Brevet FR2246152A1 — publié le 19750425

L'invention concerne un procédé de fabrication de résistances électriques par dépôt, les dispositifs pour la mise en oeuvre de ce procédés ainsi que les produits fabriqués par ce procédé. On connaît déà des procédés de fabrication de résistances par projection de particules de carbone ou de graphite dispersées dans des liants organiques sur des supports pour former des films présentant une résistance électrique. Béais de tels films ne présentent pas de stabilité électrique lorsqu'on les utilise dans les applications de chauffage, et ce, particulièrement lorsque la puissance dissipée par ces films dépasse 1,55 watts par cm2. La projection d'oxyde d'étain sur un verre revêtant un réchauffeur d'eau placé dans un four est également connue, et laisse un film électriquement résistant qui permet de chauffer l'eau dans ce réchauffeur. Un réchauffeur exécuté par ce procédé souffre de petits défauts dans le revdte- ment vitreux et de fissures et de ruptures dans le revêtement résistant.Ces défauts sont causés tant par le traitement ther- mique du revêtement isolant axr le corps du réchauffeur au moment ot le revêtement résistant est appliqué, que par le refroidissement subséquent de cette structure composite massives De plus, des piquûres se produisent dans les revêtements isolants soumis à une flamme0 Ces piqûres, fissures et ruptures provoquent la destruction des qualités du revêtement résistant ou du revêtement isolant ou même des deux ensemble. En outre, l'adhérence entre les revêtements ou entre le revêtement isolant et le corps de réchauffeur est défectueux. On conneau, de plus, des dépôts de matériaux poudreux ou de fines particules sur des supports par projec-tion des particules dans une flamme i température très élevés, qui peut autre obtenue, soit à partir de gaz, soit à partir de plasma. Par exemple, de la poudre de ferrites céramiques a pu être projetée à la flamme sur des supports pour absorber les rayons x ou pour utiliser les propriétés électromagnétiques de ces ferrites. Des matériaux piézo-61ectriques ont été aussi projetés à la flamme sur des supports. Dans ces applications, des revê- temenos épais sont indi spensables pour assurer les caractéristi- ques désirées.D'un autre cbté, la projection à la flamme de matériau pour résistance électrique, et spécialement de ferrites céramiques, pour obtenir des résistances électriques, ne stesS pas montrée satisfaisante en raison de la tendance des revête- ments résistants, utilisés soit comme résistances électriques, soit comme éléments chauffants, à se fissurer ou se briser en raison des cycles de chauffage. C'est ainsi que, lorsque de tels produits sont chauffés, les films résistants se dilatent b un degré différent de celui des films isolants qu'ils recouvrent et un degré différent de celui des supports, aussi les films ré sistants se brisent-lis. L Invention a pour bt de créer un procédé dans lequel un revêtement pour résistance électrique est pro je- sur un support et résiste effectivement aux efforts de cassure mécanique et de destruction électrique, ce procédé permettant de créer des résistances à longue vie et stables électro quement, et présentant une dissipation calorifique supérieure à 1,55 watt/cm2 Un autre but de l'invention est de créer un chauffeeau électrique exempt de défaillances. L'invention concerne, à cet effet, un procédé de fabrication de résistances électriques, caractérisé en ce qut on projette à la flamme d'une poudre pour résistance électrique sur une surface isolante pour obtenir un revêtement poreux, puis l'imprégnation du dit revêtement poreux avec un matériau diélectrique pour remplir les pores de ce dit revêtement poreux. Il a été découvert, en effet, que la difficul- té due à la rupture des revêtements peut être résolue par projection au pistolet des deux revêtements en cause, d'une façon telle qu'ils soient poreux. Le terme XporeuxP utilisé ici, signifie que la densité du revêtement ne doit pas dtre supérieure à 93 % de la densité théorique du matériaux mais doit, cependant, dépas ser 60 %, une porosité plus importante ne donnant pas aux revê- tements une continuité aussi bonne qu'il est nécessaire et les rendant plus fibreux et sujets à détérioration.De plus, dans ce cas, les particules de matériau résistant peuvent être projetés à travers les pores du matériau isolant et atteindre le support, par exemple un réservoir métallique. La porosité