Brevet FR2194103A1 — publié le 19740222

La présente invention concerne un four chauffé électrique ment au moyen d'éléments chauffants en céramique. Dans l'article "Conception et Rendement de fours électriques munis de résistances réalisées à l'aide d'oxydes métalliques" dans la publication "Journal of the American Ceramic Society", pages 333 à 339, est décrit un four chauffé électriquement qui comporte un élément chauffant cylindrique en céramique, disposé verticalement. Cet élément chauffant cylindrique est relié à ses extrémités axiales à une source de courant. De tels fours chauffés par résistance ont l'inconvénient considérable que la courbe de variation de la résistance électrique de l'élément chauffant en céramique,fonction de la température, est négative. Dans le cas du fonctionnement sous tension constante, il en résulte par conséquent une instabilité qui peut conduire à un refroidissement indésirable ou à une surchauffe indésirable et à la destruction du four. Dans l'article précité, il est indiqué qu'il n'existe pas de juste milieu.Cet inconvénient ne peut etre surmonté qu'en utilisant une résistance série imporsante daims laquelle est développée une puissance considérable ou qu'en utilisant un dispositif de régulation coûteux qui régule la puissance électrique fournie en fonction de la température. A cause d coefficient de terérature négatif des éléments chauffants en céramique, il n'est également pas possible de connecter en parallèle plusieurs éléments chauffants sans prévoir des dispositions distinctes en vue de la stabilisation de chaque élément. On ne peut, par conséquent, pas envisager une application pratique du montage en parallèle. Un autre inconvénient d'un four avec un élément chauffant en céramique cylindrique réside darB le fait qu'il se produit un effet de canalisation du courant. Cet effet s'explique de la même manière que l'effet apparaissant dans le cas de la connexion en pa rallèle d'éléments chauffants. Cette cava satin conduit non seulement à une production de chaleur irréguère, irais, par zone de conséquence également, à des surchauffes et à des destructions de l'élément chariffant.Pour cette raison, des fours e ce type n'ont éi-é jusau'ici pratiquement réalisés qu'en très petites dimensions. Dans la demande de brevet allemand publiée n 1,966.175 a été décrit un four chauffé électriquement qui et en oeuvre un élément chauffant en céramique qui, tout en étant cylindrique, est partiellement fendu selon un plan axial. Le courant circule dans l'une des moitiés du cylindre jusqu'à 'extrémité et âe là revient par l'autre moitié. Ainsi, le risque de canalisation du courant est réduit mais il n'est cependant pas complètement exclu. En outre, ce léger avantage est plus que compensé par une forme ex traordinairement compliquée de l'élément chauffant et par le risque de ruptures ainsi créé.Un risque accru de canalisation du courant demeure également dans la zone dans laquelle le courant circule autovr des extrémités des fentes. Dans cette zone se produit un étxanglement du courant, de même qu'une canalisation, qui conduit à nouveau aux risques et inconvénients déjà mentionnés. L'article précité décrit un four chauffé électriquement qui utilise des éléments chauffants céramiques annulaires, qui sont alimentés inductivement par une bobine d'induction extérieure. I1 est expliqué dans l'article que ce mode d'alimentation ne présente aucune instabilité, ce qui résulte du fait que si la puissance absorbée par le four chaud décroît lorsque la température monte, la pénétration du champ magnétique diminue du fait que la résistance décroit lors de l'accroissement de la température. L'alimentation par induction est cependant extrêmement comateuse, car elle nécessite un générateur à haute fréquence. En outre, des dispositions particulières doivent être prises en vue de la protection contre le rayonnement perturbateur.L'économie des dispositifs de régulation est plus que compensée par conséquent par la complexité de la source d'alimentation. L'invention a pour objet de réaliser un four chauffé électriquement au moyen d'un élément chauffant en matériau céramique tel qu'une alimentation sous tension constante soit possible sans qu'il apparaisse des instabilités. le problème se trouvant à la base de l'invention est résolu par le fait qu'au moins deux éléments chauffants sont connectés en série par l'intermédiaire d'un pont d'éclatement. On a constaté que grâce au fait d'intercaler des ponts d'éclatement qui sont par exemple