Installation électrique de chauffage à haute température. L'objet de l'invention est une installation électrique de chauffage à haute température au moyen de courants secondaires induits dans un court-circuit par un enroulement pri maire alimenté .de courants alternatifs ;.i haute fréquence.
Diverses formes de fours dans lesquels le chauffage est obtenu par des courants in duits de cette manière ont déjà été proposées. Parmi ces fours il y en a dans lequel un récipient dont l'air a été évacué est pourvu d'un bouclier tubulaire en graphite ou car bone, à l'intérieur duquel est placé un en roulement en graphite traversé par un cou rant alternatif: Un creuset ou autre objet < i chauffer est placé dans ce tube de graphite, hors de contact de l'enroulement, et la cha leur rayonnée de l'enroulement transmise au creuset.
Avec cet arrangement la chaleur engendrée par le passage du courant à tra vers l'enroulement est transmise en toutes directions et n'est pas nécessairement concen trée sur l'objet à chauffer et en outre 1e_ bou clier tubulaire, tout en retenant une partie de la chaleur et élevant par là considérable- ment la température sert, d'autre part, à dis siper la chaleur par rayonnement à un degré tel qu'il est impossible d'obtenir des tempé ratures vraiment très élevées.
Dans une autre forme de four à induc tion, l'enroulement secondaire .comprend un creuset métallique annulaire et son contenu, monté dans une auge annulaire en matière isolante réfractaire, disposée concentrique ment à l'intérieur d'un enroulement primaire à noyau de fer, semblable à un enroulement de transformateur, et alimenté de courants alternatifs, le tout étant renfermé dans une chambre dans laquelle on a fait le vide.
Avec cet arrangement, bien qu'il soit possible d'ob tenir une quantité de chaleur suffisante pour fondre aisément des quantités de fer, d'acier etc., relativement grandes, il est cependant tout à fait impossible d'obtenir des tempéra tures très élevées, à cause des grandes pertes dues à la chaleur absorbée et rayonnée par les masses de métal relativement grandes constituant le noyau de fer et les enroule ments secondaires et primaire et à la distance relativement grande entre ces derniers.
Dans un autre four à induction connu, la, substance à chauffer, constituant le secon daire du dispositif à induction, est placé dans un récipient dans lequel a été fait le vide et sur le pourtour duquel a été enroulé l'en roulement primaire alimenté de courants de haute fréquence.
Avec cette construction, malgré les hautes températures obtenues par l'emploi de courants de haute fréquence, le récipient-enveloppe limite l'accouplement in ductif et; les températures atteintes et dans certains cas il devient lui-même si chaud qu'il exige un refroidissement artificiel extérieur créant une limitation supplémentaire de la température obtenable. De plus, avec tous les fours à induction connus, il est impossible d'obtenir une transformation efficace de l'é nergie électrique en chaleur, parce qu'on ne pourrait y obtenir qu'un accouplement induc tif relativement lâche entre le primaire et le secondaire,
d'abord à cause du grand espace existant entre ces derniers et ensuite Ù, cause de la, proximité de masses en matière absor bant et dissipant de la chaleur. Par suite, les températures susceptibles d'être obtenues avec des courants de haute fréquence ont été limitées strictement jusqu'ici par le rappro chement de couplage inductif réalisable, alors qu'en sus la température, à laquelle le pri maire est amené par rayonnement de chaleur du secondaire, a, à son tour, limité à la fois le rapprochement du couplage qui peut être employé et la fréquence ainsi que le voltage de l'énergie électrique .qu'on peut faire tra verser au primaire ensuite de la décharge thermionique,
des courants court-circuités s'établissant entre les divers tours du pri maire lorsque ce dernier à atteint une cer taine température. Il n'a en effet pas été possible de produire avec les fours à. induc tion connus des températures pratiquement supérieures à 1500 C.
Suivant l'invention, le secondaire et le primaire alimenté de courants de haute fré quence sont disposés de façon à constituer un corps de -chauffage et à ce que l'accouple ment entre eux soit très serré afin d'obtenir un chauffage intense du secondaire. Le pri- maire peut consister en un simple fil héli coïdal à spires rapprochées et la substance à, chauffer peut être contenue dans ou être por tée par un corps conducteur de l'électricité formant le secondaire placé à l'intérieur du- dit fil hélicoïdal.
