EP1352449B1

EP1352449B1 - Dispositif pour contact electrique pour materiau fibreux et son utilisation pour le chauffage par effet joule

Info

Publication number: EP1352449B1
Application number: EP02712001A
Authority: EP
Inventors: Pierre Le Cloirec; Albert Subrenat
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2022-01-18
Also published as: CA2434598C; FR2819942A1; EP1352449A1; CA2434598A1; DE60234080D1; US6891107B2; FR2819942B1; ATE446597T1; WO2002058194A1; BR0206287A; JP2004523861A; US20040053518A1

Description

La présente invention concerne un dispositif pour contact électrique entre une alimentation électrique et une couche d'un matériau conducteur souple fibreux et l'utilisation de ce dispositif pour le chauffage par effet Joule. Le document FR 2 588 127 décrit un dispositif selon le préambule de la revendication 1.
Lorsque l'on souhaite alimenter en courant électrique des matériaux conducteurs ohmiques de type fibreux, tels que des tissus, des feutres, des matériaux composites aiguilletés, en carbone (activé ou non), leur structure, leur état de surface et l'absence de rigidité ne permettent pas de faire appel à des techniques classiques de contact électrique. En effet, il n'est pas possible de réaliser directement des points de soudure à leur surface. Il est également difficile d'utiliser des vis ou des rivets sans endommager le matériau fibreux, ni altérer sa tenue mécanique. Par exemple, les pinces métalliques peuvent provoquer des déchirures de la couche du matériau fibreux sous l'effet des tensions ou tractions mécaniques.
Il n'est pas non plus possible d'utiliser des contacts du type barreaux de cuivre rigides avec lesquels il est difficile de contrôler la pression exercée sur le matériau fibreux, ni de mettre en forme ce dernier. En outre, de tels barreaux n'assurent qu'un faible contact avec la surface irrégulière des fibres du matériau conducteur que l'on cherche à raccorder à une alimentation électrique. Ces inconvénients sont encore accentués lorsque le matériau fibreux, généralement souple et très flexible, est de faible épaisseur.
En outre, dans le cas où il serait nécessaire de donner à la couche de matériau conducteur une forme non plane, par exemple une forme courbe ou plissée, il est également difficile d'obtenir un contact électrique continu sur des longueurs importantes. C'est notamment le cas lorsque le dit matériau est utilisé pour un chauffage par effet Joule, pour lequel le chauffage doit être lé plus homogène possible, donc il convient d'obtenir une distribution de courant dans le tissu la plus homogène possible sur toute la longueur du contact. La résultante de cet effet donnera une transmission de courant la plus homogène possible sur toute la surface du matériau mis en oeuvre entre les deux contacts électriques.
Un objet de la présente invention est par conséquent de pallier les inconvénients précités en proposant un dispositif permettant de réaliser un contact électrique efficace entre une alimentation électrique en courant continu ou alternatif et une couche d'un matériau conducteur souple majoritairement fibreux, sans endommager le matériau fibreux, ni altérer sa tenue mécanique.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un dispositif permettant de réaliser une zone de contact électrique quasi continu entre le dit matériau fibreux et l'alimentation électrique.
Selon l'invention ces objectifs sont atteints avec le dispositif selon la revendication 1.
Ainsi la présence de l'adhésif conducteur qui suit parfaitement les irrégularités de la surface du matériau fibreux permet un contact électrique en une multiplicité de points (et ainsi un contact quasi continu) entre le matériau fibreux et le ruban métallique, donc électriquement conducteur, sur toute la zone de recouvrement. La couche d'adhésif permet à la fois de solidariser le ruban métallique avec le matériau fibreux et d'autoriser le passage du courant entre ces deux derniers. L'adhésif peut être constitué majoritairement d'une colle ou résine elle-même conductrice, ou d'une colle ou résine dopée par exemple à l'argent, au cuivre, au graphite... ou encore d'une colle ou d'une résine renfermant des (micro)particules électriquement conductrices.
De préférence, les zones de recouvrement séparées sont disposées de manière diamétralement opposée, afin d'autoriser le passage du courant électrique sur l'ensemble, ou du moins sur une majeure partie de la couche dudit matériau fibreux.
De manière avantageuse, l'épaisseur totale du dispositif permet son pliage au niveau de la zone recouverte de l'adhésif et du ruban métallique. Ce pliage peut être un plissage, un crénelage, un enroulage de la couche sur elle-même ou sur un support, ou toute autre mise en forme que la souplesse de la couche de matériau fibreux autorise. L'épaisseur de la superposition du ruban métallique et de la couche d'adhésif peut être comprise dans une large gamme allant de 0,001 mm à 5 mm, et plus particulièrement entre 0,05 mm et 2 mm, le matériau fibreux pouvant présenter une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 10 mm, de préférence entre 0,4 mm et 5 mm.
