Brevet FR2167674A1 — publié le 19730824

L'invention concerne un élément chauffant électrique de forme tubulaire constitué par au moins un filament chauffant, noyé dans un isolant, un tube intérieur enveloppant totalement l'isolant et un tube extérieur monté sur le tube intérieur. On utilise des éléments chauffants électriques tubulaires pour de nombreux emplois. Ils sont surtout répandus pour le chauffage direct de liquides, plus spécialement dans les chauffe-eau, les machines à laver le linge ou la vaisselle ; on les emploie cependant aussi pour le chauffage indirect sous la forme de réchauds à plaques tubulaires. Ces emplois très variés créent des problèmes fort divers, mais celui que pose la corrosion est, sans aucun doute, commun à toutes ces utilisations. Si la corrosion est accompagnée par une usure mécanique et une érosion, il est indispensable de prendre des mesures spéciales destinées à porter à une valeur rentable la durée de vie des éléments tubulaires. Parmi les nombreuses mesures destinées à combattre la corrosion, on en est arrivé, de plus en plus, au cours des dernières années, à adopter celle qui consiste à confectionner les éléments tubulaires avec une enveloppe d'acier inoxydable. Bien que cette méthode eût considérablement accru la durée de vie des éléments chauffants, elle n'a pas pour autant résolu complètement le problême de la corrosion. Il s'est, en effet, avéré que les éléments chauffants munis de tubes en acier inoxydable étaient soumis à un phénomène dénommé "corrosion fissurante sous tension dont la théorie n'a pas encore complètement élucidé les causes. Ainsi, lorsqu'une pièce en acier inoxydable au chrome-nickel est soumise en même temps à une contrainte mécanique et à une corrosion, on peut voir apparaître dans la zone d'action de la contrainte, sous l'influence de la corrosion, des fissures transcristallines qui se propagent rapidement versl'interieur et aboutissent à la destruction de la pièce. Ce phénomène est relativement fréquent, dans les éléments chauffants sous tubes en acier inoxydable, lorsque ces éléments travaillent dans une eau à forte teneur de chlorions. On peut observer le même phénomène sur les plaques tubulaires de réchauds de cuisine, sur lesquelles il se produit, outre la corrosion, une oxydation due à la température élevée et une usure mécanique par le frottement des récipients qui glissent sur les tubes. Pour combattre cette corrosion fissurante de contrainte, il a été proposé précédemment d'appliquer à la surface des tubes chauffants une couche protectrice métallique, par exemple en nickel. On obtient un effet particulièrement avantageux en provoquant une diffusion de cette couche métallique dans la surface traitée, gracie à un traitement thermique à des températures de 9000 à 12000C. Toutefois, si l'on monte un élément chauffant tubulaire ainsi protégé par une couche de nickel dans un réservoir constitué d'un matériau moins oxydant encore que le nickel dans le liquide à chauffer, la couche de nickel sera enlevée au bout d'un certain temps par électrolyse ; les conditions de l'apparition de corrosion fissurante seront alors créées. Au cours d'un essai pratique, on a monté sur 100 chauffe-eau pourvus d'un réservoir en acier inoxydable au nickel-chrome, des éléments chauffants de forme tubulaire confectionnés en acier inoxydable au nickel-chrome et recouverts d'une couche protectrice en nickel qu'on avait fait diffuser dans l'acier inoxydable. Ces 100 chauffe-eau ont fonctionné dans une région où l'eau contenait des chlorions et avait une dureté de 20 environ (norme allemande).Au bout de 10 mois environ de fonctionnement, les premières défaillances par corrosion fissurante des éléments de chauffage se produisirent; la mise hors service des autres éléments suivie assez rapidement. Les examens effectués ont montré que la couche de nickel avait disparu. Ce fait doit etre attribué à l'usure électrolytique de la couche. Actuellement, on utilise, pour la confection des éléments chauffants tubulaires, exclusivement des tubes soudés toutes les fois que ceux-ci sont en acier pur, en acier au nickel-chrome ou en un alliage quelconque de fer, nickel