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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.