Brevet FR2652477A1 — publié le 19910329

La présente invention se rapporte au domaine des câbles chauffants. Il existe sur le marché deux types fondamentaux de câbles chauffants du type montés en parallèle qui sont en concurrence pour une très large utilisation dans les constructions résidentielles, commerciales et industrielles. Ces câbles com- prennent des éléments thermiques qui sont reliés en parallèle d'un point de vue électrique, soit de manière continue, soit par zones, afin d'assurer une densité active par longueur courante, sans tenir compte d'un changement de longueur du câble chauffant. Le câble chauffant du type à zone parallèle comprend deux ou plusieurs fils d'électrode parallèles isolés autour desquels est enrou6lé hélicoïdale- ment un fil de résistance. Les fils d'électrode sont alternativement dénudés sur leur longueur en des points ou zones séparés, permettant au courant de circuler dans le fil de résistance qui se réchauffe du fait de sa forte résistance. Le câble est ensuite recouvert d'une ou plusieurs gaines isolantes. Ce type de câble pré- sente des avantages: il est relativement bon marché et facile à fabriquer, et il at- teindra répétitivement une température prédéterminée lorsqu'une tension connue est appliquée aux fils d'électrode. Toutefois, il présente aussi certains inconvé- nients: il se détériore facilement et il possède un usage limité dans des situations o la température ambiante est variable, comme par exemple celles rencontrées lors du chauffage ou du maintien en température de produits sensibles. Le second type de câble est connu sous l'appellation de câble à autolimite ou auto-régulé. Il comprend deux ou plusieurs fils d'électrode parallèles qui sont noyés dans une matrice en polymère conducteur. Le montage primaire du câble est alors recouvert d'une ou plusieurs gaines isolantes. L'application d'une ten- sion aux électrodes entraîne le passage du courant dans la matrice conductrice et engendre de la chaleur. De manière classique, ce type de câble chauffant doit être réticulé pour pouvoir stabiliser les caractéristiques de fonctionnement du produit fini. A température de fonctionnement élevée, le flux de courant dimi- nue, du fait de la résistance accrue de la matrice en polymère. On comprendra alors que ce type de câble trouve un débouché favorable dans des cas de tempé- rature ambiante variable car il régulera sa puissance calorifique lorsque l'effet combiné de la température ambiante et de la chaleur fournie par le câble produit b 2 un changement de résistance dans la matrice. Comme la matrice conductrice est un composé, la puissance calorifique différentielle varie, ce qui entraîne des for- mations d'emplacements chauds et froids sur la longueur du câble fini. Ce type de câble chauffant est également caractérisé par un courant de démarrage impor- tant qui demande l'utilisation de câbles d'alimentation et de disjoncteurs surdi- mensionnés. L'objet de la présente invention concerne un câble chauffant peu onéreux possédant les avantages de chacun des câbles chauffants susmentionnés mais mi- nimisant ou éliminant leurs inconvénients. Dans son aspect le plus large, la présente invention concerne un câble électri- que chauffant comprenant au moins deux fils d'électrode collecteurs parallèles entre eux, lesdites électrodes étant reliées électriquement en pont en des empla- cements espacés grâce à un fil de chauffage ayant une plus grande résistance électrique que lesdites électrodes, ledit fil de chauffage étant fabriqué dans un métal ayant un coefficient de température positif (CTP) élevé et une forte résis- tivité. Dans les dessins qui illustrent la présente invention à titre d'exemple: la Figure l est une vue en perspective, partiellement éclatée, d'un mode de réalisation de la présente invention possédant deux ou trois fils d'électrode; la Figure 2 est une représentation du diagramme de puissance en watt/ft (pied) reportée en fonction de la température ( F) du câble de la présente inven- tion; la Figure 3 est un schéma du procédé de fabrication qui peut être utilisé pour réaliser le câble de la présente