Brevet FR2024168A1 — publié le 19700828

La présente invention a pour objet des perfectionnements aux résistances électriques et concerne une résistance électrique du genre perméable à un fluide de sorte que, lorsque le courant électrique traverse la résistance, la chaleur est transférée de la résistance perméable au fluide. Jusqu'à présent, des difficultés ont été rencontrées dans la réalisation d'éléments de ce genre présentant à la fois un degré exigé de perméabilité et une résistivité électrique convenable, par exemple permettant d'utiliser les éléments essentiellement pour chauffer le fluide, par exemple dans les chauffe-eau fonctionnant aux potentiels d'alimentation normalement disponibles. Des matières existantes possédant la perméabilité nécessaire aux fluides présentent soit une résistivité électrique très basse, comme par exemple le carbone poreux, soit une résistivité électrique très élevée, par exemple 11 alumine agglomérée, et elles exigent en conséquence I'utilisation d'une alimentation électrique à des potentiels spéciaux ou des transformateurs pour utiliser l'alimenstation du réseau. La présente invention est basée sur la reconnaissance du fait que les matériaux pour résistances électriques, tels que les maté riaux à base d'argile et de carbone, qu'on peut produire pour satisfaire à des exigences données de résistivité, en particulier pour les potentiels du réseau d'alimentation, pourraient être utilisés pour des réchauffeurs à résistance électrique perméable aux fluides si on pouvait les faire satisfaire à des exigences données de per méabilité. Dans la production antérieure des résistances électriques à base Argile et de carbone et des résistances semblables, il était usuel d'éviter ou de diminuer la porosité de la matière en la vitrifiant, et on a meme émaillé ou revAetu autrement des matériaux de faible porosité pour empêcher la pénétration de l'humidité. Au contraire, la présente invention implique la production délibérée d'une résistance électrique ayant une porosité relativement élevée et vmw perméabilité aux fluides en conséquence. S'suivant l'invention, une résistarjoe électrique perméable aux fluides est constituée par un conglomérat réfractaire de par ticules d'au moins deux matières, ayant respectivement une résistivité relativement élevée et une résistivité relativement faible, formant un- structure à cellules ouvertes, de sorte que la rsis- tance est perméable au fluide et preset la car:-ctéristiriue que la porosité apparente de la résistance n'est pas inférieure à 25 %. Une utilisation importante d'une résistance électrique sui vant l'invention est en particulier le chauffage d'un fluide, auquel cas la structure à cellules ouvertes est telle que la résistance est perméable au fluide de façon continue entre au moins deux des surfaces de la résistance, de façon à permettre la traversée du fluide, par exemple l'eau, qui est chauffé, et la structure est également de préférence telle, que la perméabilité de la résistance entre les surfaces procure un débit non inférieur à 0,1 millilitre d'eau par seconde à travers un cube de 1 cm de la matière, sous une pression de 50 mm de mercure à une température de 200 C. Une autre utilisation importante d'une résistance électrique suivant l'invention est d'éviter les difficultés pratiques ee pr4- sentant avec certains équipements électriques, notamment les dis joncteurs à circuit immergé dans l'huile. Quand on coupe un courant électrique par un disjoncteur, un arc peut se former entre les contacts se séparant et prolonger le processus d'interruption du courant. Cependant, avec un apparall pour potentiel élevé, des courants induits trbs élevés peuvent * former, jusqu'à ce que l'arc ait lieu, dans des circuit inducteurs associés au disjoncteur.Quand on utilise des disjoncteurs en on sociation aviez des appareils à potentiel élevé et intensité élevée, une quantité très considérable d'énergie est dissipée k chaque foEc- tionnement du disjoncteur et sa dissipation doit titre soigneusement mattrisée pour éviter des explosions, des incendies ou gement de l'appareil. Deux procédés courants pour mattriser l'arc consistent à le souffler par un courant d'air froid et k immerger les contacts dans de l'huile, qui possède une constante diélectrique élevée et peut emporter de l'énergie calorifique. On peut aider à contrôler le courant dans des disjoncteurs en reliant une résistance en shunt entre les contacts du disjoncteur, et on peut utiliser pour de tels dhunts les résistances électriques perméables aux fluides de l'invention à la condition qu'elles