d'un revêtement de n' importe quelle épaisseur peut être réglée de plusieurs ma- nières, telles que par la température de la flamme, la vitesse de projection de cette flamme9 la taille des particules, leur vitesse ou la distance du pistolet det projection à la surface à revêtir. Les revêtements poreux, en raison de leur structure alvéolaire sont souples ou se prêtent quelque peu sous l'effort en comparaison des revêtements rigides et épais qui étaient nécessaires Jusqu'ici dans d'autres applications. Comme résultat de cette souplesse, les revête- ments projetés à la flamme peuvent se dilater et se contracter, les uns par rapport aux autres et par rapport au support, sous l'influence des variations de température, et ce, de façon suffisante pour éviter la séparation de ces revêtements d'entre euxmimes ou d'avec le support. En conséquence, il ne se forma pas de fissures ou de ruptures qui pourraient conduire à la destruc- tion des propriétés électriques de ces revêtements. L'invention sera mieux comprise grtce à la description ci-après et aux dessins annexés représentant un exem- ple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels 9 - la figure 1 est une vue en élévation d'un chauffeeau électrique dans son isolation thermique, - la figure 2 est une coupe verticale fragmen- taire suivant la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est une vue de côté d'une variante du chauffe-eau de la figue 1, - la figure 4 est une coupe verticale à plus grande échelle d'une autre réalisation de chauffe-eau, - la figure 5 est une vue du fond d'une autre réalisation de l'invention, - la figure 6 est une vue perspective d'uns résistance électrique isolée fabriquée selon le procédé de l'in~ vention. Les figures t et 2 montrent une disposition dans laquelle un chauffe-eau électrique constitué d'un réservoir en métal usuel 1, auquel l'eau froide parvient par l'un des tu- yaux 2 ou 3 qui pénètrent dans le chauffe-eau par la partie sorti périeure, et à partir duquel l'eau chauds est distribtiée. Se- lon l'invention, un matériau isolant électrique en poudre fine est projeté à la flamme sur l'extérieur du chauffe-eau sous forme d'un fin revêtement 4, d'épaisseur maximale, généralement comprise entre 0,25 et 0,50 mme De la poudre d'alumines d'une granulation comprise préférentiellement entre 100 et 250 mailles, convient à cet usage, mais d'autres matériaux diélectriques comme la stéatite ou la mullite peuvent être utilisés. La poudre est véhiculée par un gaz transporteur à un pistolet ou un chalumeau à flamme, soit à gaz, soit à plasma, pour chauffer la poudre puis la projeter axr laZc1lve du chauffeeaus sur tout son pourtours Les grains de poudre chauffés se solidarisent 1 un avec autre et adhèrent au métal de la cuve0 La hauteur de la chemise ainsi formée dépend de différentes circonstances. Elle peut autre, soit étendue à la hauteur totale de la cuve ou uniquement à une certaine portion de cette hauteur. Elle peut aussi être située près du fond, près du dessus, ou au milieu de la cuve, l'emplacement ne dépendant que de ce qui est reconnu comme étant les meilleurs emplacements pour 1 application particulière envisagée. Sur la couche isolante, un revêtement dune très faible épaisseur ou film, de matériau pour résistance électrique 6 est projeté à la flamme. Ce film peut avoir une épais seur de 0,1 à 0,5 mm d'épaisseur, de~ préférence environ 0,15 mm. Plus longue est la chemise résistante, plus épais doit autre le film. Il est préférable que ce soit une fine poudre de ferrite céramique qui soit utilisée pour des raisons qui seront expliquées plus loin, mais d'autres matériaux résistants réduits en fine poudre, tels des oxydes ou des carbures, métalliques, peuvent être utilisés. Ici, de nouveau la poudre peut être dune granulation comprise entre 100 et 250 mailles. Les particules de matériau résistant fusionnent l'une avec l'autre et avec la sous-couche isolante quand elles frappent l'isolation. Afin de connecter la couche ou chemise résistante à un circuit électrique pour que L'eau dans la cuve puis- se être chauffée, des connexions 7 sont appliquées sur les zones du haut et du bas de cette couche ou chemise. Ces connexions sont réalisées en projetant à la flamme un métal à très grande conductibilité, en poudre ou en îil, tel que du cuivre, sar la couche de matériau résistant, pour former deux bandes minces métalliques fondues avec ce matériau résistant et faisant le tour de