Brevet FR2780597A1 — publié le 19991231

Arrière-plan de l'invention La présente invention a pour objet une source de rayonnement infrarouge. Les domaines d'application sont notamment le chauffage industriel, en particulier dans des installations de séchage ou de traitement thermique, le chauffage des locaux et éventuellement l'éclairage. Des sources classiques de rayonnement infrarouge utilisent couramment des éléments radiants sous forme de fils de tungstène parcourus par un courant électrique à l'intérieur d'un tube. Les fils de tungstène présentent toutefois les inconvénients d'être fragiles et sujets à recristallisation et sublimation. Pour recondenser les vapeurs produites et éviter l'encrassement des parois du tube, celui-ci doit renfermer des halogènes particuliers. En outre, l'émissivité n'est pas très élevée. Il a aussi été proposé d'utiliser le carbone pour la réalisation des éléments radiants afin de diminuer l'inertie thermique et avoir des temps de réponse plus courts, et d'élargir la plage d'utilisation vers les hautes températures. Ainsi, la demande de brevet WO 94/28 693 décrit un élément radiant sous forme d'un ruban formé de filaments de carbone liés entre eux par un coke de résine. Le brevet US 5 567 951 décrit aussi l'utilisation d'un ruban en carbone, celui-ci décrivant un trajet non rectiligne. Objets et résumé de l'invention L'invention a pour but de proposer une source de rayonnement infrarouge utilisant un élément radiant en fibres de carbone ayant une émissivité et un flux thermique élevés et capable de s'adapter aisément à différentes formes. Ce but est atteint du fait que, conformément à l'invention, l'élément radiant est en tissu de fibres de carbone. L'utilisation d'un tissu de fibres de carbone présente différents avantages: - le tissu peut être monté de sorte que la conduction du courant électrique entre ses extrémités se fasse parallèlement à l'une des directions de chaîne et de trame, les fibres situées dans l'autre direction assurant alors la tenue mécanique nécessaire, - le tissu présente une capacité de déformation qui permet de donner à l'élément radiant toute forme désirée, - le tissu constitue un élément radiant surfacique qui offre une surface radiante à la fois étendue et transparente au rayonnement réfléchi, dans le cas o la source est associée à un réflecteur. L'élément radiant est par exemple une bande de tissu, à laquelle on peut donner une forme gauche, par exemple en hélice, ou un manchon de tissu. Les fibres de carbone de l'élément radiant sont issues d'un précurseur de carbone, après carbonisation. Le précurseur est de préférence de type cellulosique, avantageusement une rayonne. Le raccordement de l'élément radiant à ses extrémités est avantageusement réalisé au moyen de pièces de support assurant à la fois le support de l'élément radiant et son raccordement électrique. L'élément radiant est rendu solidaire d'une pièce de support par exemple par blocage mécanique par serrage. Brève description des dessins Dans la description qui suit, il sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une lampe à infrarouge selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe transversale selon le plan II-II de la figure 1; - la figure 3 est une vue de détail d'un dispositif de raccordement à une extrémité de la lampe de la figure 1; - la figure 4 est une vue schématique montrant une variante de réalisation de la lampe de la figure 1; - les figures 5 à 8 sont des vues schématiques en coupe montrant des variantes de réalisation de la liaison d'une extrémité de l'élément radiant avec une pièce de support; et - les figures 9 à 12 sont des vues schématiques en coupe montrant d'autres modes de réalisation d'une lampe à infrarouge conforme à l'invention. Description de modes préférés de réalisation Les figures 1 et 2 montrent schématiquement une lampe à infrarouge dans laquelle l'élément radiant 10 est une bande de tissu en fibres de carbone. La bande de tissu 10 s'étend le long d'une enceinte tubulaire 12. A ses extrémités, la bande de tissu 10 est fixée à des pièces de support 14, 15 qui assurent le support de l'élément radiant et sa liaison électrique à des pièces de raccordement respectives 16, 17 munies de cosses de connexion respectives 18, 19. Des boîtes d'étanchéité 20, 21 assurent la fermeture du tube 12 de façon étanche tout en ménageant un passage axial pour les pièces de raccordement 16, 17. Ces dernières sont rappelées par des ressorts 22, 23 qui s'appuient sur les boîtes d'étanchéité 20, 21 afin d'assurer une mise en tension mécanique