Brevet FR2593014A1 — publié le 19870717

CABLES ELECTRIQUES ET PREFORMES POUR REALISER CES CABLES La présente invention est relative aux câbles élec- triques et, plus particulièrement, aux câbles chauffants à isolation minérale. Les câbles chauffants classiques produisent de la chaleur par le passage d'un courant. électrique dans un (ou plusieurs) fil résistant s'étendant sur toute la longueur du câble. Comme la tension d'alimen- tation électrique disponible est généralement fixe, toute production de chaleur par unité de longueur (puissance thermique) peut être réalisée à l'aide d'un type de câble donné uniquement en prenant une longueur particulière de câble, ce qui peut ne pas être commode par rapport à d'autres nécessités de l'installation. Avec les câbles chauffants isolés par polymères, ce problème a été surmonté, dans une large mesure, par la réalisation de câbles "de type parallèle" dans lesquels les fils qui s'étendent longitudinalement ont une faible valeur ohmique et servent seulement de barres omnibus et la chaleur est produite par le courant passant d'une de ces barres omnibus à une autre (i) via une multipli- cité d'éléments de chauffage courts formés par un fil mé- tallique fin résistant s'étendant en un parcours non linéaire et venant à intervalles appropriés au contact des deux barres omnibus, ou (ii) via un seul élément chauffant situé en permanence au contact des deux barres omnibus et cons- titué d'une matière polymère à charge de carbone, à forte résistivité électrique et à coefficient positif de tempé- rature (compositions à C.T.P.). Un coefficient positif de température est essentiel pour tout élément chauffant (sur toute la plage allant de la température ambiante minimale à la température maximale de fonctionnement en charge) car, si le coefficient était négatif, le courant serait transporté sélectivement par n'importe quelle partie de l'élément ayant, pour une rai- son quelconque, une température supérieure à la moyenne ceci entrainant une température encore plus élevée, un renforcement de l'intensité et, inévitablement, une rupture par claquage thermique. Les éléments métalliques résistants -ont en général un coefficient de tempé- rature positif mais ont des résistivités relativement faibles, si bien qu'un élément en forme de fil résis- tant pour produire des quantité convenables de chaleur aux tensions d'alimentation habituelles est trop long ou a une section très petite (et donc est très fragile), de sorte que l'utilisation de conducteurs métalliques dans un câble chauffant de type parallèle à isolation minérale a jusqu'à présent été rejetée. Le besoin d'un cable chauffant de type parallèle à isolation minérale a été reconnu et des tentatives ont été faites il y a de nombreuses années pour le réaliser (se reporter par exemple au brevet britannique n 832503) à l'aide d'un équivalent inorganique des compositions poly- mères à C.T.P., mais il est difficile de fabriquer des compositions inorganiques à forte résistivité ayant la stabilité dimensionnelle et structurale requise pour suppor- ter l'opération d'étirage essentielle dans la fabrica- tion de câbles à isolation minéral et conservant ensuite un coefficient positif de température, et ce n'est-que récemment (brevet britannique n 1 507 675) que l'on a pu produire un câble de ce type pouvant être correctement mis en oeuvre. La présente invention réalise un câble chauffant de type parallèle-à isolation minérale, à conducteurs-métal- liques, et porte aussi sur une préforme pour étirage afin de fabriquer un tel câble. Le câble selon l'invention comporte: au moins deux barres omnibus à grande conductivité s'étendant sans interruption d'un bout à l'autre du câble; une pluralité d'éléments chauffants métalliques limités chacun à une zone correspondante du câble qui est courte en comparaison de la longueur totale de celui-ci, chacun de ces éléments étant relié, à ses extrdé mités, à deux barres omnibus différentes; une gaine métallique enveloppante et un matériau isolant minéral