Brevet FR2896943A1 — publié le 20070803

PANNEAU RADIANT COMPRENANT UN SUBSTRAT VERRIER RAYONNANT La présente invention concerne des éléments de chauffage électrique à composante essentiellement radiative. Les appareils de chauffage électrique actuellement utilisés par exemple pour le chauffage électrique utilisent généralement le principe de l'effet Joule pour créer une source de chaleur grâce à une chute de potentiel dans une résistance, gérée par la loi d'Ohm. La chaleur ainsi produite est ensuite transférée par différents procédés. Selon un premier principe, la chaleur est transférée par convection. Le système comprend dans un réceptacle ou une enveloppe une résistance et des zones d'entrée et de sortie de l'air. L'air situé au voisinage de la résistance chauffée voit sa température augmenter, donc sa densité diminuer. Il tend à s'élever; il s'établit un courant ascendant et l'air chaud est remplacé par de l'air froid qui s'échauffe à son tour. L'appareil réalisé sur ce mode de transfert est appelé un convecteur. Selon un autre système, le transfert thermique de la chaleur issue de la résistance est obtenu par conduction dans un fluide qui échauffe à son tour une enveloppe, laquelle transfère ses calories à l'air ambiant par convection et radiation. Ce processus est utilisé dans le chauffage central traditionnel dont l'eau, la vapeur ou les huiles sont le plus souvent les fluides caloporteurs. Ces appareils sont communément appelés radiateurs, de manière impropre. Selon une troisième façon, le transfert de l'énergie produite au niveau d'une résistance électrique est essentiellement obtenu par le rayonnement émis par celle-ci, le rayonnement lui-même se propageant à travers la pièce. L'appareil correspondant est appelé dans la technique panneau radiant. La présente invention se rapporte aux systèmes fonctionnant selon les principes de cette troisième catégorie. Par radiatif ou essentiellement radiatif, il est entendu au sens de la présente description que la majeure partie des transferts de la chaleur se fait par rayonnement, ce qui n'exclut bien évidemment pas qu'une partie minime desdits transferts s'effectue par conduction et/ou par convection. Dans ce cas, l'énergie infrarouge rayonnée est en première approximation proportionnelle à la puissance quatrième de la température Kelvin, selon la loi de Stephan et Boltzmann. Il s'ensuit donc que la résistance électrique doit être portée à une plus forte température, par exemple d'au moins égale à 150 C et de préférence comprise entre 300 et 500 C pour une utilisation domestique. Les appareils commercialisés à l'heure actuelle fonctionnant selon ce principe comprennent un corps de chauffe, généralement constitué par une plaque résistive en tôle d'aluminium sur laquelle est imprimée une piste résistive sous la forme d'un émail ou d'une peinture noire à forte émissivité. Ladite plaque résistive haute température est confinée dans une enveloppe le plus souvent métallique, dont la partie frontale est en général constituée par une grille présentant des ouvertures circulaires disposées en forme de nid d'abeille pour l'évacuation de la radiation. Un premier inconvénient d'un tel système est le coût élevé de production des éléments résistifs précédemment décrits. Un deuxième inconvénient vient de la nécessité, du fait de la température élevée de la plaque résistive, d'éloigner la grille frontale du dispositif, ce qui peut entraîner une surépaisseur importante du panneau résultant. Un troisième inconvénient est du aux variations thermiques de la pièce. Ces variations sont occasionnées par le fonctionnement de l'appareil de chauffage, suivant une succession de phases marche/arrêt de l'appareil de chauffage. L'utilisation des dispositifs de l'art antérieur entraîne de ce fait un inconfort lié à des à-coups thermiques plus ou moins prononcés, entre deux enclenchements successifs de l'appareil de chauffage. La présente invention concerne des dispositifs de chauffage qui ne présentent pas ou diminuent les inconvénients connus des dispositifs antérieurs. Les dispositifs de chauffage selon l'invention assurent en outre une bonne transparence, un très bon rendement, un encombrement minimum pour un chauffage homogène et une conformité aux exigences de sécurité et des normes en vigueur. Ils comportent un corps de chauffe comprenant au moins une plaque de verre thermiquement et mécaniquement résistante, recouverte d'une couche mince transparente à basse émissivité, par exemple du type Sn02 : F, qui fait office de résistance dans laquelle l'électricité qui la traverse se transforme en chaleur par effet Joule. On connaît déjà, de part la demande de brevet WO 96/27271, des dispositifs de chauffage dans lesquels le corps de chauffe comprend de tels éléments. Cependant, les dispositifs décrits ne sont pas essentiellement des panneaux radiants haute température au sens de la présente invention mais des convecteurs dans lesquels une partie minime du chauffage peut être assuré par une composante radiative. Plus précisément, la présente invention se rapporte à un dispositif