Brevet FR2374812A1 — publié le 19780713

L'invention concerne les fours électriques et en particulier un four ayant un élément de résistance en graphite solide en atmosphère inerte. On connait déjà plusieurs types de fours électriques qui emploient comme élément de résistance le graphite solide. Ces types connus de four ont pour caractéristique commune l'effort pour bien façonner 19élément de résistance en graphite solide, appelé aussi élément de chauffage, de façon à obtenir une résistance électrique le plus possible élevée et à atteindre des puissances élevées au moyen de courants électriques assez faibles Cela implique un inévitable accroissement de la surface utile de l'élément de chauffage, ce qui engendre une série d'inconvénients qui souvent empechent d'employer ces types connus de fours pour quelques applications spéciales introduites récemment dans la technique, comme par exemple la filature de fibres en matériaux vitreux, la fusion par zones, la production de matériaux frittés. les inconvénients principaux sont les suivants - fragilité de construction de l'élément de chauffage, qui compor te une incertitude correspondante de fonctionnement; - capacité thermique élevée, qui ne donne pas au four la prompti tude nécessaire pour des éventuels servocontrôles fins de tempé rature; - zone chaude pas assez concentrée. la figure 1 représente de manière schématique 11 élément de chauffage d'un type de four très connu employant le graphite solide, caractérisé par le fait qu'il présente la zone utile pour le chauffage (la partie en bas du dessin) entaillée de manière à obtenir une grecque pour en augmenter la résistance électrique au moment du passage du courant. Une simple-analyse de la figure 1 permet de se rendre compte que les inconvénients susdits existent en réalité. En effet, à la difficulté de travailler le graphite solide (matériau assez fragile et pas homogène) on doit ajouter la fragilité mécanique engendrée par le dessin de l'entaille; en outre, la nécessité d'un long parcours électrique ne permet pas d'obtenir la promptitude de réponse demandée au four (à moins qu'on n'emploie un élément de résistance très subtile au détriment de la solidité et de la durée de fonctionnement) et une concentration suffisante de la zone chaude. L'invention vise à éliminer ces inconvénients de la technique connue au moyen d'un four qui, en employant comme élément de chauffage une petite barre en graphite convenablement travai31ée, présente une grande facilité de construction et donc une solidité qui le rend insensible aux cycles thermiques; en outre il présente une grande rapidité due à une capacité thermique très réduite. Une autre caractéristique de l'invention est la présence d'une zone utile chaude très concentrée et d'une température limite de fonctionnement très proche de la température de sublimation du graphite 2w 30000C). La présente invention a pour principal objet un four ayant un élément de résistance en graphite solide en atmosphère inerte dans lequel cet élément de résistance formant l'élément de chauffage, est structuré de façon à obtenir une zone chaude très concentrée avec une distribution uniforme de la température, cette structure étant formée par une petite barre en graphite solide convenablement percée et façonnée de façon à présenter une partie pseudo-annulaire à parois d'épaisseur constante, apte à former ladite zone chaude, et apte à délimiter deux appendices pour l'adduction du courant électrique, raccordés à cette partie pseudoannulaire su moyen de goulots convenables effectués de manière à déterminer une distribution constante de la température dans ladite zone chaude. Ces caractéristiques de l'invention et d'autres encore ressortiront de la description qui suit dlun type de réalisation du four, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées, sur lesquelles La figure 1 représente de façon sehématique l'élément de chauffage d'un type connu de four électrique. La figure 2a représente, en section partielle, la structure du four électrique, objet de l'invention. La figure 2b représente la vue en plan et de côté d'un détail, désigné par R2 sur la figure 2a, concernant l'élément de chauffage. Comme l'on vient de dire, la figure 1 représente l'élément de chauffage d'un four électrique connu dans la technique. les deux appendices en haut constituent la connexion électrique; le circuit électrique est formé à travers le parcours en forme dè grecque représente dans la partie inférieure du dessin et reproduit tel quel dans la partie postérieure visible sur le dessin. Puisque la figure 1 n'intéresse pas l'invention, elle ne sera pas décrite en détail. Sur la figure 2a, la référence G désigne l'élément de chauffage en graphite solide du four, objet de l'invention. 11 élément de chauffage C est obtenu d'une seule petite barre en graphite, travaillée-mécaniquement par structuration du matériau de façon à lui donner la forme représentée sur la figure. En particulier, la petite barre présente - Deux appendices AI, A2 qui sont cuivrés au moyen d'un procédé galvanique pour améliorer le contact électrique. - Un corps central CC, percé à l'intérieur, qui constitue le point chaud du four; sur la figure, pour des raisons de simplificité, on a représenté un corps CC cylindrique avec un trou circulaire, mais il est évident que n'importe quelle-autre forme géométrique, si nécessaire, peut etre obtenue à l'intérieur du corps central CC. - Un double goulot dans les points RI R2 raccordant les appendices Al, A2 et le corps central CC; ce goulot a la forme représentée dans le détail agrandi dans la vue en plan et de côté de la figure 2b concernant R2, et il est employé pour obtenir une tempé rature constante le long de tout l'anneau de CC.En effet, si les appendices Al, A2 (fig. 2a) étaient connectés directement à CC, dars le point de connexion appendices-corps on enregistrerait une résistance électrique moins élevée qui, ajoutée à la conduction de chaleur le long des appendices Al, A2, produirait au cours du fonctionnement un niveau de température inférieur à celui de la partie