Brevet FR2895205A1 — publié le 20070622

RESISTANCE PASSIVE BIDIMENSIONNELLE La presente invention concerne un dispositif de chauffage par effet Joule dont 1'element resistif est bidimensionnel. On connait un dispositif de chauffage par effet joule comprenant un element electriquement conducteur resistif se presentant sous la forme d'un fil qui est dispose en spirale sur une surface d'un substrat dielectrique. Du fait meme de sa structure, la surface de contact du fil sur le substrat est particulierement limitee, ce qui a pour consequence que les zones du substrat adjacentes au fil chauffant atteignent des temperatures bien superieures aux autres zones du substrat. Cette presence de ces zones particulierement chaudes peut presenter des inconvenients dans certains domaines, par exemple dans tout dispositif de chauffage d'eau ou ces zones favorisent le depot de calcaire. De plus, une rupture du fil entraine irremediablement la deterioration du circuit electrique. I1 a ete envisage de realiser un dispositif de chauffage par effet Joule comprenant un element conducteur bidimensionnel, c'est-a-dire un element s'etendant dans les deux directions de la surface du substrat auquel it est fixe et dont =_'epaisseur (en general quelques microns) est sans commune mesure avec les deux autres directions (en general, au moins plusieurs centimetres). L'element conducteur etant un polymere conducteur electronique. Cependant, ces polymeres doivent etre mis en solution dans des solvants couteux et/ou agressifs et/ou toxiques et/ou synthetises in situ par reactions d'oxydc-reduction. De plus, les polymeres sont difficiles a appliquer de fagon precise sur le substrat (problemes du point de vue de la constance de 1'epaisseur de 1'element conducteur bidimensionnel). Enfin, de nombreux polymeres perdent leur conductance du fait de leur vieillissement en presence d'eau et/ou d'oxygene. La presente invention vise a realiser un dispositif de chauffage par effet Joule permettant d'avoir une grande surface de contact avec le substrat sur lequel it est fixe, afin de maximiser la surface d' echange de la chaleur produite tout en ayant une possibilite d'avoir une epaisseur controlee. Selon 1'invention, le dispositif de chauffage par effet Joule, comprenant au moins une couche electriquement conductrice resistive qu.i est deposee sur une surface d'un substrat dielectrique de fagon a s'etendre dans les deux dimensions generatrices de cette surface selon des ordres de grandeurs comparables, est caracterise par le fait que la couche electriquement conductrice est faite d'une encre carbonee conductrice. L'encre carbonee conductrice peut etre appliquee sur la surface avec une epaisseur facilement controlee, notamment par enduction, par serigraphie ou par jet d'encre. Ainsi, it est possible d'obtenir un dispositif de chauffage permettant d'avoir une grande surface de contact avec le substrat sur lequel it est fixe, tout en ayant une facilite de mise en cuvre du dispositif, notamment par la possibilite de reguler precisement 1'epaisseur de 1'encre carbonee conductrice. D'autres avantages et particularites apparaitront dans la description du mode de realisation donne a titre d'exemple non limitatif et illustre par les dessins mis en annexe dans lesquels : La figure 1 est une vue schematique de dessus d'un dispositif conforme a la presente invention, et La figure 2 est une vue en coupe du rneme dispositif selon la ligne II-II de la figure 1. Comme on peut le voir aux figures 1 et 2, un dispositif de chauffage 1 par effet Joule, comprend un substrat 2 qui est electriquement isolant (par exemple un film ou un textile) et une couche electriquement conductrice resistive 3, la nature du substrat 2 dependant de 1'utilisation du dispositif de chauffage 1. La couche resistive 3 est deposee sur une surface du substrat 2 de fagon a s'y etendre dans les deux dimensions 4,5 generatrices de cette surface selon des ordres de grandeurs comparables. Cette couche resistive 3 est faite d'une encre carbonee conductrice 3. L'encre carbonee conductrice 3 a une resistivite comprise entre 10 et 1010 Ohm.m, et, de preference, comprise entre 103 et 104 Ohm.m. Du fait de sa nature (de preference liquide ou pateuse) 1'encre carbonee conductrice 3 peut etre facilement appliquee sur le substrat 2, par exemple par serigraphie (continue ou discontinue), par enduction ou par jet d'encre (le substrat 2 pouvant etre, par exemple en verre ou en ceramique). Par ailleurs, quand la nature du substrat 2 le permet (par exemple un film), du fait de sa finesse, 1'encre carbonee conductrice 3 peut s'y integrer. Les procedes d'application permettent de controler 