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BREVET D'INVENTION' Perfectionnements aux éléments de chauffage électrique.
La présente invention concerne les éléments de chauffage électrique et plus particulièrement les éléments de chauffage tubulaires dans lesquels le fil de résistance enroulé en hélice, avec son isolement environnant, 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 "Baoker". 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'enroulement de résistance par estampage (martelage) du tube de facon à réduire son diamètre.
Dans l'élément en tube "Baoker", au contraire, l'isolement consiste en de l'oxyde de magnésium 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 métal magnésium est transformé en hydroxyde de magnésium qui est ensuite
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transformé en oxyde de magnésium par chauffage au rouge sombre. Un élément en tube de "Backer" est fait comme suit : Dans un tube métallique on introduit trois bandes métalliques de magnésium repliées en forme de segments de façon à former en réalité une doublure de magnésium à l'intérieur du tube métallique.
(A la place des trois bandes en segments, un tube métallique de magnésium peut naturellement être employé, bien que ce serait beaucoup plus coûteux que les bandes).
Le fil de résistance enroulé est alors introduit dans le tube et maintenu en position aux deux extrémités. L'élément assemblé consistant en la gaine extérieure, la doublure de métal de magnésium et le fil de résistance enroulé, est alors placé verticalement dans un autoclave à peu près rem- pli 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 température 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 couvercle de l'autoclave. Pendant la transformation, l'hydroxyde de magnésium cristallin formé croit et se dilate de telle façon que lorsque la transformation est terminée, l'hydroxyde occupe à peu près un volume deux fois aussi grand que le métal magnésium initial, de sorte que l'enroulement de résistance est complètement noyé dans l'hydroxyde. Le tube est alors séché à une température du rouge sombre en vue de transformer l'hydroxyde de magnésium en oxyde.
L'ouverture centrale dans l'enroulement de résistance (par laquelle l'eau
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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'autoclave 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 cidessus a déjà été breveté dans la plupart des pays industriels. Voir le brevet canadien n 309.366 et le brevet anglais correspondant n 336.949. Le présent brevet couvre un perfectionnement à l'élément tubulaire décrit ci-dessus.
Comme on l'a mentionné ci-dessus, l'hydroxyde de magnésium doit être chauffé au rouge sombre pour se transformer en oxyde de magnésium exempt d'eau. Pendant cette opéra- tion 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 oir- conférencielles se développent dans l'oxyde. Ces craquelures ou ouvertures sont très nuisibles vu qu'elles rendent impossible la production d'éléments tubulaires qui peuvent être essayés à l'étincelle avec plus de 1500 volts lorsque le tube est froid, ou 800 volts lorsque le tube est au rouge.
Pour de nombreuses applications, les spécifications d'approbation exigent un essai à l'étincelle des éléments avec un voltage allant jusqu'à 1200 ou 1500 volts lorsque l'élément est à sa température maximum, etest à dire au rouge sombre, et pour un voltage de service de 550 volts, les éléments doivent être essayés à l'étincelle avec 2100 ou 2200 volts. On a imaginé une nouvelle méthode pour rendre compact l'oxyde de magnésium, qui consiste à déformer le tube de façon que l'oxyde de magnésium devienne très
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compact et puisse être séché à tnimporte quelle température sans 'développer de craquelures.
On procède 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 dans l'hydroxyde, 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 assemblées 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 ou diminué de volume; la réduction de volume dans cette première opération de déformation peut être de 15 à 25%.
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 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 tubulaire 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 suffi- samment pour rendre compact l'oxyde dans les côtés arrondis du tube, l'épaisseur de la couche d'oxyde sur les oôtés apla-
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tis devient trop petite.
Une forme beaucoup meilleure est représentée en 13 à la fig. 2; cette forme est plus ou moins elliptique plutôt que rectangulaire. Pour déformer le tube de la manière représentée à la fig. 2, il faut une série de poinçons 14 et 15 avec des rainures de la forme correspondante, comme on l'a indiqué. 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 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 arrondis, les poinçons coopérants 17 et 18 étant conformés de façon correspondante comme on l'a indiqué. Cet arrondissement des côtés est désirable parce que dans une section à côtés plats reotilignes les parties plates de la paroi ont une tendance à se bomber lorsque le tube est chauffé et détruisent ainsi le bon contact entre le tube et l'isolement.
