FR2612723A1 - Electrical heating cartridge with double insulation and its method of manufacture - Google Patents

Electrical heating cartridge with double insulation and its method of manufacture Download PDF

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Abstract

The invention relates to an electrical heating cartridge 10 with double insulation, comprising a heating element 18 received in a metal protective tube 26 intended to be earthed, with interposition of a shroud 20 of electrically insulating material between the heating element and the protective tube, characterised in that the sub-assembly formed by the protective tube 26, the heating element 18 and the interposed electrical material 20 is received in an envelope tube 34, likewise with interposition of a second shroud 28 of electrically insulating material between the protective tube and the envelope tube.

Description

CARTOUCHE ELECTRIQUE CHAUFFANTE A DOUBLE ISOLEMENT
ET SON PROCEDE DE FABRICATION
Dans les appareils domestiques ou industriels comprenant une cartouche électrique chauffante, il est bien entendu nécessaire de prévoir une isolation électrique, d'une part pour la protection et la sécurité des personnels impliqués dans l'utilisation et/ou la manipulation de l'appareil et, d'autre part, pour éviter les pannes électriques et leurs conséquences parfois désastreuses au cas cù l'un des composants électriquement actifs vient au contact d'un autre composant métallique de l'appareil ou encore que l'isolation électrique ne remplit plus son office.DOUBLE INSULATION ELECTRIC HEATER CARTRIDGE
AND MANUFACTURING METHOD THEREOF
In domestic or industrial appliances comprising an electric heating cartridge, it is of course necessary to provide electrical insulation, on the one hand for the protection and safety of the personnel involved in the use and / or handling of the appliance and , on the other hand, to avoid electrical breakdowns and their sometimes disastrous consequences in case one of the electrically active components comes into contact with another metallic component of the device or even that the electrical insulation no longer fulfills its office.

On connait des éléments chauffants de forte puissance dans lesquels l'élément chauffant est un fil résistant bobiné sur un noyau central en matériau isolant diélectrique et ensemble ainsi bobiné est monté dans un tube protecteur métallique, destiné à être mis à la terre, avec interposition d'un matériau électriquement isolant entre l'ensemble bobiné et le tube protecteur. There are known high power heating elements in which the heating element is a resistant wire wound on a central core of dielectric insulating material and assembly thus wound is mounted in a protective metal tube, intended to be earthed, with interposition of '' an electrically insulating material between the wound assembly and the protective tube.

Lorsqu'on exige un double niveau d'isolement, et les règlements de sécurité l'imposent de plus en plus souvent, on utilise habituellement un ensemble de montage comprenant une ou plusieurs pièces en matériau diélectrique entre le tube protecteur et le reste de la structure sur laquelle est montée la cartouche. When a double level of insulation is required, and safety regulations impose it more and more often, one usually uses a mounting assembly comprising one or more pieces of dielectric material between the protective tube and the rest of the structure on which the cartridge is mounted.

Cependant, cet ensemble de montage est réalisé fréquemment en matériau fragile, comme par exemple de la stéatite, de sorte que la tenue dans le temps du double isolement est assez aléatoire. Pire encore, certains utilisateurs omettent parfois tout simplement de prévoir un ensemble de montage isolant.  However, this mounting assembly is frequently made of fragile material, such as soapstone, so that the resistance over time of the double insulation is fairly random. Even worse, some users sometimes simply fail to provide an insulating mounting kit.

Lorsque la cartouche chauffante est utilisée dans un appareil réchauffeur d'eau il est particuliere- ment malaisé d'assurer à la fois une étanchéité et une isolation électrique entre la cartouche chauffante et le corps de l'appareil. When the heating cartridge is used in a water heater, it is particularly difficult to provide both a seal and electrical insulation between the heating cartridge and the body of the appliance.

