Brevet FR2623685A1 — publié le 19890526

L'invention se rapporte aux éléments chauffants qui comprennent une résistance électrique chauffante dispo- sée à l'intérieur d'un tube en verre fermé à une extrémité. Ces éléments sont employés pour le chauffage d'un fluide, généralement un liquide, contenu à l'intérieur d'une encein- te à paroi étanche. Le plus souvent, comme dans les ballons d'eau chaude, le fluide est sous pression à l'intérieur de l'enceinte. Le tube en verre de chaque élément chauffant traverse la paroi de l'enceinte pour être plongé dans le fluide sur la plus grande partie de sa longueur, avec son extrémité fermée située à l'intérieur, et son extrémité ou- verte située du côté de l'extérieur pour permettre le raccor- dement de la résistance électrique chauffante. A sa traver- sée de la paroi de l'enceinte le tube en verre est contenu dans un moyen de montage qui assure à la fois son maintien en position et l'étanchéité nécessaire. Divers moyens de montage sont connus et utilisés pour procurer ce résultat; ils ne sont pas l'objet de la présente invention et ne seront donc pas décrits en détail. On précisera simplement que l'invention est compatible avec les divers moyens de montage et peut servir avec n'importe lequel d'entre eux, ainsi qu'il apparaîtra plus loin. Les moyens de montage peuvent être conçus pour tenir en place hermétiquement soit un seul tube en verre quand il s'agit d'un élément chauffant unique à alimentation mono- phasée, soit trois tubes en verre parallèles proches les uns des autres quand il s'agit de trois éléments chauffants associés, à alimentation triphasée. L'invention est compati- ble aussi avec chacun de ces deux types de moyens de montage. L'emploi d'un tube en verre pour le logement d'une résistance chauffante électrique comporte plusieurs avantages qui sont bien connus des spécialistes et qu'il n'est pas nécessaire d'énumérer ici en totalité. On rappellera seulement que le verre qui compose le tube est choisi pour être transparent au rayonnement infrarouge; de ce fait, le fluide est chauffé directement par les rayons infrarouges qui traversent le tube en n'échauffant celui-ci que très peu de sorte que sa température reste de l'ordre de 60 à C. Cette température modérée, ainsi que la surface lisse du verre, ne sont pas favorables à la formation de dépôts gênants sur le tube en verre. Bien que le tube en verre apporte des avanta- ges appréciables, il a aussi un inconvénient important qui découle de sa relative fragilité. Il peut se briser, ou même seulement se fissurer, à l'intérieur de l'enceinte et se remplir du fluide à chauffer. Dans un tel cas, le fluide chauffé vient directement en contact avec la résistance électrique chauffante ou avec un conducteur d'alimentation électrique de cette résistance. Quant une telle situation s'établit, non seule- ment elle fait perdre les avantages du chauffage par infra- rouge à travers le tube en verre, mais elle comporte un danger grave pour toute personne qui se mettrait en contact direct avec le ballon ou avec des tuyauteries ou des robi- nets reliés à ce dernier sans être protégée par un moyen d'isolement électrique. En effet, un courant de quelques miliampères fait courir un risque d'électrocution à une personne; certaines normes limitent déjà à 6 mA l'intensité du courant de fuite auquel une personne peut être exposée accidentellement. Or, il n'existe actuellement aucun moyen permet- tant de détecter dès qu'elle se produit l'introduction du fluide chauffé, principalement de l'eau, à l'intérieur du tube en verre d'un élément chauffant. L'invention a pour but principal de perfectionner les éléments chauffants du type défini plus haut en y incor- porant un dispositif de sécurité capable de détecter l'entrée du fluide chauffé à l'intérieur du tube en verre de cet élément chauffant électrique. Le dispositif de l'invention nécessite pour son fonctionnement que le fluide en question soit conducteur de l'électricité. Mais c'est justement quand ce fluide conduit l'électricité que son entrée dans le tube en verre comporte l'inconvénient le plus grave qui est l'électrocu- tion possible d'une personne. Un élément chauffant servant au chauffage d'un fluide conducteur de l'électricité contenu dans un ballon à paroi étanche comprend une résistance électrique chauffan- te réunie à chacune de ses extrémités à un conducteur d'ali- mentation électrique respectif, un tube en verre ayant