Brevet FR2754128A1 — publié le 19980403

La présente invention concerne un dispositif de chauffage électrique, du type comportant une enveloppe tubulaire, un élément chauffant placé au sein d'un premier tronçon de cette enveloppe et noyé dans un isolant électrique poreux remplissant ce premier tronçon et au moins un élément conducteur de l'électricité, tel que par exemple un élément de contrôle et/ou de sécurité sensible à la température, placé au sein d'un deuxième tronçon d'enveloppe adjacent au premier et noyé dans un isolant électrique remplissant ce deuxième tronçon. Un tel dispositif est encore appelé "monotube instrumenté" et il est utilisé par exemple pour équiper des radiateurs électriques. Dans les dispositifs de ce type connus, l'isolant électrique poreux remplissant le premier tronçon d'enveloppe est constitué par une poudre de magnésie compactée et l'isolant électrique remplissant le deuxième tronçon d'enveloppe est constitué également par une poudre de magnésie mais qui n'est pas compactée. L'invention a pour objet un nouveau dispositif du type précité dont les performances sont améliorées, notamment sur le plan de l'isolation électrique. Elle y parvient par le fait que l'isolant électrique poreux remplissant le premier tronçon d'enveloppe est imprégné à son extrémité adjacente au deuxième tronçon d'enveloppe par un matériau d'imprégnation électriquement isolant, auquel l'isolant électrique remplissant le deuxième tronçon d'enveloppe peut adhérer. On peut utiliser grâce à l'invention comme isolant électrique servant à remplir le deuxième tronçon d'enveloppe une résine ou une céramique qui peut être coulée à l'état fluide dans l'enveloppe et qui presente des caractéristiques d'isolation électrique supérieures à celles de la magnésie non compactée ainsi qu'une meilleure conductibilité thermique. L'adhérence de l'isolant électrique remplissant le deuxième tronçon d'enveloppe à l'isolant électrique poreux imprégné empêche qu'une lame d'air se forme lors du fonctionnement du dispositif de chauffage électrique à l'interface entre l'isolant électrique poreux remplissant le premier tronçon d'enveloppe et l'isolant électrique remplissant le deuxième tronçon d'enveloppe, sous l'effet d'une augmentation de la pression provoque par des variations de la température. La présence d'une telle lame d'air entraînerait une dégradation sensible de l'isolation électrique. On peut aussi diminuer grâce à l'invention le temps de réponse d'un élément de contrôle et/ou de sécurité sensible å la température et disposé dans le deuxième tronçon d'enveloppe en assurant un meilleur contact thermique entre l'élément chauffant et cet élément de contrôle et/ou de sécurité, sans toutefois que cette amélioration s'accompagne d'une diminution de l'isolation électrique. On peut donc obtenir à la fois un contrôle plus précis de la température et une plus grande sécurité de fonctionnement. L'invention permet encore de réaliser des monotubes instrumentés satisfaisant aux conditions requises par les normes de sécurité électrique les plus sévères. L'invention permet en outre de réaliser des monotubes instrumentés de dimensions plus faibles pour des performances en termes d'isolation et de puissance de chauffe équivalentes. La réduction des dimensions diminue le coût matière et rend le dispositif plus facile à implanter, procurant de ce fait plus de liberté sur le plan esthétique pour la conception des radiateurs par exemple. A titre indicatif, le diamètre externe de l'enveloppe peut être par exemple de 16 mm. Dans une réalisation particulière de l'invention, l'isolant électrique poreux remplissant le premier tronçon d'enveloppe presente une rigidite diélectrique supérieure à 3000 V/mm et une conductivité thermique supérieure à 4 W/meC. Cet isolant électrique poreux peut être constitue par une poudre minérale compactée, par exemple de la magnésie. Dans une réalisation particulière de l'invention, l'isolant électrique remplissant le deuxième tronçon d'enveloppe présente une rigidité diélectrique supérieure à 10000 V/mm et une conductivité thermique superieure à 2 W/m C. Cet isolant electrique peut être constitué par une résine époxyde polymérisée ou une résine silicone polymérisée. De préférence, cette résine est chargée de particules d'un corps conducteur de la chaleur mais électriquement isolant, par exemple de l'alumine ou du nitrure de bore. De préférence, cette charge est dans une proportion de 50% au moins en volume. Dans une autre réalisation particulière de l'invention, l'isolant électrique remplissant le deuxième tronçon d'enveloppe est une céramique, par exemple à base d'alumine. Dans