Brevet FR2860680A1 — publié le 20050408

DESCRIPTION Domaine d'application de l'invention La présente invention concerne le domaine du chauffage électrique, de puissance modulable, sous très basse tension de sécurité. Elle est destinée en particulier au chauffage électrique par le sol ou les autres parois des locaux à usage d'habitation, tertiaire ou industriels. Description de l'art antérieur Le chauffage électrique s'est développé dans de nombreuses applications. Parmi celle-10 ci on peut citer: les planchers chauffants électriques, les panneaux rayonnants et le chauffage des fluides. Les planchers chauffants électriques sont des systèmes généralement constitués d'un câble alimenté en basse tension, typiquement 220 V. Ce câble peut être installé soit dans la dalle ou directement dans la chape selon le type de fonctionnement du chauffage: chauffage par accumulation ou chauffage direct. Ces câbles ont plusieurs contraintes d'utilisation. Plus particulièrement ils nécessitent un très bon enrobage dans le béton et l'absence de bulles d'air autour du câble car la présence de celles-ci conduit à un échauffement local et à une destruction progressive du câble. D'autre part ces câbles ne peuvent pas être installés dans des locaux humides sans l'adjonction d'un treillis métallique qui doit être relié à la terre. Ces câbles nécessitent également une sortie froide pour assurer la liaison avec le système d'alimentation électrique. Cette sortie froide noyée dans le béton peut être source de disfonctionnement. Enfin, ces câbles fonctionnent avec une puissance linéaire constante qui ne peut être modifiée après installation. Il existe également des installations de plancher chauffant électrique alimentées en très basse tension de 48 V mais les câbles de ces installations sont de section importante ce qui ne permet pas leur installation dans les chapes et les réservent au chauffage de base des locaux industriels ou des immeubles. De plus l'élément chauffant est en aluminium dont les caractéristiques mécaniques ne permettent pas de descendre à des sections inférieures à 10 mm2. La demanderesse a donc recherché un système de plancher électrique comportant d'une part un élément chauffant robuste, ne nécessitant pas de sortie froide, pouvant être facilement installé par exemple dans les chapes ou les colles de carrelage des planchers pour du chauffage direct et d'autre part un transformateur avec un bobinage secondaire comportant de nombreuses prises de tension permettant de faire varier la puissance linéique dans les éléments chauffants. linéique dans les éléments chauffants. Dans le domaine du chauffage des fluides de nombreux dispositifs existent. Ces dispositifs sont en général alimentés en 220 V et nécessitent donc également une très bonne isolation électrique, ce qui nuit aux performances thermiques. La demanderesse a également recherché pour ce domaine un dispositif comportant un élément chauffant robuste, ne nécessitant pas de sortie froide et pouvant être facilement installé. Description de l'invention La présente invention a pour but un système de chauffage électrique utilisant un câble de petite section dont l'élément chauffant est un fil en alliage d'aluminium, alimenté en très basse tension de sécurité, variant de quelques volts à 50 V, par un transformateur à enroulement secondaire en fil massif également en aluminium. Dans l'invention principale ce câble qui présente de remarquables propriétés mécaniques et d'échanges thermiques, peut être enrobé directement dans les chapes ou les colles de carrelage des bâtiments, sans treillis de protection, et être utilisé en mode de chauffage direct. Ce câble peut également, pour le raccordement au transformateur, être installé directement sur des chemins de câble ou tout autre mode de pose selon les réglementations en vigueur et ne nécessite pas de sortie froide Le câble chauffant de la présente invention est constitué de fils élémentaires avec une âme massive en alliage d'aluminium de préférence de la série 6000 (alliages d'aluminium-magnésium-silicium) ou de la série 5000 (alliages d'aluminium-magnésium). Cette âme est entourée d'un isolant de préférence en polyéthylène réticulé. Ces fils peuvent être utilisés seuls mais en général deux fils sont torsadés ensembles pour constituer un câble chauffant sans écran