Brevet FR2913848A1 — publié le 20080919

Domaine de l'invention La présente invention concerne un appareil de chauffage électrique avec une surface émissive notamment en forme de panneau. Etat de la technique Il existe différents systèmes d'appareils de chauffage électriques notamment en forme de panneau à usage domestique pour le grand public. Ces appareils de chauffage utilisent soit la convexion soit le rayonnement. Les convecteurs électriques sont constitués par un boîtier logeant une résistance électrique qui chauffe de l'air mis en circulation, entrant en partie basse dans le boîtier et sortant, en partie haute. Les appareils travaillant par rayonnement ont une surface émissive constituée par une enceinte contenant un volume de liquide chauffé par un thermoplongeur comme par exemple, les radiateurs sèche-serviettes de salles de bains. Il existe également des appareils de chauffage par rayonnement comportant des éléments solides en céramique, en aluminium ou en fonte avec des résistances électriques incluses. Ces appareils sont appelés systèmes à inertie sec par opposition aux autres systèmes à inertie fluide . Ces appareils de chauffage utilisent des résistances électriques d'une puissance allant de 500 à 2 500 Watts. L'inertie thermique de ces appareils est relativement grande ce qui réduit l'efficacité de la régulation et se traduit par une consommation électrique assez importante qui ne peut se réduire que de façon limi- tée par la régulation électromécanique ou électronique programmable ou non programmable. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un appareil de chauffage électrique, à surface émissive, efficace, permettant de réduire de manière importante la consommation électrique pour une même qualité de chauffage et qui soit de construction simple et économique. Exposé et avantage de l'invention A cet effet, la présente invention concerne un appareil de chauffage électrique caractérisé en ce qu'il comprend A- un élément de chauffage ayant - un réservoir recevant un faible volume de liquide à changement de phase et faible température d'ébullition, et - un organe de chauffage électrique pour le liquide du réservoir (110), B- une enveloppe fermée formant la surface émissive surmontant le réser- voir et communiquant avec celui-ci pour former une enceinte herméti- que résistant à la pression, pour la vapeur de liquide et le condensat. L'appareil de chauffage électrique selon l'invention a l'avantage d'être d'une réalisation extrêmement simple et d'un fonctionnement efficace, grâce à sa faible inertie thermique. Cette faible inertie thermique est en outre particulièrement intéressante pour la mise en température rapide de l'ensemble de la surface émissive constituée par le panneau ; le liquide caloporteur utilisé dans les appareils de chauffage électrique à inertie fluide est remplacée par la vapeur chaude qui se ré-partit rapidement sur toute la surface d'échange de chaleur et surtout régularise automatiquement la température de cette surface de chauffe puisque les points qui pourraient être froids constituent des points de condensation et de ce fait se réchaufferont préférentiellement aux autres parties de la surface d'échange de chaleur ; ainsi, la surface émissive formée par le panneau prend très rapidement une température uniforme. Cette uniformité de la température assure un échange efficace de chaleur avec l'extérieur principalement par rayonnement. La régularité de la température de l'ensemble de la surface émissive du panneau constitue un moyen de chauffage très confortable du fait de la grande surface de rayonnement et de la régularité de l'évolution de la température. Le liquide à changement de phase, à faible température d'ébullition, peut être un liquide passant à l'état de vapeur à une température relativement faible et à pression ambiante mais aussi un liquide à faible température d'ébullition à pression très faible, par exemple de l'eau placée dans l'enceinte dans laquelle on a réalisé un certain vide. L'inertie thermique très faible est également avantageuse pour la régulation automatique de l'appareil en fonction d'une température de consigne. L'abaissement de température rapide du panneau à l'arrêt de l'organe de chauffage réduit les pertes et permet globalement un suivi très précis d'un chauffage programmé. L'enceinte comporte, de préférence, un canal de condensation débouchant dans la partie haute de l'enceinte et relié au réservoir pour former un piège à condensat dans lequel la vapeur se condense pour descendre dans le canal et réalimenter le réservoir afin que celui-ci soit en permanence alimenté et liquide dans les conditions normales de fonctionnement de l'appareil (en l'absence de surchauffe, détectée par la commande de l'appareil). Cette réalimentation permanente du réservoir permet une mise en circulation de la vapeur régularisant considérablement la température de fonctionnement de l'appareil, ce qui est particulièrement avantageux pour l'effet de chauffage et l'impression physiologique de confort assuré par cet appareil de chauffage électrique tout en réduisant considérablement la puissance par une meilleure utilisation de la puissance disponible. Suivant l'importance de l'appareil de chauffage, c'est-à-dire sa puissance, on pourra prévoir un ou plusieurs canaux de condensation de préférence installés sur les côtés de l'appareil dans le cas où il s'agit d'un panneau. Ces canaux peuvent être intégrés dans l'appareil ou constitués un élément extérieur sous la forme d'un tube de faible section, par exemple placé à l'arrière de l'enceinte, notamment du panneau. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'enveloppe fermée est un panneau plan mais il peu également s'agir d'une surface développable telle qu'une surface cylindrique ouverte ou fermée ou une surface conique en fonction de l'implantation de l'appareil de chauffage. Cette grande diversité de formes est rendue possible par le fluide caloporteur qui est de la vapeur et par la très grande régularité de la température de la surface émissive de l'enveloppe fermée. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'enveloppe comporte des chemins de circulation de la vapeur en forme de cheminées. Ces cheminées régularisent la répartition de la vapeur sur toute la surface pour éviter les chemins préférentiels en général les plus directs entre la source de vapeur et la surface de condensation. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la commande comporte un thermostat et/ou un système de régulation électromécanique ou électronique programmable ou non programmable et/ ou des moyens de protection pour éviter la surchauffe. Pour des raisons de sécurité suivant la réglementation, la température de la surface émissive, c'est-à-dire du panneau ne doit pas dépasser une température par exemple de 60 C. Suivant une autre caractéristique avantageuse, l'organe de chauffage est une résistance électrique ou une source de lumière halo- gène, c'est-à-dire un semi-conducteur de puissance. Il peut également s'agir plus généralement d'une diode. L'organe de chauffage est intégré au réservoir et immergé dans le liquide. Mais il peut également s'agir d'un organe de chauffage extérieur au réservoir, de façon à pouvoir réaliser l'enceinte, y compris le réservoir, de manière scellée et laisser l'organe de chauffage à l'extérieur ce qui le rend indépendant pour son remplacement. Le réservoir peut également être constitué par une surface transparente et l'organe de chauffage, par une source de rayonnement chauffant le liquide du réservoir à travers la paroi transparente. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue simplifiée d'un appareil de chauffage selon l'invention, - la figure 2 est une vue simplifiée d'un autre mode de réalisation. Description de modes de réalisation La figure 1 montre un premier mode de réalisation d'un ap- pareil de chauffage électrique en forme de panneau constituant la surface émissive comprenant un organe de chauffage 100 alimentant une enveloppe fermée 200 en étant géré par une commande 300. Cet appareil de chauffage fonctionne principalement en rayonnement, la convexion ne représentant qu'une faible part de l'échange de chaleur. Le rayonnement est émis par la surface émissive formée par le panneau, notamment la face avant de celui-ci. L'élément de chauffage 100 est constitué par un réser- voir 110 de faible volume, dans lequel se trouve un organe de chauf- fage 120 schématisé par une résistance électrique. L'organe de chauffage 100 peut également être installé à l'extérieur du réservoir 110 pour que l'enceinte formée par le panneau 210 et le réservoir 110 avec le liquide, puisse être scellée en laissant l'organe de chauffage accessible pour son installation ou son remplacement. Dans ce cas, le réservoir peut être avantageusement transparent et l'organe de chauffage, une lampe halogène. Le réservoir 110 reçoit un liquide à changement de phase, à fai- ble température d'ébullition tel qu'un liquide organique, par exemple un alcool ou de l'éther ou un HCFC ou encore un liquide à faible température d'ébullition, à pression réduite voire très réduite comme de l'eau. Le réser- voir 110 alimente en vapeur l'enveloppe 200, représentée ici en forme de panneau, surmontant le réservoir 110 et communiquant avec celui-ci. Cette enveloppe fermée 200 est une enceinte hermétique, résistant à une pression interne de l'ordre de quelques bars, par exemple 3,5 bars en ré- gime maximum ; elle est destinée à travailler à une température maximale en régime qui serait de 50 à 60 C. Selon certaines réglementations, la température maximale de la surface émissive que l'on peut toucher est de 60 C pour éviter les accidents par brûlure. Le panneau 210, de forme rectangulaire ou carrée dans cet exemple, est bordé par deux canaux de condensation 220, ouverts en partie haute de l'enceinte. Les canaux forment des pièges de condensation car séparés de la circulation directe de vapeur émise par le réservoir, ils sont des zones froides dans lesquelles la vapeur se condense et descend pour réalimenter le réservoir 100. Le renouvellement de la vapeur dans le ou les canaux se fait par l'équilibre des pressions. Cette circulation de fluides (vapeur, condensat) permet une très grande régularité de la température. Par souci d'homogénéisation, il est préférable de prévoir un canal de condensation de chaque côté. On peut également ne prévoir qu'un canal de condensation. Enfin, le ou les canaux de condensation peuvent être réalisés derrière le panneau. Le panneau 210 formant la surface émissive, peut être en une seule matière, par exemple en tôle soudée ou en deux matières, l'une relativement isolante et l'autre conductrice de chaleur de façon que seule la face avant soit émissive et que la face arrière soit isolante. L'enceinte 200 ainsi formée est scellée de manière étanche pour que le fluide liquide / vapeur circule en boucle dans le panneau en fonction de l'énergie fournie par l'organe de chauffage 120, dépendant de la température de consigne fixée. Cet organe de chauffage 120 est une résistance mais il peut également s'agir d'un autre composant électrique/électronique dégageant de la chaleur