possèdent une dimension choisie de pores. Dans l'utilisation d'une telle résistance électrique perméable au fluide comme le shunt dans un disjoncteur immergé dans l'huile, l'huit remplissant les pores est rapidement chauffée par le courant traversant la résistance pendant l'ouverture du circuit et est expulsée des pores, en emportant ainsi rapidement de l'énergie loin de la résistance. Sgalemerlt, ainsi que cela est usuel dans les disjoncteurs immergés dans l'huile, celle-ci, qui possède une constante diélectrique élevée, sert à empÊcher que l'arc s'amorce et se ré-amorce, comme cela pourrait se produire entre des points formés par des particules de carbone sur la surface de la résistance. Une résistance suivant l'invention utilisée comme shunt dans un disjoncteur à immersion d'huile doit avoir une porosité totale d'au moins 25 % et de préférence comprise entre 25 et 30 %, et les pores doivent posséder une aire en section telle que l'on évite l'absence de coupure quand on injecte une quantité d'énergie aussi grande que cela aurait lieu dans la coupure du circuit. Par exemple, l'injection d'énergie pourrait dépasser 2.000 joules /cc, c'est-àdire être ae nature à porter la température de la résistance à environ 1.0000 C en 100 millisecondes. Une telle absence de coupure pourrait apparattre à cause des pressions internes élevées engendrées par suite du chauffage rapide de l'huile dans de petit pores. Avec la plupart des matières céramiques, les pores ne doivent pas non plus être trop grands, car cela pourrait conduire à des ré- sultats inférieurs, soit mécaniquement à cause de la diminution du nombre des liens entre les granulés, soit électriquement à cause de la formation superficielle de tries aux potentiels inférieurs. On a trouvé que si le diamètre théorique moyen des pores est de l'ordre de 1,3 t 0,1 micron pour une porosité de l'élément comcrise entre 25 % et 30 %, on évite la formation d'une pression excessive dans les pores. Une telle dimension des pores est à rapprocher d'un diamètre moyen des pores d'environ 1,0 micron pour une résistance normale en matière céramique. Contrairement aux résistances convenant pour le chauffage des liquides, les pores ne s'étendent pas nécessairement, mais peuvent s'étendre, entre deux surfaces de la résistance. I1 est uniquement exigé que les pores soient tels qu'ils permettent à la résistance de se saturer d'huIle et que l'huile soit expulsée comme décrit ci-dessus quand le disjoncteur fonctionne. Une résistance suivant l'invention peut être fabriquée en grande partie par des techliclues connues pour fabriquer des résis- tances électriques à l'argile et au carbone et des résistances semblables, sauf ou'il faut veiller à éviter une vitrification telle de la matière qu'elle mise a .'-' peme'bilité. En général, on veillera à éviter l'utilisation de consti tuants, en particulier de liants, qui se vitrifient au chauffage, une proportion importante de particules relativement grandes de la matière réfractaire de base sera incluse et on n'utilisera que des pressions modérées et un liant temporaire, c'est-à-dire volatile ou combustible, pour donner à la résistance sa forme avant de la cuire. Dans la fabrication de résistances suivant l'invention, on peut effectuer le contrôle de la dimension des pores et de la perméabilité en choisissant la dimension des grains de la masse mélangée du conglomérat à partir duquel la masse mise en forme est produite et en comprimant soigneusement la masse mise en forme avant la cuisson, Des conglomérats argile-carbone appropriés ont la composition suivante en poids, de matériaux de départ, les proportionsétant choisies variables pour satisfaire aux exigences électriques et à la perméabilité du fluide. Matière à résistivité élevée Particules d'une matière réfractaire, telle que de l'argile ou de l'alumine calcinées 40 - 90 % Matière à faible résistivité : Carbone ................................ 0,5 - 40 % Liant basique: Argile, telle que l'argile figuline et/ou la bentonite n s . . . . . . . . .. 