invention. En se référant d'abord à la Figure 1, le câble de la présente invention com- prend au moins deux fils d'électrode collecteurs (1) qui sont enrobés avec une gaine (2) à température nominale et isolée électriquement. Les fils d'électrode peuvent présenter une configuration parallèle côte-à-côte ou en spirale. La ma- tière isolante des électrodes est enlevée à intervalles réguliers (3) en alternance afin de mettre à nu les fils collecteurs. Un fil ou élément de résistance (4) pré- sentant un CTP (coefficient de température positif) est enroulé hélicoidalement autour du montage des fils d'électrode collecteurs. On observe que le fil de ré- sistance (4) relie l'électrode d'un côté à l'autre aux emplacements o les gaines isolantes sont retirées. Lorsque les électrodes sont reliées à la tension de l'ali- mentation, le courant passe dans le fil de résistance, provoquant sa montée en température et donnant au câble son pouvoir chauffant. Le fil de résistance (4) utilisé dans la présente invention possède des caracté- ristiques de CTP et il est fabriqué dans un alliage à propriétés CTP, par exemple un alliage à 70 % de nickel et 30 % de fer, commercialisé sous la marque KAN- THAL 70Ö de The Kanthal Corporation of Connecticut, ou BALCO ALLOY 400TM disponible auprès de Carponter Technology of Toronto, Ontario. Ce métal ayant un CTP élevé, présente un coefficient thermique de résistance d'en- viron +0,0043 à +0,0045 ohms/ohm/ C. Une couche supplémentaire de matériau d'isolation électrique est interposée entre lesdits fils d'électrode et ledit fil de chauffage, ladite couche supplémentai- re de matériau d'isolation étant retirée avec le matériau isolant de chaque fil d'électrode à r'endroit o ce retrait est réalisé pour permettre audit fil de chauf- fage de réaliser un contact électrique avec lesdits fils d'électrode. La présente invention prévoit aussi une couche de fibre de verre enroulée hélicoïdalement autour du fil de résistance. Le fil (5) de fibre de verre est en- roulé sur le câble grâce à l'utilisation d'un appareil utilisé pour entourer le fil de résistance sur un câble chauffant comme représenté schématiquement sur la Fi- gure 3. On a découvert que de cette manière une épaisseur de fibre de verre peut être appliquée sur l'ensemble du câble de trois à cinq fois plus rapidement qu'avec des techniques classiques de tressage. De plus, l'avantage apporté par la fibre de verre, c'est-à-dire la flexibilité qu'elle donne au câble tout en protégeant le fil de résistance contre toute rupture, demeure manifeste. Pour parachever la construction du câble, une autre couche (6) à températu- re nominale recouvre la couche de fibre de verre. La présente invention est également illustrée par les essais effectués sur le câble de la présente invention de la manière suivante. Déroulement des essais: Une longueur de 10 pieds (3 m) de VPC-501 à deux électrodes (terme utilisé par le déposant pour désigner le câble produit selon la présente invention) est placé sur l'appareil de vérification de puissance utile qui consiste en un tuyau de 2 pouces (50 mm) en acier au carbone relié à un système de circulation. Le tuyau est isolé avec 1,5 pouces (36 mm) de fibre de verre et recouvert d'une gaine thermique. Le système de circulation est mis en route et la température du tuyau est abaissée à la température désirée. Le câble est alors alimenté à la ten- sion nominale jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. L'intensité de courant est alors notée. Ce processus est répété pour plusieurs températures spécifiques. Les données sont enregistrées sous forme de diagramme pour déterminer la courbe des valeurs caractéristiques de puissance, les résultats étant représentés à la Figu- re 2. Résultats des essais: La température du tuyau a été portée de 25 F (14 C) à 150 F (66 C). Les va- leurs de l'intensité du courant ont été relevées et les puissances utiles calculées. Les résultats des essais sont illustrés graphiquement sous forme d'une courbe de puissance utile (watt/pied) par rapport à la température du tuyau ( F). Conclusion: La puissance utile du câble