Brevet FR2718317A1 — publié le 19951006

Combinaison d'éléments de construction L'objet de la présente invention est une combinaison d'éléments de construction pour des plaques chauffantes électriques, des dispositifs d'allumage, des capteurs de température ou analogue, disposés les uns au-dessus des autres et comprenant un élément résistant électrique, une couche isolante d'électricité et une plaque caloporteuse. En principe, une telle combinaison d'éléments de construction est réalisée dans tout panneau chauffant ou de cuisson usuel jusqu'ici, pour lequel au-dessous d'une plaque caloporteuse est prévue une spirale chauffante qui est séparée de la plaque caloporteuse par un interstice d'air ou entrefer isolant. Le transfert thermique entre la spirale chauffante et l'air, ainsi que de l'air à la plaque caloporteuse et relativement mauvais, ce pourquoi des pertes thermiques considérables s'observent dans ces constructions. Il a été de ce fait tenté de remplacer l'interstice d'air par une couche d'un matériau isolant solide. Les matériaux métalliques moulés, utilisés en règle générale comme plaque caloporteuse, ne peuvent cependant, pour ce qui concerne leurs propriétés de dilatation thermique qu'être mal adaptés à des matériaux isolants solides, de sorte qu'une combinaison d'éléments de construction avec une couche isolante constituée d'un solide a été pratiquement impossible jusqu'ici, du fait de la manifestation de fortes contraintes thermiques. Le but de la présente invention est d'améliorer ce type de construction du point de vue technologique, thermique. Pour atteindre ce but, il est proposé selon l'invention que la plaque caloporteuse est constituée au moins en partie de préférence en totalité d'un matériau composite à matrice métallique (MMC). Ce matériau, qui pour d'autres applications, est connu entre autres pour la fabrication de boîtiers de puces électroniques dans l'industrie électronique, est constitué d'un matériau de renforcement, imbibé ou infiltré par un métal de matrice. Grâce au choix fait chaque fois pour le composant de renforcement et le métal, on peut exercer à volonté, pour ce qui concerne leurs propriétés mécanique ainsi que thermique. Il est certes également possible d'obtenir une adaptation des propriétés de dilatation thermique de la plaque caloporteuse à celles d'un matériau isolant. C'est pourquoi, selon une forme de réalisation préférée de l'invention, la couche isolante de l'électricité, dans le cadre de combinaisons d'éléments de construction du type cité au début est constitué d'un solide isolant d'électricité et non plus d'air, en particulier le matériau de la plaque en MMC et le matériau de la couche isolante d'électricité présentant des coefficients de dilatation thermique sensiblement adaptés l'un à l'autre. Grâce à cette combinaison d'éléments de construction, il est possible d'utiliser comme élément résistant une structure à couche mince, de préférence à base de silicium. Dans la pratique, on applique sur la plaque caloporteuse ou dans des cavités de celle-ci un matériau isolant dont les dimensions correspondent sensiblement à celles de l'élément résistant. De ce fait, le coût du matériau isolant est maintenu faible, ce qui agit favorablement dans le prix des éléments de combinaison fabriqués. Une autre forme de réalisation de l'invention peut consister en ce que la couche isolante soit réalisée sous forme de plaque isolante, intégrée sur une face de la plaque caloporteuse et sur laquelle est appliqué l'élément résistant, par exemple par placage ou brasage. De ce fait, la plaque caloporteuse et l'isolant peuvent être fabriqués conjointement. L'intégration de la plaque isolante s'effectue le mieux par l'intermédiaire d'une liaison par le métal, qui est constituée au cours de l'infiltration du matériau de renforcement par le matériau de matrice. L'infiltration est effectuée de préférence d'une manière faisant que se produit un surmoulage, de sorte qu'est constituée une couche superficielle à partir du métal de matrice. Un perfectionnement de l'invention peut consister en ce que tous les éléments résistants et les pistes conductrices destinées à l'alimentation électrique de ceux- ci soient disposes sur une couche isolante commune. De ce fait, les coûts de fabrication peuvent être réduits et on peut faire l'économie de certaines étapes du procédé. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, il peut être prévu que les pistes conductrices de l'élément résistant soient constituées d'une couche métallique moulée sur la couche isolante. D'autre part cependant, on peut aussi ménager dans la couche isolante des cavités en forme de cannelures qui se remplissent de métal pendant le processus d'infiltration et sont utilisables comme conducteurs électrique d'amenée et de départ. De ce fait on peut ensuite usiner avec enlèvement de matière la surface du corps MMC, le métal subsistant dans les cannelures servant à constituer les lignes d'alimentation électrique. Les lignes d'alimentation électrique destinées à l'élément résistant peuvent, selon une autre forme de réalisation de l'invention, être fabriquées par enlèvement local d'une couche métallique superficielle qui provient du surmoulage s'effectuant simultanément à l'infiltration par du métal du matériau MMC. Selon un perfectionnement de l'invention, le matériau MMC utilisé à titre de renforcement est une céramique à base d'oxyde, de carbure et/ou de nitrure, comme par exemple du carbure de silicium, du nitrure d'aluminium, de l'oxyde de béryllium, de l'oxyde d'aluminium, du nitrure de bore ou du carbone et/ou un métal, par exemple du molybdène, avec un point de fusion plus élevé que celui du métal de la matrice. Le composant métallique du matériau MMC peut, selon un mode de réalisation de l'invention, être constitué d'un ou plusieurs métaux issus du groupe aluminium, fer, nickel, cobalt, silicium, cuivre, molybdène ou leurs alliages. Le matériau MMC présente des canaux remplis de métal, reliant par exemple ensemble des faces de plaques opposées. Pendant l'infiltration du métal, ces perçages ou canaux se remplissent du métal et constituent alors des ponts conducteurs de la chaleur, à l'aide desquels s'effectuent une évacuation ou une distribution plus rapide de la chaleur dans la direction souhaitée. Le matériau de la couche électriquement isolante est une céramique à base d'oxyde, de carbure et/ou de nitrure, comme par exemple du nitrure d'aluminium, de l'oxyde d'aluminium ou de l'oxyde de béryllium, ou une matière synthétique résistant à la température, isolant de l'électricité, telle que du polybenzimidazol (PBI). Abstraction faite des structures à couche mince à base de silicium, selon une autre variante de la réalisation, on peut utiliser comme élément résistant un élément à base d'une céramique à caractéristique PTC ou NTC. Ces types de céramique constituent de matériaux ayant des coefficients de conductibilité dépendant de la température et peuvent être utilisés avantageusement à ce sujet. Une autre caractéristique de l'invention peut également consister en ce que l'élément résistant soit réalisé comme élément chauffant. La fabrication des nervures de conducteurs peut alors de manière connue se faire par photolithographie, morsure chimique, usinage au rayon laser ou analogue. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la plaque caloporteuse peut être pourvue d'une bague d'étanchéité. La plaque caloporteuse peut de ce fait être intégrée et isolée thermiquement. En cas d'utilisation de la combinaison d'éléments de construction selon l'invention comme plaque de cuisson, la couche superficielle de la plaque caloporteuse présente avantageusement sur la face opposée aux éléments chauffants, une couche destinée à augmenter la résistance mécanique, respectivement à augmenter le poli et à intensifier le contact avec un objet à placer dessus. Pour fabriquer la combinaison d'éléments de construction selon l'invention, ces composants peuvent être assemblés les uns aux autres individuellement, ou bien il peut y avoir préfabrication conjointe de la combinaison constituée d'une plaque caloporteuse et de l'isolant et ensuite application de l'élément résistant par exemple par placage ou brasage. Une forme de réalisation d'une plaque chauffante et de cuisson selon l'invention est représentée dans les dessins annexés à l'aide desquels l'invention