L'intensité du courant délivré est fonction de la résistance de contact entre le ruban métallique et le matériau majoritairement fibreux et dépend aussi de la largeur de la zone de recouvrement. Cette largeur peut être comprise entre 0,001 mm (ruban sous forme d'un fil) et 500 mm environ (ruban plan). Elle est importante lorsque ladite résistance de contact ou la résistivité de l'adhésif conducteur utilisé est grande. Cette largeur doit également être importante s'il est nécessaire d'avoir une puissance délivrée dans le matériau fibreux élevée.
Cependant, si le ruban est sous la forme d'un fil, il est nécessaire de multiplier le nombre de raccords avec l'alimentation électrique.
Avec le dispositif selon l'invention, la zone de recouvrement, de par sa structure superposée, permet de rigidifier le matériau fibreux et ainsi les raccords classiques à une alimentation électrique peuvent être utilisés : pinces métalliques, soudures, rivets, vis, etc... sans détériorer le dit matériau. De manière avantageuse, ce raccord peut être en un seul point ou en une multiplicité de points. Un point unique est préféré, pour des raisons techniques et économiques, le ruban métallique ayant pour avantage de distribuer le courant sur toute la longueur de la zone de recouvrement.
Selon une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, entre le matériau majoritairement fibreux et la couche d'adhésif, le dit matériau est enduit d'un vernis conducteur, au moins dans ladite zone de recouvrement. Le rôle de ce vernis est principalement de rigidifier le contact, d'améliorer le contact interfibres, et donc de diminuer la résistance électrique de contact tout en lissant la surface du matériau fibreux. Ainsi les contacts mécaniques et électriques entre ledit matériau fibreux et l'adhésif sont améliorés, et par même les contacts entre le matériau fibreux et l'alimentation électrique.
Selon une autre variante du dispositif selon l'invention, ce dispositif peut être noyé dans un matériau isolant électrique et/ou thermique. Dans ce cas soit le matériau isolant est pourvu d'au moins une perforation permettant un raccordement à l'alimentation électrique, par exemple par vissage ou rivetage, cosse électrique ou fiche de type "banane", soit le dispositif est noyé avec son raccord dans le matériau isolant.
De manière avantageuse, le ruban métallique présente une résistivité comprise approximativement entre 10^-8 et 10^-4 Ω.m, de préférence comprise entre 10^-7 et 10^-4 Ω.m. Dans tous les cas la résistance de ce ruban doit être inférieure à la résistance de contact sur le matériau fibreux. Ledit ruban peut par exemple être à base de cuivre, de zinc, d'aluminium, d'argent, de nickel, de fer, de nickel-chrome, de plomb, ou de tout autre métal approprié pour ses propriétés à la fois électriques, thermiques et mécaniques ou à base d'un alliage de ces métaux. Le ruban métallique peut également être remplacé par un matériau polymère conducteur électrique.
Pour un meilleur transfert électrique entre l'alimentation électrique et le matériau fibreux, l'adhésif et le vernis doivent présenter une résistivité globalement inférieure à celle dudit matériau fibreux. Ils peuvent renfermer par exemple des (micro)particules conductrices qui assurent de très nombreux points de contact de résistance électrique très faible.
Ledit matériau majoritairement fibreux utilisable dans la présente invention peut être choisi parmi les matériaux en carbone ou en carbone activé sous la forme d'un tissu, d'un feutre ou d'un agglomérat de fibres. Leur résistivité est généralement de l'ordre de 10^-4 à 10^-1 Ω.m.
Ce matériau majoritairement fibreux peut être renforcé d'un maillage, d'un grillage ou d'un réseau en un autre matériau de renforcement mécanique non conducteur. Ledit matériau de renforcement peut être par exemple du polypropylène, des fibres cellulosiques, des fibres de verre ou de quartz.
Une utilisation intéressante du dispositif selon la présente invention est lors du chauffage électrique du matériau majoritairement fibreux par effet Joule. Le matériau fibreux électriquement conducteur sert alors d'élément chauffant, et peut être employé par exemple pour des panneaux radiants, des éléments intérieurs de fours, de cheminées, de pots d'échappement, etc....
Si le matériau fibreux est également un matériau adsorbant (à base de carbone activé par exemple) et qu'il a préalablement adsorbé des molécules (par exemple des molécules organiques odorantes et/ou polluantes), le chauffage de celui-ci permet le départ par désorption de ces molécules adsorbées, et ainsi la régénération dudit matériau. Il est aussi possible d'utiliser le dispositif pour simplement mesurer la résistance ou la résistivité électrique de ce type de matériau fibreux. Une autre utilisation du dispositif selon l'invention concerne le déstockage de molécules combustibles préalablement stockées au sein du matériau fibreux.
Le dispositif selon la présente invention peut également être utilisé pour la polarisation d'une surface fibreuse, par exemple pour la captation électrostatique de particules et de poussières.
Le matériau fibreux muni du dispositif selon l'invention peut aussi être utilisé comme électrode dans un bain d'électrolyse.
La présente invention va maintenant être mieux explicitée par des exemples non limitatifs se référant à des figures illustratives sur lesquelles tous les éléments ont été agrandis pour une meilleure compréhension. Sur celles-ci :