et chrome. La raison pour laquelle on n'utilise pas de tubes non soudés tient, d'une part, au prix nettement plus élevé de tels tubes et, d'autre part, au fait que les lubrifiants nécessaires pour pouvoir tirer les résistances à l'intérieur de ces tubes sont difficiles à enlever et ne peuvent l'être complètement avec certitude. Or, si de tels lubrifiants pénètrent à température plus élevée dans la masse de l'isolant en oxyde de magnésium, le pouvoir isolant de ce matériau est sensiblement réduit. Dans les tubes soudés, il peut arriver que des défauts, par exemple des porosités, se manifestent dans le cordon de soudure.Si ces pores traversent l'épaisseur du tube de part en part, ils pourront être détectés, par exemple lors d'un essai de pression, et- les pièces seront mises au rebut. Toutefois, il arrive aussi que ces pores provoquent uniquement un affai blissement local de la paroi dans le cordon de soudure. Dans ce cas, les défauts ne sont pas détectés au cours dlune vérification systématique en série. Ce n'est qu'au cours du fonctionnement de l'élément chauffant que, par suite des contraintes résultant des variations de température, des fissures pourront se former à partir des pores, provoquant alors la pénétration du liquide chauffé et, & plus longue échéance, la mise hors service de l'élément chauffant. Un autre danger encore menace le cordon de soudure : en effet, la superficie de celui-ci est, en principe, plus rugueuse que celle du reste du tube et, de ce fait, le nickelage de la zone correspondante sera moins parfait. L'invention a donc pour but de créer des éléments chauffants tubulaires ayant une durée de vie plus longue et ne subissant pas de détérioration à la suite de l'apparition de fissures dues à la corrosion sous contrainte de tension. Ce but est atteint, selon l'invention, en plaquant le tube extérieur sur le tube intérieur par compression de manière que ce dernier soit soumis à une pression à composante radiale, les fissures qui peuvent se produire dans le tube extérieur, sous l'influence de la corrosion fissurante sous contrainte, de défauts locaux dans le cordon de soudure, de sollicitations mécaniques excessives ou de tensions internes dues aux variations de température, ne pouvant alors se propager jusqu'à la matière isolante de l'élément, et la pénétration du fluide qui entoure l'élément et qui s'inf litre entre les tubes extérieur et intérieur étant alors limitée au voisinage immédiat de la fissure. L'allongement important ainsi obtenu de la durée de vie des éléments chauffants peut s'expliquer par les effets cités ciaprès et par leur combinaison. Une corrosion fissurante sous contrainte se produit uniquement lorsqu'un corps métallique est soumis à une contrainte de tension, mais ne se produit jamais lorsqu'il s'agit d'une compression.Etant donné que la compression radiale exercée par le tube externe sur le tube interne est choisie supérieure aux tensions longitudinales éventuelles apparaissant dans le tube interne, aucune tension ne peut se produire dans le tube interne et aucune fissure de corrosion sous tension ne peut y apparaîtrE. Ainsi; les fissures de tension du tube externe ne pourront dépasser la surface extérieure du tube interne, où elles se termineront sans pouvoir se propager au-delà. Etant donné que, contrairement aux modes d'exécution connus, le tube externe est plaqué parfaitement sur le tube interne sur lequel il est adapté par compression, un fluide -de l'eau par exemple-, qui aurait pénétré dans le tube externe par une fissure de tension, ne pourrait pas cheminer entre les deux tubes et y rencontrer, le cas échéant, un point légèrement poreux, voire un pore du cordon de soudure du tube interne. Indépendamment du problème de la corrosion fissurante de tension, les pores isolés du tube interne comme ceux du tube externe sont inoffensifs. De telles porosités microscopiques sont souvent difficiles à éviter. Pourtant si, au cours de plusieurs mois, l'humidité pénètre, même sous forme de traces, dans le matériau isolant des éléments de chauffage, le coefficient diélectrique se trouve considérablement abaissé. Mais si l'on applique le procédé