Brevet FR2186545A1 — publié le 19740111

La présente invention concerne un dispositif de chauffage d'un produit métallique de grande longueur et de faible épaisseur et snécialement d'un fil ou d'une tôle. Parmi les divers modes de chauffage d'un produit métallique déjà connus, il existe notamment ceux qui ont recours à l'un ou 11 autre effet de l'énergie électrique. Ainsi, il est possible de chauffer un produit métallique par effet Joule en y faisant passer directement un courant électrique intense; on peut aussi faire passer un courant électrique dans une résistance électrique qui s'échauffe et rayonne de la chaleur vers le produit à chauffer placé à faible distance; le chauffage peut aussi étre obtenu par un phénomène d'induction. On sait qu'il est aussi possible de chauffer un produit métallique placé dans le vide en le bombardant par un flux d'électrons; dans ce cas, un émetteur d'électrons tel qu'un canon de Pierce, émet un flux d'électrons dont la direction est réglée par l'action de champs magnétiques modulés, de sorte que le faisceau d'électrons balaye toute la surface du produit à chauffer. Si les dispositifs basés sur ces procédés sont utilisables pratiquement ils exigent pourtant des installations importantes pouvant autre compliquées et coûteuses qui sont, de plus, parfois d'un maniement difficile et qui, en outre, ont un rendement gGné- ralement assez faible. Ces inconvénients limitent fortement lrusa ge des dispositifs de chauffage connus, en particulier, pour le chauffage de fils ou de tôles métalliques. La présente invention concerne un dispositif de chauffage dans le vide d'un produit métallique de grande longueur et de faible épaisseur et snécialement d'un fil ou d'une tole par un flux d'électrons, caractérisé en ce qv'il comporte une enceinte dans laquelle règne un vide permanent de 10 3 à 10 5 Torr et contenant le produit à chauffer, un moyen de production des électrons qui, par l'action d'un champ électrique, sont lancés sur ledit produit à chauffer, un moyen de réfloxion ramenant vers ledit produit à chauffer des électrons ayant échappé audit champ. Suivant une particularité, le moyen de production des électrons est constitué par un conducteur électrique en un métal réfractaire du groupe du tungstène, di' molybdène ou du tantale relié à une première source de courant électrique pour le chauffer; ce conducteur présente la forme d'un enroulement comportant av moins une spire et suivant l'axe duquel avance le produit à chauffer. Suivant une autre particularité, le moyen de production des électrons est raccordé à la borne négative d'une seconde source de potentiel pour le porter à un potentiel très négatif par rapport au produit à chauffer relié à la masse, ce qui donne naissance au champ électrique pour lancer les électrons sur ledit produit à chauffer Les électrons émis acquièrent ainsi une très grande vi tesse et possèdent alors une énergie cinétique proportionnelle à la différence de potentiel entre le moyen de production d'électrons et le produit à chauffer; cette énergie cinétique est transformée en énergie calorifique lors de l'impact des électrons sur le produit à chauffer. Suivant une autre particularité, le conducteur électrique producteur d'électrons se trouve écarté du produit à chauffer d'une distance faible pouvant aller de 5 à 15 millimètres. Selon une réalisation, la spire de l'enroulement est totalement fermée sur elle-même comme dans un bobinage alors que, suivant une autre réalisation, la spire de l'enroulement est une boucle ouverte présentant un point de rebroussement afin de former un passage étroit légèrement supérieur à l'épaisseur dudit produit à chauffer qui traverse ce passage pour Qtre introduit dans l9enrou- lement. Suivant une autre particulsrité, le moyen de réflexion des électrons ayant échappé au champ électrique est constitué par une cage métallique enfermanatLe moyen de production des électrons dont elle est écartée d'une distance pouvant aller de 5 à 15 mm et raccordée à la borne négative de la seconde source de potentiel pour être portée à un potentiel très négatif par rapport au produit à chauffer, ce qui renvoie vers ce dernier les électrons qui ne ltont pas frappé. l'autres particularités pourront apParattre dans la descrip tion suivante faite en se référant aux dessins annexes ta figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de chauf fage selon l'invention et la figure 2 est une vue en perspective d'un conducteur métallique de production des électrons. La figure 3 est une vue schématique en perspective d'une variante de réalisation. La figure 4 est une vue schématique dgun dispositif de chauffage selon l'invention incorporé dans une installation de revêtement par évaporation sous vide. Lans les figures, les mêmes notations de référence concernent des éléments identiques ou analogues. Par la figure 1, on voit qu'un dispositif de chauffage comporte une enceinte 1 mise à la masse 2. Cette enceinte est reliée à une station de pompage 3, de sorte quTil y règne en permanence un vide poussé, d'environ 10 3 à 10 5 Torr. Dans ltenceinte se trouvent des'supports isolants 4 qui portent un enroulement 5 en un métal conducteur électrique, réfractaire,tel que, par exemple, du tungstène.Cet enroulement isolé 5 comprend une série de spires 5a, 5b (figure 2) alternativement dans un sens