3 - 50 % Des procédés pour produire des résistances électriques conformes à l'invention perméables aux fluides vont maintenant être décrits plus en détails On mélange intimement les matières avec ou sans eau suivant le genre de résistance à fabriquer, on le met en forme, par exemple par compression à sec, moulage ou extrusion, puis on cuit, par exemple à 1o2000 C - 10400 C, dans une atmosphère non oxydante ou réductrice. Dans le cas de la compression à sec, on peut utiliser un liant temporaire, par exemple de l'éthylène glycol à 3 % en poids, et la pression est de l'ordre de 75 barsO On peut revêtir ou gatner, en particulier en vue de l'isolation thermique, une ou plusieurs surfaces d'une résistance à travers lesquelles le fluide, qui peut entre un liquide ou un gaz, doit percoler. Une gaine ou couche thermiquement isolante peut etre formée sur 1 résistance Comme: a l'extérieur d'un élément cylindrique, par une couche faite des mimes matières que le corps de la résistance, mais dans des proportions différentes, les particules réfractaires de grande résistivité étant prédominantes, par exemple - matière réfractaire 80 - 89 % - argile . . . . . . . . 10 - 20 0 - carbone . . . . . . . . O - 2,5 % Le procédé ci-dessus convient en géneral pour produire des résistances pour chauffer un fluide. Ces résistances ont avantageusement une forme cylindrique.La résistance peut par exemple être cylindrique et creuse et présenter des bornes d'alimentation en électricité à ses extrémités, le fluide, dans ce eas, percolant d'une surface cylindrique à l'autre ; par exemple de l'eau peut pénétrer par percolation dans la surface extérieure et être vaporisée pour émerger sous forme de vapeur dans l'alésage. Dans une autre forme, l'élément est un disque cylindrique épais possédant une première borne à son centre et une seconde borne entourant sa périphérie, le fluide dans ce cas s1 écoulant axialement à travers le disque d'une des surfaces terminales vers l'autre. On décrit, ci-après, un procédé de production d'un shunt pour un disjoncteur à immersion d'huile, le procédé assurant non seulement la porosité désirée mais également la dimension désirée des pores. Afin de produire des éléments ayant une porosité totale comprise entre 25 et 30 % et une dimension des pores dtun diamètre de l'ordre de 1,3 micron, on produit dans n'importe quel équipement usuel de mélange de produits céramiques, par exemple un mélangeur planétaire ou un mélangeur dont les lames ont la forme de la lettre grecque sigma, le mélange suivant : - carbone . . . . . . . . . 0,5 - 40 % - matières céramiques de charge, par exemple argile calcinée, silex, zircone, talc et alumine . . . . . . . . . 40 - 90 % - et un liantà base d'argile, par exemple de l'argile fi guline, du kaolin ou de la bentonite O . o . . . .. 3 - 50 % Le diamètre des charges et atteindre environ 10 microns, l'argile un diamètre de particules de 1 micron et le carbone un diamètre de particule de 0,1 micron. A partir des invrsdierts céramique, on constitue une pâte avec de 11 eau et on ajoute le carbone à l'é- tat d'un lait de ciment. On sèche le mélange jusqu'à ce que sa teneur en humidité, comme déterminé par un "appareil de détermination rapide de l'humi- dité" (speedy moisture tester) soit comprise entre 6 et 7 %. On granule ensuite le mélange ainsi produit en le faisant passer à travers un tamis de mailles convenables, à savoir dont les ouvertures ont des dimensions de par exemple 1,00, 0,85 ou 0,71 , et on tamise les particules obtenues sur un tamis ayant des mailles plus petites, par exemple de 0,60, 0,50 ou 0,425 mm. On peut omettre cette dernière opération si l'on exécute le premier tamisage à une vitesse telle que les particules aient une dimension d'environ 0,50 mm et qu'il y ait de faibles écarts dans les dimensions des particulea. On obtient les pièces à cuire en comprimant la matière granuleuse dans des appareils à poinçon et matrice pour leur donner un densité de 2,35 + 0,05 g/cm3. On cuit ensuite les pièces comprimées. Pour la OuiS5oi, lea pièces sont avantageusement emballées dans des cassettes contenant du graphite en vrac qui se combine à l'oxygène éventuellement prévent dans le four pour procurer une atmosphère inerte. La tempSratur de cuisson est comprise entre 1.000 et 1.600 a et de préférence entre 1.200 et 1.4000 C, la température utilisée déterminant le degré de frittage. Enfin, on métallise les surfaces le oas échéant. On peut traiter par un revêtement empêchant la formation de tracee nuperti- cielles à la surface périphérique de la pièce culte On choisit la quantité du carbone utilisée dans le mélange pour procurer la résistivité désirée. Dans des essais, en utilisant une résistance ayant une résistivité de 100 #/cm comprimée à partir de particules sortant d'un tamis à mailles de 0,85 mm et retenues sur un tamis à mailles de 0,50 mm, et comprimée jusqu'à prendre une densité de 2,37 g/cm3, on a obtenu les résultats suivants z Durée du potentiel à 50 Hz Potentiel appliqué à la rupture (millisecondes) du disque en kV (rms) par pouce 45 8.1 85 7.1 115 6.1 175 501 245 4.6 La stabilité, après l'injection