de chauffage électrique par rayonnement, comprenant un corps de chauffe constitué par un élément résistif haute température. Ledit corps de chauffe est confiné dans une enveloppe le plus souvent métallique, dont la partie frontale est par exemple constituée par une grille pour l'évacuation de la radiation émise, de préférence en forme de nid d'abeille. Ledit dispositif se caractérise en ce que ledit corps de chauffe comprend une plaque de verre thermiquement et mécaniquement résistante, recouverte d'une couche résistive à basse émissivité, ladite couche étant configurée de telle sorte la puissance surfacique dégagée par le corps de chauffe est comprise entre 5 000 W/m2 et 35 000 W/m2, par exemple entre 10 000 et 20 000 W/m2. Indifféremment, le dispositif peut être fixé à une 10 cloison ou un mur ou mobile. Typiquement, la couche à basse émissivité est disposée sur la face arrière de la plaque de verre, c'est-à-dire sur la face opposée par rapport à l'emplacement de la grille dans le dispositif. 15 Selon une autre réalisation, le corps de chauffe comprend un double vitrage et la couche résistive est disposée sur la face interne de la première plaque de verre, par rapport à la partie frontale du dispositif. Selon un mode avantageux, la résistance carrée de la 20 couche résistive est comprise entre 2 et 20 S2,/^, de préférence comprise entre 5 et 10 S/^. Par exemple, l'épaisseur de la couche résistive est comprise entre 0,2 et 2 micromètres. La couche résistive à basse émissivité est une couche 25 réfléchissant l'infrarouge thermique par exemple du type oxyde d'étain dopé à l'antimoine ou au fluor ou oxyde d'indium dopé à l'étain. La plaque de verre est typiquement constituée par un verre thermiquement résistant et suffisamment isolant à la 30 température de fonctionnement du corps de chauffe, de préférence les verres à base boro-silicate ou les vitro-céramiques. Pour des puissances surfaciques comprises entre 5000 W/m2 et 10000 W/m2, voire même 15000 W/m2, il est également possible selon l'invention d'utiliser des verres silicosodocalciques classiques, à forte température de tension (de strain point élevé selon le terme anglais), c'est-à-dire typiquement supérieure à 400 C voire 500 C ou même 600 C et de préférence trempés, tel que le verre safe commercialisé par la société Saint Gobain Glass France. Parmi les verres possibles pour la présente invention on 10 peut citer : Les compositions de verres sont par exemple du type silico-sodo-calcique. L'expression silico-sodo-calcique est ici utilisée au sens large et concerne toute composition de verre constituée d'une matrice verrière qui comprend les 15 constituants suivants (en pourcentage en poids) . SiO2 64 - 75 % Al203 0 - 5 % B203 0 5 % CaO 5 - 15 % 20 MgO 0 - 10 % Na2O 10 - 18 % K20 0 - 5 % BaO 0 - 5 % D'autres compositions possibles adaptées à la présente 25 invention présentent les proportions massiques suivantes : SiO2 58-76% B203 3-18% Al203 4-22% MgO 0-8% 30 CaO 1-12% SrO 0-5% BaO 0-3% et plus particulièrement : SiO2 58-70% B203 3-15% Al203 12-22% MgO 0-8% CaO 2-12% SrO 0-3% BaO Ces compositions présentent des coefficients de dilatation inférieurs à 35.10-7/ C, et une température inférieure de recuit supérieur à 650 C. Le verre Eagle 2000 commercialisé par la société Corning Inc. est un exemple de cette famille de verres. Selon une autre possibilité, parmi les verres contenant du bore, les verres répondant aux compositions suivantes 15 possèdent une résistance thermomécanique apte à les rendre utilisables pour la présente application: SiO2 78-86% B203 8-15% Al203 0,9-5% 20 MgO 0-2% CaO 0-1,5% Na2O 0-3% K20 0-7% Un exemple de ce type de compositions est le verre 25 Pyrex commercialisé par la société Corning Inc. Selon un mode possible de réalisation de l'invention, la plaque de verre est en outre trempée afin d'améliorer sa résistance aux chocs thermiques. La trempe peut être thermique ou chimique. 30 Le dispositif est configuré selon la présente invention pour être relié au secteur par l'intermédiaire d'au moins deux bandes conductrices du courant en contact électrique intime avec la couche résistive. 6 Selon un mode possible, des bandes conductrices supplémentaires sont disposées sur une ou plusieurs couches à basse émissivité de façon à délimiter au niveau de celles-ci des secteurs résistifs branchés en série. L'invention se rapporte également au corps de chauffe tel que précédemment décrit. Le présent dispositif de chauffage et ses avantages seront mieux compris à la lecture de l'exemple de réalisation qui suit, non limitatif de la présente invention et donné à titre purement illustratif. La figure 1 illustre un corps de chauffe selon l'invention. La figure 2 schématise un panneau radiant incorporant un 15 substrat verrier rayonnant selon l'invention. On a d'abord synthétisé un corps de chauffe selon l'invention comprenant une plaque de verre à base borosilicate revêtue d'une couche de 500 nm d'oxyde d'étain 20 dopé F a été synthétisé selon des techniques bien connues de l'art. La couche résistive Sn02 : F présente une résistance carrée de 10 S2,/^ environ. La figure 1 décrit un corps de chauffe 5 ainsi constitué qui peut être connecté via des bandes conductrices 6 et des 25 moyens de connexion 7 à un réseau d'alimentation électrique en 220 Volts, présentant alors une puissance surfacique de 5000 W/m2. La couche résistive 8, déposée sur la face 9a de la plaque 9, présente une hauteur de 400 mm et une longueur de 1000 mm. Tel que représenté sur la figure 1, les 30 bandes conductrices 6 sont placées de part et d'autre de la couche 8, dans le sens de la hauteur. La puissance d'un panneau radiant incorporant ce corps de chauffe est de l'ordre de 2000 Watts et permet théoriquement de chauffer une pièce d'environ 20 m2. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, les bandes conductrices 6 sont disposées le long des bordures verticales de la plaque de verre 9 et constituent des bus d'amenée du courant à la couche résistive 8. Dans la partie inférieure de chaque bande le fil de connexion 7 est branché au réseau de courant 220 Volts. Bien entendu le mode de la figure 1 est purement illustratif et des variantes ne sortirait pas du cadre de l'invention, en particulier associant une ou plusieurs couches résistives réparties sur la plaque de verre en différentes zones de résistance électrique disposées soient en série, soient en parallèle, par exemple selon les principes décrits dans le brevet EP 878 980 B1. Par exemple, l'arrivée du courant s'effectue par l'intermédiaire sérigraphiées ou avec la couche complémentaires l'intérieur de de deux lignes en cuivre conductrices collées, mises en contact électrique intime résistive de Sn02 : F. Des lignes de cuivre de même type peuvent être déposées à cet intervalle, permettant alors, par un branchement approprié, de brancher en série les résistances correspondantes aux surfaces ainsi délimitées sur la couche conductrice. Selon l'invention, la couche se comporte comme une résistance électrique dont la valeur dépend du rapport des dimensions de la plaque résistive. La couche à basse émissivité s'échauffe lors sa mise sous tension par effet Joule, et, par conduction, échauffe également la plaque de verre. La surface du verre, côté opposé à la couche, est 30 isolante électrique. La plaque ainsi obtenue est caractérisée coté couche par une basse émissivité et une forte réflectivité dans l'infrarouge et coté verre par une forte émissivité dans l'infrarouge thermique (longueur d'onde de 5 à 20 m), comme il sera explicité plus avant dans la description. Sur la figure 2, on a représenté en vue éclatée un 5 dispositif de chauffage radiant selon l'invention. Le dispositif comprend une enveloppe comprenant un bâti 1 incorporant des moyens de fixation 2 d'un type connu à un mur, et une partie frontale, tournée vers l'intérieur de la pièce et constituée d'une grille 3 dont les ouvertures 10 circulaires 4 sont disposées en nid d'abeille. Un corps de chauffe 5, tel que précédemment décrit en relation avec la figure 1, est disposé à l'intérieur et rendu solidaire de l'enveloppe selon les techniques classiques de l'art, de telle façon que la couche à basse émissivité soit disposée 15 face au mur, c'est-à-dire sur la plaque de verre coté opposé par rapport à la grille, la face 9a de la plaque de verre 9, faisant ainsi face au mur. A ces composants de base, peuvent s'ajouter sans sortir du cadre de l'invention des composants complémentaires, tels que des interrupteurs et/ou des 20 thermostats de modèles comparables à ceux qui sont employés pour les appareils actuels. Une telle disposition a pour avantage que l'essentiel des radiations infrarouges sont émises vers la pièce et une partie minime vers le mur, en raison du caractère bas émissif 25 de la couche et de la forte émissivité de surface du verre dans le domaine de l'infrarouge (supérieur à 0,9). La couche étant choisie à basse émissivité, le comportement des deux faces du corps de chauffe est dissymétrique du point de vue du rayonnement émis par le 30 verre, les énergies rayonnées par chaque face étant proportionnelles à leurs émissivités respectives. La faible épaisseur du verre fait que le gradient dans l'épaisseur est très faible et que l'on peut admettre que le verre est isotherme. A titre d'illustration, les travaux menés par le demandeur ont montrés que la température superficielle du substrat verrier constitutif du corps de chauffe est d'environ 370 C pour une valeur de 20 000 W/m2. Bien entendu, d'autres réalisations sont possibles. En particulier, le mode de réalisation donné ici à titre illustratif peut donner lieu à toute modification désirable, notamment en ce qui concerne la puissance, la taille ou l'esthétique du présent dispositif en agissant notamment sur les dimensions du corps de chauffe, la disposition des couches résistives sur la plaque de verre, la résistance carrée des couches à basse émissivité, etc. Les panneaux selon l'invention incorporent des corps de chauffe configurés de telle façon que la température superficielle du substrat verrier constitutif du corps de chauffe est comprise entre environ 170 et environ 500 C, de préférence