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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de
BREVET D'INVENTION la société : BRITISH INSULATED CALLENDER'S CABLES LIMITED " Perfectionnements relatifs au traitement par la chaleur des recouvrements isolants de fils électriques et decâbles et d'autres matériaux.
Priorité d'une demande de brevet déposée en Grande-Bretagne le 18 avril 1942 aux noms de G.H. Walton, J.C. Quayle et P. Jones.et la société : British Insulated Câbles Limited.
Une méthode a été proposée pour le traitement par la chaleur des recouvrements des fils et câbles électriques, dans laquelle la chaleur est produite à l'intérieur du maté- riau en le traitant comme le diélectrique entre deux électro- des entre lesquelles on maintient une différence de potentiel alternative à une haute fréquence . Dans une telle disposition la perte diélectrique dans le matériau l'oblige à absorber l'énergie du champ électrique, résultant de la libération de chaleur dans la partie de matériau qui se trouve dans le champ électrique.
La présente invention procure une méthode générale (et appareil pour emploi dans celte-ci) de chauffage de certaines
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espèces de mélanges de caoutchouc et d'autre$ matériau pour l'emploi de courants électriques à haute fréquence.
Elle est applicable à un matériau isolant chargé par conductibilité c'est-à-dire à un matériau qui contient une grande quantité de matière conductrice sous forme de petits grains ou de poudre distribués sur toute son étendue dans le but de lui conférer certaines propriétés. Un exemple est fourni par l'usage de noir de carbone en poudre comme agent de renforcement dans du caoutchouc. La méthode opère par la production de courants électriques de haute fréquence à l'intérieur du mélange grâce à la matière con- ductricedistribuée dans celui-ci. L'appareil pour l'exé- cution de cette méthode peut aussi opérer et opérera généra- lement pour la génération de chaleur, jusqu'à une certaine étendue, par la méthode de production des pertes diélectri- ques.
On a trouvé que la dernière méthode seule, ne peut être appliquée, avec un avantage pratique, à la vulcanisa- tion de matériaux chargés/par conductibilité dans certaines conditions, notamment lorsque un tel matériau se trouve dans le champ diélectrique, sous la forme d'une couche en série avec une autre couche d'épaisseur comparable et de qua- lités diélectriques substantiellement plus/élevées.
Une telle couche peut être une couche d'air, lorsque le matériau à traiter n'est pas en contact intime avec les électrodes .Les conditions sont réunies lorsque le recouvrement d'un fil ou câble électrique comprend une couche interne de bonne qualité isolante (servant de couche diélectrique) et une couche ex- terne (prévue pour la protection mécanique) consistant en caoutchouc chargé au moyen d'une grande quantité de matériau conducteur, par exemple de noir de carbone en poudre pour procurer une gaine tenace.
Dans un tel cas la couche externe en relation avec la couche interne se comporte comme @un conducteur d'une étendue'suffisantepour éviter l'établisse- ment à travers elle d'une grande différence de potentiel,
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Par suite de la grande différence dans les'propriétés des deux couches la presque totalité de la différence de potentiel est absorbée en maintenant le champ électrique dans la couche interne et la présence des particules conductrices supprime la plus grande partie du champ élec- trique dans la couche externe de façon telle que les condi- tions pour la génération de chaleur par des pertes dans le caoutchouc chargé électriquement ne peuvent être produites ici.
Ainsi, dans ce cas la méthode de ,chauffage par pertes de décharge ne peut être utilisée avec avantage pratique car l'application du champ électrique,. pendant la vulcanisa- tion ou autre traitement par la chaleur de la couche interne ne vulcanise pas le revêtement .
Le cas susmentionné est un exemple important de. ce qui peut être réalisé, de manière satisfaisante par la méthode et l'appareil selon la présente invention. On re- connaîtra par la considération de la description suivante de la méthode et de l'appareil qu'ils peuvent aussi être employés dans d'autres cas.
