Brevet FR2781112A1 — publié le 20000114

"Emetteur de rayonnement thermique et son procédé de fabrication" La présente invention a pour objet un émetteur de rayonnement thermique du type comprenant une matrice en matière réfractaire, telle qu'une matière céramique, au sein de laquelle est disposée une résistance électrique; elle a également pour objet un procédé de fabrication de cet émetteur. Compte tenu de la nature des matériaux (matière réfractaire et résistance électrique) généralement utilisés dans les émetteurs connus de ce type, il existe une forte différence de dilatation thermique entre la résistance électrique et la matrice réfractaire. Cette différence est à l'origine de phénomènes de fissuration de l'émetteur. En effet, au cours de la fabrication de tels émetteurs, et plus précisément lors de l'opération de frittage, la matière réfractaire (céramique) se rétracte alors que la résistance électrique atteint sa dilatation maximale et est donc en compression; ensuite, lors de la phase de refroidissement après le frittage, la matière réfractaire (céramique) poursuit son retrait ce qui conduit à un blocage de la résistance électrique. Il s'ensuit que dès les premières mises en service (mises en chauffe) de l'émetteur, la dilatation de la résistance électrique (supérieure à celle de la matière réfractaire) entraine l'apparition de fissures qui aboutissent à la destruction souvent prématurée de l'émetteur. En conséquence, l'un des buts de la présente invention est de surmonter les problèmes évoqués ci-dessus et pour ce faire, il est proposé selon l'invention un émetteur de rayonnement thermique du type comprenant une matrice en matière réfractaire, telle qu'une matière céramique, au sein de laquelle est disposée une résistance électrique, qui est caractérisé en ce qu'au moins un espace est ménagé autour de ladite résistance électrique sur une partie au moins de la longueur de cette dernière. On comprendra que du fait de la présence dudit espace autour de la résistance électrique, cette dernière peut se dilater librement aussi bien radialement que longitudinalement; un déplacement relatif de la résistance par rapport à la matrice est donc possible et l'apparition de fissures est alors supprimée ou à tout le moins fortement réduite. On notera que pour des questions d'uniformité de rayonnement de l'émetteur, ladite résistance électrique et l0 ledit espace présenteront chacun avantageusement une section circulaire de diamètre sensiblement constant tout le long de la résistance ou de l'espace. Par ailleurs, afin de bien positionner la résistance électrique au sein de la matrice et d'empêcher tout glissement relatif intempestif de l'une par rapport à l'autre, il est préférable selon l'invention que ledit espace comprenne au moins une zone rétrécie au niveau de laquelle la résistance électrique est en contact avec la matrice; ladite zone rétrécie comprendra de préférence au moins deux segments de rétrécissement se faisant face et avec lesquels la résistance électrique est en contact. Grâce à ce contact, la résistance est maintenue en position par blocage au niveau de la zone rétrécie ou des segments de rétrécissement. En outre, comme cette zone ou ces segments sont de très courte longueur par rapport à la longueur totale de la résistance, avantageusement d'une longueur de 0,1-0,5% de la longueur totale, la dilatation longitudinale de la résistance au niveau de cette zone ou ces segments est négligeable et, partant, non susceptible d'être à l'origine de fissuration; il en est de même dans la direction radiale suivant laquelle la dilatation est également négligeable. La résistance électrique est avantageusement conformée suivant un tracé sinueux comportant plusieurs tronçons successifs de longueur sensiblement égale et reliés par des boucles de raccordement respectives, des moyens étant éventuellement prévus au voisinage de ces boucles pour permettre une libre dilatation de la résistance électrique quand l'émetteur est en service; dans ce cas, il est préférable que chaque tronçon comprenne une zone rétrécie située sensiblement à égale distance de ses extrémités; de cette façon, la résistance électrique se dilatera de manière sensiblement symétrique par rapport au plan médian de l'émetteur, dans lequel se trouvent les différentes zones rétrécies. Selon un mode de réalisation, les moyens susvisés sont constitués par un espace ménagé autour desdites boucles de raccordement, cet espace étant ouvert sur l'extérieur de la matrice. Selon un autre mode de réalisation, lesdites boucles de raccordement