L'ensemble du primaire et du secondaire peut être disposé dans nu ré cipient à vide, ce récipient pouvant être assez grand pour que ses parois soient situées à une distance telle du primaire qu'elles se trouvent an delà du champ effectif du rayon nement de chaleur dudit primaire. De nette manière le récipient-enveloppe reste froid et cela pratiquement en tous temps, de sorte qu'il n'est jamais nécessaire de le refroidir artificiellement, vu qu'il est relativement simple d'y maintenir le vide, puisqu'aucun gaz ne peut diffuser à travers une substance telle que du verre à l'état froid. Lorsque le récipient est en verre, il est possible de suivre le fonctionnement de l'installation -de chauf fage.
Avec l'installation suivant l'invention, les courants secondaires sont d'une amplitude telle que tle la poudre d'uranium, de vana dium, de titane, de tungstène, de zirzonium et d'autres métaux rares et de leurs alliages peut être frittée et fondue en masses homo gènes cohérentes, généralement non poreuses, avec une faible dépense d'énergie.
Les métaux peuvent aussi être produits directement au moyen de leurs composés par réactions chimiques.
L'installation de chauffage peut aussi être employée pour expulser les gaz des mé taux et effectuer des réactions à température élevée. Il semble qu'antérieurement aucun traitement calorifique n'a, permis d'arriver à un dépôt métallique homogène, cohérent, de ces métaux rares et de leurs alliages.
Au dessin annexé, donné à titre d'exemple: Fig. 1 est un diagramme partiellement en coupe d'une forme d'exécution de l'installa tion de chauffage avec creuset permettant de l'alimenter par un courant électrique de haute fréquence convenable; Fig. 2 montre à, échelle agrandie le corps de chauffage représenté à la fig. 7.; Fig. 3 est une vue semblable d'une va riante;
Fig. 4 est une coupe transversale suivant les lignes IV-IV de la fig. 1, et Fi;. 5 est un diagramme, partiellement en coupe, d'une variante de détail.
Dans ces figures, 1 est le récipient-enve- loppe qui peut avoir la forme d'une poire et est établi de préférence en verre ou autre substance transparente. Ce récipient est pourvu d'un tube 2 qui peut être relié à 1111 dispositif pour produire un vide élevé, tel que, par exemple, une pompe de diffusion. L'ex trémité inférieure du récipient 1 est munie d'une ouverture 3 disposée pour recevoir un obturateur 4 y adapté d'une manière jointive et y retenu par de la cire, lors du fonctionne ment de l'installation.
Des fils métalliques 5 et 6 sont scellés dans l'obturateur 4 et ont leurs extrémités reliées à l'enroulement primaire 7 logé axiale- ment à l'intérieur du récipient J., ledit en roulement comprenant un fil métallique héli coïdal à spires rapprochées. Un support 8 en métal ou autre matière, indépendant des fils métalliques 5 et 6 et de l'enroulement 7, est aussi scellé .dans l'obturateur 4 et un creuset 9 est renfermé entièrement à l'intérieur de l'enroulement primaire 7 et s'en trouve à un très faible écartement. La substance<B>10</B> à chauffer est placée dans le creuset.
Le réci pient 1 est de forme et dimensions telles que ses parois se trouvent à une distance de l'en roulement 7 telle que les rayonnements de chaleur de ce dernier n'atteignent pas lesdites parois en quantités appréciables, lorsque le vide est maintenu dans 1. Il est à remarquer que les seules matières à l'intérieur du réci pient sont l'enroulement 7, le creuset 9 et son contenu et les supports.