Comme indiqué ci-dessus , la présente invention pré- voit une méthode et un appareil capables de soumettre à la vulcanisation du caoutchouc chargé, par lemoyen'de courants électriques à haute fréquence passant dans le matériau,Lors- que la méthode et l'appareil sont employés dans des cas dans lesquels .un champ diélectrique suffisamment fort peut être établi dans le matériau diélectrique, ils peuvent aussi être employépour vulcaniser du caoutchouc diélectri- que, ou pour traiter par la chaleur d'autre matériau diélec- trique par la méthode de perte diélectr ique de haute fré- quence, même lorsque du tel caoutchouc, ou autre matériau, est inclus à l'intérieur d'un recouvrement de matériau chargé par conductibilité.
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Dans cette méthode le caoutchouc à vulcaniser ou à traiter d'autre façon par la chaleur est poussé à travers une courte bobine cylindrique aux bornes de laquelle est appliqué un'potentiel alternatif à haute fréquence de façon telle que la bobine'produise dans son intérieur un champ magnétique à haute fréquence. A l'intérieur de ce champ le caoutchouc chargé par conduction constitue une spire fermée d'un transformateur, dans lequel de la chaleur est engendrée par le passage de courants à haute fréquence .
De cette façon de- la chaleur est rapidement engendrée dans le caoutchouc et la vulcanisation est accomplie . En parlant de haute fréquence en relation avec l'invention on doit comprendre qu'il est fait référence à une bande de fréquen- ees de 20 à 200 millions de cycles par seconde. C'est cette bande qui est d'importance pratique pour l'invention et dans la plupart des cas il sera préférable d'employer la portion supérieure de cette bande, c'est-à-dire des fréquences de l'ordre de 100 à 200 millions de. cycles par seconde.
Il semble probable qu'avec de telles fréquences les courants dans le matériau chargé par conductibilité sont en partie des courants de conduction à travers les parties conductri- ces et en partie des courants de déplacement à travers le matériau isolant intervenant.
On comprendra que pour les hautes fréquences en question l'opération effective est dépendante de la construc- tion de la bobiner La bobine est axialement de faible longueur, celle-ci étant, par exemple, du même ordre que le diamètrede la bobine. Dans le but d'obtenir du chauffage suffisant pour la vulcanisation, pendant que le caoutchouc sedéplace à la haute vitessedésirable pratiquement à tra- vers la bobine, il sera généralement désirable de dispo- ser plusieurs de ces bobines l'une derrière l'autre sur le même axe, de façon telle.que le caoutchouc puisse passer suc cessivement à travers elles.
Ces diverses bobines peuvent être connectées en parallèle à une conduite principale à '
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haute fréquence, ou de préférence chacune d'elle pourvue d'un oscillateur',séparé pour fournir l'énergie à haute fréquence. Pour les fréquences en question il est possi- ble de construire, des bobines d'une grandeur convenable qui seront approximativement en résonnance . Par suite de la grande chute de potentiel dans la bobine il y aura une grande différence de potentiel entre les deux extrémités de la bobine de façon telle que associée avec cette diffé- rence il existera un fort champ électrique, qui s'étendra dans n'importe quel matériau diélectrique qui peut être associé avec le matériau chargé par conductibilité et engen- drera dans un tel matériau diélectrique de la chaleur par la méthode deperte diélectrique.
L'invention sera décrite maintenant en se référant aux dessins annexés dans lesquels la fige l montre en coupe longitudinale une partie d'un appareil suivant l'invention et la fige 2 montre une des bobines et le matériau dans' celle-ci pendant l'opération, aussi en coupe longitudinale.
L'appareil montré est tout d'abord conçu pour la uulcanisa- tion continue du recouvrement de fil électrique e, consis- tant en une couche intérieure a, (fig. 2) de matériau diélec- trique et une couche externe b de matériau isolant chargé de particules conductrices. La couche a peut être un com-. posé de caoutchouc de là qualité prévue pour l'isolement du fil, 'et la couche 11 peut être un composé de caoutchouc fortement chargé au moyen de noir de carbone pour produire une gaine tenace. Chaque bobine e c est formée de quelques spires des fil de cuivre bien espacées l'une de l'autre.
