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EP0926925A1 - Panneau radiant à élément chauffant en fibres de carbone et son procédé de fabrication - Google Patents

Panneau radiant à élément chauffant en fibres de carbone et son procédé de fabrication Download PDF

Info

Publication number
EP0926925A1
EP0926925A1 EP98403278A EP98403278A EP0926925A1 EP 0926925 A1 EP0926925 A1 EP 0926925A1 EP 98403278 A EP98403278 A EP 98403278A EP 98403278 A EP98403278 A EP 98403278A EP 0926925 A1 EP0926925 A1 EP 0926925A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resistive element
panel
fabric
panel according
face
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98403278A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe M. Parmentier
Charles P.M. Manin
Vincent J. Delecroix
Vincent Jacob
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Landing Systems SAS
Original Assignee
Messier Bugatti SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Messier Bugatti SA filed Critical Messier Bugatti SA
Publication of EP0926925A1 publication Critical patent/EP0926925A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/145—Carbon only, e.g. carbon black, graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H05B3/28—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor embedded in insulating material
    • H05B3/286—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor embedded in insulating material the insulating material being an organic material, e.g. plastic

Definitions

  • the present invention relates to an electric heating panel comprising a resistive heating element made of carbon fibers.
  • a more particularly targeted field of application is that of room heating panels for domestic, industrial or tertiary use (communities, hospitals, ).
  • the resistive element may be formed from a sheet of short fibers obtained by papermaking, a tablecloth or unidirectional ribbon made of fibers carbon, or a fabric comprising chain carbon fibers and fibers insulating weft.
  • the use of such resistive elements is advantageous in the case where the heating device must conform to the shape of the parts to be heated, for example molds or wing structures to be defrosted. It was also proposed in document DE-A-42 21,455 to use a heating element in the form of a carbon fabric.
  • the resistive element made of carbon fibers, provided with connection electrodes, is generally placed between two layers of insulating material, for example in glass fibers, the assembly being embedded in a plastic material such as polymerized thermosetting resin.
  • an object of the present invention is to exploit the possibility use carbon fiber heating elements to make thin radiant heating panels, therefore thin size.
  • Another object of the present invention is to provide a panel for heater with which the heater is produced with a radiation rate important for a relatively low surface temperature, comparison with known radiant panels.
  • Yet another object of the invention is therefore to provide a panel for heating in which the heating element consists of a fiber texture of carbon having a relatively high resistivity so that it is not necessary to give it a special geometry aimed at increasing the electrical resistance.
  • an electric heating panel comprising a shaped resistive element essentially two-dimensional carbon fiber, connected electrodes electrically to the electrical element, and at least one layer of material electrically insulating located on each side of the resistive element, the layers of insulating material, the resistive element and the electrodes being embedded in a plastic material, panel in which the resistive element consists of a layer of carbon fiber fabric with a cellulose precursor, the rate of carbon in the fibers being between 92% and 96% and the emissivity of the fabric being greater than 0.7.
  • Another characteristic of the panel according to the invention is due to the presence of carbon fibers with a cellulose precursor which make it possible to have sufficient electrical resistance with a high carbon content, then than with other carbon precursors, in particular with polyacrylonitrile (PAN), sufficient electrical resistance can only be obtained in the event of much lower carbonization, as indicated in document US-A-4,816,242.
  • PAN polyacrylonitrile
  • the panel according to the invention has a radiation rate higher than 10% for a surface temperature of 80 ° C or even, preferably, greater than 25% and up to at least 30 %.
  • a radiation rate of 30% is only obtained for a surface temperature of 200 ° C or more with radiant panels of the prior art.
  • a second aspect of the invention relates to a method of manufacture of a radiant electrical panel, comprising the stages of production of a resistive element in carbon fibers of essentially shaped two-dimensional, installation of connection electrodes in contact with the resistive element, arrangement of at least one layer of material electrically insulating on each side of the resistive element, impregnation of the resistive element provided with electrodes and layers of electrically insulating material by a thermosetting resin, and polymerization of the resin, a process in which the realization of the resistive element includes the provision of a fiber fabric cellulosics and carbonization of the fabric by heat treatment carried out, in final, at a maximum temperature between 700 ° C and 1000 ° C, so that the carbon content in the fibers is between 92% and 96%.
  • features of the invention arise from the use of a cellulosic precursor and carrying out a heat treatment allowing to produce a carbon fiber fabric having electrical resistance sufficient and very good emissivity. It is then possible to carry out thin and efficient radiant panels.
  • the cellulosic precursor is a rayon and the heat treatment is carried out at a final temperature of between 780 ° C and 820 ° C for a period of between 0.7 min and 1.3 min.
  • the layers of insulating material can be formed by textures, for example glass fiber fabrics.
  • the plastic coating the resistive element, the electrodes and the insulating layers is a polymerized thermosetting resin, advantageously added with a black dye in order to optimize the appearance and the emissivity of the panel, therefore its radiative character.