à l'quilibre décroît d'environ 13, 3 % de 50 F à F. D'après des références bibliographiques publiées sur le KANTHAL 70 (disponibles directement auprès de Kanthal Corporation), un changement de ré- sistance de 25 % est attendu pour cette gamme de température. L'écart vient de ce que la bibliographie concernant le KANTHAL s'appuie sur la température du cordon (élément de chauffage) et non sur la température du tuyau. Exprimé dif- féremment, la puissance d'équilibre (résistance du cordon) est fonction de la température réelle du cordon et non pas nécessairement de la température tuyau/ambiante. Un changement de 25 % ne se produirait que si la température du cordon va- riait de 50 F (10 C) à 150 F (66 C). Dans la réalité, l'élément VPC fonctionne dans une gamme de températures plus importante ou plus faible. Il faut noter toutefois que, du fait que les variations du coefficient de trans- mission thermique de la gaine s'accroissent lorsque la température s'accroît et que les différences de température gaine-cordon diminuent lorsque la consom- mation en watt diminue, les écarts de température du cordon pour des tempéra- tures du tuyau comprises entre 10 C et 66 C sont bien moindres. Les résultats température par rapport à la-puissance sont donnés cidessous, ainsi que dans la Figure 2. Diagramme de puissance du VPC-501 Température Wt/Ft W/M Changement en pourcenta (10 C) ge (à partir de 50 F) F (10 C) 17,16 56,28 F (24 C) 15,96 52,36 -7,0 % F (38 C) 15,48 50,78 -9,8 % 125 F (52 C) 15,36 50,39 -10,5 % F (66 C) 14,88 43,81 -13,3 % On comprendra que les exemples donnés ci-dessus n'ont pas pour but de li- miter la portée de la présente invention. Il est entendu que de nombreuses va- riantes seront évidentes pour l'homme expert dans la conception et la fabrication des câbles chauffants sans se départir de l'esprit de la présente invention. Les re- vendications annexées, interprétées correctement, constituent la seule limitation de la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Câble électrique chauffant comprenant au moins deux fils d'électrode col- lecteurs (1) parallèles entre eux, lesdites électrodes étant reliées électriquement en pont en des emplacements espacés grâce à un fil de chauffage (4) ayant une plus grande résistance électrique que lesdites électrodes, ledit fil de chauffage étant fabriqué dans un métal ayant un coefficient de température positif (CTP) élevé et une forte résistivité. 2. Câble électrique chauffant selon la Revendication 1, dans lequel chaque fil d'électrode collecteur est isolé électriquement, et ledit fil de chauffage est enrou- lé hélicoidalement autour desdits fils d'électrode collecteurs, le matériau isolant étant retiré desdites électrodes sur des emplacements distincts (3), en alternance sur un fil d'électrode puis sur le suivant et ainsi de suite, sur toute la longueur du câble. 3. Câble électrique chauffant enroulé hélicoïdalement selon la Revendication 1 ou 2, dans lequel le métal dudit fil de chauffage (4), possédant un CTP élevé, est un alliage formé d'environ 70 % de nickel et 30 % de fer. 4. Cable électrique chauffant selon la Revendication 3, dans lequel une cou- che supplémentaire de matériau d'isolation électrique est interposée entre lesdits fils d'électrode et ledit fil de chauffage, ladite couche supplémentaire de maté- riau d'isolation étant retirée avec le matériau isolant de chaque fil d'électrode à l'endroit o ce retrait est réalisé pour permettre audit fil de chauffage de réali- ser un contact électrique avec lesdits fils d'électrode. 5. Câble électrique chauffant selon la Revendication 3, dans lequel ledit métal ayant un CTP élevé présente un coefficient thermique de résistance d'environ +0,0043 à +0,0045 ohms/ohm/ C. 6. Câble électrique chauffant selon l'une quelconque des Revendications 1 à , dans lequel une couche isolante de fibre de verre (5) est enroulée hélicoidale- ment autour dudit fil de chauffage. 7. Câble électrique chauffant selon la Revendication 6, dans lequel une cou- che supplémentaire (6) de matériau d'isolation électrique est prévue sur ladite couche de fibre de verre.