Avec la bobine disposée comme montré dans la figure 2, à travers les bornes d'un oscillateur o, travaillant à une fréquence comprise entre 100 et,200 millions de cycles par seconde, la bobine est en résonance approximative@@@ avec la fréquence du fournisseur de courant et a ainsi une
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grande différence de potentiel à travers elle et un grand courant oscillant dans celle-ci.
Ce courant produit un fort champ magnétique, qui s'étend dans la coucher, et y engendre des courants de circulation, produisant de la cha- leur dans cette couche. Par suite de la forme spéciale et de la construction de la couche b elle n'empêche pas l'é- tablissement d'un champ électrique entre les diffec@@tes parties de la bobine c par la voie de la couche a de façon telle que dela chaleur puisse êtreengendrée dans cette couche par la méthode de perte diélectrique .
Comme indiqué en figure 1, llappareil comprend un logement d dans lequel sont enfermées trois bobines semblables c, dispo- sées co-axialement et espacées à courte distance l'une de l'autre, Ce logement d est de préférence construit en métal et est de telles dimensions et forme par rapport aux bobines qu'il ne fournit pas dans ses parois un chanin conducteur suffisamment complet pour absorber à un haut degré de l'énergie par induction électro-magnétique des bobines ,ni pour absorber une quantité substantielle d'éner- gie des champs électriques produits par les bobines. Comme indiqué, le logement est fendu suivant le plan horizontal passant par le centre et une garniture p isolante est in- sérée .
Cette garniture brise la continuité électrique de la paroi et aide à former un joint étanche de pression entre les deux moitiés du logement. Les extrémités des bobines amenées chacune à l'extérieur du logement d à tra- vers un manchon isolant f qui forme un joint étanche avec le conducteur et avec la paroi du logement d. Chaque man- chon f se trouve dans une ouverture à collier dont la par- tieextérieure est connectée à un tubeen métal h formant un câble concentrique avec le conducteur de la bobine conve- nant pour former une connexion entre la'bobine et son o scillateur.
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A l'extrémité de gauche du logement d se trouve une ouverture i, dont le coté extérieur est pourvu d'un chapeau ± de caoutchouc, qui/comme montré,, possède un trou cylin- drique et une paroi rétrécie l'entourant et un rebord adja- cent à l'ouverture 1 par lequel rebord il est fixé en posi- tion contre l'ouverture. Ce chapeau est enfermé dans un logement auxiliaire court k avec une embouchure à travers laquelle le fil couvert peut entrer. Le chapeau est d'un tel diamètre interne qu'il n'assure seulement qu'un faible ;jeu avec la surface externe du recouvrement du fil. Il y a une autre ouverture 1 à l'extrémité de droite du logement d et une disposition similaire de chapeau j et de recou- veenent k pent être prévue ici.
Alternativement, cependant .un logement additionnel tel que 1 peut être attaché pour donner un traitement étendu au fil couvert comme il passe au travers, si cela est nécessaire, le nombre de logements d étant choisis pour assurer la durée de traitement requise.
En tout .cas à l'extrémité de droite des séries de logement d un chapeau est prévu . Un tuyau 1 procure du gaz ou de la vapeur sous pression à l'intérieur du logement ou des' logements de façon à maintenir de la pression sur la sur- face du recouvrement du 't'il quand cela est nécessaire ou avantageux. Du gaz peut %tre fourni d'une façon adéquate pour maintenir la pression dans la chambre d, lorsque des pertes se produisent aux chapeaux j .
On verra que cet appareil permet le passage continu à travers lui d'un câble couvert à une vitesse appropriée et le traitement par la chaleur de celui-ci pendant-ce passage de la -durée désirée.
