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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de
BREVET D'INVENTION la société :BR ITISH INSULATED CALLENDER'S CABINES LIMITED Perfectionnements relatifs au traitement à chaud des revêtements isolante' de filset decâbles électri ques. Priorité d'une demande de brevet déposée en Grande-Bretagne le 18 avril 1942 aux noms de British Insulated uables Limited, G.H. Walton, J.C. Quayle et P. Jones.
La présente invention est relative au traitement à chaud des revêtements isolants de fils et de câbles électriques, par le procédé, dans lequel la chaleur est engendr'ée dans la matière même en la traitant comme milieu diélectrique entre deux électrodes entre lesquelles on maintient une différencedepotentiel alternative appropriée à fréquence élevée . On sait que, dans un tel agencement, les pertes diélectriques dans la matière ont pour effet de faire absorber par la dite matière l'énergie du champ électrique, ce qui produit la libération de chaleur dans toute la partie de la .matière se trouvant dans le champ électrique .
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La présente invention a pour objet d'appliquer ce procédé de manière telle qu'une production rapide et continue de chaleur ait lieu de sorte que l'appareil peut constituer une partie d'une installation pour recouvrir des fils ou des câbles et pour les traiter sans interruption par la chaleur .
Si une telle disposition doit donner des résultats pratiques, il faut que le traitement par la chaleur puisse être effectué aussi rapidement que le revêtement est appliqué, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de ralentir la marche de la machine à recouvrir qui, peut, par exemple, être une presseà gainer. En conséquence, l'appareil doit pouvoir appliquer à la matièrede revêtement la quantité de chaleur requise en une courte période de temps et, sans que le coût n'en devienne excessif , l'opération doit être exécutée dans un appareil d'une longueur acceptable. Pour réaliser de telles conditions, l'allurede la production dechaleur doit êtretrès vive et on est d'avis que les appareils proposés précédèrent pour le chauffage à haute fréquence ne répondent pas à ces exigences.
On a constaté que, pour obtenir un résultat satisfaisant, il est nécessaire de remplir deux conditions qui se contrecarrent dans une certaine mesure , Il y avantage, lors de l'établissement et de la répartition du champ électrique, que le fil qui est situé au centre de la matière isolante, forme une des électrodes coopérant avec une deuxième électrode, qui entoure sensiblement le fil recouvert. On a également constaté que le résultat exigé ne peut pratiqeement être atteint , si la position du fil recouvert est telle que le courant à haute fréquence doit parcourir une distance appréciable dans le dit fil .
Il est évident que, pour, arriver à des résultats pratiques, la sollicitation due à la présence du champ électrique ne doit pas êtretelle qu'elle briseou endommage la matière isolante située dans ce champ , de sorte qu'il existe une limite pour l'intensité maximum du champ électrique, qui peut
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être appliquée . La vitesse de production de la chaleur dépend à la fois de l'intensité du champ et de la fréquence des alternances. La limite pratique fixée pour la première exige que la dernière soit très élevée,si la vitesse, de chauffage doit atteindre la valeur désirée .'La gamme des fréquences souhaitables s'étend de 20 à 200 millions de périodes par seconde .
On a constaté que même à une fréquence de 20 périodes, le courant ne peut pas parcourir le fil recouvert sur une distance appréciable . Etant donné les- conditions qui se présentent amec de tels courants à haute fréquence, l'impédance du fil (par la, composante due à la'résistance aussi bien que celle due, à la réactance) est élevée de sorte qu'une tension élevée doit lui être appliquée pour que le courant soit obligé de parcourir une distanoe appréciable et la chaleur engendrée par ce courant prend naissance-danh le conducteur même, ce qui n'est pas un endroit favorable pour un chauffage rapide du diélectrique. Ce chauffage sera la cause d'une augmentation excessi- ve de température dans le conducteur et dans la matière isolante à proximité immédiatede celui-ci.
Il faut serendre compte de l'importance du fait , qu'à la vitesse de chauffage considérée, une répartition bien uniforme de la production de chaleur dans toute la matière isolante est essentielle, étant donné que le temps disponible est trop court pour permettre une transmission importante de chaleur à travers une matière qui n'a pas une bonne conductibilité calorifique .
