Brevet FR2218711A1 — publié le 19740913

L'invention a pour objet un procédé pour la réalisation d'éléments chauffants électriques tubulaires de forme courbe, suivant lequel une enveloppe tubulaire rectiligne en un métal déformable à froid, après avoir reçu un enroulement chauffant, est emplie d'un isolant granuleux présentant une granulométrie prédéterminée, ledit isolant étant ensuite comprimé au cours de deux opérations successives, dont la seconde n'a lieu qu'après pliage du tube dont la section droite intérieure est réduite pendant cette compression. On sait que la longévité d'un tube chauffant dépend de 1' optimisation de la conductibilité thermique de l'isolant qui transmet la chaleur de l'enroulement å l'enveloppe du tube. Toute accumulation de chaleur, -m8me très localisée,- entrain une augmentation de la température de fonctionnement de l'enroulement chauffant et, en conséquence, une réduction de sa durée de vie. ainsi par exemple, dans l'article *e tube de chauffage électrique, 8es propriétés et son importance pour l'industrie thermoélectrique", paru dans "Elektrowrme International" volume 27, N 12, décembre 1969, page 474, en bas à droite, sous la signature de R.C77PEK, il est dit que la densité optimale permettant d' obtenir à la fois une haute conductibilité thermique et une résistance électrique élevée est, pour la poudre de magnésie fondue entre 3,10 et 3,15 g/cm . Pour obtenir cette valeur, on estimait åusqu'à présent qu'il devait y avoir, pendant le processus de compression concomitant au remplissage, une certaine orientation spatiale des grains du produit.C'est pourquoi on considérait comme désavantageuse toute "compression statique", par quoi il fallait entendre l'action d'une presse à estamper ou ituneiresse iostatqas. On donne donc la préférence à une compression dynamique de l'isolant, ce qui signifie, par exemple, le passage du tube de chauffage entre des paires de rouleaux ou son martelage par roulage. Au cours de cette opération de compression, le diamètre de l'enveloppe tubulaire est réduit pendant qu'elle est déformée à froid. Au cours d'un chauffage à incandescence, obligatoire avant le pliage, la matière de l'enveloppe subit une recristallisation. Or, selon les procédés actuellement connus, la compression principale a lieu, en principe, après le remplissage du tube et avant son pliage, isolant étant alors porté à sa densité optimale sur toute la longueur du tube. La seconde opération de compression - si toutefois elle a lieu - n'est réalisée que pour pallier le relâchement de l'isolant dû au pliage de l'élément chauffant, grâce à une recompression a posteriori. Mais des recherches approfondies ont montré que la densité des grains pulvérulents, ainsi que leur orientation éventuelle, ne sont pas les seuls éléments intervenant dans l'optimisation cherchée de la conductibilité thermique, mais que la répartition des tailles des grains, en d'aùtres termes la granulométrie de l'isolant, y participe de façon déterminante. En effet, selon ladite granulométrie, la conductibilité thermique peut varier dans un rapport atteignant environ 40, passant par exemple de 0,02 cal-cm/sec-cm2-Oc à 0,0005 cal-cm/sec-cm2-O0 pour l'oxyde de magnesium en grains, la première de ces deux valeurs correspondant à une forme frittée de l'oxyde de sa8éssie, la seconde à une forme pulvérulente. L'invention part donc, entre autres, de l'idée que les procédés connus ne permettent pas d'obtenir une conductibilité thermique optimale de l'isolant dans les tubes chauffants finis, et ce pour les motifs suivants. Par la compression dynamique principale habituelle, pratiquée après remplissage, de l'enveloppe tubulaire, d'épaisseur 0,5 mm, dont la section se trouve réduite par exemple de 8 10 mm à g 8,5 ms, le pourcentage de grains fins d'oxyde de magnésium, c'est-à-dire la part pulvérulente, par laquelle il faut entendre des grains d'un diamètre inférieur à 0,05 n, augmente d'environ 30%. Il en est de même en cas de traitement par estampage.Donc, même Si, au moment de son introduction dans le tube, l'isolant répond aux conditions idéales d'analyse granulojétrique, on n' obtient pas une valeur optimale pour le tube terminé. Encode convient-il de tenir compte du fait que la porosité exerce une influence considérable sur la conductibilité. De faibles variations de compression ont des effets considérables sur la porosité, donc sur la conductibilité thermique, lorsque l'isolant contient