  • the electrodes are advantageously constituted by strips metallic bonded to the fabric, for example copper strips, perforated, the perforations allowing the passage of the resin for a better bond between the electrodes and the carbon tissue.
  • the electrodes can also be formed by local deposition of a conductive resin on the fabric, or by dipping the ends of the fabric in molten copper.
  • the heating element 10 consists of a layer, or fold, rectangular carbon fiber fabric. It is provided, along each little side, an electrode 12 connected to a supply conductor 14.
  • the face of the heating element 10 is coated with a layer of material electrically insulating, in this case one or two plies 20a, 20b of fiber fabric of glass. More than two plies of electrically insulating material could be planned, but without penalizing the transfer to the front of the panel of calories produced by the heating element.
  • the face of the heating element is coated with a material electrically and thermally insulating, formed by one, or preferably several layers 22a, ..., 22d for example of glass fiber fabric.
  • a reflective layer 24, such as a metallic foil, for aluminum example can optionally be inserted between two layers rear insulators to reflect the heat flow of the heating element. It is also possible to add a layer to the back of the heating element of honeycomb material in order to limit the temperature on the rear face.
  • the carbon fibers in the heating element come from a carbon precursor, after carbonization.
  • the precursor is of the cellulosic type and the carbonization is not absolutely complete, the carbon content in the fibers, after carbonization, being between 92% and 96%, therefore relatively high.
  • carbon fibers here refer to fibers in which the rate of carbon is not necessarily equal to 100%.
  • Carbonization is produced by heat treatment carried out, in final, at a maximum temperature between 700 ° C and 1000 ° C. Under 700 ° C, carbonization is insufficient, the fibers retain a character essentially insulating, while above 1000 ° C, the carbon content is so high that the electrical resistance becomes insufficient.
  • the precursor is a rayon.
  • the final temperature heat treatment is then preferably between 780 ° C and 820 ° C approximately and the maintenance of the fabric at this temperature is carried out for a period preferably between 0.7 min and 1.3 min.
  • the heat treatment may advantageously include a pre-carbonization phase at a temperature between 350 ° C and 420 ° C approximately, for a longer period long.
  • the electrodes 12 are advantageously constituted by strips conductive metal, for example copper, provided with perforations 12a. They can be fixed to the fabric 10 by gluing using an adhesive able to withstand the temperatures encountered during assembly of the sign. Such an adhesive is for example formed by a strip of glass fabric sticker applied to the electrodes and to the fabric 10.
  • each electrode can be formed by a local deposit, on the fabric, a layer of conductive resin, for example epoxy resin loaded with carbon powder.
  • a layer of conductive resin for example epoxy resin loaded with carbon powder.
  • Another possibility is to train electrodes by immersing each end of the fabric 10 in copper in fusion.
  • the assembly of the panel can be carried out by vacuum molding ( Figure 2) after impregnation with a composition comprising a resin thermosetting.
  • the fiberglass and carbon fiber fabric layers are impregnated separately, preferably. It is possible to use layers of glass fiber fabric prepreg.
  • the impregnating composition in addition to the resin, can comprise a hardener, a hardening accelerator and a black coloring agent.
  • the agent dye is intended at least for the impregnation of the front insulating layer and the heating element, in order to optimize the emissivity of the panel.
  • the resin can be an epoxy resin.
  • the black dye, not electrically conductive, is by example of carbon black diluted to 2% by weight in an epoxy resin itself mixed with 3% by weight maximum in the impregnation composition basic.
  • Insulating layers and carbon fabric with electrodes connected to the supply wires are placed between a mold 30 and a waterproof film 32.
  • the space between the mold 30 and the film 32 is closed at its periphery by a seal seal 34, for example a sealant, is connected to a vacuum source by a pipeline 36.
  • the components of the panel can be overcome by a drainage layer 40 having the function of collecting the excess of impregnation composition.
  • the layer 40 is for example a felt of polyester. Between the felt 40 and the panel can be disposed a separating film perforated 42.
  • the latter for example made of polyamide, makes it possible to limit drainage of the composition for impregnation with the felt 40 and facilitates the separation panel.
  • the mold 30 is constituted by a metal plate, by example a stainless steel plate whose surface is coated with an agent release agent, for example the product sold under the name "MOLD WIZ F57 NC "by the company of the United States of America Axel.
  • the panel After demolding and trimming, the panel is fitted with a plug electric and can be directly used.
  • the front of the panel can be with a decorative motif and the panel can be framed. He can too present a particular color or mixture of colors and be highlighted shape on demand, for example with curvatures.
  • the insulating layer 20 at the front of the panel can be in the form of a glass plate for example vitroceramic.
  • the front face can be frosted, for example by shot blasting, in order to create a relief increasing the radiating surface.
  • a radiant panel can be obtained relatively simply and quickly, with a limited total thickness, less than 4 mm, or even typically less than 2 mm.
  • Such a panel possibly after decoration, can be easily integrated into a room residential. It can also be designed as a heating panel removable or mobile.
