Brevet FR2905016A1 — publié le 20080222

-1- PROCEDE ET DISPOSITIF POUR COMMANDER UN APPAREIL ELECTRIQUE MENAGER DE CHAUFFAGE DE LIQUIDE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé pour commander un appareil électrique ménager de chauffage de liquide, tel qu'une bouilloire. Un tel procédé est en particulier destiné à commander l'alimentation électrique de l'élément chauffant électrique composant un tel appareil ménager. Par ailleurs, la présente invention se rapporte également à un dispositif pour commander un appareil électrique ménager de chauffage de liquide, destiné à mettre en oeuvre le procédé objet de la présente invention. 15 ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE Les appareils électriques ménagers pour le chauffage de liquide comportent un réservoir destiné à contenir le liquide à chauffer, ainsi qu'une coupelle généralement positionnée sur le fond du réservoir et destinée à transmettre les calories au liquide à 20 chauffer. De manière connue, cette coupelle est chauffée par un élément chauffant qui, parcouru par un courant électrique, dissipe de l'énergie électrique par effet Joule. La puissance électrique dissipée par l'appareil dépend évidemment de ses dimensions, mais elle dépasse rarement 3000 W. 25 Outre la coupelle, un tel appareil ménager comporte nécessairement un dispositif de commande destiné à commander l'alimentation électrique de l'élément chauffant, en fonction notamment de la température de consigne à laquelle l'utilisateur de l'appareil souhaite chauffer le liquide. 10 2905016 -2- Un tel dispositif de commande comporte un élément thermométrique apte à mesurer, directement ou indirectement, la température du liquide en chauffe. Ainsi, dans le cas de mesures indirectes, cet élément thermométrique réalise des mesures représentatives de la température du liquide en chauffe, lesquelles permettent de 5 commander l'alimentation électrique de l'élément chauffant. En fonction de contraintes tel que l'encombrement ou le coût, un tel élément thermométrique pourra en effet être positionné au sein même du volume de liquide à chauffer, réalisant ainsi des mesures directes, ou bien sous la coupelle à une certaine distance de l'élément chauffant, de manière à réaliser ainsi des mesures indirectes. Par exemple, les bouilloires classiques de l'art antérieur comprennent une plaque en aluminium pour répartir la chaleur, associée à la coupelle chauffante, généralement en acier inoxydable et à une grosse résistance électrique chauffante. Au niveau de la plaque se trouve un interrupteur dont un levier est déclenché par un ressort bilame, formé de deux matériaux de coefficients de dilatation différents. Le ressort bilame est placé en sortie d'un canal communiquant avec la partie supérieure du réservoir contenant le liquide en chauffe. Ainsi, lorsque se dégage de la vapeur au-dessus du liquide en ébullition, le ressort bilame se détend jusqu'à déclencher mécaniquement l'interrupteur au moment où le liquide atteint sa température d'ébullition. Cependant, un tel dispositif de commande de l'appareil de chauffage de liquide ne permet pas d'interrompre le cycle de chauffage lorsqu'on atteint une température déterminée et inférieure à la température d'ébullition. En effet, le ressort bilame est un composant thermométrique de sensibilité médiocre. Il ne réagit qu'à une quantité importante de vapeur transmise par le canal. Or, en pratique, cette quantité n'est produite que lorsque le liquide a atteint sa température d'ébullition, soit 100 C pour l'eau. Par conséquent, un dispositif de commande incluant un ressort bilame ne permet pas de commander le cycle de chauffage de l'appareil selon différentes températures. 2905016 -3- Les procédés usuels de commande de tels appareils ménagers prévoient le plus souvent de chauffer le liquide jusqu'à une température de consigne. Cette température de consigne peut être réglée par l'utilisateur au moyen d'un organe de sélection. Dans la plupart des applications, la température de consigne pourra être fixée entre 50 et 98 C. 5 Naturellement, la température du liquide à l'issue d'un cycle de chauffage ne correspond pas toujours exactement à la température de consigne. D'une part, la température du liquide n'est pas forcément uniforme dans tout le volume défini par le réservoir, et d'autre part il arrive qu'elle dépasse quelque peu la température de consigne 10 ou inversement qu'elle demeure légèrement