Une autre forme - approximativement semi-circulaire - qui peut être désirable pour des applications spéciales est représentée 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 luimême de façon à former un élément replié en retour de section transversale approximativement circulaire ayant les bornes l'une près de l'autre à la même extrémité de l'élément. La section transversale d'un semblable élément serait celle représentée à la fig. 5. Il peut y avoir encore dtautres formes dans lesquelles le tube peut être mis pour des applications spéciales.
Après la première opération de déformation, dans la-
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quelle l'isolement peut être rendu compact dans une mesure de 15% à 25% de son volume, le tube est de nouveau placé dans le séchoir et séché pendant plusieurs heures à environ 600 C.
Cette opération de séchage transforme tout l'hydroxyde de magnésium en oxyde, sans aucune craquelure dans l'isolement.
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 analogues, comme on le oomprendra aisément. Dans la seconde opération de déformation, les tubes reçoivent leurs formes finales représentées aux figs. 1 à 5 suivant le cas, et l'isolement d'oxyde est alors rendu compact de telle façon qu'il occupe environ 2/3 du volume de l'hydroxyde de magnésium initial. Cette grande compression de l'oxyde le rend extrêmement dur et compaot de sorte que 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'estampage 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% d'allongement) et la ciroonférence du tube est considérablement réduite. L'opération d'estampage est fondamentalement différente de la nouvelle méthode de déformation qui fait l'objet du présent brevet.
Dans l'opération de déformation, la circonférence du tube n'est pas diminuée intentionnellement, (bien que le tube puisse incidemment voir sa circonférence réduite de 1/2% à 2% par suite de ce que sa paroi est légèrement comprimée aux deux côtés) et la longueur du tube n'est pas augmentée du tout. L'allongement du tube, inhérent à la méthode d'estampage, est un grand inconvénient qui rend la fabrication difficile dans tous les cas où les tubes doivent être faits
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à longueur exacte. Cette difficulté a été éliminée par la présente méthode de déformation.
Les différences fondamentales entre cette méthode d'estampage (telle qu'elle est décrite au brevet américain n 1.367.341 du ler février 1921 et des brevets antérieurs tels que le brevet anglais n 18685/1914) et la présente méthode de déformation sont que par la première méthode une réduction de la circonférence et une augmentation considérable de la longueur de l'élément en tube sont inévitables, tandis que par la méthode de déformation, il n'y a pas d'augmentation de longueur du tube et la réduction de la circonférence est 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 étages, c'est à dire un peu à la fois. Si cette méthode est employée, il y a un très petit allongement du tube suivant le nombre de coups de la presse qui sont nécessaires pour déformer toute la longueur du tube.
Il y a également d'autres différences extrêmement importantes entre les deux méthodes. Si un tube à isolement d'oxyde de magnésium cristallin (formé par conversion de magnésium métallique par la vapeur dans un autoclave) est estampé, la structure cristalline de l'oxyde est brisée par les milliers de coups de marteau et l'isolement devient une masse dure consistant en des particules extrêmement fines d'oxyde. Par ce oonoassage de la structure cristalline de l'oxyde, sa conductibilité thermique est très considérablement réduite, ce qui a pour effet d'augmenter considérablement la différence de température entre le fil de résistance et la gaine extérieure. Par la méthode de déformation, la structure cristalline de l'oxyde n'est pas détruite.
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Les cristaux sont simplement empaquetés de façon plus serrée et la bonne conductibilité thermique 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 déformation du tube, telle qu'elle est décrite dans le présent brevet, 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'oxyde.
Différentes modifications peuvent être apportées aux dispositifs renfermant la présente invention, par exemple un changement de la forme sous laquelle le tube est déformé, sans qu'on s'écarte de l'essence et de la portée de l'invention et il est par conséquent désiré de n'appliquer à l'invention que les limitations qui sont imposées par l'état antérieur de la technique ou sont exposées dans le résumé annexé.
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PATENT OF INVENTION 'Improvements in electric heating elements.
The present invention relates to electric heating elements and more particularly to tubular heating elements in which the helically wound resistance wire, with its surrounding insulation, is enclosed in a metal tube or sheath.
There are two types of such tubular heating elements on the market, the "Calrod" element, and the "Baoker" tubular element. In the "Calrod" element, the resistance winding is enveloped by a pulverized insulating material, (usually magnesium oxide which has been melted and pulverized), which is compacted around the resistance winding by stamping. (hammering) the tube so as to reduce its diameter.