émergent de la matrice. Selon encore un autre mode de réalisation, la zone rétrécie susmentionnée comprend au moins deux parties rétrécies séparées par une partie élargie. De la sorte, la résistance électrique est enserrée par la matrice au niveau desdites deux parties rétrécies mais dégagée au niveau de ladite partie élargie. On ajoutera que cette dernière sera de très faible longueur, avantageusement d'une longueur au plus égale à 10% de la longueur totale de la zone rétrécie. On estime à l'heure actuelle que cette structure de la zone rétrécie permet une meilleure durabilité de l'émetteur. Dans l'émetteur selon l'invention, l'espace entourant la résistance électrique est remplie d'air qui est un isolant thermique. Il s'ensuit que la taille de cet espace devra être choisi d'un part, pour qu'en service la résistance électrique puisse se dilater librement et d'autre part, pour qu'il y ait malgré tout un transfert thermique satisfaisant de la résistance à la matrice. Cette taille dépend en fait essentiellement de la différence de dilatation thermique entre la matrice et la résistance et il sera aisé à l'homme de métier par quelques essais préliminaires de déterminer la taille optimale de l'espace selon la nature des matériaux constituant la matrice et la résistance. On ajoutera cependant qu'avec les matériaux actuellement utilisés dans la fabrication d'émetteurs du type de ceux de la présente invention et dans le cas o la résistance et l'espace sont tous deux de section circulaire, le rapport du diamètre de la résistance au diamètre de l'espace peut être situé dans la plage de 0,8 à 1,2. La présente invention s'étend par ailleurs à un procédé de fabrication de l'émetteur décrit ci-dessus. Ce procédé comprend les opérations consistant: - à noyer une résistance électrique dans une masse de poudre de matière réfractaire telle une poudre de matière céramique, - à soumettre cette masse de poudre à un pressage pour obtenir une masse de poudre compactée, et - à soumettre cette masse de poudre compactée à un frittage pour obtenir une matrice en matière réfractaire au sein de laquelle est noyée ladite résistance électrique; ce procédé se caractérise en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à former, après le pressage, au moins un espace autour de la résistance électrique sur une partie au moins de la longueur de cette dernière. Selon l'invention la formation dudit espace est de préférence effectuée au cours de l'opération de frittage. A cet effet, et selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ladite résistance électrique est pourvue d'une gaine en une matière apte à être éliminée par pyrolyse et cette gaine est éliminée par pyrolyse au cours de l'opération de frittage, laissant ainsi place à un espace autour de la résistance. La gaine susmentionnée sera avantageusement réalisée en une matière souple (pour permettre la mise en forme de la résistance électrique), non susceptible de dégrader ladite résistance, qui résiste lors du pressage aux frottements avec les grains de matière réfractaire et qui est apte à être éliminée par pyrolyse; une telle matière pourra par exemple être constituée par du polyéthylène souple. Selon une autre caractéristique avantageuse, le procédé selon l'invention peut en outre comprendre l'opération consistant à éliminer, avant l'opération de pressage, la gaine au niveau d'une zone au moins de la résistance électrique, de manière à ce qu'après l'opération de frittage la matrice soit en contact au niveau de cette zone avec ladite résistance électrique; ce contact assurera un maintien en position et un blocage de la résistance dans ledit espace. Cette opération d'élimination locale de la gaine comprend de préférence l'opération consistant à provoquer la fusion et/ou la pyrolyse de ladite gaine au niveau de ladite zone; cette fusion et/ou pyrolyse peut par exemple être réalisée an appliquant sur la gaine un élément chaud à une température appropriée pour provoquer cette fusion et/ou cette pyrolyse. Un mode d'exécution de la présente invention sera décrit ci-après à titre d'exemple nullement limitatif en référence au dessin annexé, dans lequel: - la figure 1 est une vue de dessus de l'émetteur selon l'invention, non en service; - la figure 2 est une vue partielle de l'émetteur de la figure 1, en service, avec arrachement partiel; - la figure 3 est une vue en coupe transversale selon la ligne III - III de la figure 1; - la figure 4 est une vue en coupe schématique partielle de l'ensemble mélange de poudres réfractaires - fil électrique avant