  • Another advantage of a radiant panel is its rate of radiation relatively higher than 10%, even 25% and can even reach at least 30% with a surface temperature of 80 ° C, so relatively little high.
  • the radiation rate is the ratio between the radiated power and the power absorbed by the panel.
  • the heating element is a carbon fiber fabric obtained by carbonization of a satin rayon fabric with a surface mass equal to 270 g / m 2 .
  • the carbonization heat treatment comprises a pre-carbonization at a temperature of approximately 375 ° C followed by a final carbonization at a temperature of 790 ° C for approximately 1 min.
  • a rectangular fold of dimensions 530 x 330 mm is cut from the carbon fiber fabric, the mass of the fold being 46 g.
  • Electrodes made up of two copper strips of 1/10 e mm thickness perforated over their entire length, width equal to 10 mm and length equal to 330 mm, are placed along the two short sides of the ply of fiber fabric. carbon and bonded to the latter by an adhesive strip based on a glass cloth, having a temperature resistance up to 180 ° C. The electrodes are equipped with electrical connection wires soldered in tin on one of their ends. The measured resistance of the ply of carbon fiber fabric is 210 W.
  • a ply of twill glass fabric with dimensions equal to 700 x 500 mm and with a mass equal to 110 g is placed on the front face, while four folds of taffeta glass fabric of dimensions equal to 700 x 500 mm and of equal mass at 330 g are placed on the rear face.
  • the folds of carbon fabric and glass are impregnated with a composition comprising an epoxy resin added with a hardener, a accelerator and a black dye consisting of a mixture at 2% by weight of carbon black in an epoxy paste.
  • the perforations of the electrodes allow the passage of the impregnation composition to ensure good contact between the electrodes and the carbon tissue, even when the electrodes are not glued to the fabric.
  • the whole is polymerized under vacuum as described with reference to the figure 2.
  • the panel obtained is equipped with an electrical outlet and tested under an alternating supply voltage equal to 230 V.
  • Figure 3 shows the evolution of the temperature at the front surface of the panel during successive cycles including a power-up period 15 min, followed by a 15 min power off period. The speed of temperature rise and fall, on and off, and the reproducibility of the cycles are remarkable.
  • Figure 4 shows the evolution of the temperature on the front surface (curve A) and the ambient temperature (curve B) in the center of a 60 m 3 room on a wall of which the panel is installed, and is maintained under a voltage of 230 V.
  • the consistency of the surface temperature value (which changes in parallel with the ambient temperature) is remarkable.
  • the emissivity of the heating element of the panel i.e. the fabric carbon fiber coated with epoxy resin was measured as follows (figure 5).
  • a sample 30 of fabric coated with epoxy resin is provided electrodes and energized to obtain a surface temperature 100 ° C.
  • the heat flux produced, passing successively through a modulator 32, a diaphragm 34 and a lens 36 is focused on a detector 38 of photoelectric type which delivers a voltage proportional to the luminance of the sample material.
  • the modulator 32 is a rotary disc comprising alternately opaque and transparent areas to thermal radiation. he collects the radiative flux emitted, freeing itself from the surrounding noise.
  • the voltage delivered by the detector is 7.5 ⁇ V, whatever the face of the sample presented opposite the detector.
  • the sample 30 is replaced by a black body whose surface is brought to 100 ° C.
  • the voltage collected at the detector output is 8.0 ⁇ V.
  • the radiation level of the panel is measured by wearing the panel radiant at a surface temperature of 80 ° C in a room at 19 ° C in which the atmosphere is stable and controlled.
  • Figure 6 shows the variation of the electrical resistance measured in function of the final carbonization temperature for fabric samples dimensions 10 cm x 10 cm, the measurements being made directly on the fabric not equipped with electrode in the warp direction and in the direction respectively frame. We note that the variations in both directions, warp and weft, are practically identical.
  • Figure 7 shows the variation of the electrical resistance as a function the carbon level measured for the same samples.

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)
  • Surface Heating Bodies (AREA)

Abstract

Le panneau de chauffage comporte un élément résistif (10) de forme essentiellement bidimensionnelle en fibres de carbone, des électrodes (12) reliées à l'élément électrique et au moins une couche de matière électriquement isolante (20a, 20b 22a, 22b, 22c, 22d) située sur chaque face de l'élément résistif, les couches de matière isolante, l'élément résistif et les électrodes étant noyés dans une matière plastique. L'élément résistif est constitué par une couche de tissu en fibres de carbone à précurseur cellulosique, le faux de carbone dans les fibres étant compris entre 92 % et 96 % et l'émissitivé du tissu étant supérieure à 0,7, de préférence supérieure à 0,9. Le panneau a un taux de radiation supérieur à 10 %, de préférence supérieur à 25 %. Les fibres de carbone sont de préférence à précurseur cellulosique carbonisé par traitement thermique réalisé, en final à une température comprise entre 700°C et 1000°C, de préférence entre 780°C et 820°C. <IMAGE>

Description

Domaine de l'invention
La présente invention concerne un panneau de chauffage électrique comportant un élément résistif chauffant en fibres de carbone.