annulaire restante dè CC; l'augmentation de résistance électrique dans les points R1, R2 compense cet inconvénient. Encore sur la figure 2a, les références M1, M2 désignent les bornes des rhéophores extérieurs nécessaires pour l'alimentation électrique du four; la partie de ces bornes qui se trouve à l'intérieur du four prévoit un siège S1, S2, pour les appendices AI, A2 de ltélément de chauffage C, qui permet de les brider au moyen des vis NI, N2. L'enveloppe extérieure du four est constituée par une double chemise V en tôle, à l'intérieur de laquelle on fait circuler l'eau de refroidissement au moyen des tubes Tî, 2. le gaz inerte à l'intérieur du four circule à travers les tubes Il, L2 qui traversent de façon étanche la double chemise V de refroidissement. Deux trous à étanchéité d'eau sont présents dans la double chemise V en correspondance du trou du corps central CC, de façon à permettre l'accès de l'extérieur et éventuel passage de tubes et barres à travers ltélément de chauffage C; sur la fig. 2a, on a représenté seulement un des deux trous, désigné par B1. Deux couvercles en métal P1, P2 ferment de côté, comme représenté sur la figure, la double chemise V et constituent en meme temps le support pour les bornes M1, M2. l'isolation électrique nécessaire entre les bornes M1 et M2 est obtenue au moyen de garnitures isolantes convenables (pas représentées sur la figure pour ne pas compliquer le dessin) entre les couvercles PI, P2 et les bornes n11, M2, placées avant de les fixer; cet artifice permet de souder directement la double chemise V à un des deux couvercles, par exemple P2, et de fixer de façon amovible l'autre couvercle PI à la chemise V au moyen de simples boulons B, après l'interposition opportune d'une garniture G à tenue hydraulique. En effet, il est nécessaire de faciliter l'accès à l'intérieur du four pour permettre l'éventuelle substitution de l'élément de chauffage; dans ce but des fenêtres opportunes, non représentées sur la figure, permettent de serrer et de désserrer les vis NI, N2 de ltextérieur. La double chemise V est soudée hermétiquement du côté de PI à une bride métallique Z qui présente, par exemple, des trous bornes filetés pour visser les boulons B. Il est évident que la connexion amovible entre la bride Z et le couvercle PI peut tertre obtenue de façon différente sans sortir du champ de l'invention; par exemple, on peut appliquer sur cette bride, en correspondance des trous opportuns obtenus sur Pi, des boulons prisonniers filetés et les fixer de la partie extérieure de PI au moyen de dés, etc. le fonctionnement d'un four électrique tel que l'on vient de décrire ne présente pas de problèmes nouveaux par rapport aux fours électriques connus. le courant électrique, en découlant à travers ltélément de chauffage, rencontre la résistance la plus élevée en proximité du corps cylindrique CC (fig. 2a) et on détermine le chauffage en mesure proportionnelle au carré de son intensité, jusqu'à l'incandescence. Toute la chaleur est ainsi concentrée dans la zone du corps central GC. En raison de la basse capacité thermique de l'élément de chauffage, le four objet de l'invention parcourt avec une bonne rapidité, les cycles thermiques imposés par les changements désirés d'intensité du courant d'alimentation. L'élément de chauffage C, en raison de la simplicité du dessin, peut être eonstruit très facilement; et à cause de sa solidité mécanique, il peut Qtre placé et fonctionner sans des risques de ruptures accidentelles. Aussi la substitution de l'élément de chauffage de la chambre de four est très facile grâce à la simplicité de fixation et de la solidité mécanique de l'élément même, le four électrique présente plusieurs applications spéciales, dont les principales sont les suivantes - filature à haute température de fibres en verre de silice et de verres à bas point de fusion. - Fusion à zones pour l'épuration de cristaux, opération typique de la technique de fabrication des semi-conducteurs. - Production de métaux spéciaux ("métaux durs", frittés, etc.). - Opérations de recuit. - Réalisation de températures élevées, avec la possibilité de changements soudains, pour des travaux de laboratoire. - Génération de chocs thermiques de valeur opportune pour des essais sur des substances établies ou pour la trempe de matériaux spéciaux, en présence de températures fixées et de fronts rapides établis. - Utilisation comme "corps noir" pour des mesures d'irradiation et de température. Des modifications et des changements peuvent être apportées à l'exemple de réalisation de l'invention que l'on vient de décrire sans sortir du cadre de protection de l'invention. - R s V B g D I O A O I O g S - Four électrique ayant un élément de résistance en graphite solide en atmosphère inerte, caractérisé en ce que ledit élément de résistance C, formant ltélément de chauffage, est structuré de façon à obtenir une zone chaude très concentrée avec une distribution uniforme. de la température, cette structure étant formée par une petite barre en graphite solide convenablement percée et façonnée de façon à présenter une partie pseudo-annulaire CG à parois d'épaisseur constante, ap-teà former ladite zone chaude, et apte à délimiter deux appendices Al, A2 pour l'adduction du courant électrique, raccordés à cette partie pseudo-annulaire CC au moyen de goulots convenables R1, R2 effectués de manière à déterminer une distribution constante de la température dans ladite zone chaude. 2. Four électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on a prévu, pour contenir ledit élément de chauffage, une chambre avec les parois extérieures refroidies par circulation d'eau, et des moyens Il? L2 aptes à maintenir à son intérieur une atmosphère d'un gaz inerte ou réducteur, ladite chambre comportant des sièges S1, S2 pour la fixation des deux bornes électriques M1, M2 connectées audit élément de chauffage C et des passages opportuns F1 pour permettre l'accès de l'extérieur à la zone chaude dudit élément, des moyens B étant prévus pour faciliter l'ouverture de ladite chambre pour l'entretien.