Brevet FR2692426A1 — publié le 19931217

La présente invention concerne une plaque chauffante pour récipient chauffant, notamment pour bouilloire. L'invention vise également une bouilloire comportant une telle plaque chauffante. Les bouilloires connues comportent un récipient destiné à être rempli d'eau à chauffer et renfermant une résistance électrique chauffante sous forme d'élément tubulaire du type blindé. Cette résistance a une puissance électrique relativement élevée (de l'ordre de 1 000 à 2 000 W) pour permettre une élévation très rapide de la température de l'eau jusqu'à près de 1000 C. Ce type de résistance électrique présente l'inconvénient d'être difficilement nettoyable, de se recouvrir rapidement d'une croûte de calcaire diminuant le rendement du chauffage et susceptible d'absorber des impuretés. On connaît par ailleurs des plaques chauffantes constituées par une plaque métallique par exemple en acier revêtue d'une couche de composition vitreuse électriquement isolante Sur cette couche isolante est appliquée une piste résistive composée d'une base vitreuse chargée de particules métalliques et dont les extrémités sont raccordées à une source de courant. Une telle plaque chauffante n'a jusqu'à ce jour, pas été utilisée dans la construction d'un chauffe- liquides. L'utilisation d'une telle plaque chauffante dans une bouilloire permettrait de faciliter le nettoyage du fond du récipient à eau et d'éviter le dépôt de calcaire De plus, le contrôle de la température pourrait être réalisé d'une manière plus simple et plus précise au moyen d'un thermostat en contact direct avec la piste résistive. Cependant, l'adaptation d'une telle plaque chauffante à un récipient chauffant tel qu'une bouilloire pose des difficultés. En particulier, il est nécessaire de concentrer sur une surface relativement faible, correspondant au fond de la bouilloire, une puissance de chauffage relativement forte, ce qui pose de sérieux problèmes de surchauffe locale, d'isolation électrique, de fissuration de la couche de composition vitreuse sous l'effet des contraintes thermiques et électriques mises en oeuvre. Le but de la présente invention est de résoudre les problèmes ci- dessus en proposant une plaque chauffante pouvant s'adapter sans difficultés à un récipient chauffant tel qu'une bouilloire électrique. L'invention vise ainsi une plaque chauffante pour récipient chauffant notamment pour bouilloire, comprenant une plaque métallique revêtue d'une couche de composition vitreuse électriquement isolante sur laquelle est appliquée une piste résistive composée d'une base vitreuse chargée de particules métalliques et dont les extrémités sont raccordées à une source de courant. Suivant l'invention, cette plaque chauffante est caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche de composition vitreuse électriquement isolante est au moins égale à 300 pm. Les essais ont en effet permis de constater que lorsque l'épaisseur de la couche de composition vitreuse était supérieure ou égale à la valeur ci-dessus, celle-ci résistait non seulement à une tension de claquage supérieure à 1250 V imposée par les normes, mais son pouvoir isolant restait encore largement suffisant en cas de fissuration de la couche vitreuse sous l'effet des chocs mécaniques appliqués à la plaque chauffante. La plaque chauffante selon l'invention s'adapte ainsi parfaitement aux contraintes thermiques et électriques engendrées lors du fonctionnement d'une bouilloire électrique dans laquelle la densité de puissance électrique est égale ou supérieure à 10 W/cm 2. L'épaisseur préférée de la couche de composition vitreuse est égale à 400 Iim. Au-delà de cette valeur, la sécurité électrique est encore améliorée, mais la résistance thermique s'accroit d'une manière trop importante, ce qui est nuisible au fonctionnement de l'appareil chauffant. La plaque métallique est de préférence en acier à bas taux de carbone ou en acier inoxydable. Les coefficients de dilatation de ces aciers sont supérieurs à celui de la composition vitreuse recouvrant ceux-ci. Par conséquent, après la cuisson de la couche vitreuse à haute température (de l'ordre de 1 000 C), le refroidissement de la couche vitreuse et de l'acier engendre une compression de la couche vitreuse qui augmente la résistance de ce dernier aux fissurations causées par les chocs mécaniques et les brusques variations de température. La piste résistive est de préférence appliquée par sérigraphie sur la couche vitreuse électriquement isolante préalablement cuite On empêche ainsi toute diffusion des particules conductrices, par exemple d'argent, de la piste résistive dans la couche vitreuse isolante, ce qui altérerait les propriétés isolantes de cette dernière. De préférence, la piste résistive a une épaisseur comprise entre 8 et 30 inm, ce qui lui permet d'avoir une valeur ohmique élevée par unité de surface. De préférence également, le tracé de la piste résistive a la forme d'une spirale simple ou multiple, qui permet d'obtenir une piste ayant une grande longueur sur une plaque circulaire de surface relativement réduite, sans variation brusque de rayon de courbure. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description qui suit. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: la figure 1 est une vue en coupe d'une bouilloire comportant une plaque chauffante conforme à l'invention; la figure 2 est une vue de dessous de la plaque chauffante; la figure 3 est une vue partielle en coupe de la plaque chauffante, au niveau de l'une des connexions électriques de la piste résistive; la figure 4 est une autre vue en coupe partielle de la plaque chauffante; la figure 5 est une vue analogue à la figure 4 schématisant l'effet d'un choc mécanique. La bouilloire représentée sur la figure 1 comprend un récipient à eau 1, muni d'un couvercle 2, d'un bec verseur 3, d'une poignée 4 (arrachée) et d'un socle 5, l'ensemble étant moulé en matière plastique. Au fond du récipient 1, au-dessus du socle 5 est placée une plaque chauffante 6 dont la périphérie 6 a est engagée dans un joint d'étanchéité 7 encastré entre le bord inférieur la du récipient 1 et le bord supérieur a du socle 5. Entre la plaque chauffante 6 et le fond du socle 5 est placé un bloc 8 de régulation de la température de la plaque chauffante 6. La plaque 6 comprend une plaque métallique 9 revêtue sur sa face adjacente au socle 5 d'une couche de composition vitreuse 11 (voir figures 3 et 4) électriquement isolante, sur laquelle est appliquée une piste résistive 10 (voir figures 2, 3, 4) composée d'une base vitreuse chargée de particules métalliques et dont les extrémités i Qa, l Ob sont raccordées à une source de courant par une languette en métal 12 ou en fil électrique, telle que représentée sur la figure 3. Conformément à l'invention, l'épaisseur e de la couche de composition vitreuse électriquement isolante 11 est au moins égale à 300 Eum. De préférence, l'épaisseur de ladite couche de composition vitreuse 11 est de l'ordre de 400 im. La plaque métallique 9 est de préférence en acier à bas taux de carbone ou inoxydable. La couche de composition vitreuse 11 est de préférence réalisée par cuisson d'une composition dépourvue de métaux alcalins et à base d'oxyde de calcium, d'alumine, d'oxyde de bore et de silice. A titre d'exemple, cette composition est la suivante Ca O 29 à 34 % A 1203 7 à 10 % B 203 43 à 48 % Si O 2 8 à 15 % Mg O 1 à 2 % La piste résistive 10 est appliquée de préférence par sérigraphie sur la couche vitreuse électriquement isolante 11 préalablement cuite à une température comprise entre 800 et 1 100 IC. La composition vitreuse de la piste résistive 10 est chargée d'environ 50 à 80 % de poudre d'argent, ou autre métal conducteur. La piste résistive 10 a de préférence une épaisseur comprise entre 8 et 30 pm. De préférence également, la résistance de surface carrée de la piste résistive 10 est comprise entre 10 et 200 milliohms par carré. La largeur de la piste 10 est avantageusement comprise entre 2 et 4 mm. Le tracé de la piste résistive 10 doit être dépourvu de zone o le rayon de courbure de cette piste est inférieur à 5 mm. De préférence, le tracé de la piste résistive a la forme d'une spirale simple, comme montré par la figure 2, ou de spirales multiples en parallèle. Comme indiqué sur la figure 3, les extrémités 10 a, 10 b de la piste résistive 10 comprennent des connexions électriques constituées par une languette ou un fil métallique de connexion 12 noyée dans une goutte de résine conductrice 13 déposée sur la piste résistive 10. Cette résine conductrice 13 est de préférence en silicone ou polyimide et est chargée de poudre d'argent, ou de cuivre, ou de nickel ou de zinc, ou leur mélange. On va maintenant justifier les avantages techniques de la plaque chauffante que l'on vient de décrire. La présente invention porte sur les deux caractéristiques essentielles suivantes: a) Les coefficients de dilatation des différentes couches de revêtement isolant électriquement sont adaptés de telle sorte que ce revêtement soit fortement sous compression. Il en résulte, lors de l'application d'un choc (voir flèche F figure 5), un éclatement en forme de cratère très ouvert 14 qui assure une distance importante entre la piste 10 et le support métallique 9. b) Le revêtement isolant électriquement 11 doit avoir une épaisseur suffisante pour que, même en cas de simple fissure lors d'un choc, la piste électrique 10 soit suffisamment éloignée du support métallique 9 pour que la tension de claquage soit supérieure à la valeur requise par les normes de sécurité. Il a été constaté que pour assurer une tension de claquage supérieure à 1250 V, l'épaisseur du revêtement Il devait être d'au moins 300 pm et de préférence 400 lum. Au-delà de cette épaisseur, la sécurité électrique est bien sûr améliorée, mais la résistance thermique s'accroit de manière trop importante, ce qui est nuisible au fonctionnement, surtout dans les cas de forte densité de puissance (densité > 10 W/cm 2). Ainsi, pour une densité de puissance de 10 W/cm 2, une tôle d'acier d'épaisseur 1 mm et un revêtement vitreux d'épaisseur égale à 0,4 mm, la différence de température entre les deux faces est d'environ 350 C. L'épaisseur de la piste 10 étant comprise entre 8 jum et 30 lnm, il est possible de définir pour cette dernière la valeur d'une résistance de surface carrée. Cette valeur ne doit pas être trop faible, c'est-à-dire qu'elle ne doit pas être inférieure à 10 milliohms/carré, pour que la piste ne soit pas trop longue. Il a été constaté que des valeurs de résistances carrées trop élevées, supérieures à milliohms/carré causaient une fragilisation de la piste. En effet, pour de telles valeurs, la résistivité devient trop sensible à la