une extrémité fermée et une extrémité ouverte et contenant cette résistance électrique chauffante et les conducteurs d'alimentation électrique, un moyen de montage pour le mon- tage étanche de cet élément chauffant à travers la paroi étanche du ballon avec l'extrémité ouverte de ce tube en verre situé vers l'extérieur de ce ballon et permettant le raccordement électrique desdits conducteurs à un réseau d'alimentation électrique. Selon l'invention, il est ajouté, à l'intérieur du tube en verre, deux électrodes conductrices de l'élec- tricité qui passent à travers le moyen de montage pour être accessibles à l'extérieur de l'enceinte; ces élec- trodes peuvent êtreraccordées à un circuit électronique comprenant une source de courant électrique et un composant sensible à un courant de moins d'un milliampère circulant entre les deux électrodes, ce composant déclenchant en répon- se à un tel courant la coupure de l'alimentation électrique de l'élément chauffant. Selon un mode de réalisation préféré de l'in- vention, l'une des électrodes est reliée électriquement à l'un des conducteurs d'alimentation électrique de sorte que la source de courant électrique peut être constituée par le réseau d'alimentation électrique de l'élément chauffant. Quand l'élément chauffant comprend une résis- tance électrique blindée selon une variante avantageuse de réalisation de l'invention, la deuxième électrode est cons- tituée par l'enveloppe métallique extérieure de la résis- tance blindée. On donnera maintenant, uniquement à titre d'exemple, une description de deux modes de réalisation d'un dispositif de sécurité conforme à l'invention. On se repor- tera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe par un plan passant par l'axe d'un dispositif de sécurité selon l'inven- tion monté dans un élément chauffant à résistance blindée, - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 mais l'élément chauffant est à résistance nue, - la figure 3 est une vue en coupe selon III-III de la figure 2, - La figure 4 est un schma électrique d'un circuit de pro- tection pour le raccordement électrique d'un élément chauffant muni d'un dispositif de sécurité conforme à l'invention, - la figure 5 montre une variante du schéma de la figure 4. Les exemples représentés et décrits sont ceux d'un élément chauffant individuel, à alimentation électrique monophasée, qui se monte sur un ballon de fluide à chauffer (non représenté) à l'aide d'un raccord métallique en deux pièces, disponible dans le commerce. Ainsi qu'on l'a déjà dit l'invention n'existe pas l'emploi de ce moyen de monta- ge; elle peut être utilisée aussi avec d'autres moyens -de montage. Sur la figure 1, l'élément chauffant désigné par la référence générale 1 comprend un tube en verre 2 ayant une extrémité fermée 3 et une extrémité ouverte 4. A l'inté- rieur de ce tube en verre 2 est contenue une résistance électrique blindée 5 de construction classique bien connue. Une telle résistance blindée 5 a une enveloppe métallique 6 à l'intérieur de laquelle est disposé un fil résistant 7. Ce dernier peut ne s'étendre que sur une partie de la longueur de l'enveloppe métallique.Là o il n'existe pas, le fil résistant 7 est remplacé par un fil conducteur. Dans le présent exemple une première extrémité 7A du fil résistant 7 est réunie à un conducteur électrique 8 et celui-ci est tenu dans une douille métallique 6A qui obture hermétiquement une extrémité de l'enveloppe métallique 6. La seconde extré- mité 7B du fil résistant 7 est réunie à un conducteur élec- trique 9 qui s'étend en dehors de l'enveloppe métallique 6 par l'autre extrémité de celle-ci. A cette extrémité, le conducteur 9 est centré et isolé électriquement de l'enve- loppe métallique 6 par une masse isolante 10 qui obture hermétiquement cette enveloppe. A la face extérieure de celle- ci, à l'intérieur du tube en verre 2, est fixé un autre conducteur 11 qui s'étend parallèlement à la résistance élec- trique blindée 5 jusqu'à sortir du tube en verre 2. Ainsi le fil résistant 7 peut être alimenté en courant électrique par l'intermédiaire des conducteurs 9 et 11 qui servent d'éléments de connexion. A l'intérieur du tube en verre 2 est disposée une première électrode 12, conductrice de l'électricité, qui s'étend parallèlement à la résistance électrique blindée 5 mais en étant isolée de celle-ci. A cette fin, cette première électrode 12 est tenue à sa position par plusieurs rondelles