La présente invention fournit un appareil du type indiqué dans lequel la vitesserequise de chauffage est satisfaisante . Dans ce dispositif le fil central, tout en servant d'électrode pour le champ électrique, n'est pas-connecté l'appareillage produisant da haute fréquence, mais il est maintenu à un potentiel intermédiaire entre deux électro-
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des ou jeux d'électrodes connectées à la génératrice .
Lcr squ' il est question ci-après de deux jeux d'électrodes il faut comprendre qu'un jeu peut consister en une seule électrode ou en un nombre plus élevé , approprié, quelcon- que . Les électrodes des deux jeux sont connectées à la source d'énergie à haute fréquence de manière telle qu'à tout moment, des-électrodes directement adjacentes ont une polarité opposée Les éléments du premier jeu alternent avec les éléments du deuxième jeu le long de l'axe de l'appareil, de sorte que toute partie donnée du fil passe alternativement par uneélectrode du premier jeu et ensuite par une électrode du deuxième jeu, puis par une autre électrodedu premier jeu et ensuitepar uneautre électrodedu deuxième jeu et ainsi de suite. -
Chaque électrodea,comme indiqué ci-dessus, une forme sensiblement tubulaire .
Elle peut former un tube complet ou elle peut être fendue ou être constituée par des pièces disposées contigûment les unes aux autres. Le but envisagé dans la construction de cet élément est, qu'il doit constituer électriquement une surface continue ou sensiblement continue, entourant le fin recouvert pour former une limite appropriée et servir d'organe pour une répartition uniforme du champ électrique , Les éléments des deux jeux sont placés aussi près l'un de l'autre qu'il est pratiquement possible .En général, les éléments ne sont séparés que d'une distance suffisante pour empêcher une décharge brusque entre eux.
Avec une telle disposition, le champ s'étend sensiblement (à tout moment) radialement vers l'intérieur à partir d'une électrode vers le fil et sensiblement radialement vers l'extérieur à partir du fil vers l'électrode suivante. Il est ainsi possible d'appliquer un champ intense à haute fréquence sur une longueur apprécia- ble de fil recouvert sans grande perte d'efficacité par
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l'utilisation du fil comme limite du système à champ électri que.
Bien que les électrodes soient sensiblement plus longues que les intervalles ménagés entre elles, leur longueur est limitée par la nécessité d'obtenir une répartition bien uniforme de l'intensité du champ électrique , le long de la matière renfermée dans chaque électrode.
Ceci peut être réalisé si chaque électrode n'est pas plus grande qu'un dixième de la longueur d'onde.
L'invention sera décrite à présent en se référant aux dessins annexés. Dans ceux-ci,la figure 1 montre schématiquement la disposition des électrodes. La figure2 montre une forme de construction d'une partie d'un appareil pour le traitement à chaud du revêtement isolant d'un câble électrique . Les deux vues sont des coupes longitudinales.
Les quatre électrodes montrées dans la figure 1 forment deux jeux dont les éléments sont respectivement désigààs par a et b. On peut constater que ces éléments sont disposés coaxialement bout à bout et ne sont que.faiblement écartés l'un de l'autre, les électrodes a alternant avec les électrodes b, Ces électrodes forment ainsi un long organe à travers lequel un fil ininterrompu, tel que c, peut continuellement se déplacer . Pendant ce passage, le revêtement d entourant le fil , qui peut,par exemple, être une composition de caoutchouc,est soumis à l'action d'un champ électrique . Pour l'établissement de ce champ, les électrodes a sont connectées à une des borhes e d'un oscillateur g et les électrodes b sont connectées à l'autre borne f de cet oscillateur .
Au lieu de. se servir du même oscillateur pour toutes les électrodes; il'peut y avoir avantage, dans le but d'obtenir une puissance plus élevée ou dans un autre but d'employer un oscillateur distinct
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pour chaque paire directement adjacente d'électrodes a-b.
