Brevet FR2628209A1 — publié le 19890908

( RÉRPUBLIQUE FRAN AISE N de publication 2 628 209 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIÉ=TÉ INDUSTRIELLE DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE N d'enregistrement national: 89 02668 PARIS. Q Int C14 G 01 N 3/18, 33/38. DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 ) Date de dépôt: 1er mars 1989.) Demandeur(s): INSTRON CORPORATION. - US. ( Priorité: US, 1 " mars 1988, n 162 798. ( Inventeur(s)': Stephen Michael McMahon: David Wil- lard Scanlon. ) Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 36 du 8 septembre 1989. 6 Références à d'autres documents nationaux appa- rentés: rné Titulaire(s): O Mandataire(s): Cabinet Plasseraud. _ Dispositif chauffant pour échantillons oblongs soumis à des essais. Dispositif chauffant destiné à chauffer un échantillon de matériau oblong 30 comprenant un matériau isolant définissant; une chambre 62 comportant une région d'échantillon centrale apte à recevoir l'échantillon oblong 30 et une région d'éléments chauffants extérieure, le matériau comprenant des passages horizontaux 78, 80 à travers celui-ci aptes à recevoir des éléments chauffants 92, plusieurs éléments chauffants à résistance électrique comportant des branches traversant les * passages horizontaux 78, 80 et les portions chauffantes dans la région d'éléments chauffants extérieure, les passages et éléments chauffants étant regroupés en deux zones horizon- I tales. Une fente 58 est également pratiquée à travers laquelle on peut introduire un échantillon 30 orienté verticalement. oe ou N CO N /ILa c b.1 i l 'IMPRIMFRIF ATIntNAI E 27. rue de la Convention - 75732 PARIS CEDEX 15 nrDçnT T TTF cHazuFANT PEMl FoI"J.T'I IN f '&S M InJNI Àr à IHT dg I.q.QA T-Q La présente invention se rapporte au chauffage d'échantillons oblongs pour essais, par exemple des échantillons de céramique soumis à des essais sur un portique de contrôle des contraintes. Les contraintes/sollicitations et autres carac- téristiques de résistance des matériaux d'un échantillon oblong sont mesurées dans un portique de contrôle des contraintes en introduisant les deux extrémités de l'échantillon dans des mâchoires qui appliquent des for- ces de compression et de traction ou les deux le long de l'axe longitudinal de l'échantillon (sollicitations axiales). Les échantillons peuvent être chauffés à la température d'essai élevée souhaitée en utilisant un dispositif chauffant qui entoure l'échantillon. De façon typique, le dispositif chauffant comprend un matériau isolant qui définit une chambre recevant l'échantillon et des éléments chauffants du type à résistance électri- que qui comportent des portions chauffantes dans les chambres. Une conception de dispositif chauffant d'échan- tillons oblongs mise au point par des tiers antérieure- ment à la présente invention mettait en oeuvre des élé- ments de matériau isolant articulés à la manière de deux mâchoires qui définissaient une chambre et s'ouvraient pour permettre la mise en place d'un échantillon à l'in- térieur de la chambre ou pour le prélever celle-ci de la chambre. Les éléments chauffants du type à résistance électrique en forme de U fournissant une zone de chauf- fage unique comportaient des branches qui traversaient des passages horizontaux dans le matériau isolant et des portions chauffantes courbées entre les branches au ni- veau de la -région extérieure de la chambre entourant 26282.09 l'échantillon. Dans l'un de ses aspects, la présente invention concerne de façon générale le chauffage d'un échantillon en matériau oblong dans un four qui comporte un matériau isolant définissant une chambre pour recevoir l'échan- tillon et plusieurs éléments chauffants à résistance électrique comportant des branches traversant des passa- ges horizontaux dans le matériau isolant et des portions chauffantes dans la région extérieure de la chambre, les éléments chauffants étant groupés en plusieurs zones ho- rizontales. L'agencement horizontal permet d'obtenir des températures très élevées, nécessitant une quantité énorme de puissance, dans une petite chambre de four au- tour d'un échantillon relativement petit (par exemple une distance entre les mâchoires supérieure et inférieu- re d'environ 10,16 cm). La capacité d'utiliser des échantillons courts réduit les coûts inhérents aux es- sais pour au moins certains matériaux (par exemple les céramiques) et la faible hauteur de four permet d'utili- ser des mâchoires basse température à l'extérieur du four. L'utilisation de plusieurs zones horizontales per- met d'assurer l'uniformité'de la