isolantes 13, en matière résistante à la température, qui sont introduites avec un faible jeu à l'intérieur du tube en verre 2. Ces rondelles 13 ont un trou central 14 qui laissent passer l'enveloppe extérieure 6. La première électrode 12 peut s'étendre sur une faible partie ou sur presque la totalité de la longueur du tube en verre 2. Quand l'élément chauffant est utilisé en position verticale comme sur la figure 1, la première élec- trode 12 pourrait être très courte. Quand l'élément chauf- fant est utilisé en position horizontale ou voisine de l'ho- rizontale, il est nécessaire que la première électrode 12 s'étende sur presque toute la longueur-du tube en verre 2 et qu'elle se trouve dans la zone la plus basse de ce dernier pendant l'utilisation. La raison de ces dispositions est que la première électrode 12 doit être placée de façon à être rencontrée par la plus faible quantité de liquide qui pénétrerait à l'intérieur du tube en verre 2 et qui, bien entendu, aurait tendance à se rassembler dans la zone la plus basse de ce tube. Une deuxième électrode conductrice de l'élec- tricité peut être installée à l'intérieur du tube en verre au voisinage de la première électrode 12 et elle peut être tenue en place par les mêmes rondelles isolantes 13. Mais il est particulièrement avantageux, comme dans l'exemple décrit ici, d'utiliser l'enveloppe métallique 6 et le conduc- teur 11 qui lui est fixé comme deuxième électrode. L'ensemble qui vient d'être décrit se monte à travers la paroi d'un ballon à l'aide d'un moyen de monta- ge désigné par la référence générale 14 et qui est consti- tuée par un raccord métallique en deux pièces annulaires 14A, 14B qui se vissent ensemble. A l'intérieur de ces pièces 14A, 14B est placé un bloc 15 en matière isolante électriquement et ayant une certaine souplesse, par exemple en polytétraluoroéthylène (PTFE). Le bloc 15 est tenu à l'intérieur des pièces 14A, 14B au moyen d'une collerette extérieure 16 qui est serrée entre ces pièces; il présente vers l'intérieur du ballon une douille 17 sur laquelle s'enfile l'extrémité ouverte du tube en verre 2 jusqu'à rencontrer un épaulement radial 18. La pièce 14A a une gorge intérieure 19 qui contient un joint torique 20 s'appliquant contre la face extérieure du tube en verre 2. Dans le bloc 15 est creusé, à partir de sa face extrême tournée vers l'intérieur du ballon, un trou 21 pro- longé jusqu'à la face extrême opposée par un trou 21' de diamètre plus petit. Le trou 21 contient la partie extrême de la résistance électrique blindée 5 et le trou 21' laisse passer à l'extérieur du ballon et du moyen de montage 14 le conducteur 9. Il existe encore dans le bloc 15 deux trous parallèles 22,23 qui laissent passer à l'extérieur, en les serrant de manière étanche au fluide, respectivement la première électrode 12 et le fil conducteur 11. Cette des- cription fait bien comprendre que le bloc 15 pourrait avoir une autre configuration générale et pourrait être en une autre matière convenable dans un moyen de montage 14 réalisé autrement. la seule obligation du bloc isolant 15 en rela- tion avec l'invention est de laisser passer la première élec- trode 12 et, éventuellement, une deuxième électrode quand celle-ci n'est pas constituée par le conducteur 11 néces- saire à l'alimentation électrique du fil résistant 7. On notera que dans certains éléments chauffants connus, le conducteur 11 n'existe pas; l'enveloppe métalli- que extérieure 6 de la résistance électrique blindée traverse le bloc isolant 15 et elle est accessible à l'extérieur du ballon o elle peut servir d'élément de donnexion à la place du conducteur 11. Cette variante équivalente n'influe en rien sur l'invention; dans un tel cas, l'enveloppe métalli- que 6 peut constituer la deuxième électrode. Dans l'exemple décrit ici, la première électro- de 12 est un fil en acier inoxydable d'un diamètre de 1,2mm. II entre dans le cadre de l'invention d'employer comme pre- mière électrode, et éventuellement comme deuxième électrode quand celle-ci n'est pas confondue avec l'enveloppe métal- lique 6, toute autre manière de réaliser une telle électro- de, par exemple un dépôt de métal conducteur réalisé sur la face intérieure du tube en verre 2 le long d'une ligne droite ou en spirale, prolongée par une tige métallique à travers le bloc 15. La première électrode 12 et le conducteur 11 qui sert de deuxième électrode sont les éléments de conne- xion du