inférieure à celle-ci. Cette approximation est fonction des performances du dispositif et du procédé de commande mis en oeuvre. Parmi les procédés de commande mis en oeuvre dans les appareils de l'art antérieur, une première solution consiste à mesurer en permanence la température du liquide en 15 chauffe, puis à interrompre l'alimentation électrique de l'élément chauffant dès que la température de consigne est atteinte ou dépassée. Cependant, la mise en oeuvre d'un tel procédé est perturbée par une inertie relativement grande notamment due aux capacités thermiques élevées de la coupelle et de 20 l'élément chauffant en métal ainsi qu'au temps de réponse de l'élément thermométrique mesurant la température du liquide. Par conséquent, un tel procédé conduit très souvent à un dépassement relativement important de la température de consigne. Or un tel dépassement de la température de 25 consigne peut être particulièrement important lorsque le volume de liquide est faible. Ainsi, ce type de procédé de commande n'est pas adapté au volume de liquide à chauffer. En effet, ce procédé est prévu pour atteindre la température de consigne pour le volume maximal du réservoir. En revanche, pour un volume moyen ou faible, le dépassement de la température de consigne peut être très important. 30 2905016 -4- Or, le dépassement de la température de consigne a pour conséquence une surconsommation d'énergie électrique, un allongement superflu de la durée du chauffage ainsi qu'un entartrement prématuré de la coupelle, puisqu'elle doit dissiper un surcroît de quantité de chaleur à chaque cycle de chauffage. En outre, dans le cas où la température de consigne est élevée (proche de 100 C), le dépassement prolongé de la température de consigne peut entraîner une perte de liquide par évaporation, voire son débordement s'il s'agit d'un liquide autre que de l'eau, comme par exemple dans le cas d'un mousseur de lait. Pour éviter un tel dépassement prolongé de la température de consigne par le liquide en chauffe, le document US-4 948 950 propose un procédé alternatif consistant à diminuer la puissance électrique fournie à l'élément chauffant de manière à ralentir l'augmentation de la température du liquide à l'approche de la température de consigne. Néanmoins, si un tel procédé permet d'éviter un dépassement de la température de consigne ou une surchauffe, il nécessite la mise en oeuvre d'un dispositif de contrôle et de variation de la puissance électrique de l'appareil. Or, cela entraîne nécessairement un coût et un encombrement supplémentaire pour l'appareil ménager ainsi équipé. 20 De plus, la diminution de la puissance électrique dissipée implique le ralentissement du chauffage du liquide et allonge donc la durée du cycle de chauffage. Cet allongement est d'autant plus important que le volume à chauffer est important. Or, la durée du cycle de chauffage est un paramètre primordial pour l'utilisateur de l'appareil. Par conséquent, 25 un tel procédé n'est pas non plus réellement satisfaisant. Un appareil ménager ainsi équipé et fonctionnant selon un tel procédé présente donc des inconvénients qui peuvent s'avérer rédhibitoires pour la vente, compte tenu du haut degré de concurrence existant dans le domaine des appareils électroménagers. 5 10 15 30 2905016 -5- La présente invention a donc pour objectif de réaliser un procédé et un dispositif pour commander un appareil électrique ménager de chauffage de liquide ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur, c'est-à-dire chauffant sans dépassement de température et ne nécessitant pas l'implantation d'un dispositif de commande encombrant 5 et onéreux. OBJET DE L'INVENTION 10 La présente invention a donc pour objet un procédé pour commander un appareil électrique ménager de chauffage de liquide, tel qu'une bouilloire, permettant d'atteindre une température de consigne de manière relativement précise, rapide et économique. L'appareil électrique ménager comporte un réservoir destiné à contenir le volume 15 de liquide à chauffer, un élément thermométrique apte à réaliser des mesures thermométriques représentatives de la température du liquide ainsi qu'une coupelle associée à un élément chauffant électrique dont l'alimentation électrique est commandée en fonction de ces mesures thermométriques, de manière à chauffer le liquide jusqu'à une température de consigne, en particulier une température programmée par 20 l'utilisateur. Selon l'invention, ce procédé comprend les étapes consistant : à initialiser un niveau cible de température dont la valeur est fonction de la température de consigne ; 25 à réaliser une étape itérative consistant : ^ à alimenter l'élément chauffant ; ^ à modifier le niveau cible en fonction de la température de consigne et de la variation du niveau courant de température sur une période de référence présentant une durée prédéterminée ; 30 l'étape itérative se terminant lorsque le niveau courant de température est supérieur au niveau cible. 