et avec un rayonnement électromagnétique négligeable. L'âme conductrice, en alliage d'aluminium n'est pas utilisé comme à l'habitude pour transporter le courant électrique mais comme émetteur de chaleur. La résistivité de cette âme doit être suffisamment grande pour émettre de la chaleur par effet joule mais ne doit pas non plus être trop importante pour permettre de constituer des éléments de longueur chauffante intéressante tout en conservant une faible section. II a été constaté que des alliages ayant une résistivité comprise entre 2,7 et 10 pQ.cm étaient bien adaptés. Parmi les alliages d'aluminium, ceux de la série 6000 correspondent à cette recherche et de plus ils ont d'excellentes propriétés mécaniques. On peut typiquement obtenir une charge de rupture comprise entre 120 et 250 MPa pour un allongement de 10% ce qui permet leur utilisation dans les conditions d'installation les plus sévères et en particulier avec de nombreux pliages alternés. Avec les alliages de la série 6000 les sections du conducteur chauffant peuvent être comprises entre 2 et 25 mm2. D'autre type d'alliages peuvent également être utilisés tels ceux de la série 5000 qui présentent des résistivités plus élevées, souvent supérieures à 5 p icm, et d'excellentes propriétés mécaniques ce qui permet d'obtenir des câbles de très petites sections, par exemple 1,5 mm2, logeables dans la colle de carrelage. Un autre intérêt de ce type de câble est son très bon comportement thermique. Le choix d'une alimentation en très basse tension permet d'utiliser un isolant d'épaisseur faible et optimisée pour permettre un passage aisé du flux de chaleur entre l'émetteur de chaleur et le plancher à chauffer. Ce conducteur peut être soumis à un échauffement important car d'une part l'isolant est soumis à des contraintes diélectriques très faibles et d'autre part l'aluminium contrairement au cuivre reste stable à des températures élevées. Ces propriétés permettent de s'affranchir des défauts d'enrobage du câble et évitent la détérioration du câble suite à la présence de points chauds. De nombreux types d'isolants peuvent être utilisés selon les contraintes et les températures appliquées à I élément chauffant, en particulier le PRC, le PVC, le Téflon, le Nomex etc.... II a ainsi été constaté qu'un conducteur électrique de petite section en alliage d'aluminium, de préférence de la série 6000, répondait à toutes les contraintes de dimensions et d'échauffement imposées à un élément chauffant à la condition d'être alimenté en très basse tension. Les choix retenus pour ce dispositif de chauffage imposent plusieurs contraintes pour l'alimentation de l'élément chauffant et donc pour le secondaire du transformateur: large plage de tension d'alimentation: de quelques volts à 50 volts emploi d'une connectique spécifique à l'aluminium isolation complète du secondaire par rapport au secteur 220V accès aisé pour le raccordement bon refroidissement Pour répondre à ces contraintes, la demanderesse a développé un transformateur nouveau. Il a été trouvé qu'un secondaire constitué d'un fil aluminium nu et massif, bobiné sous la forme d'un solénoïde en forme d'hélice à spires non jointives, constituait une solution très intéressante. La section droite d'une spire du secondaire est polygonale non symétrique. Cet enroulement secondaire permet de réaliser une boucle chauffante en métal homogène avec le câble chauffant également en aluminium ce qui facilite les raccordements et évite les risques de corrosion. Les spires de cet enroulement secondaire ne sont pas isolées et très accessibles ce qui permet un raccordement aisé du câble chauffant à la tension d'alimentation souhaitée. Comme il sera indiqué dans les modes de réalisations, ces spires peuvent ne pas être de longueurs identiques, dans ce cas, les spires supportant les connecteurs sont de 2860680. longueurs plus importantes que les autres spires ce qui permet de minimiser l'encombrement. Ce transformateur BTITBT est de sécurité et possède un écran relié à la terre entre primaire et secondaire, ce qui interdit au secondaire d'être porté au potentiel du primaire. L'un des principaux intérêts de ce dispositif réside dans la possibilité de faire varier la puissance dissipée dans l'élément chauffant en faisant varier la tension d'alimentation par simple déplacement