Brevet FR2804278A1 — publié le 20010727

Limiteur de température en polymère semi-conducteur et appareil chauffant incorporant un tel limiteur La présente invention concerne un limiteur de température ainsi qu'un appareil chauffant faisant usage de ce limiteur. Le terme appareil chauffant fait penser en premier lieu aux équipements de chauffage tels que les radiateurs, mais de nombreuses autres applications nécessitent une source de chaleur, notamment les plaques de cuisson alimentaire. La chaleur, quant à elle, peut être produite de différentes manières, au moyen de combustibles fossiles naturellement, mais de plus en plus couramment au moyen de l'énergie électrique. Dans un souci de clarté, l'invention sera donc présentée en référence à un radiateur électrique. Comme tous les appareils chauffants, un radiateur électrique est essentiellement constitué d'un corps de chauffe en contact avec le milieu ambiant, ce corps de chauffe enrobant un module de chauffage qui assure la production de chaleur. A titre d'exemple, le module de chauffage est un fil résistif enrobé dans un corps de chauffe en matériau plastique thermodurcissable. Le radiateur est souvent associé à un thermostat qui régule la température ambiante. En phase de chauffe, la température du corps de chauffe excède sensiblement la température ambiante et peut même excéder une valeur limite imposée pour des raisons de sécurité ou pour éviter une dégradation du radiateur. On prévoit donc un limiteur de température, composant similaire à un thermostat, mais dont la fonction est ici de conserver la température du corps de chauffe en dessous d'une valeur limite et non pas de réguler la température ambiante. On connaît de nombreux limiteurs de température au nombre desquels figurent les composants mécaniques tels que, bilames, dispositifs à dilatation de liquide ou de gaz, dispositifs à tension de vapeur, cires thermosensibles, matériaux fusibles ou mécanismes à actionnement magnétique. Ces composants résultent de l'assemblage de plusieurs éléments dont l'un d'entre eux au moins est mobile. Leur fabrication est donc relativement complexe du fait de l'assemblage et leur fiabilité est souvent limitée. De plus, ils se prêtent mai à une forte miniaturisation. On connaît par ailleurs les composants statiques, capteurs de température, tels que thermistances à coefficient de température positif ou négatif et thermocouples. Ces capteurs ne souffrent pas des limitations des composants mécaniques, mais lorsqu'ils sont utilisés comme limiteurs de température, ils requièrent un circuit de mesure électronique. L'encombrement global et le coût du limiteur de température s'en voient très sensiblement affectés. La présente invention a ainsi pour objet un limiteur de température d'une grande simplicité et un appareil chauffant faisant usage de ce limiteur. Selon l'invention, un appareil chauffant comprenant, dans un corps de chauffe, d'une part un module de chauffage et d'autre part un limiteur de température pour agir sur l'alimentation de ce module de chauffage, l'élément actif du limiteur de température est en matériau polymère semi-conducteur. De plus, le matériau polymère présente une résistivité électrique à coefficient de température positif, cette résistivité étant de préférence inférieure à 10-1 n.m à basse température. Suivant une première option, le limiteur de température est constitué par une pluralité de dipôles thermosensibles connectés en série, chacun de ces dipôles contenant l'élément actif. De préférence, ces dipôles thermosensibles présentent une résistance inférieure à 2,5 S2. Suivant une seconde option, le limiteur de température est constitué par un dipôle filiforme connectant entre ses extrémités cet élément actif. Avantageusement, l'élément actif présentant une variation de résistance maximale lorsqu'il est parcouru par un courant de saturation, le limiteur de température est lui prévu pour être parcouru par un courant inférieur au tiers de ce courant de saturation. A titre d'exemple, le module de chauffage dispose d'une alimentation électrique. Dans ce cas, soit le limiteur de température est connecté en série avec le module de chauffage, soit le limiteur de température est prévu pour commander un commutateur agissant sur l'alimentation de ce module de chauffage. L'invention concerne également le limiteur de température dont l'élément actif est en matériau polymère semi-conducteur. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en se référant aux figures annexées qui représentent - la figure 1, un schéma d'un premier mode de réalisation d'un appareil chauffant, - la figure 2, un schéma d'un deuxième mode de réalisation d'un appareil chauffant, - la figure 3, un schéma d'un limiteur de température filiforme. Les éléments identiques sont affectés d'une seule référence dans les figures. Le limiteur de température selon l'invention est donc réalisé par application de deux électrodes sur un matériau polymère semi-conducteur. Un tel matériau est formé d'une matrice d'un polymère organique dans laquelle sont disposées des micro particules conductrices de l'électricité, généralement du noir de carbone. La sensibilité de ce matériau à la température est due à un changement de phase du polymère. A basse température le polymère à une structure essentiellement polycristalline, les particules conductrices venant se loger dans les parois en phase amorphe qui séparent les cristallites. La proportion de particules dans le matériau excède un seuil dit de percolation tel que les particules conductrices soient en contact ou en quasi contact. Le matériau présente alors une résisitivité voisine de celle d'un métal, de préférence inférieure à 10-1 n.m. Lorsque la température augmente, la phase amorphe du polymère progresse au détriment de la phase polycristalline du fait de la fusion des cristallites, perturbant ainsi le réseau de conduction formé par les particules. Le matériau, passé une certaine température, présente donc une forte résistivité. II est dans ce cas caractérisé par un coefficient de température positif. Un limiteur de température a pour vocation de limiter la température du corps dans lequel il est intégré. II convient donc de ne pas fausser la mesure de température par un auto-échauffement excessif du limiteur lui-même. En effet, bien que la résistance du matériau semi-conducteur soit faible à basse température, elle n'est cependant pas nulle, si bien que lorsque le matériau est parcouru par un courant, un auto-échauffement par effet Joule se produit. La variation de résistivité du matériau est considérable dans une plage de température très étroite correspondant