Brevet FR2916934A1 — publié le 20081205

La présente invention concerne un dispositif de chauffage électrique par tube souple chauffant intégrant une régulation liée à une mesure de température, pouvant être utilisé en environnement humide. L'invention est utilisée pour la protection des cultures et des plantes contre les dégâts du froid, pour le chauffage des semis pour forcer leur croissance ainsi que pour toute application de chauffage sur une surface ou un volume limité nécessitant également une protection vis à vis de l'humidité. Des fils de traçage ou câbles chauffant électriques existent dans le milieu industriel. Ces fils de traçage ont des diamètres relativement faibles ce qui entraîne une surface thermique d'échange faible avec le milieu environnant. Pour des puissances de chauffage supérieures à 15W/m, ceci entraîne une température de surface trop élevée qui n'est pas compatible avec le chauffage de plantes. Deux technologies de matériaux à effet joule sont utilisées pour les fils de traçage. La première consiste à utiliser un fil résistif métallique. Ces fils sont spiralés le long du fil chauffant autour d'une âme constituée de 2 fils d'alimentation électrique et de polymère extrudé. Une ou deux couches de polymères recouvrent ensuite l'ensemble. Cette technique présente l'inconvénient d'une température élevée au niveau du fil résistif, nécessitant l'utilisation d'un polymère pour la gaine d'isolation électrique résistant à des températures élevées. Ceci a pour conséquence des coûts de matière première importants. Elle nécessite aussi l'utilisation de fils résistifs de très faible section si l'on souhaite travailler sous des tensions de l'ordre de 230 volts. Ceci fragilise la résistance du fil et rend sa mise en oeuvre délicate. La seconde technologie de matériau à effet joule consiste à utiliser une couche de polymères conducteurs électrique entre deux fils d'alimentation électrique. Cette technique présente l'inconvénient d'un manque de souplesse 2 du fil chauffant dans une des deux directions axiales du fil. Ceci étant un inconvénient pour sa mise en oeuvre dans certaines configurations liées à la protection des plantes. Les flexions répétées risquent également de fragiliser prématurément la jonction entre la couche de polymère conducteur et les fils d'alimentation électrique. Pour réguler le chauffage de ces câbles chauffant électriques il faut les relier à un boîtier de régulation électronique équipé d'une sonde de température. Ces régulateurs de chauffage sont tous insérés entre l'alimentation électrique et la partie chauffante. La sonde de température est alors déportée du boîtier de régulation de façon à mesurer la température à proximité de la zone de chauffe. En plus du système chauffant positionné dans la zone à chauffer il faut également faire cheminer le câble de la sonde de température afin de prendre la température dans la zone la plus représentative du chauffage. Ceci rend la mise en oeuvre plus compliquée et est inésthétique. La sonde est généralement constituée d'un câble électrique à l'extrémité duquel on trouve une thermistance ou un thermocouple. Cette façon de procéder oblige la création de connectiques électriques entre la sonde de température et le boîtier de régulation, entre l'alimentation électrique et le boîtier de régulation ainsi qu'entre le boîtier de régulation et l'élément chauffant. La multiplication des connectiques électriques est particulièrement gênante lorsque le dispositif est destiné à être utilisé dans un environnement humide nécessitant une étanchéité supérieure ou égale à IP44. La multiplication des connections est un risque vis à vis des entrées d'eau entraînant un risque de court circuit. La présente invention a pour but de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus. En particulier, un but visé par l'invention est de 35 pouvoir répondre à des besoins en chauffage en extérieur ou en environnement humide tout en simplifiant la mise en 3 oeuvre en ne dissociant pas la sonde de température de l'élément chauffant et de la régulation. Un autre but visé par l'invention est de répondre aux critères de sécurité électrique en cas d'utilisation en 5 milieu humide grâce à la réduction des voies d'entrée de l'eau dans le dispositif. Un autre but encore est de fournir un dispositif adaptable à toute configuration en forme et volume grâce à sa grande flexibilité dans toutes les directions autour de 10 l'axe de l'élément chauffant. Un autre but encore est de simplifier la réalisation du fil chauffant en utilisant des polymères isolants électriques de plus faible résistance en température et moins onéreux. 