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DESCRIPTIVE MEMORY filed in support of a request for
PATENT OF INVENTION the company: BRITISH INSULATED CALLENDER'S CABLES LIMITED "Improvements relating to the heat treatment of insulating covers of electric wires and cables and other materials.
Priority of a patent application filed in Great Britain on April 18, 1942 in the names of G.H. Walton, J.C. Quayle and P. Jones. And the company: British Insulated Cables Limited.
A method has been proposed for the heat treatment of covers of electric wires and cables, in which heat is produced inside the material by treating it as the dielectric between two electrodes between which a difference is maintained. of alternating potential at a high frequency. In such an arrangement the dielectric loss in the material forces it to absorb the energy of the electric field, resulting from the release of heat in the part of material which is in the electric field.
The present invention provides a general method (and apparatus for use therein) of heating certain
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kinds of mixtures of rubber and other material for the use of high frequency electric currents.
It is applicable to an insulating material charged by conductivity, that is to say to a material which contains a large amount of conductive material in the form of small grains or powder distributed over its entire extent with the aim of giving it certain properties. An example is provided by the use of powdered carbon black as a reinforcing agent in rubber. The method operates by producing high frequency electric currents inside the mixture by virtue of the conductive material distributed in it. The apparatus for carrying out this method can also operate, and will generally operate, for the generation of heat, up to a certain extent, by the method of generating dielectric losses.
It has been found that the latter method alone cannot be applied, with practical advantage, to the vulcanization of charged / conductive materials under certain conditions, especially when such material is in the dielectric field, in the form of one layer in series with another layer of comparable thickness and substantially higher dielectric qualities.
Such a layer can be a layer of air, when the material to be treated is not in intimate contact with the electrodes. The conditions are met when the covering of an electric wire or cable comprises an internal layer of good insulating quality ( serving as a dielectric layer) and an outer layer (intended for mechanical protection) consisting of rubber loaded with a large amount of conductive material, for example powdered carbon black to provide a tough sheath.
In such a case the outer layer in relation to the inner layer behaves like a conductor of sufficient extent to avoid the establishment through it of a large potential difference,
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As a result of the large difference in the properties of the two layers almost all of the potential difference is absorbed maintaining the electric field in the inner layer and the presence of the conductive particles removes most of the electric field in the layer. outer layer such that the conditions for the generation of heat by losses in the electrically charged rubber cannot be produced here.
Thus, in this case the method of heating by discharge losses cannot be used with practical advantage because the application of the electric field. during vulcanization or other heat treatment of the inner layer does not vulcanize the coating.
The aforementioned case is an important example of. which can be achieved satisfactorily by the method and apparatus according to the present invention. It will be recognized from consideration of the following description of the method and apparatus that they may also be employed in other cases.
As stated above, the present invention provides a method and apparatus capable of subjecting charged rubber to vulcanization, by means of high frequency electric currents passing through the material, where the method and apparatus are employed in cases where a sufficiently strong dielectric field can be established in the dielectric material, they may also be employed to vulcanize dielectric rubber, or to heat treat other dielectric material by the method of High frequency dielectric loss, even when such rubber, or other material, is included within an overlay of conductively charged material.
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In this method the rubber to be vulcanized or otherwise treated by heat is pushed through a short cylindrical coil to the terminals of which a 'high frequency alternating potential is applied so that the coil' produces in its interior a high frequency magnetic field. Inside this field, the rubber charged by conduction constitutes a closed turn of a transformer, in which heat is generated by the passage of high frequency currents.
In this way heat is quickly generated in the rubber and vulcanization is accomplished. Speaking of high frequency in relation to the invention, it should be understood that reference is made to a frequency band of 20 to 200 million cycles per second. It is this band which is of practical importance for the invention and in most cases it will be preferable to use the upper portion of this band, that is to say frequencies of the order of 100 to 200 million. cycles per second.
It seems probable that with such frequencies the currents in the conductively charged material are partly conduction currents through the conductive parts and partly displacement currents through the intervening insulating material.
