiles et coûteuses; mauvaise répartition de l'énergie calorifique fournie En effet, Pélément chauffant ayant évidemment une certaine épaisseur, ne peut être très proche du bord d'attaque de la girouette dont la forme est un dièdre très aigu; or, c'est justement ce bord d'attaque qui- est, en vol, la zone froide Ceci a pour conséquences que d'une part, dans certains cas extrêmes le réchauffage peut s'avérer insuffisant, d'autre part ce système nécessite de toute façon une alimentation de puissance assez élevée, de l'ordre de 150 W, ce qui est toujours peu souhaitable pour des équipements embarqués. Pour pallier ces défauts il est proposé selon l'invention un dispositif de réchauffage qui permet une meilleure répartition de la puissance calorifique nécessaire, tout en évitant l'emploi de thermo- stats de régulation en température peu fiables et encombrants (vui les dimensions de la girouette) et dont la puissance nécessaire pour assurer le dégivrage ou l'antigivrage est bien moindre, par exemple de l'ordre de 50 W, dans toutes les configurations possibles d'utili- sation. L'objet de la présente invention est de réaliser un dispositif de réchauffage qui produit l'effet désiré par utilisation de céramiques à coefficient de température positif dites CTP (ou "positive coeffi- cient température", PTC, en anglais) constituant un élément chauf- f ant autorégulant. Les céramiques CTP sont constituées de matériaux semi- conducteurs, à base de titanates de baryum en général (il existe aussi d'autres matériaux en matière plastique), qui sont mis en oeuvre comme des céramiques classiques Ces semi-conducteurs sont à coefficient de température positif car leur résistivité aug- mente en fonction de leur température interne. En fonctionnement, l'élément CTP est placé entre deux élec- trodes et est traversé par un courant; ces électrodes peuvent être rapportées par différents procédés, tels que, -par exemple, peintures- conductrices déposées au pinceau ou par sérigraphies, Suivant l'épaisseur de céramique traversée par le courant d'alimentation, on obtient une courbe "résistance-température" fonction du mélange de base. Leur principale caractéristique et intérêt est la variation de leur résistance en fonction de la température: O à froid, celle-ci est de quelques ohms (suivant le type de céramique et l'épaisseur entre électrodes); quand la température augmente, la résistance augmente bruta- lement, le point o cette transition s'effectue étant appelé "point de curie". La résistance maximale à chaud peut être de l'ordre de 10 000 à 10 000 000 fois la résistance à froid. Les points de curie peuvent être compris entre -250 C et + 250 'C environ selon la composition. Les courants d'alimentation peuvent être élevés. Les céramiques CTP du fait de leur propriété trouvent appli- cation en tant qu'élément de compensation dans des circuits élec- triques pour compenser des effets de variation de température Une autre utilisation est celle de thermostat statique pour remplacer un dispositif bilame. Dans un dispositif conforme à l'invention, ces céramiques sont utilisées en tant qu'élément chauffant autorégulant En effet, parce qu'une céramique CTP ajuste sa résistance, quand sa température varie, on peut dire qu'elle assure le contrôle de sa température De plus, l'augmentation, plus ou moins brutale, de la résistance limite automatiquement le courant à une valeur dépendant de la tension appliquée, en conséquence, la puissance dissipée: il s'agit donc effectivement d'une résistance chauffante autorégulante, donc utili- sable directement sans thermostat. L'invention telle que revendiquée propose de réaliser un dispo- sitif de réchauffage caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une céramique de coefficient de température positif, dite céramique CTP placée entre deux électrodes pour recevoir un courant élec- trique d'alimentation. Les particularités et avantages de la présente invention appa- raîtront dans la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent: figure 1, une courbe représentant la variation de la résis- tance d'une céramique PCT en fonction de la température; figure 2, une courbe correspondante indiquant la variation du courant d'alimentation en fonction de la température; figure 3, un schéma simplifié d'un dispositif de réchauffage conforme à la présente invention; figure 4, une autre représentation du dispositif de réchauf- fage selon l'invention logé dans une partie évidée d'un système à réchauffer; figure 5, une autre représentation relative au réchauffement d'un système mobile; figure 6, premier mode de réalisation d'un dispositif de réchauffage selon l'invention pour une utilisation sur une sonde d'incidence à girouette; les figures 7, 8, 9, d'autres modes de réalisation du dispositif de réchauffage dans le cadre de la même application; figures 10 à 13, des modes de réalisation possibles des électrodes pour constituer un dispositif de réchauffage dans le concept d'utilisation dans les figures 6 à 9. La figure 1 met en relief la caractéristique essentielle d'une céramique à constante de temps positive La résistance de cette céramique présente une valeur RI entre O et la température correspondant au point de curie T Pour cette valeur de tempé- rature la résistance varie brutalement jusqu'à une valeur R 2 beau- coup plus élevée qui reste ensuite sensiblement constante lorsque la température s'accroît Alors que la résistance RI peut