Brevet FR2279694A1 — publié le 19760220

La présente invention concerne des éléments de chauffage à propriétés thermiques améliorées constitués par une matière résistant à la corrosion et aux chocs de température, ainsi que le procédé utilisable pour la fabrication de ces éléments chauffants en utilisant des masses céramiques. Les éléments chauffants enrobés de métal appartiennent à la technique actuelle. On utilise dans l'industrie, en laboratoire et dans les appareils ménagers des serpentins de chauffage plongés dans des liquides et des réservoirs de gaz. Pour la cuisson des aliments, on utilise principalement la plaque chauffante. Dans le cas de ces éléments chauffants, la solution technique est caractérisée par le fait que le serpentin de chauffage électrique actif est logé dans un élément solide en matière céramique, par exemple en K E R 400 et 500, ou noyé dans une ma tière isolante pulvérulente, par exemple en MgO comprimé. L'agencement composite constitué par les conducteurs électriques et la matière isolante entoure une enveloppe métallique appropriée. Dans le cas de corps ou d'éléments chauffants tubulaires, cet agencement composite est constitué par de l'acier, de l'acier au chrome nickel, par du cuivre ou par de l'aluminium. Dans le cas d'éléments chauffants associés à des plaques chauffantes, ils sont recouverts d'un élément en fonte grise ou en fonte malléable. La matière isolante insérée entre le serpentin de chauffage et l'enveloppe métallique a deux rôles à remplir. Cette matière doit assurer l'isolation électrique et le transport de l'énergie thermique du serpentin de chauffage à l'enveloppe. I1 est alors particulièrement important que la résistance à la transmission de la chaleur du serpentin de chauffage à l'enveloppe soit aussi faible que possible afin que la température de travail du serpentin de chauffage ne s'élève pas trop, c'est-à-dire que, dans le cas de matieres isolantes qui se présentent à l'état initial sous forme de poudre, la densité doit être très élevée et que, dans le cas d'éléments isolants, fixés par frittage, les interstices d'air entre le serpentin et le corps isolant, d'une part, et entre le corps isolant et l'enveloppe métallique, d'autre part, ne doivent pas être trop grands. Ces éléments chauffants en matiere céramique ont été de plus en plus développés ces derniers temps et ils présentent aujourd'hui une bonne capacité de rendement et une longévité correspondante. C'est ainsi qu'il est connu, par le brevet des Etats Unis d'Amérique No. 3.761.859, qu'au lieu de la poudre de magnésium utilisée généralement, on utilise un mélange d'oxyde de magnésium comportant 20% environ en poids de nitrure de bore ou d'oxyde d'aluminium comportant 10% en poids environ de nitrure de bore. Un tel élément chauffant peut supporter pendant un laps de temps assez court un courant très fort. En outre, ces deux mélanges ont l'avantage que la chute de température entre le fil chauffant et l'enveloppe extérieure est réduite. Des éléments chauffants pouvant être utilisés dans des milieux agressifs sont également décrits dans le brevet allemand à l'inspection publique avant examen No. 2.200.665. On produit un corps constitué par du métal et par de la céramique à base de nitrure de titane et de nitrure de bore et éventuellement aussi d'aluminium en le pressant à chaud à des températures se situant entre 1700 et 18000C, ce corps se comportant très bien comme élément chauffant dans des milieux agressifs. Mais du point de vue économique, les températures de fabrication élevées et le prix élevé des matières brutes enlèvent à ce produit toute valeur pratique. En outre, il est déjà apparu sur le marché des éléments chauffants en matière plastique résistant à la corrosion. Ces éléments chauffants sont constitués par un corps en polypropylène autour duquel est enroulé un câble isolé par du téflon FEP. La couche isolante constituée par la matière fluorée est très mince de sorte qu'on obtient une très bonne transmission de la chaleur. Mais il n'est possible de chauffer avec ce corps que des liquides atteignant 1000C environ bien que la résistance ou la stabilité chimique soit excellente. Selon la température superficielle de l'enveloppe métallique, du type du milieu environnant de la matière métallique utilisée pour l'enveloppe, on procède à des modifications chimiques différentes sur la surface extérieure de l'élément chauffant. Dans l'air par exemple il se produit une oxydation relativement forte lorsque l'élément chauffant est utilisé pour produire des radiations. Les métaux connus s'oxydent et se calaminent fortement. Dans les milieux agressifs, l'enveloppe métallique est attaquée et dissoute après un temps d'utilisation relativement court. C'est pourquoi, il a déjà été reconnu depuis longtemps qu'une amélioration considérable