une réalisation particulière de l'invention, un manchon métallique est disposé à l'intérieur du premier tronçon d'enveloppe autour de l'élément chauffant et se prolonge jusque dans la région de l'isolant électrique poreux qui est imprégnée. Dans une réalisation particulière de l'invention, l'isolant électrique poreux qui est contenu dans l'enveloppe est imprégné à chaque extrémité. L'épaisseur d'imprégnation est de préférence supérieure à 2 mm. L'invention a encore pour objet un procédé pour fabriquer un dispositif de chauffage électrique tel que précité, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes consistant à - mettre en place un élément chauffant dans un tube, - remplir ce tube avec un isolant électrique pulvérulent, - compacter ledit isolant électrique pulvérulent, - imprégner sur une épaisseur prédéterminée l'isolant électrique pulvérulent compacté par un matériau d'imprégnation, - couler dans un tronçon de tube adjacent à celui contenant l'isolant électrique pulvérulent compacté et imprégné un isolant électrique à l'état fluide, apte à adhérer à la partie dudit isolant électrique pulvérulent compacté qui est imprégnée. Selon un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le matériau d'imprégnation est le même que celui constituant l'isolant électrique qui est coulé à l'état fluide dans ledit tronçon de tube adjacent. Selon un autre exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le matériau d'imprégnation présente lors de l'imprégnation une plus grande fluidité que celui constituant l'isolant électrique qui est coulé à l'état fluide dans ledit tronçon de tube adjacent. L'invention a encore pour objet un radiateur électrique comprenant un dispositif de chauffage électrique tel que précité. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de réalisation non limitatifs de l'invention, et à l'examen du dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un monotube instrumenté conforme à un premier exemple de réalisation de l'invention, - les figures 2 à 4 sont des variantes de réalisation de monotubes instrumentés conformes à d'autres exemples de réalisation de l'invention, - les figures 5 à 11 illustrent différentes étapes de la fabrication du monotube instrumenté représenté sur la figure 1. On a représenté sur la figure 1 un monotube instrumenté 1 conforme à un premier exemple de réalisation de l'invention. Ce monotube 1 est étanche et comporte une enveloppe métallique tubulaire 2, constituée par un premier tube 3 et un deuxième tube 4. Ce dernier est engagé et soudé à une extrémité dans le premier et il est fermé de façon étanche à l'autre extrémité par un bouchon métallique 5. Un élément chauffant 6 de forme allongée est placé à l'intérieur du tube 3 et se présente dans l'exemple décrit sous la forme de deux solénoïdes disposés côte-à-côte et d'axes parallèles, constitué chacun en alliage NiCr. Chaque solénoïde est relié à une extrémité à un fil 7 de liaison à une source d'énergie électrique et à l'autre extrémité à un fil 8 relié à un ensemble de contrôle et de sécurité comportant un fusible thermique 9 et un thermostat 10 montés électriquement en série. Les fils 7 et 8 sont revêtus chacun d'une gaine isolante. Le fusible thermique 9 et le thermostat 10 sont connus en eux-mêmes et ne seront pas décrits en détail. Lorsque les fils 7 sont reliés à la source d'énergie électrique, l'élément chauffant 6, le fusible thermique 9 et le thermostat 10 sont parcourus par le courant électrique. Un premier manchon métallique 11 est disposé autour de l'élément chauffant 6 dans le tube 3 et un deuxième manchon isolant 12, emboîté dans le manchon métallique 11, est disposé autour du fusible thermique 9 et du thermostat 10 dans le tube 4. Le tube 3 est rempli par un isolant électrique poreux 13 constitué dans l'exemple particulier décrit par une poudre de magnésie compactée et le tube 4 est rempli par un isolant électrique 14 constitué dans l'exemple décrit par une resine époxyde polymérisée, qui imprègne en 17 sur une épaisseur e l'isolant électrique poreux 13. A titre indicatif, l'épaisseur e est de l'ordre de quelques millimètres dans l'exemple décrit. Un bouchon isolant 15 ferme l'extrémité du premier tronçon 3 du côté de la sortie des fils 7. Ce bouchon 15 est réalisé dans l'exemple décrit en résine époxyde polymérisée et celle-ci imprègne en 16 sur une épaisseur e l'isolant électrique poreux 13. Le manchon métallique 11 s'étend à ses extrémités axiales jusque dans les régions impregnées 16 et 17 de l'isolant électrique poreux 13. Une lame d'air 18 est ménagée entre l'isolant électrique 14 et le bouchon 5 pour accueillir d'éventuelles