du connecteur de raccordement sur les spires du bobinage secondaire. Ce dispositif permet ainsi de s'adapter aux modifications éventuelles à apporter à une installation de chauffage par le sol sans changer les câbles chauffants. Il est bien évidemment possible d'insérer dans la boucle de chauffage tout thermostat, relais ou fusible nécessaires à la régulation du dispositif. Le câble chauffant, très robuste, (il peut passer dans l'air et être raccordé directement au transformateur sans sortie froide), peut être posé au contact des isolants, par exemple dans des rainures prévues à cet effet dans ceux-ci, et peut admettre des défauts d'enrobage. Ces éléments chauffant très basse tension peuvent également être alimentés par des moyens de production d'électricité indépendants du réseau de distribution électrique, tel que des panneaux photo-électriques ou les éoliennes. La tension fournie par ces éléments est voisine de la tension délivrée par le secondaire du transformateur. Dans d'autres variantes de l'invention on peut utiliser ces câbles pour réchauffer des tuyauteries, constituer des panneaux rayonnants, déneiger les routes et les trottoirs... Par exemple pour le chauffage des fluides à des températures jusqu'à 200 C on peut utiliser un fil en alliage d'aluminium recouvert de nickel ou d'étain et isolé haute température. Description des figures La figure 1 illustre schématiquement le dispositif de base selon l'invention constitué du transformateur BTITBT spécifique (101) avec son secondaire (102) en fil aluminium et d'un élément chauffant (103) La figure 2 illustre schématiquement une section du câble chauffant selon l'invention 30 avec son âme (201) en alliage d'aluminium La figure 3 illustre schématiquement un élément chauffant particulier constitué par deux fils (103) torsadés ensembles et réunis par un connecteur (305) La figure 4 illustre schématiquement un dispositif particulier avec le secondaire TBT (102) du transformateur ayant des spires de longueurs différentes et alimentant un élément chauffant (103) constitué de deux fils torsadés ensembles et réunis avec un raccord de jonction (305) La figure 5 montre une section théorique en coupe du secondaire du transformateur TBT en fil aluminium avec deux spires (501 et 502) de longueurs différentes dont l'une est reliée à l'élément chauffant (103) par un connecteur (105) La figure 6 illustre schématiquement un dispositif particulier de l'élément chauffant (103) inséré dans une rainure d'un isolant (107) Description des modes de réalisation préférés La figure 1 présente un schéma du dispositif de base de la présente invention. Le secondaire(102) du transformateur TBT (101), dont les spires délivrent une tension de quelques volts à 50 V, y alimente un élément chauffant (103) par l'intermédiaire des connecteurs (105). L'élément chauffant est inséré dans la chape (106) du plancher à chauffer, située au-dessus de l'isolant (107) et de la dalle (108). Comme indiqué dans la description et tel que représenté figure 2, l'élément chauffant de la présente invention est constitué d'un fil à âme massive en alliage d'aluminium (201) de préférence de la série 6000 (alliages d'aluminium magnésium - silicium) entourée par un isolant (202) de préférence en matériau isolant synthétique par exemple en polyéthylène réticulé (PRC), Dans l'exemple de la figure 1 le fil de l'élément chauffant (103) à une section de 2.5 mm2, une charge de rupture de 120 MPa, un allongement de 12% et une résistivité de 2,90 pohm.cm. Un autre intérêt de ce type de conducteur est son très bon comportement thermique qui permet de s'affranchir des défauts d'enrobage et évite la détérioration du câble suite à la présence de points chauds. Comme indiqué figure 1 qui présente le cas de l'utilisation en chauffage direct, la grande capacité de transport de courant de ce conducteur chauffant ne nécessite pas de sortie froide et permet son raccordement directement sur le secondaire (102) du transformateur à l'aide de deux connecteurs (105) prévu pour l'aluminium. Comme indiqué précédemment le secondaire est constitué d'un fil aluminium nu et massif, bobiné sous la forme d'un solénoïde. Le secondaire (102) de la figure 1 est constitué de spires rectangulaires de longueurs identiques bobinées autour du primaire et de son écran (104). Le raccordement