A un moment donné, le champ électrique s'étend radia- lement vers l'intérieur à partir de la surface d'une élec- a trode/à travers le revêtement d, et vers lefil c et radialement vers l'extérieur à partir du fil c vers la surface d'une électrode b immédiatement adjacente . L'os- cillation à haute fréquence d'un tel champ provo que la formationefficace et rapide de chaleur dans le recouvrement d et ce procédé de chauffage est maintenu. sans arrêt pendant le déplacement du fil à travers la série d'électrodes.
Une construction pratique appropriée de système à électrode est celle dans laquelle chaque électrode est constituée par un tube métallique complet , un tube court en matière isolante, par exemple en matière céramique ou vitreuse, étant disposé entre deux électrodes adjacentes, qux ces tubes conducteurs et isolants étant connectés bout à bout les uns aux autres pour former une enveloppe tu bulai- re complète servant à enfermer le conducteur recouvert pen- dant la durée du traitement par la chaleur. Une partie d'une telle construction est représentée à la figure 2.
Dans cette figure, une électrode tubulaire métallique h est munie à chaque extrémité d'une pièce tubulaire isolante i qui est reliée par son extrémité de gauche à la pièce terminale j de l'appareil et par son extrémité de droite(non représentée) à une autre électrode tubulaire similaire au tube h. Un nombre requis de tubes h muni de pièces isolantes i peut être prévu, une autre pièce terminale similaire à la pièce termi- nale j étant disposée à l'extrémité de droite de l'appareil. h
Chaque tube/est monté dans un collier de fixation k porté par une tige 1 qui est elle-même supportée par un isolateur m. La tige 1 ne sert pas seulement de support mais également de connexion électrique pour alimenter l'électro- at de h de l'extérieur.
Grâce aux tiges 1 et aux isoveurs m,
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le jeu connecté d'électrodes tubulaires h munies de leurs pièces isolantes i et de leurs pièces terminales j sont supportés par le boitier n qui sert.d'enveloppe protec- trice.
Chaque pièce isolante i consiste en un tube court muni d'une bride à chaque extrémité . Chaque extrémité de la piè- ce tubulaire forme une douille destinée à recevoir l' extré- mité de 1'élément adjacent h ou j selon le cas. Générale- ment la pièce terminale j est également en métal et peut être mise à la terre. -Les brides prévues sur les tubes isolants j sont retenues entre les brides métalliques o fixées aux pièces tubulaires adjacentes h ou j et aux bagues p.
Ces dernières sont divisées en deux parties de sorte qu'elles peuvent être insérées dans les positions montrées, Elles possèdent-également des boulons à l'aide desquels elles peu- vent être tirées vers les brides o dans le but de resserrer les brides d'extrémité des éléments i, des bourrages étant intercalés commele montre la figure 2.
En faisant usage de la forme de construction montrée, il est possible de combiner un appareil de longueur requise avec peu de pièces similaires et de supporter le dit appa- reil àans autre connexion dans le boîtier n que celles, fournies par les connexions électriques 1 et leurs supports isolateurs m.
La construction tubulaire complète fournit un disposi-- tif approprié pour soumettre la matière isolante à une pres- sion extérieure pendant le traitement par*la chaleur. Ceci peut être réalisé en remplissant le tube avec du gaz sous pression, qui peut y être introduit à l'aide d'un tuyau q connecté à une pièce terminale Pour réduire la fuite de fluide sôus pression de l'intérieur de la construction tu- bulaire à un minimum, une fermeture à presse-étoupe telle que
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r peut être agencée dans chaque pièce terminale j. La fermeture à presse-étoupe montrée comprend une pièce tubulaire à section décroissante et une IX bride de base, par laquelle elle est retenue dans une partie élargie s de la pièce terminale j par le dispositif de fixation représenté.
La fermeture à presse-étoupe r possède des dimensions telles qu'elle laisse un léger jeu autour du revêtement du câble de sorte que celui-ci peut y passer sans entrer en contact avec elle ou seulement avec un léger contact par frottement.