température sur la to- talité de la région centrale soumise aux essais, à sa-- voir la région qui présente un intérêt pour l'échantil- lon en question. Dans des modes de réalisation préférés, les élé- ments chauffants sont en forme de U et disposés l'un sur l'autre et forment deux groupes sur les côtés opposés de la région de l'échantillon; les éléments chauffants sont réalisés à partir d'un matériau cermet; et les éléments chauffants de chaque zone sont commandés élec- triquement de façon séparée. Dans un autre aspect, la présente invention con- cerne en général le chauffage d'un échantillon oblong soumis aux essais dans un four qui comprend un matériau isolant définissant une chambre ou recevant l'échantil- lon et plusieurs éléments chauffants à résistance élec- trique comportant des branches traversant des passages horizontaux dans le matériau isolant et des éléments chauffants dans une région extérieure de la chambre. Le matériau isolant comporte une fente verticale à travers laquelle un échantillon orienté verticalement peut péné- trer dans la chambre. La fente autorise une construction d'une seule pièce sans partie mobile et permet d'enlever le four chauffant de l'échantillon d'essai dès que le test est terminé sans soumettre les éléments chauffants à des chocs thermiques trop sévères, améliorant ainsi la longévité des éléments chauffants. Dans des modes de réalisation préférés, on-uti- lise une cheville réalisée à partir d'un matériau iso- lant pour obturer la fente utilisée; les plaques réali- sées en matériau isolant coulissent à l'intérieur des fentes de réception pour définir partiellement la cham- bre; ces plaques présentent des portions arquées épou- sant des surfaces de configuration similaire des compo- sants en contact avec l'échantillon. D'autres avantages et caractéristiques de l'in- vention découleront de la description ci-après d'un mode de réalisation préféré ainsi que des revendications. On va maintenant décrire le mode de réalisation préféré à l'aide de dessins. La figure 1 est une vue en perspective d'un por- tique de contrôle des contraintes de matériau comprenant un four de chauffage d'échantillon selon l'invention. La figure 2 est une vue schématique en perspec- tive éclatée du four de la figure 1. La figure 3 est une élévation d'un élément chauffant du four de la figure 2. La figure 4 est une vue en plan schématique mon- trant l'orientation des éléments de chauffage de la fi- gure 3 du four de la figure 2. La figure 5 est une élévation schématique mon- trant l'orientation en deux zones des éléments de la fi- gure 3 du four de la figure 2. La figure 1 montre le portique de contrôle des contraintes de matériau 10 comprenant des pieds 12, une plate-forme 14, des montants 16 et 17 s'étendant vers le haut depuis la plate-forme 14, et une traverse 18 entre les montants 16, 17. Le boite dynamométrique 20 et la mâchoire supérieure 22 sont reliées à la traverse 18, la mâchoire 22 venant saisir l'extrémité supérieure de l'échantillon soumis à l'essai 30. Directement au-des- sous et supporté par la plate-forme 14 sont disposés un palier hydrostatique 24, une tige d'actionnement 26, et la mâchoire inférieure 28, pour la préhension de l'ex- trémité inférieure de l'échantillon 30. L'élément d'ac- tionnement 31 est supporté au-dessous de la plate-forme 14 et entraîne la tige 26 qui traverse un trou à travers la plate-forme 14. Comme le montre la figure--1, l'échantillon 30 est relié entre les prolongements de mâchoire de plus petit diamètre 32, 34 respectivement des mâchoires 22, 28. L'ensemble de l'extensomètre 36 est supporté par le montant 17 via la barre horizontale 38, la tige vertica- le 40 et la barre horizontale 42. Les barres horizonta- les 38, 42 sont disposées de façon que les doigts de l'extensomètre 44, 46 de l'ensemble de l'extensomètre 36 puissent être alignés avec l'échantillon 30 et se déplacer sur et hors de la position le long d'un trajet de façon générale perpendiculaire à un plan traversant les centres des montants 16, 17. Le four 48 (montré quelque peu schématiquement à la figure 1 et plus en détail aux figures 2, 5) est monté de façon coulissante sur les blocs 50, 52 sur les tiges horizontales 54, 56. Le four 48 comporte une fente verticale 58 destinée à recevoir l'échantillon 30 lorsque le four 48 est déplacé en position après avoir monté l'échantillon 30 dans les mâchoires 22, 38. Sur la figure 2, le four 48 est montré sous la forme partiellement assemblée. Le four 48 comprend un ensemble central 60 de matériau isolant qui définit une chambre de four 62 dans celui-ci. Le matériau