Brevet FR3007828A1 — publié le 20150102

Élément chauffant et chauffe-eau comportant un tel élément chauffant L'invention est relative à un élément chauffant destiné à être monté dans un fourreau tubulaire métallique de chauffe-eau électrique. L'invention est également relative à un chauffe-eau électrique comportant un fourreau tubulaire métallique émaillé extérieurement et un élément chauffant selon l'invention. On connaît des éléments chauffants du type « résistance électrique étanche blindée » généralement montés sur une bride de cuve de chauffe-eau. Cette technologie présente l'avantage de mettre la résistance électrique étanche blindée directement au contact de l'eau et de dissiper directement l'énergie produite par cette résistance électrique blindée dans l'eau à chauffer. Cependant, en cas de détérioration de cette résistance électrique blindée, résultant par exemple d'entartrage ou de corrosion, il est nécessaire pour remplacer cette résistance électrique blindée de séparer la bride de la cuve après avoir vidangé au moins partiellement l'eau qui se trouve dans le chauffe-eau. Un autre élément chauffant connu est un élément du type appelé « résistance stéatite » par les spécialistes. Cet élément chauffant est monté dans un fourreau métallique généralement émaillé extérieurement. Ce fourreau métallique émaillé est soudé à une bride de cuve du chauffe-eau et constitue un doigt de gant de grand diamètre permettant la transmission de la chaleur engendrée par la résistante stéatite à la cuve du chauffe-eau. Le transfert thermique entre la résistante stéatite et le fourreau métallique émaillé s'effectue principalement par rayonnement. Un élément chauffant du type « résistance stéatite » est par exemple décrit dans le document EP 1 619 932 B 1. L'utilisation d'une résistance stéatite insérée dans un tube émaillé permet de procéder à son remplacement, sans aucune vidange de l'eau contenue dans la cuve du chauffe-eau. Un inconvénient connu de la résistance de technologie céramique est que son fort pouvoir rayonnant nécessite de protéger les ensembles électroniques et l'environnement proche de l'extrémité de la résistante stéatite par un bouclier thermique, afin de protéger le matériel et le personnel susceptible d'intervenir sur la cuve du chauffe-eau. Ce rayonnement est en outre susceptible de provoquer des pertes énergétiques notables par transmission avec l'environnement extérieur au doigt de gant constitué par le fourreau métallique émaillé du chauffe-eau. Un premier but de l'invention est de fournir une performance énergétique améliorée sans risque de perte ou d'échauffement important du milieu avoisinant, de faciliter le remplacement de l'élément chauffant sans vidange, même partielle, de l'eau de la cuve du chauffe-eau et de permettre le choix d'une alimentation monophasée ou triphasée selon le désir de l'utilisateur. L'invention vise par conséquent à fournir un nouveau chauffe-eau présentant une cuve comportant un fourreau tubulaire métallique généralement émaillé extérieurement et comportant un nouvel élément chauffant permettant d'atteindre les buts de l'invention. Des essais d'insertion directe d'une résistance électrique étanche blindée dans un fourreau tubulaire émaillé d'un chauffe-eau n'ont pas donné satisfaction, car l'énergie thermique fournie était limitée du fait notamment de sa forme non adaptée créant de mauvais contact avec le fourreau tubulaire métallique émaillé. Par conséquent, le risque d'irrégularité de la transmission thermique au revêtement émaillé et le risque de points chauds pouvant constituer des amorces de corrosion étaient grandement augmentés. Un deuxième but de l'invention est de concilier dans un nouvel élément chauffant des caractéristiques de bonne transmission thermique, de préférence par conduction, et des caractéristiques de puissance surfacique limitées, pour éviter la constitution de points chauds lors du fonctionnement, susceptibles d'engendrer des amorces de corrosion du fourreau émaillé ou de la cuve du chauffe-eau. L'invention a pour objet un élément chauffant destiné à être