la cuve. Ces connexions doivent être assez larges pour donner un bon ettefficace contact électrique avec le matériau résistant. Des connexions de 19 à 12,7 mm de large ont donné toute satisfaction.Si la chemise résistante occupe une très grande longueur sur la cuve, il peut Autre souhaitable de créer à la flamme des connexions additionnelles 8, suivant la même technique et de la même manière entre les connexions extrêmes et de réunir alternativement les connexions par des conducteurs électriques 9, comme il est représenté dans la figure 3. Dans ce cas, le film résistant peut être plus mince que pour la longue chemise résistante représentée en figure 1. pre's que les connexions ont été formées de cette manière, une opération ultérieure est nécessaire afin d'- éviter des inconvénients qui autrement résulteraient de l'emploi de revêtements poreux. Tout se passe, à moins qu'un traitement ultérieur soit fait pour accroftre la stabilité électrique du revêtement, comme s'il se produisait des ruptures transitoires de la couche résistante sous haute tension, en raison de la pénétration d'humidité dans les pores des deux revêtements. C'est pourquoi, pour éviter cet incident, les deux revêtements sont imprégnés avec un matériau de haute qualité diélectrique pour remplir leurs pores et par là, éviter tous vides dans les revê- tements.Ce matériau peut être une résine époxy, ou une autre résine, telle la résine de silicone R7 251 de Dow Corning. Le produit d'imprégnation n'a pas d'action défavorable sur la souplesse désirée pour les revêtements* En vue d'imprégner les revêtements avec le matériau diélectriques la cuve après revête- ment peut être chauffée aux environs de 52 C, et ensuite soumise à un vide d'environ 500 mm eau pour expulser l'air des pores. Pendant quelle est encore sous vide, la cuve est plongée dans la résine liquide, le vide est cassé et une pression d'environ 5t62 kg/cm2 est appliquée pour remplir !68 pores avec la résine ne. Après que la pression ait été relâchée, la cuve est vidée et la résine essuyée de sa surface. Après ceci, la résine ou autre diélectrique est traitée de manière appropriée à la nature du matériau particulier employé. Ce traitement peut être un simple traitement à l'air ou peut demander un chauffage con- sidérable pendant plusieurs heures.Si la porosité des revte- ments est inférieure à celle résultant d'une densité égale à 93% de la densité théorique, les pores sont de trop faible taille pour être pénétrés par le produit d'imprégnation, Si bien qae des vides subsistent dans les revêtement e qui peuvent conduire à la rupture de la qualité électrique * En outre, les revêtements correspondants seront trop rigides et ne supporteront pas les différences de dilatation. Des bandes distinctes de métal It sont alors fixées autour des bandes de connexion obtenues par projection 7. Ces bandes distinctes sont munies de dispositifs tels que des vis ou des bornes 12 permettant leur connexion aux fils 13 du circuit électrique devant alimenter le revêtement de chauffage résistant. L'appareil entier est alors enclos dans une isolation thermique 14, représentée uniquement sur la figure 2. Un tel chauffe-eau est assuré d'nA très longue dupée d'emploi, et présente l'avantage supplémentaire de ne nécessiter aucune ouverture spéciale dans le Shauife-eau pour y faire passer les éléments électriques chauffants , puisque ces éléments chauffantes entourent l'extérieur de la cuve. Un des avantages de l'emploi des ferrites céramiques sur les autres matériaux résistants pour réaliser ces éléments chauffants est que les ferrites constituent un matériau à phase unique et qui ainsi il se chauffe plus uniformément dans sa masse. En raison de ceci, le matériau présente une dilatation uniforme, qui évite de possibles tensions internes dans son intérieur. Il est de plus chimiquement inerte à l'eau à la température de chauffage. Un autre grand avantage est que les ferrites ont un coefficient de variation de résistivité avec la tempéra- ture négatif, ce qui se traduit par une décroissance de la ré distance électrique de l'élément chauffant, au fur et à mesure que la température de l'eau chauffée augmente. En conséquence, le circuit électrique d'alimentation du chauffe-eau est muni d'un fusible 15 ou d'un disjoncteur qui ouvre le circuit au cas où l'intensité du courant à travers le ferrite atteindrait une valeur prédéterminée.Cette forte augmentation du courant ne survient que