en ce qui concerne la résistance à la corrosion de la matière utilisée et une augmentation de sa conductibilité thermique seraient désirables afin d'augmenter la sécurité et la longévité des éléments chauffants. Mais, jusqu'à présent, ces conditions n'ont pu être obtenues que par une dépense importante de matière et d'usinage. Ainsi qu'il est connu par le brevet allemand No. 425.602, il existe différents procédés pour fabriquer des éléments chauffants électriques. Par exemple, le conducteur chauffant peut être posé sur le noyau céramique terminé de cuisson, entouré d'une couche de matière céramique, puis logé dans un corps creux. I1 existe, en outre, un autre procédé selon lequel le corps chauffant est fabriqué par modification de la forme du corps creux ou par production d'une pression de l'intérieur sur la masse isolante. La portée de ce brevet lui-même concerne un conducteur chauffant enroulé sur un support poreux constitué par une matière céramique, la cavité entre le corps creux extérieur et le conducteur chauffant étant comblée par la coulée d'une masse de matière céramique. L'ensemble du corps chauffant est alors terminé de cuisson par chauffage.Les éléments chauffants utilisés actuellement sont généralement constitués par une enveloppe tubulaire dans laquelle le conducteur métallique est solidement noyé, de façon étanche à l'air et à l'eau dans une masse isolante céramique spéciale. I1 est nécessaire d'utiliser pour cela un procédé de fabrication spécial, la matière isolante céramique étant fabriquée sous la forme de tubes dits brisés. Dans ces tubes qui présentent un nombre déterminé de passages, est introduit le conducteur chauffant disposé en spirale. L'ensemble de l'élément est alors introduit dans une enveloppe tubulaire métallique. Mais tous ces procédés présentent un ensemble de défauts que l'invention permet de supprimer, étant donné qu'elle indique le moyen de fabriquer de façon très simple un corps céramique composite. Le but de l'invention est de permettre la réalisation d'éléments chauffants à propriétés thermiques améliorées, constitués par une matière résistant à la corrosion et aux chocs de température, pour lesquels les difficultés précitées sont évitées par l'utilisation de masses céramiques frittées. En outre, elles s'appliquent à indiquer un procédé selon lequel il est possible de fabriquer des éléments chauffants avec une faible quantité de matière et à des prix de fabrication raisonnables, et supérieurs quant à leur rendement et à leur durée aux solutions et aux constructions techniques conventionnelles connues jusqu'à présent. La solution de ce problème réside dans le fait que les conducteurs thermiques sont introduits directement par frittage dans la matière céramique, selon une forme allongée ou en forme de spirale, le coefficient de dilatation étant différent en comparaison avec les conducteurs thermiques métalliques noyés, et les éléments chauffants ne comportant pas d'enveloppe métallique. Suivant une autre particularité de l'objet de l'invention, il est prévu un dispositif technique pour la fabrication des éléments chauffants en matière céramique suivant l'invention, dispositif qui permet l'extrusion en continu d'éléments chauffants en forme de barres. En outre, il en résulte un procédé remarquable, selon lequel les serpentins de chauffage insérés dans des corps rectangulaires ou d'autres formes géométriques peuvent être coulés et introduits sous pression dans la matière céramique. Il est également possible d'envisager d'enrober les conducteurs chauffants en utilisant le procédé de moulage par injection. Suivant une autre particularité de l'objet de l'invention, il est possible d'utiliser des matières céramiques constituées par du silicate de magnésium ou par des oxydes. I1 est également possible d'utiliser des matières dures céramiques telles que le nitrure de silicium, lorsque les éléments chauffants sont des tinés à supporter de très hautes températures. Lorsqu'il n'est exigé qu'une faible conductibilité thermique et une bonne résistance aux changements de température, il est possible d'utiliser des matières poreuses. I1 est également possible d'utiliser comme matière composite céramique un matériau à la fois isolant et résistant à la corrosion. Suivant une autre particularité de l'objet de l'invention, les surfaces de la matière céramique peuvent être colorées afin d'obtenir une meilleure réflexion de la chaleur. Cette coloration peut être obtenue soit par glasure ou émaillage ou être appliquée directement sur le corps céramique. D'autres particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard des dessins schéma montrant tiques annexés/un exemple de réalisation donné à titre indicatif et non limitatif. La fig. 1 est une vue en coupe longitudinale de l'outil lors de l'opération de