In the "Baoker" tube element, on the contrary, the isolation consists of chemically pure crystalline magnesium oxide, which is produced in situ from metallic magnesium by treatment of the metal with steam or iron. water under very high pressure and temperature so that the metal magnesium is transformed into magnesium hydroxide which is then
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transformed into magnesium oxide by heating to dark red. A "Backer" tube element is made as follows: In a metal tube are introduced three metal bands of magnesium folded in the form of segments so as to actually form a magnesium liner inside the metal tube.
(Instead of the three segmented bands, a metal tube of magnesium can of course be used, although this would be much more expensive than the bands).
The coiled resistance wire is then introduced into the tube and held in position at both ends. The assembled element consisting of the outer sheath, the magnesium metal liner and the coiled resistance wire, is then placed vertically in an autoclave approximately filled with water so that the tube is preferably covered by the 'water. The autoclave is then closed and heated until the vapor pressure is at least 15 atmospheres and the temperature matches that of the saturated vapor pressure employed. (A pressure higher than 15 atmospheres can be employed with advantage, since the operation takes place more quickly at a higher pressure and temperature).
The water then combines with the metallic magnesium to form magnesium hydroxide as hydrogen gas is released and escapes through a suitable outlet valve on the lid of the autoclave. During the transformation, the crystalline magnesium hydroxide formed grows and expands in such a way that when the transformation is complete, the hydroxide occupies about a volume twice as large as the initial magnesium metal, so that the coil resistance is completely embedded in the hydroxide. The tube is then dried at a dark red temperature in order to convert the magnesium hydroxide into oxide.
The central opening in the resistance winding (through which the water
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circulated during processing in the autoclave) can then be filled with any highly refractory insulating powder, or a wire of magnesium metal can be inserted into the central opening and transformed in the autoclave into magnesium hydroxide . Then airtight terminals are attached to the ends of the resistance wire at both ends of the tube and after a final drying operation the tube member is ready for use.
The "Backer" tube member as described above has already been patented in most industrialized countries. See Canadian Patent No. 309,366 and the corresponding British Patent No. 336,949. The present patent covers an improvement to the tubular element described above.
As mentioned above, magnesium hydroxide must be heated to dark red to turn into water-free magnesium oxide. During this drying operation, which must be carried out at a temperature of about 600 ° C., the magnesium oxide contracts when it loses its water. The result is that black-conference cracks develop in the oxide. These cracks or openings are very detrimental since they make it impossible to produce tubular elements which can be tested to spark with more than 1500 volts when the tube is cold, or 800 volts when the tube is red.
For many applications, the approval specifications require spark testing of cells with a voltage up to 1200 or 1500 volts when the cell is at its maximum temperature, that is, dark red, and for a operating voltage of 550 volts, the elements must be tested to spark at 2100 or 2200 volts. A new method has been devised to make magnesium oxide compact, which consists in deforming the tube so that the magnesium oxide becomes very
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compact and can be dried at any temperature without developing cracks.
The procedure is as follows: After the tubular member has been treated in the autoclave it is dried in a suitable dryer at a temperature of 330 to 350 ° C. A drying period of 30 to 60 minutes is satisfactory. By this drying, the magnesium hydroxide loses part of its combined water in the hydroxide, without being completely transformed into the oxide. No harmful cracks or openings develop in magnesium hydroxide when it is dried only at 350 C. However, it loses enough water and becomes much softer so that it can be easily compacted. After this first drying operation, the central opening of the element is filled with insulating powder and the terminals are assembled at both ends of the tube.
The tube is then subjected to the first deformation operation, by pressure in a suitable punch, so that the insulation is made compact or reduced in volume; the reduction in volume in this first deformation operation can be 15 to 25%.
The simplest method for deforming the tube is to press it between two flat punches 11 and 12 as shown simply in fig. 1. The tube then assumes a more or less rectangular cross section with sides in semicircles as shown in fig. 1. Although this shape of the tube is achieved inexpensively because it requires only flat punches, and although a flattened tubular member as shown in fig. 1 is much better in all respects than a tube which has not been deformed at all, it is not entirely satisfactory because if the tube is to be flattened sufficiently to compact the oxide in the rounded sides of the tube, the thickness of the oxide layer on the flattened sides
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tis becomes too small.