monté dans un fourreau tubulaire métallique de chauffe-eau électrique, caractérisé par le fait que l'élément chauffant présente une conformation en cartouche, ladite conformation en cartouche présentant un tube extérieur généralement métallique contenant des fils conducteurs avec interposition d'un matériau isolant du genre magnésie. Selon d'autres caractéristiques alternatives de l'invention : - L'élément chauffant présente un diamètre extérieur compris entre 15 et 40 mm, de manière à limiter la puissance émise par unité de surface. - L'élément chauffant peut être obturé à son extrémité distale par soudure d'un bouchon métallique au tube extérieur métallique de l'élément chauffant et à son extrémité froide proximale par application d'un moyen de bouchonnage. - L'élément chauffant peut être obturé à son extrémité distale par application 10 d'un premier moyen de bouchonnage et à son extrémité froide proximale par application d'un deuxième moyen de bouchonnage. - Le moyen de bouchonnage peut être choisi dans le groupe comportant : une colle, une résine, un silicone ou une association de plusieurs de ces éléments. L'invention a également pour objet un chauffe eau comportant une cuve 15 présentant un fourreau tubulaire métallique émaillé extérieurement et un élément chauffant selon l'invention monté dans ledit fourreau, caractérisé par le fait que le fourreau tubulaire métallique émaillé présente une épaisseur supérieure ou égale à 1.5 mm, de manière à limiter la charge thermique au revêtement émaillé et à éviter ainsi les points chauds et les amorces de corrosion pouvant en résulter. 20 Selon d'autres caractéristiques alternatives de l'invention : - Le jeu diamétral à température ambiante entre le diamètre extérieur de l'élément chauffant et le diamètre intérieur du fourreau tubulaire émaillé est de préférence inférieur à un demi-millimètre, de manière à effectuer la transmission thermique essentiellement par conduction. 25 - Lorsque le chauffe-eau électrique est en service, le taux de charge du fourreau tubulaire métallique émaillé est limité à une puissance par unité de surface inférieure à 6 watts/cm2. - Lorsque le chauffe-eau est en service, le taux de charge du fourreau tubulaire métallique émaillé présente une puissance par unité de surface de l'ordre de 30 4 watts/cm2. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente schématiquement une vue en coupe diamétrale d'un chauffe-eau électrique selon l'invention. La figure 2 représente schématiquement une vue en perspective avec arrachement partiel d'un ensemble chauffant comportant un élément chauffant selon l'invention. La figure 3 représente schématiquement une vue en perspective d'un élément chauffant selon l'invention, pour une alimentation triphasée. La figure 4 représente schématiquement une vue en perspective d'un élément chauffant selon l'invention, pour alimentation monophasée. En référence aux figures 1 à 4, les éléments identiques ou fonctionnellement équivalents sont repérés par des chiffres de référence identiques. Sur la figure 1, un chauffe-eau électrique selon l'invention est désigné dans son ensemble par (1). Le chauffe-eau électrique selon l'invention comporte une cuve (2) émaillée intérieurement, dans laquelle pénètre un tube (3) émaillé extérieurement formant un doigt de gant étanche permettant l'insertion d'un élément chauffant (4) relié à une alimentation électrique de puissance par l'intermédiaire de plusieurs fils conducteurs (6, 7, 8). L'élément chauffant (4) est un élément de forme générale tubulaire présentant une conformation en cartouche. Cette conformation en cartouche présente un tube extérieur généralement métallique, qui contient des fils conducteurs résistifs avec interposition d'un matériau isolant du genre magnésie. Lorsque l'alimentation de puissance électrique (5) est activée, les conducteurs résistifs insérés dans la magnésie de l'élément chauffant produisent de la chaleur par effet Joule et transmettent cette chaleur par conduction à travers le fourreau tubulaire (3). Les cartouches chauffantes utilisées dans les moules d'injection