la figure 1 montre, selon une vue éclatée, la superposition des couches formant le dispositif de l'invention,
la figure 2 montre en coupe la superposition des couches du dispositif au niveau de la zone de recouvrement,
la figure 3 montre en perspective un exemple d'arrangement par pliage du dispositif,
la figure 4 montre en perspective une variante du dispositif de l'invention noyé dans un matériau isolant,
les figures 5a et 5b présentent en coupe deux exemples de raccordement du dispositif à l'alimentation électrique,
la figure 6 montre en perspective un matériau fibreux renforcé et
la figure 7 montre une liaison entre deux modules de matériau fibreux par l'intermédiaire d'un dispositif supplémentaire selon la présente invention.

Selon l'exemple présenté à la figure 1, le matériau fibreux (1) est un tissu de carbone (activé ou non), constitué ici de fibres tissées (chaîne et trame) (2). Ce matériau (1) qui est conducteur électrique (de résistivité de l'ordre de 10^-3 Ω.m) est recouvert, sur deux zones de recouvrement z₁ et z₂ de largeur l₁ et l₂, situées aux deux extrémités opposées du tissu de carbone (1), d'un adhésif à base acrylique, conducteur (3), lui-même recouvert d'un ruban métallique ici en cuivre (4). Les dimensions de ce ruban métallique (4) correspondent à celles des zones de recouvrement respectives de largeur l₁,l₂ et de longueur L₁, L₂ L'épaisseur du ruban de cuivre (4) est dans cet exemple d'environ 35 µm et sa largeur (l₁ l₂) de 19 mm, sa résistivité est de l'ordre de 1,7 10^-8 Ω.m.
On peut utiliser comme couple ruban métallique/adhésif par exemple un ruban métallique du commerce, utilisé pour le blindage de connecteurs et de câbles contre les interférences électromagnétiques, la mise à la terre et le drainage de charges électrostatiques. Ici cet ensemble ruban métallique/adhésif a pour rôle principal d'assurer la transmission du courant entre l'alimentation électriques(5) et le matériau fibreux (1).
L'adhésif est une colle à base acrylique renfermant des microparticules (6) conductrices, comme présenté en coupe sur la figure 2. La résistivité à travers cet adhésif est de l'ordre de 5.10^-3 Ω.m.
Il est à noter que le dispositif selon l'invention peut être doublé, c'est à dire être prévu sur les deux faces du matériau fibreux (1), comme schématisé en pointillés sur la figure 2 (adhésif (3') et ruban métallique (4')). Selon un autre arrangement avantageux, non représenté, les zones de recouvrement z₁ et z₂ peuvent être situées, toujours sur les extrémités opposées du matériau fibreux (1), l'une sur une face dudit matériau, l'autre sur l'autre face du même matériau, permettant ainsi une meilleure circulation électrique au travers de ce matériau fibreux.
Dans le cas où le tissu carboné (1) servirait de matériau adsorbant (par exemple si le matériau fibreux est un tissu ou un feutre à base de carbone activé) il est intéressant d'avoir une surface d'échange la plus importante possible avec un encombrement minimum. Il peut donc être avantageux par exemple d'enrouler le dit matériau sur lui-même ou encore de le plier ou de le plisser. La figure 3 montre un tel arrangement par plissage. Le matériau fibreux (1), ayant ici la forme générale d'un cylindre (7), est plissé en une multitude de plis (8) parallèles entre eux et parallèles à l'axe (9) dudit cylindre (7). Le dispositif selon l'invention peut être placé aux deux extrémités dudit cylindre (7), sur des zones de recouvrement (z) situées soit à l'intérieur, soit à l'extérieur du cylindre, ou bien l'une à l'intérieur, l'autre à l'extérieur, ou bien encore à l'intérieur et à l'extérieur de ce cylindre, à chaque extrémité.