En plus de la pression exercée par le gaz sur la matière, la présence de ce dernier,présente encore l'avantage de pouvoir augmenter l'intensité de la sollicitation électrique dans -la région comprise entre le revêtement autour du fil et les électrodes tubulaires. Ceci sera en général souhaitable dans le but d'obtenir une intensité de champ suffi- samment élevée dans la masse de la matière de revêtement, entourant le conducteur.
Souvent, il y aura avantage à donner à la construction tubulaire j , i, h, des dimensions telles qu'il existe un jeu autour du fil recouvert, de sorte que le dit fil ne frotte pas sur les surfaces du tube, lorsqu'il est tiré à travers celui-ci . Ceci est, par exemple, nécessaire dans le cas où le traitement par la chaleur est la vulcanisation d'un caoutchouc ou d'une autre matière similaire au caoutchouc. Si un support intermédiaire est nécessaire dans de longs appareils tubulaires de ce type, il peut être prévu des supports tels que des petits galets en verre ou en matière céramique, placés dans les organes isolants i de manièr e à se trouver hors du champ électrique .
Pour des fréquences de 20 à 30 millions de périodes par seconde, une longueur appropriée pour les pièces isolantes intercalées entre les électrodes est de 1/2" à 3" . La dimension supérieure est valable dans le cas où 'il est néces-
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aaire d'insérer un galet ou un autre support à cet endroit.
Pour des fils recouverts de caoutchouc de faibles grandeurs, 1/2" est suffisant comme diamètre intérieur pour le tube.
Il est évident que cette dimension doit être augmentée pour des câbles de dimensions plus f or tes. Il y avantage à la maintenir aussi petite que pratiquement possible, dans le but d'obtenir la distribution la plus efficace du champ dans la masse de la matière diélectrique à chauffer. Il n'est pas nécessaire que la section transversale du tube soit circulaire, mais il y a avantage à lui donner cette forme lorsque des fils recouverts ou des câbles à un seul conducteur doivent être traités. D'un autre côté dans le cas de câbles d'autres formes, tels que le câbleà double conducteur, on peàt donner au tube une section transversale correspondant à celle de la matière diélectrique à traiter.
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DESCRIPTIVE MEMORY filed in support of a request for
PATENT OF INVENTION the company: BR ITISH INSULATED CALLENDER'S CABINS LIMITED Improvements relating to the heat treatment of insulating coatings, wire and electric cables. Priority of a patent application filed in Great Britain on April 18, 1942 in the names of British Insulated uables Limited, G.H. Walton, J.C. Quayle and P. Jones.
The present invention relates to the heat treatment of insulating coatings of wires and electric cables, by the process, in which heat is generated in the material itself by treating it as a dielectric medium between two electrodes between which a potential difference is maintained. suitable alternative at high frequency. It is known that, in such an arrangement, the dielectric losses in the material have the effect of causing the said material to absorb the energy of the electric field, which produces the release of heat throughout the part of the material located in the material. the electric field.
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The object of the present invention is to apply this method in such a way that rapid and continuous production of heat takes place so that the apparatus can form part of an installation for covering wires or cables and for processing them. without interruption by heat.
If such an arrangement is to give practical results, it is necessary that the heat treatment can be carried out as quickly as the coating is applied, so that it is not necessary to slow down the operation of the coating machine which, can, for example, be a sleeving press. Accordingly, the apparatus must be able to apply the required amount of heat to the coating material in a short period of time and, without the cost becoming excessive, the operation must be performed in an apparatus of an acceptable length. . To achieve such conditions, the rate of heat production must be very brisk and it is believed that previous proposed devices for high frequency heating do not meet these requirements.
It has been found that, in order to obtain a satisfactory result, it is necessary to fulfill two conditions which counteract each other to a certain extent. There is an advantage, when establishing and distributing the electric field, that the wire which is located at the center of the insulating material, forms one of the electrodes cooperating with a second electrode, which substantially surrounds the covered wire. It has also been observed that the required result cannot practically be achieved if the position of the covered wire is such that the high frequency current must travel an appreciable distance in said wire.