d'énergie, fut la: suivante Injection d'énergie en Durée d'injection en Modification de la joule par cc ms résistance en 390 200 + 0.19 500 300 + 0.22 530 300 + 0.22 560 350 + 0.16 Les résistances, qui sont avantageusement cylindriques, peuvent avoir un diamètre extérieur de 75 mm et une longueur de 25 mm avec un alésage d'un diamètre de 25 mm, et dans l'utilisation on peut enfiler un certain nombre de ces résistances sur une baguette isolante pour obtenir une résistance de 15 ohms pour des disjoncteurs dans des alimentations de 5 à 6 kV. REVENDICATIONS 1. Résistance électrique perméable à un fluide de sorte que lorsque la résistance est traversée par un courant électrique, de la chaleur est transférée de la résistance au fluide, caracbérisée en ce que la résistance est constituée par un conglomérat réfractaire de particules d'au moins deux matériaux, ayant respectivement une résistivité relativement élevée et une résistivité relativement fai- ble, formant une structure à cellules ouvertes, de sorte que la résistance est perméable au fluide et à une porosité apparente qui n1 est pas inférieure à 25 2. Résistance électrique suivant la revendication 1 pour chauffer un fluide, caractérisée en ce qu'elle est perméable au fluide de façon continue entre au moins deux des surfaces de la résistance de façon à permettre la traversée du fluide qui est chauffé. 3 Résistance électrique suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la structure est telle, que la perméabilité de la résistance entre les surfaces procure un débit non inférieur à O,E millilitre d'eau par seconde à travers un cube de 1 cm de na matiere sous une Pression de 50 mm de mercure à une température de 200 Co 4.Résistance électrique suivant la revendication 1 propre à être utilisée comme shunt dans un disjoncteur immergé dans lthuile, caractérisée en ce qu'elle a une porosité totale d'au moins 25 % et en ce que les pores ont une surface en section telle qu'on évite l'absence de coupure quand on injecte une quantité d'énergie aussi grande que cela aurait lieu dans la coupure du circuit0 So Résistance électrique suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la porosité totale de la résistance est comprise entre 25 et 30 %0 6o Résistance électrique suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le diamètre moyen des pores est 1,3 + 0,1 micron. 70 Disjoncteur à circuit immergé dans l'huile possédant un shunt suivant l'une des revendications 4, 5 et 6. 8o Réchauffeur de fluide dans lequel l'élément chauffant est une résistance selon l'une des revendications 2 ou 3. 9. Résistance électrique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le conglomérat argile-carbone a, en poids, la composltion générale suivante en matériaux de départ : Matière à résistivité élevée : Particules d'une matière réfractaire, telle que l'argile 11 alumine calcnée . . . . . . 40 - 90 % Matière à faible résistivité t Carbone . . . . . . . . . . . . . 0,5 - 40 fio Liant basique Argile, telle que l'argile figuline et/ou la bentonite . . . . . . . . 3 - 50 % 10.Procédé de fabrication dtune résistance électrique ayant une perméabilité désirée à un fluide, caractérisé en ce luron mélange intimement, avec ou sans eau, dans des proportions choisies, un matériau à résistivité élevée, un matériau à résistivité faible et un liant basique, en ce qu'on met le mélange résultant en forme, par exemple par compression à sec, moulage ou extrusion, en utilisant éventuellement un liant temporaire et en ce qu'on cuit les pièces ainsi produites dans une atmosphère non oxydante ou réductrice en évitant toute vitrification qui diminuerait la perméabilité de la résistance obtenue. 11. Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'on exécute la cuisson à une température comprise entre 1.ou8 et 1.6000 C, et de préférence entre 1.200 et 1.4000 C. 12. Procédé suivant la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisé en ce qu'avant de mettre le mélange sous forme de pièces, on le granule et on utilise des grains de dimension choisie pour produire les pièces. 13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'on choisit les grains de façon qu'ils traversent un tamis ayant des mailles de 1,00, 0,85 ou 0,71 mm. et qu'ils soient retenus par un tamis ayant des mailles de 0,60, 0,50 ou 0,425 mm. 14. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'on choisit une dimension de grains d'environ 0,50 mm. 15. Procédé suivant l'une des revendications 12, 13 et 14, caractérisé en ce qu'on produit les pièces de façon qu'elles aient une densité de 2,35 + 0,50 g/cm3.