variations dimensionnelles de l'isolant électrique 14 sous l'effet des changements de température à l'intérieur de l'enveloppe 2. L'isolant électrique poreux 13 qui est imprégné par la matière constituant l'isolant électrique 14 présente une cohésion mécanique améliorée et permet à l'isolant électrique 14 de bien adhérer, ce qui évite qu'une lame d'air se forme entre les deux isolants de nature différente en cours de fonctionnement. Ainsi, l'isolant électrique poreux 13 et l'isolant électrique 14 maintiennent pendant le fonctionnement du monotube 1 l'isolation électrique des fils 8 vis-à-vis de l'enveloppe 2 et l'on peut placer grâce à l'invention les fils 8 à une distance relativement faible de l'enveloppe 2 sans craindre un problème d'isolation électrique. A titre indicatif, on peut se contenter d'une épaisseur de 1 mm de résine époxyde entre les fils 8 et la surface interne de l'enveloppe 2, alors que pour obtenir une isolation électrique équivalente dans l'air il faudrait 4 mm entre les fils 8 et la surface interne de l'enveloppe 2. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la configuration représentée sur la figure 1. On a représenté sur la figure 2 un monotube instrumenté 20 conforme à un deuxième exemple de réalisation de l'invention. On utilisera dans la suite de l'invention les mêmes numéros de référence pour désigner des éléments identiques ou fonctionnellement analogues à ceux qui viennent d'être décrits en référence à la figure 1, et dont la description ne sera pas reprise en détail. Le monotube 20 diffère du précédent notamment par le fait que le thermostat 10 et le fusible thermique 9 sont placés du côté des fils 7, dans un tube 21 engagé à une extrémité dans le tube 3. Ce dernier est fermé à l'extrémité opposée aux fils 7 par le bouchon 5 et il est rempli sur une portion adjacente de sa longueur par un isolant électrique 25 constitué dans l'exemple particulier décrit par une résine époxyde polymérisée. L'isolant 25 ménage une lame d'air 18 avec le bouchon 5, à l'instar de l'isolant électrique 14 décrit en référence à la figure 1. Les solénoïdes constituant l'élément chauffant 6 sont directement reliés entre eux à une extrémité et sont reliés à l'autre extrémité aux fils 8. Le tube 21 est rempli d'un isolant électrique 23 constitué dans l'exemple particulier décrit par une résine époxyde polymérisée, qui forme au niveau de l'extrémité de sortie des fils 7 un bouchon isolant 15, se prolongeant hors du tube 21. L'isolant électrique 23 et l'isolant électrique 25 imprègnent respectivement en 24 et 26 l'isolant électrique poreux 13 sur une épaisseur e. Un manchon isolant 22 est disposé dans le tube 21 autour du thermostat 10 et du fusible thermique 9. Le manchon 22 est emboîté à une extrémité dans le manchon métallique 11, la région de recouvrement des deux manchons 11 et 22 se situant dans l'épaisseur d'isolant électrique poreux 13 imprégnée en 24. Le manchon 22 se situe à l'autre extrémité légèrement en retrait de l'extrémité du tube 21. On a représenté sur la figure 3 un monotube instrumenté 30 conforme à un troisième exemple de réalisation de l'invention. Ce monotube 30 comporte des éléments de contrôle et/ou de sécurité, sensibles à la température, de part et d'autre du tube 3 contenant l'élément chauffant. Le monotube 30 est sensiblement identique, pour la partie située du côté des fils 7 au monotube 20 décrit précédemment et pour la partie située du côté opposé, au monotube 1 décrit plus haut. Le fait d'avoir des éléments de contrôle et de sécurité de part et d'autre du tronçon central d'enveloppe 2 contenant l'élément chauffant permet un contrôle encore plus précis de la température du monotube, puisque l'on peut de cette façon suivre la température de l'élément chauffant indépendamment du sens des courants de convection qui se forment le long du monotube, de la gauche vers la droite sur les figures ou inversement. On a représenté sur la figure 4 un monotube instrumenté 40 conforme à un quatrième exemple de réalisation de l'invention. A la différence des monotubes décrits en référence aux figures 1 à 3, le monotube 40 comporte une enveloppe constituée par un tube unique 41. Pour illustrer la grande diversité des éléments de contrôle et/ou de sécurité qui peuvent être utilisés, on a représenté sur la figure 4 un élément de contrôle 42 tel qu'une résistance sensible à la température, du type CTN ou CTP, placé assez près du bout du tube 41 et noyé dans un isolant électrique 44 constitué dans l'exemple particulier décrit par une résine époxyde polymérisée remplissant un tronçon d'extrémité 43 du tube 41. L'isolant électrique poreux 13 est imprégné