Brevet FR2902273A1 — publié le 20071214

Câble électrique chauffant à faible courant de démarraqe La présente invention concerne un câble électrique chauffant, plus particulièrement présentant un faible courant de démarrage, ainsi qu'un dispositif chauffant incorporant un tel câble. Elle s'applique typiquement, mais non exclusivement, au dégel ou au déneigement des structures telles que des voies d'aéroports, des toits de maisons, des pipelines, et à la régulation thermique des conduits et des pipelines. Le document EP-0 880 302 propose un câble chauffant comprenant un élément central en polymère extrudé, deux conducteurs nus agencés dans des rainures dudit élément central et affleurant à la surface de ce dernier, une couche d'un polymère semi-conducteur en contact avec lesdits conducteurs et agencée sur ledit élément central. Lorsque les deux conducteurs sont connectés à une source de 15 courant, le courant passe de l'un à l'autre à travers la couche de polymère semi-conducteur. Ledit polymère semi-conducteur, polymère chargé avec une charge conductrice, a un coefficient de température positif (CTP). En cela, l'augmentation de la température dudit polymère est associée à une 20 augmentation de sa résistivité : le polymère tend à se dilater de manière beaucoup plus importante que les charges en présence, ce qui a pour effet de séparer les particules de la charge conductrice, réduisant ainsi la puissance de chauffe du câble chauffant. L'effet CTP permet ainsi une auto-régulation du câble et limite tout 25 problème de surchauffe en empêchant le passage du courant de part et d'autre des conducteurs. Cependant, ce type de câble auto-régulant n'est pas adapté pour une utilisation à des températures inférieures à -20 C ou à des longueurs de câbles dépassant les soixante mètres. 30 En effet, lors de leur mise en fonctionnement, ces câbles induisent une forte consommation électrique, plus particulièrement un courant de 2 démarrage élevé, d'autant plus que le câble est long et/ou que le câble est utilisé à des températures négatives. La composition à effet CTP se dilate sous l'effet du courant de démarrage et les charges conductrices la composant se réorganisent 5 entraînant une modification de son comportement CTP. Ledit courant de démarrage détériore ainsi les propriétés intrinsèques du câble, notamment ses propriétés mécaniques et de résistivité. L'invention vise à résoudre les problèmes de l'art antérieur en 10 proposant un câble électrique chauffant facile à mettre en oeuvre et présentant un faible courant de démarrage lors de l'utilisation dudit câble. A cet effet, l'invention a pour objet un câble électrique chauffant comprenant un noyau et une couche isolante entourant ledit noyau, ledit noyau comprenant un élément central en polymère, deux conducteurs 15 électriques agencés dans ledit élément central de sorte qu'une partie de leur surface conductrice affleure avec la surface extérieure de l'élément central, et une couche d'une composition de polymère à coefficient de température positif (CTP) entourant l'élément central et étant en contact avec lesdites surfaces conductrices, ledit élément central comprenant en outre un fil 20 résistant chauffant. Grâce à l'invention, le fil résistant chauffant permet de chauffer le câble autorégulant avant la mise en fonctionnement dudit câble. Le câble auto-régulant ne subit ainsi pas de courant de démarrage détériorant ses propriétés intrinsèques, et notamment évite toute sur-25 consommation de courant lors de sa mise sous tension. Dans un mode particulier de l'invention, chaque conducteur électrique est entouré individuellement d'une couche d'une composition de polymère à CTP. Ladite couche de polymère à effet CTP est sensiblement de la même 30 base polymère que celle de la gaine isolante afin de faciliter l'adhésion entre les couches CTP individuelles des deux conducteurs, la couche CTP entourant l'élément central et la gaine isolante. 