et dans l'autre et fermées totalement sur elles-memes à l'exception d'un petit intervalle de passage 5c entre les points de rebroussement 5d des spires; de cette façon, au début d'une opération, un fil métallique à chauffer 6 est introduit dans l'enroulement en passant par les intervalles 5c; ce fil 6 se place suivant l'axe de l'enroulement et avance selon celui-ci. L'enroulement 5 se trouve à faible dis tanceztdu fil 6, c'est-à-dire que la distance entre le fil 6 et les spires de l'enroulement, mesurée suivant un rayon, est d'environ 5 à environ 15 millimètres.Par les conducteurs 7a, 7b, l'enroulement 5 est raccordé en série avec une première source d'électricité 7 qui lui fournit un courant sous une tension d'environ 50V et d'une intensité d'environ 40 A et qui constitue le courant de chauf fagne dudit enroulement qui, étant chauffé dans le vide, émet ainsi un flux d'électrons. D'un autre cOté, par le conducteur 8a,l'enrou- lement 5 est raccordé au pole négatif 9a d'une seconde source de tension 9 fortement négative pouvant aller de - 500V à - 15000V; le pôle positif 9b de la source 9 est relié par le conducteur 8b à la masse 2. De cette façon, l'enroulement 5 émet des électrons qui sont immédiatement repoussés par le champ électrique créé par son potentiel très négatif; ainsi, les électrons émis sont accélérés et possèdent une énergie cinétique importante qui, quand ils frappent le fil, se transforme en chaleur, de sorte que le fil est fortement échauffé, te fil provient d'une bobine 11 et il avance suivant sa longueur car il est tiré par un moyen de traction connu comme par la bobine 12 sur laquelle il est enroulé. Le fil peut être chauffé progressivement d'un bout à l'autre et après sa sortie de l'encein- te 1, il peut subir immédiatement une opération quelconque pendant qu'il est encore chaud. A son entrée dans l'enceinte et à sa sortie de celle-ci, le fil passe par des sas d'étanchéité la et lb. Autour de l'enroulement 5 se trouve un moyen de réflexion des électrons; ce moyen est une cage métallique 10 de forme tubulaire qui, par un conaucteur 9c, est reliée au pôle négatif 9a de la seconde source; ainsi, les électrons qui ne frappent pas directement le fil 6 et partent vers l'extérieur de l'enroulement 5 sont repoussés par la cage 10 et ramenés vers le fil 6, ce qi a pour effet d'augmenter le -endement du disnositif. Avec le dispositif décrit, un fil d'un diamètre d'environ 2 mm et avançant à un-- vitesse d'environ lm/sec., est porté à une température d'environ 7000C quand le potentiel de l'enroulement 5 est porté à environ -3000V et quand son courant de chauffage est de 40A sous une tension de 50V. te dispositif ci-dessus permet de régler facilement la température du produit à chauffer; à cet effet, il est possible de faire varier, soit le nombre de spires de l'enroulement produisant les électrons, soit l'intensité du courant de chauffage de cet enroulement, soit le potentiel négatif de celui-ci, Des modifications peuvent être apportées au dispositif décrit sans sortir de la portée de l'invention; ainsi, l'enroulement qui a une forme générale c Tlindrique, peut titre d'une forme différente suivant la section du produit à chauffer. Dans le cas où le dispositif est destiné à chauffer une tôle, l'enroulement possède une forme très aplatie de section transversale rectangulaire, et ouverte le long d'un petit côtés Par la figure 3 qui est une vue schématique partielle en perfective et explosée, avec brisure, d'une autre réalisation de l'invention, on voit que l'enceinte métallique étanche 1 mise à la masse en 2 et reliée à la station de pompage 3 pour y produire un vide de 10 3 å 10 5 Torr, contient des supports isolants 4 sur lesquels sont fixées deux plaques séparées 13 et 14 en cuivre massif; sur leur face supérieure celles-ci portent des revetements en métal réfractaire tel que du tantale, respectivement 13a et 14a Sur un de ces revetements se trouve une borne 15 et sur l'au- tre une borne 16; entre les bornes 15 et 16 est raccordé un enroulement 17 en tungstène, constituant le moyen producteur d'électrons; le fil à chauffer 6 passe suivant l'axe de cet enroulement qui est composé de sDires hélicoïdales et est chauffé par la première source de courant 7 reliée aux plaques 13 et 14 par les conducteurs 7a et 7b. Sur ces plaques 13 et 14 viennent se fixer deux pièces parallélipipédiques creuses, séparées, amovibles, 18 et 19, en un métal réfractaire comme le tantale.Ces deux pièces sans contact l'une avec l'autre ont l'aspect d'un couvercle; elles forment la cage métallique de réflexion des électrons ayant échappé à l'enroulement 17 parce qu'elles sont portées à un potentiel très négatif car, par le conducteur 8a, elles sont reliées au polie négatif 9a de la seconde source de potentiel 9 Le dispositif décrit ci-dessus a été trouvé particulièrement utile et avantageux pour être incorporé dans une ligne de revete- ment par évaporation sous vide où il est nécessaire de chauffer le produit immédiatement avant l'application du revtement. Une installation ainsi exécutée est représentée dans la figure schématique 4 dans laquelle les mêmes chiffres de référence que dans la figure 3 se rapportent à des éléments identiques ou analogues. Une installation comporte une enceinte 1 reliée à une sta tion de pompage 3 y produisant un vide permanent