It will be understood that for the high frequencies in question the actual operation is dependent on the construction of the coil. The coil is axially of short length, the latter being, for example, of the same order as the diameter of the coil. In order to obtain sufficient heating for vulcanization, while the rubber is moving at a substantially desirable high speed through the spool, it will generally be desirable to arrange several of these spools one behind the other on the spool. the same axis, so that the rubber can pass successively through them.
These various coils can be connected in parallel to a main line at '
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high frequency, or preferably each with a separate oscillator, to provide high frequency energy. For the frequencies in question it is possible to construct coils of a suitable size which will approximately resonate. As a result of the large drop in potential in the coil there will be a large potential difference between the two ends of the coil so that associated with this difference there will be a strong electric field, which will extend into n ' any dielectric material which can be associated with the conductively charged material and will generate heat in such dielectric material by the dielectric loss method.
The invention will now be described with reference to the accompanying drawings in which Fig 1 shows in longitudinal section a part of an apparatus according to the invention and Fig 2 shows one of the coils and the material therein during operation. operation, also in longitudinal section.
The apparatus shown is first designed for the continuous uulcanization of the electric wire covering e, consisting of an inner layer a, (Fig. 2) of dielectric material and an outer layer b of insulating material. loaded with conductive particles. Layer a can be a com-. layered with rubber of the grade intended for wire insulation, and layer 11 may be a rubber compound heavily loaded with carbon black to produce a tough jacket. Each coil e c is formed from a few turns of copper wire well spaced from one another.
With the coil arranged as shown in Figure 2, across the terminals of an oscillator o, working at a frequency between 100 and 200 million cycles per second, the coil is in approximate resonance @@@ with the frequency of the current supplier and thus has a
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large potential difference across it and a large current oscillating in it.
This current produces a strong magnetic field, which extends into the bed, and generates circulating currents there, producing heat in this bed. Due to the special shape and construction of the layer b it does not prevent the establishment of an electric field between the various parts of the coil c through the layer a in such a way. that heat can be generated in this layer by the dielectric loss method.
As shown in Figure 1, the apparatus comprises a housing d in which are enclosed three similar coils c, arranged co-axially and spaced a short distance from each other. This housing d is preferably constructed of metal and is of such dimensions and shape with respect to the coils that it does not provide in its walls a conductive channel complete enough to absorb a high degree of energy by electromagnetic induction of the coils, nor to absorb a substantial amount of energy - gy of the electric fields produced by the coils. As indicated, the housing is split along the horizontal plane passing through the center and an insulating p gasket is inserted.
This gasket breaks the electrical continuity of the wall and helps form a pressure tight seal between the two housing halves. The ends of the coils each brought to the outside of the housing d through an insulating sleeve f which forms a tight seal with the conductor and with the wall of the housing d. Each sleeve f is in a collared opening the outer part of which is connected to a metal tube h forming a concentric cable with the appropriate coil conductor to form a connection between the coil and its scillator.
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At the left end of housing d is an opening i, the outer side of which is provided with a ± rubber cap, which / as shown, has a cylindrical hole and a narrowed wall surrounding it and a rim adjacent to opening 1 by which rim it is fixed in position against the opening. This hat is enclosed in a short auxiliary housing k with a mouth through which the covered wire can enter. The cap is of such an internal diameter that it provides only a small amount of play with the outer surface of the wire cover. There is another opening 1 at the right end of housing d and a similar arrangement of cap j and cover k can be provided here.
Alternatively, however, an additional housing such as 1 can be attached to give extended treatment to the covered wire as it passes through, if necessary, the number of housings d being chosen to ensure the required processing time.
In any case at the right end of the housing series of a hat is provided. A pipe 1 supplies pressurized gas or steam to the interior of the housing or housings so as to maintain pressure on the surface of the cover when necessary or advantageous. Gas can be supplied in a manner adequate to maintain the pressure in chamber d when losses occur at the caps j.
It will be seen that this apparatus allows the continuous passage through it of a covered cable at a suitable speed and the heat treatment thereof during this passage for the desired time.