3 Selon une caractéristique de l'invention, le câble comprend en outre une gaine de protection recouvrant ladite couche isolante. Cette gaine de protection permet de protéger le câble contre les phénomènes d'abrasion et les agressions chimiques et thermiques. Dans un exemple particulier, la gaine de protection est du type thermo-chrome, c'est-à-dire que ladite gaine change de couleur en fonction de la température du câble. Selon une autre caractéristique de l'invention, le câble comprend en outre un écran métallique positionné entre la couche isolante et la gaine de 10 protection. Cet écran permet de protéger mécaniquement le câble et peut être relié à la terre de protection pour augmenter la sécurité de l'utilisateur dudit câble. L'invention concerne également un dispositif électrique chauffant 15 comprenant un câble selon l'invention dont une première extrémité d'un premier conducteur électrique est reliée électriquement à une première extrémité du fil résistant chauffant, et dont la seconde extrémité du premier conducteur électrique est reliée à un conducteur neutre, le dispositif comprenant un système de contrôle destiné à établir une mise sous tension 20 soit de la deuxième extrémité du fil résistant chauffant, soit d'une extrémité du second conducteur électrique, ou soit de la deuxième extrémité du fil résistant chauffant et d'une extrémité du second conducteur électrique. Lorsque le système de contrôle du dispositif met sous tension uniquement la deuxième extrémité du fil résistant chauffant, le dispositif est 25 en mode résistif. Lorsque le système de contrôle du dispositif met sous tension uniquement l'extrémité du second conducteur électrique, le dispositif est en mode auto-régulant. L'invention concerne également un procédé de mise en oeuvre du 30 dispositif selon l'invention comprenant les étapes suivantes : mettre sous 4 tension uniquement la deuxième extrémité du fil résistant chauffant afin de préchauffer ledit câble à l'aide du système de contrôle, et lorsque la température du câble atteint une température suffisante pour éviter la détérioration du câble par un courant de démarrage trop important, mettre sous tension uniquement l'extrémité du second conducteur électrique à l'aide du système de contrôle, tout en déconnectant la deuxième extrémité du fil résistant chauffant de la tension. Grâce au procédé conformément à l'invention, les forts courants de démarrage sont évités dans le câble auto-régulant et ledit câble peut ainsi être utilisé à de très basses températures, notamment inférieures à -20 C et avec une longueur de câble pouvant nettement dépasser 60m. Dans un premier temps, le câble est réchauffé par le fil résistant chauffant, permettant d'amener le câble à une température suffisante de démarrage afin d'éviter la détérioration des compositions à effet CTP par le courant de démarrage, puis le câble bascule en mode auto-régulant à l'aide du système de contrôle. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre en référence aux dessins annotés, lesdits exemples et dessins étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif. La figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un câble électrique chauffant selon l'invention. La figure 2 représente une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation particulier d'un câble électrique chauffant selon l'invention. La figure 3 représente un dispositif électrique schématique en mode résistif d'un câble électrique chauffant selon l'invention. La figure 4 représente un dispositif électrique schématique en mode auto-régulant d'un câble électrique chauffant selon l'invention. La figure 5 représente une ligne schématique de production pour fabriquer un câble électrique chauffant selon l'invention. Comme représenté sur la figure 1, le câble 1 électrique chauffant, conformément à l'invention, présente une section sensiblement circulaire. 5 Avantageusement, la fabrication et l'installation du câble électrique chauffant, notamment dans des conduits cylindriques, sont facilitées par ladite section circulaire. Ledit câble 1 électrique chauffant comprend un noyau 2 entouré d'une couche isolante 3. Le noyau 2 comprend un élément central 4 en polymère extrudé, deux conducteurs électriques 5, 6 et un fil résistant chauffant 7. L'élément central 4, de bonne tenue thermique, est par exemple un polyéthylène réticulé, du Teflon ou un perfluoroacrylate. Les deux conducteurs électriques 5, 6, en cuivre, sont agencés 15 respectivement à l'intérieur de rainures 5', 6' prévues dans ledit élément central 4. Lesdits conducteurs 5, 6 sont installés dans ces rainures 5', 6' de sorte qu'une partie de leur surfaces conductrice affleure avec la surface extérieure de l'élément central 4. 20 Ces conducteurs 5, 6 sont diamétralement opposés dans l'élément central 4. Le fil résistant chauffant 7, en alliage résistif, se situe au centre de l'élément central 4. L'alliage résistif est par exemple un alliage soit de cuivre et de nickel, 25 soit de chrome et de nickel, soit de fer, de chrome et d'aluminium, ou soit de cuivre et de manganèse. 