Brevet FR2690978A1 — publié le 19931112

Il est connu des équipements, généralement dits radiateurs, destinés à réchauffer un fluide en circulation, à partir d'une source d'énergie électrique. De tels équipements sont essentiellement composés de surfaces d'échange calorifique, le long desquelles circule le fluide à réchauffer. Ces surfaces d'échange peuvent être, soit directement des conducteurs électriques, convertissant l'énergie électrique qui leur est appliquée, en chaleur par effet Joule, soit des surfaces auxiliaires, dites aussi "ailettes de dissipation", chauffées indirectement par un conducteur électrique dont elles sont électriquement isolées. Les conducteurs électriques ou "résistances" sont très souvent métalliques et présentent, dans ce cas, une caractéristique de conductibilité faiblement décroissante en fonction de leur température. De tels radiateurs sont fréquemment utilisés pour assurer le chauffage de locaux et d'enceintes. Dans les applications de confort thermique, la commodité d'utilisation de tels équipements, conduit fréquemment à exploiter ces "radiateurs" comme moyen de chauffage d'appoint mobile dans les locaux d'habitation ou comme système de chauffage électrique de véhicules automobiles. Plus particulièrement dans ces derniers cas, l'exploitation de ces radiateurs pose un problème délicat de sécurité lié au fait que l'énergie dissipée par des résistances de ce type ne dépend pratiquement que de la tension d'alimentation qui leur est appliquée. Ainsi, lorsqu'accidentellement, et pour quelque cause que ce soit, le débit de fluide pour lequel ces équipements avaient étés prévus se trouve réduit ou, à plus forte raison, interrompu, les températures de fonctionnement des résistances peuvent s'élever sans limite et, de ce fait, faire courir de graves dangers à l'environnement. 1 Pour palier à cet inconvénient , les équipements commercialisés sont équipés de dispositifs de sécurité, chargés de couper l'alimentation électrique en cas d'élévation anormale de température.De tels systèmes restent cependant eux-mêmes susceptibles de défaillance et ne peuvent être considérés comme offrant une sécurité absolue. Avantageusement les résistances électriques à conducteurs métalliques équipant ces radiateurs peuvent être remplacées par des céramiques semi-conductrices qui présentent l'avantage d'avoir une caractéristique de résistivité électrique fortement croissante avec la température. Ainsi, en cas de fonctionnement anormal, tel qu'évoqué précédemment, entraînant le risque d'élévation exagéré de température, l'accroissement de valeur ohmique de ces résistances tend à limiter le courant qui les traverse, et donc l'énergie qu'elles ont à dissiper, assurant ainsi une protection efficace contre tout danger d'élévation anormale de température. Ce type de résistance se prête malheureusement mal à des productions de grande série à coût compétitif, ne permet la réalisation que de radiateurs de petites dimensions et de faible puissance et ne présente pas toutes les qualités requises d'isolation électrique vis-à-vis de son environnement. La présente invention concerne des équipements de transformation d'énergie électrique en chaleur présentant, par rapport aux conceptions antérieures, toutes garanties de sécurité pour un coût faible de production. L'invention se caractérise par le fait que la tension d'alimentation électrique destinée à assurer le dégagement calorifique est appliquée à deux électrodes conductrices immergées dans une faible quantité d'électrolyte enfermé dans une enceinte présentant une grande surface de dissipation dans la zone d'écoulement du fluide à réchauffer. De manière préférentielle, bien que sans sortir du cadre de l'invention, tout autre liquide conducteur puisse être utilisé, l'électrolyte peut être simplement de l'eau additionnée d'un sel la rendant conductrice. Ainsi, en fonctionnement, la tension appliquée aux électrodes engendre-t-elle un courant au travers de l'électrolyte, lequel se comportant comme une résistance électrique passive subit un échauffement calorifique. Sous l'influence de ce dégagement de chaleur, une partie de l'électrolyte se vaporise et la vapeur produite s'élève dans l'enceinte pour gagner les surfaces externes de celle-ci en contact avec le fluide à réchauffer, s'y condensent en cédant à cette paroi leur énergie de condensation, pour finir, par gravité, par retomber dans la partie basse de l'enceinte, sous forme de gouttelettes, ou elles se mélangent au reste de l'électrolyte au sein duquel baignent les électrodes. Le