Un moyen quelconque peut être employé pour fournir les courants de haute fréquence nécessaires. Le dispositif suivant est avan tageux. Un interrupteur 11 est formé par un récipient scellé 12, dans lequel on a fait le vide et clans le fond duquel est scellée une électrode en métal 13 reliée au fil 5 par le conducteur 14. Un second récipient 15 est placé au fond de l'interrupteur, l'espace 16 entre les deux récipients étant rempli de mer cure. Une électrode 17 est adaptée au fond du récipient 15 et un conducteur 1.8 la relie au conducteur 6. Un tube de verre 19 ou un autre isolant entoure la partie du fil mé tallique 18 qui n'est pas immergée dans le mercure 20 du récipient 15.
Cette construction assure une large sur face entre les deux corps de mercure 16 et 20 pour la décharge de l'étincelle et est effi cace pour la production .de courants de haute fréquence.
L'enroulement inducteur 7 en série avec une capacité 22 est relié en parallèle avec le circuit 5, 6, ledit circuit étant fermé par l'enroulement secondaire 23 d'un traDsfor- mateur 24 relié à une source convenable de courant alternatif de, par exemple, 110 volts et (10 périodes. Une source de courant con tinu peut être prévue dans le circuit avec des moyens 26, par exemple un interrupteur, pour permettre d'insérer ladite source de cou rant .dans le circuit ou de la mettre hors- circuit.
Au lieu du creuset pour tenir la subs tance 10 .à chauffer, comme on le voit aux fig. 1, 2 et 5, on peut utiliser un disque 27 comme montré à la fig. 3, ledit disque étant adapté au support 8. La substance 10 sous forme de disque ou de boule est placée sur ledit disque 27 et un autre disque 28 peut être placé par dessus si on le désire, mais cela n'est pas essentiel.
L'installation représentée à la fig: 5 est semblable à celle de la fig. 1 avec cette dif férence toutefois que les conducteurs d'ali mentation 5 et 6 de l'enroulement 7 sont fixés d'une façon permanente dans une extré inité du récipient, tandis que le creuset 9 est fixé à l'obturateur 4, adapté d'une manière amovible dans l'autre extrémité du récipient.
Voici comment on peut employer l'instal lation, par exemple pour fritter du tungs tène métallique.
De la poudre de tungstène, qui peut être obtenue de diverses manières, est comprimée dans un moule convenable à la forme désiré et l'aggloméré ainsi obtenu est placé soit dans le creuset 9, soit sur le disque 27 porté par l'obturateur 4 et placé dans le réci pient 1. L'obturateur est scellé solidement en place et on fait le vide dans le récipient 1 par le tube 2. On ferme l'interrupteur 26 pour obliger le courant continu à circuler à travers l'enroulement 9 pour clialiffer le creuset 9 ou le disque 27 par rayonnement.
Ceci provoque l'expulsion de tous gaz ren fermés dans la substance, de sorte qu'ils pourront être aspirés par le tube 2. L'inter rupteur 26 est ensuite ouvert pour couper le courant continu et le circuit du courant alter natif à haute fréquence est fermé sur le transformateur 23, 24. Du courant à haute fréquence circule à travers l'interrupteur 11 et l'enroulement primaire 7. De cette ma nière des courants de voltage et de fréquence relativement élevés sont fournis à l'enroule ment primaire 7. Des courants de 7000 volts et de 1.00,000 périodes ont été employés avec succès.
Les pulsations rapides de courant dans l'enroulement primaire 7 produisent par in duction lin chauffage intime du creuset 9 oit des disques 27 et 28 et de la substance 10, c ctte dernière et le creuset 9 ou les disques 27 ci; 28 formant le secondaire du circuit. Au bout de peu de temps, généralement après quelques minutes, le métal pulvérulent très réfractaire est fritté et forme un bouton mé tallique homogène, cohérent, de tungstène métallique qui peut être enlevé et être tra vaillé de toute manière.
Le chauffage est très rapide et intense, toute l'énergie du courant -de haute fréquence étant pratiquement concentrée sur la subs tance à, chauffer.
Bien que les courants de haute fréquence soient employés clans l'enroulement 7, dont les spires individuelles sons, très rapprochées l'une de l'autre, on ne constate aucune dé- charge électrique entre les spires adjacentes. L'énergie électrique circulant dans l'enroule ment est transformée d'une manière tellement complète en énergie calorifique dans le secon daire que l'enroulement primaire atteint rare ment, si jamais, une température supérieure a.11 rouge.