pressage; et - la figure 5 est une vue en coupe partielle de l'ensemble de la figure 4 après frittage. L'émetteur de rayonnement thermique qui est représenté sur le dessin comprend de manière connue en soi une matrice 1 en un matériau réfractaire par exemple de forme générale parallélipipédique, au sein de laquelle est disposée une résistance électrique 2. Cette résistance peut prendre les formes les plus diverses; on préfère cependant que la résistance soit constituée par un fil conformé suivant un tracé sinueux dans un plan, ce tracé ayant une forme générale en zigzag. Ce tracé comporte un certain nombre de tronçons de fil 3, ces tronçons étant sensiblement de même longueur et espacés l'un de l'autre afin d'éviter tout contact entre eux. La résistance 2 est disposée dans la matrice 1 de sorte que lesdits tronçons soient situés dans le plan longitudinal de cette dernière et s'étendent d'une extrémité à l'autre de la matrice. Chaque tronçon 3 est relié au suivant par une boucle de raccordement 4, 4' donnant sur l'extérieur de la matrice. Ainsi, comme le montrent les figures 1 et 2, la résistance 2 comprend six tronçons de fil, l'extrémité gauche du premier tronçon et l'extrémité gauche du deuxième tronçon étant reliées par une boucle 4 donnant sur l'extérieur du bord gauche de la matrice, l'extrémité droite du deuxième tronçon et l'extrémité droite du troisième tronçon étant reliées par une boucle 4' donnant sur l'extérieur du bord droit de la matrice et ainsi de suite, l'extrémité gauche de l'avant-dernier tronçon et l'extrémité gauche du dernier tronçon étant reliées par une boucle 4 donnant sur l'extérieur du bord gauche de la matrice. Quant à l'extrémité droite libre du premier tronçon et l'extrémité droite libre du dernier tronçon, elles émergent toutes deux du bord droit de la matrice et sont destinées à être connectées à une source de puissance électrique (non représentée). Le matériau réfractaire constituant la matrice 1 sera choisi de préférence parmi ceux présentant notamment une bonne résistance aux chocs thermiques, une bonne résistance mécanique, un faible prix de revient et une toxicité faible, voire nulle. Le matériau réfractaire peut notamment être une matière céramique telle que par exemple celle décrite dans le brevet français No. 2 711 364. Pour sa part, la résistance électrique 2 pourra être réalisée à partir d'un matériau compatible avec la matière réfractaire, ayant une bonne résistance aux chocs thermiques de vieillissement, présentant une bonne tenue aux températures élevées et doué d'une bonne aptitude à rayonner la chaleur; ce matériau sera avantageusement le KANTHAL AF (marque de fabrique de la société KANTHAL). On trouvera toutes informations utiles sur cette résistance dans le brevet français No. 2 711 364 susmentionné. Conformément à la présente invention, l'émetteur comprend un espace 5 ménagé autour de la résistance 2 sur toute la longueur de cette dernière (l'espace 5 est visible sur les figures 3 et 5, mais n'a pas été représenté sur les figures 1 et 2 pour une meilleure clarté de ces dernières). On notera qu'au niveau des boucles de raccordement 4, 4', cet espace 5 est ouvert sur l'extérieur pour permettre une libre dilatation de la résistance électrique 2 lorsque l'émetteur est en service. Comme le montrent les figures 3 et 5, l'espace 5 présente dans l'exemple choisi une section circulaire et il en est de même du fil constituant la résistance 2; en outre, le diamètre du fil et celui de l'espace sont sensiblement constants sur toute la longueur du fil et des espaces. Bien entendu, toute autre forme de section reste dans le cadre de la présente invention. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'espace 5 présente des zones rétrécies 6 de très faible longueur (par exemple au plus 1 cm) qui, comme le montre plus clairement la figure 5, comprennent chacune deux segments de rétrécissement 7, 8 se faisant face et enserrant le fil 2. De plus, chaque tronçon 3 comporte une zone rétrécie 6, celle-ci étant située sensiblement à égale distance des extrémités du tronçon considéré; en d'autres termes, les différentes zones rétrécies 6 sont sensiblement situées dans le plan transversal médian de l'émetteur. De la sorte, chaque tronçon 3 de fil se trouve immobilisée dans l'espace 5, ce qui empêche tout déplacement intempestif de la résistance électrique dans la matrice 1. Par ailleurs, les zones rétrécies 6 n'empêchent pas une libre dilatation de la résistance lorsque l'émetteur est en service. En effet, les parties des tronçons de fil situées à droite des