préconisé selon l'invention, il est improbable qu'une porosité microscopique éventuellement présente dans le tube externe puisse se trouver dans le prolongement exact d'une porosité correspondante du tube interne. I1 est possible de choisir les deux tubes de telle façon que leur épaisseur commune ne dépasse pas celle de la paroi unique d'une enveloppe tubulaire classique d'élément chauffant et, par conséquent, l'élément chauffant construit selon l'invention ne se distingue pas des éléments tubulaires ordinaires par la conductibilité thermique et les autres propriétés. Les avantages substantiels ainsi obtenus ne sont donc compensés par aucun inconvénient. I1 a déjà été proposé de combattre la corrosion qui attaque les tubes chauffants utilisés pour le chauffage de l'électrolyte des bains galvano-plastiques, en recouvrant la surface extérieure des tubes d'une gaine isolante en titane. Cette méthode constitue pratiquement un pis-aller, car le titane ne peut être soumis sans détériorations sensibles aux opérations mécaniques nécessaires pour la confection d'un tube chauffant on entoure donc un tube chauffant déjà confectionné d'un tube indéformable de titane qui formera une partie de l'élément chauffant non soumise à des sollicitations mécaniques. Comme, d'autre part, le titane est bien trop onéreux pour une production économique d'objets en grande série comme les tubes chauffants mentionnés ici, la proposition d'utiliser un tube externe en titane n'a pas apporté de progrès jusqu'à présent. Au de meurant, la mise en place du tube en titane s'effectue en faisant glisser l'élément chauffant, muni de son tube interne, dans le tube externe en titane sans appliquer ensuite ce dernier sur le premier par martelage, compression, etc., procédés sui fourni raient une bonne jonction thermique entre les deux tubes, et l'in terstice annulaire qui se forme ainsi entre eux détériore consi dérablement la conduction thermique.Or, il est précisément né cessaire d'avoir une bonne conduction de la chaleur dans les éléments chauffants qui subissent des fatigues considérables, afin d'éviter les accumulations de chaleur sur le tube interne et la surcharge thermique de celui-ci. En outre, le tube interne n'est pas sous compression. I1 existe d'autres tubes chauffants dans lesquels le filament et l'isolant sont logés dans un tube pourvu d'une fente longitudinale. Un tube externe est ensuite emmanché sur ce tube fendu. L'objet de la fente longitudinale du tube interne est de pouvoir comprimer l'isolant de l'élément chauffant à l'aide d'une opération d'étirage de la gaine extérieure sans tendre ni endomma ger le filament fragile. Ce procédé implique que le tube interne avec sa fente longitudinale, qui entoure la masse d'isolant, n'oppose aucune résistance radiale lorsque le diamètre du tube externe fermé est rétréci, et qu'il se laisse pratiquement écraser sans résister. La fente longitudinale est, dans cet ordre d'idées, abso lument indispensable. Elle doit être assez large pour conserver la résilience radiale de l'enveloppe interne jusqu'à ce que l'étirage du tube externe ait suffisamment compacté la masse d'isolant. Compte-tenu des tolérances inévitables de fabrication, par exemple la variation de la quantité d'isolant ou des dimensions du tube interne, on doit choisir la largeur de la fente de telle façon qu'elle ne se ferme jamais complètement, même dans des conditions limites. Mais alors ces tubes chauffants sont soumis aux mêmes dangers de corrosion fissurante que les tubes ordinaires : lors qu'une telle fissure se produit dans le tube externe, le fluide qui entoure l'élément, l'eau par exemple, peut pénétrer dans la masse de l'isolant par la fente longitudinale. Compte-tenu de cet état de la technique, l'invention propose un tube chauffant dans lequel les défauts du cordon de soudure tels que des porosités ou un nickelage insuffisant n'ont aucun effet, et où les conséquences nocives de la corrosion fissurante peuvent être supprimées dans des conditions économiques. Lorsque le tube extérieur a reçu une couche de protection de nickel, diffusé moléculairement le cas échéant, pour le protéger contre les corrosions