Brevet FR2671830A1 — publié le 19920724

La présente invention decrit un dispositif simple, economique et de dimensions reduites permettant de - Transférer rapidement et efficacement les calories genérées par une resistance électrique à un fluide â rechauffer contenu dans une enceinte sous presssion ou dépression, le fluide étant soumis à un flux ou se trouvant imnobile. -Empecher le depassement de certains seuils de température des parois de l'élément chauffant en contact avec le fluide et en conséquence de la température du dit fluide. - De le loger dans des espaces restreints et de formes plus où moins compliquées et de le faire passer par un dispositif étanche et dielectrique, à travers la paroi de il enceinte contenant le fluide à réchauffer et le fixer rapidement sur celle-çi. L'élement chauffant est plat pour assurer une grande surface de contact pour un volume de matiere donne. Il est constitue'essentiellement de 1) Une resistance electrique composee d'une ou plusieurs pastilles 2 en matiere semie conductrice CrF ceramiques ou polymères semi conducteurs dont la courbe 3 de variations de resistance par rapport à la température à une allure telle que représentée sur les figures 1 et 2, et dont la zoné de fonctionnement normale est situee en deça de la température Tfl, zone dans laquelle les variations'de resistances sont faibles et donc la puissance generee est importante, cette temperature Tfl etant elle-meme tres en deçà de la temperature de basculement Tbl. Les CrF sont donc utilisés pour leurs seules caractéristiques de chauffage qui permettent, pour un volume de matière donnee, d'avoir une très large surface de contact dont 2 faces larges et une faible epaisseur (de l'ordre du mn). Le Le où les CrF 2 sont loges dans des alvéoles 4 decoupees dans une plaquette 5 réalisée dans une matière diélectrique qui, suivan les températures de fonctionnement, pourra être une resine epoxy renforcé, Téflon etc... et dont l'épaisseur 6 sera légèrement inférieure a l'épaisseur 7 des pastilles des CTP 2. (figure 2) Dans la description donnée nous avons retenu des pastilles de CrF en forme de disques car ce sont les plus couramment produites, mais il en existe également de forme rectangulaire et dont l'epais- seur est du même ordre de grandeur. De part et d'autre de la plaquette 5 dans les alvéoles de laquelle sont loges les CrF 2, sont fixées deux plaquettes métalliques 8 et 9 de faible epaisseur 10 et 11 de tordre du mn. pour assurer une rigidite mecanique suffisante de l'ensemble, réalisées dans un metal ou alliage très bon conducteur de l'électricité ét dont le coefficent de conductibilité calorifique est egalement très élevé. Pour des questions de prix, c'est en général du cuivre, du laiton, de l'aluminium. I1 faut que leur temperature de fusion soit superieure à la tempé rature de basculement Tb2 des CrF 2. Dans l'état actuel de la technique, les temperatures de basculement Tb les plus élevées ne dépassent pas 600 environ, mais ceci ne limite en rien l'invention suivant ltevolut-ion technique dans le futur. 3) Pour assurer un bon fonctionnement de ce système il faut que les plaquettes métalllqJ 8 et 9 soient très fortement serrées sur les PTC 2 pour assurer un bon contact électrique d'une part, et une bonne transmission des calories genérées par les PTC 2 d'autre part, pour que la transmission de calories au fluide soit aussi importante et que la difference de temperature entre les CrF 2 et les plaquettes 8.- 9 soit très faible. Différents procedes mécaniques existent tels que collage, vissage, rivetage en matériaux diélectriques, mais le plus efficace et le plus économique actuellement est le rivetage métallique à partir de rivets cuivre ou laiton creux ou pleins et c'est la solution qui sera retenue dans la description de la présente invention. Comne représente sur les figures 1 et 2, un rivet 12 traverse de part en part les plaquettes metalliques 8 et 9 ainsi que la plaquette dielectrique 5 et une rondelle en matériaux diélec trique 13 est inseree entre la tête de rivet et la plaquette 8 par exemple pour empêcher le court-circuitage électrique des plaquettes 8 et 9. Le trou dans la plaquette 5 etant suffisanment grand par rapport au diamètre du fut du rivet pour empêcher egalement tout court-clrcuitage electrique. 