tel qu'une lampe halogène. La commande 300 règle le fonctionnement de l'appareil et sa mise en sécurité. La commande comporte un thermostat réglable 310 permettant de fixer une température de consigne. Elle est également reliée à un capteur de pression 320 installé dans l'enceinte et surveillant la pression pour éviter toute surpression ainsi qu'un capteur de niveau de liquide 330 pour que l'organe de chauffe ne fonctionne que si le réservoir 110 contient un niveau suffisant de liquide et assure un contrôle de l'absence de liquide. Un capteur de température 340 surveille la température de la surface émissive. L'appareil de chauffage décrit ci-dessus avec une enveloppe 200 en forme de panneau peut avoir une forme autre que plane. La figure 2 montre un autre mode de réalisation d'un appareil de chauffage électrique également avec une enveloppe 200A en forme de panneau 210A. En partie basse, il comporte le réservoir 110A avec l'élément de chauffage 120A. Le réservoir 110A communique avec l'enceinte 200A dans laquelle il débouche pour le passage de la vapeur. Le panneau 210A comporte des cheminées 211A par les-quelles remonte la vapeur. L'enveloppe 200A est bordée par deux canaux de condensation 220A dont l'entrée est en partie haute de l'enceinte et qui sont reliés en partie basse, au réservoir 110A. la vapeur se condense ainsi de préférence dans ces canaux, notamment de faible section, pour y des-cendre à l'état de condensat et en étant également poussés par le renouvellement de vapeur dégagée par le réservoir et l'organe de chauffage. Le canal de condensation 220A est, de préférence, comme ici, un canal extérieur en forme de tube constituant une zone d'autant plus froide qu'il est à l'extérieur et échange plus rapidement la chaleur que s'il était dans le panneau ; il piège ainsi la vapeur et la condense pour réalimenter le réservoir 110A. Le recyclage de la vapeur par condensation dans le canal 220A permet de créer une circulation de vapeur à température très stable et uniforme. De façon avantageuse, le ou les canaux de condensation sont réalisés dans le panneau lui-même de préférence formé par l'assemblage de deux tôles embouties avec les différentes formes. Le panneau 210A est équipé d'une commande 300A qui gère le fonctionnement pour la régulation de la température à l'aide d'un thermostat et les fonctions de sécurité, pour régler la pression à une va- leur maximale, par exemple 3,5 bars et éviter le fonctionnement de l'organe de chauffage 120A en l'absence de liquide, si celui-ci est complètement vaporisé. Le panneau 210A est formé par l'assemblage de deux plaques, par exemple en tôle, mise en forme pour avoir des cheminées et des surfaces intermédiaires 212A soit découpées, soit constituées par la matière et augmentant la surface d'émission, principalement par rayonne-ment. Le volume de liquide dans l'appareil de chauffage quel que soit son mode de réalisation, est défini en fonction de la forme du panneau 35 et de la puissance demandée à l'appareil de chauffage. Plusieurs panneaux peuvent être combinés à une seule régulation de température et être gérés par un thermostat unique, les fonctions de sécurité restant propres à chaque appareil telles que la sécurité en cas d'évaporation totale du liquide, coupant l'organe de chauffe ou encore de limitation de la pression à l'intérieur du panneau pour ne pas dé-passer une pression par exemple de 3,5 bars. Cela permet une conception modulaire d'une installation de chauffage avec des éléments modulaires constitués chacun comme ceux représentés aux figures 1 ou 2 et correspondant à une puissance élémentaire. La combinaison de deux ou plusieurs panneaux permet d'obtenir une gamme de puissances. io 20 REVENDICATIONS 1 ) Appareil de chauffage électrique avec une surface émissive notamment en forme de panneau, caractérisé en ce qu' il comprend A- un élément de chauffage (100) ayant - un réservoir (110) recevant un faible volume de liquide à change-ment de phase et faible température d'ébullition, et - un organe de chauffage électrique (120) pour le liquide du réservoir (110), B- une enveloppe fermée (200) formant la surface émissive (210) surmontant le réservoir (110) et communiquant avec celui- ci pour former une enceinte hermétique résistant à la pression, pour la vapeur de liquide et le condensat. 15 2 ) Appareil de chauffage électrique selon la revendication 1, caractérisé par un canal de condensation (220, 22A) débouchant dans la partie haute de l'enceinte et relié au réservoir (110, 110A). 3 ) Appareil de chauffage électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de chauffage est installé dans le réservoir. 25 4 ) Appareil de chauffage électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe fermée est un panneau plan. 5 ) Appareil de chauffage électrique selon la revendication 1, 30 caractérisé en ce que l'enveloppe (200A) comporte des chemins de circulation de la vapeur, en forme de cheminées (211A). 6 ) Appareil de chauffage électrique selon la revendication 1, 35 caractérisé par une commande (300) reliée à l'organe de chauffage, comportant un thermostat et/ou un système de régulation électromécanique ou électroniqueprogrammable ou non programmable et/ou des moyens de protection pour éviter la surchauffe ou la montée en pression de la vapeur. 7 ) Appareil de chauffage électrique selon la revendication 1, 5 caractérisé en ce que l'organe de chauffage est une résistance électrique ou une lampe halogène. 8 ) Appareil de chauffage électrique selon la revendication 1, caractérisé par 10 un capteur de température de la surface émissive.