à une extrémité en 16 par la matière constituant le bouchon isolant 15 et à l'autre extrémité en 46 par la matière constituant l'isolant électrique 44. On évite ainsi que ne se forme une lame d'air préjudiciable à la qualité de l'isolation électrique, pour les raisons expliquées plus haut. On va maintenant décrire en référence aux figures 5 à 11 un exemple de procédé de fabrication du monotube 1. On commence par placer les deux solénoïdes constituant l'élément chauffant 6, reliés aux fils 7 et 8, à l'intérieur du manchon métallique 11 et l'on remplit ce dernier avec de la magnésie en poudre constituant l'isolant électrique poreux 13, comme représenté sur la figure 5, que l'on compacte en effectuant un retreint du manchon 11. Les fils 7 et 8 s'étendent hors du manchon métallique 11. Ensuite, on place le manchon métallique 11 à l'intérieur du tube 3 et l'on remplit l'intervalle annulaire existant entre le tube 3 et le manchon 11 par de la magnésie en poudre que l'on compacte. On remarquera qu'après compactage, les extrémités axiales du manchon métallique 11 émergent de part et d'autre de l'isolant électrique poreux 13, comme représenté sur la figure 6, et s'étendent en retrait des extrémités du tube 3. On fixe ensuite aux fils 8, comme illustré sur la figure 7, l'ensemble de contrôle et de sécurité comportant le fusible thermique 9 et le thermostat 10. Ensuite, on place autour de cet ensemble de contrôle et de sécurité le tube 4 emmanché à une extrémité à l'intérieur du tube 3. Les deux tubes sont assemblés par soudage de l'extrémité du tube 3 sur la périphérie externe du tube 4, comme représenté sur la figure 8. On introduit ensuite le manchon isolant 12 dans le tube 4 et on l'engage dans le manchon métallique 11 à une extrémité, comme représenté sur la figure 9. On coule alors à l'intérieur du tube 4 la résine époxyde constituant l'isolant électrique 14 , à l'état fluide et non polymérisé. La résine vient imprégner sur une épaisseur e l'isolant électrique poreux 13, comme illustré sur la figure 10. On remplit ensuite le tube 4 avec la résine que l'on polymérise. On constitue le bouchon 15 par moulage en résine époxyde que l'on polymérise. Cette résine vient imprégner avant la polymérisation sur une épaisseur e l'isolant electrique 13, comme illustré sur la figure 11. On soude également le bouchon 5 en veillant à menager une lame d'air 18 avec l'isolant électrique 14. On peut bien entendu utiliser comme isolant électrique destiné à imprégner l'isolant électrique poreux 13 et à remplir un tronçon d'enveloppe adjacent à celui contenant l'isolant électrique poreux 13, une résine autre qu'une résine époxyde, par exemple une résine silicone, ou un mélange de résines. La résine utilisée comporte avantageusement au moins 50 % en volume d'une charge de particules d'un isolant électrique conducteur de la chaleur, tel que du nitrure de bore. En variante, on peut modifier la proportion de la charge et utiliser par exemple d'autres charges que du nitrure de bore, comme par exemple de l'alumine ou de la magnésie. On veille à éviter, dans la mesure du possible, l'absence de bulles d'air dans la résine. On peut encore utiliser à la place de la résine, en vue de résister à des températures plus élevées, des céramiques haute densité à base d'alumine. On ne sort pas du cadre de l'invention en utilisant comme isolant electrique poreux un mélange de plusieurs constituants différents. On ne sort pas non plus du cadre de l'invention en imprégnant l'isolant électrique poreux 13 par une matière autre que celle remplissant le tronçon d'enveloppe adjacent. I1 peut notamment être avantageux d'effectuer l'imprégnation de l'isolant électrique poreux 13 par une première résine plus fluide que celle qui est ensuite coulée dans l'enveloppe, de manière à imprégner plus facilement ou sur une épaisseur plus grande la matière constituant l'isolant electrique poreux. Bien entendu, cette première résine est choisie de façon à ce que la deuxième résine qui est coulée ensuite puisse adhérer à l'isolant électrique poreux ainsi imprégné. La résine plus fluide peut être constituée par exemple par une résine de la même famille chimique que celle qui est destinée à remplir le tronçon d'enveloppe adjacent. Bien entendu, on ne sort pas du cadre de l'invention en ne disposant pas les manchons 11, 12 ou 22 à l'intérieur de l'enveloppe. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage électrique comportant une enveloppe tubulaire, un élément chauffant placé au sein d'un premier tronçon de cette enveloppe et noyé dans un isolant électrique poreux remplissant ce premier tronçon, et au moins un élément conducteur de l'électricité tel que par exemple un élément de contrôle et/ou de sécurité sensible à la température, place au sein d'un deuxième tronçon d'enveloppe adjacent au premier et noyé dans un isolant électrique remplissant ce deuxième tronçon, caractérisé par le fait que l'isolant électrique poreux (13) remplissant le premier tronçon d'enveloppe (3) est imprégné à son extrémité adjacente au deuxième tronçon d'enveloppe (4; 21; 43) par un matériau d'imprégnation électriquement isolant auquel l'isolant électrique (14; 23; 44) contenu dans le deuxième tronçon d'enveloppe peut adhérer. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'isolant électrique poreux (13) remplissant le premier tronçon d'enveloppe (3) présente une rigidité diélectrique supérieure à 3000 V/mm et une conductivité thermique supérieure à 4 W/m C. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'isolant électrique (14; 23; 44) remplissant le deuxième tronçon d'enveloppe présente une rigidité diélectrique supérieure à 10000 V/mm et une conductivité thermique supérieure à 2 W/m"C. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'isolant électrique poreux (13) remplissant le premier tronçon d'enveloppe est constitué par une poudre minérale compactée qui est de préférence de la magnésie. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'isolant électrique (14; 23; 44) remplissant le deuxième tronçon d'enveloppe est constitué par une résine qui est par exemple une résine époxyde polymérisée ou une résine silicone polymérisée. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la résine contenue dans le second tronçon d'enveloppe est chargée de particules d'un corps conducteur de la chaleur mais électriquement isolant, par exemple de l'alumine ou du nitrure de bore. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ladite charge est dans une proportion de 50% au moins en volume. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'isolant électrique remplissant le deuxième tronçon d'enveloppe est une céramique, par exemple à base d'alumine. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un manchon métallique (11) à l'intérieur du premier tronçon d'enveloppe (13), ce manchon étant disposé autour de l'élément chauffant (6) et se prolongeant jusque dans la région (17) de l'isolant électrique poreux (13) qui est imprégnée. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'isolant électrique poreux (13) qui est contenu dans le premier tronçon d'enveloppe est imprégné par ledit matériau d'imprégnation à ses deux extrémités (16, 17; 24, 26; 24, 17; 16, 46). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le matériau d'imprégnation est le même que celui constituant l'isolant électrique (14; 15; 23; 25; 44) remplissant le deuxième tronçon d'enveloppe. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendication 1 à 10, caractérisé par le fait que le matériau d'imprégnation est de même nature chimique que celui constituant l'isolant électrique remplissant le deuxième tronçon d'enveloppe, mais présente une fluidité plus élevée lorsqu'il est introduit dans l'enveloppe. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est étanche. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, le courant étant amené par des fils (7) à une extrémité de l'enveloppe, caractérisé par le fait qu'il comporte, à l'autre extrémité de l'enveloppe, un bouchon (5) soudé à l'enveloppe et ménageant une lame d'air (18) avec l'isolant electrique contenu dans le tronçon d'enveloppe (4; 3; 43) sur lequel est soudé ledit bouchon (5). 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que l'épaisseur d'imprégnation (e) est supérieure à 2 mn. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que l'élément de contrôle et/ou de sécurité sensible à la température est place à l'intérieur d'un manchon isolant (12 ; 22). 17. Procédé pour fabriquer un dispositif de chauffage électrique tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes consistant à - mettre en place un élément chauffant (6) dans un tube, - remplir ce tube avec un isolant électrique pulvérulent, - compacter ledit isolant électrique pulvérulent, - imprégner sur une épaisseur prédéterminée l'isolant électrique pulvérulent compacté contenu par un matériau d'imprégnation, - couler dans un tronçon de tube adjacent à celui contenant l'isolant électrique pulvérulent compacté et imprégné un isolant électrique à l'état fluide, apte à adhérer à la partie dudit isolant électrique pulvérulent compacté qui est imprégnée. 18. Radiateur électrique comportant un dispositif de chauffage électrique tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 16.