boudinage. La fig. 2 est une vue en coupe de l'outil prise par la ligne A-A en fig. 1. La fig. 3 est une vue en coupe de l'élément chauffant. La construction de l'outil indiquée sur le dessin représente un procédé selon lequel il est possible d'introduire les fils chauffants lors du boudinage de la matière céramique. Le domaine du chauffage électrique exige un certain nombre de masses céramiques, étant donné que les conditions sont très différentes, vu la multiplicité des appareils. On donnera ci-après quelques exemples de compositions de ma tières céramiques destinées à la fabrication des éléments chauffants précités. EXEMPLE 1 On utilise une matière au silicate de magnésium analogue à la stéatite spéciale pour la fabrication de tubes chauffants à charge électrique et thermique relativement basse, constituée par: 83 à 86% de stéatite, 6 à 8% de carbonate de baryum, 6 à 7% d'argile, 1 à 1,5% d'hydrate d'alumine. En outre, on obtient une matière à base de silicate de magnésium modifiée contenant de la stéatite ainsi que du kaolin et de l'argile comme plastifiant. Les kaolins et les argiles sont choisis de telle sorte que la teneur en alcali et en fer reste entre mement faible. La composition est la suivante: 19 à 23% de stéatite, 35 à 39% de kaolin, d'argile et de bentonite, 10 à 12% de poudre de quartz, 18 à 22% d'alumine, 9 a 11,5% due feldspath. EXEMPLE 2 Matières céramiques oxydées. Une matière contenant une teneur très élevée en alumine est propre à supporter de très fortes charges. Pour améliorer le traitement céramique, on ajoute des plastifiants. En outre, il est nécessaire d'utiliser des liants organiques qui sont ensuite brûlés sans laisser de résidu. La composition de la masse est constituée par exemple par 96% d'alumine et 4% de produits additionnels de frittage, par exemple de magnésium. Si la teneur en alumine doit être plus basse, on peut utiliser la composition suivante: 68 à 73% d'alumine, 10 à 18% d'argile et de bentonite, 11 à 18% de feldspath, 1 à 2% de stéatite, 1 à 2% de dolomite. La résistance aux changements de températures et à la corrosion de ces matières sélectionnées est plus que suffisante en tenant compte des importants dosages géométriques devant assurer un fonctionnement sûr des éléments chauffants. Les compositions sont préparées selon les technologies céramiques connues et la masse céramique est menée à une boudineuse 1 qui ne sera pas décrite en détail. La masse est divisée par un élément médian 2 en forme d'étoile en trois boudins 3 de mêmes dimensions puis comprimée sur une plaque 4 formant tamis afin d'obtenir de nouveau une homogénéisation de la matière. A travers un bras 5 de l'élément médian 2 en forme d'étoile est ménagé un alésage 6 faisant un angle aigu avec l'axe de l'outil, dans le cas présent un angle de 24 , à travers lequel alésage est introduit le fil chauffant 7 enroulé en spirale. A l'extrémité de l'élément médian est vissée une buse 8 pouvant être remplacée selon le diamètre de chaque fil chauffant. La masse pressée à travers la plaque de tamis 4 est compacifiée à l'endroit du cône 9 du fait de la réduction de diamètre du boudin et est introduite à force à travers l'embouchure avec le fil chauffant sortant de la buse 8. En faisant tourner l'écrou à collet 10, il est possible de modifier la fente 11 de telle sorte qu'il en résulte un entrainement positif du fil chauffant mais qu'une accumulation de la masse céramique dans l'alésage 12 de la buse soit évitée. Les éléments 12 et 13 de l'outil ne sont réalisés en deux éléments qu'à cause de la plus grande facilité de fabrication, mais ils pourraient également, en les usinant de façon convenable, être constitués par un seul ensemble unitaire.Le boudin 15 sortant de l'embouchure 14 peut être alors retiré sous forme de prismes en vue de son séchage ou être recourbés au moyen de moules appropriés pour en faire des tubes enroulés en hélice, des formes de section en des formes hélicoidales, etc. Après séchage et exposition à l'air libre des extrémités de raccordement, on fritte l'élément chauffant. Les températures de combustion se situent selon les masses utilisées entre 1200 et 17000C. La fabrication d'éléments chauffants en matières céramiques dures et en matière composite s'effectue de la même façon. Les éléments chauffants fabriqués suivant l'invention présentent les particularités techniques essentielles suivantes: 1. C'est ainsi, par exemple, qu'un élément chauffant en forme de baguette utilisé à des fins électriques à une température de 7000C environ et constitué par des masses de silicate de ma gnésium ou des masses céramiques à base d'oxyde peut être trempé sans dommage en l'aspergeant d'eau froide. 