comprimé qui remplit la gaîne; et chacun desdits éléments comporte une pluralité de por- tions d'éléments qui, chacune,s'étendent- longitudinalement et sont électriquement connectées en série. En réalisant des portions d'éléments qui sont élec- triquement en série mais physiquement en parallèle (ou presque), il devient possible d'utiliser des éléments suffisamment robustes pour supporter l'opération d'éti- rage et pourtant confinés dans- une longueur de câble suf- fisamment courte (par exemple de 0,5 à 1,5 mètres, voire moins) pour assurer que le cable puisse être coupé en n'importe quel point sans créer à l'extrémité du câble une portion non chauffante exagérément longue: la créa- tion d'une "queue froide" de l'ordre de 250 à 750 mm de longueur est un réel avantage, puisqu'elle abaisse la température de fonctionnement à l'extrémité du câble. Dans les formes les plus simples de l'invention, les zones occupées par des éléments chauffants contigus sont entièrement distinctes et espacées les unes des autres, mais si les courts points froids créés sont jugés indési- rables, les zones peuvent être agencées de manière à se chevaucher les unes les autres, en utilisant dans chaque élément au moins une portion dont la longueur diffère de celle des autres. Les barres omnibus peuvent être en n'importe quel métal ou combinaison de métaux ayant une conductance suf- samment grande. On utilise habituellement du cuivre, mais si l'élément résistant doit être directement relié à celles-ci, il peut être souhaitable de prévoir une enve- loppe ou une garniture faite d'un métal qui présente une moindre résistance de contact, par exemple la nickel si l'élément résistant est en alliage de nickel courant. Les barres omnibus peuvent être rondes, ou de n'importe quelle autre section qui convient; en particulier, elles peuvent être cannelées pour faciliter les raccordements, ainsi qu'il est exposé davantage plus loin. Chaque élément chauffant peut être fait d'une seule longueur de fil métallique résistant plié avant ou pen- dant l'assemblage pour former les connexions nécessaires entre les portions et depuis chaque extrémité de l'élément jusqu'à la barre omnibus correspondante. Egalement, chaque portion peut être formée par un fil séparé, avec des tronçons de liaison séparés à plus grande conductivité; le surcot de la réalisation d'intercon- nexions (p.ex. par soudage, brasage ou sertissage ou par introduction des extrémités dans une virole qui d'aplatit lors de l'étirage) est compensé par la simplicité de l'as- semblage et l'annulation (ou au moins la réduction) du risque qu'une déformation des connexions lors du proces- sus d'étirage puisse avoir pour conséquence des points d'échauffement localisés. Dans certains cas, des matériaux conducteurs inorganiques non métalliques peuvent être ap- pliqués autour des connexions pour modifier les propriétés des contacts. Dans des cas appropriés, les connexions avec les barres omnibus peuvent se faire en posant la queue de l'élément, ou d'une pièce de liaison associée à celle-ci, au contact de la barre omnibus. Elle peut être orientée longitudina- lement (dans l'un ou l'autre sens), auquel cas il peut être souhaitable de l'introduire dans une rainure située sur l'amorce afin de réduire le risque de passage de maté- riau isolant entre les pièces et de coupure du contact. Dans ce cas, (a) le placage de nickel ou autre pour faciliter le contact peut être limité à la région de la rainure et/ou (b) la rainure peut être localement déformée après l'introduction de la queue de l'élément ou de la pièce de liaison pour la fixer en position avant l'opération d'éti- rage. Que l'on utilise ou non des rainures, une attache sé- parée en matière ductile appropriée (p.ex. un tube en cuivre écroui en C) pourrait servir d'autre moyen de fi- xation possible. Egalement, l'extrémité de l'élément ou la pièce de liaison peut être enroulée sur quelques tours autour de la barre omnibus ou peut être soudée ou brasée sur celle- ci. Le matériau isolant peut être