15 Un autre but est également d'optimiser la diffusion thermique de l'éléments chauffant de façon à pouvoir atteindre des puissances de chauffage par mètre linéaire plus importantes sans augmenter de façon sensible la température sur la surface externe pour ne pas blesser les 20 plantes. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un dispositif électrique de chauffage par tube souple chauffant, comprenant un tube de matière plastique souple 25 composé d'au moins deux couches concentriques de matériau plastique isolant électrique comportant dans sa couche centrale et réparti le long du tube, des résistances électriques pour provoquer par effet Joule un échauffement à la surface extérieure du tube de matière plastique. Le 30 tube possède un diamètre de 10mm minimum pour des puissances supérieures à 15W/m de façon à favoriser la diffusion thermique et limiter l'échauffement en surface du tube. Le tube possède au sein de la couche centrale trois moyens conducteurs aptes à la conduction d'un courant 35 électrique. Deux de ces moyens conducteurs servent à alimenter les résistances électriques via des connexions de 4 type soudure ou contact électrique mécanique. Deux autres moyens conducteurs servent à alimenter le régulateur de chauffage dans le boîtier. Un de ces moyens conducteurs est commun à l'alimentation des résistance électrique et à l'alimentation du régulateur. Chaque résistance électrique est constituée d'un élément résistif chauffant relié à des fils d'alimentation. L'élément résistif est enrobé par une couche externe isolante électrique et de haute tenue en température de type céramique, résine polymère ou verre. Ceci limite l'échauffement des matériaux plastiques constituant le tube qui ne sont pas en contact direct avec l'élément résistif chauffant. Il est ainsi possible d'utiliser des matériaux polymères isolant électriques supportant des températures de l'ordre de 120 C maximum seulement. Chaque résistance électrique est reliée entre les deux moyens conducteurs. Les résistances peuvent également être connectées par groupe de plusieurs résistances en série. Le tube souple chauffant, d'une longueur définie pour son usage, est inséré à une extrémité dans un boîtier de régulation intégrant une sonde de température. Le boîtier possédant le dispositif de régulation est noyée partiellement de résine ou utilise des joints entre les différents éléments pour atteindre un niveau d'étanchéité supérieur à IP44 notamment entre le tube et le boîtier. Le boîtier, constitué de deux ou plusieurs parties, est scellé, par soudage ou collage de façon à étancher les plans de joint. A l'autre extrémité du tube souple, le tube est inséré dans une connectique étanche permettant de relier les deux moyens conducteurs servant à alimenter le régulateur de chauffage à un câble électrique d'alimentation muni d'une prise électrique. L'étanchéité est obtenue principalement par surmoulage d'une résine de polymère autour des connectiques électriques. L'étanchéité peut également être obtenue par utilisation de joints d'étanchéité entre le tube et le connecteur électrique. Grâce à l'invention, le dispositif peut ainsi se présenter sous forme d'un tube de plus ou moins grande longueur et présentant une grande souplesse, ce qui facilite sa mise en œuvre. La présence du boîtier de régulation intégrant la sonde de température à l'extrémité du tube rend très efficace la mesure de température au sein du boîtier de régulation sans gêner la mise en place du dispositif et sans multiplier les câbles. Seules deux connectiques électriques existent au sein de ce dispositif assurant ainsi une forte fiabilité de l'étanchéité comparée aux systèmes traditionnels et une mise en place aisée autour d'un arbuste par exemple. Selon une disposition spécifique, le tube chauffant plastique souple comporte en son centre, au sein de la couche isolante la plus profonde, un évidement dans lequel sont disposées les résistances électriques. Ceci apporte une souplesse supplémentaire au produit et permet de favoriser le flux thermique dans le sens axial du tube plutôt que dans le sens radial. Ceci a pour conséquence une plus faible sensibilité de la sonde de température