2. La conductibilité des matières céramiques utilisées importante pour assurer un bon transfert de chaleur se situe dans la zone de 2/25 kcal/m.h., mesurée à 1000C 3. La bonne résistance aux chocs de température doit être attribuée au faible coefficient de dilatation thermique de 0,08 à 5.10 6OC ou aux propriétés du corps poreux. 4. Les résistances spécifiques de 50 Hz peuvent se situer 7 au dessus de 10' ohm.cm, même à des températures supérieures à 5000CI 5. La densité de rayonnement à la surface des éléments chauffants, lorsque le milieu ambiant est constitué par de l'air, peut actuellement comporter jusqu'à 10 W/cm2. 6.- Les éléments chauffants peuvent être métallisés de façon à pouvoir supporter la soudure et peuvent être reliés à des flasques ou rebords également métallisés. I1 est ainsi possible de procéder directement au soudage ou au brasage dans des bains utilisés pour le réchauffement de liquides. 7.- Grâce à une construction appropriée des extrémités de raccordement, on peut assurer qu'une valeur maximum prédéterminée des températures ne soit pas dépassée. Grâce aux propriétés précitées et aux technologies données, on obtient les avantages suivants, par rapport aux éléments chauffants connus: La masse de base céramique sert en même temps d'isolateur et de conducteur thermique. La matière isolante ne se modifie pas même jusqu'à des températures dépassant 8000. I1 ne se produit pas de courant de dérivation étant donné qu'il n'y a pas d'enveloppe tubulaire métallique. I1 ne se produit plus de phénomène d'oxydation (formation de battitures). I1 en résulte une plus grande longévité des éléments chauffants. Leurs dimensions peuvent être plus faibles pour un rendement suffisant par rapport aux éléments chauffants de type courant. En outre, les éléments chauffants suivant l'invention peuvent être fabriqués de façon très simple par les procédés d'extrusion, de pressage, de coulée et éventuellement aussi de moulage par injection. Ces éléments peuvent être en forme de baguettes ou de plaques mais peuvent également présenter d'autres formes géométriques, leur section pouvant être circulaire, rectangulaire, ovale ou en forme d'étoile. Les éléments en forme de baguettespeuvent être conformés avant frittage en éléments en forme d'U, en spirale aplatie ou en spirale cylindriQue le coefficient de rayonnement peut être amélioré par une coloration foncée des surfaces. Les détails de mise en oeuvre du procédé et les détails de réalisation des éléments chauffants ainsi obtenus peuvent être modifiés, sans s'écarter de l'invention, dans le domaine des équivalences techniques. REVENDICATIONS 1.- Elément chauffant présentant des propriétés thermiques améliorées, constitué par une matière résistant à la corrosion et aux brusques changements de température, caractérisé en ce que les conducteurs thermiques de forme allongée ou en spirale peuvent être directement frittés et noyés dans la matière céramique, leur coefficient de dilatation étant différent par rapport aux conducteurs métalliques noyés, et les éléments chauffants ne comportant pas d'enveloppe métallique. 2.- Procédé pour la fabrication de conducteurs thermiques en matière céramique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les conducteurs thermiques devant être conformés en baguettes ou en spirales pénètrent en même temps que la masse de base céramique dans l'embouchure d'une boudineuse, les pièces pressées par boudinage étant, avant cuisson, subdivisées et séchées, et les extrémités de raccordement étant dénudées. 3.- Procédé pour la fabrication de conducteurs thermiques en matière céramique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les conducteurs thermiques constitués par des corps rectangulaires ou présentant d'autres formes géométriques sont noyés directement dans la matière de base céramique par pressage,moulage ou injection. 4.- Elément chauffant en matière céramique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la masse de base de matière céramique est constituée par des matières denses constituées par du silicate de magnésium. 5.- Elément chauffant en matière céramique suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise des matières denses à base de matières céramiques oxydées. 6.- Elément chauffant en matière céramique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise comme matière de base des matières céramiques dures. 7.- Elément chauffant en matière céramique suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constituE par des matières composites comportant des fibres de matière céramique. 8.- Elément chauffant en matière céramique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que la surface de la matière céramique est colorée en noir afin d'améliorer les radiations thermiques. 9.- Elément chauffant en matière céramique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les raccords sont constitués par une matière métallisée permettant la soudure ou le brasage.