d'une extrémité de l'élément chauffant (103) est effectué sur le segment supérieur du bobinage secondaire avec un connecteur (105). Le raccordement de l'autre extrémité est identique. Compte tenu des puissances mises en jeu, souvent voisines de 10 kW la section du bobinage secondaire est comprise entre 40 mm2 et 120 mm2, ce qui correspond environ à des diamètres du fil du secondaire de 7.5 mm à 12 mm. Ces diamètres peuvent être obtenus par le procédé de coulée et laminage en continu du fil d'aluminium, procédé très économique, La boucle de chauffage qui est constituée de l'élément chauffant et du secondaire est homogène en aluminium ce qui permet d'utiliser des raccordement prévus pour l'aluminium et évite les risques de corrosion électrolytique. Un thermostat (109) ou tout autre dispositif peut être insérer en série avec l'élément chauffant pour assurer la régulation. Dans un autre mode de réalisation, lorsque l'on souhaite que le champ électromagnétique rayonné par 1 'élément chauffant soit voisin de zéro on réalise cet élément chauffant (103) tel qu'indiqué figure 3 en torsadant deux fils élémentaires (302 et 304) entre eux et en assurant la continuité à une extrémité par un raccord de jonction (305). Ces deux fils élémentaires torsadés ensembles constituent le câble chauffant avec un conducteur aller et un conducteur retour. La figure 4 présente un autre mode de réalisation utilisant cet élément chauffant torsadé (103). Dans ce dispositif qui est bien adapté au chauffage des locaux, l'élément chauffant (103) est installé au dessus de l'isolant (107) et dans la chape (106). Sa continuité assurée par le raccord de jonction (305). Cet élément chauffant est alimenté par le bobinage secondaire (102) du transformateur (101). Dans ce mode de réalisation les spires du bobinage secondaire ne sont pas identiques mais de longueurs différentes (501 et 502) comme indiqué figure 5 qui représente deux sections du bobinage (102) de la figure 4. Dans ce cas le raccordement s'effectue sur les spires les plus longues ce qui, compte tenu de l'encombrement des connecteurs, permet de réduire les dimensions du transformateur. Dans une autre variante chaque spire de l'hélice constituant le secondaire peut être de longueur variable et est décalée par rapport à la spire précédente dans le sens opposé. Pour constituer l'élément chauffant(103) de la figure 4 il suffit de connecter entre eux les deux fils élémentaires du câble par un raccord de jonction (305) et de couper ce même câble à la longueur souhaitée en fonction de la puissance à obtenir. Avec un fil de section donnée et constante il est possible de réaliser des éléments chauffants de puissance variable en fonction de la longueur et de la tension d'alimentation, par exemple pour un élément chauffant torsadés deux fils de section 4 mm2 chacun, en alliage de la série 6000, et une puissance linéique de 16 W/m on peut obtenir les puissances indiquées dans le tableau ci-après, puissances qui sont fonction de la longueur de l'élément et de la tension d'alimentation. Puissance Longueur Résistance Tension d'alimentation W m S2/m V 1500 92 1,35 45 1000 62 0,91 30 750 46 0,68 22,5 Avec une même section de câble, et en modifiant seulement sa longueur et en adaptant la tension d'alimentation on obtient des éléments de puissance parfaitement adaptée à celle de la pièce à chauffer ce qui constitue l'un des principaux intérêts de l'invention. Avec d'autres sections de câbles et d'autres alliages il est possible de constituer une large gamme d'éléments chauffants par exemple avec un alliage aluminium de la série 5000 et un mono fil de section 1.5 mm2 on obtient les éléments chauffants du tableau ci-après: Puissance Longueur résistance tension Trame du câble du câble d'alimentation W m ohm V 560 93,3 3,50 44,00 500 83,3 3,12 40,00 300 50,0 1,87 24,00 33,3 1,25 16,00 Une installation complète de chauffage est constituée de plusieurs éléments chauffants raccordés sur l'enroulement secondaire du transformateur par des raccords de dérivation. Comme chaque spire de cet enroulement secondaire est accessible il est possible d'ajuster finement la tension d'alimentation des éléments chauffants. Par exemple le chauffage d'une maison individuelle peut être assuré par un transformateur de 12 KW alimentant plusieurs éléments chauffants