permanente de la bande de tissu dans le tube 12. La paroi du tube 12 est munie d'un revêtement réfléchissant 13 sur une partie de sa surface extérieure occupant un secteur déterminé. La bande de tissu 10 en fibres de carbone est disposée avec une des directions de chaîne et de trame du tissu parallèle à la direction longitudinale du tube 12, de sorte que la conduction électrique se fait essentiellement par les filaments orientés dans cette direction du tissu, par exemple les filaments de chaîne. Les autres filaments, par exemple les filaments de trame, assurent essentiellement la cohésion de l'élément radiant. Les fibres de carbone constitutives de la bande de tissu 10 sont de préférence à précurseur cellulosique, notamment à précurseur rayonne. Le tissu est ainsi avantageusement obtenu par carbonisation d'un tissu rayonne. La carbonisation est effectuée par traitement thermique réalisé, en final, à une température maximale comprise par exemple entre 700 C et 1 400 C. Le maintien du tissu à la température finale de carbonisation est réalisé pendant une durée limitée, une à plusieurs minutes, et est avantageusement précédé par une phase de précarbonisation à une température comprise entre 350 C et 420 C, environ, pendant une durée plus longue. L'utilisation d'un précurseur cellulosique, notamment une rayonne, permet d'obtenir un tissu en fibres de carbone ayant une bonne émissivité, typiquement supérieure à 0,7, voire même égale ou supérieure à 0,9, et capable de délivrer un flux thermique élevé pouvant atteindre 1 MW/m2. S'ajoutent les avantages d'une très large plage d'utilisation, jusqu'à plus de 2 000 C, et d'une très faible inertie thermique, la montée en température et le refroidissement étant très rapides (par exemple 2,5 s entre la température ambiante et 2 000 C) et autorisant des cycles répétés de chauffage/refroidissement sans fatigue thermique. Le tube 12 est par exemple en quartz. Le fonctionnement de l'élément radiant peut se faire sous vide ou sous atmosphère inerte (par exemple argon). Le revêtement réfléchissant 13 est formé sur une partie de la surface du tube, le long de celui-ci, par exemple sur environ la moitié de la circonférence de la section du tube (figure 2). Le réflecteur 13 produit une réflexion diffuse. Il est par exemple formé de plusieurs couches déposées sur la surface externe du tube 12 par pulvérisation atmosphérique ou sous vide, par exemple, successivement, une couche réfléchissante d'oxyde métallique, une couche d'un ou plusieurs oxydes réfractaires formant barrière thermique et une couche extérieure supprimant la transparence. Dans l'exemple des figures 1 et 2, le tube 12 est à section circulaire. La bande de tissu 10 a une largeur sensiblement supérieure au rayon du tube, offrant donc, sur chaque face, une surface radiante importante. La présence du réflecteur 13 associée à la transparence du tissu au rayonnement permet de produire un rayonnement dans une direction (flèches F de la figure 2) auquel contribuent les deux faces de l'élément radiant, l'une directement et l'autre par l'intermédiaire du réflecteur. La transparence du tissu est offerte par les espaces entre fils de chaîne et de trame. La figure 3 illustre plus en détail le raccordement de la bande de tissu à une 1 Oa de ses extrémités, le raccordement à l'autre extrémité lOb étant réalisé de la même façon. L'extrémité 1 Oa du tissu est maintenue par serrage sur la pièce de support 14 constituée par un bloc en graphite. L'extrémité 10a peut être brasée ou enroulée sur un axe 24 en graphite qui est engagé dans un logement radial du bloc 14 et y est immobilisé au moyen d'une clavette 26 également en graphite. La pièce de raccordement 16, par exemple en cuivre, peut être brasée ou par exemple vissée axialement à une première extrémité dans le bloc 14. A sa deuxième extrémité, la pièce de raccordement 16 porte la cosse de connexion 18 immobilisée entre deux écrous 18a vissés sur la pièce 16. Si nécessaire, la pièce de raccordement 16 peut être refroidie par fluide. A cet effet, la pièce 16 présente un évidement axial 16a sous forme d'un trou borgne qui se raccorde à un circuit d'alimentation en fluide de refroidissement au moyen de tubulures 26, 28 traversant un bouchon 30 fermant l'évidement 16a à la première extrémité de la pièce 16. La boîte d'étanchéité 20 est montée à l'extrémité du tube 12 par l'intermédiaire d'une bague de refroidissement 32, par exemple en cuivre. La boîte , également en forme de bague, est vissée sur une première extrémité de la bague de refroidissement 32, avec interposition