fissurantes, l'élément chauffant conçu selon l'invention résiste encore aux fissures de tension même si la couche de nickel est enlevée par des phénomènes électrolytiques ou mécaniques. Dans un mode d'exécution préférentiel du tube chauffant selon l'invention, le cordon de soudure du tube externe est suffisamment décalé par rapport à celui du tube interne pour qu'un défaut d'étanchéité ou une porosité du cordon du tube externe débouche endehors du cordon de soudure du tube interne. Comme l'expérience l'a prouvé, l'emploi d'un tel tube double permet, tout en obtenant une durée de vie multiple de celle d'un tube simple, de conserver sensiblement la même conductibilité thermique malgré la présence d'un second tube externe. Un certain perfectionnement résulte là encore du choix de l'épaisseur des tubes, qui ne sera que moitié de celle d'un tube unique correspondant, l'épaisseur totale de l'enveloppe tubulaire métallique étant ainsi inchangée. La fabrication d'un tel tube chauffant double peut consister à confectionner d'abord un tube chauffant ordinaire, sur lequel on emmanchera ensuite un second tube lequel sera bien relié thermiquement au premier par laminage, martelage ou compression. On peut aussi introduire le filament directement dans le tube double et procéder, après garnissage par l'isolant, à la réduction du diamètre laquelle entraîne une liaison thermique complète entre les deux tubes. I1 n'est pas question de les réunir par soudage, etc., car une fissure éventuelle du tube externe ne doit pas pouvoir se propager dans le tube interne. La conductibilité thermique ne doit résulter que de la compression, suffisamment élevée. L'expérience a montré que, dans un élément chauffant à deux tubes, une fissure qui apparaît dans le tube externe peut se propager jusqu'à la face interne de celui-ci, mais y est arrêtée. La raison en est qu'en pratique les conditions d'une corrosion fissurante sous tension, -porosités ou défauts du nickelage-, ne sont jamais réunies en deux points correspondants des deux tubes. Ainsi, le tube chauffant reste en état de fonctionner malgré la fissure du tube externe.Aussi, dans les cas où il fallait jusqu'à présent utiliser des matériaux en alliages de haute qualité pour éviter les attaques locales de la corrosion, surtout de la corrosion fis surante sous tension, on peut à présent se contenter d'alliages à faible teneur de métaux nobles. I1 en résulte une économie certaine pour un objet de valeur d'usage identique, mais en premier lieu une sécurité d'emploi accrue de fonctionnement de tels éléments chauffants puisque, par suite de la jonction étroite entre le tube externe et le tube interne, il est pratiquement impossible que le fluide à chauffer puisse pénétrer entre les deux surfaces en contact. I1 est également possible de confectionner les tubes externe et interne à l'aide de morceaux de faible longueur.L'expérience montre que, dans le soudage de tubes, il se produit un rebut de 8% à 10% de tubes courts, ce qui provient du fait qu'en soudure continue, les morceaux défectueux doivent être extraits. Ces tubes courts sont considérés comme de la ferraille faute drem- ploi. Or, il est désormais facile d'utiliser ces tubes courts dans la fabrication d'éléments chauffants à double gaine, soit comme tubes externes, soit comme tubes internes. La probabilité de la présence d'un défaut du tube continu au point précis de jonction de deux éléments de l'autre tube est infime, comme l'expérience l'a démontré. Selon l'utilisation très variée de ces éléments, on peut réaliser les combinaisons les plus diverses. Pour une plaque de cuisine ou pour une résistance chauffante de chauffe-eau, on confectionnera par exemple les tubes externe et interne en acier inoxydable à chaud et à froid, à faible teneur 18% de chrome et 8% de nickel. On peut songer, en outre, à améliorer la résistance à la corrosion des deux tubes par la diffusion du nickel, précédemment évoquée. Si, dans le cours du temps, cette couche de nickel diffusée dans l'enveloppe externe de la gaine disparaît sous l'effet dé l'usure mécanique ou électrolytique, créant ainsi les conditions d'une corrosion fissurante sous