Procédé de fabrication d'éléments de chauffage électrique tubulaires et élément de chauffage obtenu suivant ce procédé. La présente invention concerne un pro cédé de fabrication d'éléments de chauffage électrique tubulaires dans lesquels le fil de résistance enroulé en hélice, avec son isole ment, est enfermé dans un tube ou une gaine métallique.
Il y a sur le marché deux types de ces éléments de chauffage tubulaires, l'élément "Calrod", et l'élément tubulaire "Backer". Dans l'élément "Calrod", l'enroulement de résistance est enveloppé par une matière isolante pulvérisée (généralement de l'oxyde de magnésium qui a été fondu et pulvérisé), qui est rendue compacte autour de l'enrou lement de résistance par estampage (marte lage) du tube de faon à réduire son diamètre.
Dans l'élément en tube "Backer", au con traire, l'isolement est de l'oxyde de magné sium cristallin chimiquement pur, qui est produit sur place à partir de magnésium métallique par traitement du métal par de la vapeur ou de l'eau sous une pression et une température très élevées de sorte que le ma gnésium métallique est transformé en hydro xyde de magnésium qui est ensuite trans formé en oxyde de magnésium par chauffage au rouge sombre. Un élément en tube de ,,Backer" est obtenu comme suit: Dans un tube métallique, on introduit trois bandes métalliques de magnésium pro filées en forme de segments de faon à former en réalité une garniture de magnésium à l'intérieur du tube métallique.
(A la place des trois bandes en segments, un tube mé tallique de magnésium peut naturellement être employé, bien que ce serait beaucoup plus coûteux que les bandes.) Le fil de ré sistance enroulé en hélice est alors introduit dans le tube et maintenu en position aux deux extrémités. L'élément assemblé consistant en la gaine extérieure, la garniture de ma gnésium métallique et le fil de résistance enroulé, est alors placé verticalement dans un autoclave à peu prés rempli d'eau de façon que le tube soit de préférence couvert par l'eau. L'autoclave est alors fermé et chauffé jusqu'à ce que la pression de vapeur soit d'au moins 15 atmosphères et que la température corresponde à celle de la pression de vapeur saturée employée.
(Une pression plus élevée que 15 atmosphères peut être employée avec avantage, vu que l'opération s'effectue plus rapidement à une pression et à une tempé rature plus élevées.) L'eau se combine alors au magnésium métallique pour former de l'hydroxyde de magnésium, tandis que du gaz hydrogène est libéré et s'échappe à travers une soupape de sortie appropriée sur le cou vercle de l'autoclave. Pendant la transfor mation du magnésium métallique en hydro xyde de magnésium cristallin, une dilatation a lieu de telle façon que lorsque la transfor mation est terminée, l'hydroxyde occupe à peu près un volume deux fois aussi grand que le magnésium métallique initial, de sorte que l'enroulement de fil de résistance est complètement noyé dans l'hydroxyde.
Le tube est alors séché à une température du rouge sombre en vue de transformer l'hydro xyde de magnésium en oxyde. L'ouverture centrale dans l'enroulement de fil de résis tance (par laquelle l'eau circulait pendant la transformation dans l'autoclave) peut alors être remplie au moyen d'une poudre isolante bien réfractaire quelconque, ou bien un fil de métal de magnésium peut être inséré dans l'ouverture centrale et transformé dans l'au toclave en hydroxyde de magnésium. Ensuite des bornes étanches à l'air sont attachées aux extrémités du fil de résistance aux deux bouts du tube et après une opération finale de séchage, l'élément en tube est prêt pour l'emploi.
L'élément en tube de "Backer" tel qu'il est décrit ci-dessus a déjà été breveté dans la plupart des pays industriels, voir par exemple le brevet anglais N 336949. Le présent brevet vise un perfectionnement à l'élément tubulaire décrit ci-dessus.
Comme on l'a mentionné ci-dessus, l'hy- dr-oxyde de magnésium doit être chauffé au rouge sombre pour se transformer en oxyde de magnésium exempt d'eau. Pendant cette opération de séchage qui doit être faite à une température d'environ 600 C, l'oxyde de magnésium se contracte lorsqu'il perd son eau. Le résultat en est que des craquelures circonférentielles se développent dans l'oxyde. Ces craquelures sont très nuisibles vu qu'elles rendent impossible la production d'éléments tubulaires qui peuvent être essayés à l'étin celle avec plus de 1500 volts lorsque le tube est froid, ou 800 volts lorsque le tube est au rouge.
Pour de nombreuses applications, les prescriptions d'approbation exigent un essai à l'étincelle des éléments avec un vol tage allant jusqu'à 1200 ou 1500 volts lorsque l'élément est à sa température maximum, c'est-à-dire au rouge sombre, et pour un vol tage de service de 550 volts, les éléments doivent être essayés à l'étincelle avec 2100 ou 2200 volts. Dans le brevet anglais N 341938, on a proposé de réduire l'aire de la section transversale de l'espace central du tube métallique, après la transformation du magnésium métallique au moyen de la vapeur en hydroxyde de magnésium, par pression, roulage ou autre traitement du tube.