dispositif de l'invention à un circuit électronique capable de détecter l'existence d'un courant inférieur à un milliampère (par exemple de 0,25 mA) entre les deux élec- trodes. Un tel courant n'existe pas quand l'intérieur du tube 2 est sec; il s'établit dès qu'un fluide conducteur de l'électricité pénètre à l'intérieur du tube en verre 2 par suite d'un défaut d'étanchéité de ce dernier et vient en contact avec les deux électrodes 12,11. Un montage électrique pouvant 4tre utilisé pour le raccordement des deux électrodes 12,11 est repré- senté sur la figure 4. De nombreuses variantes peuvent lui être apportées à l'aide de composants différents connus du spécialiste. Le montage indiqué en exemple comprend un cir- cuit de puissance qui commence par un interrupteur bipo- laire 24, raccordé à un fil de phase 25 et à un fil neutre 26 d'un réseau électrique. Apres l'interrupteur 24 se trou- ve un contacteur bipolaire 27 ayant un relais de commande. Les bornes de sortie du contacteur 27 sont reliées res- pectivement d'une part au conducteur 9, d'autre part au con- ducteur 11. La bobine 27A du relais est alimentée en courant continu par l'intermédiaire d'un pont redresseur 28 branché au réseau électrique à travers l'interrupteur 24 en aval de ce dernier. Sur les fils 29,30 de branchement du pont 28 se trouve un fusible F. Le circuit de détection d'entrée d'eau à l'in- térieur du tube eh verre 2 comprend l'électrode 12 et le conducteur 11 servant de deuxième électrode. Ces deux élec- trodes 11, 12 sont reliées l'une à l'autre par des fils conducteurs 31, 32. Le circuit de puissance et le circuit de détection sont couplés par l'intermédiaire d'un phototriac 33. Ce dernier comprend d'une part, une diode électrolumi- nescente 34 à laquelle aboutissent les fils conducteurs 31, 32 venant des électrodes 11,12, d'autre part, une photodiode 35 branchée entre les fils 29,30 du circuit de puissance, en aval du fusible F. Tant que le volume intérieur du tube en verre 3 n'est pas conducteur de l'électricité, le circuit de détection reste au repos. Si ce volume devient conducteur - par exemple par suite d'une entrée d'eau -, cette eau établit une liaison résistive entre le conducteur li qui sert d'électrode et l'électrode 12. Un courant circule alors dans le circuit de détection du fait de la différence de potentiel (celle du réseau électrique) qui existe entre les conducteurs 9 et 11. La source de courant électrique est donc le réseau électrique. Il suffit que ce courant atteigne quelques dixièmes de milliampère entre les électrodes 12, 11 pour que la diode 34 rende la photodiode 35 conductrice; le courant qui circule alors à travers le fusible F provoque la fusion de ce dernier. La bobine 27A n'est plus alimentéeet le contacteur 27 s'ouvre. L'élément chauffant n'est plus sous tension. Les figures 2 et 3 se rapportent à un élément chauffant dans lequel le fil résistant est nu. Les pièces identiques ou analogues sont designées par les mêmes référen- ces que sur la figure 1. On ne décrira pas en détail cet exemple de réalisation. On fera remarquer que le fil- résistant 7 est enroulé en spirale sur un noyau central 36 rigide en matière isolante électriquement et réfractaire à la chaleur. Les deux extrémités opposées 7A, 7B- de ce fil résistant 7 sont fixées respectivement à un conducteur 37 -qui joue le r8ôle du conducteur 9 de la figure 1- et à un conducteur 11. En outre, il existe à l'intérieur du tube en verre 2 deux électrodes 38 et 12, distinctes des conducteurs 11, 37. Des rondelles 13 isolantes électriquement tiennent ces pièces à leurs positions à l'intérieur du tube en verre 2 comme dans l'exemple précédent, Sur la figure 2, on n'a pas représenté le raccord métallique du moyen de montage 14 mais seulement le bloc 15. Sur la figure 4, la deuxième électrode 38 est représentée par un trait mixte; la référence 39 désigne le conducteur qui, en dehors du tube en verre 2, relie cette deuxième électrode 38 au fil électriqued'alimentation 11 du fil résistant 7. De cette façon, l'électrode 38 est portée comme précédemment au potentiel du fil conducteur 11. Il est possible, en supprimant le conducteur 39 d'utiliser deux électrodes 12', 38' totalement indépen- dantes des conducteurs 9, 11 d'alimentation du fil résistant 7 (figure 5). Ces électrodes 12', 38' sont reliées l'une au conducteur 32 l'autre au conducteur 31 qui sont aussi indépendants des conducteurs 9, 11 d'alimentation