Le thermostat est un dispositif fondamental dans la gestion thermique de nos équipements domestiques et industriels. Parmi les diverses technologies existantes, le thermostat à bulbe et capillaire occupe une place prépondérante, notamment grâce à sa fiabilité mécanique et sa précision. Lorsqu'il est configuré en version bipolaire, il offre une capacité de coupure électrique accrue, indispensable pour des applications nécessitant une sécurité renforcée ou une gestion de charges plus importantes.
Principes fondamentaux du train thermostatique
Dans les thermostats capillaires, le capteur de température est constitué d'un tube capillaire, d'un diaphragme et d'un fluide de dilatation. Lorsque le capteur est chauffé, le fluide liquide s'échauffe et se dilate. L'expansion du fluide augmente la pression dans le système en circuit fermé. L'augmentation de pression est convertie en déplacement dans le diaphragme. Ce déplacement, également appelé course, actionne un interrupteur qui ouvre ou ferme les contacts dans le circuit électrique.
Les trains thermostatiques des thermostats à bulbe et capillaire sont composés d’une enceinte fermée comportant un bulbe, un capillaire et un soufflet métallique. Le liquide (huile ou métal liquide) situé à l’intérieur de cette enceinte se dilate en fonction de la température et le soufflet se déforme en se gonflant. Cette déformation est transmise à un système de contact à rupture brusque. Le déplacement du soufflet par un axe fileté permet le réglage de la température.
La variable de référence est réglée via la broche de réglage du capillaire du thermostat. Les thermostats capillaires sont largement utilisés pour contrôler la température de l'air et de l'eau grâce à leur précision et la facilité de leur installation.
La configuration bipolaire et ses avantages
Le thermostat bipolaire se distingue par sa capacité à interrompre simultanément deux pôles de l'alimentation électrique, généralement la phase et le neutre. Cette caractéristique est cruciale dans les environnements où une isolation totale de la charge (comme une résistance chauffante) est requise pour des raisons de sécurité ou de maintenance.
Dans le cas des dispositifs à double fonction, certains appareils fonctionnent sur le même principe que les thermostats de régulation, mais comportent un double bulbe, l’un servant à la régulation, l’autre à une sécurité à réarmement manuel. Ils possèdent un axe de réglage pour la régulation, et un poussoir de réarmement permet de refermer le contact électrique de la sécurité, lorsque celui-ci s’est ouvert à la suite d’une hausse de température. La consigne du seuil de sécurité est fixe. Les contacts sont uniquement à ouverture par élévation de température. Ils sont surtout utilisés dans les applications en triphasé, bien que des versions existent avec coupure unipolaire ou bipolaire.
Leçon n°59 : Le thermostat ( électromécanique, électronique, version longue 😅😅😅)
Thermostats de régulation vs Thermostats de sécurité
Il est essentiel de distinguer deux usages principaux : le thermostat de régulation et le thermostat de sécurité.
- Réglable : Il a pour but de maintenir la température ajustée en mesurant la température externe et interne des équipements. Si le capteur détecte la chaleur, le liquide se dilate et étend l'espace du diaphragme, ce qui permet d'ouvrir ou de fermer les points de contact de l'interrupteur. Il s'agit d'un produit à réinitialisation automatique.
- Manuel (Sécurité) : Une fois arrivé à la température réglée lors de la fabrication, le contact s'ouvre. Il ne se réinitialise pas automatiquement et doit être redémarré manuellement en appuyant sur le bouton de réinitialisation. Ce produit peut être utilisé comme dispositif de sécurité.
Le thermostat de régulation est une sécurité permettant de gérer la température dans le cumulus et de la vérifier. Quand l'eau est assez chaude, le thermostat coupe la résistance électrique. Ensuite, la cuve refroidit. Au bout du thermostat se trouve un capillaire composé d'un bulbe. Dans ce bulbe se trouve une certaine quantité de liquide, réagissant à l'eau dans le ballon.
Spécificités des technologies de mesure
Bien que le thermostat à dilatation de liquide soit le plus courant, d'autres technologies existent pour répondre à des besoins spécifiques.
Thermostats à disques (bimétalliques)
Utilisés comme thermostats de régulation ou comme thermostat de sécurité à réarmement manuel, les thermostats à disques ont pour organe de mesure de température un disque composé de deux métaux différents laminés ensemble. Ces deux métaux ont des coefficients de dilatation différents. Dès lors, un disque bombé va progressivement changer de forme lorsque la température augmente jusqu’au moment où il passera brusquement de la forme concave à convexe.