La presente invention vise à remédier à ces inconvenients et, à cet effet, elle propose une cartouche électrique chauffante à double isolement, comprenant un élément chauffant reçu dans un tube protecteur métallique destiné à être mis à la terre, avec interposition d'un enrobage en matériau électriquement isolant entre l'élément chauffant et le tube protecteur, caractérisé en ce que le sous-ensemble, formé par le tube protecteur, l'élément chauffant et le matériau isolant interposé, est reçu dans un tube enveloppe, également avec interposition d'un second enrobage en matériau électriquement isolant entre le tube protecteur et le tube enveloppe. The present invention aims to remedy these drawbacks and, to this end, it proposes a double insulated heating electric cartridge, comprising a heating element received in a protective metal tube intended to be earthed, with the interposition of a coating in electrically insulating material between the heating element and the protective tube, characterized in that the subassembly, formed by the protective tube, the heating element and the interposed insulating material, is received in an envelope tube, also with interposition of a second coating of electrically insulating material between the protective tube and the envelope tube.

De préférence, le matériau électriquement isolant est de la poudre de magnésie compactée. Preferably, the electrically insulating material is compacted magnesia powder.

Avantageusement, ce compactage est assuré par écrasement ou rétreint du tube enveloppe.Advantageously, this compaction is ensured by crushing or shrinking the envelope tube.

Divers détails et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui va suivre en se référant aux dessins annexés, dans lesquels
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une cartouche électrique chauffante conforme à l'invention ; et
- les figures 2a à 2e sont des vues schématiques illustrant le procédé de fabrication de cette cartouche chauffante.Various details and advantages of the invention will appear clearly on reading the description which will follow with reference to the accompanying drawings, in which
- Figure 1 is a longitudinal sectional view of an electric heating cartridge according to the invention; and
- Figures 2a to 2e are schematic views illustrating the manufacturing process of this heating cartridge.

La cartouche chauffante 10 illustrée à la figure 1 comporte successivement, depuis l'intérieur vers l'extérieur
une âme 12 centrale, rigide, de forme sensiblement cylindrique, en matériau électriquement isolant, comme par exemple de la magnésie ou de l'alumine, et traversée dans toute sa longueur par deux fils d'alimentation électrique 14, 16 qui dépassent de l'ame à une extrémité pour assurer le raccordement à une source de courant (non représentée) ;
. un fil résistant 18 bobiné autour de l'âme et relié à ses deux extrémités aux fils d'alimentation 14, 16 ;;
un enrobage 20 diélectrique, par exemple en poudre de magnésie, entourant le fil bobiné, ainsi que diverses bagues 22 ou cales 24 formant entretoises autour du fil bobiné et à une extrémité de celui-ci, en matériau diélectrique rigide ;
. un tube protecteur 26 métallique entourant l'enrobage 2C, ce dernier étant emprisonné et compacté entre le fil bobiné et le tube protecteur comme on le verra par la suite.Le tube protecteur est destiné å être mis à la terre pour des raisons de sécurité en cas de détéricration de la résistance, claquage de l'isolant, apparition de courants de fuite à travers celui-ci, etc.. ;
un second enrobage 28 diélectrique, par exemple également en poudre de magnésie, entourant le tube protecteur, ainsi que diverses bagues 30 ou cales 32 formant entretoises autour du tube protecteur et à une extrémité de celui-ci, en matériau diélectrique rigide ; et enfin
un tube enveloppe 34 métallique entourant l'enrobage 28, ce dernier étant emprisonné et compacté entre les deux tubes comme on le verra par la suite.The heating cartridge 10 illustrated in FIG. 1 successively comprises, from the inside to the outside
a central core, rigid, of substantially cylindrical shape, made of electrically insulating material, such as for example magnesia or alumina, and traversed throughout its length by two electrical supply wires 14, 16 which protrude from the core at one end for connection to a current source (not shown);
. a resistant wire 18 wound around the core and connected at its two ends to the supply wires 14, 16 ;;
a dielectric coating 20, for example in magnesia powder, surrounding the wound wire, as well as various rings 22 or shims 24 forming spacers around the wound wire and at one end thereof, made of rigid dielectric material;
. a protective metal tube 26 surrounding the coating 2C, the latter being trapped and compacted between the wound wire and the protective tube as will be seen below. The protective tube is intended to be earthed for safety reasons in case of resistance deterioration, breakdown of the insulation, appearance of leakage currents through it, etc .;
a second dielectric coating 28, for example also in magnesia powder, surrounding the protective tube, as well as various rings 30 or shims 32 forming spacers around the protective tube and at one end thereof, made of rigid dielectric material; and finally
a metal envelope tube 34 surrounding the coating 28, the latter being trapped and compacted between the two tubes as will be seen later.