de l'oxyde de magnésium ou une autre matière classique, et est utilisé de préfé- rence sous forme de blocs préformés pourvus d'ouvertures et/ou de rainures pour faciliter un bon espacement des pièces en métal. Cependant, si les amorces des éléments chauffants sont suffisamient rigides, un remplissage de poudre dans une gaine à soudure continue peut être une autre possibilité valable; le remplissage de poudre dans une - gaine préformée sans soudure risque d'être très difficile et n'est pas conseillé. Une autre option, si les éléments chauffants sont suffisamment rigides, consiste à préfor- mer une pluralité de blocs enrobant chacun la plus grande partie d'un élément chauffant, en laissant au moins les deux extrémités de l'élément accessibles pour des con- nexions, et en enfilantces blocs sur les amorces des barres omnibus; il est nécessaire d'intercaler des blocs isolants lisses pour réaliser une isolation d'élément à élément si les connexions sont formées aux extrémités opposées des blocs, mais ils ne sont pas nécessaires si elles sont toutes deux formées à l'extrémité postérieure dans le sens de l'enfilage, puisque l'extrémité antérieure de chaque bloc peut alors être entièrement isolante. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple, sur lesquels: la Fig. 1 est une vue schématique en perspective représentant la structure et le procédé d'assemblage pré- féré d'une forme particulière de préforme selon l'inven- tion; la Fig. 2 est une coupe selon la ligne II-II de la Fig. 1; la Fig. 3 est une vue partielle (agrandie, mais non à l'échelle) montrant le procédé de réalisation d'une 2.0 connexion sur une barre omnibus dans l'exemple des Figures 1 et 2; la Fig. 4 est une vue en coupe correspondant à la Fig. 2 et représentant une autre préforme possible selon l'invention; la Fig. 5 est une vue d'extrémité en élévation (avec une représentation isométrique partielle) d'une préforme différente selon l'invention, vue partiellement assemblée; et la Fig. 6 est une vue, correspondant à la Fig. 5, représentant un autre procédé possible de réalisation d'une connexion sur une barre omnibus. La préforme représentée sur les figures 1 à 3 comporte deux types différents de bloc isolant préformé. Les grands blocs 1 ont une forme globalement cylindrique avec (dans ce cas particulier)dix-huit trous s'étendant longitudi- nalement, dont deux sont situés dans des positions rela- tivement proches du centre du bloc et reçoivent les tiges 2 en cuivre nickelé qui sont les amorces des barres omnibus du câble fini, et les seize autres trous 4 sont espacés de manière uniforme près de la périphérie du bloc et reçoivent le nombre correspondant de portions 5 d'amor- ces de fils métalliques résistants. Ces blocs alternent avec des paires de demi-blocs de séparation 6 qui réalisent une isolation entre les sections d'élément chauffant voisines. Ce modèle de préforme exige que l'amorce de fil résistant de l'élément soit relativement souple (sauf si des connecteurs séparés sont utilisés pour réa- liser toutes les connexions de portion à portion), puisque l'amorce est enfilée dans chacune des ouvertures du bloc, les portions étant reliées entre elles par des coudes dans l'amorce, et les extrémités 7 de l'élément sont rentrées chacune à l'intérieur d'un des trous 2 ou elles sont en contact étroit avec la barre omnibus correspondante, sur une longueur substantielle (si on souhaite, sur toute la longueur du bloc), comme représenté sur la Fig. 3. Les grands blocs 1 sont enfilés sur les tiges 3 et le bloc d'spacement 6 est introduit latéralement comme indiqué par les flèches sur la Fig. 1 et le sous-ensemble obtenu est simultanément ou ultérieurement introduit dans un tube en cuivre d'un diamètre approprié qui est l'amorce 8 de la gaine du câble. La section transversale de la préforme est ensuite réduite par un étirage (en option, précédé d'un estampage) selon la pratique courante dans l'industrie des câbles à isolation minérale. L'ensemble fini est recuit, et un recuit intermédiaire