1'epaisseur 6 de la couche resistive 3 et ainsi d'obtenir une couche resistive 3 d'epaisseur constante sur toute la surface sur laquelle elle est appliquee. L'epaisseur de la couche resistive 3 est nettement moms importante que ses dimensions dans les deux directions generatrices 4,5. Dans le present mode de realisation, la couche resistive 3 s'etend selon un parallelogramme, et, plus precisement, selon un rectangle. De plus, le dispositif 1 comprend une paire d'electrodes 7. Chaque electrode 7 est placee le long d'un bord delimitant la couche resistive 3 qui est oppose au bord le long duquel est placee 1'autre electrode 7. Chaque electrode 7 s'etend sur toute la longueur du bord correspondant. Chaque electrode 7 peut etre faite, au choix, d'une lame, d'un fil plat ou d'une tresse, en un materiau tres conducteur, par exemple en cuivre, en aluminium ou en fer. En outre, dans le present mode de realisation, chaque electrode 7 repose sur une pre-electrode 8 dont les dimensions d'epandage (c'est-a-dire selon les dimensions generatrices 4,5 de la surface de contact de la couche resistive 3) correspondent a celles de 1'electrode 7. Ces pre-electrodes 8, par exemple en argent ou en cuivre, sont deposees par serigraphie, enduction ou electrolyse directement sur la couche resistive 3. Du fait des procedes de depot pouvant titre utilises, chaque pre-electrode 8 est particulierement mince, et, par exemple, a une epaisseur d'environ 12 pm. Enfin, afin de permettre sa connexion electrique avec une source d'alimentation exterieure, le dispositif 1 comprend un systeme de connexion electrique 9. En 1'occurrence, ce systeme est forme par deux fils electriques 9, chaque fil 9 etant relie a une electrode 7 correspondante. Notamment dans le cas ou le dispositif 1 est destine a titre alimente avec une tension superieure a 24 V, un element dielectrique 10 recouvre 1'ensemble forme par la couche resistive 3, les electrodes 7 et les pre-electrodes 8, tout en etant traverse par les fils electriques 9 afin de permettre la connexion electrique. Ce dispositif 1 tres simple permet d'avoir un dispositif de chauffage 1 par effet Joule dont la resistance qui est fixee par la tension d'alimentation et la puissance requise, peut titre controlee en determinant 1'epaisseur 6 (en general de quelques microns a quelques dizaines de microns) ou la surface d'epandage (selon les deux dimensions 4,5 directrices qui peuvent chacune s'etendre sur des centimetres, des decimetres, voire des metres, selon les applications) de la couche resistive 3, ou en determinant la nature de la couche (et donc sa resistance). I1 est ainsi possible d'avoir une surface de contact entre la couche resistive 3 et le substrat 1 variable en forme et en taille dans de tres grandes proportions, une puissance de chauffe surfacique variable selon la surface de contact. Il est ainsi possible de pouvoir faire varier la temperature de surface du substrat 1 au niveau de sa surface de contact avec 1'element resistif 3 entre la temperature ambiante et 150 C. Il est egalement possible d'avoir une grande surface de chauffe en n'employant qu'un seul element resistif de grande taille, et non pas un assemblage en parallele et/ou en serie de petits elements du type thermistance. L'interet de 1'invention peut titre mise en valeur par la comparaison de deux dispositifs de chauffage par effet Joule ayant les memes caracteristiques electriques de puissance (1100 W), tension (220 V), intensite (5 A) et resistance (44 Ohm). Un element resistif monodimensionnel se presentant sous la forme d' un fil de 850 cm de long et de 0,35 mm de diametre filaire presente une surface de resistance de 0,0093 m2, a laquelle correspond une surface du substrat de 0,12 m2. Sa resistivite linEique etant de 5.10-5 Ohm.cm, la puissance surfacique de la resistance est de 117,7 kW/m2 (et celle du substrat est de 9,17 kW/m2). La temperature de la surface du substrat est de 196 C pour une puissance rayonnante de 30%, 260 C pour une puissance rayonnante de 50%, et 307 C pour une puissance rayonnante de 70%. Une couche resistive bidimensionnelle conforme a la presente invention se presentant sous la forme d'un rectangle de 60 cm de long, 40 cm de large, et ayant une epaisseur de 12 pm presente une surface de resistance de 0, 24 m2, a laquelle correspond une surface du substrat de 0,24 m2. Sa resistance surfacique etant de 29,33 Ohm/carre (equivalent a une resistivite lineique de 3,52.10-2 Ohm.cm), la puissance surfacique de la resistance (et du substrat) est de 4583 W/m2. La temperature de la surface du substrat est de 122 C pour une puissance rayonnante de 30%, 175 C pour une puissance