Thermostats à canne
Un thermostat à canne fonctionne sur le principe de la dilatation ou de la contraction d'une tige en fonction de la température de l'eau. Ce mécanisme est principalement utilisé pour la régulation de l'eau chaude sanitaire, notamment dans les chauffe-eau. Leur particularité est que la canne de mesure est solidaire de la tête de réglage comportant les contacts électriques. Dans les modèles courants utilisant un tube en laiton ou en inox et une tige en invar, les plages de mesure sont comprises entre -50 et +400°C.
Maintenance et précautions d'usage
La manipulation des thermostats, en particulier ceux à bulbe, nécessite des précautions rigoureuses.
Alors déjà, coupez le courant ! Un bon bricoleur est un bricoleur vivant. Lorsqu'on fait la maintenance d'un ballon électrique, il est nécessaire ensuite de réarmer le thermostat chauffe-eau. Pour le vérifier, il faut le tester. Il se peut que la cause provienne des branchements électriques ou des fusibles.
Pour éviter des problèmes de légionellose, il est fortement conseillé de régler la position de la température du chauffe-eau sur 60°C. À partir de 40°C, cette bactérie cesse de se reproduire mais n'est pas détruite. Généralement, ce système de régulation à canne ou embrochable comporte une plage de régulation entre 40°C et 120°C.
Avertissement sur la dangerosité des composants
Il faut être conscient que certains anciens modèles pouvaient contenir des substances dangereuses. Il est déconseillé de tenter d'ouvrir ou de sectionner un bulbe. La curiosité de voir comment est fabriqué le bulbe peut être dangereuse, car certains fluides anciens (comme le mercure) sont très polluants, et notre petite planète bleue est en danger.
Innovations et électronique de contrôle
L'évolution technologique a permis l'émergence de régulateurs électroniques qui, bien que différents des systèmes mécaniques classiques, remplissent des fonctions similaires avec une précision accrue.
Les capteurs de température fournissent un signal qui est une fonction proportionnelle à la température. Ce signal peut être une variation de résistance (Thermistances, Pt100) ou un signal en millivolts (Thermocouple). Ces régulateurs électroniques possèdent un affichage digital de la température, et sont d'une utilisation simplissime. Réglage simple et intuitif du point de consigne, à la portée d'utilisateurs non professionnels.
Ces appareils fonctionnent sur un principe différent des thermostats à dilatation de liquide. Ils fonctionnent selon un mécanisme simple, combinant le passage brusque de la forme concave à convexe d’un disque métallique lié à la brusque augmentation de pression interne due à l’ébullition d’un liquide dans une enceinte fermée. Comme le remplissage est effectué sous vide, toute fuite dans le train thermostatique provoque le déclenchement du mécanisme.
Intégration dans les systèmes de chauffage
Le choix du modèle dépend des besoins spécifiques de l'installation, de la précision requise et des fonctionnalités souhaitées.
- Chauffe-eau : Le thermostat à bulbe, souvent utilisé dans ces systèmes, repose sur un mécanisme de dilatation du fluide dans le bulbe pour assurer une régulation thermique précise. Il commande l'arrêt de la résistance chauffante une fois la température de consigne atteinte.
- Chambres froides : Le thermostat d'ambiance joue le rôle d'organe de régulation principal. Il coupe ou enclenche le contacteur KM1 commandant le groupe de condensation en fonction de la température détectée.
Il est important de noter que les thermostats à capillaire sont sujets à une dérive parasite due aux variations de température sur le capillaire et sur le soufflet. La différentielle des thermostats à bulbe et capillaire n’est habituellement pas réglable, et est de l’ordre de 2.5% de leur plage de température.
Sécurité positive et fiabilité
Dans les applications critiques, on utilise des limiteurs à sécurité positive. Une variante de ces limiteurs ouvre automatiquement les contacts si le capillaire ou le bulbe sont percés ou coupés. La membrane du train thermostatique est artificiellement gonflée. Une fuite provoque le dégonflement de la membrane en dessous de sa cote nominale à la température ambiante, et un mécanisme spécial détecte ce déplacement anormal similaire à la mesure d’une température ambiante très basse.
Ces appareils peuvent être utilisés comme système de sécurité de surchauffe derrière un thermostat mécanique ou un régulateur électronique. Ils existent en version unipolaire, bipolaire, tripolaire et quadripolaire. Ils possèdent un contact à ouverture par élévation de température. Certains modèles développés par des constructeurs spécialisés ont un contact inverseur unipolaire ou bipolaire. Ces thermostats sont les plus anciens systèmes de régulation de température, et le premier d’entre eux a été inventé par l’ingénieur Français Jean Simon Bonnemain en 1783.
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