cycle de vaporisation-condensation, ainsi décrit, se poursuit tant que la tension électrique reste appliquée aux électrodes et que le débit fluide s'écoulant à l'extérieur de l'enceinte est susceptible d'évacuer l'énergie thermique dégagée dans l'électrolyte. On sait, que lorsqu'un fluide est en ébullition dans une enceinte fermée, une pression s'établit dans l'enceinte à un niveau qui ne dépend que de la nature de ce fluide et de la température commune du liquide et de la vapeur. Dans le cas du dispositif, objet de la présente invention, la température s'établit à un niveau tel que la puissance calorifique dégagée par le passage du courant électrique dans l'électrolyte, soit transmise au flux d'air à réchauffer, au travers des parois de l'enceinte. Il est connu que la puissance calorifique, ainsi transmise au travers d'une paroi, est fonction à la fois de l'importance de la surface d'échange séparant les fluides, de l'écart de température entre ceux-ci et d'un coefficient d'échange superficiel, lequel dépend de la nature et de la vitesse d'écoulements des fluides le long des parois. Il ressort, dans le cas de l'invention, que si pour une quelconque raison, les conditions d'échange calorifique entre le flux d'air et les parois de l'enceinte venaient à diminuer, par exemple, par défaut de circulation du fluide extérieur, la température de vapeur nécessaire à assurer l'évacuation de la puissance dissipée tendrait à augmenter, et que par là même, la pression de vapeur à l'intérieur de l'enceinte tendrait à s'élever. Selon l'invention, à la base de l'enceinte, dans sa partie contenant de l'électrolyte sous forme liquide, est raccordée une capacité auxiliaire, déformable sous l'effet de la pression. Selon la caractéristique essentielle de la présente invention, l'accroissement de température de l'électrolyte, au delà de celle pour laquelle le système est prévu de fonctionner, dû à un défaut d'échange vis-à-vis de l'extérieur, tendant à accroitre la pression interne dans l'enceinte, tendrait par là même, à accroître le volume interne de la capacité auxiliaire. Celle-ci s'emplirait alors d'électrolyte en phase liquide, au détriment de la quantité de cet électrolyte dans l'enceinte principale. Ainsi, l'accroissement de pression dû à un défaut d'élimination thermique entraîne-t-il une baisse de niveau de l'électrolyte liquide dans l'enceinte principale, cette baisse de niveau réduirait d'autant la surface mouillée des électrodes qui y baignent, accroissant ainsi la résistivité électrique de l'ensemble et par là même, la puissance thermique dissipée. A la limite, si la dissipation extérieure de chaleur ne pouvait s'effectuer sans élévation exagérée de température, une part suffisamment importante de l'électrolyte en phase liquide migrerait-il vers la capacité auxiliaire pour que l'une, au moins, des électrodes se trouve ne plus être immergée dans l'électrolyte, interrompant ainsi le passage du courant électrique, et arrêtant donc toute dissipation thermique. De la sorte, le dispositif ainsi constitué, assure-t-il une parfaite adaptation de la puissance électrique fournie au système, à celle que celui-ci est capable d'évacuer sans dommage et surtout sans risque de montée intempestive de température. Pour mieux comprendre le fonctionnement du dispositif, il peut être utile de se reporter à la figure I, laquelle représente schématiquement un équipement selon l'invention. Sur cette figure, on peut voir une capacité principale (1) essentiellement constituée en partie basse d'un réceptacle à électrolyte (2) en large relation avec, en partie haute, une capacité (3) destinée à transmettre la chaleur dégagée à un débit de fluide passant, ici, au contact d'ailettes dissipatrices de chaleur (4), pour former une enceinte close et étanche, en communication avec une capacité auxiliaire déformable sous l'effet de la pression (12), par l'intermédiaire d'un conduit (14), dont l'extrémité (15) en relation avec la capacité principale (2) se fait à la base de celle ci, ou tout au moins, dans la zone ou la dite enceinte contient l'électrolyte en phase liquide. Sur cette figure, nous pouvons voir également, deux électrodes (5) et (6) immergées dans l'électrolyte (7) emplissant partiellement la partie basse de la capacité principale (1). Sur cette figure, les deux électrodes (5) et (6) sont représentées, schématiquement raccordées à un générateur électrique (8) par des conducteurs (9) et (10) et l'intermédiaire d'un interrupteur (11). Les électrodes (5) et (6) passent au travers de la paroi de la capacité