Le raccord (10) avec l'alimentation électrique (5) est ici réalisé en un seul point, au moyen d'une soudure faite à la surface du ruban métallique (4), à chacune des extrémités dudit cylindre (7), dont seule une extrémité est représentée sur la figure 3.
La figure 4 montre une variante du dispositif selon l'invention, où la superposition d'un matériau fibreux (1), pris en sandwich entre deux couples adhésif conducteur (3)/ruban métallique (4), est noyée dans un matériau isolant (11) à la fois électrique et thermique, qui est par exemple une résine époxy.
Ce type d'assemblage permet notamment d'enrober et de protéger le raccordement à l'alimentation électrique. Les figures 5a et 5b présentent deux exemples de raccordement. Sur la figure 5a, c'est le câble (12) de l'alimentation électrique qui est directement relié à un des rubans métalliques (4), par l'intermédiaire d'une soudure des fils (13) dudit câble, après avoir enlevé la gaine isolante (14). Dans l'exemple de la figure 5b, un élément conducteur (15) est soudé à l'un des rubans métalliques (4) avant d'être noyé dans le matériau isolant (11). Cet élément (15) présente une partie femelle (16) qui communique avec l'extérieur du bloc de matériau isolant (11) et permet de recevoir une fiche de type "banane" (non représentée), d'un câble relié à l'alimentation électrique.
Le matériau fibreux (1), généralement souple et très flexible, peut être renforcé par colaminage avec un matériau plus résistant mécaniquement (18). Une telle variante est présentée à la figure 6, ou la partie colaminée (19) est disposée à l'opposé de la zone de recouvrement par l'adhésif (3) et le ruban métallique (4) du dispositif selon l'invention, par rapport au matériau fibreux (1).
Sur la figure 6 est également représentée une autre variante selon laquelle le matériau fibreux (1) est recouvert, sur au moins une de ses faces, d'un vernis (17), conducteur, sur lequel est alors disposée la superposition de l'adhésif (3) et du ruban conducteur (4) (sur cette figure, le ruban a été décalé vers le haut de la figure par rapport à sa position effective, pour une meilleure clarté).
Les arrangements selon ces deux dernières variantes peuvent être présents simultanément ou non.
Le dispositif selon la présente invention peut également servir de contact électrique entre deux modules de matériaux fibreux (1a et 1b) identiques ou différents. Un exemple est présenté schématiquement à la figure 7. Les deux matériaux fibreux (1a et 1b) sont munis à leurs extrémités voisines d'un dispositif selon l'invention (couples respectifs adhésif conducteur (3a, 3b) (non représenté)/ruban métallique (4a, 4b)) entre lesquels est fixé, par collage au moyen également d'un adhésif conducteur non représenté, un dispositif supplémentaire comportant au moins un (de préférence deux) ruban métallique (4c). Un tel agencement est utilisé par exemple pour la mise en série de modules de chauffage par effet Joule pour la désorption de molécules préalablement adsorbées sur des tissus ou feutres de carbone activé.
Exemple de réalisation :