2905016 -6- En d'autres termes, on corrige en temps réel la durée effective de chauffage en fonction de la quantité d'eau à chauffer. Ainsi, on évalue ce volume d'eau contenu dans le réservoir en mesurant la variation de température sur une durée prédeterminée, puis on adapte le niveau cible de température en fonction du volume évalué, de manière à 5 interrompre le chauffage le plus tôt possible à partir du moment où la température de consigne est atteinte. Par conséquent, la durée totale de chauffage du liquide est adaptée au volume de liquide à chauffer, de manière à tenir compte des inerties thermiques et/ou métrologiques 10 susceptibles d'intervenir au cours du procédé de commande de l'appareil. Ainsi, que l'utilisateur introduise un volume de liquide faible ou important, la durée du cycle de chauffage est la durée optimale pour atteindre la température de consigne. Autrement dit, il n'y a pas d'allongement superflu de la durée du cycle de chauffage. Le but de ce procédé est d'interrompre le cycle de chauffage de manière précise, c'est-à-dire lorsque le 15 liquide est à une température la plus proche possible de la température de consigne. Selon une forme de réalisation de l'invention, le procédé peut comporter une étape initiale consistant à vérifier que le niveau de température courant est inférieur au niveau cible initial. En pratique, la valeur initiale du niveau cible peut être déterminée par un calcul consistant à multiplier la température de consigne par un premier coefficient déterminé et à ôter le produit obtenu d'un nombre dépendant des caractéristiques de l'élément thermométrique. 25 Ce calcul initial permet de s'assurer que la température n'est pas déjà atteinte dès le début du cycle de chauffage. 20 2905016 -7- Selon une autre forme de réalisation de l'invention, la valeur du niveau cible peut être déterminée par un calcul consistant à former la différence entre les premier et deuxième registres, à multiplier ladite différence par un deuxième coefficient déterminé. Puis, selon cette forme de réalisation, il faut soustraire au produit obtenu un produit de la 5 température de consigne par un troisième coefficient déterminé et ajouter au résultat obtenu un nombre. Pour ce calcul, les coefficients dépendant des caractéristiques et de la position de l'élément thermométrique, le nombre dépendant de la température de consigne. 10 En d'autres termes, la variation de température est ici constituée par la différence entre deux des niveaux indiqués par l'élément thermométrique. Un tel calcul permet d'optimiser la durée du chauffage en fonction du volume de liquide à chauffer. Selon une forme de réalisation, la température de consigne peut être comprise entre 15 50 C et 98 C. En pratique, la coupelle chauffante peut être mince et les mesures thermométriques peuvent être effectuées par une résistance à coefficient de température négatif dimensionnée et positionnée au niveau de cette coupelle de manière à produire des 20 différences de potentiel entre ses bornes représentatives de la température du liquide. Un tel composant thermométrique est en effet apte à fournir des mesures de façon relativement rapide et précise, ce qui conduit à une bonne rapidité dans la commande de l'appareil ménager de chauffage de liquide. Par mince, on entend une coupelle présentant 25 une épaisseur typiquement comprise entre 0.8 et 1.2 mm, cette coupelle étant avantageusement réalisée en un métal, donc en un bon conducteur thermique. La capacité calorifique de la coupelle est ainsi déterminée par le matériau qui la constitue et par cette épaisseur. 5 2905016 -8- Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, cette résistance à coefficient de température négatif peut être positionnée sur cette coupelle mince au sein d'une région exempte de l'élément chauffant électrique, laquelle demeure donc relativement froide lors du chauffage du liquide. Ainsi, la mesure thermométrique est rapidement et directement représentative de la température de l'eau contenue dans la bouilloire, car on limite le nombre donc l'inertie thermique des composants intervenant dans la mesure thermométrique. 