température (coefficient thermique appelé CTR > 2000 10-6 C-1). S'il se produit un échauffement local, il y a alors emballement car la valeur de l'intensité électrique varie peu tandis que la valeur locale de la résistance s'élève, à tel point que la piste peut fondre. La valeur optimum de résistivité pour les pistes est 50 à 200 milliohms/carré, avec un CTR 1500 10-6 C-t. Il a été constaté, lorsque l'intensité électrique est élevée (soit 200 A/mm 2), que toute courbure excessive dans le tracé de la piste (rayon de 5 mm par exemple) crée un gradient d'intensité trop important à l'intérieur de la courbe et donc une surchauffe locale qui va endommager la piste. La forme optimisée de la piste 10 est une spirale car elle permet de placer sur une surface donnée la longueur de piste la plus importante en ayant des rayons de courbure suffisamment grands. Par ailleurs, la piste 10 doit pouvoir dissiper la puissance thermique générée par effet Joule. Cette dissipation est favorisée par une diminution de la largeur de la piste 10, mais les imperfections de dessins en bord de piste la rendent d'autant plus fragile que cette piste 10 est étroite. La largeur optimum qui a ainsi été retenue pour la piste 10 se situe entre 2 et 4 mm. Les imperfections de dessin en bord de piste sont alors acceptables en regard de la densité de courant élevée, et la puissance thermique est suffisamment bien dissipée. Une piste en forme de spirale ayant une épaisseur de 10 pm, une largeur de 2,5 mm et représentant 840 carrés, présente une résistance de 26 ohms à 1000 C, soit une puissance de 2200 W sous 240 V, répartie sur une surface circulaire de diamètre 130 mm. La densité de courant sous 240 V est dans ce cas de 370 A/mm 2. Une plaque chauffante ainsi conçue est particulièrement adaptée au chauffage d'une bouilloire. Par rapport aux réalisations connues, cette plaque présente l'avantage d'être facilement nettoyable, ce qui est extrêmement avantageux à l'égard de l'hygiène et du rendement thermique. De plus, compte tenu de la faible épaisseur de la plaque chauffante, celle-ci se place très aisément à l'intérieur de la bouilloire. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et on peut apporter à celui-ci de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, l'invention peut s'appliquer à toute sorte de récipients chauffants autres que la bouilloire. REVENDICATIONS 1 Plaque chauffante ( 6) pour récipient chauffant, notamment pour bouilloire, comprenant une plaque métallique ( 9) revêtue d'une couche de composition vitreuse électriquement isolante ( 11) sur laquelle est appliquée une piste résistive ( 10) composée d'une base vitreuse chargée de particules métalliques et dont les extrémités (la, l Ob) sont raccordées à une source de courant, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche de composition vitreuse électriquement isolante ( 11) est au moins égale à 300 pm. 2 Plaque chauffante conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur de ladite couche de composition vitreuse ( 11) est de l'ordre de 400 pm. 3 Plaque chauffante conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite plaque métallique ( 9) est en acier à bas taux de carbone ou inoxydable. 4 Plaque chauffante conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite couche de composition vitreuse ( 11) est réalisée par cuisson d'une composition dépourvue de métaux alcalins et à base d'oxyde de calcium, d'alumine, d'oxyde de bore et de silice. Plaque chauffante conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la piste résistive ( 10) est appliquée par sérigraphie sur la couche de composition vitreuse électriquement isolante ( 11) préalablement cuite. 6 Plaque chauffante conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la composition vitreuse de la piste résistive ( 10) est chargée de poudre d'argent. 7 Plaque chauffante conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la piste il résistive ( 10) a une épaisseur comprise entre 8 et 30 pm. 8 Plaque chauffante conforme à la revendication 7, caractérisée en ce que la résistance de surface carrée de la piste résistive ( 10) est comprise entre 10 et 200 milliohms par carré. 9 Plaque chauffante conforme à l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que la largeur de la piste ( 10) est comprise entre 2 et 4 mm. Plaque chauffante conforme à l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le tracé de la piste résistive ( 10) est dépourvu de zone o le rayon de courbure de cette piste est inférieur à 5 mm. 11 Plaque chauffante conforme à la revendication 10, caractérisée en ce que le tracé de la piste résistive ( 10) a la forme d'une spirale, ou plusieurs spirales en parallèle. 12 Plaque chauffante conforme à l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les extrémités de la piste résistive ( 10) comprennent des connexions électriques constituées par une languette ou un fil métallique de connexion ( 12) noyé dans une goutte de résine conductrice ( 13) déposée sur la piste résistive ( 10). 13 Plaque chauffante conforme à la revendication 12, caractérisée en ce que la résine conductrice ( 13) est en silicone ou polyimide et est chargée de poudre d'argent, ou de cuivre, ou de nickel et/ou de zinc ou leur mélange. 14 Bouilloire comportant un fond chauffant constitué par une plaque chauffante ( 6) conforme à l'une des revendications 1 à 13.