s'exprimer en ohms, la résistance R 2 s'exprimera généralement en mégohms. La figure 2 représente la courbe correspondante du courant d'alimentation de la céramique Ce courant représente une valeur relativement peu importante entre O et le point de curie TPC et ensuite sa valeur tombe à une valeur 12 pratiquement nulle. La figure 3 représente le dispositif de réchauffage composé d'une céramique PCT 1 placée entre deux électrodes 2 et 3 qui sont connectées à une source d'alimentation 4 qui fournit une tension U. La forme parallélipipédique dessinée pour la céramiqẻ ne doit pas être considérée comme limitative La céramique en contact au moins par l'une de ses faces avec une surface correspondante d'une pièce ou d'un organe 5 à réchauffer Le maintien peut s'effectuer par un matériau de collage 6. La figure 4 représente le dispositif de réchauffage logé dans une alvéole de la pièce 5 à réchauffer L'ensemble céramique et électrodes est revêtu d'une couche protectrice 7 qui fournit un bon isolement électrique et qui est suffisamment mince pour ne pas perturber la transmission thermique vers l'organe à réchauffer. Sur la figure 5 on a considéré que la pièce 5 est une pièce mobile se déplaçant dans l'air et à une vitesse V et que,, notamment dans le domaine aéronautique o l'évolution peut se faire à haute altitude, il peut y avoir formation de glaçons ou de givre G aux extrémités correspondantes de cette pièce On a représenté une forme aérodynamique selon le sens de déplacement et une partie évidée qui reçoit le dispositif de réchauffage dont la céramique 1 présente une épaisseur variable pour mieux répondre au problème de réchauffage posé en l'espèce. Un problème analogue va maintenant être exposé dans le cadre d'une utilisation à un capteur d'incidence aérodynamique appelé généralement sonde d'incidence. Sur la figure 6 se trouve représentée la girouette de la sonde incidence, cette girouette constituant évidemment l'élément sen- sible du point de vue des caractéristiques aérodynamiques La girouette se présente comme une palette ciselée, mobile en rotation autour d'un axe X déterminé Elle comporte une partie supérieure 10 appelée drapeau qui constitue un dièdre et qui s'oriente dans la direction d'écoulement des filets d'air par rapport à l'avion; la partie inférieure Il s'appelle le bras et est fixée à travers une embase 12 à des capteurs angulaires internes au fuselage de l'avion. Plusieurs conceptions du dispositif de réchauffage sont a priori envisageables les figures 6 à 13 en donnent quelques exemples de réalisation. Dans la solution figure 6, la girouette est considérée moulée en alliage léger ou en un autre matériau thermiquement conducteur, de telle façon que lors du moulage il est possible de préserver aisément des logements 13 et 14 dans lesquels doivent venir s'insérer des modules céramiques 15 et I 6, ces modules étant usinés à des cotes légèrement plus faibles que celles des logements destinés à les recevoir En effet, la discontinuité du comportement électrique (voir figure 1 et figure 2) va de pair avec une discontinutté du comportement thermique; il y a lieu donc d'assurer une certaine liberté à la céramique afin de tenir compte des variations de volume et ne pas créer de contraintes risquant de la faire éclatero Sur les éléments 15 et 16 sont déposés les électrodes 17, 18 et les fils d'alimentation 19 et 20 sont soudés, ou collés avec une colle conductrice L'ensemble ainsi réalisé se trouve protégé et isolé électriquement par un revêtement approprié et d'épaisseur suffisam- ment faible-pour ne pas perturber la conductibilité thermique Ce revêtement pourra être un émail ou un vernis époxy par exemple. L'assemblage final se fait à l'aide d'une résine souple destinée à absorber les dilatations différentielles de tous les composants Le revêtement isolant et la résine de collage ne sont pas représentés sur les figures à titre de simplification, ils correspondent aux éléments repérés 7 et 6 respectivement sur la figure t 4. Plutôt que de réaliser un ou plusieurs modules céramiques à insérer et à assembler dans le drapeau 10 de la girouette dont la -30 forme est somme toute complexe, il est plus intéressant de réaliser le drapeau 10 presque entièrement au moyen de la céramique, que l'on vient par la suite fixer sur un support simple prémoulé en alliage léger ou en matériau synthétique. Les figures 7, 8 et 9 correspondent à des variantes d'un tel mode de réalisation Le dispositif de réchauffage est constitué par un unique module 20 revêtu de ses électrodes telle 21 et qui forment la partie essentielle du drapeau, la partie restante constituant un support en alliage léger ou matériau synthétique pour le dispositif de réchauffage La forme de ce support varie selon la forme donnée au drapeau Dans le cadre de la figure 7, c'est la partie avant du drapeau qui est constituée par le module 20 et la partie arrière du drapeau 22 reliée au bras Il qui constitue le support, cette partie peut être usinée sur les extrémités supérieures et inférieures avec des rainures telle que 23, pour permettre la mise en place du module usiné de manière complémentaire Ces rainures sont par exemple maies sur le support, et femelles sur la partie céramique et elles permettent un bon centrage de l'élément 20 et un bon maintien latéral Dans le cas de la figure 8, le support 22 a est constitué par la j 5 partie avant du drapeau et le module 2 Oa constitue la