isolant de l'ensemble 60 est de l'oxyde d'aluminium fibreux commer- cialisé par Zircar Corp. sous la désignation commerciale Sali. L'ensemble 60 est principalement constitué par des couches centrales 64 et trois couches 66, 68, 70 qui sont positionnées sur le dessus et sur le dessous de l'ensemble et dont la configuration est apte à recevoir des couvercles supérieur et inférieur 72, 74. La chevil- le d'obturation 76 présente une configuration lui per- mettant de remplir le reste de la fente 58 après avoir. introduit le couvercle 72 et 74 et comprend deux passa- ges horizontaux 78, 80 destinés à recevoir respective- ment les doigts de l'extensomètre 44, 46. Les couvercles 72, 74 et la cheville 76 sont réalisés dans le même ma- tériau que les couches de l'ensemble 60. Les couvercles 72, 74 présentent des surfaces courbées 75 de configura- tion apte à fournir un ajustage serré avec les prolonge- ments de màchoire 32, 34. A droite et à gauche de l'en- semble 60 sont disposés d'autres blocs isolants 82 réa- lisés en briques réfractaires d'oxyde d'aluminium com- mercialisées sous la marque Kaocrete par Babcock & Wil- cox et des plaques 84 réalisées en un matériau d'alumine à structure renforcée de céramique commercialisées par Zircar sous la marque RS100. Le bloc 82 et la plaque 84 sur le côté gauche ne sont pas représentés étant donné qu'ils sont recouverts du couvercle latéral 86, du cou- vercle supérieur 87 et du couvercle d'extrémité 88; les couvercles correspondants 86, 88 pour le côté main droi- te du four 48 ne sont pas représentés à la figure 2. Le couvercle 88 comprend le ventilateur 99 pour diriger l'air de refroidissement vers les extrémités des élé- ments chauffants 92 en forme de U. 262t209 La figure 3 fait apparaître que l'élément chauf- fant 92 est en forme de U, y compris les branches 94, 96 et la portion chauffante courbée 98. L'élément chauffant 92 est réalisé en cermet constitué principalement par un disiliciure de molybdène (MoSi2) commercialisé par Kan- thal Furnace Products, Hallstahammar, Suède, sous la marque commerciale Kanthal Super 33. Les branches 94, 96 ont un diamètre de 12 mm et comprennent des portions co- niques 100, 102. Les branches 94, 96 ont une longueur de 14 cm à partir de leur extrémité vers les extrémités des portions coniques 100, 102 et sont espacées entre elles de 2,54 cm de centre à centre. Les portions coniques , 102 ont une longueur de 20 mm. La portion courbée 98 a un diamètre de 6 mm et une longueur de 1,5 cm de- puis la liaison avec les portions coniques 100, 102 jus- qu'à l'extrémité. Les extrémités de 40 mm 104, 106 des branches 94, 96 comportent un aluminiage pour assurer un bon contact électrique avec les liaisons électriques (non représentées) telles que cela est décrit dans Kan- thal Super Handbook, 1984 (imprimé en Suède par Ljungfo- retagen, Orebro, cat. ni 2-A-1-3.5'). Les figures 4 et 5 représentent deux zones de chauffage horizontales d'éléments chauffants 92, chaque zone comportant six éléments chauffants 92. Au centre de la chambre de four 62 est disposée une région d'échan- tillon centrale 108 destinée à recevoir l'échantillon 30 et une région d'éléments chauffants extérieure 110 dans laquelle sont situées les portions chauffantes 98 des éléments chauffants 92. Le volume de la chambre de four 62 est d'environ 850 cm3. La distance entre le dessus de la couche supérieure 66 et le dessous de la couche infé- rieure 66 est de 10,16 cm. La longueur entre repères, la distance entre les extrémités des doigts d'extensomètre 44, 46 est de 25 mm. Les branches 94, 96 des éléments chauffants 92 traversent des passages horizontaux 112 des couches isolantes 64, des blocs 82 et plaques 84. Entre les branches 94, 96 du même élément chauffant 92, sont disposées les chevilles en céramique 114. Les éléments chauffants 92 de la zone chauffante supérieure sont reliés électriquement en une seule sé- rie, et les éléments chauffants 92 de la zone chauffante inférieure sont reliés électriquement de façon séparée en une autre série (par des liaisons non représentées à la figure 2). En fonctionnement, l'échantillon en céramique 30 - est relié aux prolongements de mâchoire 32, 34, tandis que le four 48 est dans la position d'attente représen- tée à la figure 1 et l'ensemble de l'extensomètre 36 est en position reculée par rapport à l'échantillon 30. Le four 48 est alors déplacé vers l'échantillon 30 le long des barres de guidage horizontales 54 jusqu'à ce que l'échantillon 30 se trouve à l'intérieur de la région d'échantillon 108. Les couvercles 72, 74 coulissent alors dans leur position