à la fusion des cristallites du polymère tandis qu'elle est relativement faible en dehors de cette plage. Ainsi, on peut définir une température critique, respectivement un courant de saturation, comme la valeur moyenne des extrémités de la plage de température définie ci- dessus, respectivement le courant parcourant le matériau qui permet d'atteindre cette température critique par auto-échauffement. Le limiteur de température exploite la variation de résistivité du matériau, si bien que sa valeur de consigne sera choisie de préférence égale à la température critique. Ce choix permet d'obtenir une sensibilité maximale. II convient donc de limiter l'auto-échauffement dans toute la mesure du possible et pour ce faire, il est souhaitable d'appliquer au limiteur un courant qui n'excède pas le tiers du courant de saturation. Naturellement, la précision atteinte sera d'autant plus grande que ce courant appliqué sera faible. En référence à la figure 1 est présenté un premier mode de réalisation d'un appareil chauffant, un radiateur électrique en l'occurrence. Le radiateur comprend, enrobés dans un corps de chauffe en plastique thermodurcissable, deux fils résistifs 13, 14 et un dipôle thermosensible 16 en série. Les deux fils résistifs qui sont symbolisés par des résistances dans la figure constituent le module de chauffage, alors que le dipôle thermosensible formé d'une pastille de matériau polymère semi-conducteur enserrée entre deux électrodes constitue le limiteur de température. De préférence, ce dipôle présente une résistance inférieure à 2,5 92 à basse température. Suite aux considérations précédentes relatives à l'auto-échauffement, il apparaît que le courant appliqué aux trois éléments 13, 14, 16 connectés en série dépend des caractéristiques du dipôle 16. Cette contrainte est parfois difficile à satisfaire, compte tenu de la puissance de chauffe nécessaire et des types de dipôles disponibles. Ainsi, en référence à la figure 2 un deuxième mode de réalisation est présenté. Le radiateur 20, similaire à celui précédemment décrit, comprend donc un corps de chauffe 21. Le module de chauffage est ici constitué de trois fils résistifs 23, 24, 25 connectés en parallèle sur un câble d'alimentation AL. Le limiteur de température est ici composé d'une pluralité de dipôles thermosensibles 26 connectés en série à un câble de mesure MES. Là encore, ces dipôle présentent chacun une résistance inférieure à 2,5 92 à basse température. Le radiateur est prévu pour fonctionner en association avec un circuit de commande 28 comprenant essentiellement un relais de puissance 29 qui connecte ou isole un câble de puissance P et le câble d'alimentation AL du radiateur. Ce câble de puissance est prévu pour délivrer l'énergie électrique nécessaire au module de chauffage. Le câble de mesure MES est inséré en série sur l'un des conducteurs de l'alimentation de commande COM du relais Dans ce cas, le courant traversant les dipôles thermosensibles peut être très faible puisqu'il a pour seule fonction de commander le relais 29 ou tout dispositif de commutation équivalent. La pluralité de dipôles thermosensibles 26 permet de détecter des surchauffes locales qui pourraient être masquées si un seul dipôle était utilisé. Il faut toutefois remarquer qu'un résultat équivalent pourrait être obtenu en remplaçant l'ensemble des dipôles, composants discrets, par un seul capteur filiforme serpentant au sein du corps de chauffe. En référence à la figure 3 ce capteur se présente comme un fil ou un ruban 31 métallisé avec une couche métallique 32 présentant des discontinuités 33. On définit ainsi un dipôle thermosensible au niveau de chaque discontinuité. Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis pour leur caractère concret. II ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, tout moyen décrit peut-être remplacé par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1) Appareil chauffant (20) comprenant, dans un corps de chauffe (11, 21), d'une part un module de chauffage (13, 14 ; 23, 24, 25) et d'autre part un limiteur de température (16, 26) pour agir sur l'alimentation de ce module de chauffage, caractérisé en ce que l'élément actif dudit limiteur de température est en matériau polymère semi-conducteur. 2) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau polymère présente une résistivité électrique à coefficient de température positif. 3) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit matériau polymère présente une résistivité inférieure à 10-1 Q. m à basse température. 4) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit limiteur de température est constitué par une pluralité de dipôles thermosensibles (26) connectés en série, chacun de ces dipôles contenant ledit élément actif. 5) Appareil selon la revendications 4, caractérisé en ce que lesdits dipôles thermosensibles présentent une résistance inférieure à 2,5 S2. 6) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit limiteur de température est constitué par un dipôle filiforme connectant entre ses extrémités ledit élément actif (31). 7) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, ledit élément actif présentant une variation de résistance maximale lorsqu'il est parcouru par un courant de saturation, ledit limiteur de température est lui prévu pour être parcouru par un courant inférieur au tiers dudit courant de saturation. 8) Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit module de chauffage dispose d'une alimentation électrique. 9) Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit limiteur de température (16) et ledit module de chauffage (13, 14) sont connectés en série. 10) Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit limiteur de température (26) est prévu pour commander un commutateur (29) agissant sur l'alimentation dudit module de chauffage (23, 24, 25). 11) Limiteur de température, caractérisé en ce que l'élément actif qui le constitue est en matériau polymère semi-conducteur (31). 12) Limiteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit matériau polymère présente une résistance électrique à coefficient de température positif. 13) Limiteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit matériau polymère présente une résistivité inférieure à 10-152.m à basse température. 14) Limiteur selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13 caractérisé en ce que, ledit matériau polymère présentant une variation de résistance maximale lorsqu'il est parcouru par un courant de saturation, ledit limiteur de température est lui prévu pour être parcouru par un courant inférieur au tiers dudit courant de saturation.