4) Pour reduire les coûts de production, quand les temperatures de fonctionnement le permettent, il sera utilisé des feuilles de circuit imprimé en époxy 14 avec revêtement une face de forte epaisseur 14bis actuellement 4/10ème compte tenu de l'état du develop -pement de la technologie à ce jour, mais bien évidemment non li- mitatif ultérieurement (figure 4 et 5). Dans ce cas, comme représenté figures 4 et 5, le système de fixation par rivetage est encore simplifie. La rondelle 13 est supprimée, et il est dégage sur la feuille de cuivre de 4/10ème 14bis, un évidement 15 qui evitera le courtcircuit entre les feuilles metalliques 14bis et 9. Et les alvéoles 4 pour loger le CrF 2 sont dégagees par fraisage sans attaquer la feuille 14bis de plus de 1/10ème de mn. Une telle technologie fait partie de la presente invention. 5) Pour realiser un d-ispositif de sécurité empechant les feuilles 14bis et 9 de passer une certaine temperature inférieure a la temperature Tbl de basculement des CTP2 et donc de couper le courant électrique de puissance, il est utilise également un CrF 16 mais dont les caracteristiques sont très differentes de celles des CTP2 servant de résistance electrique génératrices de calories. Le CrF 16 a une courbe 17bis de variation de la resistance en fonction de la température representee figure 21 à pente pratiquement verticale, à tres faible resistance dans toute sa zone de fonctionnement et dont naturellement la temperature de basculement Tb2 18 est nettement en deç de celle des CrF 2 de puissance, sinon les CrF 2 de puissance s'auto-réguleraient. Le CTP 16 est fixe sur la face 9 de la plaquette chauffante comne represente sur la figure 22 suivant une technologie identique à celle utilisé pour maintenir les CrF 2 de puissance, c'est-à-dire qu'il est loge dans une alveole 4 decoupee dans une feuille 18 de materiaux dielectrique qui pour simplifier le dessin est une feuille de circuit imprimé en résine epoxy recouverte d'une couche de cuivre 18bis epaisse de 4/10ème. Un dégagement est a effectuer 15 sur une des faces de cuivre de surface supérieure à la tête du rivet pour empêcher que le rivet 12 ne court-circuite les plaquettes 14 biset 18 bis. De plus, compte tenu de la déformation du rivet 12 surtout si c'est un rivet creux qui est utilisé, il est prevu une chemise 19 permettant d'isoler également electriquement le rivet 12 et la plaquette 9, mais une autre solution décrite plus loin est préférable. Le CrF 16 est connecte électriquement directement en série à la bobine d'un relais 20 suivant le schema representé figure 13. Comne il est traversé par un courant de faible intensité puisqu'il passe dans une bobine de relais et que la résistance du PTC 16 est tres faible, il n'y a pas de degagement de chaleur et le PTC 16 ne perturbe pas le bon fonctionnement du relais par création d'une difference de potentiel en fonctionnement normal. Le CTF 16 a une face en contact avec le fluide par l'intermédiaire de la plaquette 18bis et l'autre en contact avec le CTF de puissance 2 par l'intermédiaire de la plaquette 9. Sa température interne sera donc intermediaire entre la température du CTF 2 et celle du fluide, ma-is comme les echanges de calories dans un fluide sont beaucoup plus difficiles et longs que dans le metal bon conducteur de la chaleur constituant la plaquette 18bis, sa tempé rature interne sera beaucoup plus voisine de celle du CTF 2 que de celle du fluide. 