Un domaine d'application plus particulièrement visé est celui des panneaux de chauffage d'ambiance à usage domestique, industriel ou tertiaire (collectivités, hôpitaux, ...).
Arrière-plan de l'invention
Il a été proposé divers dispositifs de chauffage électrique utilisant un élément résistif de forme essentiellement bidimensionnelle en fibres de carbone.
L'élément résistif peut être formé d'une nappe de fibres courtes obtenue par voie papetière, d'une nappe ou ruban unidirectionnel en fibres de carbone, ou d'un tissu comprenant des fibres de carbone en chaíne et des fibres isolantes en trame. Il peut être fait référence notamment aux documents US-A-5 459 327, FR-A-2 263 658, FR-A-2 578 377 et FR-A-2 744 872. L'utilisation de tels éléments résistifs est avantageuse dans le cas où le dispositif de chauffage doit épouser la forme de pièces à chauffer, par exemple des moules ou des structures alaires à dégivrer. Il a aussi été proposé dans le document DE-A-42 21 455 d'utiliser un élément chauffant sous forme d'un tissu de carbone. L'élément résistif en fibres de carbone, muni d'électrodes de raccordement, est généralement placé entre deux couches de matière isolante, par exemple en fibres de verre, l'ensemble étant noyé dans une matière plastique telle qu'une résine thermodurcissable polymérisée.
Les dispositifs de chauffage connus utilisant des éléments résistifs en fibres de carbone fonctionnent généralement par conduction, voire par convection.
Or, un but de la présente invention est d'exploiter la possibilité d'utiliser des éléments chauffants en fibres de carbone pour réaliser des panneaux de chauffage radiants de faible épaisseur, donc de faible encombrement.
Il a été noté que les panneaux de chauffage dits radiants actuellement disponibles dans le commerce, outre qu'ils peuvent être relativement épais, évacuent une partie notable des calories produites par convection.
Un autre but de la présente invention est de proposer un panneau de chauffage avec lequel le chauffage est produit avec un taux de radiation important pour une température de surface relativement peu élevée, en comparaison avec les panneaux radiants connus.
Par ailleurs, l'utilisation de fibres de carbone, généralement bonne conductrices de l'électricité, pour réaliser des éléments chauffants par effet Joule, pose le problème de réaliser un élément ayant une résistance électrique suffisamment élevée. Une solution peut consister à allonger le trajet résistif en imposant au courant un parcours sinueux en ménageant des ouvertures ou découpes dans l'élément en fibres de carbone, comme montré par exemple dans le document DE-A-42 21 455 déjà cité. Une telle solution présente toutefois des inconvénients. Outre qu'elle nécessite une étape supplémentaire au stade de la fabrication, elle présente le risque d'établissement de courts-circuits entre branches parallèles, de part et d'autre d'une ouverture ou découpe, sauf à élargir celle-ci, et, par conséquent, à augmenter l'encombrement et/ou le gaspillage de matière.
Encore un autre but de l'invention est donc de fournir un panneau de chauffage dans lequel l'élément chauffant est constitué par une texture en fibres de carbone ayant une résistivité relativement élevée pour qu'il ne soit pas nécessaire de lui donner une géométrie particulière visant à augmenter la résistance électrique.
Brève description de l'invention
Selon un premier aspect de l'invention, ces buts sont atteints grâce à un panneau de chauffage électrique comportant un élément résistif de forme essentiellement bidimensionnelle en fibres de carbone, des électrodes reliées électriquement à l'élément électrique, et au moins une couche de matière électriquement isolante située sur chaque face de l'élément résistif, les couches de matière isolante, l'élément résistif et les électrodes étant noyés dans une matière plastique, panneau dans lequel l'élément résistif est constitué par une couche de tissu en fibres de carbone à précurseur cellulosique, le taux de carbone dans les fibres étant compris entre 92 % et 96 % et l'émissivité du tissu étant supérieure à 0,7.
Ainsi, une caractéristique du panneau conforme à l'invention réside dans l'utilisation d'un élément chauffant ayant une émissivité telle qu'il se comporte pratiquement comme un corps noir d'émissivité ε = 1.
Une autre caractéristique du panneau conforme à l'invention tient à la présence de fibres de carbone à précurseur cellulosique qui permettent d'avoir une résistance électrique suffisante avec un taux de carbone élevé, alors qu'avec d'autres précurseurs du carbone, en particulier avec le polyacrylonitrile (PAN), une résistance électrique suffisante ne peut être obtenue qu'en cas de carbonisation bien moindre, comme indiqué dans le document US-A-4 816 242.