respective avec leurs surfaces avant arquées 75 amenées à proximité des prolongements de mâchoire 32, 34 de configuration similaire. La che- ville 76 est alors introduite pour remplir la portion restante de la fente 58 entre les couvercles 72, 74 et l'ensemble d'extensomètre 36 est déplacé vers l'avant. Les doigts 44, 46 traversent les passages 78, 80 de la cheville 76 jusqu'à ce qu'ils viennent en contact avec l'échantillon 30. Le four 48 chauffe l'échantillon 30 à la température de calcul, par exemple 1500'C. Le venti- lateur 90 fait circuler l'air à travers l'enceinte à l'intérieur du couvercle d'extrémité 88 pour refroidir les extrémités des éléments de chauffage 92. Les prolon- gements de mâchoire 32, 34 sont refroidis par eau. L'agencement horizontal des éléments chauffants permet de concentrer une quantité importante de puissan- ce dans la petite chambre de four pour chauffer l'échan- tillon 30 soumis aux essais. L'utilisation de deux zones de chauffage et la commande séparée de celles-ci assu- rent l'uniformité de la température sur la longueur en- tre repères de l'échantillon 30. Par exemple, un échan- tillon de carbure de silicium soumis aux essais, chauffé jusqu'à 1500'C ne présente qu'un manque d'uniformité de température sur toute la longueur entre repères que de +5C seulement. Après avoir effectué les essais, l'ensemble de l'extensomètre 36 est évacué de la position, et la che- ville 76 et les couvercles 72, 74 sont enlevés. Le four 48 est alors déplacé le long des tiges de guidage 54, 56 en éloignement de l'échantillon 30. L'utilisation de la fente 58 autorise la construction simple d'une seule pièce sans partie mobile et permet également d'enlever le four chaud de l'échantillon 30 soumis au test dès que le test est fini sans soumettre les éléments chauffants 92 à un choc thermique excessif. L'aptitude à enlever rapidement les échantillons permet d'éviter l'oxydation des surfaces fissurées et augmente le débit. En outre, l'utilisation d'éléments de chauffage en cermet assure une grande longévité adx éléments chauffants. Au cas o un élément chauffant 92 ferait défaut, il suffit simple- ment de l'enlever du passage horizontal et de'le rempla- cer par un autre élément chauffant sans démonter le four. D'autres modes de réalisation de l'invention se situen à l'intérieur de la portée des revendications ci- annexées. REVENDICATIONS 1. Dispositif chauffant destiné à chauffer un échantillon de matériau oblong (30) comprenant un matériau isolant définissant une chambre (62), comportant une région d'échantillon centrale (108) apte à recevoir cet échantillon oblong (30) et une ré- gion d'éléments chauffants extérieure (110), ce matériau comprenant des passages horizon- taux à travers celui-ci aptes à recevoir des éléments chauffants (92), ces passages étant groupés en deux zo- nes horizontales, et plusieurs éléments chauffants (92) à résis- tance électrique présentant des branches (94, 96) tra- versant ces passages horizontaux (112) et portions chauffantes dans cette région d'éléments chauffants ex- térieure (110), ces éléments chauffants (92) étant grou- pés en deux zones horizontales. 2. Dispositif chauffant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments chauffants (92) à résistance électrique sont en forme de U et comportent chacun deux branches (94, 96). 3. Dispositif chauffant selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément chauffant (92) est réalisé à partir d'un matériau cermet 4. Dispositif chauffant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments chauffants (92) de chaque zone sont commandés électriquement de façon sépa- rée. 5. Dispositif chauffant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux branches (94, 96) de chaque élément chauffant (92) sont disposées'l'une sur l'autre. 6. Dispositif chauffant selon la revendication , caractérisé en ce que les éléments chauffants (92) dans chaque zone sont disposés en deux groupes sur les côtés opposés de la région d'échantillon (108). 7. Dispositif chauffant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau isolant comporte une fente verticale à travers laquelle un échantillon (30) orienté verticalement peut être introduit dans la chambre (62). 8. Dispositif chauffant selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une cheville (76) réalisée en matériau isolant destinée à obturer la fente (58) lors de l'utilisation. 9. Dispositif chauffant selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des plaques (84) réalisées en matériau isolant aptes à coulisser dans des fentes de réception pour définir partiellement la chambre (62). 