si la température du ferrite atteint un niveau d'insé cuité due à un défaut permanent ou transitoire du revêtement cnauffant qui crée une zone surchauffée qui s'étendra de proche en proche. En conséquence, un tel chauffe-eau est sans défail ces au même titre que son élément chauffant préparé selon l2- invention. De plus, en conséquence de la même propriété du ferrite, Lorsque l'élément chauffant est connecté en série comme re présenté en figure 1, il dégage une plus grande quantité de chaleur qu'ailleurs, à l'endroit où elle est le plus nécessaire. En effet, lteåu chauffée se rassemble au sommet du chauffe-eau et à cet endroit, le ferrite devient plus conductrice. La quantité de chaleur délivrée étant Q = RI, est proportionnelle en chaque point du revêtement à la résistance de ce revêtement donc plus importante en bas du revêtement chauffant qu'en haut. C'est donc en bas du chauffe-eau, ou arrive l'eau froide, que la plus grande quantité de chaleur est délivrée, cest-à-dire au point le plus froid où elle est le plus nécessaire. Ainsi qu'il est bien connu, les ferrites céramiques sont des composés ferromagnétiques à base de Fe2 03 avec un ou plusieurs oxydes métalliques. Ils se présentent principalement sous deux formes, structure cristallisée en spinelle ou structure cristallisée hexagonale. Les ferrites céramiques sont généralement obtenus en dissolvant de l'hydrate ferrique dans une solution alcaline concentrée, ou bien en faisant fondre de l'oxyde ferrique avec un chlorure, carbonate, ou hydrate de métal alcalin, ou bien en chauffant de l'oxyde ferrique au contact d'oxydes métalliques. Les divers ferrites céramiques ont une résistivité électrique différente. Des valeurs courantes de cette résistivité sont les suivantes 9 Xi Be204 supérieure à 109 ohm cm Mg Fe2O4 io6 " Cu0,5 Zn0,5Fe2O4 " 105 " Ni0,5Z,5e204 1G3 " Ou,5Li0,25e2,2504 500 ' h 966Znos28ReQ9o6Pe2o4 150 Ni0,99Pe0,01Fe204 2 3 n Ni0,85Pe0,15Fe204 5 n La méthode de fabrication d'un chauffe-eau électrique exposée ici assure un bon transfert de chaleur entre ltélément chauffant et la paroi métallique de la cuve, ceci avec une ré si stance aux fissurations thermomé caniques Jamais constatée jusqu'ici avec les revêtements vitreux ou ceux projetés à la flamme.De plus, quand le matériau résistant est une ferrite cé ramique, le coefficient de température négatif de la résistivité de cette dernière procure l' avantage que le dit chauffe-eau peut être contrôlé et devient donc exempt de défaillance. La differen- ce de dilatation thermique entre le revêtement résistant et la cuve métallique est réduite par le fait que le revêtement travaille à une température considérablement plus élevée que le m- tal de la cuve qui est en contact avec liteau. Dans la création présentée en figure 4, un tube métallique vertical 20 traverse la cuve concentriquement du haut en bas et se trouve entouré par l'eau. La surface interne de ce tube a reça un revêtement électriquement isolant projeté au chalumeau, revêtement analogue à celui représenté en 4 des figures 1 et 2. Un revêtement ou un film 22 dlune poudre pour résistance électrique projetée au chalumeau recouvre le revêtement isolants et des rev8tements de connexion électrique (non figurés) sont projetas au chalumeau sur le matériau résistant. Dans ce cas, l'eau de la cuve du chauffe-eau est chauffée par un élément chauffant qui est intérieur au lieu d'être extérieur. Une autre réalisation est d'appliquer l'élément chauffant à la surface ihférieure du fond dcune cave. Cet élé- ment sera lui aussi exécuté par projection au chalumeau. Comme représenté dans la figure 5, le matériau résistant peut être appliqué sur des bandes poreuses radiales 25 espacées sur la circonférence externe du fond de cuve 269 et se joignant toutes au centre de ce fond, où elles sont recouvertes par une connexion métallique 27 projetée au chalumeau et qui est appliquée avant que les couches isolantes et celles résistantes soient imprégnées avec un matériau diélectrique. Des connexions métalliques 28 projetées également à la flamme, sont appliquées aux autres extrémités des bandes.Naturellement, le fond entier de la cuve pourrait9 éventuellement9 être revêtu de matériau résistant, avec une connexion s étendant sur son pourtour et une autre conne xion en son centre. Le procédé décrit ci-dessus peut aussi être utilisé pour faire d'autres sortes de chauffe-liquides, tels que des flacons de. laboratoires, des bécherss