peut être nécessaire entre les phases d'étirage. Une surgaine en matière plastique peut être mise en place par extrusion sur le câble fini si on le souhaite, dans un but de ré- sistance à la corrosion ou d'aspect extérieur. L'autre agencement possible représenté sur la Fig. 4 (sur laquelle les parties correspondantes portent des re- pères numériques supérieurs de dix à ceux des figures 1 à 3) possède un corps isolant principal 11 pourvu d'encoches 14 dans la surface périphérique à la place des trous 4. Ceci rend beaucoup plus facile l'enfilage du fil résistant 15 destiné à former l'élément chauffant, mais c'est un agencement qui peut n'être pas fiable car il repose sur la progression du processus de réduction vers l'intérieur pour assurer que les portions d'élément ne touchent pas l'amorce 18 de la gatne. Pour réduire le risques, des barreaux isolants pourraient être introduits dans les ouvertures des encoches 14 après que le fil résistant aura eté enroulé. L'autre préforme possible représentée sur la Fig. 5 évite ce risque, et permet aussi l'utilisation d'une amorce d'élément chauffant encore plus rigide. Le bloc isolant principal 21 est pourvu d'une pluralité de passages 24 à section allongée et de passages appropriés pour les amorces 23 de barres omnibus (représentées en forme de D à titre d'exemple, ce qui donne un câble plus compact et plus souple et réduit les coûts des matériaux). Le fil de l'a- morce de l'élément chauffant est préformé pour établir des branches 25 parallèles reliées les unes aux autres par des coudes en U et des extrémités 27 pour venir au contact des amorces de barres omnibus comme dans les exemples précé- dents. Deux branches 25 adjacentes (avec le coude en U qui les relie) sont introduites dans chacun des passages 24 et un barreau 28 (fabriqué par estampage dans.la même matière que le bloc isolant principal 21) est ensuite introduit entre elles pour réaliser une isolation entre les deux branches. Des demi-blocs d'espacement (non repré- sentés) adaptés à la forme de la barre omnibus complètent la préforme, qui est traitée comme précédemment. La Fig. 6 montre une autre manière possible de relier l'élément chauffant à la barre omnibus en enrou- lant la queue 37 de l'amorce de l'élément chauffant autour de la partie à découvert de l'amorce 33 de la barre omnibus, o elle sera en temps utile entourée par les demi-blocs d'espacement 6. EXEMPLE 1 Une préforme du type général représenté sur les fi- gures 1 à 3 est réalisée en utilisant deux amorces rondes, en cuivre nickelé, de barres omnibus ayant chacune un dia- mètre de 2,5 mm et une amorce de gaine en acier inoxydable ordinaire (304) à diamètres nominaux intérieur et extérieur respectivement de 21 et 25 mm. Les blocs isolants princi- paux sont en oxyde de magnésium comprimé et ont une lon- gueur de 90 mm et un diamètre de 19,8 mm; les deux trous pour l'amorce de conducteur ont un diamètre de 3,4 mm et ils sont au nombre de cinq (plutôt que les quatorze re- présentés sur le dessin) pour le précurseur de l'élément chauffant, chacun ayant un diamètre de 2,9 mm. Chaque amorce d'élément chauffant est un fil rond en nickel-chrome de 0,8 mm de diamètre et d'environ 622 mm de longueur, enfilé pour former des branches s'étendant longitudina- lement, connectés en série comme représenté sur les dessins (sauf que, du fait du nombre impair de branches, les queues 7 sont formées aux extrémités opposées du bloc). Les blocs d'espacement ont une section transversale correspondante et une longueur de 6,4 mm. Cette préforme est étirée à un diamètre extérieur de 7 mm par des techniques classiques de fabrication de cables à isolation minérale, et est recuite. Le câble obtenu a des portions chauffantes d'environ 813 mm de longueur avec entre elles des intervalles de 127 mm; sa charge électrique est de 100 watts par portion chauffante, soit nominalement watts par mètre après avoir négligé toute portion froide d'une longueur maximale de 1 mètre à chaque extrémité (toutes les puissances de ces