est mieux illustrée. Dans le dessin: la figure 1 représente une combinaison d'éléments de construction vue de dessous la figure 2 représente une coupe suivant la ligne I-I de la figure 1 la figure 3 représente une autre forme de réalisation d'une combinaison d'éléments de construction selon l'invention, vue de dessous, et la figure 4 représente une coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3 La figure 1 représente une combinaison d'éléments de construction selon l'invention, se présentant sous la forme d'une plaque chauffante 1 en forme de panneau, représentée en vue de dessous par rapport à sa position d'utilisation. La plaque chauffante 7 est constituée d'une plaque caloporteuse 1 et sur sa face inférieure sont introduites des plaques isolantes 2 rectangulaires, disposées en étoile, qui sont intégrées dans des cavités de la face inférieure de la plaque caloporteuse 1, jusqu'à remplir l'aire d'une face. La plaque caloporteuse 1 est constituée d'un matériau Composite MétalMatrice (MMC), tandis que les couches isolantes sont constituées d'un matériau isolant de l'électricité, tel que par exemple d'une céramique à base d'oxyde, de carbure, de nitrure, tel que du nitrure d'aluminium, de l'oxyde d'aluminium ou de l'oxyde de béryllium ou une matière synthétique qui résiste à la chaleur et isolant de l'électricité comme le polybenzimidazole (PBI), sur les surfaces, opposées à la plaque caloporteuse 1, de laquelle sont appliqués des éléments résistants 3 de surface. Comme renforcement le matériau MMC peut par exemple contenir une céramique à base d'oxyde, de carbure et/ou de nitrure, tel que du nitrure d'aluminium, de l'oxyde d'aluminium ou de l'oxyde de béryllium et son composant métallique peut par exemple être constitué d'un ou plusieurs métaux appartenant au groupe aluminium, fer, nickel, cobalt, silicium, cuivre ou leurs alliages. Le composé métal-matrice de la plaque caloporteuse 1 et les plaques isolantes 2 présentent alors des coefficients de dilatation thermique adaptés sensiblement l'un à l'autre, de sorte qu'on peut éviter la pression de contrainte thermique. En renforcement on peut également utiliser un métal par exemple du molybdène, qui a un point de fusion plus élevé que celui du métal de matrice. Le matériau MMC peut être pourvu, avant l'infiltration par le métal de perçage respectivement de canaux 9 comme ceci est indiqué sur les figures 2 et 4 qui relient ensemble, par exemple deux ou plusieurs faces. Pendant l'infiltration par le métal, ces perçages ou canaux se remplissent par le métal de matrice et constituent alors des ponts conducteurs de la chaleur, à l'aide desquels s'effectue une distribution ou une évacuation plus rapide de la chaleur dans des directions pouvant être prédéterminées par la disposition des perçages ou des canaux. Les éléments résistants 3 sont alors constitués d'une structure à couche mince à base de silicium, mais on peut cependant utiliser également d'autres matériaux pour couche mince appropriés. Comme on le voit sur les figures 1 et 2, les plaques isolantes 2 et les éléments résistants 3 sont à peu près de même dimension, les plaques isolantes 2 se prolongeant en des pistes isolantes 8, s'étendant radialement en direction de la piste conductrice 4 et sur lesquelles courent des nervures conductrices 4' reliées à la piste conductrice 4 annulaire et la piste conductrice 4 centrale. Le type de procédé d'application des éléments résistants 3 sur les couches isolantes 2 peut être de différentes natures comme par exemple par placage ou brasage. Sur la surface de ces plaques isolantes 2 se trouvent les éléments résistants 3 qui sont réalisés comme éléments chauffants. Les éléments chauffants 3 sont alimentés électriquement par l'intermédiaire de pistes conductrices 4 réalisées pour faire office de lignes d'alimentation et d'évacuation et qui sont disposées sur les pistes isolantes et qui sont constituées du métal du matériau MMC, les éléments chauffants 3 étant branchés en parallèle électriquement. Les éléments résistants peuvent cependant également être constitués à base d'une céramique à coefficient de type PTC ou NTC, faisant que leurs propriétés connues peuvent être