10. Dispositif chauffant selon la revendication 9, caractérisé en ce que les plaques (84) ont des por- tions arquées épousant des surfaces de configuration si- milaire des composants en contact avec l'échantillon (30). 11. Dispositif chauffant destiné à chauffer un échantillon de matériau oblong (30) comprenant le matériau isolant définissant une chambre (62) comportant une région d'échantillon centrale (108) apte à recevoir l'échantillon oblong et une région d'éléments chauffants extérieure (110), ce matériau comportant des passages horizon- taux (112) à travers celui-ci aptes à recevoir des élé- ments chauffants (92), ce matériau présentant une fente verticale à travers laquelle un échantillon (30) orienté verticale- ment peut être introduit dans la chambre (62), et plusieurs éléments chauffants (92) à résis- tance électrique présentant des branches traversant ces passages horizontaux (112) et portions chauffantes dans- 1 1 la régions d'éléments chauffants extérieure (110). 12. Dispositif chauffant selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une chevil- le (76) réalisée en matériau isolant apte à obturer la fente (58) lors de l'utilisation. 13. Dispositif chauffant selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend de plus les plaques (84) réalisées en matériau isolant aptes à coulisser à l'intérieur de fentes de réception pour définir partiel- lement la chambre (62). 14. Dispositif chauffant selon la revendication 13, caractérisé en ce que les plaques (84) présentent des portions arquées épousant des surfaces de configura- tion similaire des composants en contact avec l'échan- tillon (30). 15. Dispositif chauffant selon la revendication 11, caractérisé en ce que les éléments chauffants (92) à résistance électrique sont en forme de U et comportent chacun deux branches (94, 96). 16. Dispositif chauffant selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que l'élément chauffant (92) est réalisé en un matériau cermet. 17. Dispositif chauffant selon la revendication , caractérisé en ce que les deux branches (94, 96) pour chaque élément chauffant (92) sont disposées l'une sur l'autre. 18. Dispositif chauffant selon la revendication 11, caractérisé en ce que les éléments chauffants (92) sont disposés en deux groupes sur les côtés opposés de la région d'échantillon (108). 19. Portique de contrôle de contraintes de maté- riau (10) comprenant un portique, une paire de mâchoires (22, 28) en opposition supportées par ce portique et aptes à saisir un échan- tillon oblong (30) entre elles, et un dispositif chauffant destiné à chauffer un éhantillon de matériau oblong (30), ce dispositif chauf- fant comprenant un matériau isolant définissant une chambre (62) comportant une région d'échantillon centra- le (108) apte à recevoir cet échantillon oblong (30) et une région d'éléments chauffants extérieure (110), ce matériau comportant des passages horizon- taux à travers celui-ci aptes à recevoir des éléments chauffants (92), ces passages étant groupés en deux zo- nes horizontales, et plusieurs éléments chauffants (92) à résis- tance électrique comportant des branches (94, 96) tra- versant ces passages horizontaux, et des portions chauf- fantes dans cette région d'éléments chauffants extérieu- re (110), ces éléments chauffants (92) étant groupés en deux zones horizontales. 20. Portique de contrôle de contraintes de maté- riau (10) comprenant un portique, une paire de mâchoires (22, 28) en opposition supportées par ce portique et aptes à saisir un échan- tillon oblong (30) entre elles, et un dispositif chauffant destiné à chauffer un éhantillon de matériau oblong (30), ce dispositif chauf- fant comprenant un matériau isolant définissant une chambre comportant une région d'échantillon centrale (108) apte à recevoir cet échantillon oblong (30) et une région d'éléments chauffants extérieure (110), ce matériau comportant des passages horizon- taux à travers celui-ci aptes à recevoir des éléments chauffants (92), ce matériau ayant une fente verticale à tra- vers laquelle un échantillon (30) orienté verticalement peut être introduit dans cette chambre, et plusieurs éléments chauffants (92) à résis- tance électrique comportant des branches (94, 96) tra- versant ces passages horizontaux, et des portions chauf- fantes (92) dans cette région d'éléments chauffants ex- térieure (110). 1/3 fl 28 A:4 r36 54 14 2/3 87 48 t/ -G. z 3 84 O F1 @,74 - 1G.2 ,74 G2 3/3 92,o i106 rs 102 FIG.3, FI3 I t Ij 104;' 1 11411 r à-Il4 O6r FIG.5 92 92. 8 FIG.4 84 82 112\ 62,\, 2)e1 --- -- - -r7- - FoIG.5."-I----