Brevet FR3147477A1 — publié le 20241004

D ispositif de chauffe par induction présentant une répartition de chauffe homogène La présente invention a pour objet un dispositif de chauffe par induction (1) présentant une répartition de chauffe homogène et comprenant au moins un inducteur (2) défini par au moins une résistance (5), un objet à chauffer (4) et un générateur de puissance électrique (10) connecté aux bornes de l'inducteur (2), remarquable en ce que, lorsque la valeur f de la fréquence de fonctionnement du générateur de puissance électrique (10) est égale à la valeur fo de la fréquence de résonnance du dispositif de chauffe par induction (1), la valeur R5 de la résistance (5) de l'inducteur (2) est supérieure ou égale à 0,5 ohms et le facteur de qualité Q de l'inducteur (2) est inférieur ou égal à 10. [Fig 2] DISPOSITIF DE CHAUFFE PAR INDUCTION PRESENTANT UNE REPARTITION DE CHAUFFE HOMOGENE Domaine technique de l'invention La présente invention concerne le domaine général de la chauffe d'une pièce électriquement conductrice. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de chauffe par induction présentant une répartition de chauffe homogène. Etat de la technique Dans le domaine général de la chauffe de pièce électriquement conductrice, il est connu d'utiliser la technique de la chauffe par induction utilisant les courants de Foucault induits dans ladite pièce à chauffer par un champ magnétique à haute fréquence. Par cela, on utilise classiquement un inducteur du type solénoïde, communément appelée bobine, parcouru par un courant électrique afin de créer un champ magnétique dans lequel est disposée la pièce à chauffer, ladite bobine étant par exemple une bobine plate en forme de spirale dans le cas d'un dispositif de chauffe d'ustensiles de cuisine adaptés du type casseroles ou poêles pourvues au moins de fond ferromagnétique. La chauffe par induction avec ce type de bobine plate en forme de spirale permet une chauffe rapide mais présente l'inconvénient de ne pas garantir une chauffe homogène de l'objet à chauffer. En effet, l'élévation de température produite par les courants de Foucault circulant dans le fond de l'objet à chauffer est uniquement centralisée dans une zone globalement circulaire dont le rayon est égal à environ la moitié du rayon de la bobine plate en forme de spirale car c’est dans cette zone que le champ magnétique produit par le courant alternatif traversant ladite bobine plate en forme de spirale est le plus élevé. Cette surchauffe localisée peut même engendrer une déformation du fond de l'objet à chauffer à chauffer. Pour pallier cet inconvénient, il est connu d'utiliser des ustensiles de cuisine fabriqués à partir d'un matériau avec de très bonnes conduction et inertie thermiques et de forte épaisseur pour repartir au mieux la chaleur tel que, par exemple, un acier ferromagnétique laminé avec à l’intérieur une plaque en aluminium pour repartir au mieux la chaleur. Il est également connu d'utiliser plusieurs petites bobines plates en forme de spirale sur l’ensemble de la surface de chauffe pour repartir la chaleur de manière plus ou moins homogène. Ces solutions décrites précédemment sont certes efficaces mais présente l'inconvénient majeur d'être particulièrement onéreuses. Le but de la présente invention est donc de pallier les inconvénients précédemment cités et de proposer une alternative aux dispositifs de chauffe par induction connus permettant une chauffe rapide et une répartition homogène de la température, afin d'éviter toute déformation des objets à chauffer, ladite alternative étant facile et économique à fabriquer et à mettre en œuvre. Conformément à l’invention, il est donc proposé un dispositif de chauffe par induction présentant une répartition de chauffe homogène et comprenant au moins un inducteur défini par au moins une résistance, un objet à chauffer et un générateur de puissance électrique connecté aux bornes de l'inducteur, caractérisé en ce que, lorsque la valeur f de la fréquence de fonctionnement du générateur de puissance électrique est égale à la valeur fo de la fréquence de résonnance du dispositif de chauffe par induction, la valeur R5 de la résistance de l'inducteur est supérieure ou égale à 0,5 ohms et le facteur de qualité Q de l'inducteur est inférieur ou égal à 10.Selon un premier mode de réalisation, l'inducteur est réalisé à partir d’une tôle métallique en forme de spirale à plat d’épaisseur de l'ordre d'un millimètre, la fonction isolation électrique de la spirale étant réalisée par une feuille de matériau électriquement