Brevet FR2641930A1 — publié le 19900720

La présente invention concerne un dispositif de chauffage électrique à haute température, et plus particulièrement un tel dispositif comprenant un substrat en céramique isolante sur lequel est monté un-élément résistif. Les résistances chauffantes à -haute température utilisées actuellement sont généralement constituées d'ùn fil en métal à haute température de fusion, enroulé sur un tube ou une barre en céramique ou d'un fil noyé dans un isolant électrique, l'ensemble étant disposé dans un tube métallique. Le principal problème qui se pose dans ce type de dispositif est celui de la dilatation différentielle du fil métallique et du substrat céramique. Le fil métallique ayant en effet un coefficient de dilatation très supérieur à celui de la céramique, il se produit à haute température un relâchement de l'enroulement sur son substrat pouvant amener certaines spires à venir en contact, provoquant un court-circuit qui fait chuter brutalement la résistance électrique de l'ensemble. Les autres problèmes qui se posent dans les dispositifs connus des chauffages électriques. à haute température sont liés à la tenue mécanique des éléments, au contrôle de la conductibilité thermique, à la protection chimique vis-à-vis de milieux ambiants corrosifs, à l'isolation électrique des dispositifs, et à l'augmentation de l'émission de l'énergie radiante pour une température donnée du dispositif de chauffage. La présente invention vise à résoudre ces problèmes en utilisant les techniques des poudres projetées à l'aide de torches, par exemple à gaz, ou de préférence à plasma. L'invention invention a pour objet un dispositif de chauffage électrique à haute température comprenant un substrat en céramique isolante sur lequel est monté un élément résistif, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une couche d'une poudre projetée à l'état liquide, disposée sur l'élément résistif. Le substrat céramique peut être de toute forme convenable, par exemple se présenter sous une forme plane ou sous la forme d'un élément tubulaire, ou même encore sous la forme d'un paraboloIde par exemple si l'on souhaite focaliser en un point précis le rayonnement émis par le dispositif de chauffage. Dans un premier mode de réalisation, l'élément résistif est un fil, par exemple un fil rond ou un feuillard, réalisé en matériau conducteur et disposé à la surface du substrat, la couche de poudre étant constituée d'un matériau isolant. Dans ce cas, la couche projetée sert essentiellement à assurer la cohésion du dispositif lorsqu'il est soumis à des dilatations différentielles du fait de son échauffement. La couche d'isolant enveloppe le fil conducteur et, du fait de son adhérence au substrat céramique, maintient ce fil en position, en particulier lorsqu'il est enroulé sous forme de spires autour d'un substrat tubulaire ou en forme de barreau. Il est par ailleurs important que, dans le voisinage des zones de connexion- électriques, la température du dispositif de chauffage soit inférieure à celle du corps du dispositif. A cet effet, le fil peut être disposé à la surface du substrat sous forme de brins adjacents-disjoints, l'écartement entre deux brins adjacents augmentant dans le voisinage des zones de connexion. Ainsi, dans le cas d'un fil enroulé sous forme de spires, le pas de l'enroulement peut augmenter vers ses extrémités où sont formées les connexions. Dans le cas d'un fil disposé en brins parallèles à la surface d'un substrat plan, l'écartement de ces brins augmente également vers les bords du substrat. On peut également diminuer la température au voisinage des zones de connexion en remplaçant la couche de matériau isolant par une couche de matériau conducteur, ce qui a pour effet de diminuer la résistance dans ces zones et par conséquent, de diminuer la dissipation de chaleur par effet joule. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément résistif est lui-même constitué d'une couche d'une poudre de matériau conducteur projetée à l'état liquide. Toujours dans le même but d'obtenir une température moindre au voisinage des zones de connexion, l'épaisseur de la couche de matériau conducteur peut être augmentée dans ces zones, ce qui a également pour effet de diminuer leur résistance et par conséquent la dissipation de chaleur. De préférence, une couche extérieure d'une poudre en matériau à haut coefficient d'êmissivité est projetée à.l'état liquide à la surface extérieure du dispositif, ce qui permet à température égale d'augmenter le flux de chaleur, ou à flux égal de diminuer la température et par conséquent d'augmenter la durée de vie des dispositifs de chauffage. Une couche extérieure d'un matériau résistant à la corrosion peut également être projetée à la surface du dispositif afin de le protéger vis-à-vis des agressions chimiques extérieures dues, par exemple, à la présence d'oxygène, d'un gaz ou d'un liquide corrosif ou encore d'un métal liquide. Enfin, le substrat céramique peut lui-même être constitué d'une poudre projetée et agglomérée à la surface d'un support métallique, notamment pour obtenir des dispositifs plans de relativement grande dimension ou des dispositifs de forme complexe. On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif des modes de réalisation particuliers de l'invention dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation de l'invention, -- les figures 2 et 3 sont des vues à plus grande échelle des détails II et III respectivement de la figure I, - la figure 4 est une vue similaire à la figure 2 d'une variante du premier mode de réalisation, - la figure 5 est une vue axiale d'un second mode de réalisation de l'invention, - les figures 6 et 7 sont des vues à plus grande échelle des détails VI et VII respectivement de la figure 5, et - la figure 8 est une vue en coupe transversale d'un troisième mode de réalisation de l'invention. Dans le mode de réalisation des figures