une grande proportion de particules pulvérulentes. Or, dans la production de tubes chauffants en grande série, il n'est Jamais possible d'obtenir une densité parfaitement régulière, et la sen- sibilité sera d'autant plus torte que la proportion de particules fines est plus importante. Il importe donc, dans l'intérêt d'une conductibilité thermique optimale de l'isolant, d'éviter dans toute la mesure du possible l'écrasement des grains de celui-ci, qui augmenterait la proportion de poudre fine. Or, il est clair que cette proportion ne peut que croître à chacune des opérations qui entraînent un déplacement des grains. Ces opérations sont la compression principale dynamique après remplissage; la flexion du tube contenant son isolant complètement comprimé, enfin la compression a posteriori. La compression dynamique principale après remplissage comporte d'autres inconvénients encore a) La réduction du diamètre du tube, liée à un allongement de celui-ci, provoque une déformation à froid du matériau du tube, capable d'entrainer , au eours des processus ultérieurs de fabrication, une recristallisation accompagnée de la formation de gros grains, puis une fissuration. b) Des phénomènes importants d'allongement irrégulier, susceptibles d'entrainer des difficultés pour la suite des- opérations, et qu'il faut corriger par des opérations supplémentaires d'étirement, de découpage, de laminage, etc. c) Un écrasement violent de l'enroulement chauffant, allant de 10 à 30%, ce qui conduit à des irrégularités de la section du fil et à des lésions superficielles de celui-ci' sous l'effet des grains isolant Le procédé selon l'invention se distingue des procédés connus en ce que la première compression qui a lieu, du moins aux points de flexion du tube, avant ou pendant ladite flexion, ne constitue qu'une précompression calculée de manière à empêcher uniquement tout déplacement de la résistance chauffante hélicoidale, la compression proprement dite étant une seconde opération de compression, les',deux opérations étant d'ailleurs réalisées de-manière-à éviter une réduction significative du périmètre de la section droite du tube. La précompression a donc pour seul but d'éviter le déplacement de la résistance chauffante et la formation de plis de l'enveloppe tubulaire pendant la flexion ou cintrage de celle-ci. Il est donc possible de sélectionner, pour la précompression, des procédés et des taux de pression laissant substantiellement inchangée la granulométrie de l'isolant et évitant une augmentation significative de la densité locale dans le matériau de l'envelop- pe, ctest-à-dire un écrasement du métal, de sorte qu'il n' ait pas de recristallisation.Quant à la compression principale après pliage, elle peut avoir lieu à l'aide d'une presse à estamper ou par compression isostatique sur toute la longueur de l'élément tubulaire, ce qui permet de porter à une valeur optimale la conductibilité thermique résultant de l'analyse granulométrique et de la densité de l'isolant. Si la précompression n'est effectuée qu'aux points de flexion du tube, on peut, surtout en présence d'éléments tubulaires comportant des points de flexion et des parties rectilignes, et compte tenu de la faible longueur des parties à comprimer, se contenter d'efforts de compression peu importants, de sorte que la précompression et le pliage consécutif puissent être exécutés facilement dans une seule machine.Le fait que' l'on évite, lors des deux processus de compression, toute réduction substantielle du périmètre du tube empêche dans une large mesure de détériorer la granulométrie et de provoquer des contraintes, voire des modifications de structure du métal du tube. Âvec le procédé actuel de compression principale dynamique, il se produit, comme indiqué ci-dessus, des recristallisations après revenu voire, en cas de défDDmation critique, des formations de gros grains dans l'enveloppe du tube. Dans la pratique, cela nua guère d'importance lorsque l'enveloppe du tube est épaisse. Par contre, Si lépaiBseur de la paroi du tube descend au-dessous d'une certains valeur, par exemple 0,5 à 0,6 mm, ce qui est souhaitable, pour un motif de prix de revient, lorsqu'il s'agit de matériaux chers, on court le risque de voir cette formation de gros grains aboutir à une fissuration, donc ss un nombre important de rebuts et à une réduction de la durée de vie des éléments chauffants.Certaines matières qui seraient, par ailleurs, tout à fait