du fil résistant 7. Il existe alors sur le circuit de détection une source de courant S convenable afin qu'un courant s'éta- blisse dans le circuit de détection quand les deux électrodes sont mises en liaison électrique par un liquide conducteur. On notera qu'une variante possible au circuit de détection de la figure 4 consiste à brancher un thyristor entre les fils 29,30 en aval du fusible F et à relier son électrode de commande à l'une des bornes de la photodiode de façon que celle-ci commande la conduction de ce thyristor dès qu'un courant circule dans le circuit de détection. Cette variante permet de faire passer un courant plus intense (jusqu'à 2A) à travers le fusible F et en assure plus sûrement la fusion. Il existe des circonstances o l'élément chauffant ne traverse pas de manière étanche la paroi de l'enceinte qui contient un liquide à chauffer; par exemple il peut être suspendu à une paroi supérieure ou à un élément de paroi servant de moyen de suspension. Dans ce cas l'élé- ment chauffant à tube en verre 2 comprend au moins le bloc en matière isolante visible sur la figure 2 de sorte que l'invention est utilisable aussi dans ces circonstances. Il existe aussi le moyen de chauffage électrique appelé cartouche chauf- fante à haute performane composée d'une enveloppe métallique extérieure contenant le fil résistant alimenté par deux fils conducteurs sans uti- lisation de l'enveloppe extérieure pour la circulation du courant élec- trique de chauffage. Dans ce cas il est possiblede prévoir à l'intérieur du tube en verre soit deux électrodes indépendantes ommue les électrodes 38 et 12, soit une électrode indépendante et, en guise de deuxième élec- trode, l'enveloppe métallique de la cartouche. 1 1 REVENDICATIONS 1. Elément chauffant.électfique pour le chauf- fage d'un fluide conducteur de l'électricité dans une encein- te comprenant un fil résistant électrique (7) réuni à chacune de ses extrémités à un conducteur respectif d'alimentation électrique (9-8,6A,6, 11; 37-11), un tube en verre (2) ayant une extrémité fermée et une extrémité ouverte et contenant ce fil résistant et ces conducteurs, un moyen de montage (14) pour le montage de cet élément chauffant sur la paroi de l'enceinte, avec l'extrémité ouverte du tube en verre (2) située vers l'extérieur de l'enceinte, et permettant le raccordement électrique desdits conducteurs à un réseau d'alimentation électrique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre deux électrodes conductrices de l'électricité (12,11; 12,38; 12',38') situées l'une et l'autre à l'intérieur du tube en verre (2), passant à travers le moyen de montage (14) pour être accessibles à l'extérieur de l'enceinte o elles peuvent être raccordées à un circuit électronique comprenant une source de courant électrique et un composant sensible à un courant d'une fraction de milliampère circulant entre les deux électrodes, ce composant déclenchant en réponse-à un tel courant la coupure de l'alimen- tation électrique de l'élément chauffant. 2. Elément chauffant selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'une des deux électrodes est reliée électriquement à l'un des conducteurs d'alimentation élec- trique de sorte que ladite source de courant électrique peut être constituée par le réseau d'alimentation électrique de l'élément chauffant. 3. Elément chauffant selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'une des électrodes est confondue avec l'un des conducteurs d'alimentation électrique (11). 4. Circuit électronique pour le raccordement des électrodes d'un élément chauffant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend un phototriac (33) composé d'une diode électroluminescente (34) aux bornes de laquelle les électrodes sont raccordées et une photodiode (35) dont les bornes sont reliées à tra- vers un fusible (F) aux fils du réseau d'alimentation élec- trique de l'élément chauffant. 5. Elément chauffant selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'une au moins des électrodes est réalisée par un dépôt de matière électriquement conductrice sur la face interne du tube en verre (3). 6. Elément chauffant électrique selon la revendi- cation 1 dans lequel le fil résistant électrique est contenu dans une cartouche à enveloppe extérieure conductrice non utilisée pour l'alimentation de ce fil résistant, caractérisé en ce que l'une des deux électrodes est constituée par ladite enveloppe extérieure.