partie arrière. Dans ce cas de la figure 9, le support 22 b constitue un encadrement du drapeau, une partie avant et une partie arrière, tandis que le module 20 b de réchauffage constitue la partie restante. L'assemblage final du module 20, 20 a ou 20 b, doit être réalisé comme précédemment à l'aide d'une résine souple absorbant les éventuelles dilatations différentielles. Il est possible de supprimer la liaison des fils alimentation par soudure et d'effectuer celles-ci à l'aide d'un contact mécanique par pression, par des lames élastiques 24 et 25 comme représentées sur les figures 7 et 9 Enfin, il est nécessaire de protéger le drapeau et les électrodes qu'il porte par un revêtement mince, un vernis ou à la rigueur, une tôle fine épousant la forme de la girouette Ce, revêtement à d'une part un rôle d'isolation électrique, d'autre part, un rôle de protection mécanique contre l'abrasion, l'usure, etc Ce revêtement n'a pas été porté sur les figures. Les figures 10 à 13 se rapportent à la réalisation des élec- trodes Ces électrodes sont dessinés de part et d'autre des éléments céramiques ou de l'élément céramique unique 20 considéré En bout la céramique présente une épaisseur variable qui va croissant depuis l'arête du dièdre jusqu'à la partie arrière En conséquence la résistance à froid présentée croit dans le même sens Il convient dans certains cas de moduler les zones effectivement conductrices en adaptant le dessin des électrodes afin de mieux répartir la puissance calorifique, en particulier vers le bord d'attaque dans le cas concerné Ainsi, dans le cas de la figure 10 le réchauffage produit avec le dessin de l'électrode 21 a sera beaucoup plus impor- tant vers le bord d'attaque que vers l'arrière; dans le concept selon la figure 11 le réchauffage est sensiblement constant quelle que soit l'épaisseur du milieu céramique moyennant un dessin de l'électrode 21 b en forme de peigne Dans le cas de la figure 12 cette disposition en peigne de l'électrode 21 c se trouve inversée ce qui fait que c'est du côté du bord d'attaque que le réchauffage sera maximal et qu'il va décroître très vite vers la partie arrière Un effet analogue sera produit dans le cas de la figure 13 par l'électrode 21 d qui comporte des ouvertures vers l'arrière o ne se produit pas de réchauffage. Les électrodes peuvent être des feuilles métalliques minces collées avec des colles conductrices, ou déposées au pinceau, par sérigraphie ou par un procédé photographique La géométrie des électrodes est également liée aux caractéristiques de la céramique CTP utilisée, de manière à ce que la résistance au point de fonctionnement (point de curie) permettent de dissiper la puissance nécessaire A titre indicatif, pour une puissance de 50 watts, la résistance sous 28 volts en courant continu sera de l'ordre 16 ohms, soit à 201 C une résistance 5 ohms environ Le point de curie céramique sera choisi assez bas, de préférence au-dessous de 700 et par exemple dans une plage de 50 à -70 ', afin de minimiser d'une part, les pertes de puissance dans les conditions normales d'utili- sation et éviter d'autre part, le danger de brûlure pour le personnel au sol. Les céramiques à coefficient de température positif peut utiliser en tant que élément chauffant autorégulateur conformément à l'invention, sont applicables notamment dans le domaine avionique pour l'antigivrage ou le dégivrage de divers capteurs tels que les sondes d'incidence comme il a été exposéet aussi, par exemple, des capteurs de pression dont les caractéristiques peuvent être pertur- bées par la présence de givre sur leurs sections d'entrée. REVENDICATIONS 1 Dispositif de réchauffage caractérisé en ce qu'il comporte au moins une céramique à coefficient de température positif, dite céramique CTP, placée entre deux électrodes pour recevoir un courant électrique d'alimentation. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dessin des électrodes est déterminé pour répartir et adapter la puissance calorifique délivrée en fonction des besoins de l'utili- sation. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la céramique CTP entre les électrodes est variable. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la céramique CTP est déterminée en sorte que son point de curie se situe assez bas pour réduire l'énergie dissipée et éviter le danger de brûlure. 5 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le point de curie est inférieur à 700. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le point de curie se situe dans la plage 50 à 701 C. 7 Utilisation d'un dispositif de réchauffage selon l'une quel- conque des revendications précédentes pour réchauffer une sonde d'incidence du type à girouette, caractérisée en ce que le dispositif de réchauffage est constitué par au moins un module ( 15-16, 20) logé dans le drapeau ( 10) de la girouette. 8 Utilisation selon la revendication 7, caractérisée en ce que le drapeau comporte des logements ( 13-14) pour recevoir les - modules ( 15-16) de réchauffage. 9 Utilisation selon la revendication 7, caractérisée en ce que le drapeau est constitué en majeure partie par un module ( 20, 20 a, b) de réchauffage. 10 Utilisation selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le dessin des électrodes est déterminé pour produire une loi de variation déterminée du réchauffage entre le Il bord d'attaque et l'arrière du drapeau, compte tenu d'une épaisseur variable de la céramique.