inférieure (2), d'une manière qui assure à la fois l'étanchéité à l'électrolyte et l'isolation électrique entre les dites électrodes. De manière préférentielle, la capacité (2) de l'enceinte (l1 peut, à cet effet, être réalisée en matière isolante, telle qu'unie matière plastique. La capacité (3) formant la partie supérieure de l'enceinte (1) peut être munie de dissipateurs de chaleur, sous forme d'ailettes conductrices de la chaleur (4). A cet effet, la capacité (3) peut, de manière préférentielle, être construite en matériaux conducteurs de la chaleur, métalliques, par exemple, et assemblée par des moyens appropriés connus par ailleurs, avec la capacité basse (2) de manière à former une enceinte étanche.Un exemple d'un tel assemblage est donné à la figure VI qui représente la coupe d'un échangeur conforme à l'invention dans une disposition proche d'une réalisation industrielle. Sur la figure I nous pouvons voir encore un ressort (13) représentant schématiquement un moyen approprié à contenir les déformations de la capacité auxiliaire (12) de telle sorte que les déformations de cette capacité soient liées à la pression de l'électrolyte qu'elle contient. Sans sortir du cadre de l'invention, un vide partiel, obtenu par élimination de la quantité d'air qu'il contenait, peut être réalisé dans l'enceinte close (1) lors de sa réalisation. Dans ce cas, la pression atmosphérique peut, à elle seule, remplir la fonction réservée, dans l'exemple précédent, au ressort (13), et contenir les déformations de la capacité auxiliaire (12) La figure I montre le dispositif objet de la présente invention dans les conditions de marche normale du système, ctest-à-dire dans des conditions de débit de fluide au contact des ailettes dissipatrices de chaleur, telles que la puissance thermique échangée entre les dites ailettes et le débit fluide, s'opère pour une température ne faisant courir aucun risque à l'équipement ou son entourage. A la fermeture de l'interrupteur (11), le courant électrique produit par le générateur (8) circule dans les conducteurs (9) et (10) pour parvenir aux électrodes (5) et (6) immergées dans l'électrolyte (7) lequel faiblement conducteur de l'électricité, se comporte comme une résistance électrique classique en s'échauffant sous l'influence du courant qui le traverse selon les règles connues de la loi d'Ohm. L'énergie ainsi dissipée, dans un premier temps, sert à élever la température de l'électrolyte pour l'amener rapidement, de sa température initiale vers sa température d'ébullition pour la pression régnant dans l'enceinte (1). Parvenu à cette dite température d'ébullition, l'énergie électrique dépense dans l'électrolyte sert alors à assurer la vaporisation d'un certain débit d'électrolyte. La vapeur, ainsi produite, emplit progressivement la capacité supérieure (3) de l'enceinte (1) venant réchauffer les parois de la dite enceinte et par là, les ailettes dissipatrices (4), avec lesquelles elles sont en contact, qui à leur tour cèdent l'énergie thermique reçue au débit de fluide qui les baignent. Cet échange de chaleur entraîne alors la condensation de la vapeur le long des parois de la capacité supérieure (3) et les condensats ainsi produits s'écoulent par gravité vers la partie inférieure (2) de l'enceinte (1) pour rejoindre la partie liquide de l'électrolyte (7) en cours d'ébullition.Une circulation permanente s'établit donc, l'électrolyte vaporisé s'élevant en phase vapeur, depuis la partie basse de l'enceinte où il se trouve en phase liquide, pour aller se condenser sur les surfaces refroidies de la partie haute de l'enceinte d'où il retombe en phase liquide, par gravité, vers la partie inférieure de l'enceinte. Ce mouvement se poursuit, tant que l'alimentation électrique du système est maintenue et tant que le débit de fluide à réchauffer est suffisant pour assurer le dégagement de l'énergie électrique dissipée pour des conditions convenables de température de l'ensemble, faisant régner dans l'enceinte une pression n'entraînant pas une déformation de l'enceinte auxiliaire (12) suffisante à entraîner une baisse sensible du niveau d'électrolyte dans la capacité (2). La figure II montre le même dispositif dans les conditions de marche s'écartant de la normale, c'est-à-dire dans des conditions ou le débit de fluide au travers des ailettes dissipatrices de chaleur, serait tel que la puissance thermique nominale de l'appareil ne pourrait plus être échangée entre les dites ailettes et le débit fluide, pour le niveau de température prévue. Si pour une raison"quelconque, le