A much better shape is shown at 13 in FIG. 2; this shape is more or less elliptical rather than rectangular. To deform the tube in the manner shown in fig. 2, a series of punches 14 and 15 are required with grooves of the corresponding shape, as indicated. In this form a uniformly compacted oxide is obtained without reducing the thickness of the insulating layer at any point to a detrimental degree. It has been found that the form shown in FIG. 2 is the most desirable and gives a perfect result.
Another form shown in FIG. 3 in 16 also gives very good results. It is more or less square except that the sides of the square are slightly rounded, the cooperating punches 17 and 18 being shaped correspondingly as indicated. This rounding of the sides is desirable because in a reotilinear flat-sided section the flat portions of the wall have a tendency to bulge when the tube is heated and thus destroy the good contact between the tube and the insulation.
Another shape - approximately semicircular - which may be desirable for special applications is shown in fig. 4 in 19. A tube shaped according to FIG. 4 by means of suitable punches 20 and 21 can advantageously be folded into the shape of a hairpin and pressed onto itself so as to form a return folded member of approximately circular cross section having the terminals close to each other at the same end of the element. The cross section of such an element would be that shown in FIG. 5. There may still be other shapes that the tube can be put into for special applications.
After the first deformation operation, in the-
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which the isolation can be compacted to an extent of 15% to 25% of its volume, the tube is again placed in the dryer and dried for several hours at about 600 C.
This drying operation transforms all of the magnesium hydroxide into oxide, without any cracking in the insulation.
After this final drying, the tube is again deformed in the same punches as those used for the first deformation operation or in similar punches, as will be easily understood. In the second deformation operation, the tubes receive their final shapes shown in figs. 1 to 5 as appropriate, and the oxide isolation is then compacted such that it occupies about 2/3 of the volume of the initial magnesium hydroxide. This great compression of the oxide makes it extremely hard and compaot so that its dielectric strength is increased to more than double that it had before deformation.
It was previously mentioned that the well known tubular member "Calrod" is stamped (hammered} in a rotary stamping machine in order to reduce the diameter of the tube and thereby compact the powder insulation. Stamping still produces a considerable elongation of the tube (10 to 20% elongation) and the circumference of the tube is considerably reduced. The stamping operation is fundamentally different from the new method of deformation which is the subject of this patent. .
In the deformation operation, the circumference of the tube is not intentionally reduced, (although the tube may incidentally see its circumference reduced from 1/2% to 2% as a result of its wall being slightly compressed at both sides. ) and the length of the tube is not increased at all. The elongation of the tube, inherent in the stamping method, is a great drawback which makes fabrication difficult in all cases where the tubes are to be made.
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to exact length. This difficulty has been eliminated by the present method of deformation.
The fundamental differences between this embossing method (as described in U.S. Patent No. 1,367,341 of February 1, 1921 and earlier patents such as British Patent No. 18685/1914) and the present deformation method are that by the first method a reduction in the circumference and a considerable increase in the length of the tube member are inevitable, while by the deformation method there is no increase in the length of the tube and the reduction in the circumference is so small that it is barely measurable.
The deformation of the tubular element can be made in a strong press, by a simple stroke of the press.
If you do not have a large press, the deformation can also be done in a small press in stages, that is to say a little at a time. If this method is employed, there is a very small elongation of the tube depending on the number of press strokes that are required to deform the entire length of the tube.
There are also other extremely important differences between the two methods. If a crystalline magnesium oxide insulated tube (formed by converting metallic magnesium by steam in an autoclave) is stamped, the crystal structure of the oxide is broken by the thousands of hammer blows and the isolation becomes a hard mass consisting of extremely fine particles of oxide. By this oonoassage of the crystal structure of the oxide, its thermal conductivity is very considerably reduced, which has the effect of considerably increasing the temperature difference between the resistance wire and the outer sheath. By the deformation method, the crystal structure of the oxide is not destroyed.
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The crystals are simply packaged more tightly and the good thermal conductivity is maintained.
It has also been found that if a crystalline magnesium oxide tubular member is stamped, the insulation resistance of the oxide is reduced to a small fraction of what it was before stamping, while the deformation of the tube, as described in the present patent, does not decrease the specific insulation resistance of the oxide. When a tubular member has been deformed, its insulation resistance is a little lower than before the deformation, but the decrease is only in proportion to the decreased thickness of the oxide layer.
Various modifications can be made to the devices embodying the present invention, for example a change in the form in which the tube is deformed, without departing from the essence and the scope of the invention and it is therefore It is desired to apply to the invention only those limitations which are imposed by the prior state of the art or are set out in the attached summary.