3 Le dispositif permet donc d'empêcher que la temperature interne du CTF 2 ne monte de quelques degrés au delà de la temperature de basculement Tb2 du CTP 16. En définitive les courbes de resistance 3 du CrF 2 et 17bis du CrF 16 sont représentées sur la figure 20 qui décrit bien le phénomène. Le système fonctionne comme suit Il faut qu'il y ait une difference T entre la température de l'élément chauffant et celle du fluide pour que le transfert de calories s'effectue normalement et rapidement, surtout que dans le fluide les transferts de calories sont faibles, soit 400 envirion. Si pour une cause quelconque le fluide est imnobile-ou en fort ralentissement de son flux autour de l'élément chauffant, les calories générées par les CTP2 ne peuvent pas s'évacuer totalement à travers les plaquettes 14bis et 9 et sa température monte puisque son fonctionnement est toujours dans la zone de temperature de fort debit de calories Tf. Sa température interne atteint une valeur quelque peu superieure à Tb2 et dans ce cas, le relais coupe le circuit de puissance. II existe un écart t toujours important entre la temperature du fluide et l'élément chauffant qui est de l'ordre de-40 si bien que la coupure intervient pour une température du fluide de l'ordre de Tb - 40 environ compte tenu des pertes de calories de l'enceinte vers le milieu ambiant, ou pour des phénomènes de faibles thermosyphons dans le fluide autour de l'élément chauffant 1 la temperature de ce dernier diminue, donc celle de 9 et celle du CrF 2 donc également celle du CTP 16 dont la temperature descendra en dessous de la température de basculement Tb2 et le relais rétablira le contact du circuit electrique de puissance. Suivant un grand nombre de paramètres dont les fuites de calories vers l'extérieur, le volume de fluide dans l'enceinte etc... l'écart de temperature t entre l'élément chauffant et le fluide se réduira, et apres -un temps plus ou moins long se rapprochera de la température Tb2 tout en lui restant toujours inférieure. 6) Pour des problèmes d'espace disponible, l'élément chauffant n'est pas necessairement plan mais peut-être constitué de segments 22bis de plans inclines l'un par rapport à l'autre et d'angles variables. Pour se faire,il suffit de decouper la plaquette diélectrique 5 (ou 18) suivant une fente de forme 21 ou 2lbis du côte oppose au depôt de cuivre de 4/10ème et de plier ensuite les plaquettes métalliques en conséquence suivant figure 14 à 19. La solution des figures 17 et 19 donne une position de pliure ainsi qu'une pliure plus precise surtout si on désire réaliser une pliure avec un angle é 90" en partant d'un fraisage conique à 90". On a ainsi des formes telles que representees figure 23 si on veut loger l'élément chauffant dans un tronçon de secteur cylindrique de faible epaisseur par rapport au diamètre extérieur ou un élément chauffant est composé de'2 segments 22 ou il est prévu deux CrF de puissance 2, ùn par un segment. Pour permettre la realisation satisfaisante du dispositif de passage du courant électrique à travers la paroi de l'enceinte contenant le fluide ainsi que pour relier l'élément chauffant solidement à l'enceinte, il est nécessaire de ne sortir qu'avec 2 plaquettes et donc de faire passer le courant electrique de la plaquette 9 sur une des faces extérieures des plaquettes 14 ou 18 et de préférence la plaquette 18 car son revêtement 18bis ne doit transmettre qu'un faible courant électrique alors que la plaquette 14 transmet un courant de puissance. On réalise ceci én utilisant un rivet 29 métallique de cuivre ou un de ses alliages plein ou creux comme représenté figures 8 et 9 après avoir dégagé sur le revêtement 18bis une échancrure 30 permettant d'isoler électriquement les pistes 31 et 32. 