formés de façon tout à fait simple entre les éléments chauffants superposés, on peut obtenir un fonc 'ionnemer.t stable. On ne peut expliquer de façon précise à quoi est dû cet effet. Vraisemblablement le pont d'éclatement entre les éléments chauffants présente une variation de résistance telle que la résistance dynamique négative du matériau céramique des éléments chauffants se trouve compensée. elon une autre caractéristique de l'invention, les parties reposant les unes sur les autres des éléments chauffants présentent des aspérités. Grâce à ces aspérités, les distances explosives des ponts d'éclatement sont allongées. I1 est naturellement également possible, grâce à un écartement approprié, de fixer une longueur convenable à la distance explosive. Selon une autre caractéristique de l'invention, les éléments chauffants sont constitués par des barres allongées, de préférence de section rectangulaire. Grâce à cette forme de réalisation on évite en même temps, au moins partiellement l'effet de canalisation.. La forme allongée des éléments chauffants fait que le courant traverse obligatoirement toute la section. En outre, grâce à cette forme, on évite tout particulièrement l'apparition de contraintes thermiques. les barres peuvent en effet se déplacer librement à leurs extrémités. Selon une autre caractéristique de l'invention, les éléments chauffants en forme de barres sont courbés en forme d'anneau, leurs extrémités n'étant cependant pas en contact. Ces barres courbées en forme d'anneau entourent ainsi la chambre interne du four et déterminent également la forme de celle-ci. Naturellement, il est également possible de former un empilage quelconque d'éléments chauffants allongés de forme longitudinale quelconque en vue de la réalisation de formes quelconques pour la chambre interne du four. Selon une autre caractéristique de l'invention, les éléments chauffants en forme de barres sont empilés les uns au-dessus des autres et sont réunis de façon alternée à leurs extrémités pour former des méandres au moyen de pièces de liaison conductrices qui sont de préférence en le même matériau céramique que les éléments chauffants. Cette forme est particulièrement simple à réaliser. les pièces de liaison sont constituées par exemple tout simplement par des éléments chauffants annulaires sciés. Selon une autre caractéristique de l'invention, les pièces de liaison sont réalisées, chacune avec l'un des éléments chauffants annulaires à réunir, en une seule pièce qui, en développement, a sensiblement une forme en L. Grâce à cette forme de réalisation, il n'existe entre deux éléments chauffants qu'un seul pont d'éclatement. Ceci rend possible une adaptation de la courbe de la résistance en fonction de la température. Cette disposition fixe également la position des pièces de liaison. Selon une autre caractéristique de l'invention, les éléments chauffants en forme de barres sont maintenus séparés les uns des autres par des entretoises isolantes. De cette façon les éléments chauffants sont soutenus de manière que, même dans le cas de tempé- ratures très élevées pour lesquelles leur résistance mécanique diminue, ils soient suffisamment soutenus. Ceci est particulièrement important lorsque de nombreux éléments chauffants sont empilés les uns sur les autres. Selon une autre caractéristique de l'invention, en plus de la pièce de liaison servant également à l'écartement dans le cas d'une réalisation annulaire des éléments chauffants, il est prévu deux entretoises isolantes oui ont de préférence entre elles des écartements périphériques égaux. De cette manière les entretoises et la pièce de liaison forment un appui à trois points qui assure un appui particulièrement stable pour les éléments chauffants. De préférence les entretoises ou les pièces de liaison, qui ont la même fonction, sont disposées les unes au-dessus des autres sous une forme alignée, de sorte que les éléments chauffants ne sont soumis à aucune flexion sous l'effet du poids des éléments chauffants qui se trouvent au-dessus. Selon une autre caractéristique de l'invention, les éléments chauffants en forme de barres forment des demi-anneaux qui sont empilés en se recouvrant partiellement en forme d'hélice, des entretoises isolantes étant disposées entre les différentes spires de l'hélice. Dans ce cas, on obtient d'une façon générale un plus grand écartement entre les éléments chauffants superposés. le courant ne circule pas selon un parcours en méandres,mais selon un parcours en hélice. Dans ce