On utilise un dispositif tel que présenté à la figure 1, dans lesquels les constituants ont les caractéristiques suivantes :
- ruban métallique (4) en cuivre de résistivité 1,7 10^-8 Ω.m à 20°C de largeur l₁ = l₂ = 19 mm et d'épaisseur 0,035 mm
- adhésif (3) (à base acrylique contenant des particules conductrices) de résistance 0,005 Ω et d'épaisseur 0,031mm,
- matériau fibreux (1) en tissu de carbone activé de résistivité 16 10^-4 Ω.m à 20°C et d'épaisseur 0,5 mm

Claims

Dispositif comprenant une couche de matériau (1) souple électriquement conducteur et majoritairement fibreux, pour contact électrique entre une alimentation électrique (5) et ladite couche de matériau (1) souple,
caractérisé en ce que le matériau (1) est recouvert, sur au moins deux zones de recouvrement séparées (z₁, z₂ ), d'une superposition d'une couche d'un adhésif (3) électriquement conducteur et d'un ruban métallique (4).
Dispositif pour contact électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que son épaisseur totale permet son pliage au niveau de-la zone (z₁, z₂) recouverte de l'adhésif (3) et du ruban métallique (4).
Dispositif pour contact électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'entre le matériau majoritairement fibreux (1) et la couche d'adhésif (3), le dit matériau (1) est enduit d'un vernis (17) conducteur, au moins dans ladite zone de recouvrement (z₁, z₂ ).
Dispositif pour contact électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ruban métallique (4) présente une résistivité comprise approximativement entre 10^-8 et 10^-4 Ω.m, de préférence entre 10^-7 et 10^-4 Ω.m.
Dispositif pour contact électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ruban métallique (4) est à base de cuivre, de zinc, d'aluminium, d'argent, de nickel, de chrome, de fer, de plomb ou d'un alliage de ces métaux.
Dispositif pour contact électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est noyé dans un matériau isolant électrique et/ou thermique (11).
Dispositif pour contact électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau isolant (11) est pourvu d'au moins une perforation permettant un raccordement à l'alimentation électrique (5), par vissage ou rivetage.
Dispositif pour contact électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est noyé avec son raccord dans le matériau isolant (11).
Dispositif pour contact électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau majoritairement fibreux (1) peut être renforcé d'un maillage, d'un grillage ou d'un réseau en un autre matériau de renforcement mécanique (18) non conducteur.
Dispositif pour contact électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit matériau de renforcement (18) est du polypropylène, des fibres cellulosiques, des fibres de verre ou de quartz.
Dispositif pour contact électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit matériau majoritairement fibreux (1) est choisi parmi un tissu, un feutre ou un agglomérat de fibres (2), en carbone ou en carbone activé.
Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes pour le chauffage électrique du matériau majoritairement fibreux par effet Joule.
Utilisation selon la revendication 12 pour des panneaux radiants.
Utilisation selon la revendication 12 pour des éléments intérieurs de fours, de cheminées, ou de pots d'échappement.
Utilisation selon la revendication 12 pour la régénération du matériau fibreux (1).
Utilisation selon la revendication 12 pour le déstockage de molécules combustibles préalablement stockées au sein du matériau fibreux (1).
Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, pour la polarisation d'une surface fibreuse.
Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, pour un matériau fibreux servant d'électrode dans un bain d'électrolyse.