10 Selon une autre forme de réalisation de l'invention, l'alimentation électrique de l'élément chauffant électrique peut être commandée par un dispositif électronique positionné au sein de cette région dite froide . Cela permet, d'une part, d'augmenter la compacité de l'appareil électrique de 15 chauffage et, d'autre part, de commander l'élément chauffant avec une bonne réactivité, car le dispositif électronique subit peu d'inertie thermique. En pratique, ce dispositif électronique peut être positionné à proximité de la résistance à coefficient de température négatif. Cela permet de minimiser les parasites électriques intermédiaires perturbant les signaux électriques émis par la résistance à coefficient de température négatif. De plus, les composants électroniques présentent alors une durée de vie supérieure. 25 Par ailleurs, l'invention se rapporte également à un dispositif pour commander un appareil électrique ménager de chauffage de liquide selon le procédé objet de l'invention. Selon l'invention, ce dispositif comprend une résistance à coefficient de température négatif dimensionnée et positionnée dans ledit appareil de manière à produire des différences de potentiel entre ses bornes représentatives de la température dudit liquide, 30 un élément de commutation, tel qu'un relais ou un TRIAC, destiné à enclencher ou à déclencher l'alimentation de l'élément chauffant, ainsi qu'une unité de mémorisation comportant au moins deux registres destinés à mémoriser des niveaux de température. 20 2905016 -9-Un tel dispositif, fonctionnant selon le procédé objet de l'invention, est donc apte à chauffer le liquide contenu dans le réservoir en adaptant la durée du cycle de chauffage au volume de liquide à chauffer. 5 Par conséquent, que l'utilisateur introduise un volume de liquide faible ou un volume de liquide important, la durée du cycle de chauffage et sa précision sont optimisées. Ainsi, il n'y a pas d'allongement superflu de la durée du cycle de chauffage, car on interrompt le cycle de chauffage, lorsque le liquide est à une température la plus 10 proche possible de la température de consigne. En pratique, le dispositif peut comprendre un composant de sécurité thermique commandant l'arrêt du procédé de chauffage objet de l'invention lorsque la vitesse d'augmentation de la température de l'élément thermométrique est supérieure à une 15 vitesse limite prédéterminée, de manière à interrompre le chauffage en cas d'absence de liquide. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 20 La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif, à l'appui de la figure annexée. La figure 1 est un organigramme présentant une séquence d'étapes permettant de 25 réaliser le procédé objet de la présente invention. MODE DE REALISATION DE L'INVENTION La figure 1 représente donc la succession d'étapes permettant d'accomplir un cycle 30 de chauffage complet, c'est-à-dire jusqu'à ce que le liquide contenu dans le réservoir d'un appareil électroménager de chauffage atteigne la température de consigne. Le liquide à chauffer est généralement un liquide alimentaire, tel que de l'eau, du lait etc. Dans 2905016 -10-l'exemple développé ci-dessous, il s'agit d'eau. De manière usuelle, l'appareil ménagé de chauffage de liquide comprend un réservoir destiné à contenir le volume de liquide à chauffer, au fond duquel se trouve une 5 coupelle en acier inoxydable apte à transmettre les calories dissipées par effet Joule dans l'élément chauffant situé sous la coupelle. Conformément à l'invention, l'appareil est équipé d'un élément thermométrique apte à réaliser des mesures représentatives de la température du liquide en chauffe. En 10 l'occurrence, l'élément thermométrique est une résistance variable à coefficient de température négatif (abrégé en résistance CTN ). De manière connue, une résistance CTN présente entre ses bornes, à courant constant, une différence de potentiel U qui diminue lorsque sa température augmente. 15 Dans l'exemple exposé ici, la résistance CTN est positionnée au sec, sous la coupelle dans la zone où se trouve l'élément chauffant. Elle est ainsi en mesure de jouer le rôle d'un élément thermométrique réalisant des mesures représentatives de la température du liquide. 