Obviously, in order to achieve practical results, the stress due to the presence of the electric field must not be such that it breaks or damages the insulating material in this field, so that there is a limit for the maximum intensity of the electric field, which can
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be applied. The speed of heat production depends on both the strength of the field and the frequency of the vibrations. The practical limit set for the former requires that the latter be very high, if the rate of heating is to reach the desired value. The range of desirable frequencies extends from 20 to 200 million periods per second.
It has been found that even at a frequency of 20 periods, the current cannot travel through the coated wire an appreciable distance. Due to the conditions which occur with such high frequency currents, the wire impedance (by the component due to resistance as well as that due to reactance) is high so that a high voltage must be applied to it so that the current is forced to travel an appreciable distance and the heat generated by this current originates in the conductor itself, which is not a favorable place for rapid heating of the dielectric. This heating will cause an excessive rise in temperature in the conductor and in the insulating material in the immediate vicinity thereof.
It is important to take into account the importance of the fact that at the heating rate considered, a very uniform distribution of the heat production in all the insulating material is essential, given that the time available is too short to allow transmission. significant heat through material that does not have good heat conductivity.
The present invention provides an apparatus of the type indicated in which the required heating rate is satisfactory. In this device, the central wire, while serving as an electrode for the electric field, is not connected to the equipment producing high frequency, but it is maintained at an intermediate potential between two electro-
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or sets of electrodes connected to the generator.
As two sets of electrodes are referred to below, it should be understood that one set may consist of a single electrode or any more suitable number. The electrodes of the two sets are connected to the high frequency power source in such a way that at all times directly adjacent electrodes have opposite polarity The elements of the first set alternate with the elements of the second set along the line. axis of the apparatus, so that any given part of the wire passes alternately through an electrode of the first set and then through an electrode of the second set, then through another electrode of the first set and then through another electrode of the second set and so on. -
Each electrode has, as indicated above, a substantially tubular shape.
It can form a complete tube or it can be split or consist of pieces placed adjacent to each other. The aim envisaged in the construction of this element is, that it should electrically constitute a continuous or substantially continuous surface, surrounding the end covered to form a suitable boundary and serve as a member for a uniform distribution of the electric field, The elements of both games are placed as close to each other as practically possible. In general, the elements are only separated by a sufficient distance to prevent sudden discharge between them.
With such an arrangement, the field extends substantially (at all times) radially inward from one electrode towards the wire and substantially radially outward from the wire to the next electrode. It is thus possible to apply an intense high frequency field over an appreciable length of coated wire without much loss of efficiency by
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the use of wire as the limit of the electric field system.
Although the electrodes are appreciably longer than the intervals formed between them, their length is limited by the need to obtain a very uniform distribution of the intensity of the electric field, along the material enclosed in each electrode.
This can be achieved if each electrode is not larger than a tenth of the wavelength.
The invention will now be described with reference to the accompanying drawings. In these, Figure 1 schematically shows the arrangement of the electrodes. Fig. 2 shows a form of construction of part of an apparatus for the heat treatment of the insulating coating of an electric cable. Both views are longitudinal sections.
The four electrodes shown in figure 1 form two sets, the elements of which are respectively designated by a and b. It can be seen that these elements are arranged coaxially end to end and are only slightly spaced from each other, the electrodes a alternating with the electrodes b, These electrodes thus form a long member through which an unbroken wire, such as c, can continuously move. During this passage, the coating d surrounding the wire, which may, for example, be a rubber composition, is subjected to the action of an electric field. To establish this field, the electrodes a are connected to one of the terminals e of an oscillator g and the electrodes b are connected to the other terminal f of this oscillator.
Instead of. use the same oscillator for all electrodes; there may be advantage, in order to obtain higher power or for another purpose to employ a separate oscillator
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for each directly adjacent pair of electrodes a-b.
At one point, the electric field extends radially inward from the surface of an electrode / through the coating d, and toward the wire c and radially outward from the. wire c to the surface of an immediately adjacent electrode b. The high frequency oscillation of such a field causes the efficient and rapid formation of heat in the cover d and this heating process is maintained. without stopping while moving the wire through the series of electrodes.