isolant. Ladite forme en spirale à plat dudit inducteur est avantageusement obtenue par découpage, poinçonnage ou encore emboutissage. Selon un deuxième mode de réalisation, l'inducteur est obtenu en déposant une fine couche de métal électriquement conducteur selon une forme de spirale sur un substrat isolant supportant des températures élevées choisi dans le groupe suivant : du mica, du polymère à base d'imide, de la céramique, ou encore de la silicone. Ladite fine couche de métal est de préférence déposée par sérigraphie. Selon un troisième mode de réalisation, l'inducteur est réalisé sur un circuit imprimé avec une couche d'aluminium haute température en forme de spirale. Selon un quatrième mode de réalisation, l'inducteur est en forme de bobinage d’un fil ou feuillard en métal électriquement conducteur associé avec un isolant électrique adapté. Selon un dernier mode de réalisation, l'inducteur est obtenu à partir d'un tube en métal électriquement conducteur tel que, par exemple, de l'acier, cintré en forme de spirale. Brève description des figures D’autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre d’un mode d’exécution de l’invention, en référence aux figures annexées sur lesquelles : est une vue schématique montrant un dispositif de chauffe par induction selon l'invention, est une vue du schéma électrique équivalent du dispositif de chauffe par induction de la , est une vue schématique montrant un dispositif de chauffe par induction selon l'invention. Sur la , on a représenté un dispositif de chauffe par induction 1, avantageusement à usage domestique, présentant une répartition de chauffe homogène et comprenant un inducteur 2 à haute fréquence en forme de spirale disposé sous une table de cuisson 3 classiquement en céramique, par exemple, sur laquelle est posé un objet à chauffer 4 du type ustensile de cuisine. Ledit inducteur 2 est parcouru par un courant électrique alternatif provenant d'un générateur de puissance électrique à haute fréquence, par exemple du type onduleur, non représenté sur la , afin de créer un champ magnétique dans lequel est disposé l'ustensile de cuisine 4, ce qui a pour effet une élévation de température produite par les courants de Foucault circulant dans le fond de l'ustensile de cuisine 4. Il va de soi que le dispositif de chauffe par induction 1 pourra être d'un autre type tel que, par exemple, une plancha, sans sortir du cadre de la présente invention. Dans ce cas, ledit dispositif de chauffe par induction 1 ne comprendra que l'inducteur 2 et l'objet à chauffer 4 qui sera alors une plaque métallique de cuisson sur laquelle un utilisateur pourra directement faire cuire des aliments. Il est connu de modéliser le dispositif de chauffe par induction 1 par un schéma électrique équivalent, tel que celui représenté à la , dans lequel : - la table de cuisson 3 est considérée comme une charge résistive inductive et le couplage magnétique inducteur 2 - table de cuisson 3 est modélisé par un transformateur T idéal, c'est-à-dire un transformateur exempt d’hystérésis et de perte de courant de Foucault et, par conséquent, ayant une efficacité de 100%, - une résistance 5 et une inductance 6 de l'inducteur 2 modélisent les pertes ohmiques dudit inducteur 2 et le flux magnétique de fuite, - un condensateur 7 modélise le fait que le dispositif de chauffe par induction 1 est un système électrique résonnant dont le meilleur rendement énergétique est obtenu lorsque l’on excite ledit système à sa fréquence de résonnance, - une résistance 8 et une inductance 9 de l'objet à chauffer 4 modélisent les pertes ohmiques et d'hystérésis, et le flux de fuite dû aux courants de Foucault, - un générateur de puissance électrique 10 est modélisé par une source de tension et représente une alimentation électrique connectée aux bornes de l'inducteur 2. Le générateur de puissance électrique 10 comporte également, de manière classique, un convertisseur électrique, non représenté, avantageusement du type demi-pont, bien connu de l'Homme du Métier. On comprend bien que le dispositif de chauffe par induction 1 peut alors être modélisé par un schéma électrique équivalent minimal, tel que celui représenté à la , dans lequel : - une résistance équivalente 11 correspond au regroupement desdites résistances 5, 8 respectives de l'inducteur 2 et de l'objet à chauffer 4, - une inductance équivalente 12 correspond à l'ensemble desdites inductances 6, 9 respectives de l'inducteur 2 et de l'objet à chauffer 4, - le condensateur 7 est le même que celui décrit précédemment, - la source de tension 10 est la même