Brevet FR2823632A1 — publié le 20021018

physique de type GPRS, et selon un protocole de type IP. La présente invention concerne les appareils de chauffage électrique par rayonnement infra rouge. Pour le chauffage des locaux, on a recours à différents types d'appareils de chauffage, parmi lesquels on distingue les appareils à émission de rayonnement infra rouge sous forme de cassettes chauffantes. Ce type de chauffage peut s'appliquer s également au chauffage de produits, par exemple au cours d'un procédé de transformation industrielle. Ces appareils sont constitués d'une structure support intégrant une partie active. Cette partie active comporte un matériau émetteur qui, porté à une certaine température sous l'effet direct ou indirect du passage d'un courant électrique, devient émetteur de rayonnement infra rouge. Différentes solutions sont 0 disponibles dans 1'industrie pour réaliser cette partie active. Pour les émetteurs à haute température, fonctionnant entre 400 et 1000 degrés C, on rencontre couramment les technologies d' inclusion de résistances électriques classiques à l'intérieur d'un bloc métallique ou céramique. On trouve aussi des résistances contenues dans des tubes de quartz. Généralement ces solutions conduisent à des inerties thermiques élevées: ces appareils s'échauffent fortement, y compris dans leurs parties non actives, comme la structure: Les matériaux mis en oeuvre doivent résister aux températures élevées, ils sont généralement métalliques, donc conducteurs de l' électricité, ce qui présente des risques d' accident électriques et permet peu de choix de matériaux nouveaux en vue de baisser les coûts de fabrication. Dans les gamrnes de cassettes fonctionnant à basse température, c' est à dire en dessous de 150 C, on rencontre des structures légères pour lesquelles les parties actives peuvent être constituces de films minces, par exemple sérigraphiés avec des encres conductrices. Ces appareils ont des inerties thermiques faibles, mais les températures de fonctionnement et les puissances surfaciques sont également faibles: ils exigent des 2s surfaces chauffantes importantes, et les coûts d' installation sont élevés. On trouve peu d'offre industrielle dans la gamme de température entre 150 et 400 C, qui présente des avantages de confort et d'économie d'installation intéressants. Le problème posé par la présente invention est de concevoir un nouveau type de partie active d'appareil de chauffage par rayonnement infra rouge qui combine une inertie thermique très faible, une température de fonctionnement nominale supérieure à 150 C, Plus précisément dans une gamme de 150 à 400 C, et une liberté de répartition de la puissance surfacique entre différentes zones de la partie active. Le problème est aussi d'inventer un système produisant un gradient de température très fort sur les bords, du côté des liaisons froides électriques, de façon d'une part à conserver une température la plus élevée possible très près des bords afin d'optimiser la puissance d'émission de l'émetteur, d'autre part à ce que les liaisons froides aient une température modérée pour éviter les effets d'une dilatation différentielle des matériaux en présence. Cette modération de température a aussi comme objectif d'élargir l'éventail des matériaux de structure utilisables à proximité des liaisons froides pour ne conserver accessible de l'extérieur que des matériaux isolants basse température, minimisant les risques électriques et thermiques. Le problème est corrélativement de concevoir l' application de cette partie active à un nouveau type d'appareils de chauffage 0 performant, de haute sécuaté et économique dans son exploitation et sa réalisation. On fxera comme objectif le temps pour atteindre 80% de la température nominale de l'émetteur à environ 30 secondes, et une température de la structure de l'appareil inférieure à 70 C. La solution technique proposée utilise un film polymère mince conducteur de l'électricité et résistant en température. Sa conductivité électrique dans son plan est homogène et peut être apportée soit dans la masse par des adjuvants conducteurs, soit en surface par une couche mince conductrice. Des caractéristiques avantageuses sont obtenues en utilisant des films de résistivité comprise entre 50 et 1000'Q par carré. On trouve d'autre part facilement et économiquement sur le marché des films conducteurs dans la masse de résistivité comprise entre 100 et 300'Q par carré. Les films polyimides résistent à des températures de l'ordre de 300 à 400 C, et répondent avantageusement au problème. Comme nous le verrons plus loin dans la description détaillée d'un mode de réalisation, l'invention prévoit de réaliser un élément actif émetteur infra rouge par la mise en ceuvre d'une bande de film mince (1). Deux bords opposés du film sont connectés selon leur longueur à un réseau électrique par l'intermédiaire de deux conducteurs métalliques épais (2), par exemple réalisés en proflés d'Aluminium ou de Cuivre. Ces conducteurs (2) sont reliés respectivement à chacun des pôles du réscau. On choisira avantageusement une épaisseur de film inférieure à 150 microns et une épaisseur des conducteurs d' au moins 1 0 fois l' épaisseur du film. Du fait de la très faible épaisseur du flm et de son mauvais coefficient de conduction thermique, les pertes thermiques par conduction sur les bords du film sont très