utilisées pour obtenir une stabilisation de la température. Pour améliorer le montage de la plaque chauffante 7 dans un dispositif support, comme dans une cuisinière ou analogue, et pour mieux isoler thermiquement celle-ci, la plaque caloporteuse 1 présente un joint d'étanchéité 5 inséré en elle. Celui-ci peut être fabriqué conjointement au stade de la fabrication de la plaque, ou bien être inséré après coup. La figure 2 représente une coupe de la plaque 7 de la figure 1 suivant la ligne II-II. On voit nettement que les plaques isolantes 2 sont disposées dans une cavité de la plaque caloporteuse 1, faisant qu'elle est intégrée jusque sur un côté dans la plaque MMC. L'élément chauffant 3 est relié aux lignes électriques d'alimentation et d'évacuation 4 disposées sur les pistes isolantes 8. La figure 3 et la figure 4 représentent une autre forme de réalisation pour laquelle les éléments de construction coïncidant avec ceux des figures 1 et 2 sont pourvus des mêmes caractères de référence. A la différence des figures 1 et 2, la plaque caloporteuse 1 porte une couche isolante 10 continue, sur laquelle sont disposées les pistes conductrices 4 respectivement les nervures conductrices 4' et les éléments chauffants 3. Les pistes conductrices 4, respectivement les nervures conductrices 4' et les éléments chauffants 3, sont fabriquées par enlèvement local par exemple par morsure chimique ou analogue d'une couche métallique superficielle, qui provient du surmoulage s'effectuant simultanément à l'infiltration par du métal du matériau MMC. En variante à cela, des cavités, telles que par exemple des cannelures, peuvent être prévues dans la couche isolante 10, et être remplies pendant le processus d'infiltration par le métal de matrice et être utilisables comme lignes d'alimentation et d'évacuation, du fait que, après ce processus la surface du corps MMC peut être usinée avec enlèvement de matière, le métal subsistant dans les cannelures sert alors pour constituer les lignes électriques d'alimentation et d'évacuation. La plaque caloporteuse 2 peut être soit constituée en totalité du matériau composite métal-matrice, ceci étant représenté par des figures 1 et 2, soit simplement présenter un noyau 1" constitué d'un tel matériau et qui est noyé dans le matériau de matrice, ceci étant représenté à titre d'exemple par les figures 3 et 4. Pour l'utilisation domestique, la plaque caloporteuse 1 présente, sur la face opposée à la face portant les couches isolantes 2, une couche superficielle 6 qui sert à augmenter la résistance mécanique, à augmenter le poli et à intensifier le contact, donc à augmenter le transfert thermique vers des objets placés dessus, tels que des casseroles et analogues. On voit également le joint d'étanchéité 5 qui est prévu pour permettre une incorporation isolée de la plaque chauffante. La combinaison d'éléments de construction selon l'invention est plus compacte que les éléments connus antérieurement, du fait qu'elle ne présente aucun interstice d'air et qu'elle remplit sa fonction avec des éléments chauffants et isolants relativement petits. Elle présente des pertes thermiques extrêmement faibles, qui aident à assurer un chauffage plus rapide et des conditions d'emploi plus favorables pour l'utilisateur. La combinaison selon l'invention peut être utilisée avec les mêmes avantages comme dispositif d'allumage, par exemple pour des sacs gonflables de sécurité pour automobiles ou analogue ainsi que comme capteurs de température. REVENDICATIONS 1. Combinaison d'éléments de construction pour des plaques chauffantes électriques, des dispositifs d'allumage, des capteurs de température ou analogue du genre, comprenant disposés les uns au-dessus des autres un élément résistant électrique, une couche isolante d'électricité et une plaque caloporteuse, caractérisée en ce que la plaque caloporteuse (1) est constituée au moins en partie et de préférence en totalité d'un matériau composite à matrice métallique (MMC). 2. Combinaison d'éléments de construction selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche (2; 10) électriquement isolante est constituée d'un solide électriquement isolant. 