Selon une particularité du panneau conforme à l'invention, celui-ci a un taux de radiation supérieur à 10 % pour une température de surface de 80°C voire même, de préférence, supérieur à 25 % et pouvant atteindre au moins 30 %. A titre de comparaison, un taux de radiation de 30 % n'est obtenu que pour une température de surface de 200°C ou plus avec les panneaux radiants de l'art antérieur.
Selon un deuxième aspect de l'invention, celle-ci vise un procédé de fabrication d'un panneau électrique radiant, comprenant les étapes de réalisation d'un élément résistif en fibres de carbone de forme essentiellement bidimensionnelle, mise en place d'électrodes de raccordement au contact de l'élément résistif, disposition d'au moins une couche de matière électriquement isolante sur chaque face de l'élément résistif, imprégnation de l'élément résistif muni des électrodes et des couches de matière électriquement isolante par une résine thermodurcissable, et polymérisation de la résine, procédé dans lequel la réalisation de l'élément résistif comprend la fourniture d'un tissu en fibres cellulosiques et la carbonisation du tissu par traitement thermique réalisé, en final, à une température maximale comprise entre 700°C et 1000°C, de sorte que le taux de carbone dans les fibres est compris entre 92 % et 96 %.
Ainsi, des caractéristiques de l'invention tiennent à l'utilisation d'un précurseur cellulosique et à la réalisation d'un traitement thermique permettant de produire un tissu en fibres de carbone ayant une résistance électrique suffisante et une très bonne émissivité. Il est alors possible de réaliser des panneaux radiants minces et efficaces.
De préférence, le précurseur cellulosique est une rayonne et le traitement thermique est réalisé à une température finale comprise entre 780°C et 820°C pendant une durée comprise entre 0,7 min et 1,3 min.
Les couches de matière isolante peuvent être formées par des textures, par exemple des tissus en fibres de verre.
La matière plastique enrobant l'élément résistif, les électrodes et les couches isolantes est une résine thermodurcissable polymérisée, avantageusement additionnée d'un colorant noir afin d'optimiser l'aspect et l'émissivité du panneau, donc son caractère radiatif.
Les électrodes sont avantageusement constituées par des bandes métalliques collées sur le tissu, par exemple des bandes de cuivre, perforées, les perforations permettant le passage de la résine pour une meilleure liaison entre les électrodes et le tissu de carbone. En variante, les électrodes peuvent également être formées par dépôt local d'une résine conductrice sur le tissu, ou par trempage des extrémités du tissu dans du cuivre en fusion.
D'autres particularités et avantages du panneau et du procédé selon la présente invention ressortiront à la lecture de la description détaillée faite ci-après à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins.
Brève description des dessins
  • la figure 1 est une vue en perspective éclatée montrant les différents éléments constitutifs d'un mode particulier de réalisation d'un panneau de chauffage conforme à l'invention, avant leur assemblage ;
  • la figure 2 est une vue partielle en coupe illustrant l'assemblage par moulage sous vide des éléments constitutifs d'un panneau de chauffage, selon la figure 1 ;
  • la figure 3 montre la variation en fonction du temps de la température mesurée à la face avant d'un panneau réalisé conformément à l'invention, lors de cycles successifs de mise sous tension et hors tension ;
  • la figure 4 montre la variation en fonction du temps de la température mesurée à la face avant du panneau et de la température ambiante pendant une période de fonctionnement d'un panneau réalisé conformément à l'invention ;
  • la figure 5 montre de façon très schématique un montage de mesure d'émissivité ; et
  • les figures 6 et 7 illustrent les variations de résistance électrique en fonction de la température finale de carbonisation et du taux de carbone pour un tissu en fibres de carbone issues d'un précurseur rayonne.
Description de modes de réalisation préférés
Les éléments constitutifs d'un panneau de chauffage radiant selon un mode de réalisation de l'invention sont illustrés par la figure 1, avant leur assemblage.
L'élément chauffant 10 est constitué par une couche, ou pli, rectangulaire de tissu en fibres de carbone. Il est muni, le long de chaque petit côté, d'une électrode 12 reliée à un conducteur d'alimentation 14.
Du côté de la face avant du panneau, destinée à constituer la face radiante, la face de l'élément chauffant 10 est revêtue d'une couche de matière électriquement isolante, en l'espèce un ou deux plis 20a, 20b de tissu en fibres de verre. Plus de deux plis de matière électriquement isolante pourraient être prévus, mais sans toutefois pénaliser le transfert à la face avant du panneau des calories produites par l'élément chauffant.
A l'arrière, la face de l'élément chauffant est revêtue d'une matière électriquement et thermiquement isolante, formée par une, ou de préférence plusieurs couches 22a, ..., 22d par exemple en tissu de fibres de verre.
Une couche réfléchissante 24, telle qu'une feuille métallique, par exemple en aluminium peut éventuellement être intercalée entre deux couches isolantes arrière afin de réfléchir le flux thermique de l'élément chauffant. Il est également envisageable d'ajouter à l'arrière de l'élément chauffant une couche de matériau en nid d'abeilles afin de limiter la température en face arrière.