du régulateur à l'échauffement propre du tube, et un gradient thermique au sein des parois isolantes du tube plus important favorisant ainsi l'efficacité du chauffage en terme de flux thermique. La puissance thermique admissible s'en trouve ainsi augmentée. Selon un mode de réalisation, le tube peut également être de forme rectangulaire pour des applications de chauffage de surfaces planes tel que des aquariums et des terrariums. Pour la mise en place du dispositif, la souplesse du tube n'est alors nécessaire que dans une seule direction axiale du tube. Cette géométrie de forme augmente la surface de contact entre le tube et la surface à chauffer favorisant ainsi le flux thermique entre les deux éléments. Selon un mode de réalisation, le tube ne possède pas de résistances électriques à proximité du boîtier de 6 régulation sur environ cinq centimètres. Ceci à pour conséquence de ne pas perturber la mesure de température de la sonde du boîtier de régulation par l'échauffement propre du tube. Selon un mode de réalisation, le régulateur de chauffage à l'extrémité du tube possède un moyen de réglage permettant à l'utilisateur de définir la température en dessous de laquelle le chauffage du tube est enclenché. Le moyen de réglage peut être un bouton poussoir, un capteur ou un bouton à tourner. Selon un mode de réalisation, le moyen de réglage permet d'utiliser le dispositif selon deux modes de fonctionnement. Un mode de fonctionnement permet de régler la température en dessous de laquelle le chauffage est enclenché. Un second mode de fonctionnement permet de réguler le chauffage en puissance graduelle sans tenir compte de la température mesurée au sein du boîtier par la sonde de température. Ce dernier mode permet par exemple d'utiliser le dispositif même lorsque la sonde de température insérée dans le boîtier de régulation ne peut mesurer la température dans une zone non accessible. Par exemple, lorsque le dispositif de chauffage est placé sous un aquarium pour en chauffer l'eau sans avoir la possibilité de plonger le boîtier de régulation, contenant la sonde de température, dans l'eau de l'aquarium. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - les figures 1 et 2 sont une vue schématique en coupe du tube chauffant de forme sphérique, -la figure 3 est une vue en coupe du dispositif chauffant de section rectangulaire, - la figure 4 montre le dispositif complet la figure 5 montre un mode de réalisation du boiter de régulation du tube chauffant. la figure 6 montre les connections électriques entre les constituants du dispositif. La figure 1 représente le tube en coupe transversale. La résistance électrique chauffante (5) est reliée électriquement aux deux moyens conducteurs électriques (3 et 4) par soudure ou mécaniquement. Le moyen conducteur électrique (6) n'est pas connecté aux résistances (5) et sert uniquement d'alimentation pour la carte de régulation (18). La couche de polymère isolant électrique (2) protège les moyens conducteurs (3, 4 et 6) et les résistances (5) de l'humidité, et des contacts électriques directs. Une couche externe de polymère isolant électrique (1) est ajoutée autour de la couche (2) afin d'améliorer l'isolation électrique, la résistance mécanique et chimique et l'étanchéité de l'ensemble. La figure 2 représente le tube en coupe transversale. La résistance électrique (5) n'est pas noyé au sein de la couche de polymère isolant électrique (2). La résistance électrique chauffante (5) est positionnée dans un évidement rempli d'air (12) afin de favoriser la diffusion thermique dans le sens radial du tube. La figure 3 représente le dispositif en coupe transversale avec sa section rectangulaire. La résistance électrique chauffante (5) est reliée électriquement aux deux moyens conducteurs électriques (3 et 4) par soudure ou mécaniquement. Le moyen conducteur électrique (6) n'est pas connecté aux résistances et sert uniquement d'alimentation pour la carte de régulation (18). La couche de polymère isolant électrique (2) protège les moyens conducteurs (3, 4 et 6) et les résistances (5)de l'humidité, et des contacts électriques directs. Une couche externe de polymère isolant électrique (1) est ajoutée autour de la couche (2) afin d'améliorer l'isolation électrique, la résistance mécanique et chimique et l'étanchéité de l'ensemble. La figure 4 représente le produit dans son intégralité. Le boîtier étanche de régulation