Cette réduction de l'aire de la section trans versale est déclarée dans ledit brevet cité en haut comme ayant pour but de permettre un plus grand espace pour l'admission de vapeur et il était aussi dit que le voltage de rupture de l'isolement était généralement augmenté par la déformation. L'inventeur cependant a trouvé qu'une simple déformation du tube par pression ou passage entre des rouleaux n'augmente pas la résistance diélec trique de l'isolement dans le tube.
En effet, si la tension d'essai est appliquée lorsque le tube est à la température maximum (géné ralement au rouge sombre), la distance con sidérablement diminuée entre le tube extérieur et le fil de résistance réduira considérablement la résistance diélectrique de la couche iso lante, parce que le simple applatissement du tube n'élimine pas les craquelures de l'oxyde, obtenu par le procédé de déshydratation, et, l'atmosphère, par laquelle ces craquelures sont remplies, étant ionisée lorsque l'élément est sous tension a une température élevée, la résistance diélectrique diminuera approxi mativement en proportion de la distance di minuée entre le tube et le fil.
Le procédé suivant la présente invention est caractérisée par au moins deux opérations consistant à déshydrater l'hydroxyde de ma gnésium alternant avec au moins une opé ration consistant à réduire l'aire<B>dé</B> la section transversale du tube de façon à rendre com pacte la matière isolante.
De préférence, la déformation est effectuée en deux étapes ou davantage, la déshydra tation étant effectuée partiellement entre ces étapes; dans certains cas une déformation supplémentaire peut être effectuée après que la déshydratation est complète.
On peut aussi effectuer une déformation. partielle du tube avant la première déshy dratation partielle bien que cela, en général, ne soit pas à recommander.
On procède de préférence comme suit: Après que l'élément tubulaire a été traité dans l'autoclave il est séché dans un séchoir approprié à une température de 330 à 350 C. Une période de séchage de 30 à 60 minutes est satisfaisante. Par ce séchage, l'hydroxyde de magnésium 'perd une partie de son eau combinée sans être complètement transformé en oxyde. Aucune craquelure ni ouverture nuisible ne se développe dans l'hydroxyde de magnésium lorsqu'il est séché seulement à 350 C. Néanmoins il perd suffisamment d'eau et devient beaucoup plus tendre, de sorte qu'il peut être aisément rendu compact. Après cette première opération de séchage, l'ouverture centrale de l'élément est remplie de poudre isolante et les bornes sont assem blées aux deux extrémités du tube.
Le tube est alors soumis à la première opération de déformation, par pression dans un poinçon approprié, de façon que l'isolement soit rendu compact par diminution de volume; la ré duction de volume dans cette première opé ration de déformation peut être de 15 à 250/0.
La méthode la plus simple pour déformer le tube est de le presser entre deux poinçons plats 11 et 12 comme on l'a représenté, à titre d'exemple, simplement à la fig. 1. Le tube prend alors une section transversale plus ou moins rectangulaire avec des côtés en demi-cercles comme le montre la fig. 1.
Bien que cette forme du tube soit atteinte à peu de frais parce qu'elle nécessite seulement des poinçons plats, et bien qu'un élément tubu laire aplati comme le montre la fig. 1 soit beaucoup meilleur sous tous les rapports qu'un tube qui n'a pas été déformé du tout, il n'est pas entièrement satisfaisant parce que si le tube doit être aplati suffisamment pour rendre compact l'oxyde dans les côtés arrondis du tube, l'épaisseur de la couche de l'oxyde sur les côtés aplatis devient trop petite.
Une forme beaucoup meilleure est repré sentée également, à titre d'exemple, en 13 à 1a fig. 2 ; cette forme est plus ou moins elliptique. Pour déformer le tube de la ma nière représentée â la fig. 2, il faut un jeu de poinçons 14 et 15 avec des rainures de la forme correspondante, comme on l'a in diqué. Dans cette forme on obtient un oxyde rendu compact uniformément sans réduire l'épaisseur de la couche d'isolement en aucun point à un degré nuisible. On a trouvé que la forme représentée à la fig. 2 est la plus désirable et donne un résultat parfait.
Une autre forme représentée encore, à titre d'exemple, à la fig. 3 en 16 donne également de très bons résultats. Elle est plus ou moins carrée sauf que les côtés du carré sont légèrement bombés, les poinçons coopérant 17 et 18 étant conformés de façon correspondante comme on l'a indiqué. Cette forme bombée des côtés est désirable parce que dans une section à côtés plats rectilignes les parties plates de la paroi ont une ten dance à se bomber lorsque le tube est chauffé et détruisent ainsi le bon contact entre le tube et l'isolement.