31 est le prolongément électrique de la plaquette 18bis. La piste 32 est le prolongement électrique de la plaquette 9 par l'intermédiaire du rivet 29. Pour réaliser pratiquement une telle connection et assurer sur l'élément chauffant des échancrures évitant d'avoir des surfaces toujours lisses,au droit du rivet 29 il est decoupé dans la plaque epoxy 14 une entaille- 24 suffisamment large pour faire passer la tête du rivet 29 située à l'extrémité devant passer à travers la paroi de l'enceinte contenant le fluide à réchauffer. Donc les plaquettes 14 et 18 ont leur largeur reduite de 26 à 22 pour plusieurs raisons - ceci crée un epaulement 27 sur les plaquettes - ceci diminue l'ouverture à pratiquer dans la paroi de l'enceinte. Il est prevu dans la paroi de l'enceinte un bossage 34 dont le diamètre intérieur 28 a été determiné pour permettre l'introduction par l'intérieur de. l'enceinte (ouverte au préalable) compte tenu de la longueur et de la largeur des extrémités des plaquettes, du vo lume et de la forme de l'enceinte ou doit se loger l'élément chauffant ainsi que les dispositifs specifiques de ce dernier vers l'ex- terieur. L'intérieur du bossage 34 est taraude d'un pas quelconque sur une certaine profondeur 35. De même une rainure de profil quelconque 36 est pratique sur une certaine profondeur 37. 35 et 37 etant plus courts que la profondeur du bossage 23. Il est ensuite prevu un "bouchon" 38 en un élastomère tel que néoprène silastene etc... qui nta pas pour but de participer à la resistance de l'ensemble mais qui est une pièce de montage non récupérable. Ce bouchon possède en son centre une fente rectangulaire 39 dans laquelle sont emmanchées les deux plaquettes 14 et 18 et dont les dimensions soient telles qu'il y ait un léger pinçage. Le bouchon 38 a une surface dont le diamètre 40 est egal à la largeur 26 des plaquettes de l'élément chauffant et sur sa face opposée possède un bossage circulaire dont le diamètre .42 légèrement supérieur au diamètre 28 du bossage 34 et dont la profondeur soit inférieure à la différence entre la profondeur 23 du bossage 34 et la profondeur du taraudage 35 et rainure 37 On introduit les pattes 22 des plaquettes 14 et 18 dans l'ouverture 39 du bouchon 38, on vient faire buter sa plus grande surface sur les épaulements 27 des dites plaquettes. Au montage en introduisant les pattes 22 des plaquettes 14 et 18 dans l'intérieur du bossage 34 on fait pénétrer la partie circu laire 41 de diamètre 42 dans l'ouverture 28 de la paroi du bossage. Il y a également pincement entre 38 et 34 si bien que les contacts 43 et 43bis de ce bouchon assurent l'ét,anchété à un liquide sous très faible pression et ayant une viscosité supérieure à l'eau comme c'est le cas pour les résines synthetiques. On place ensuite le bossage 34 en position verticale et on coule en son intérieur une resine synthétique mono ou bicomposante dont les caracteristiques sont sélectionnées essentiellement en fonction de la temperature de chauffage du fluide, de sa capacité d'adhérence aux parois métalliques des plaquettes ainsi que de l'intérieur de bossage 34, de sa résistance finale mécanique après traitement thermique ainsi que de sa tenue chimique en contact avec le fluide à chauffer. L'interieur du bossage est rempli jusqu'à ses lèvres extérieures 44. La résine qui est fluide a pénétré dans la cavité 24 de la plaquette 14 qui-a servi à positionner- le rivet 29, elle a penetré l'em- preinte 36 le Fong de l'arête et le filetage 35 sur toute sa longueur. Le bouchon 38 n'a servi qu'à empêcher la résine de se répandre pendant coulage et même s'il y a un léger suintement le long des plaquettes 14 et 18 et le long de l'intérieur 43 du bossage 34,ceci n'a pas d'importance. Après traitement thermique ltelement chauffant est parfaitement maintenu en position, il ne peut plus se déplacer le long de l'àxe du bossage grace au filetage 35 ni pivoter grace a la constitution d'une clavette en résine dans l'empreinte 36. il est nécessaire de ne sortir qu'avec 2 plaquettes pour éviter tout risque de passage de fluide entre la plaquette. métallique 8 et la plaquette 18, ou introduction d'air en cas de dépression de L'enceinte contenant le fluide. Le dispositif tel que décrit s'applique parfaitement tant que le fluide à réchauffer est dlélectrique, par exemple le gazole. Si le fluide n'est-plus diélectrique et que l'on veuille se proté- ger