débit de fluide à réchauffer venait à diminuer en-dessous de la valeur pour laquelle le système est conçu, les échanges calorifiques entre les parois extérieures de la capacité (3) et les ailettes de dissipation (4) se feraient plus difficiles, et nécessiteraient, pour évacuer la même quantité d'énergie thermique, une élévation de la température des parois audessus des valeurs antérieures. Cette élévation de température ne pourrait se produire sans que, de manière concommitante, la pression de vapeur d'électrolyte dans l'enceinte (1) ne s'élève également. Cette élévation de pression, intégralement transmise à l'électrolyte en phase liquide dans la capacité (2) viendrait s'appliquer aux parois de la capacité déformable (12), laquelle sous l'effet de cette pression, en comprimant le ressort (13) accroîtrait sa capacité.Cet accroissement de volume de la capacité auxiliaire (12) entraînerait la migration d'une partie de l'électrolyte de la capacité principale (2) vers la capacité auxiliaire (12), abaissant ainsi le niveau de ltéléctrolyte dans la capacité (2). Cette baisse de niveau entraînerait alors un accroissement de la résistance électrique de l'électrolyte, réduisant d'autant l'énergie électrique absorbée par le système, donc la quantité d'énergie à dissiper vers le fluide à réchauffer, par là même, tendrait à abaisser la température de parois nécessaire à cette évacuation, de manière à contenir celle-ci dans des limites acceptables pour la sécurité du système. La figure III montre toujours le même dispositif dans les conditions extrêmes de fonctionnement ou le débit de fluide au travers des ailettes dissipatrices de chaleur, serait totalement interrompu, l'appareil ne pouvant ainsi plus être en mesure d'échanger d'énergie avec l'extérieur sans élévation intempestive de température. Cet état de fonctionnement ne serait que le résultat de la poursuite du cas précédent vers une situation encore plus critique où la température tendant encore à s'accroître, entraînerait une élévation encore plus importante de pression dans l'enceinte principale, laquelle communiquée à l'enceinte auxiliaire (12) viendrait encore, plus comprimer le ressort (13) entraînant la migration vers celle-ci d'une partie suffisante d'électrolyte pour faire émerger totalement l'une au moins des électrodes. Dans ce cas, le courant électrique ne pouvant plus passer au travers de l'électrolyte, plus aucune puissance ne serait alors fournie au système, supprimant ainsi tout risque d'élévation supplémentaire de température On conçoit donc, que le système ainsi réalisé, assure en permanence une parfaite adaptation de la puissance thermique dissipée aux possibilités d'évacuation calorifique vers le fluide à réchauffer, en maintenant un niveau de température constant de l'ensemble, niveau de température ne dépendant que de la nature de l'électrolyte employé et de la raideur du ressort chargé de contenir les déformations de l'enceinte auxiliaire. A titre de précaution complémentaire, la capacité inférieure (2) peut avoir une forme géométrique, telle que, pour une position de l'ensemble s'écartant de la normale, dans le cas de la figure IV, de la position verticale, l'une au moins des électrodes ne soit plus en contact avec l'électrolyte en phase liquide, interdisant ainsi toute dissipation énergétique avant que l'extrémité (13) du raccordement de la capacité auxiliaire (12) avec la capacité principale (2) ne fasse plus communiquer les deux enceintes par la zone liquide de l'électrolyte, empêchant ainsi la capacité auxiliaire (10) de remplir son office. Sans s'écarter de l'invention, l'une des électrodes peut être constituée par la capacité inférieure (2) elle même prévue à cet effet en matrière conductrice du courant électrique. De la même façon, sans sortir du cadre de l'invention, la capacité supérieure de l'enceinte (1) peut être constituée d'une multiplicité de conduits, raccordés ou non, entre eux par leur partie supérieure, tel que représenté aux figures V et VI et que les ailettes dissipatrices peuvent être communes à la pluralité de conduits formant la capacité supérieure. I1 va de soi que les dispositions figurées ici et les modes de réalisation présentés ne sont donnés qu'à titre d'exemple et que toutes autres dispositions d'éléments ou substitutions d'équivalents techniques ne feraient pas sortir du cadre de l'invention. Ainsi la capacité auxiliaire (12) représenté sur les schémas sous la forme d'un soufflet peut être remplacé par une enveloppe ou une membrane élastique dont la rigidité peut