I à 3, le substrat céramique est réalisé sous la forme d'un tube 1 sur lequel est enroulé un fil métallique 2 constituant l'élément résistif. Une couche d'alumine 3 est projetée sur l'enroulement ainsi réalisé, ce qui a pour effet d'uneart d'assurer une protection du fil 2, d'autre part d'empêcher les spires de ce fil de venir en contact sous l'effet de leur dilatation, et enfin d'homogénéiser la température à la surface du dispositif. Dans les zones d'extrémité du tube, le pas des spires du fil 2 est augmenté et l'alumine est remplacée par une couche d'un métal projeté 4, par exemple, un alliage nickel-chrome, ou encore du tungstène associé à un liant tel que du nickel, Enfin, une couche de revêtement extérieur 5 est projetée sur la couche d'alumine pour augmenter le coefficient d'émissivité. Cette couche peut être constituée par un oxyde de nickel, de titane ou de chrome, ou encore par un mélange d'un de ces oxydes avec de l'alumine. Deux capots de connexion métallique 6 sont montés élastiquement aux extrémités du tube pour assurer la connexion électrique avec la couche de métal projeté 4. Aussi bien le substrat céramique 1 que la couche 3 peuvent être constitués d'alumine permettant d'atteindre des températures de l'ordre de 1700"C, mais peuvent également être constitués d'un mélange silico-alumineux pour des températures dans la gamme de 1100 C à 14000C, de magnésie pour des températures de l'ordre de l1000C, ou de zircone pour des températures atteignant 19000C. Le fil métallique 2 peut être réalisé en alliage nickel-chrome pour des températures de l'ordre de 1l000C, en alliage fer-nickel-chrome (1100ça), en alliage fer-chrome-aluminium (12500C), en platine (15O00C), en platine rhodié (1600du), en molybdène (17000C), en tungstène (2000 C), en tantale (22000C) ou en niobium (22000C). Dans la variante de la figure 4, le fil rond 2 est remplacé par un feuillard 7. Dans le mode de réalisation des figures. 5 à 7, le substrat céramique est encore réalisé sous la forme d'un tube 8, mais l'élément résistif est ici constitué par une couche d'un matériau conducteur projeté 9. La couche 9 peut être une couche métallique ou une couche d'une autre matière électriquement conductrice telle que du carbure de silicium, du carbure de chrome, du disiliciure de molybdène ou du chromite de lanthane. Le choix du matériau est fonction de la résistivité que l'on souhaite obtenir après projection, de son coefficient de température, de sa tenue chimique, et de sa facilité de mise en oeuvre. Cette couche conductrice n'est d'ailleurs pas obligatoirement une couche continue et elle peut, à titre d'exemple, être réalisée sous la forme d'une hélice pour augmenter sa résistance électrique. L'épaisseur de la couche 9 est plus importante dans les zones d'extrémité du tube 8 que dans sa partie centrale, comme représenté aux figures 6 et 7, de manière à diminuer la résistance et par voie de conséquence, de diminuer la température au voisinage des zones de connexion. Enfin, une couche protectrice, par exemple en oxyde métallique ou une couche d'augmentation du coefficient d'émissivité 10 est projetée à l'extérieur de la couche conductrice 9. La figure 8 représente un troisième mode de réalisation dans lequel le dispositif chauffant se présente sous la forme d'un plan ou d'une- surface quelconque. Dans ce mode de réalisation, une couche de céramique isolante il est projetée sur un support métallique 12. Sur la couche 11, est projetée une couche électriquement conductrice telle que celle utilisée dans le mode de réalisation des figures 5 à 7. Enfin, une couche de protection chimique 14, 14' est projetée de chaque côté de la surface, d'une part sur le support métallique 12 et d'autre part sur la couche conductrice 13. Des couches intermédiaires de mélange céramique-métal peuvent être projetées pour diminuer les contraintes d'origine thermique. Diverses variantes et modifications peuvent bien entendu être apportées à la description qui précède sans sortir pour autant ni du cadre, ni de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS i - Dispositif de chauffage électrique à haute température, comprenant un substrat (1;8;11) en céramique isolante sur lequel est monté un élément résistif (2;7;9;13), caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une couche (3,4,5 ;10;14') d'une poudre projetée à l'état liquide, disposée sur l'élément résistif. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit élément résistif est un fil (2,7) en matériau conducteur disposé à la surface du substrat, ladite couche (3) étant constituée d'un matériau isolant. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit fil est disposé à la surface du substrat sous forme de brins adjacents disjointes, l'écartement entre deux brins adjacents augmentant dans le voisinage des zones de connexion. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait qu'au voisinage des zones de connexion, la couche de matériau isolant est remplacée par une couche (4) d'un matériau conducteur. 5 - Dispositif selon la revendication l,-caractérisé par le fait que ledit élément résistif est lui-même constitué d'une couche (9) - d'une poudre de matériau conducteur projetée à l'étant liquide. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'épaisseur de la couche en matériau conducteur augmente dans le voisinage des zones de connexion. 7 - Dispositif selon'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend une couche extérieure (5) d'une poudre projetée à l'état liquide en matériau à haut coefficient d'émissivité. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il comprend une couche extérieure (10) d'une poudre projetée à l'état liquide en matériau résistant à la corrosion. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que ledit substrat en céramique est lui-même constitué d'une couche (11) d'une poudre projetée à l'état liquide à la surface d'un support métallique (12).