contre tout court-clrcultage possible avec le fluide et l'élé- ment chauffant 1, par exemple des émulsions à base d'eau, il faut alors protéger le tout par un enrobage diélectrique mince pour ralentir le moins possible les échanges calorifiques entre fluide et élément chauffant l car ces diélectriques ont rarement un bon coefficient de conductibilité thermique. Il faut aussi se protéger contre toute attaque chimique des dif férents composants de l'élément chauffant 1 par le fluide. Dans la plupart des cas, un mince revêtement Téflon fera llaf- faire mals ceci soit modifiera les températures de fonctionnement, soit il faudra prendre d'autres CTP que ceux retenus quand iln'y a pas de protection, dielectrlque. A la sortie du bossage 34,11 peut-être prévu la connection des pistes 31 32 14bis à tout, autre circuit électrique ou électronique placé parallèlement en formant un angle entre elles en général perpendiculaire. En éliminant la plaquette époxy pour ne plus laisser subsister que le dépôt de cuivre de 4/10 ème, il est alors utilisé celui-çi après découpe comme pièce male d'un connecteur type AMP 48 figure 28 et 29 ou conne patte 49 support et-de connection figure 32. Le circuit électrique peut supporter par exemple le relais 20. Il peut recevolr également d'autres signaux électriques ou Electro- niques cornue par exemple ceux d'un senseur de température soit de lexterieur, soit du fluide après sortie de l'enceinte de réchauf fage etc... et en définitive permettre de ne prévoit qu'un bornier 2 bornes pour la connectfsn au réseau d'alimentation générale. De plus pour protéger et rigi-difier cet -ensemble de circuits élec trlqúes et ou électroniques, il est possible de noyer l'ensemble dans un bloc de résine ou matériaux synthétIques lui assurant la rigidité suffisante ainsi que le protégeant de toute attaque exté rieure. -111 n'a pas été traité du problème de la nature de l'écoulement de fluide autour des parois-14bis et 18bis de l'élément chauffant I qui contrôle son fonctionnement. Quand l'enceinte contenant le fluide à réchauffer est située dans un milieu ambiant soumis a des vibrations importantes connues L'élément chauffant disposé dans l'enceinte est tel que le flux de fluide autour de ce dernier ne soit ni laminaire ni turbulant par faitement contré pour assurer par brassage une bonne homogénéTté de la température du fluide. L'écoulement est tel au contralre qu'il soit semi-turbulant avec une dispersion aléatolre des'filets fluides léchant ses parois de telle sorte que certains filets fluides soient portés a une tem pérature voislne-de celle des plaquettes métalliques 8 et 9 ou 14bis et 18bls alors que la température moyenne du dit fluide est sensiblement inférieure. c'est le cas par exemple pour les''installations sur véhicules a moteur à combustion interne. Il peut autre nécessaire de maintenir l'extrémité libre de l'élément chauffant par un dispositif empe- chant ses déplacements par flexibilité élastique principalement dans les plans des pliures. Dans ce cas, un procédé consiste a bloquer l'extrémité du dernier segment sur une des faces d'appui dans un bossage 45 fendu con fort mément aux figures 24 a 27 avec blocage également sur l'extrémité de la plaquette, ce bossage de' même matériaux que la paroi de l'en- ceinte 46 peut tore venu de fonderie ou moulage avec une des surfa ces de enceinte si cette dernière est réalisée suivant ces techniques. Si la matière est métallique, 11 est alors nécessaire de prévoir sur le dernier segment de l'élément chauffant 7 un dégagement 47 des revetements 14bis et 18bis comme représenté sur les figures 25 à 27. A noter que la présente inventIon s' applique en particulier au réchauffage du gazole par logement d'unéiément chauffant tel que décrit logé danse la tete de filtre du gazole, cette dernière cons tituant l'enceinte soumise à pression ou dépresslon suivant la position de la pompe de-balayage et/ou pompe d'injection ou des injecteurs à pompes par rapport