6 Les conducteurs électriques 5, 6 et le fil résistant chauffant 7 s'étendent à l'intérieur du câble 1 électrique chauffant parallèlement à l'axe longitudinal dudit câble. Le noyau 2 comprend en outre une couche 8 d'une composition de 5 polymère à CTP entourant l'élément central 4 et étant en contact avec les surfaces conductrices des conducteurs électriques 5,6. Les polymères CTP sont par exemple du type polyoléfine chargée, comme le polyéthylène, le polypropylène, les copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle ou les copolymères d'éthylène et de propylène. 10 Ces charges sont une ou plusieurs charges conductrices de type noir de carbone. La couche isolante 3, extrudée sur le noyau 2, est un polymère chargé bien connu de l'homme du métier, qui a une bonne conductivité thermique, comme par exemple le polyéthylène, chargé avec de l'alumine, 15 du nitrure de bore ou du nitrure d'aluminium. Selon un autre mode de réalisation, comme représenté sur la figure 2, chaque conducteur électrique 5, 6 est entouré individuellement d'une couche 8' de polymère à effet CTP. La gaine isolante 3 est entourée par un écran métallique 9 pour 20 renforcer mécaniquement le câble 1 électrique chauffant conforme à l'invention. Cet écran métallique 9 est par exemple du type ruban d'aluminium ou de cuivre et/ou tresse en fil de cuivre. Cet écran métallique 9 est entouré d'une gaine de protection 10 25 pouvant être à base de polyoléfine, avec une bonne conductivité thermique. La gaine de protection 10 peut être du type thermo-chrome. 7 La polyoléfine de base est par exemple chargée avec une charge inorganique telle que du VO2, Ag2Hgl4, Cu2Hgl4, des cristaux liquides ou des leuco-dérivés tels que la fuchsine ou le nitrobleu de tétrazolium. Les câbles électriques chauffants selon l'invention sont utilisés 5 principalement dans les dispositifs électriques chauffant et sont du type monophasé. Dans les systèmes monophasés, le câble comporte deux conducteurs électriques, dont un conducteur électrique est relié à une source de courant et l'autre conducteur électrique est relié à un conducteur neutre. 10 Lorsque les deux conducteurs sont connectés à une source de courant, le courant passe de l'un à l'autre à travers la couche de polymère semi-conducteur et génère de la chaleur dans le câble. La figure 3 représente un dispositif électrique incorporant un câble électrique chauffant conformément à l'invention, de type monophasé. 15 Les deux conducteurs électriques 5, 6 sont équivalents électriquement à une multitude de résistances 11 en parallèle, tandis que le fil résistant chauffant 7 est équivalent électriquement à une multitude de résistances 12 en série. Une première extrémité 5b d'un premier conducteur électrique 5 est 20 reliée électriquement par un fil conducteur 13 à une première extrémité 7b du fil résistant chauffant 7, la seconde extrémité 5a du premier conducteur électrique 5 étant reliée à un conducteur neutre 14. Un système de contrôle 15, du type interrupteur électrique ou thermostat, permet de mettre sous tension la deuxième extrémité 7a du fil 25 résistant chauffant 7. Le dispositif est alors en mode résistif. Lorsque le dispositif atteint une température suffisante pour permettre l'utilisation du câble en mode auto-régulant, le système de contrôle 15 met sous tension, non plus le fil résistant chauffant 7, l'extrémité 7a n'étant plus connectée au système de contrôle 15, mais le second 30 conducteur électrique 6 par son extrémité 6a, comme représenté sur la figure 4. 8 Les dispositifs, conformément à l'invention, permettent d'utiliser des disjoncteurs (non représenté) avec des ampérages plus faibles et garantissent ainsi une meilleure stabilité du réseau électrique ainsi qu'une sécurité optimisée et à moindre coût. Les différents constituants du câble électrique chauffant, selon la figure 1, sont assemblés sur une ligne de production comme représenté schématiquement sur la figure 5. La section sensiblement circulaire du câble conformément à l'invention permet une fabrication simple et rapide dudit câble par extrusion. La ligne de production comprend une série d'extrudeuses 16, 18, 19, placées les unes à la suite des autres et une filière 17. L'élément central 4 est d'abord extrudé sur le fil résistant chauffant 7 par l'intermédiaire de l'extrudeuse 16. Les deux conducteurs électriques 5, 6 sont