Les fibres de carbone de l'élément chauffant sont issues d'un précurseur de carbone, après carbonisation. Selon une caractéristique de l'invention, le précurseur est de type cellulosique et la carbonisation n'est pas absolument complète, le taux de carbone dans les fibres, après carbonisation, étant compris entre 92 % et 96 %, donc relativement élevé. On notera que les termes "fibres de carbone" désignent ici des fibres dans lesquelles le taux de carbone n'est pas nécessairement égal à 100 %.
La carbonisation est produite par traitement thermique réalisé, en final, à une température maximale comprise entre 700°C et 1000°C. En deçà de 700°C, la carbonisation est insuffisante, les fibres conservent un caractère essentiellement isolant, tandis qu'au-delà de 1000°C, le taux de carbone est tellement élevé que la résistance électrique devient insuffisante.
De préférence, le précurseur est une rayonne. La température finale de traitement thermique est alors de préférence comprise entre 780°C et 820°C environ et le maintien du tissu à cette température est réalisé pendant une durée comprise de préférence entre 0,7 min et 1,3 min. Le traitement thermique pourra avantageusement comprendre une phase de pré-carbonisation à une température comprise entre 350°C et 420°C environ, pendant une durée plus longue.
L'utilisation d'un précurseur cellulosique, associée à un traitement thermique relativement modéré, permet d'aboutir à un tissu en fibres de carbone ayant une résistivité satisfaisante pour constituer un bon élément chauffant par effet Joule. De plus, on aboutit à un tissu ayant une très bonne émissivité, supérieure à 0,7, voire même supérieure à 0,9, donc proche de celle du corps noir.
Les électrodes 12 sont avantageusement constituées par des bandes métalliques conductrices, par exemple en cuivre, munies de perforations 12a. Elles peuvent être fixées sur le tissu 10 par collage au moyen d'un adhésif capable de résister aux températures rencontrées lors de l'assemblage du panneau. Un tel adhésif est par exemple formé par une bande en tissu de verre autocollant appliquée sur les électrodes et sur le tissu 10.
En variante, chaque électrode peut être formée par un dépôt local, sur le tissu, d'une couche de résine conductrice, par exemple de résine époxy chargée de poudre de carbone. Une autre possibilité consiste à former les électrodes par immersion de chaque extrémité du tissu 10 dans du cuivre en fusion.
L'assemblage du panneau peut être réalisé par moulage sous vide (figure 2) après imprégnation par une composition comportant une résine thermodurcissable.
Les couches de tissu en fibres de verre et en fibres de carbone sont imprégnées séparément, de préférence. Il est possible d'utiliser des couches de tissu de fibres de verre préimprégné.
La composition d'imprégnation, outre la résine, peut comprendre un durcisseur, un accélérateur de durcissement et un agent colorant noir. L'agent colorant est prévu au moins pour l'imprégnation de la couche isolante avant et de l'élément chauffant, afin d'optimiser l'émissivité du panneau. La résine peut être une résine époxy. Le colorant noir, non conducteur électriquement, est par exemple du noir de carbone dilué à 2 % en poids dans une résine époxy elle-même mélangée à 3 % en poids maximum dans la composition d'imprégnation de base.
Les couches isolantes et le tissu de carbone muni des électrodes reliées aux fils d'alimentation sont placées entre un moule 30 et un film étanche 32. L'espace entre le moule 30 et le film 32 est fermé à sa périphérie par un joint d'étanchéité 34, par exemple un mastic, est relié à une source de vide par une canalisation 36.
Les éléments constitutifs du panneau peuvent être surmontés par une couche de drainage 40 ayant pour fonction de recueillir l'excédent de composition d'imprégnation. La couche 40 est par exemple un feutre de polyester. Entre le feutre 40 et le panneau peut être disposé un film séparateur perforé 42. Ce dernier, par exemple en polyamide, permet de limiter le drainage de la composition d'imprégnation par le feutre 40 et facilite la séparation ultérieure du panneau. Le moule 30 est constitué par une plaque métallique, par exemple une plaque d'acier inoxydable dont la surface est revêtue d'un agent démoulant, par exemple le produit commercialisé sous la dénomination "MOLD WIZ F57 NC" par la société des Etats-Unis d'Amérique Axel.
De façon bien connue pour tous les processus de moulage par polymérisation sous vide, la mise sous vide est établie progressivement, par paliers, au fur et à mesure de la montée en température nécessaire pour la polymérisation de la résine.
Après démoulage et détourage, le panneau est équipé d'une prise électrique et peut être directement utilisé. La face avant du panneau peut être munie d'un motif décoratif et le panneau peut être encadré. Il peut aussi présenter une couleur ou un mélange de couleurs particuliers et être mis en forme à la demande, par exemple avec des courbures.
Des techniques autres que le moulage sous vide peuvent être utilisées pour l'assemblage du panneau. Ainsi, les différentes couches préimprégnées peuvent être moulées sous presse. Une autre technique consiste à placer les différentes couches non imprégnées dans un moule dans lequel la composition d'imprégnation est injectée (procédé dit RTM pour "Resin Transfer Moulding").