En prévoyant un récipient relativement grand, généralement en verre, tout chauffage indésirable dit récipient est évité de sorte qu'il reste toujours froid.
Puisque le réci pient reste froid, oit peut y maintenir le vide d'une manière relativement simple, puis qu'aucun gaz ne petit diffuser à travers du verre froid. Dans une installation de ce genre, la sul i,ance traitée sera ù une, tem pérature beaucoup plus élevée que l'enroule ment;
ît, travers lequel circule le courant pri maire, contraircnient à ce qui eut lieu dans des fours antérieur, dans lesquels la tein- péra.ture (le l'enroulement chauffeur ou dit récipient dans lequel fut exécuté le chaul.'- fage limitaient 1a1 température de la subs- tance chauffée.
L'installation convient à (les fins très variées. Elle petit, être. utilisée pour fritter oit fondre des métaux pour le traitement ca lorifique (les mét-iux en vue d'en éliminer les gaz, pour séparer clcs gaz des métaux en vue d'analyses chimiques, pour la production d'alliages pour lesquels des précautions doi vent être prises pour en éviter la souillure par des .impuretés, et pour effectuer des réac tions à haute température.
Le récipient renfermant le corps de chauf fage n'a pas besoin d'être nécessairement en verre, muais petit être établi en toute matière réfractaire convenable, de caractère métalli que oix non-niétallique, et l'enroulement 7 et le creuset 10 oie le disque 2 7 peuvent être supportés autrement que de la manière mon trée.
On a, décrit le chauffage préalable (le hi, substance par courant continu, mais il est évident que ce chauffage pourrait aussi être obtenu par du courant alternatif de basse fréquence circulant à travers l'enroulement 7 ou du courant alternatif circulant à travers un enroulement entourant le récipient 1 ou tout autre dispositif de chauffage préalable.
High temperature electrical heating system. The object of the invention is an electrical installation for heating at high temperature by means of secondary currents induced in a short-circuit by a primary winding supplied with alternating currents; .i high frequency.
Various forms of furnaces in which the heating is obtained by currents induced in this way have already been proposed. Among these furnaces there is some in which a container from which the air has been evacuated is provided with a tubular graphite or carbon shield, inside which is placed a graphite bearing crossed by an alternating current: A crucible or other object to be heated is placed in this graphite tube, out of contact with the coil, and the heat radiated from the coil is transmitted to the crucible.
With this arrangement the heat generated by the passage of current through the winding is transmitted in all directions and is not necessarily concentrated on the object to be heated and furthermore on the tubular shield, while retaining part of the heat. heat and thereby considerably raising the temperature, on the other hand, serves to dissipate heat by radiation to such a degree that it is impossible to obtain really very high temperatures.
In another form of induction furnace, the secondary winding comprises an annular metal crucible and its contents, mounted in an annular trough of refractory insulating material, disposed concentrically within a primary winding with an iron core. , similar to a transformer winding, and supplied with alternating currents, the whole being enclosed in a chamber in which a vacuum has been made.
With this arrangement, although it is possible to obtain a sufficient quantity of heat to easily melt relatively large quantities of iron, steel etc., it is however quite impossible to obtain very high temperatures. high, because of the large losses due to the heat absorbed and radiated by the relatively large masses of metal constituting the iron core and the secondary and primary windings and the relatively large distance between the latter.
In another known induction furnace, the substance to be heated, constituting the secondary of the induction device, is placed in a receptacle in which a vacuum has been made and on the periphery of which the primary bearing supplied with power has been wound. high frequency currents.