Les deux tubes 26, 34 comportent des fonds 27, 35, du même côté à l'extrémité opposée aux fils de raccordement vers une source de courant, ces fonds étant légèrement bombés vers l'intérieur comme on le verra par la suite. The two tubes 26, 34 have bottoms 27, 35, on the same side at the end opposite to the connection wires to a current source, these bottoms being slightly curved inwards as will be seen later.

Enfin, du côté des extrémités ouvertes des tubes et des fils de raccordement, la cartouche 10 comporte une couche de bouchage 36 réalisée en matériau diélectrique choisi en fonction de la plage de température de fonctionnement, comme par exemple :
du néoprène pour fonctionnement basse
température
une colle spéciale pour moyennes
températures
un ciment pour fonctionnement haute
température.Finally, on the side of the open ends of the tubes and of the connection wires, the cartridge 10 comprises a plugging layer 36 made of dielectric material chosen as a function of the operating temperature range, such as for example:
neoprene for low running
temperature
a special medium glue
temperatures
a cement for high functioning
temperature.

L'avantage d'une telle cartouche est de ccmporter un double isolement dans la cartouche elle-même, ce qui évite d'avoir à réaliser un second isolement autour de la cartouche, avec les inconvénients cités en introduction. The advantage of such a cartridge is to carry double isolation in the cartridge itself, which avoids having to make a second isolation around the cartridge, with the drawbacks mentioned in the introduction.

Le procédé de fabrication de cette cart-ouche est décrit en se référant aux figures 2a à 2e successivement
2a. bobinage du fil résistant 18 autour de l'amie 12 ;
2b. insertion de l'ensemble bobiné dans le tube protecteur 26 avec interposition des bagues 22 et cale 24 entretoise et remplissage à l'aide de poudre de magnésie formant enrobage 20 ;
2c. compactage de l'enrobage 20 par écrasement (flèches e) du tube protecteur 26 (ou rétreint dudit tube), le taux d'écrasement étant de préférence de l'ordre de 20% afin de conférer à la poudre de magnésie une conductibilité thermique optimale et une certaine rigidité.The method of manufacturing this cart-ouche is described with reference to Figures 2a to 2e successively
2a. winding of the resistant wire 18 around the friend 12;
2b. insertion of the wound assembly into the protective tube 26 with interposition of the rings 22 and spacer 24 spacer and filling using magnesia powder forming coating 20;
2c. compacting the coating 20 by crushing (arrows e) of the protective tube 26 (or shrinking of said tube), the crushing rate is preferably of the order of 20% in order to give the magnesia powder an optimal thermal conductivity and a certain rigidity.

Bien entendu, les bagues 22 et cales 24 entretoise subissent également le compactage et seront donc réalisées en un matériau friable.Of course, the rings 22 and spacers 24 spacer also undergo compaction and will therefore be made of a brittle material.

Pour éviter l'échappement intempestif de l'enrobage par l'extrémité ouverte du tube protecteur, on applique avant écrasement une couche de doublage en néoprène, laquelle pourra subsister sur la cartouche pour les applications basse température, ou être supprimée et remplacée par une couche appropriée pour les applications moyenne et haute température.To avoid inadvertent escape of the coating through the open end of the protective tube, a layer of neoprene lining is applied before crushing, which may remain on the cartridge for low temperature applications, or be removed and replaced by a layer suitable for medium and high temperature applications.

Lors de l'écrasement, on notera que le fond 27 bombé du tube protecteur 26 se déforme vers l'intérieur en améliorant le compactage de l'enrobage 20.During the crushing, it will be noted that the domed bottom 27 of the protective tube 26 deforms inwards by improving the compaction of the coating 20.

De plus, l'écrasement est conduit en priorité du côté de l'extrémité ouverte du tube, de telle sorte que le compactage de l'entretoise 22 et de la magnésie dans cette région forme un bouchon qui s'oppose à l'échappement de l'enrobage.In addition, the crushing is carried out in priority on the side of the open end of the tube, so that the compaction of the spacer 22 and of the magnesia in this region forms a plug which opposes the escape of the coating.