du chauffage (7) est fixé de façon étanche à une extrémité du tube chauffant (10). A l'autre extrémité du tube (10) un connecteur étanche (8) assure la liaison entre les moyens conducteurs d'électricité du tube (6 et 3) avec les fils d'un cordon d'alimentation électrique muni d'une fiche secteur (9). La figure 5 représente un mode de réalisation du boîtier de régulation (7) fixé au tube chauffant (10). Le boîtier de régulation (7) possède un bouton de réglage (11). La position du bouton permet de choisir entre deux modes de réglage du régulateur. Soit une régulation du chauffage en fonction d'un seuil de température défini (échelle de 0 à 20 C sur le dessin) ou selon une puissance de chauffage (échelle de 0 à 100 sur le dessin). La figure 6 représente les connections électriques entre les différents constituants. Le câble d'alimentation électrique (9) relie une source de courant (12) au tube chauffant. La connexion entre le câble électrique (9) et le tube est assurée par un connecteur étanche (8). Le tube chauffant est constitué des fils conducteurs d'électricité (3, 4) qui alimentent les résistances électriques (5). Le fil (6) assure l'alimentation du régulateur (18). Le régulateur (18) est constitué d'un capteur de température (15), d'un moyen de réglage de la consigne de régulation (14) et d'un microcontrôleur (16) dans lequel réside un programme de pilotage du chauffage. Le microcontrôleur actionne un organe de commutation (17) permettant l'alimentation des résistances (5) en courant. La régulation possède un module d'alimentation électrique (13) assurant. l'alimentation en courant des composants électroniques. La régulation électronique (18) et le tube sont insérés dans un boîtier étanche (7). A titre d'exemple non limitatif, une réalisation pour la protection des arbustes consiste à utiliser un tube souple chauffant de 10m de long (10). Le tube possède un diamètre extérieur de 13mm. La première étape consiste à réaliser la couche intérieure isolante électrique (2). Elle est réalisée en PVC traité dans la masse contre les risques d'inflammation, les phénomènes de fissuration au froid et contre les phénomènes d'oxydation de la lumière UV. L'épaisseur de cette couche est de 2,5mm. Cette couche est réalisée par extrusion. Lors de l'extrusion on insère au sein de cette couche (2), 3 fils de cuivre multi filaments de section 0,5mm2 (3, 4 et 6) séparés d'une distance de 5 mm entre eux. Cette couche (2) de forme circulaire n'est pas jointive dans l'axe d'extrusion. On créé ainsi l'évidement (12) dans lequel les résistances seront positionnées. La couche (2) peut être mise à plat après extrusion pour permettre d'accéder à la face intérieure de la couche pour fixer soit pas soudure, soit par contact mécanique des groupes de résistances électriques montées en série (5) entre les fils (3) et (4). Cette étape est réalisée à l'aide d'une machine ou manuellement. Chaque groupe de résistances possède 10 résistances électriques de 600 ohms chacune. Chaque groupe est relié entre deux points le long du tube distants de 30 cm. Sous 220 volts, chaque groupe de résistance va développer 8,3 watts de puissance thermique soit un courant de 0,037 A par groupe de résistances électrique. Au final, le tube développera au maximum une paissance thermique linéaire de 25 W/m. La troisième étape consiste à réaliser la couche extérieure isolante électrique (1). Elle est composée de PVC traité dans la masse contre les risques d'inflammation, les phénomènes de fissuration au froid et contre les phénomènes d'oxydation de la lumière UV. L'épaisseur de cette couche est de 1,5mm d'épaisseur. Elle est réalisée par extrusion autour de la couche sous jacente (2) équipée des résistances (5) positionnées dans l'évidemment (12). Le tube est coupé à la longueur de 10m. A une extrémité du tube, un boîtier plastique en ABS PC ou en polycarbonate est fixé (7). Le tube pénètre dans le boîtier (7) par un orifice adapté à la forme et au diamètre du tube (10). Le boîtier (7) est constitué de deux parties assemblées par soudure par ultrason. La carte de régulation électronique (18) est reliée par soudure aux fils (3, 4 et 6) du tube (10). La carte est ensuite positionnée dans le boîtier de régulation (7). La carte de régulation (18) possède une thermistance (15) permettant de mesurer la température à la surface du boîtier. Le boîtier de régulation (7) est partiellement rempli de résine de