entre environ 200 et environ 400 C, ce qui présente l'avantage d'une part d'une plus grande efficacité de chauffe, qui peut aller jusqu'à 50 voire 60 ou même 80% en fonction de la géométrie du panneau considéré, l'énergie rayonnée par unité de surface ou émittance étant proportionnelle à la puissance quatrième de la température superficielle du corps de chauffe. Au sens de la présente description, on entend par efficacité du panneau radiant, la puissance thermique directement utile au chauffage et transmise uniquement par le rayonnement de la face émettrice du corps de chauffe vers la zone à chauffer. L'efficacité se définit également comme le rapport de la puissance rayonnée par la face émettrice à la puissance totale fournie au panneau radiant. En outre, le fonctionnement du présent système est assuré par un transfert de chaleur par conduction entre la couche résistive et la plaque de verre. L'émission du rayonnement infrarouge se faisant principalement du coté de la face en verre, l'essentiel du rayonnement infrarouge est diffusé vers la pièce à chauffer. De plus, le présent corps de chauffe, de part les propriétés spécifiques en émissivité et en réflectivité de ces deux principales composantes (couche à basse émissivité et plaque de verre) précédemment décrites, permet une homogénéité améliorée de la température superficielle de la face de verre émettrice, et ce sur l'ensemble de la surface du panneau résultant en une plus grande sensation de confort pour l'usager. Pour les mêmes raisons, la distance entre le corps de chauffe et la partie frontale du panneau radiant et par suite l'épaisseur de celui-ci peuvent être minimisées. En outre, la puissance surfacique dégagée par le corps de chauffe étant comprise entre 5 000 W/m2 et 35 000 W/m2, il est possible selon l'invention d'envisager des dispositifs radiants de très petite taille, ayant une puissance classiquement comprise entre 300 et 2500, voire 3000 Watts. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage électrique essentiellement par rayonnement, comprenant un corps de chauffe constitué par un élément résistif haute température, ledit corps de chauffe étant confiné dans une enveloppe le plus souvent métallique, dont la partie frontale est par exemple constituée par une grille, de préférence en forme de nid d'abeille, pour l'évacuation de la radiation émise, ledit dispositif étant caractérisé en ce que ledit corps de chauffe comprend au moins une plaque de verre thermiquement et mécaniquement résistante, recouverte d'une couche résistive à basse émissivité, ladite couche étant configurée de telle sorte la puissance surfacique dégagée par le corps de chauffe soit comprise entre 5 000 W/m2 et 35 000 W/m2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la couche à basse émissivité est disposée sur la face arrière de la plaque de verre, c'est-à-dire sur la face opposée par rapport à la partie frontale du dispositif. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le corps de chauffe comprend un double vitrage et dans lequel la couche résistive est disposée sur la face interne de la première plaque de verre, par rapport à la partie frontale du dispositif. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résistance carrée de la couche résistive est comprise entre 2 et 20 S2/^. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche résistive est comprise entre 0,2 et 2 micromètres. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche résistive à basse émissivité est une couche réfléchissant l'infrarouge thermique du type oxyde d'étain dopé à l'antimoine ou au fluor ou oxyde d'indium dopé à l'étain. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la plaque de verre est constituée par un verre thermiquement résistant et suffisamment isolant à la température de fonctionnement du corps de chauffe, de préférence les verres à base boro-silicate ou les vitro-céramiques. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la puissances surfacique dégagée par le corps de chauffe est comprise entre 5000 W/m2 et 15000 W/m2 et dans lequel la plaque de verre est constituée par un verre silico-sodocalcique à forte température de tension. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la plaque de verre est trempée afin d'améliorer sa résistance aux chocs thermiques. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif est relié au secteur par l'intermédiaire d'au moins deux bandes conductrices du courant en contact électrique intime avec la couche résistive à basse émissivité. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel des bandes conductrices supplémentaires sont disposées sur une ou plusieurs couches à basse émissivité de façon à délimiter au niveau de celles-ci des secteurs résistifs branchés en série. 12. Corps de chauffe comprenant comprend au moins une plaque de verre thermiquement et mécaniquement résistante, recouverte d'une couche résistive à basse émissivité, ladite couche étant configurée de telle sorte la puissance surfacique dégagée par le corps de chauffe soit comprise entre 5 000 W/m2 et 35 000 W/m2.