Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02434598 2003-07-10
WO 02/058194 PCT/FR02/00196
1
Dispositif pour contact électrique pour matériau fibreux et son utilisation
pour le chauffage par effet Joule.
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.
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.
CA 02434598 2003-07-10
WO 02/058194 PCT/FR02/00196
2
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 le 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 pour
contact électrique entre une alimentation électrique et une couche de
matériau souple électriquement conducteur et majoritairement fibreux, qui
est caractérisé en ce que le matériau est recouvert, sur au moins deux zones
de recouvrement séparées, d'une superposition d'une couche d'un adhésif
électriquement conducteur et d'un ruban métallique. 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
CA 02434598 2003-07-10
WO 02/058194 PCT/FR02/00196
3
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 dwmoins 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
CA 02434598 2003-07-10
WO 02/058194 PCT/FR02/00196
- 4
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
1o 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.
CA 02434598 2003-07-10
WO 02/058194 PCT/FR02/00196
De manière avantageuse, le ruban métallique présente une résistivité
comprise approximativement entre 10-g et 10-4 S2.m, de préférence
comprise entre 10-' et 104 S2.m. Dans tous les cas la résistance de ce ruban
doit être inférieure à la résistance de contact sur le matériau fibreux. Ledit
5 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 S2.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
CA 02434598 2003-07-10
WO 02/058194 PCT/FR02/00196
6
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
1o 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,
CA 02434598 2003-07-10
WO 02/058194 PCT/FR02/00196
7
- les figures Sa et Sb 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 S2.m) est recouvert, sur deux zones de recouvrement z~ et z2
de largeur 1~ et 12, 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 11,12 et de longueur L~, L2 L'épaisseur du ruban de cuivre (4) est
dans cet exemple d'environ 35 ~.m et sa largeur (11, 12) de 19 mm, sa
résistivité est de l'ordre de 1,7 10-g S2.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 électrique (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 S2.m.
CA 02434598 2003-07-10
WO 02/058194 PCT/FR02/00196
8
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 z~ 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
1o (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
2o 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
CA 02434598 2003-07-10
WO 02/058194 PCT/FR02/00196
9
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 Sa et Sb présentent
deux exemples de raccordement. Sur la figure Sa, 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 Sb,
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.
CA 02434598 2003-07-10
WO 02/058194 PCT/FR02/00196
Le dispositif selon la présente invention peut également servir de
contact électrique entre deux modules de matériaux fibreux ( 1 a et lb)
identiques ou différents. Un exemple est présenté schématiquement à la
figure 7. Les deux matériaux fibreux (la et 1b) sont munis à leurs
5 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
10 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-g S2.m à 20 °C
de largeur 1, =12 = 19 mm et d'épaisseur 0,035 mm
-adhésif (3) (à base acrylique contenant des particules conductrices)
de résistance 0,005 S2 et d'épaisseur 0,031mm,
- matériau fibreux (1) en tissu de carbone activé
de résistivité 16 10-4 S2.m à 20°C et d'épaisseur 0,5 mm