que celle décrite précédemment. Ledit schéma électrique équivalent minimal de la , correspond à celui d'un circuit RLC en série, est, de manière connue, tel que la valeur Z de son impédance complexe est donnée par la formule suivante : Z = Req + j x [Leq × 2 × π × f – 1 / (C × 2 × π × f)] dans laquelle ; - Leq est la valeur en Henry de ladite inductance équivalente 12, Leq correspondant à la somme des valeurs L6, L9 en Henry des inductances 6, 9 respectives de l'inducteur 2 et de l'objet à chauffer 4, - f est la valeur en hertz de la fréquence de fonctionnement du générateur de puissance électrique 10 du dispositif de chauffe par induction 1, - C est la valeur en farads de la capacité du condensateur 7, et - Req est la valeur en ohms de ladite résistance équivalente 11, Req correspondant à la somme des valeurs R5, R8 en ohms des résistances 5, 8 respectives de l'inducteur 2 et de l'objet à chauffer 4. Par ailleurs, pour ce type de schéma électrique, il est connu que lorsque la valeur f de la fréquence de fonctionnement du générateur de puissance électrique 10 est égale à la valeur fo de la fréquence de résonnance du dispositif de chauffe par induction 1, le courant dans le circuit est maximal et la valeur Z de son impédance complexe est égale à Req. Par conséquent, lorsque la valeur f de la fréquence de fonctionnement du générateur de puissance électrique 10 est égale à la valeur fo de la fréquence de résonnance du dispositif de chauffe par induction 1, ce dernier se comporte comme une résistance et le courant traversant ledit dispositif de chauffe par induction 1 génère une élévation de température par effet Joule de l'inducteur 2 et de l'objet à chauffer 4. En outre, il est connu de caractérisé la qualité d'un inducteur par le facteur de qualité Q, qui est un paramètre sans dimension qui décrit le rapport entre l'impédance du circuit et les pertes dans le circuit et est déterminé par la formule suivante : Q = (L × 2 × π × f) / R, dans laquelle L est la valeur en Henry de l'inductance de l'inducteur concerné, R est la valeur en ohms de la résistance dudit inducteur, et f est, comme décrit précédemment, la valeur en hertz de la fréquence de fonctionnement du générateur de puissance électrique 10. Dans la présente invention, le facteur de qualité Q de l'inducteur 2 est déterminé par la formule suivante : Q = (L6 × 2 × π × f) / R5, dans laquelle L6 est la valeur en Henry de l'inductance 6 de l'inducteur 2, R5 est la valeur en ohms de la résistance 5 dudit inducteur 2, et f est, comme décrit précédemment, la valeur en hertz de la fréquence de fonctionnement du générateur de puissance électrique 10. Par ailleurs, comme décrit précédemment, il est connu que si la valeur f de la fréquence de fonctionnement du générateur de puissance électrique 10 est égale à la valeur fo de la fréquence de résonnance du dispositif de chauffe par induction 1, alors le facteur de qualité Q de ce dernier est maximal. De même, il est connu que dans un schéma électrique équivalent minimal du type RLC en série, la valeur fo de la fréquence de résonnance dépend des caractéristiques dudit schéma électrique équivalent minimal et est déterminée par la formule suivante : fo = 1 / (2 × π × √(Leq × C)), dans laquelle Leq est la valeur en Henry de ladite inductance équivalente 12 et C est la valeur en Farad dudit condensateur 7. Compte tenu de la formule précédente, ledit facteur de qualité Q peut alors également être déterminé par la formule suivante : Q = (1 / R5) × √(Leq / C). Par ailleurs, lors du développement du dispositif de chauffe par induction 1 selon l'invention, les concepteurs ne peuvent agir sur les valeurs R8 et L9 respectives des résistance 8 et inductance 9 de l'objet à chauffer 4, car ce dernier est interchangeable. Toutefois, ces valeurs R8 et L9 sont, de manière classique, très faibles voire négligeables par rapport aux valeurs R5 et L6 respectives des résistance 5 et inductance 6 de l'inducteur 2, de sorte que seules les variations de la valeur L6 est significative dans les variations de la valeur Leq. En outre, dans les dispositifs de chauffe par induction de l'Etat de la Technique, on recherche à ce que, d'une part, la valeur de la fréquence de fonctionnement du courant alternatif utilisé soit sensiblement égale à la valeur de la fréquence de résonnance du dispositif de chauffe par induction 1 et, d'autre part, le facteur de qualité Q de l'inducteur de ce dernier soit le plus élevé possible (de l'ordre de plusieurs centaines), afin de favoriser l'aspect inductif lors de la chauffe de l'objet à chauffer. Compte