avoir été déterminée de telle sorte qu'elle puisse éviter l'usage du ressort compensateur (13). A l'extrême, sans sortir du cadre de l'invention, la capacité auxiliaire peut faire partie intégrante de la capacité principale, comme représenté aux figures V et VI l'essentiel, selon l'invention, étant qu'un accroissement de pression interne dans l'enceinte (1), consécutif à une élévation de température au dela d'une valeur fixée, entraîne la migration d'une partie de l'électrolyte en phase liquide vers une zone appropriée du dispositif, de telle sorte que la quantité d'électrolyte ainsi déplacée, réduisant d'autant la quantité d'électrolyte actif, tende à accroître la résistivité électrique du milieu diélectrique formé par cet électrolyte et, réduisant progressivement la surface immergée de l'une au moins des électrodes accroisse la résistance opposée au passage du courant électrique d'alimentation du système, pour finalement, lorsque l'une des électrodes est totalement émergée interrompre ce passage. La figure V représente en perspective la coupe d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention, dans une configuration proche d'une conception industrielle, dont la capacité destinée à l'échange de chaleur avec le fluide à réchauffer est constituée d'une pluralité de conduits (3), garnis d'ailettes dissipatrices (4), raccordés entre eux en partie haute, communiquant en partie basse avec une capacité (2) formant réceptacle à électrolyte en relation directe par un orifice (14) avec une capacité (12) déformable sous l'effet de la pression par l'intermédiaire d'une membrane élastique (13) soumise par sa face inférieure à la pression athmosphérique par un petit évent (17). REVENDICATICNS 1. Equipement de transformation d'énergie électrique en chaleur offrant toutes garanties de protection contre l'élévation de température au delà de limites fixées, caractérisé en ce que la puissance thermique sty trouve développée au sein d'un électrolyte (7) en phase liquide contenu dans une enceinte étanche (2), en liaison avec une capacité déformable sous l'effet de la pression (12), susceptible de recevoir une partie de l'électrolyte dont le niveau dans l'enceinte principale détermine la résistance électrique entre deux électrodes (5 et 6) d'alimentation du système, et dans lequel la puissance thermique est transmise aux surfaces d'échange avec le milieu extérieur, par l'intermédiare de la vapeur d'électrolyte venant sty condenser avant de retourner par gravité vers la zone de vaporisation. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'enceinte fermée est constituée de l'assemblage d'une capacité de production thermique (2) réalisée en matériaux électriquement isolents et d'une capacité d'échange (3) vers le milieu extérieur réalisée en matériaux conducteurs de la chaleur. 3. Echangeurs de chaleur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la capacité d'échange vers le milieu extérieur (3) est munie d'ailettes dissipatrices de chaleur (4) 4. Echangeur selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce que la capacité d'échange thermique vers le milieu extérieur est formée d'une multiplicité de conduits (3) en liaison avec la capacité de production thermique (2) 5. Echangeur selon la revendication 4 caractérisé en ce que la multiplicité des conduits (3) formant la capacité d'échange vers le milieu extérieur sont raccordés entre eux par leur extrémité opposée à leur liaison avec la capacité de production d'énergie thermique. 6. Echangeur selon la revendication 4 caractérisé en ce que les ailettes dissipatrices de chaleur (4) sont communes à la multiplicité de conduits (3) formant la capacité d'échange de chaleur vers le milieu extérieur. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la disposition des électrodes (5 et 6) et la forme de la capacité (2) destinée à recevoir l'électrolyte en phase liquide sont adaptées à ce que l'une au moins des électrodes soit émergée pour une position de l'ensemble s'écartant d'une valeur prédéterminée de la position normale de fonctionnement prévue. 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la capacité auxiliaire déformable sous l'effet de la pression (12) est attenante à la capacité principale (2). 9. Echangeur de chaleur selon les revendications 1 et 8 caractérisé en ce que la partie déformable de la capacité auxiliaire (12) est une membrane élastique 10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1, 4, 5, 8 et 9 carctérisé en ce qu'un vide partiel est réalisé dans l'enceinte étanche à sa construction.