chauffe-biberons, chauffe-tasses, chauffe-boissons et chauffe-potages etc.. Quand le support, par exemple une tasse, est en céramique, il est inutile d'appliquer d'abord un revêtement isolant. Le matériau résistant peut autre pro jeté au chalumeau directement sur le support. De même, s'il est utilisé comme source de chaleur pour Ùn- tube à lumière fluorescente, le matériau résistant est projeté directement au chalumeau sur le tube de verre. De la même manière, l'invention est applicable à des éléments de chauffage, qui peuvent être distincts des objets qu'ils sont destinés à chauffer. Une autre application de l'invention ne eon- cerne pas des dispositifs de chauffage, mais des résistances électriques de contrtle de courant. Ainsi comme représenté en figure 6 des dessins, un support isolant 30 peut recevoir un film épais de matériau résistant 31 projeté par la flamme d'un chalumeau à partir de poudre de ferrite Ce film est exécuté avec le degré de porosité convenable comme il a été exposé ei- dessus, pour prévenir les fissures et ruptures dues à la diff6- rence des coefficients de dilatation du film et de son support. Un métal est ensuite projeté à la flamme d'un chalumeau air les surfaces terminales 32 du film pour que des conducteurs puissent leur être fixés. Ensuite, le film poreux est imprégné avec un liquide diélectrique, qui est ensuite traité, de façon que la résistance électrique ne puisse plus se détériorer. L'invention trouve son application principale dans la réalisation de résistances électriques d'une certaine puissance, et d'appareils électriques chauffe-liquidesi Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ei-deasus décrit et représenté, à p tir duquel on pourra prévoir d'astres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 / Procedé de fabrication de résistances électriques destinées à subir des cycles thermiques, procédé caractérisé en ce que lton projette à la flamme, sur une surface isolante, une poudre électriquement résistante pour former un revêtement poreux, et on imprègne ce revêtement avec un matériau diélectrique afin d'en remplir les pores et d'éviter des courtcircuits sous haute tension. 20/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la porosité du revêtement réduit la densité de ce revêtement au moins jusqu'à 93 % de la densité théorique. t / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre est une poudre de ferrite céramique. 4 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on projette à la flamme un métal sur ce revêtement résistant, avant dtimprégner celui-ci, pour réaliser des connexions électriques. 5 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on projette à la flamme la poudre résistante sur le revêtement-isolant, ce revêtement poreux isolant étant imprégné avec le matériau diélectrique en même temps que l'on imprègne le revêtement poreux résistant. 60/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on projette tout d'abord un revêtement isolant poreux sur le réservoir d'un chauffe-eau électrique, pour préparer la surface isolante destinée à reeevoir le revêtement résistant, et qutensuite, on imprègne ce revêtement isolant avec un matériau diélectrique pour en remplir les pores. 70/ Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la poudre résistante a un coefficient de résistivité en fonction de la température négatif. 80/ Procédé selon la revendication 6, earactérisé en ce qu'ou réalise les connexions en projetant à la flamme un métal sur le revêtement résistant avant l'imprégnation de celuici. 901 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce quton projette les revêtements sur la surface du fond du réservoir. -100/ Chauffe-eau électrique obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon lune des revendications 6 à 9. 110/ Chauffe-eau électrique selon la revendication 10, dans lequel le matériau résistant, a un coefficient de résistivité négatif, en fonction de la tempErature, caractéri en en ce qu'il comporte , pour relier électriquement les conne- xions au circuit dtalimentation en courant, des moyens de coupure actionnés par l'accroissement du courant circulant dans la couche résistante lorsqu'une température maximale prédéterinnée est atteinte. 120/ Chauffe-eau électrique selon la revendication 10, caractérisé en ce que ses connexions sont formées de particules métalliques rendues par fusion solidaires entre elles et solidaires de la couche résistante.