20 Conformément à une forme de réalisation de l'invention, cette résistance CTN est positionnée sous la coupelle si l'on considère la bouilloire avec la coupelle en bas. En fait, la résistance CTN est positionnée sur la coupelle au sens où elle se trouve rapportée sur sa surface. 25 De préférence, la coupelle présente une épaisseur relativement faible, par exemple de l'ordre de 0.8 à 1.2 mm. Ainsi, les mesures effectuées par la résistance CTN sont peu affectées par l'inertie thermique de la coupelle et elles sont plus représentatives de la température du liquide en chauffe. 30 De préférence encore, la résistance CTN est rapportée sur la coupelle au sein d'une zone froide , d'où est absent l'élément chauffant, lequel peut se présenter sous forme d'une piste électriquement résistive sérigraphiée sur la coupelle. Dans l'exemple de 2905016 -11réalisation exposé ici, la zone froide loge en outre un circuit électronique servant à commander l'alimentation électrique de l'élément chauffant. La résistance CTN est positionnée à proximité de ce circuit électronique. 5 La première étape représentée sur l'organigramme de la figure 1 consiste à mettre en marche la bouilloire. En pratique, pour accomplir cette étape, après avoir préalablement rempli le réservoir de liquide et réglé la température de consigne au moyen d'un organe de sélection, l'utilisateur bascule un interrupteur qui autorise à son tour l'alimentation électrique de l'élément chauffant par le dispositif de commande de 10 l'appareil. Conformément à l'invention, la température de consigne que peut sélectionner l'utilisateur est comprise entre 50 C et 98 C. Ici, le dispositif de commande de l'appareil comprend un composant de sécurité thermique apte à détecter le fonctionnement à sec de l'appareil ménager, pour le cas où 15 l'utilisateur n'aurait pas introduit de liquide dans le réservoir. Un tel composant de sécurité comprend généralement un élément fusible et il a pour rôle d'interrompre le chauffage en cas d'absence de liquide. Une telle interruption, non représentée sur l'organigramme de la figure 1, survient le cas échéant très rapidement après la mise en marche de l'appareil à l'étape 1 en cas de chauffe à vide. 20 La deuxième étape est une étape d'initialisation. Au cours de cette étape 2, il faut remettre à zéro les registres que comprend le dispositif de commande pour mémoriser le niveau cible de température Uc et la variation de température [Ui-U2]. L'étape 2 comprend également la remise à zéro d'un compteur de temps du dispositif de 25 commande, ce qui est indiqué sur la figure 1 par l'équation t = 0 . En outre, on initialise Uc dans un premier registre mémorisant le niveau courant de température Ul au début de la période de référence en lui affectant la valeur courante de la tension aux bornes de la résistance CTN. 30 Par ailleurs, l'étape 2 comprend également la détection de la température de consigne Te0 réglée par l'utilisateur au moyen d'un organe de sélection, par exemple un potentiomètre, prévu de manière conventionnelle sur l'appareil de chauffage. En pratique, 2905016 -12- les étapes 1 et 2 seront concomitantes, ou du moins elles ne sont pas séparées par une durée de temporisation significative. La détection de la température de consigne permet ainsi d'initialiser le niveau cible 5 de température Uc en lui affectant une valeur initiale (Uc(0)) dépendant des caractéristiques de la résistance CTN, de la capacité du réservoir de l'appareil, de la puissance électrique dissipée dans l'élément chauffant, etc. Dans l'exemple du procédé illustré par la figure 1, Uc, ou Uc(0), vaut [Uco ù Co * Tnon], où Uc est le niveau cible de température, et Te0 la température de consigne sélectionnée par l'utilisateur. Uco est une 10 valeur de référence fonction de la tension ou du courant d'alimentation de la résistance CTN et Co est un coefficient correcteur dépendant également de la tension ou du courant d'alimentation de la résistance CTN. Dans l'exemple exposé ici, Uco vaut 310 et Co vaut 2. 