d'un joint torique 34. Un joint d'étanchéité torique 36 est interposé entre la surface interne de la bague 20 et la surface externe du tube 12. Le joint 36 est comprimé par une bague 38 sur laquelle appuie une vis de compression 40 vissée à l'autre extrémité de la bague 20. Si nécessaire, le joint d'étanchéité 36 est refroidi par circulation d'un fluide dans un serpentin 42 soudé sur la surface extérieure de la bague 32 et raccordé à un circuit de fluide de refroidissement par des tubulures 44, 46. La boîte d'étanchéité 20 est traversée de façon étanche par la pièce de raccordement 16. L'étanchéité est assurée par un joint torique 48 comprimé entre une entretoise 50 et une bague de compression 52. Cette dernière s'appuie sur une bague isolante 54 formée de deux demi- bagues entourées par la bague de refroidissement 32 et appliquée contre le bout du tube 12. L'entretoise 50 est maintenue par un manchon 56 engagé sur la pièce de raccordement 16 et muni d'un épaulement 56a fixé à la première extrémité de la boîte d'étanchéité 20 par des vis 58. Les ressorts 22 sont précontraints en compression entre l'épaulement 56a du manchon 56 et une bague 60 s'appuyant sur un écrou 18a de maintien de la cosse 18. Chaque ressort est engagé sur une tête d'une vis 58. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit présente l'avantage d'une réalisation de la liaison électrique indépendamment du tube et d'une réalisation de l'étanchéité du tube indépendamment de la connexion électrique. Un avantage déjà mentionné de l'utilisation d'un tissu comme élément radiant résulte de la possibilité de donner toute forme désirée à l'élément radiant, en raison de la souplesse et de la tenue du tissu. Ainsi, la figure 4 montre que la bande 10 peut avoir une forme gauche en hélice, ce qui permet d'accroître la résistance électrique de l'élément radiant pour une même longueur de tube. Le vrillage de la bande de tissu est simplement obtenu par rotation de l'ensemble formé par un bloc support 14 et une pièce de raccordement 16 à une extrémité du tube 12, relativement à l'ensemble similaire -17 à l'autre extrémité du tube. Les pièces de raccordement 16, 17 sont bloquées dans leur position angulaire par clavetage sur les boîtes d'étanchéité 20, 21. Les figures 5 à 8 montrent très schématiquement différentes variantes de montage de l'extrémité de l'élément radiant en tissu sur un bloc support en graphite. Dans le cas de la figure 5, le bloc support 140 est en deux parties a, 140b qui se raccordent suivant des surfaces ayant des reliefs complémentaires. L'extrémité du tissu 10 est engagée entre les deux parties jusqu'à une lumière radiale 141 formée dans l'une (140a) de celles-ci. Les parties 140a, b sont serrées l'une contre l'autre au moyen d'une vis 142. La figure 6 montre un blocage du tissu sur un bloc support 240 par engagement du tissu dans un logement radial 241 du bloc et immobilisation au moyen d'une clavette 242 engagée dans le logement 241. La figure 7 montre un blocage du tissu 10 par engagement dans un logement axial 341 du bloc 340 de forme tronconique et immobilisation au moyen d'un coin 342 de forme correspondante engagé dans le logement 341. La figure 8 montre un bloc support 440 fendu suivant un plan diamétral entre son extrémité et un logement radial 441. Le tissu 10 est engagé dans la fente du bloc 440 et est enroulé autour d'un tube 442 engagé dans le logement 441. L'extrémité fendue du bloc 440 est serrée par un manchon conique 443 qui est engagé sur l'extrémité de forme correspondante du bloc 440. Les figures 9 à 11 illustrent très schématiquement d'autres formes de réalisation d'une lampe infrarouge conforme à l'invention. Le mode de réalisation de la figure 9 se distingue de celui de la figure 2 en ce que le réflecteur 130 est non pas formé par dépôt sur la surface extérieure du tube 12, mais est constitué par une pièce séparée. Le mode de réalisation de la figure 10 se distingue de celui de la figure 2 en ce que l'élément radiant 10 est constitué par un manchon (110) de tissu en fibres de carbone. Le manchon est pincé à ses extrémités pour être monté sur les pièces supports. L'utilisation d'un manchon permet d'augmenter la surface radiante par rapport à une bande de tissu, pour une même longueur. La figure 11 montre une lampe infrarouge qui se distingue de celle des figures 1 et 2 par la forme aplatie de la section du tube 12. En effet, celui-ci présente une section de forme oblongue, au moins sur une partie de sa longueur, cette forme oblongue pouvant se raccorder à des formes cylindriques à