au filtre et ou préfiltre du cir :qult du gazole,entte le réservoir et les Injecteurs. REVEND I CAT I ONS Revendication n01 Dispositif de chauffage electrique d'un fluide contenu dans dans une enceinte pressurisée avec limiteur de température caractérise en ce que: le ou les éléments chauffants sont plats et minces et leurs parois bonnes conductrices de la chaleur et de l'electricite, le limiteur de température est fixé sur une des parois de l'élément chauffant et assure la coupure du courant d'alimentation principal quand sa temperature qui est fonction de la température de la paroi de l'élément chauffant ainsi que de celle du fluide ambiant dépasse une valeur prédéterminée. - Il se loge dans des espaces restreints, -penètre dans la dite enceinte par un dispositif etanche et electrique. Revendication n02 Dispositif selon revendication n"l caractérisé en ce que les éléments chauffants sont constitues par des plaquettes métal liques 8 et 9 de faible épaisseur realisees dans un métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité tel que cuivre, laiton aluminium situes de part et d'autre et appuyant fortement sur chacune des 2 faces de pastilles des CTF de puissance 2 constituant resistances electriques, les caractéristiques principales de ces CrF étant d'avoir une courbe 03 figure 3)de variation de la resistance interne en fonction de la température telle que leur température de basculement Tbl soit très sensiblement supérieure à la zone de température de fonctionnement normale TF1 des dispositifs de chauffage, et'une très faible resistance interne dans la zone de température du dit fonctionnement normal. Révendication n"3 Dispositif selon revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif limiteur de température est constitue par un CrF 16 logé dans une alvéole 17 creusée dans une plaque de matière diélectrique en résine epoxy ou autre matière isolante d'épaisseur légèrement inférieure a l'épaisseur du CTF 16, dont une des faces appuie sur une des plaquettes 9 de l'élément chauffant et l'autre fortement sur une plaquette 18 bis réalisée en.métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité tel que cuivre, laiton, aluminium, dont la courbe 17 bis figure 21 de variation de la résistance interne en fonction de la température est telle que sa température de basculement TB2. constitue la limite supérieure de la température de fonctionnement normale TFl de l'élément chauffant et dont la resistance interne soit très. faible dans toute la zone de temperature de fonctionnement normal TE1 , ce qui entratne une courbe dont la pente est quasi verticale autour de la température de basculement Tb2, et qui est branché électriquement suivant schéma figure 13 en série avec la bobine d'un relais coupant le courant d'alimentation prlncipal atix CrF de puissance 2 quand la température de fonctionnement de l'élément chauffant dépasse une valeur predéterminee portant ainsi les températures du CTP 16 au delà de sa température de.basculement Tb2. Revendication n" 4 Dispositif selon revendication 1 ét 3 caractérisé en ce que le serrage des plaquettes métalliques 8 et 9 et 18 bis est assuré par des rivets métallique 12 avec insertion de rondelles diélectri- ques 13 pour éviter les court circuits entre les différentes plaquettes métalliques. Revendication no 5: Dispositif selon revendication 1 a 3 caractérisé en ce qu'il est utilisé pour sa réalisation des plaquettes de circuit imprimé en époxy 14 avec revtement.une face forte épaisseur 14 bis(actuellement i8/100 à 4/10ru compte tenu de l'état de développement actuel de la technique mais. non limitatif ultérieurement) et en ce que, au droit des rivets pour éviter les court circuits par exemple entre les feuilles métalliques 14 bis et 19 - 18 bis, il est prévu un évidement 15 dans la feuille 14, et en ce que les alvéoles pour loger les CTP 2 et 16 sont découpees par fsraisage dans ltepoxy pour mettre a nu les faces internes des feuilles de cuivre sans en