3. Combinaison d'éléments de construction selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matériau de la plaque MMC (1) et le matériau de la couche (2; 10) électriquement isolante présentent des coefficients de dilatation thermique sensiblement adaptés l'un à l'autre. 4. Combinaison d'éléments de construction selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'élément résistant (3) est constitué d'une structure à couche mince de préférence à base de silicium. 5. Combinaison d'éléments de construction selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la couche isolante (2) correspond en ses dimensions sensiblement à celles de l'élément résistant (3).. 6. Combinaison d'éléments de construction selon la revendication 5, caractérisée en ce que la couche isolante (2) est réalisée sous forme de plaque isolante, intégrée sur une face dans la plaque caloporteuse (1) et sur laquelle l'élément résistant (3) est appliqué, par exemple plaqué ou brasé. 7. Combinaison d'éléments de construction selon la revendication 5, caractérisée en ce que tous les éléments résistants (3) et les pistes conductrices (4) destinées à l'alimentation électrique de ceux-ci sont disposés sur une couche isolante (10) commune. 8. Combinaison d'éléments de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que dans la couche isolante (2; 10) sont prévues des cavités en forme de cannelure, qui se remplissent de métal pendant le processus d'infiltration et sont utilisables comme lignes d'alimentation électrique. 9. Combinaison d'éléments de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les pistes conductrices (4) de l'élément résistant (3) sont constituées d'une couche métallique moulée sur la couche isolante (2; 10). 10. Combinaison d'éléments de construction selon la revendication 9, caractérisée en ce que les pistes conductrices (4) sont fabriquées par enlèvement local d'une couche métallique superficielle qui provient du surmoulage, s'effectuant lors de l'infiltration avec du métal, du matériau MMC. 11. Combinaison d'éléments de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le matériau MMC comporte comme renforcement une céramique à base d'oxyde de carbure et/ou de nitrure, comme par exemple du carbure de silicium, du nitrure d'aluminium, de l'oxyde de béryllium, de l'oxyde d'aluminium, du nitrure de bore ou du carbone et/ou un métal, par exemple du molybdène, avec un point de fusion plus élevé que celui du métal de la matrice. 12. Combinaison d'éléments de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les composants métalliques du matériau MMC sont constitués d'un ou plusieurs métaux issus du groupe composé de l'aluminium, du fer, du nickel, du cobalt, silicium, cuivre, molybdène ou leurs alliages. 13. Combinaison d'éléments de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que le matériau MMC présente des canaux (9) remplis de métal, reliant entre elles des faces par exemple opposées de la plaque. 14. Combinaison d'éléments de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que le matériau de la couche (2; 10) électriquement isolante est une céramique à base d'oxyde, de carbure et/ou de nitrure, comme par exemple du nitrure d'aluminium, de l'oxyde d'aluminium ou de l'oxyde de béryllium, ou une matière synthétique résistant à la température, isolant de l'électricité, telle que du polybenzimidazol (PBI). 15. Combinaison d'éléments de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que l'élément résistant (3) est un élément à base d'une céramique à caractéristique PTC ou NTC. 16. Combinaison d'éléments de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisée en ce que l'élément résistant (3) est réalisé comme élément chauffant. 17. Combinaison d'éléments de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisée en ce que la plaque caloporteuse (1) est pourvue d'une bague d'étanchéité (5). 18. Combinaison d'éléments de construction selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que la plaque caloporteuse (1) est pourvue, sur la face opposée aux éléments chauffants, d'une couche (6) destinée à augmenter la résistance mécanique, respectivement à augmenter le poli et à intensifier le contact avec un objet à placer dessus.