With this construction, despite the high temperatures obtained by the use of high frequency currents, the receptacle-jacket limits the inductive coupling and; temperatures reached and in some cases it itself becomes so hot that it requires external artificial cooling creating an additional limitation of the temperature obtainable. In addition, with all known induction furnaces, it is impossible to obtain an efficient transformation of electric energy into heat, because only a relatively loose inductive coupling could be obtained there between the primary and the secondary,
first because of the large space existing between them and then Ù, because of the proximity of masses of material absorbing and dissipating heat. As a result, the temperatures likely to be obtained with high frequency currents have been strictly limited so far by the inductive coupling approximation achievable, while in addition to the temperature, to which the primary is brought by radiation of heat of the secondary, has, in turn, limited both the approximation of the coupling which can be employed and the frequency as well as the voltage of the electric energy. which one can make through the primary then of the thermionic discharge,
short-circuited currents being established between the various turns of the primary when the latter reaches a certain temperature. It was indeed not possible to produce with the ovens. known induc tion of temperatures practically above 1500 C.
According to the invention, the secondary and the primary supplied with high frequency currents are arranged so as to constitute a heating body and so that the coupling between them is very tight in order to obtain intense heating of the secondary . The primary may consist of a single helical wire with closely spaced coils and the substance to be heated may be contained in or be carried by an electrically conductive body forming the secondary placed inside said helical wire. .
The whole of the primary and the secondary can be placed in a vacuum receptacle, this receptacle being able to be large enough so that its walls are located at such a distance from the primary that they are beyond the effective field of the radiating beam. heat of said primary. Clearly, the envelope-receptacle remains cold and this practically at all times, so that it is never necessary to cool it artificially, since it is relatively simple to maintain the vacuum there, since no gas is can diffuse through a substance such as glass when cold. When the receptacle is made of glass, it is possible to follow the operation of the heating installation.
With the installation according to the invention, the secondary currents are of such an amplitude that the powder of uranium, vana dium, titanium, tungsten, zirzonium and other rare metals and their alloys can be sintered and melted into coherent homogeneous masses, generally non-porous, with low energy expenditure.
Metals can also be produced directly from their compounds by chemical reactions.
The heating installation can also be used to expel gases from the metals and to carry out reactions at elevated temperature. It seems that previously no heat treatment has made it possible to arrive at a homogeneous, coherent metallic deposit of these rare metals and their alloys.
In the accompanying drawing, given by way of example: FIG. 1 is a diagram partially in section of an embodiment of the heating installation with crucible allowing it to be supplied with an electric current of suitable high frequency; Fig. 2 shows, on an enlarged scale, the heating body shown in FIG. 7 .; Fig. 3 is a similar view of a variant;
Fig. 4 is a cross section along the lines IV-IV of FIG. 1, and Fi ;. 5 is a diagram, partially in section, of an alternative detail.
In these figures, 1 is the envelope-container which may have the shape of a pear and is preferably made of glass or other transparent substance. This container is provided with a tube 2 which can be connected to a device 1111 for producing a high vacuum, such as, for example, a diffusion pump. The lower end of the container 1 is provided with an opening 3 arranged to receive an obturator 4 adapted therein in a contiguous manner and retained therein by wax, during the operation of the installation.
Metal wires 5 and 6 are sealed in the shutter 4 and have their ends connected to the primary winding 7 housed axially inside the container J., the said rolling one comprising a helical metal wire with closely spaced turns. A support 8 of metal or other material, independent of the metal wires 5 and 6 and of the winding 7, is also sealed in the shutter 4 and a crucible 9 is completely enclosed within the primary winding 7 and is at a very small distance. The substance <B> 10 </B> to be heated is placed in the crucible.
The container 1 is of such shape and dimensions that its walls are located at a distance from the rolling 7 such that the heat radiation from the latter does not reach said walls in appreciable quantities, when the vacuum is maintained in 1. It should be noted that the only materials inside the container are the winding 7, the crucible 9 and its contents and the supports.
Any means can be employed to provide the necessary high frequency currents. The following device is advantageous. A switch 11 is formed by a sealed container 12, in which a vacuum has been made and in the bottom of which is sealed a metal electrode 13 connected to the wire 5 by the conductor 14. A second container 15 is placed at the bottom of the. switch, the space 16 between the two containers being filled with sea cure. An electrode 17 is fitted to the bottom of the container 15 and a conductor 1.8 connects it to the conductor 6. A glass tube 19 or other insulator surrounds the part of the metal wire 18 which is not immersed in the mercury 20 of the container 15 .