zones rétrécies 6 peuvent librement se dilater vers le côté droit de l'émetteur, les boucles 4' émergeant alors du côté droit de ce dernier; il en est de même pour les parties des tronçons de fil situées à gauche des zones rétrécies 6, qui subissent une dilatation sensiblement de même amplitude, les boucles 4 correspondantes émergeant alors du côté gauche de l'émetteur (voir figure 2). Avantageusement, chaque zone rétrécie 6 est constituée de deux parties rétrécies 6a, 6b séparées par une partie élargie 6c, comme cela est représenté sur la figure , la longueur de cette partie élargie 6c n'excédant pas de préférence 1 mm dans l'exemple choisi. On notera que l'émetteur tel qu'il vient d'être décrit est de préférence complété par deux douilles protectrices 9, 10 également en matière réfractaire telle qu'un produit fritté en cordiérite-mullite. On ajoutera que ces deux douilles sont conformées pour venir s'encastrer respectivement sur le côté gauche et le côté droit de la matrice 1; ces mêmes douilles comportent en outre chacune un évidemment 11, 12 dont la forme et les dimensions sont choisies pour recevoir respectivement les boucles 4, 4' quand celles-ci émergent de la matrice par suite de la dilatation de la résistance électrique L'émetteur qui vient d'être décrit peut de préférence être fabriqué par le procédé suivant. Dans un moule de pressage (non représenté) dimensionné pour obtenir une matrice de forme sensiblement parallélipipédique, on introduit un mélange 13 de poudres de matière céramique, tel que celui décrit dans le brevet français susmentionné, et comprenant par exemple environ 70% en poids de cordiérite, environ 20% en poids de mullite, 10% du poids d'ARTAL 23 (marque de fabrique de la société française ARGILES ET MINERAUX A.G.S.), ainsi qu'un liant (par exemple: alcool polyvinylique) et un plastifiant en des quantités conduisant à 100% en poids. Ensuite, un fil électrique en KANTHAL AF (Fe: 72,2%, Cr: 22% et Al: 5, 8%) et pourvu d'une gaine 14 en polyéthylène souple et pyrolysable ou en toute autre matière équivalente est amené sous la forme souhaitée, à savoir une forme en zigzag telle que décrite ci-dessus. A titre d'exemple, le fil a un diamètre de 0,5 mm et sa longueur est de 6,2 m; dans ces conditions, il permet d'atteindre, sous une alimentation électrique alternative de 230V, une température de l'ordre de 1000K et de générer une puissance d'environ 1200W. Quant à la gaine, elle aura avantageusement une épaisseur de l'ordre de 0,01 à 0,05 mm, par exemple de 0,01 mm. Par ailleurs, chaque tronçon de fil 3 du zigzag a une longueur sensiblement égale à celle du moule de pressage. On soumet ensuite le fil ainsi obtenu à une opération consistant à éliminer localement la gaine sensiblement au milieu de chaque tronçon de fil et au niveau de deux parties très rapprochées (par exemple éloignées de pas plus de 1 mm dans l'exemple choisi). Pour ce faire, on applique à deux reprises et de manière légèrement décalée (pas plus de 1 mm), un élément chaud transversalement sur la partie médiane supérieure puis inférieure des tronçons du fil, la température de cet élément étant suffisante pour provoquer la fusion et de préférence la pyrolyse de la gaine au niveau des points d'impact dudit élément avec la gaine. Cet élément chaud peut notamment être une résistance électrique portée par effet Joule à une température de 400'C ou plus. Le fil ainsi obtenu est ensuite positionné horizontalement au sein du mélange 13 de poudres susvisé de telle façon que les couches de mélange situées respectivement au-dessus et au-dessous du fil aient sensiblement la même épaisseur. On notera qu'au niveau des parties 6a, 6b o la gaine 14 a été éliminée, le métal du fil est à nu de sorte que ledit mélange 13 y est en contact direct avec le métal. On procède ensuite au pressage à la température ambiante dudit mélange par exemple selon le cycle de pressage décrit dans le brevet français No. 2 711 364. Il en résulte une masse compacte que l'on retire du moule de pressage avant de la soumettre à un frittage par exemple selon le cycle de cuisson également décrit dans le brevet français susmentionné. Au cours du frittage, la masse compacte 13 est transformée en une matrice 1 solide et dense et la gaine 14 du fil est éliminée par pyrolyse de manière à laisser un espace 5 vide de toute matière autour du fil 2. Cet espace 5 s'étend sur toute la longueur du fil 2 sauf au niveau des zones o la gaine 14 avait été éliminée avant pressage et o la poudre frittée définit des parties rétrécies 6a, 6b comprenant chacune deux