rayonnante de 50%, et 215 C pour une puissance rayonnante de 70%. Ainsi, pour une meme puissance rayonnante, la temperature de la surface est diminuee de 75 C a 90 C. I1 est donc aise d'avoir un dispositif de chauffage chauffant par rayonnement dont la temperature de surface est moms importante que celle des dispositifs a elements resistivs monodimensionnels. Les autres avantages de la presente invention concernent la grande variabilite de 1'alimentation electrique du dispositif de chauffage 1 : elle peut titre faite par pile ou sur secteur, le courant electrique peut titre alternatif ou continu, la tension d'alimentation peut varier selon une tres grande amplitude, par exemple tres basse (de 1 a 10 V), basse (de 24 a 48 V), moyenne (110 a 380 V) ou haute (plusieurs milliers de volts), 1'intensite vehiculee peut varier considerablement, par exemple de quelques milliamperes a plusieurs dizaines d'amperes. La valeur de la resistance peut ainsi varier sur urie grande plage de valeur, ainsi la resistance surfacique peut aller de 0,1 a 10 000 Ohm/carre, et, de preference, de 5 a 1 000 Ohm/carre. L'invention peut titre utilisee soit clans un mode de transfert thermique par radiation et par convection, soit dans un mode de transfert thermique par conduction avec un transfert doux >> du fait de 1'importance de la surface d'echange. De ce fait, 1'invention peut titre mise en oeuvre dans les differents dispositifs de chauffage du batiment, que ce soit dans le tertiaire (chauffage au plafond), dans le domestique (chauffage au sol ou par des radiateurs muraux), ou dans les dispositifs de mise hors gel ou hors glace (sur les routes, les pistes d'aviation, les acces de garage). Elie peut egalement titre mise en oeuvre dans les chauffe-eau domestiques, dans les dispositifs de chauffage rayonnant doux pour 1'elevage des animaux ou dans 1'horticulture, dans les dispositifs d'echange calorifique rapide et a faible gradient dans 1'industrie, ou dans les vetements sportifs ou professionnels avec alimentation par batterie. De nombreuses modifications peuvent titre apportees au mode de realisation. I1 serait ainsi possible d'avoir plusieurs couches resistives deposees les unes sur les autres, la derniere etant connecte au systeme de connexion electrique 9 via les electrodes 7 et les eventuelles pre-electrodes 8. Il serait egalement possible que le dispositif comporte les electrodes 7 mais pas les pre-electrodes 8, ou inversement. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage (1) par effet Joule, comprenant au moins une couche electriquement conductrice resistive (3) qui est deposee sur une surface d'un substrat dielectrique (2) de fagon a s'etendre dans les deux dimensions generatrices (4,5) de cette surface selon des ordres de grandeurs comparables, caracterise en ce que la couche resistive (3) est faite d'une encre carbonee conductrice (3). 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caracterise en ce que la couche resistive (3) s'etend selon un parallelogramme, de preference selon un rectangle. 3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caracterise en ce que la couche resistive (3) a une resistivite comprise entre 10 et 1010 Ohm.m, et, de preference, comprise entre 103 et 109 Ohm.m. 4. Dispositif (1) selon 1'une des revendications 1 a 3, caracterise en ce que la couche resistive (3), d'epaisseur constante, est serigraphiee ou deposee par enduction ou par jet d'encre. 5. Dispositif (1) selon 1'une des revendications 1 a 4, caracterise en ce que le substrat (2) est un film ou un textile. 20 25 6. Dispositif (1) selon 1'une des revendications 1 a 5, caracterise en ce qu'il comprend une paire d'electrodes (7) qui sont places sur deux bords opposes de la couche resistive (3), un systeme de connexion electrique (9) relie aux electrodes (7) de fagon a permettre la connexion de la couche resistive (3) a une source d'energie ele=ique. 7. Dispositif (1) selon la revendication 6, caracterise en ce que chaque electrode (7) s'etend sur toute la longueur du bord correspondant. 8. Dispositif (1) selon la revendication 6 ou 7, caracterise en ce que chaque electrode (7) repose sur une pre-electrode (8) dont les dimensions d'epandage correspondent a celles de 1'electrode (7). 9. Dispositif (1) selon la revendication 8, caracterise en ce que les pre-electrodes (8) sont deposees par serigraphie, enduction ou electrolyse. 10. Dispositif (1) selon 1'une des revendications 1 a 9, caracterise en ce qu'un element dielectrique (10) recouvre la couche resistive (3) et, selon le cas, les electrodes (7) et les pre-electrodes (8), tout en laissant libre un systeme de connexion electrique (9).