réduites, et du fait de la masse du conducteur métallique et de son bon coefficient de conduction, celui-ci va pomper la chaleur et I'évacuer en s'échauffants très peu. La structure de l'appareil qui est en contact avec les conducteurs subit donc elle-méme très peu d'échauffement, et peut être conçue avec des matériaux tels que des matières plastiques ordinaires. Les bords opposés du film sont de forrne libre. Ils peuvent être rectilignes parallèles, rectilignes non parallèles, ou bien encore courbes. La puissance surfacique de la résistance mince ainsi constituée sera fonction de la distance respective entre les conducteurs à un endroit donné; elle pourra donc être soit homogène en cas de bords parallèles, soit hétérogène en cas contraire. Dans le cas d'un trapèze avec les conducteurs positionnces sur les deux côtés obliques, lo la résistance sera de valeur dégressive entre la partie étroite et la partie large du trapèze. Dans le cas d'une forme courbe des bords, la résistance sera fonction de la distance entre les conducteurs à un endroit donné. Ces confgurations sont intéressantes dans le cas o l' on souhaite des zones de puissances surfaciques différentes, par exemple en vue d'un procédé industriel particulier, ou bien en cas d'appareil vertical, lorsque l'on veut créer un gradient de puissance visant à contrebalancer le gradient lié à la convection naturelle. L'invention détaille en outre deux exemples de modes d' application de l' invention à des appareils de chauffage: L'un concerne une cassette de chauffage de locaux pour lequel la structure supportant la partie active est un cadre portant une partie active selon 1'invention. L'autre concerne un appareil de chauffage portable posé au sol, dans lequel la structure support est un cylindre en matière plastique posé selon une de ses bases circulaires, la partie active de forme trapézoidale est fixée à l'intérieur du cylindre dans le plan vertical de symétrie. Elle émet sur ses deux faces un rayonnement infra rouge vers la surface intérieure du cylindre qui s'échauffe de façon homogène. Celui-ci devient alors émetteur de rayonnement infra rouge par sa surface extérieure. La fgure 1 propose en coupe une partie active selon 1'invention. La fgure 2 propose en plan une partie active rectangulaire selon l'invention. La figure 3 propose en plan une partie active trapéxoïdale selon l'invention La fgure 4 propose en plan une partie active à bords courbes selon l'invention. La figure 5 propose en coupe une cassette de chauffage en plafond selon l'invention La figure 6 propose en vue cavalière un appareil portable selon l' invention. Dans un mode de réalisation illustré en figures 1, un flm polyimide (1) conducteur dans la masse, de résistivité de l'ordre de 250'Q par carré et d'épaisseur 125 microns est disposé entre deux profils Alurninium (2) faisant office de conducteurs, reliés au film ( 1) par l' intermédiaire d' une bande métallique (3) contrecollée sur ses deux faces au moyen d'une colle conductrice de l'électricité (4). Lorsque l'on établit une tension s électrique entre les conducteurs (2) en les connectant à un réseau par l'intermédiaire de fils (9), le film (1) s'échauffe et devient émetteur de rayonnement infrarouge. La distance avantageuse entre les conducteurs (2) selon ce mode de réalisation est situce entre 150 et 1200 mm, pour permettre de faire fonctionner directement l'élément sur un réseau standard de 230 V avec un échauffement d' environ 200 C. En appliquant dans un mode de réalisation le principe de la figure 1 à un élément rectangulaire selon la figure 2, dont les deux bords opposés du film connectés au réscau sont rectilignes et parallèles, sur une longueur d' environ 1 200 mm et une largeur d'environ 300 mm, on constitue un élément chauffant de puissance surfacique régulièrement répartie de puissance totale d'environ 1000 W sous 230 V. En appliquant dans un mode de réalisation le principe de la figure 1 à un élément trapézoïdal selon la figure 3, dont les deux bords opposés du film connectés au réseau sont rectilignes et non parallèles, sur une longueur d' environ 1 000 mm et une largeur croissante entre 200 mm et 400 mm, on constitue un élément chauffant d'une puissance surfacique régulièrement décroissante sur sa longueur de puissance totale d'environ 1000 W sous 230 V. Dans un mode de réalisation illustré par la figure 4, les deux bords opposés du film connectés au réseau sont de forme courbe, et l'on constitue un émetteur de puissance surfacique variable selon différentes zones. Dans un autre mode de réalisation illustré en figure 5, un cadre en profils de synthèse, 2s par exemple en PVC( 8) sert de structure porteuse à un émetteur selon les figures 1 et2. Le film conducteur (1) est un isolant électrique dont la conductivité électrique est apportée en surface supérieure par une couche mince métallique. Le film (1) est alors conducteur sur sa face supérieure et isolant sur sa face inférieure. Un système de ressort (14) maintient le film (1) en tension mécanique entre les deux conducteurs métalliques épais (2) lorsque le film se dilate sous l'effet de la chaleur. La face supérieure métallisée a un très faible coefficient d'émission infra rouge, alors que la face inférieure non revêtue a un fort coefficient d'émission. Un isolant therrnique et électrique (7) est placé au dessus du film conducteur (1) afin de limiter encore