segments de rétrécissement 7,8 qui se font face et enserrent le fil 2 pour ainsi assurer le maintien en position et le blocage dudit fil qui à ce stade n'est autre que la résistance électrique 2 susmentionnée. L'émetteur décrit ci-dessus trouve des applications dans des domaines les plus divers, par exemple pour le séchage, notamment pour le séchage des peintures disposées sur un support. REVENDICATIONS 1. Emetteur de rayonnement thermique du type comprenant une matrice (1) en matière réfractaire, telle qu'une matière céramique, au sein de laquelle est disposée une résistance électrique (2), caractérisé en ce qu'au moins un espace (5) est ménagé autour de ladite résistance électrique sur une partie au moins de la longueur de cette dernière. 2. Emetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite résistance électrique (2) et ledit espace (5) présentent chacun une section circulaire de diamètre sensiblement constant tout au long de la résistance ou de l'espace. 3. Emetteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit espace comprend au moins une zone rétrécie (6) au niveau de laquelle la résistance électrique est en contact avec la matrice pour assurer le maintien en position et le blocage de cette dernière. 4. Emetteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite zone rétrécie comprend au moins deux segments de rétrécissement (7,8) se faisant face et avec lesquels la résistance électrique est en contact. 5. Emetteur selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que la résistance électrique est conformée suivant un tracé sinueux comportant plusieurs tronçons (3) successifs de longueur sensiblement égale et reliés par des boucles de raccordement (4,4') respectives, des moyens étant éventuellement prévus au voisinage de ces boucles pour permettre une libre dilatation de la résistance électrique quand l'émetteur est en service. 6. Emetteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par un espace (5) ménagé autour desdites boucles, cet espace étant ouvert vers l'extérieur de la matrice (1). 7. Emetteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites boucles (4,4') émergent de la matrice (1). 8. Emetteur selon la revendication 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que chaque tronçon comprend une zone rétrécie située sensiblement à égale distance des extrémités de ladite section. 9. Emetteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, considéré en ce que la zone rétrécie (6) comprend au moins deux parties rétrécies (6a, 6b) séparées par une partie élargie (6c). 10. Procédé de fabrication de l'émetteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les opérations consistant: - à noyer une résistance électrique dans une masse de poudre de matière réfractaire telle une poudre de matière céramique, à soumettre cette masse de poudre à un pressage pour obtenir une masse de poudre compactée, et - à soumettre cette masse de poudre compactée à un frittage pour obtenir une matrice en matière réfractaire au sein de laquelle est disposée ladite résistance électrique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à former, après le pressage, au moins un espace autour de la résistance électrique sur une partie au moins de la longueur de cette dernière. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'opération consistant à former ledit espace est effectuée au cours de l'opération de frittage. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'en vue de l'opération consistant à former ledit espace, ladite résistance électrique est pourvue d'une gaine en une matière apte à être éliminée par pyrolyse, et en ce que cette gaine est éliminée par pyrolyse au cours de l'opération de frittage. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la matière constituant la gaine est constituée par un polyéthylène souple. 14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à éliminer, avant l'opération de pressage, la gaine au niveau d'une zone au moins de la résistance électrique, de manière à ce qu'après l'opération de frittage la matrice soit en contact au niveau de cette zone avec ladite résistance électrique. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'opération consistant à éliminer la gaine comprend l'opération consistant à provoquer la fusion et/ou la pyrolyse de ladite gaine au niveau de ladite zone. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la fusion et/ou la pyrolyse est réalisée en appliquant sur la gaine un élément chaud à une température appropriée pour provoquer cette fusion et/ou cette pyrolyse.