appropriées à la fabrication d'enveloppes de tubes chauffants, étaient exclues jusqu'à présent, surtout s'il 81 agis- sait de matériaux difficilement déformables et particulièrement sensibles sous la forme cristalline requise. Le procédé selon 1' invention permet, au contraire, d'utiliser des tubes à enveloppe très mince en matéruur appropriés. Lors de la précompression de l'isolant, on peut procéder à une réduction de la section droite intérieure du tube allant de 4% à 12%. Selon l'invention, l'une au moins des deux opérations de compression colporte une modification de la section droite de Il enveloppe, qui laisse toutefois le périmètre de celle-ci égal ou supérieur à ce qutil était avant le remplissage. Â cette occasion, la section droite du tube, qui était circulaire à l'origine, peut être transformée par la compression pour prendre une forme ovale, elliptique ou semi-ovale. Belon une variante d'exécutwon, on donne à la section droite de ltenveloppe tubulaire, lors de la compression principale, une forme comportant un évidement en U-, de telle sorte que l'é- lément tubulaire fini présente. une cannelure longitudinale. En pratique, on procèdera de préférence à la précompression sous une pression de 500 à 2000 kg/cm2 et à la compression proprement dite sous une pression de 4000 kg/cm2. Le dessin annexé, sanstcaractère limitatif, sert à mieux expliquer le procédé selon l'invention. Sur ce dessin Fig.1 est un graphique d'analyses granulométriques de la matière remplissant le tube; Fis. 2 à 4 montrent des formes possibles de la section droite de l'élément chauffant tubulaire. Â la fig.1, la courbe 2 est la "courbe idéales d'une analyse granulométrique. Dans la pratique, -on part d'un isolant granuleux dont l'analyse est représentée par la courbe 1. Si l'on ramène la section intérieure d'un tube d'épaisseur 0,5 mu rempli d'un tel isolant, selon des procédés connus, de B-10 mm à pl 8,5 mm à l'aide d'un laminoir, et si l'on refait ensuite l'analyse granulométrique de l'isolant, on obtient la courbe 3 qui permet de constater que la part pulvérulente du matériau, -qui est par exemple de ltoxyde de magnésium,- a nettement augmenté. Par contre, lorsqu'un élément chauffant tubulaire est confectionné selon le procédé de l'invention, dans lequel on ne procède, avant la flexion du tube, qu'à une précompression évitant l'écrasement et l'allongement de l'enveloppe, et empêchant la recristallisation du matériau dont elle est formée, tandis-que la compression proprement dite est réalisée sous environ 4000 kg/cm2, alors l'analyse granulométrique de l'isolant donne la courbe 4, déåà très proche de la courbe idée. On a, par ailleurs, atteint selon ce procédé une puissance unitaire amenant la fusion de la résistance de 110 W/cm2, ce qui montre que les élémonts chauffants confectionnés selon le procédé de l'invention présentent une qualité très élevée.En effet, ces éléments fabriqués selon le procédé préconisé atteignent, pour une mente pression définitive de serrage interne, une puissance limite pour la fusion supérieure à celle des éléments chauffants confectionnés selon la méthode habituelle, ce qui-dioontre que leur qualité est supérieure. D'autre part, on peut obtenir la même puissance limite pour la fusion que celle des éléments chauffants construits selon le procédé connu, tout en employant des pressions nettement plus faibles, ce qui a pour effet d'augmenter considérablement la durée de vie des appareils de compression. Ilest particulièrement rentable de modifier, au cours de la compression proprement dite par une presse à estomper, le contour de la section droite de l'enveloppe tubulaire de telle matière que le périmètre de ladite section droite soit égal ou supérieur à ce qu'il était avant le garnissage. On peut d'ailleurs étirer certaines parties de l'enveloppe lors de la compression proprement dite.0n peut obtenir ainsi soit une superficie supérieure pour une même qaantité de matière, donc une charge spécifique calorifique par unité de surface qui sera plus petite en W/cx2, soit une réduction de la longueur de l'élément chauffant pour une charge calorique identique par unité de surface. Les fig.2 et 3 montrent des exemples de configuration de la section droite de l'élément tubulaire fini. Celui de la fig.3, avec sa cannelure longitudinale, est particulièrement approprié dans les cas d'emploi oa, sans être plongé dans l'eau en perma- nenee, il est arrosé en permanence, cone