cas, selon une autre caractéristique, les éléments chauffants forment des demi-anneaux, deux demi-anneaux adjacents ayant, dans cette disposition en hélice, leurs surfaces terminales superposées. Selon une autre caractéristique de l'invention, les entretoises isolantes sont en forme de U, les branches des entretoises étant disposées entre les éléments chauffants à maintenir écartés tandis que le dos du U est écarté du four. Grâce à cette forme et cette position des entretoises, les dos des entretoises en U se trouvent dans une région plus froide où ils ont une température à laquelle un matériau céramique présente une résistance d'isolement plus élevée. l'invention sera décrite plus en détail ci-après sous forme d'exemples de réalisation avec référence aux dessins ci-arunexés dans lesquels Fig. 1 est une vue en perspective d'un exemple de réalisa tion de l'invention comportant des éléments chauffants annulaires empilés pour former des méandres. Fig. 2 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation de l'invention comportant des éléments chauffants en forme de demi-anneaux, empilés en hélice. Fig. 3 représente schématiquement des éléments chauffants disposés en hélice horizontale. Fig. 4 représente un exemple de réalisation avec des éléments chauffants en forme de L disposés selon un plan. Fig. 5 est une vue en perspective d'un élément chauffant de l'exemple de réalisation selon la figure 4. Fig. 6 représente un exemple de réalisation d'une entretoise isolante selon l'invention. A la figure 1, plusieurs éléments chauffants annulaires 1, 2 et 3 sont empilés avec un espacement. L'espace interne qu'ils aélimitent constitue la chambre du four. Entre les extrémités 4 et 5 des éléments chauffants 1 et 2 est intercalée une pièce de liaison 6 qui est obtenue par sciage d'un élément chauffant et qui correspond à la forme d'un des éléments chauffants 1 à 3. De la meme manière, entre les extrémités 7 et 8 des éléments 2 et 3, est intercalée une pièce de liaison 9. le courant circule ainsi en méandres dans le sens des flèches 10, 11, 12 et 13 à travers les éléments chauffants empilés. Entre les extrémités non réunies 14 et 7 ainsi que 5 et 15, sont intercalées des entretoises isolantes 16 et 17. En outre, sur le côté en vis-à-vis sont encore intercalées des entretoises 18. L'entretoise correspondant à l'entretoise 18 entre les éléments chauffants 2 et 3 n'est pas représentée sur la figure. Le matériau pour les éléments chauffants 1 à 3 qui convient particulièrement est l'oxyde de zirconium (Zr02) qui est stabilisé. La figure 2 représente des éléments chauffants 20, 21, 22, 23 et 24 en forme de demi-anneaux qui sont superposés de manière que leurs extrémités se recouvrent et forment ensemble une disposition en hélice à travers laquelle le courant peut circuler dans le sens des flèches 25 à 28. Dans le cas de cette forme de réalisation, des pièces de liaison sont superflues. Dans la zone des recouvrements sont disposées des entretoises isolantes 29 et 30 qui maintiennent écartées les unes des autres les spires de la disposition en hélice0 La figure 3 représente sur le côté gauche un élément chauf fant 31 en forme de demi-anneaux qui présente en plus, mais non né cessairement, sur ses surfaces terminales, des plaques 32 et 33. Par l'intermédiaire de ces plaques qui forment des pièces de liaison, on peut disposer en hélice plusieurs éléments chauffants conformément à la représentation donnée sur le côté droit de la figure 3. Chaque élément chauffant s'appuie ainsi par ses surfaces terminales sur les surfaces terminales des éléments chauffants sousjacents. Ia figure 4 représente un exemple de réalisation dans lequel des éléments chauffants 34 en forme de L sont superposés de manière que le courant circule en méandres dans le sens des flèches 35. les branches courtes des éléments chauffants en forme de L constituent en pratique les pièces de liaison. Dans ce cas, là où aucune branche courte n'assure le soutien entre deux éléments chauffants voisins, on prévoit des entretoises 36. Tout à fait en dessous du dispositif sont disposées deux entretoises 36 pour réaliser la compensation en hauteur correspondant à la longueur ou à la largeur des branches. Naturellement la longueur des branches courtes est quelconque, de sorte que la densité de puissance est variable. les ponts d'éclatement sont formés entre les surfaces d'appui entre la branche courte et la branche longue de deux éléments chauffants adjacents. La figure 5 représente un élément chauffant 