A suitable practical construction of an electrode system is that in which each electrode consists of a complete metal tube, a short tube of insulating material, for example ceramic or glass, being disposed between two adjacent electrodes, in which these conductive and insulating tubes being connected end to end to each other to form a complete bulbous envelope serving to enclose the covered conductor for the duration of the heat treatment. Part of such a construction is shown in Figure 2.
In this figure, a metal tubular electrode h is provided at each end with an insulating tubular part i which is connected by its left end to the terminal part j of the device and by its right end (not shown) to a other tubular electrode similar to tube h. A required number of tubes h provided with insulating pieces i can be provided, another end piece similar to the end piece j being arranged at the right end of the apparatus. h
Each tube / is mounted in a fixing collar k carried by a rod 1 which is itself supported by an insulator m. The rod 1 does not only serve as a support but also as an electrical connection to supply the electro- at of h from the outside.
Thanks to the rods 1 and the isoveurs m,
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the connected set of tubular electrodes h provided with their insulating parts i and their end parts j are supported by the box n which serves as a protective casing.
Each insulating part i consists of a short tube fitted with a flange at each end. Each end of the tubular piece forms a socket for receiving the end of the adjacent element h or j as appropriate. Usually the end piece j is also made of metal and can be earthed. -The flanges provided on the insulating tubes j are retained between the metal flanges o fixed to the adjacent tubular parts h or j and to the rings p.
These are divided into two parts so that they can be inserted in the positions shown. They also have bolts with the help of which they can be pulled towards the flanges o in order to tighten the flanges. end of the elements i, jams being inserted as shown in Figure 2.
By making use of the form of construction shown, it is possible to combine an apparatus of the required length with few similar parts and to support said apparatus without any other connection in the housing n than those provided by the electrical connections 1 and their insulating supports m.
The complete tubular construction provides a suitable device for subjecting the insulating material to external pressure during heat treatment. This can be achieved by filling the tube with pressurized gas, which can be introduced into it using a pipe q connected to an end piece To reduce the leakage of pressurized fluid from inside the construction tube. bular to a minimum, a gland closure such that
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r can be arranged in each end piece j. The gland closure shown comprises a tubular piece of decreasing section and an IX base flange, by which it is retained in an enlarged part s of the end piece j by the fastener shown.
The cable gland closure r has dimensions such that it leaves a slight play around the coating of the cable so that the latter can pass through it without coming into contact with it or only with a slight friction contact.
In addition to the pressure exerted by the gas on the material, the presence of the latter also has the advantage of being able to increase the intensity of the electrical stress in the region between the coating around the wire and the tubular electrodes. This will generally be desirable in order to achieve a sufficiently high field strength in the bulk of the coating material surrounding the conductor.
Often, it will be advantageous to give the tubular construction j, i, h, dimensions such that there is a clearance around the covered wire, so that said wire does not rub against the surfaces of the tube, when is pulled through this one. This is, for example, necessary in the case where the heat treatment is the vulcanization of a rubber or other material similar to rubber. If an intermediate support is necessary in long tubular devices of this type, supports such as small rollers of glass or ceramic material, placed in the insulating members i so as to be out of the electric field, can be provided.
For frequencies of 20 to 30 million periods per second, a suitable length for the insulating pieces interposed between the electrodes is 1/2 "to 3". The upper dimension is valid in the case where it is necessary
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ace to insert a roller or other support at this point.
For small size rubber coated wires, 1/2 "is sufficient as the inside diameter for the tube.
It is obvious that this dimension must be increased for cables of stronger dimensions. It is advantageous to keep it as small as practically possible, in order to obtain the most efficient distribution of the field in the mass of the dielectric material to be heated. The cross section of the tube does not need to be circular, but there is an advantage in shaping it when covered wires or single conductor cables need to be processed. On the other hand, in the case of cables of other shapes, such as the double-conductor cable, the tube can be given a cross section corresponding to that of the dielectric material to be treated.