tenu de la formule Q = (1 / R5) × √(L6 / C), on comprend bien que pour obtenir un facteur de qualité Q le plus élevé possible dans les dispositifs de chauffe par induction de l'Etat de la Technique, il faut la valeur de la résistance de l'inducteur doit être la plus faible possible. Cette caractéristique permet en outre d'éviter que l'inducteur surchauffe car c’est une perte de puissance et qui finit par dégrader l’inducteur qui utilise classiquement des matériaux résistants à une température maximale de l'ordre de 220°C. Concernant le dispositif de chauffe par induction 1 selon l'invention, ce dernier est également configuré pour la valeur f de la fréquence de fonctionnement du courant alternatif utilisé soit sensiblement égale à la valeur fo de sa fréquence de résonnance. Toutefois, contrairement aux dispositifs de chauffe par induction de l'Etat de la Technique, le dispositif de chauffe par induction 1 selon l'invention est configuré pour son facteur de qualité Q de son inducteur 2 soit le plus faible possible, de l'ordre de quelques unités, c'est-à-dire inférieur ou égal à 10. Pour cela, compte tenu de ce qui précède, l'inducteur 2 du dispositif de chauffe par induction 1 est tel notamment que la valeur R5 de sa résistance 5 doit être élevée. Cette caractéristique a alors pour conséquence que le courant électrique traversant ladite résistance 5 de l'inducteur 2 génère une élévation de température de l'inducteur 2 par effet Joule. Cette propriété est alors utilisée pour homogénéiser la chauffe de l'ustensile de cuisson 4. En effet, en plus la chauffe par induction, le dispositif de chauffe par induction 1 utilise l’échauffement de l'inducteur 2. Par ailleurs, il est connu que la résistance d'un matériau va augmenter en fonction de la température, ce qui aura pour conséquence d'améliorer encore la répartition homogène de la chauffe du dispositif de chauffe par induction 1 selon l'invention. On comprend bien que, pour obtenir un facteur de qualité Q de l'inducteur 2 élevé, la méthode la plus facile est la variation de la valeur R5 de sa résistance 5. Selon de nombreux essais, il apparaît que, pour une fréquence de fonctionnement du générateur de tension 10 ayant une valeur f comprise de manière classique entre 20 kHz et 100 kHz, une valeur R5 de la résistance 5 de l'inducteur 2 supérieure ou égale à 0,5 ohms permet au dispositif de chauffe par induction 1 de chauffer l'objet à chauffer 4 de façon homogène en utilisant non seulement la chauffe par induction mais également l’échauffement de l'inducteur 2. Pour rappel, les extrémités minimales et maximale de la gamme de valeur f de la fréquence de fonctionnement du générateur de tension 10 correspondent respectivement à une valeur de fréquence générant des nuisances sonores pour l'utilisateur et à une valeur de fréquence au-delà de laquelle les composants électroniques, par exemple du type transistor bipolaire à grille isolée (IGBT, de l'anglais Insulated Gate Bipolar Transistor), subissent des dommages irréversibles. Pour cela, il suffit par exemple de jouer sur la section du conducteur de l'inducteur 2, ou sur le type du matériau utilisé. En effet, le cuivre, traditionnellement utilisé pour réaliser l'inducteur des dispositifs de chauffe par induction de l'Etat de la Technique, a une résistance électrique de l'ordre de 17 µohms par kilomètre, ce qui est très faible et convient à l'obtention d'un facteur Q élevé. Ainsi, pour l'inducteur 2 du dispositif de chauffe par induction 1 selon l'invention, on privilégiera un matériau plus résistif tel que, par exemple, du fer qui a une résistance électrique de l'ordre de 100 µOhms par kilomètre. Dans ce qui suit, plusieurs modes de réalisation de l'inducteur 2 du dispositif de chauffe par induction 1 selon l'invention vont être décrits. Ainsi, selon un premier mode de réalisation, l'inducteur 2 est réalisé à partir d’une tôle métallique d’épaisseur de l'ordre d'un millimètre (c'est-à-dire comprise entre 0 et 5 millimètres), la forme en spirale à plat dudit inducteur 2 étant obtenue par découpage, poinçonnage ou encore emboutissage. La fonction isolation électrique de la spirale est avantageusement réalisée par une feuille de matériau électriquement isolant du type mica, par exemple. Selon un second mode de réalisation, l'inducteur 2 est obtenu en déposant, par sérigraphie par exemple, une fine couche de métal électriquement conducteur selon une forme de spirale sur un substrat isolant supportant des températures élevées (supérieures à 300°C) comme, par exemple, du mica, du polymère à base d'imide, de la