tension, le tube interne n'en restera pas moins protégé contre un tel phénomène, même dans le cas où il apparaîtrait sur le tube externe et où une fissure progresserait jusqu'à la surface intérieure de ce dernier. Pour augmenter la conductibilité relativement médiocre des éléments chauffants en acier inoxydable et la distribution peu favorable de la chaleur, on peut encore songer à combiner un tube externe en acier inoxydable et un tube interne en cuivre. Etant donné que l'apparition de corrosions fissurantes sous tension est favorisée par l'augmentation de la température, les bouts non chauffés d'un tube chauffant y sont bien moins exposés que la partie chauffée. On peut donc limiter le tube externe à la longueur chauffée. Toutefois, on peut aussi garder le tube externe à l'une des extrémités non chauffées de l'élément avec son diamètre initial pour obtenir un interstice annulaire, ou bien encore donner au tube interne, dans cette zone, une section de périmètre différent de celle du tube externe. I1 faut entendre par là qu'en emboîtant les deux tubes ou en emmanchant le tube externe sur le tube interne, il subsistera localement un interstice suffisant pour y installer un organe thermométrique ou de régulation.Cet interstice peut alors être rempli d'un liquide à dilatation ou à évaporation relié à l'extrémité du tube à un pressostat, ou bien encore on peut y loger le palpeur d'un thermostat à tube capillaire ou un fil de résistance à haut coefficient de température assurant la commande d'un commutateur de réglage. I1 sera particulièrement rationnel d'utiliser des fils de résistance dont la matière présente une résistivité à variation discrète pour une température donnée. Lorsqu'on peut prévoir qu'une attaque de la corrosion ne risque de se produire qu'en certains points précis du tube chauf fant, il n'est pas indispensable d'exécuter l'élément tout entier en double gaine. On peut alors ne placer le tube externe qu'aux points où une corrosion est attendue. On peut encore penser à munir plusieurs tubes chauffants d'une gaine externe commune dont la bonne jonction thermique avec les gaines internes sera assurée de la manière évoquée ci-dessus. Dans ce cas, la liaison électrique entre deux éléments pourra passer par un thermostat miniature ou par un autre type de commutateur thermosensible, de façon à créer un élément chauffant utbulaire thermoréglé ou protégé contre le fonctionnement à sec. L'invention est explicitée de façon plus détaillée à l'aide des dessins joints, qui représentent respectivement Fig. 1 ; une coupe transversale d'un élément chauffant tubulaire exécuté selon l'invention Fig. 2 : une coupe transversale d'un élément chauffant, dans lequel un interstice, destiné à y loger un organe thermométrique, est prévu entre les tubes externe et interne Fig. 2b : une coupe longitudinale de l'extrémité d'un élément chauffant selon fig. 2a, mais où l'interstice est annulaire et formé de l'intervalle entre tubes externe et interne dans la zone non chauffée, qui reste libre pour y introduire un organe thermométrique ; et Fig. 2c : une coupe longitudinale d'un autre mode d'exécution pour loger un organe thermométrique. Sur le tube interne 1 gainant un élément tubulaire chauffant, qui comprend un conducteur chauffant 2 entouré d'une couche isolante 3, est emmanché un tube externe 4 de telle façon qu'il existe une bonne jonction thermique entre les deux tubes. Comme on peut le voir en fig. 2a, dans le tube externe 4 est emboité un tube interne 5 dont la section circulaire est aplatie localement sur un côté de sa circonférence. I1 nait ainsi entre les deux tubes 4 et 5 un creux à section en segment de cercle dans lequel est introduit un tube capillaire 6. Sur la fig. 2b, on peut voir que la partie du tube interne 5 entourée d'un interstice annulaire, ou comportant un méplat selon fig. 2a, est limitée à la zone non chauffée 7 de l'élément. Une conduite 8 à pression fluidique indique qu'un fluide comprimé se trouve dans l'interstice ainsi ménagé, ce fluide actionnant un interrupteur à pressostat sous l'effet d'une pression qui correspond à une température déterminée. La fig. 2c montre un mode d'exécution dans lequel le tube externe dépasse la longueur du tube interne à son extrémité ; dans cette zone, le diamètre du tube externe n'a pas été réduit comme dans la partie entourant le tube interne. Dans l'interstice 9 ainsi formé est emboîte un régulateur thermique 10. Il s'est avéré que les procédés décrits ci-dessus permettent de produire économiquement des éléments chauffants tubulaires avec un faible taux de rebut, inconnu à ce jour. REVENDICATIONS -1.