34 en forme de L du type rentrant dans le dispositif de la figure 4 . Dans cette représentation on distingue la surface terminale carrée 37 qui constitue, conjointement avec la surface en vis-à-vis de la branche longue d'un élément chauffant adjacent 34, le pont d'éclatement. la figure 6 représente une entretoise 38 qui est réalisée en forme de U et présente un dos 39 ainsi que des branches 41 et 42 qui maintiennent écartés deux éléments chauffants 43 et 44 qui sont uniquement visibles par leurs surfaces terminales. L'entretoise 38 en forme de U est disposée de manière que son dos 39 s'écarte de l'intérieur du four et se trouve ainsi dans une zone plus froide. l'entretoise 38 constituée en matériau céramique présente ainsi, dans la région de son dos 39, conformément au comportement connu de la résistance du matériau céramique, une résistance élevée et de ce fait de bonnes propriétés d'isolement. EXE.SIE Un four a été réalisé-conformément à la figure 1. Les éléments chauffants et les pièces de liaison étaient en oxyde de zir conium (Zr02). les éléments chauffants avaient un diamètre intérieur de 50 mm, une hauteur de 22 mm et une casseur de paroi de 8 mm. Ia hauteur des pièces de liaison était de 20 mm. Après préchauffage du four par un élément chauffant extérieur à environ 1.300"C, une tension a été appliquée qui a fait circuler un courant suffisant pour élever la température des différents éléments chauffants. Pour éviter une montée en température trop rapide, la tension a été réduite à des intervalles de 15 minutes. Les résultats ont été les suivants Température (OC) Tension (V) Intensité (A) 1280 400 4 1310 415 4,3 1400 380 5 1440 375 5,5 1480 370 6 1500 370 6 Les résultats montrent clairement l'obtention d'un point stable. L'essai a été poursuivi pendant plusieurs heures sans qu'une instabilité apparaisse. REVEND I C T IONS 1.- Un four chauffé électriquement au moyen d'clémentschauf- fants en céramique, caractérisé en ce qu'au moins deux éléments chauffants sont réunis en série par l'intermédiaire d'un pont d'éclatement. 2.- UTn four selon lequel la revendication 1, caractérisé en ce que le pont d'éclatement est formé entre des parties superposées des éléments chauffants. 3.- Un four selon la revendication 2, caractérisé en ce que les parties superposées des éléments chauffants présentent des aspérités. 4.- Un four selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments chauffants sont constitués par des barres allongées de préférence de section rectangulaire. 5.- Un four selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments chauffants en forme de barres sont courbés en forme d'anneau ouvert, leurs extrémités n'étant pas en contact. 6.- Un four selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les éléments chauffants en forme de barres sont empilés et sont réunis de façon alternée à leurs extrémités au moyen de pièces de liaison conductrices de manière à former des méandres, les pièces de liaison étant constituées de préférence en le même matériau céramique que les éléments chauffants. 7.- Un four selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque pièce de liaison est réalisée en une seule pièce avec un élément chauffant annulaire, ladite pièce présentant en développement sensiblement une forme en T. 8.- Un four selon la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments chauffants en forme de barres sont maintenus séparés les uns des autres par des entretoises isolantes. 9.- Un four selon la revendication 8, caractérisé en ce qu1 en plus de la pièce de liaison qui assure également l'écarte- ment dans le cas d'une réalisation annulaire des éléments chauffants, on prévoit deux entretoises isolantes présentant de prefé- rence des écartements périphériques égaux. 10.- Un four selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments chauffants en forme de barres forment des demi-anneaux qui sont superposés en hélice en se recouvrant partiellement, des entretoises isolantes étant disposées entre les différentes spires de I'nlice. 11.- Un four selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments chauffants constituent des demi-anneaux, deux demianneaux adjacents dans une disposition en hélice étant en contact par leurs surfaces terminales. 12.- Un four selon la revendication 8, caractérisé en ce que les entretoises isolantes sont en forme de U dont les branches sont disposées entre les éléments chauffants qui doivent être maintenus écartés tandis que le dos du U s'écarte du four.