par exemple dans une machine à laver la vaisselle. Si l'on monte l'élément tubulaire chauffant avec sa cannelure tournée vers le haut, on obtiendra un écoulement d'eau le long du tube, de telle sorte que même les points peu ou-pas arrosés se trouvent néanmoins refroidis en permanence. Pour confectionner ces tubes, on peut partir d'un tube à section circulaire d'un diamètre intérieur mesurant par exemple 7 mm. Après introduction de la résistance hélicoldale et de l'isolant, on donne à la section droite du tube une forme elliptique ou semi-ovale, le grand axe de l'ellipse intérieure mesurant 7,4 mza et le petit axe mesurant 6,4 arum. Or, ceci correspond à une réduction de 8,5% de la section droite.Après pliage, l'élément reçoit sa forme définitive, représentée par exemple à la fig.4, au cours de l'opération de compression proprement dite, après quoi la cote "a" sera de 7 n et la cote wbW de 5,8 mn. Les flancs plats 5 de la section droite convergent en formant entre eux un angle dépassant 50, et de préférence supérieur à 130. Ce mode d'exécution est particulièrement recommandé. Bien entendu, il y a intérêt à adapter le processus de pliage au nouveau procédé, c'est-à-dire à prendre les précautions utiles pour éviter tout déplacement de ltearoulement chauffant. Toutefois, l'expérience a montré que toutes les formes usuelles peuvent être fabriquées sans difficulté. Lorsque la précompression n'a lieu qu'aux points de flexion ou lorsque, par ailleurs, des pressions différentes sont appliquées aux tronçons rectilignes et aux parties à plier, on peut obtenir, en outre, un certain déchargement des points critiques, incurvés, en ce qui concerne les problèmes thermiques. La notion de "semi-ovale" correspond à celle des barreaux d'acier dits nodales", pour lesquels une âme droite est terminée de part et d'autre par des faces courbes convergentes qui se raccordent à un arc opposé à un côté droit. REVENDICAXIONS 1.- Procédé pour la réalisation d'éléments chauffants électriques de forme tubulaire dans lequel on dispose, dans une enveloppe tubulaire rectiligne en métal déformable à froid, une résistance chauffante hélicoidale pour remplir ensuite ladite enveloppe d'une matière isolante granuleuse présentant une granulométrie prédéterminée, ladite matière isolante étant comprimée par deux opérations dont la seconde n'a lieu qu'après le pliage de l'enveloppe dont la section droite est réduite au cours de ces opérations, procédé caractérisé en ce que le premier processus de compression, lequel a lieu avant ou pendant l'opé- ration de pliage, au moins aux points de flexion, ne constitue qu'une précompression, calculée de manière à empêcher simplement un aé-Blacement de la résistance hélicoidale chauffante, le second processus étant, au contraire, la eompression proprement dite, et une réduction substantielle du périmètre de la section droite du tube étant évitée au cours de l'ensemble des deux processus de compression. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au cours de la précompression de l'isolant, on procède à une réduction de 4 à 12% de la section droite libre du tube. 3.- Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, au cours de ltun au moins des deux processus de compression, la configuration du pourtour de la section droite de l'enveloppe tubulaire est modifiée de telle manière que, après la compression proprement dite, le périmètre de ladite section du tube soit égal ou supérieur à ce qu'il était avant le remplissage dudit tube. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la section droite du tube, circulaire à l'origine, reçoit, au cours du processus de compression qui en modifie le contour, une configuration elliptique ou semi-ovale. 5.- Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'au cours de la compression proprement dite, la section droite de l'enveloppe tubulaire reçoit une configuration comportant un sillon en U donnant à ltélément chauffant terminé une cannelure longitudinale. 6.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'enveloppe tubulaire reçoit une section droite de configuration non entièrement ronde, comportant deux c8tés opposés droits formant entre eux un angle dépassant 50, mais dont la valeur preférentielle dépasse 130. 7.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la précompression est-effectuée sous une pression de 500 à 2000 kg/cm2 et la compression proprement dite sous une pression d'environ 400Q kg/cm.