This construction provides a large surface area between the two mercury bodies 16 and 20 for the discharge of the spark and is efficient for the production of high frequency currents.
The inductor winding 7 in series with a capacitor 22 is connected in parallel with the circuit 5, 6, said circuit being closed by the secondary winding 23 of a transformer 24 connected to a suitable source of alternating current of, by example, 110 volts and (10 periods. A continuous current source can be provided in the circuit with means 26, for example a switch, to allow the said current source to be inserted into the circuit or to be switched off. - circuit.
Instead of the crucible to hold the substance 10. To be heated, as seen in FIGS. 1, 2 and 5, a disc 27 can be used as shown in FIG. 3, said disk being fitted to the support 8. The substance 10 in the form of a disk or ball is placed on said disk 27 and another disk 28 can be placed on top if desired, but this is not essential.
The installation shown in fig: 5 is similar to that of fig. 1 with this dif ference, however, that the supply conductors 5 and 6 of the winding 7 are permanently fixed in one end of the container, while the crucible 9 is fixed to the shutter 4, adapted from 'removably in the other end of the container.
Here is how the installation can be used, for example to sinter metallic tungsten.
Tungsten powder, which can be obtained in various ways, is compressed in a suitable mold of the desired shape and the agglomerate thus obtained is placed either in the crucible 9 or on the disc 27 carried by the shutter 4 and placed in container 1. The shutter is sealed securely in place and the container 1 is evacuated through tube 2. Switch 26 is closed to force direct current to flow through winding 9 to terminate the crucible 9 or the disc 27 by radiation.
This causes the expulsion of all gases closed in the substance, so that they can be sucked through tube 2. The switch 26 is then opened to cut the direct current and the circuit of the native alternating current at high frequency. is closed on the transformer 23, 24. High frequency current flows through the switch 11 and the primary winding 7. In this way relatively high voltage and frequency currents are supplied to the primary winding 7 Currents of 7000 volts and 1000 cycles have been used with success.
The rapid pulsations of current in the primary winding 7 produce by induction an intimate heating of the crucible 9 such as the disks 27 and 28 and of the substance 10, last side and the crucible 9 or the disks 27 here; 28 forming the secondary of the circuit. After a short time, usually after a few minutes, the highly refractory powdery metal is sintered and forms a homogeneous, cohesive, metallic button of metallic tungsten which can be removed and worked anyway.
The heating is very rapid and intense, all the energy of the high frequency current being practically concentrated on the substance to be heated.
Although high frequency currents are employed in winding 7, the individual turns of which are very close to each other, no electrical discharge is observed between the adjacent turns. The electrical energy flowing in the winding is transformed so completely into heat energy in the secondary that the primary winding rarely, if ever, reaches a temperature above red.
By providing a relatively large container, usually glass, any undesirable heating of said container is avoided so that it always remains cold.
Since the vessel remains cold, it is possible to maintain a vacuum therein in a relatively simple manner, and then no gas may diffuse through cold glass. In an installation of this kind, the treated material will be at a much higher temperature than the winding;
It, through which circulates the primary current, contrasts with what took place in previous furnaces, in which the tinting (the heating winding or said container in which the liming was carried out limited 1a1 temperature of the heated substance.
The plant is suitable for (a wide variety of purposes. It small, be. Used for sintering or melting metals for the ca lorific treatment (metals for the purpose of removing gases, for separating gases from metals for for chemical analyzes, for the production of alloys for which precautions must be taken to avoid soiling by impurities, and for carrying out reactions at high temperature.
The receptacle enclosing the heating body need not necessarily be of glass, but it may be made of any suitable refractory material, of a non-metallic or non-metallic nature, and the winding 7 and the crucible 10 oie the disc 2 7 can be supported other than as shown.
We have described the prior heating (the hi, substance by direct current, but it is obvious that this heating could also be obtained by alternating current of low frequency flowing through the winding 7 or of the alternating current flowing through a winding surrounding the container 1 or any other preheating device.