plastique ne peuvent pas être utilisées dans cette application, en raison de leur puissance surfacique importante et de leur diamètre faible : cette utilisation conduirait à engendrer des points chauds sur le fourreau métallique émaillé (3), avec risque d'éclatement de l'émail et risque d'amorce de corrosion du fourreau émaillé. Un élément chauffant selon l'invention présente un diamètre extérieur compris entre 15 mm et 40 mm, de manière à limiter la puissance émise par unité de surface, et de manière à éviter la formation de points chauds sur le fourreau (2) et de manière à éviter les amorces de corrosion pouvant en résulter. Sur la figure 2, un ensemble chauffant destiné à être monté sur une cuve (2) de chauffe-eau électrique comporte un fourreau (3) en métal émaillé, une bride (9) formant couvercle et un doigt de gant (10) prévu pour l'insertion d'une sonde de température et d'un thermostat de sécurité fournissant des signaux électriques à la commande de l'alimentation électrique (5) du chauffe-eau électrique. Sur la figure 3, une cartouche chauffante désignée dans son ensemble par (4) comporte une enveloppe métallique extérieure (11). L'enveloppe métallique extérieure (11) est de préférence réalisée en acier inoxydable, pour limiter le risque de corrosion. Le tube métallique (11) contient de la magnésie (12) tassée autour de fils résistifs conducteurs (13, 14, 15) reliés entre eux à un point neutre. L'élément chauffant (4) comporte une partie proximale froide (4a) et une partie distale chaude (4b) destinée à transmettre la chaleur par conduction à l'intérieur d'un fourreau émaillé non représenté. Pour assurer un bon transfert thermique par conduction entre le diamètre intérieur d'un fourreau émaillé et le diamètre extérieur d'un élément chauffant selon l'invention, on prévoit un jeu diamétral inférieur à un demi-millimètre à température ambiante. L'élément chauffant (4) est obturé à son extrémité distale par un capuchon métallique (16) soudé au tube métallique (11). Les fils conducteurs résistifs (13, 14, 15) sortent de la partie proximale à travers un bouchonnage (17) réalisé de préférence à l'aide de silicone. Les fils résistifs (13, 14, 15) et un conducteur de neutre non représenté en détail sont gainés par des gaines (18) en fibre de verre isolée (18). Les gaines (18) en fibre de verre isolée sont elles-mêmes protégées par une gaine commune (19). De manière connue, le remplissage d'oxyde de magnésium ou magnésie et la compression autour des fils électriques résistifs (13, 14, 15) permet de maintenir l'ensemble des fils électriques résistifs (13, 14, 15) dans la position désirée au sein du tube (11). L'obturation du tube métallique (11) par un bouchon métallique (16) soudé et par un coulage de silicone (17) empêche l'humidité de pénétrer à l'intérieur du tube. Le bouchon métallique (16) soudé peut être remplacé, sans sortir du cadre de la présente invention, par un bouchon en résine ou autre matière, fixé à demeure par soudure, collage ou tout autre moyen mécanique ou chimique. En prévoyant un diamètre extérieur d'élément chauffant supérieur à 15mm, le taux de charge ou puissance émis par unité de surface est notablement réduit par rapport au taux de charge des cartouches chauffantes utilisées dans les moules d'injection plastique. En prévoyant en outre une épaisseur augmentée du fourreau émaillé, de préférence supérieure à 2 mm de métal, la répartition de la température est uniformisée et la charge thermique au revêtement émaillé est améliorée en évitant ainsi les points chauds et les amorces de corrosion pouvant en résulter. Sur la figure 4, un autre élément chauffant selon l'invention comporte un tube métallique extérieur (21), un remplissage de magnésie (22) et deux éléments métalliques conducteurs (23, 24) reliés entre eux à l'extrémité (25) pour former l'âme électrique résistive chauffante de l'élément chauffant (4). L'élément chauffant (4) comporte une partie proximale froide (4a) et une partie distale chaude (4b) destinée à transmettre la chaleur par conduction à l'intérieur d'un fourreau émaillé non