de 10 3 à Torr Dans ce cas, l'enceinte poses de une grandeur suffisante pour y placer, d'une part, les éléments d'un dispositif de chauffage 20 analogue à celui décrit ci-dessus en se référant à la figure 3 et, d'autre part, un dispositif de métallisation par évaporation sous vide. Une bande de ttle 21 provenant d'une bobine 22 entre dans l'enceinte 1 par un sas la, traverse le dispositif de chauffage 20 d'où elle sort chauffée à une température pouvant être environ 5000 C, ce qui est éminemment avantageux pour ltapplication d'un vevêtement métallique. La bande de tôle 21 passe ensuite immédiatement dans un dispositif de métallisation sous vide, de type connu. Ce dispositif comporte essentiellement deux creusets 23 situés ae part et d'autre de la bande 21; ces creusets en matériau réfractaire alimentés de façon connue par le métal à vaporiser devant former le revêtement, sont balayés par des canons à électrons 24, de type connu, Les atomes vaporisés se déposent sur la bande de tole 21 et y constituent le revêtement. Ces creusets sont surmontés par une hotte 25 chauffée et portée à un potentiel positif, de sorte que les atomes métalliques vaporisés n'ayant pas atteint directement 1 tôle sont ramenés sur celle-ci. Après la sortie de la hotte 25, la bande de tôle pourvue du revêtement métallique sort de l'enceinte 1 en passant par le sas de sortie lb pour être finalement enroulée sur une bobine 26. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage dans le vide dlun produit métallique de grande longueur et de faible épaisseur et spécialement d'un fil ou d'une toue, par un flux d'électrons, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte dans laquelle règne un videperma- nent de 10-3 à 10-5 Torr et contenant le produit à chauffer, un moyen de production des électrons qui, par l'action d'un champ électrique, sont lancés sur ledit produit à chauffer, un moyen de réflexion pour ramener vers ledit produit à chauffer les électrons ayant échappé audit champ0 2 Dispositif de chauffage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de production des électrons est constitué par un conducteur électrique en un métal réfractaire relié à une première source de courant pour le chauffer et présentant la forme d'un enroulement comportant au moins une snire suivant l'axe duquel avance le produit à chauffer. 3. Dispositif de cha'ffage suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le moyen de production des électrons est raccordé à la borne négative dsune secone source de potentiel pour le porter à un potentiel très négatif par rapPort au produit à chauffer relié à la masse, ce qui donne naissance au champ électrique pour lancer les électrons sur ledit produit à chauffer. 4f Dispositif de chauffage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen de production des électrons se trouve écarté du produit à chauffer d'une distance faible pouvant aller d'environ 5 mm à environ 15 mm. 50 Dispositif de chauffage suivant la revendication 2,caractérisé en ce que le métal réfractaire composait le moyen de pro duc- tion des électrons appartient aux groupes du tungstène, du molybdène ou du tantale. 6 Dispositif suivant la revendication 2, caracterisé en ce que la spire de l'enroulement est une boucle ouverte présentant un point de rebroussement afin de former un passage étroit légèrement supérieur à lsépaisseur dudit produit à chauffer qui traverse ce passage pour autre introduit dans l'enroulement. 7. Dispositif de chauffage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la sbire de l'enroulement est totalement fermée sur elle-même comme dans un bobinage. 8. Dispositif de chauffage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de réflexion des électrons ayant au champ électrique est constitué par une cage métallique enfermant la moyen de production des électrons dont elle est écartée d'un dia tance pouvant aller de 5 à 15 mm. 90 Dispositif de chauffage suivant l'une quelconque des revenuications 1 et 8, caractérisé en ce que le moyen de réflexion est raccordé à la borne négative de la seconde source de potentiel pou être porté à un potentiel très négatif par rapport au produit à chauffer 10, Disposi if de chauffage suivant l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la cage métallique constituant le moyen de réflexion est formée de deux pièces séparées sans contact direct l'une avec l'autre. 11. Dispoaitif de chauffage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que 1^ moyen de produc- tion des électrons est porté par un élément de support constitué de deux plues séparées, en cire massif recouvert de tantale sur la face s-tuée du côte ut moyen de production des électrons. 12. Dispositif de chauffage suivant l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que les deux pièces séparées forment la cage métallique de réflexion sont portées par les deux plaques de support en cuivre massif. 13. Disnositif de chauffage suivant l'une quelconque des revendications 10 et 12, caractérisé en ce que la cage métallique constituant le moyen de réflexion est en un métal réfractaire du groupe du tantale. 14. Dispositif de chauffage suivant l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que les deux pièces séparées de la cage constituant le moyen de réflexion sont analogues à des couvercles de forme parallélipipédique.