de puissance comprise entre 1500 W et quelques centaines de W, chaque élément étant adapté à la pièce à chauffer. Ces éléments chauffants peuvent être, comme c'est d'usage, livrés pré tramé sur une grille et en bobine de grande longueur ou de longueur ajustée à la puissance demandée et dans ce cas les deux fils sont reliés par un raccord de jonction. La figure 6 présente un autre mode de réalisation préféré. Dans ce mode le câble (103) est inséré dans une rainure pratiquée sur l'isolant (107). La chape, traditionnelle ou liquide est ensuite réalisée et vient enrober le câble. Compte tenu de la robustesse de celui-ci, il n'est pas nécessaire que l'enrobage soit parfait et on peut admettre la présence de bulles d'air. Dans d'autres applications il peut être intéressant d'employer pour le câble, un isolant chargé de particules conductrices, qui tout en conservant des propriétés d'isolation électrique acceptables possède une très bonne conductivité thermique transmettant très rapidement la chaleur dans le milieu ou il est enrobé. Une autre application consiste en l'utilisation de fil en alliage d'aluminium nickelé permettant d'obtenir des câbles et connecteurs supportant de hautes températures de l'ordre de 150 ou 180 C. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage électrique en très basse tension de sécurité (DTBT) caractérisé par le fait que ce dispositif de chauffage est constitué d'un transformateur (101) BT/TBT dont le secondaire (102) en fil aluminium délivre une très basse tension de sécurité et d'au moins un élément chauffant (103) en alliage d'aluminium. 2. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'élément chauffant (103) est un fil isolé avec une âme en alliage d'aluminium (201) 3. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'élément chauffant (103) est alimenté par une tension variant de quelques volts à 50 V, tension fonction de la puissance à obtenir. 4. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication 2 caractérisé par le fait que la résistivité de l'âme du fil, choisie en fonction de l'utilisation finale, est comprise entre 2,7 pohm.cm et 10 pohm.cm. 5. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'élément chauffant peut être soit enrobé dans une chape de construction, avec ou sans défauts, soit une chape liquide ou laissé à l'air libre pour constituer les sorties froides. 6. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'élément chauffant (103) peut être constitué de deux fils torsadés ensembles (303 et 304) et d'un raccord de jonction (305) 7. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'âme de l'élément chauffant (103) a une section comprise entre 1 et 25 mm2. 8. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'âme de l'élément chauffant (103) peut être recouverte de nickel ou d'étain. 9. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication 1, comprenant un transformateur électrique (101) avec au moins un enroulement primaire et un enroulement secondaire (102), et caractérisé en ce que l'enroulement secondaire est constitué d'un fil en aluminium massif en forme d'hélice. 10. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le secondaire du transformateur en fil massif en aluminium est bobiné dans l'air et ne comporte pas d'isolation électrique. 11. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication précédente caractérisé en ce que la section droite d'une spire du secondaire est polygonale non symétrique. 12. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication 10 caractérisé en ce que chaque spire de l'hélice constituant le secondaire peut être de longueur variable et est décalée par rapport à la spire précédente dans le sens opposé. 13. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la puissance fournie à l'élément chauffant (103) peut être changée à la demande par modification de son raccordement au secondaire(102) 14. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la puissance fournie à l'élément chauffant (103) peut être soit fournie par le secteur ou des moyens de génération électriques très basse tension par exemple des éoliennes ou des panneaux photo électriques 15. Dispositif de chauffage (DTBT) selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'isolant du câble chauffant peut être chargé de particules conductrices. ***