exemples sont à 110V, 60Hz). EXEMPLE 2 Les préformes de cet exemple sont conformes à celle de la Fig. 5. Les amorces de tiges-électrodes sont en cuivre nickelé et sont nominalement des segments d'un cylindre de 16 mm2 de section; lMamorce de gaine est la même que dans l'exemple 1. Les blocs isolants principaux ont une longueur de 114,3 mm et un diamètre de 20,3 mm, et ont une forme visant à assurer un espace de 0,38 mm autours des amorces de barres omnibus. Il y a treize passages 24, chacun ayant une section d'environ 2,7 sur 1,3 mm, et chacun d'eux reçoit un barreau d'espacement 28 mesurant 1,8 sur 0,8 mmà Les amorces d'élément en nickel-chrome ont chacune une longueur de 2,64 m. Les demi-blocs d'espacement ont une longueur de 12,7 mm. Voici d'autres dimensions et propriétés du câble fini: diamètre de l'amorce d'élément mm 0,7 diamètre extérieur final mm 7,1 longueur des portions chauffantes mm 0,914 longueur de l'espace entre les portions chauffantes mm 178 puissance par portion chauffante watts 18 puissance nominale par mètre watts 20 EXEMPLE 3 Cette préforme est identique à celle de l'exemple 1, sauf que les extrémités de l'élément se terminent de la manière représentée sur la Fig. 5 en réalisant 3 spires serrées. Des essais effectués sur des échantillons découpés n'ont pas révélé de différences appréciables de résistance de contact par rapport à un câble selon l'exemple 1. Chacun de ces exemples peut être modifié, pour atteindre les puissances nominales requises, en changeant (i) les dimensions (ou la composition) de fil résistant utilisé pour former l'amorce du fil résistant et/ou (ii) le nombre de branches formées par l'amorce du fil résistant et/ou (iii) la longueur de ces branches et/ou (iv) le rap- port d'étirage. REVENDICATIONS 1. Câble électrique chauffant de type parallèle à isolation minérale, comprenant: au moins deux barres omnibus a grande conductivité s'étendant de façon continue d'une extrémité à l'autre du câble; une pluralité d'éléments chauffants métalliques limité chacun à une zone correspondante du cable qui est courte en comparaison de la longueur totale de ce der- nier, chacun de ces éléments étant relié, à ses extré- mités, à deux barres omnibus différentes; une gaine métallique enveloppante et un matériau isolant minéral comprimé qui remplit la galne; caractérisé en ce que chacun desdits éléments comporte une pluralité de portions d'élément qui, chacune, s'étendent longitudinalement et sont électriquement connectées en série. 2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones occupées par des éléments chauffants adja- cents sont entièrement distinctes et espacées les unes des autres. 3. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce les zones occupées par des éléments chauffants adjacents sont agencées de manière à se chevaucher les unes les autres, au moins une portion de chaque élément ayant une longueur différente de celle des autres. 4. Câble chauffant selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que chaque élé- ment chauffant est fait d'une seule longueur de fil résistant plié pour former les connexions nécessaires entre les portions et depuis chaque extrémité de l'élément jusqu'à la barre omnibus correspondante. 5. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque portion d'au moins un des éléments est formée par un fil séparé, avec des tronçons de liaison séparés à plus grande conductivité. 6. Préforme qui, une fois étirée à travers une série de matrices, forme le câble revendiqué dans l'une quel- conque des revendications précédentes. 7. Préforme selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte des blocs préformés pourvus d'ouvertures et/ou de rainures pour faciliter un espace- ment correct des parties métalliques de ceux-ci. 8. Préforme selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de blocs qui enve- loppent chacun la plus grande partie d'un élément chauf- fant, avec des blocs isolants lisses intercalés si néces- saires pour réaliser une isolation entre éléments.