fournis respectivement par deux bobines 20, 21 et passent à travers la filière 17, lesdits conducteurs électriques 5, 6 étant insérés dans les rainures 5', 6' prévues dans l'élément central 4. Une fois l'assemblage de l'élément central 4 avec d'une part le fil résistant chauffant 7 et d'autre part les deux conducteurs électriques 5, 6 effectué, la couche 8 de polymère à effet CTP est appliquée à l'aide de l'extrudeuse 18 suivante pour former le noyau 2. La couche isolante 3 est extrudée à l'aide de l'extrudeuse 19 pour être appliquée sur la couche 8 de polymère à effet CTP. Le câble 1 conformément à l'invention ainsi formé est enroulé sur 25 une bobine 22, en rotation dans le plan perpendiculaire à l'axe de la ligne de production afin de conférer à l'assemblage un effet de spirale. Avant application de la couche isolante 3, les matériaux de l'assemblage peuvent éventuellement être réticulés. Dans un autre exemple de fabrication, les extrudeuses 18, 19, 30 permettant l'application de la couche 8 de polymère à effet CTP et de la couche isolante 3, peuvent être remplacées par une extrudeuse bi-couches. 9 La production des câbles selon l'invention peut se faire de façon continue, comme décrit précédemment, ou de façon discontinue, avec toutes les combinaisons possibles entre les étapes d'extrusions et de filage. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de mise en oeuvre qui vient d'être décrit et porte dans sa généralité sur tous les câbles envisageables à partir des indications générales fournies dans l'exposé de l'invention. Notamment, les couches individuelles entourant les conducteurs électriques peuvent être en matériau semi-conducteur à très faible résistivité. Par ailleurs, le fil résistant chauffant peut également être en cuivre ou en aluminium. REVENDICATIONS 1. Câble (1) électrique chauffant comprenant un noyau (2) et une couche isolante (3) entourant ledit noyau (2), ledit noyau (2) comprenant : un élément central (4) en polymère, deux conducteurs électriques (5, 6) agencés dans ledit élément central (4) de sorte qu'une partie de leur surface conductrice affleure avec la surface extérieure de l'élément central (4), et une couche (8) d'une composition de polymère à coefficient de température positif (CTP) entourant l'élément central (4) et étant en contact avec lesdites surfaces conductrices, caractérisé en ce que ledit élément central (4) comprend en outre un fil résistant chauffant (7). 2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque conducteur électrique (5, 6) est entouré individuellement d'une couche (8') de la composition de polymère à CTP. 3. Câble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le câble comprend en outre une gaine de protection (10) entourant la couche isolante (3). 4. Câble selon la revendication 3, caractérisé en ce que la gaine de protection (10) est du type thermo-chrome. 5. Câble selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le câble comprend en outre un écran métallique (9) positionné entre la couche isolante (3) et la gaine de protection (10). 6. Dispositif électrique chauffant comprenant un câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que : 11 - une première extrémité (5b) d'un premier conducteur électrique (5) est reliée électriquement à une première extrémité (7b) du fil résistant chauffant (7), et - la seconde extrémité (5a) du premier conducteur électrique (5) est reliée à un conducteur neutre (14), le dispositif comprenant un système de contrôle (15) destiné à établir une mise sous tension : - soit de la deuxième extrémité (7a) du fil résistant chauffant (7), - soit d'une extrémité (6a) du second conducteur électrique (6), ou - soit de la deuxième extrémité (7a) du fil résistant chauffant (7) et d'une extrémité (6a) du second conducteur électrique (6). 7. Procédé de mise en oeuvre du dispositif électrique chauffant selon la revendication 6, comprenant les étapes suivantes : - mettre sous tension uniquement la deuxième extrémité (7a) du fil résistant chauffant (7) afin de préchauffer ledit câble (1) à l'aide du système de contrôle (15), et -lorsque la température du câble (1) atteint une température suffisante pour éviter la détérioration du câble par un courant de démarrage trop important, mettre sous tension uniquement l'extrémité (6a) du second conducteur électrique (6) à l'aide du système de contrôle (15), tout en déconnectant la deuxième extrémité (7a) du fil résistant chauffant (7) de la tension.