Une autre forme - ap proximativement semi-circulaire - qui peut être désirable pour des applications spéciales est représentée aussi, à titre d'exemple, à la fig. 4 en 19. Un tube façonné suivant la fig. 4 au moyen de poinçons appropriés 20 et 21 peut être avantageusement replié en forme d'épingle à cheveu et pressé sur lui- même de faon à former un élément de section transversale approximativement circu laire ayant les bornes l'une près de l'autre à la môme extrémité de l'élément. La section transversale d'un semblable élément serait celle représentée à la fig. 5.
II peut y avoir encore d'autres formes dans lesquelles le tube peut être mis pour des applications spéciales.
Après la première opération de déformation, dans laquelle l'isolement peut être comprimé dans une mesure de 15 à 25% de soir volume, le tube est de nouveau placé dans le séchoir et séché pendant plusieurs heures à environ 6000 C. Cette opération de séchage transforme tout l'hydroxyde de magnésium en oxyde, saris aucune craquelure dans l'iso lement.
Après ce séchage final, le tube est de nouveau déformé dans les mêmes poinçons que ceux employés pour la première opération de déformation ou dans des poinçons ana logues, comme on le comprendra aisément. Dans la seconde opération de déformation, les tubes reçoivent leurs formes finales re présentées aux fig. 1 à 5 suivant le cas, et l'isolement d'oxyde est alors comprimé de telle façon qu'il occupe environ /s du volume de l'hydroxyde de magnésium initial. Cette grande compression de l'oxyde le rend ex trêmement dur et compact de sorte due sa résistance diélectrique est augmentée jusqu'à plus du double de celle qu'il avait avant la déformation.
Il a été mentionné précédemment que l'élément tubulaire bien connu "Calrod" est estampé (martelé) dans une machine d'estam page rotative en vue de réduire le diamètre du tube et de rendre ainsi compact l'isolement en poudre. Cette opération d'estampage produit toujours un allongement considérable du tube (de 10 à 20 0% d'allongement) et la circon férence du tube est considérablement réduite. L'opération d'estampage est fondamentalement différente de la méthode de déformation dé crite ci-dessus.
L'opération de déformation décrite ci-dessus peut être conduite de façon que la circonférence du tube ne soit pas di minuée intentionnellement (bien que le tube puisse incidemment voir sa circonférence ré duite de 1/2 à 2 0% par suite de ce que sa paroi est légèrement comprimée aux deux côtés) et la longueur du tube n'est pas aug- rnentée du tout. L'allongement du tube,inhérent à la méthode d'estampage, est un grand incon vénient qui rend la fabrication difficile dans torts les cas oit les tubes doivent être faits à longueur exacte. Cette difficulté peut être éliminée par le présent procédé de déformation.
Les différences fondamentales entre cette mé thode d'estampage et le présent procédé de déformation sont que par la première méthode titre réduction de la circonférence et une aug inentation considérable de la longueur de l'élément en tube sont inévitables, tandis que le procédé de déformation décrit ici peut être conduit de façon qu'il n 'y ait pas d'augmen tation de longueur du tube et la réduction de son pourtour soit tellement petite qu'elle est à peine mesurable.
La déformation de l'élément tubulaire peut être faite dans une forte presse, par un simple coup de la presse. Si on ne dispose pas d'une grande presse, la déformation peut être faite également dans une petite presse par- étapes. Si cette méthode est employée, il y a un très petit allongement du tube dé pendant du nombre de coups employés par la presse.
Il y a également d'autres différences ex trêmement importantes entre l'opération par martelage et celle par pression entre deux matrices. Si titi tube à isolement d'oxyde de magnésium cristallin (formé par conversion de magnésium métallique par la vapeur dans un autoclave est soumis au martelage, la structure cristalline de l'oxyde est brisée par les coups de marteau répétés et l'isolement devient dur et consiste et) des particules ex trêmement fines d'oxyde.
Par ce concassage de la stucture cristalline de l'oxyde, sa con- dactibilité thermique est très considérablement réduite, ce qui a pour effet d'augmenter con sidérablement la différence de température en service entre le fil de résistance et la gaine extérieure. Par le procédé décrit ci-dessus orr peut obtenir que la structure cristalline de l'oxyde ne soit pas détruite. Les cristaux sont alors simplement empaquetés de façon plus serrée et la bonne conductibilité ther mique est conservée.
On a trouvé également que si un élément tubulaire à oxyde de magnésium cristallin est estampé, la résistance d'isolement de l'oxyde est diminuée à une petite fraction de ce qu'elle était avant l'estampage, tandis que la défor" mation du tube, exécutée comme elle est dé crite dans ce mémoire, ne diminue pas la résistance d'isolement spécifique de l'oxyde. Lorsqu'un élément tubulaire a été déformé, sa résistance d'isolement est un peu plus faible qu'avant la déformation, mais la diminution est seulement en proportion de l'épaisseur diminuée de la couche d'oiyde.
Différentes modifications sont possibles, par exemple un changement de la forme à laquelle le tube est amené par déformation sans sortir du domaine de l'invention.