céramique, ou encore de la silicone. Selon un troisième mode de réalisation, l'inducteur 2 est réalisé sur un circuit imprimé avec une couche d'aluminium haute température (supérieures à 300°C) en forme de spirale. Selon un quatrième mode de réalisation, l'inducteur 2 est en forme de bobinage d’un fil ou feuillard en métal électriquement conducteur tel que, par exemple, de l'aluminium anodisé. Selon un dernier mode de réalisation, l'inducteur 2 est obtenu à partir d'un tube en métal électriquement conducteur tel que, par exemple, de l'acier, cintré en forme de spirale. On comprend bien que tous les modes de réalisation précédemment décrits sont particulièrement faciles et peu onéreux à mettre en œuvre. L'homme du Métier saura, quel que soit le mode de réalisation de l'inducteur 2 du dispositif de chauffe par induction 1 selon l'invention, choisir la forme, les dimensions et le type de matériau à mettre en œuvre pour que la valeur R5 de la résistance 5 de l'inducteur 2 soit suffisante pour obtenir, lorsque la valeur f de la fréquence de fonctionnement du générateur de puissance électrique 10 est égale à la valeur fo de la fréquence de résonnance du dispositif de chauffe par induction 1, un facteur de qualité Q faible, c'est-à-dire inférieur ou égal à 10. Par conséquent, on comprend bien que le dispositif de chauffe par induction 1 selon l'invention va à l'encontre des enseignements des dispositifs de chauffe par induction de l'Etat de la Technique, en étant configuré de sorte à, d'une part, avoir un facteur de qualité faible et, d'autre part, garantir une chauffe homogène en utilisant l'élévation de température de l'inducteur 2 par effet Joule. Le dispositif de chauffe par induction 1 conforme à l'invention trouve une application particulière dans un usage domestique. Toutefois, il est évident que le dispositif de chauffe par induction 1 peut être adapté, pour avoir par exemple un inducteur 2 en une forme de cylindre, afin d'être utilisé pour un usage industriel. Enfin, il va de soi que les exemples de dispositif de chauffe par induction 1 conformes à l'invention qui viennent d'être décrits ne sont que des illustrations particulières, en aucun cas limitatives de l'invention. Dispositif de chauffe par induction (1) présentant une répartition de chauffe homogène et comprenant au moins un inducteur (2) défini par au moins une résistance (5), un objet à chauffer (4) et un générateur de puissance électrique (10) connecté aux bornes de l'inducteur (2), caractérisé en ce que, lorsque la valeur f de la fréquence de fonctionnement du générateur de puissance électrique (10) est égale à la valeur fo de la fréquence de résonnance du dispositif de chauffe par induction (1), la valeur R5 de la résistance (5) de l'inducteur (2) est supérieure ou égale à 0,5 ohms et le facteur de qualité Q de l'inducteur (2) est inférieur ou égal à 10. Dispositif de chauffe par induction (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'inducteur (2) est réalisé à partir d’une tôle métallique en forme de spirale à plat d’épaisseur de l'ordre d'un millimètre, la fonction isolation électrique de la spirale étant réalisée par une feuille de matériau électriquement isolant. Dispositif de chauffe par induction (1) selon la revendication 2 caractérisé en ce que la forme en spirale à plat dudit inducteur 2 est obtenue par découpage, poinçonnage ou encore emboutissage. Dispositif de chauffe par induction (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'inducteur (2) est obtenu en déposant une fine couche de métal électriquement conducteur selon une forme de spirale sur un substrat isolant supportant des températures élevées choisi dans le groupe suivant : du mica, du polymère à base d'imide, de la céramique, ou encore de la silicone. Dispositif de chauffe par induction (1) selon la revendication 4 caractérisé en ce que la fine couche de métal est déposée par sérigraphie. Dispositif de chauffe par induction (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'inducteur (2) est réalisé sur un circuit imprimé avec une couche d'aluminium haute température en forme de spirale. Dispositif de chauffe par induction (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'inducteur (2) est en forme de bobinage d’un fil ou feuillard en métal électriquement conducteur associé avec un isolant électrique adapté. Dispositif de chauffe par induction (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'inducteur (2) est obtenu à partir d'un tube en métal électriquement conducteur tel que, par exemple, de l'acier, cintré en forme de spirale.