d'avantage les pertes therrniques s: vers le haut: on constitue ainsi de façon simple et éconornique un appareil de chauffage émettant vers le bas dont l'émetteur (1) est porté à une température d'environ 200 C, et dont la structure (8) en matériau isolant électrique est maintenue à une température inférieure à 60 C pour une température ambiante de 20 C. s Dans une variante de ce mode de réalisation, le film (1) peut étre conducteur dans la masse. Une grille métallique fne (6) assure la sécurité et la protection de l'émetteur ainsi constitué. Dans un autre mode de réalisation illustré en figure 6, une structure est constituée par un tube en forme de cylindre ou de portion de cylindre mince en matière isolante (13) posé sur une de ses bases circulaires (10). Un émetteur selon les figures 1 et 3 est fixé à l'intérieur de la structure, aux environs du plan de symétrie vertical, la partie étroite du trapèze vers le bas, c'est à dire avec une puissance surfacique décroissante du bas vers le haut. L'émetteur échauffe la surface interne du cylindre par rayonnement. La convection naturelle a tendance à provoquer un réchauffement croissant du bas vers le haut. Les phénomènes contradictoires de bas en haut entre la convection naturelle et la décroissance de la puissance surfacique de l'émetteur conduisent à une température sensiblement régulièrement répartie sur toute la surface du cylindre. Si l' on choisit par exemple un cylindre de 400 mm de diamètre en polycarbonate et un émetteur de 1000 W selon les figures 1 et 3, on constitue un appareil émetteur infra rouge cylindrique très léger et économique à fabriquer, de température de surface sensiblement inférieure à C, c'est à dire non dangereuse au toucher. Afin de limiter les pertes de chaleur par convection, on peut obturer la section supérieure du tube cylindrique par un bouchon isolant, par exemple en liège ( 11). Cet appareil peut être positionné de façon décorative au milieu d'une pièce, et l'on peut profiter de l' alimentation électrique nocessaire au fonctionnement de l' émetteur infra rouge pour y ajouter une autre fonction telle que celle d'éclairage (12) La liste des applications n' est pas exhaustive, et l' on comprendra que l'homme de métier peut utiliser l'invention de diverses manières, profitant des avantages liés à la très faible inertie de l'émetteur, et aux autres avantages développés plus haut. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1) Emetteur infra rouge de température nominale supérieure à 150 C, réalisé au moyen d' un film ( 1) mince conducteur de l' électricité, caractérisé en ce qu' il est constitué d'une bande de film ayant deux bords opposés de forme libre connectés s selon leur longueur à un réseau électrique par l'intermédiaire de deux conducteurs métalliques épais (2) et que la matière constituant le film est un polymère résistant en température dont la conductivité électrique est apportée soit dans la masse par des adjuvants conducteurs, soit en surface par une couche mince conductrice. 2) Emetteur infra rouge selon la revendication 1 caractérisé en ce que le film conducteur (1) est en polyimide. 3) Emetteur infra rouge selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le film (1) a une épaisseur inférieure à 150 microns, et que les conducteurs (2) ont une épaisseur d'au moins 10 fois l'épaisseur du film. 4) Emetteur infra rouge selon l'une quelcouque des revendications précédentes caractérisé en ce que la résistivité du film est comprise entre 50 et 1000'Q par carré. ) Emetteur infra rouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le flm est conducteur dans la masse et a une résistivité comprise entre 100 et 300'Q par carré. 6) Emetteur infra rouge selon la revendication 1 caractérisé en ce que les conducteurs métalliques sont des proflés en Aluminium ou en Cuivre. 7) Emetteur infra rouge selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conducteurs sont reliés au film (1) par l'intermédiaire d'une bande métallique (3) contrecollée sur ses deux faces au moyen d'une colle conductrice de l'électricité (4). 2s 8) Emetteur infra rouge selon l'une quelcouque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux bords opposés du f Im connectés au réseau électrique sont rectilignes et parallèles. 9) Emetteur infra rouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les deux bords opposés du film connectés au réseau électrique sont rectilignes et non parallèles. ) Emetteur infra rouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les deux bords opposés du film connectés au réseau électrique sont de forme courbe. 11) Appareil de chauffage électrique caractérisé en ce qu'il est constitué d'une structure (8) portant un émetteur infra rouge selon l'une quelconque des revendications précédentes. 12) Appareil de chauffage électrique selon la revendication 11 caractérisé en ce que le s film (1) est maintenu en tension mécanique entre les deux conducteurs métalliques épais (2). 13) Appareil de chauffage électrique selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'une grille métallique (6) assure la sécurité et la protection de l'émetteur. 14) Appareil de chauffage électrique caractérisé en ce qu'un émetteur infra rouge selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 est fxé à l'intérieur d'une structure composée d'un tube en forme de cylindre ou de portion de cylindre mince en