type polyuréthane de façon à empêcher l'eau de pénétrer entre le boîtier (7) et le tube en PVC (10) et protéger ainsi les composants électriques. La résine est coulée puis polymérisée dans le boîtier (7) par dessus les composants électriques et électroniques de la carte électronique (18). Le boîtier (7) est ensuite scellé par soudure pour finaliser l'étanchéité. Le boîtier (7) possède également un bouton (11) actionnant un potentiomètre permettant de régler une valeur de consigne de température. Ce bouton (11) possède un joint d'étanchéité de type o-ring ainsi qu'une rondelle frein assurant une étanchéité entre le boîtier (7) et le bouton (11). D'autres composants électroniques montés sur ce régulateur (18), ainsi qu'un microcontrôleur (16) équipé d'un programme de régulation permettent, en fonction de la température mesurée au niveau de la thermistance (15) et de la valeur de consigne donnée par le bouton (11), de réguler l'alimentation en courant des résistances électriques chauffantes (5) à l'intérieur du tube (10). Une diode électroluminescente est fixée sur le régulateur (18) de façon à indiquer visuellement, à travers la paroi translucide du boîtier (7), lorsque le système est en chauffe ou en veille. A l'autre extrémité du tube (10), le tube pénètre dans un connecteur en plastique de forme tubulaire (8) adapté au diamètre et à la forme du tube (10). Le connecteur (8) est relié par surmoulage à un cordon d'alimentation de type HO5RNF 2x1mm2 (9) muni d'une fiche secteur 220 volts. 2 fils de cuivre de section 0,5mm2 du 11 tube (5 et 6) sont reliés par soudure aux deux fils d'alimentation du cordon électrique (9) de section lmm2 chacun. Une résine d'étanchéité de type PVC est injectée par surmoulage entre le tube (10) et le connecteur (8) de façon à éviter toute pénétration d'eau au niveau de contacts électriques. Pour assurer des puissances de chauffage plus importantes il suffit d'utiliser des câbles électriques de section plus importante à l'intérieur du tube (10) permettant ainsi de réaliser de grandes longueurs (jusqu'à 100m par exemple).15 REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage pour usage en ambiance humide par tube plastique souple chauffant. Le dispositif est caractérisé par la présence à une extrémité du tube chauffant (10) d'un régulateur de chauffage étanche (7) et à l'autre extrémité d'un cordon d'alimentation électrique étanche (9). 2. Dispositif selon la revendication l'caractérisé par la présence au sein de la couche centrale (2) du tube de trois moyens conducteurs aptes à la conduction d'un courant électrique (3, 4 et 6). Deux de ces moyens conducteurs servent à alimenter les résistances électriques chauffantes(3 et 4). Deux moyens conducteurs servent à alimenter le régulateur de chauffage (3 et 6). Un de ces moyens conducteurs est commun à l'alimentation des résistances électriques et à l'alimentation du régulateur (3). 3. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube chauffant plastique souple (10) comporte en son centre, au sein de la couche isolante la plus profonde (2), un évidemment (12) dans lequel sont disposées les résistances électriques (5) chauffantes. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par l'utilisation de résistances électriques (5) chauffantes composées d'un élément résistif relié à deux fils conducteurs et enrobé par une couche externe isolante électrique et de haute tenue en température de type céramique, résine polymère ou verre. 5. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier de régulation (7) intègre une sonde de température (15). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par la présence d'un moyen de réglage (11) de la consigne de régulation sur le régulateur étanche (7). 7. Dispositif de chauffage selon la revendication 6, caractérisé en ce que le régulateur de chauffage (18) possède un mode de fonctionnement suivant un seuil de température de régulation et un second mode de fonctionnement permettant de réguler le chauffage en puissance graduelle sans tenir compte de la température mesurée au sein du boîtier par la sonde de température (15). 8. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube (10) possède une section de forme rectangulaire. 9. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube (10) ne possède pas de résistances électriques (5) à proximité immédiate du boîtier de régulation (7) sur quelques centimètres.