15 L'étape 3 suivante est une étape de test consistant à vérifier que le niveau de température courant, représenté par Ui, est inférieur au niveau cible initial, représenté par Uc. Comme la résistance CTN est par définition à coefficient de température négatif, cette condition équivaut à l'inéquation [U1 REVENDICATIONS 1. Procédé pour commander un appareil électrique ménager de chauffage de liquide, ledit appareil comportant un réservoir destiné à contenir le liquide à chauffer, un élément thermométrique apte à réaliser des mesures thermométriques représentatives de la température dudit liquide, ainsi qu'une coupelle associée à un élément chauffant électrique dont l'alimentation électrique est commandée en fonction desdites mesures thermométriques de manière à chauffer ledit volume de liquide jusqu'à une température de consigne (Tcoä ), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant : à initialiser (2) un niveau cible de température (Uc) dont la valeur est fonction de ladite température de consigne (Tcoä) ; à réaliser une étape itérative (6, 7, 10, 8) consistant : ^ à alimenter ledit élément chauffant ; ^ à modifier (6) ledit niveau cible (Uc) en fonction de la température de consigne (Tcoä) et de la variation du niveau courant de température (U2) sur une période de référence présentant une durée prédéterminée (t5) ; ladite étape itérative (6, 7, 10, 8) se terminant lorsque le niveau courant de température (U2) est supérieur au niveau cible (Uc). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape initiale (3) consistant à vérifier que ledit niveau de température courant (U1) est inférieur au niveau cible initial (Uc). 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur initiale (Uc(0)) du niveau cible (Uc) est déterminée par un calcul consistant à multiplier la température de consigne (Tcoä) par un premier coefficient déterminé (Co) et à ôter le produit obtenu d'un nombre (Uco) dépendant des caractéristiques de l'élément thermométrique. 2905016 -19- 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur du niveau cible (Uc) est déterminée par un calcul consistant : à former la différence (U1 _ U2) entre ledit niveau de température courant (U2) et le niveau de température avant ladite période de référence (Ui) , 5 à multiplier ladite différence par un deuxième coefficient déterminé (Cl), à soustraire au produit obtenu un produit de la température de consigne (TCOn) par un troisième coefficient déterminé(Co), puis à ajouter au résultat obtenu un nombre (Uco), lesdits coefficients dépendant des caractéristiques et de la position de l'élément 10 thermométrique, ledit nombre (Uco) dépendant de ladite température de consigne (Tc . ) 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de consigne (TCOn) est comprise entre 50 C et 98 C. 15 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite coupelle est mince et en ce que lesdites mesures thermométriques sont effectuées par une résistance à coefficient de température négatif dimensionnée et positionnée au niveau de ladite coupelle de manière à produire des différences de 20 potentiel entre ses bornes représentatives de la température dudit liquide. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite résistance à coefficient de température négatif est positionnée sur ladite coupelle au sein d'une région exempte dudit élément chauffant électrique, ladite région demeurant donc 25 relativement froide lors de la mise en oeuvre dudit procédé. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alimentation électrique dudit élément chauffant électrique est commandée par un dispositif électronique positionné au sein de ladite région. 30 -20-2905016 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit dispositif électronique est positionné à proximité de ladite résistance à coefficient de température négatif. 5 10. Dispositif pour commander un appareil électrique ménager de chauffage de liquide selon le procédé de l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une résistance à coefficient de température négatif dimensionnée et positionnée dans ledit appareil de manière à produire des différences de potentiel entre ses bornes représentatives de la température dudit liquide, un lo élément de commutation, tel qu'un relais ou un TRIAC, destiné à enclencher ou à déclencher l'alimentation de l'élément chauffant, ainsi qu'une unité de mémorisation comportant au moins plusieurs registres destinés à mémoriser des niveaux de température. 15 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un composant de sécurité thermique permettant de commander l'arrêt dudit procédé de chauffage lorsque la vitesse d'augmentation de la température de l'élément thermométrique est supérieure à une vitesse limite prédéterminée, de manière à interrompre le chauffage en cas d'absence de liquide.