Selon une variante de réalisation, la couche isolante 20 à l'avant du panneau peut être sous forme d'une plaque de verre par exemple vitrocéramique.
Dans tous les cas, la face avant peut être dépolie, par exemple par grenaillage, afin de créer un relief augmentant la surface rayonnante.
De ce qui précède, il apparaít qu'un panneau radiant peut être obtenu de façon relativement simple et rapide, avec une épaisseur totale limitée, inférieure à 4 mm, voire même typiquement inférieure à 2 mm. Un tel panneau, éventuellement après décoration, peut être aisément intégré à une pièce d'habitation. Il peut aussi être conçu sous forme de panneau de chauffage amovible ou mobile.
Un autre avantage d'un panneau radiant réside dans son taux de radiation relativement supérieur à 10 %, voire 25 % et pouvant même atteindre au moins 30% avec une température de surface de 80°C, donc relativement peu élevée. Le taux de radiation est le rapport entre la puissance rayonnée et la puissance absorbée par le panneau.
Un exemple particulier de réalisation sera maintenant décrit.
Exemple
L'élément chauffant est un tissu de fibres de carbone obtenu par carbonisation d'un tissu satin de rayonne de masse surfacique égale à 270 g/m2. Le traitement thermique de carbonisation comprend une pré-carbonisation à une température d'environ 375°C suivie d'une carbonisation finale à une température de 790°C pendant environ 1 min. Un pli rectangulaire de dimensions 530 x 330 mm est découpé dans le tissu de fibres de carbone, la masse du pli étant de 46 g.
Des électrodes constituées de deux bandes de cuivre de 1/10e mm d'épaisseur perforées sur toute leur longueur de largeur égale à 10 mm et de longueur égale à 330 mm sont placées le long des deux petits côtés du pli de tissu en fibres de carbone et collées sur ce dernier par une bande adhésive à base d'un tissu de verre, ayant une tenue en température jusqu'à 180°C. Les électrodes sont équipées de fils électriques de raccordement soudés à l'étain sur une de leurs extrémités. La résistance mesurée du pli de tissu en fibres de carbone est égale à 210 W.
Un pli de tissu de verre sergé de dimensions égales à 700 x 500 mm et de masse égale à 110 g est placé en face avant, tandis que quatre plis de tissu de verre taffetas de dimensions égales à 700 x 500 mm et de masse égale à 330 g sont placés en face arrière.
Les plis de tissu de carbone et de verre sont imprégnés par une composition comprenant une résine époxy additionnée d'un durcisseur, d'un accélérateur et d'un colorant noir constitué par un mélange à 2 % en poids de noir de carbone dans une pâte époxy. Les perforations des électrodes permettent le passage de la composition d'imprégnation pour assurer un bon contact entre les électrodes et le tissu de carbone, même lorsque les électrodes ne sont pas collées sur le tissu.
L'ensemble est polymérisé sous vide comme décrit en référence à la figure 2.
Le panneau obtenu est équipé d'une prise électrique et essayé sous une tension d'alimentation alternative égale à 230 V.
La figure 3 montre l'évolution de la température à la surface avant du panneau lors de cycles successifs comprenant une période de mise sous tension de 15 min, suivie d'une période de mise hors tension de 15 min. La rapidité de la montée et de la descente en température, à la mise en tension et hors tension, et la reproductibilité des cycles sont remarquables.
La figure 4 montre l'évolution de la température à la surface avant (courbe A) et de la température ambiante (courbe B) au centre d'une pièce de 60 m3 sur un mur de laquelle le panneau est installé, et est maintenu sous une tension de 230 V. La constance de la valeur de température de surface (qui évolue en parallèle avec la température ambiante) est remarquable.
L'émissivité de l'élément chauffant du panneau, c'est-à-dire du tissu en fibres de carbone enduit de résine époxy a été mesurée de la façon suivante (figure 5).
Un échantillon 30 de tissu enduit de résine époxy est muni d'électrodes et mis sous tension de façon à obtenir une température de surface de 100°C. Le flux thermique produit, passant successivement à travers un modulateur 32, un diaphragme 34 et une lentille 36 est focalisé sur un détecteur 38 de type photoélectrique qui délivre une tension proportionnelle à la luminance du matériau de l'échantillon. Le modulateur 32 est un disque rotatif comportant des secteurs alternativement opaques et transparents à la radiation thermique. Il permet de recueillir le flux radiatif émis, en s'affranchissant du bruit environnant.
La tension délivrée par le détecteur est de 7,5 µV, quelle que soit la face de l'échantillon présentée en regard du détecteur.
A titre de référence, l'échantillon 30 est remplacé par un corps noir dont la surface est portée à 100°C. La puissance radiative délivrée par le corps noir est la valeur maximale de référence, correspondant à une émissivité ε = 1. La tension recueillie en sortie du détecteur est de 8,0 µV.