représenté. Les bouchons (26a, 27a) peuvent être constitués par un moyen de bouchonnage choisi dans le groupe comportant : une colle, une résine, un silicone ou une association de plusieurs de ces éléments. La fixation et le maintien d'une cartouche ou élément chauffant (4) dans le fourreau émaillé peut être effectué par tout moyen mécanique connu, de manière analogue à celle décrite dans le document EP 1 619 932 B 1. Dans le cas d'un élément chauffant du type monophasé représenté à la figure 4, le diamètre extérieur du tube (21) peut être compris entre 15 et 40 mm de diamètre sans sortir du cadre de la présente invention. Grâce à l'invention, il n'est pas nécessaire de vidanger complètement la cuve du chauffe-eau pour effectuer un remplacement d'élément chauffant. En outre, la prévision d'une extrémité froide importante de longueur supérieure au diamètre de la cartouche chauffante permet d'éviter les pertes thermiques par le bas et le rayonnement vers l'environnement, susceptibles d'engendrer des détériorations de matériel ou des risques de brûlure pour le personnel. L'invention décrite en référence à plusieurs modes de réalisation particuliers ne leur est nullement limitée, mais couvre au contraire toute modification de forme et toute variante de réalisation dans le cadre des revendications annexées. REVENDICATIONS1. Élément chauffant (4) destiné à être monté dans un fourreau (3) tubulaire métallique de chauffe-eau (1) électrique, caractérisé par le fait que l'élément chauffant (4) présente une conformation en cartouche, ladite conformation en cartouche présentant un tube (11) extérieur généralement métallique contenant des fils conducteurs résistifs avec interposition d'un matériau isolant (12) du genre magnésie. 2. Élément chauffant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément chauffant (4) présente un diamètre extérieur compris entre 15 et 40 mm, de manière à limiter la puissance émise par unité de surface. 3. Élément chauffant selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que l'élément chauffant (4) est obturé à son extrémité distale par soudure d'un bouchon métallique (16) au tube extérieur (11) métallique et à son extrémité froide (4a) proximale par application d'un moyen de bouchonnage (17, 26a, 27). 4. Élément chauffant selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que l'élément chauffant (4) est obturé à son extrémité distale (26) par application d'un premier moyen de bouchonnage et à son extrémité froide proximale (27) par application d'un deuxième moyen de bouchonnage. 5. Élément chauffant selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé par le fait que le moyen de bouchonnage est choisi dans le groupe comportant : une colle, une résine, un silicone ou une association de plusieurs de ces éléments. 6. Chauffe-eau (1) électrique comportant une cuve (2) présentant un fourreau (3) tubulaire métallique émaillé extérieurement et un élément chauffant (4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 monté dans ledit fourreau (3), caractérisé par le fait que le fourreau (3) tubulaire métallique émaillé présente une épaisseur supérieure ou égale à 1.5 mm, de manière à limiter la charge thermique au revêtement émaillé et à éviter ainsi les points chauds et les amorces de corrosion pouvant en résulter. 7. Chauffe-eau selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le jeu diamétral entre le diamètre extérieur de l'élément chauffant (4) et le diamètre intérieur du fourreau tubulaire émaillé (3) est inférieur à un demi-millimètre à températureambiante, de manière à effectuer la transmission thermique essentiellement par conduction. 8. Chauffe-eau selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé par le fait que, en service, le taux de charge du fourreau (3) tubulaire métallique émaillé est limité à une puissance par unité de surface inférieure à 6 watts/cm2. 9. Chauffe-eau selon la revendication 8, caractérisé par le fait que, en service, le taux de charge du fourreau (3) tubulaire métallique émaillé présente une puissance par unité de surface de l'ordre de 4 watts/cm2.