- Elément chauffant électrique tubulaire constitué par au moins un filament chauffant noyé dans de l'isolant, un tube métallique interne gainant totalement l'isolant et un tube métallique externe emmanché sur le tube interne, caractérisé en ce que le tube externe est serré de telle façon sur le tube interne que ce dernier subit une pression à composante radiale, les fissures du tube externe provoquées par la corrosion fissurante sous tension, les défauts locaux de soudure, la sollicitation mécanique excessive ou les contraintes dues au changement de température ne pouvant se propager jusqu'à l'isolant de l'élément chauffant, et la pénétration entre le tube externe et le tube interne du fluide qui entoure l'élément étant limitée au voisinage immédiat de la fissure. 2.- Elément chauffant électrique tubulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison thermique complète entre les tubes externe et interne est obtenue par martelage, laminage ou compression du tube externe. 3.- Elément chauffant électrique tubulaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le traitement nécessaire pour compacter l'isolant est utilisé pour obtenir une conduction thermique parfaite entre les tubes externe et interne. 4.- Elément chauffant électrique tubulaire selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un seul des deux tubes est continu et ininterrompu, l'autre, qui est de préférence le tube externe, étant constitué d'au moins deux tubes plus courts, au contact par leurs extrémités. 5=- Elément chauffant électrique tubulaire selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, dans une zone non chauffée de l'élément chauffant, le contour de la section du tube interne est localement différent de celui de la section de la paroi intérieure du tube externe, ou bien qu'un interstice annulaire est prévu, et que dans le creux ainsi formé est logé le palpeur d'un organe de régulation thermique. 6.- Elément chauffant électrique tubulaire selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les tubes interne et externe sont en acier inoxydable contenant de 0 à 25% de chrome et de 0 à 40% de nickel. 7.- Elément chauffant électrique tubulaire selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le tube interne est en cuivre. 8.- Elément chauffant électrique tubulaire selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le tube interne est en acier non allié comportant une couche extérieure de nickel et que le tube externe est en acier inoxydable contenant de O à 25% de chrome et de 0 à 40% de nickel. 9.- Elément chauffant électrique tubulaire selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les tubes externe et interne sont en acier non allié, revêtu d'une couche de nickel. 10.- Elément chauffant électrique tubulaire selon l'une des revendications 6, 8 et 9, caractérisé en ce qu'une couche de nickel est diffusée dans les surfaces des tubes externe et interne. 11.- Elément chauffant électrique tubulaire selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'au moins deux éléments chauffants tubulaires, entre lesquels se trouve un mini-thermostat ou un organe de sectionnement fonctionnant à une certaine tempéra- ture, sont gainé par un tube externe commun lequel est en bonne liaison thermique avec les tubes internes. 12.- Elément chauffant électrique tubulaire selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les tubes externe et interne ont chacun une soudure longitudinale, et que le cordon de soudure du tube externe est suffisamment décalé par rapport à celui du tube interne pour qu'un défaut d'étanchéité ou un pore du cordon de soudure du tube externe aboutissent en dehors du cordon de soudure du tube interne.