On en déduit, pour l'échantillon 30, une émissivité ε égale à 0,937.
Le taux de radiation du panneau est mesuré en portant le panneau radiant à une température de surface de 80°C dans un local à 19°C dans lequel l'ambiance est stable et maítrisée. Une plaque réceptrice disposée à 1 mètre de distance en regard du panneau radiant, et sur laquelle sont répartis uniformément 150 thermocouples, recueille le faisceau de température rayonné par le système. A partir de ces données, on calcule le taux de radiation. La valeur mesurée du taux de radiation est égale à 30% environ.
Essai comparatif
A partir d'un tissu de rayonne tel que celui utilisé dans l'exemple précédent, différents cycles de carbonisation sont réalisés qui se distinguent les uns des autres par la température finale de traitement thermique de carbonisation.
La figure 6 montre la variation de la résistance électrique mesurée en fonction de la température finale de carbonisation pour des échantillons de tissu de dimensions 10 cm x 10 cm, les mesures étant effectuées directement sur le tissu non muni d'électrode respectivement dans le sens chaíne et dans le sens trame. On note que les variations dans les deux sens, chaíne et trame, sont pratiquement identiques.
La figure 7 montre la variation de la résistance électrique en fonction du taux de carbone mesuré pour les mêmes échantillons.
On constate que la résistance devient relativement faible pour des températures finales de carbonisation supérieures à 1000°C et des taux de carbone correspondants supérieurs à 96 %, tandis qu'en deçà d'une température finale de 700°C correspondant environ à un taux de carbone de 92%, la résistance devient relativement élevée.

Claims (19)

  1. Panneau de chauffage électrique comportant un élément résistif de forme essentiellement bidimensionnelle en fibres de carbone, des électrodes reliées électriquement à l'élément électrique, et au moins une couche de matière électriquement isolante située sur chaque face de l'élément résistif, les couches de matière isolante, l'élément résistif et les électrodes étant noyés dans une matière plastique,
    caractérisé en ce que l'élément résistif est constitué par une couche de tissu en fibres de carbone à précurseur cellulosique, le taux de carbone dans les fibres étant compris entre 92 % et 96 % et l'émissivité du tissu étant supérieure à 0,7.
  2. Panneau selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émissivité du tissu est supérieure à 0,9.
  3. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le taux de radiation est supérieur à 10% pour une température de surface de 80°C.
  4. Panneau selon la revendication 3, caractérisé en ce que le taux de radiation est supérieur à 25% pour une température de surface de 80°C.
  5. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément résistif est constitué par une couche de tissu en fibres de carbone à précurseur rayonne.
  6. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les couches de matière isolante sont au moins en partie constituées par des couches de tissu en fibres de verre.
  7. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la matière plastique est une résine thermodurcissable polymérisée additionnée d'un colorant noir.
  8. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les électrodes sont constituées par des bandes métalliques conductrices perforées.
  9. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant une face avant rayonnante et une face arrière opposée à la face avant, caractérisé en ce qu'une feuille réfléchissante est insérée entre la face arrière du panneau et l'élément résistif.
  10. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant une face avant rayonnante et une face arrière opposée à la face avant, caractérisé en ce qu'une couche de matériau en nid d'abeilles est disposée à l'arrière de l'élément résistif.
  11. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant une face avant rayonnante, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque de verre en face avant.
  12. Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant une face avant rayonnante, caractérisé en ce que la face avant est dépolie.
  13. Procédé de fabrication d'un panneau électrique radiant, comprenant les étapes de réalisation d'un élément résistif en fibres de carbone de forme essentiellement bidimensionnelle, mise en place d'électrodes de raccordement au contact de l'élément résistif, disposition d'au moins une couche de matière électriquement isolante sur chaque face de l'élément résistif, imprégnation de l'élément résistif muni des électrodes et des couches de matière électriquement isolante par une résine thermodurcissable, et polymérisation de la résine,
    caractérisé en ce que la réalisation de l'élément résistif comprend la fourniture d'un tissu en fibres cellulosiques et la carbonisation du tissu par traitement thermique réalisé, en final, à une température maximale comprise entre 700°C et 1000°C, de sorte que le taux de carbone dans les fibres est compris entre 92% et 96%.
  14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la température finale de traitement thermique est comprise entre 780°C et 820°C.
  15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé en ce qu'il comprend une phase de pré-carbonisation à une température comprise entre 350°C et 420°C.
  16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que le tissu est maintenu à la température finale pendant une durée comprise entre 0,7 min et 1,3 min.
  17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que l'imprégnation est réalisée par une résine époxy additionnée d'un colorant noir.
  18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, caractérisé en ce que la polymérisation de la résine est réalisée lors d'une phase de mise en forme du panneau par moulage sous vide.
  19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 18, caractérisé en ce que les électrodes sont mises en place par collage de bandes métalliques perforées le long de deux bords opposés de l'élément résistif.
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