section circulaire aux extrémités du tube. La forme oblongue du tube 12 permet d'augmenter la largeur de la bande de tissu 10 formant l'élément radiant, tout en pouvant conserver une distance limitée par rapport à la pièce à chauffer. Quant à la figure 12, elle montre une lampe infrarouge avec un tube à section annulaire. L'élément radiant est un manchon 110 de tissu en fibres de carbone. Un revêtement réfléchissant 13 est formé sur la totalité de la surface extérieure du tube 120. De la sorte, le rayonnement infrarouge est dirigé vers l'axe de la lampe. Un tel mode de réalisation convient pour le chauffage de pièces allongées de façon uniforme tout autour des pièces. Exemple de réalisation Une lampe infrarouge telle que celle des figures 1 à 3 a été réalisée. Le tube de quartz 12 avait une longueur de 1 000 mm, autorisant une longueur d'élément radiant 10 de 750 mm. Le tissu utilisé était un tissu de carbone de largeur 40 mm à précurseur rayonne, fixé à chaque extrémité sur un bloc support en graphite suivant le principe de la figure 8. La pression à l'intérieur de la lampe a été fixée à 1 mbar. Des premiers essais ont permis d'atteindre une puissance de 18 kW avec une tension de 333 V, correspondant à une température de 1 750 C pour l'élément radiant. Le flux thermique obtenu était donc de 600 kW/m2, étant observé qu'il ne s'agissait pas d'une valeur maximale susceptible d'être délivrée par la lampe, mais de la plus grande valeur susceptible d'être atteinte avec la source d'alimentation utilisée. Les températures atteintes aux extrémités de la lampe ont montré que, pour le niveau de flux atteint, le refroidissement des connexions n'était pas nécessaire. REVENDICATIONS 1. Source de rayonnement infrarouge comprenant une enceinte (12) dont la paroi est au moins en partie transparente au rayonnement infrarouge, un élément radiant (10) comprenant des fibres de carbone logé dans l'enceinte, et des dispositifs (14, 16) de raccordement électrique pour relier des extrémités de l'élément radiant à des bornes d'alimentation à l'extérieur de l'enceinte, caractérisée en ce que l'élément radiant (10) est en tissu de fibres de carbone. 2. Source de rayonnement selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément radiant (10) est une bande de tissu de fibres de carbone. 3. Source de rayonnement selon la revendication 2, caractérisée en ce que la bande de tissu (10) a une forme gauche. 4. Source de rayonnement selon la revendication 3, caractérisée en ce que la bande de tissu est en forme d'hélice. 5. Source de rayonnement selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément radiant est un manchon (110) en tissu de fibres de carbone. 6. Source de rayonnement selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisée en ce que les fibres de carbone sont à précurseur cellulosique. 7. Source de rayonnement selon la revendication 6, caractérisée en ce que les fibres de carbone sont à précurseur rayonne. 8. Source de rayonnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un réflecteur (13, 130). 9. Source de rayonnement selon la revendication 8, caractérisée en ce que le réflecteur (1 3) est formé par une couche réfléchissante déposée sur une partie de paroi de l'enceinte. 10. Source de rayonnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'enceinte (12) est une enceinte étanche sous vide. il. Source de rayonnement selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisée en ce que l'enceinte est une enceinte étanche sous atmosphère inerte. 12. Source de rayonnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que l'élément radiant (10) est fixé à ses extrémités à des pièces de support (12) assurant le support de l'élément radiant et son raccordement électrique. 13. Source de rayonnement selon la revendication 12, caractérisée en ce que chaque pièce de support (12) comporte des moyens de blocage mécanique par serrage d'une extrémité de l'élément radiant ( 10) en tissu. 14. Source de rayonnement selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisée en ce que chaque extrémité de l'élément radiant (10) en tissu est reliée à la pièce de support correspondante par une liaison physicochimique. 15. Source de rayonnement selon la revendication 14, caractérisée en ce la liaison physico-chimique est une liaison par brasage. 16. Source de rayonnement selon l'une quelconque des revendications 12 à , caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (22, 23) coopérant avec au moins l'une des pièces de support pour maintenir l'élément radiant sous tension mécanique dans l'enceinte.