2d. le tube protecteur 26 est introduit dans le tube enveloppe 34 avec interposition des bagues 30 et cales 32 entretoise et remplissage à l'aide de poudre de magnésie formant enrobage 28
2e. compactage de l'enrobage 28 par écrasement (flèches E) du tube enveloppe 34 (ou rétreint dudit tube), le taux d'écrasement étant également de préférence de l'ordre de 20%.2d. the protective tube 26 is introduced into the envelope tube 34 with the interposition of the rings 30 and shims 32 spacer and filling using magnesia powder forming a coating 28
2nd. compacting the coating 28 by crushing (arrows E) of the envelope tube 34 (or shrinking of said tube), the crushing rate also preferably being of the order of 20%.

Les autres remarques relatives à la phase d'écrasement 2c s'appliquent également à la présente phase 2e.The other remarks relating to the crushing phase 2c also apply to the present phase 2e.

Les opérations de finition de la cartouche peuvent faire l'objet de nombreuses variantes
application d'une couche de bouchage du côté de l'extrémité ouverte des tubes, comme il a déjà été évoqué. En complément, pour les applications à très haute température, on pourra prévoir une tête céramique (non représentée) rapportée et solidarisée à l'aide du ciment constituant La couche de bouchage ;
fixation d'une bague de montage autour du tube enveloppe, du côté de l'extrémité ouverte, cette fixation étant assurée par collage, sertissage, ou tout autre moyen convenable ;
usinage et/ou rectification de la surface extérieure du tube enveloppe. En effet, à la fin de la phase d'écrasement, la surface extérieure du tube enveloppe présente des irrégularités et, en particulier, un retrécissement légèrement plus important au voisinage des deux extremités. On confère donc au tube enveloppe un diamètre exterieur régulier et bien déterminé par une opération d'usinage et/ou de rectification. Cartridge finishing operations can be subject to many variations
application of a sealing layer on the side of the open end of the tubes, as already mentioned. In addition, for very high temperature applications, a ceramic head (not shown) may be provided, attached and secured using the cement constituting the sealing layer;
fixing a mounting ring around the envelope tube, on the side of the open end, this fixing being provided by gluing, crimping, or any other suitable means;
machining and / or rectification of the outer surface of the envelope tube. Indeed, at the end of the crushing phase, the outer surface of the envelope tube has irregularities and, in particular, a slightly greater narrowing in the vicinity of the two ends. The envelope tube is therefore given a regular outside diameter which is well determined by a machining and / or rectification operation.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1. Cartouche électrique chauffante (10) à double isolement, comprenant un élément chauffant (18) reçu dans un tube protecteur (26) métallique destiné à être mis à la terre, avec interposition d'un enrobage en matériau électriquement isolant (20) entre l'élément chauffant et le tube protecteur, caractérisé en ce que le sous-ensemble, formé par le tube protecteur (26), l'élément chauffant (18) et le matériau électrique (20) interposé, est reçu dans un tube enveloppe (34), également avec interposition d'un second enrobage en matériau électriquement isolant (28) entre le tube protecteur et le tube enveloppe.1. Electric heating cartridge (10) with double insulation, comprising a heating element (18) received in a protective metal tube (26) intended to be earthed, with the interposition of a coating of electrically insulating material (20) between the heating element and the protective tube, characterized in that the sub-assembly, formed by the protective tube (26), the heating element (18) and the electrical material (20) interposed, is received in an envelope tube ( 34), also with the interposition of a second coating of electrically insulating material (28) between the protective tube and the envelope tube. 2. Cartouche selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premier (20) et second (28) enrobages sont formés en matériau pulvérulent compacté.2. Cartridge according to claim 1, characterized in that the first (20) and second (28) coatings are formed from compacted pulverulent material. 3. Cartouche selon l'une ou l'autre des revendfcations 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comprend une couche de bouchage (36) à l'extrémité du tube protecteur et du tube enveloppe.3. Cartridge according to one or the other of the claims 1 and 2, characterized in that it comprises a plugging layer (36) at the end of the protective tube and of the envelope tube. 4. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les premier (20) et second (28) enrobages comprennent des éléments rigides formant entretoises (22, 24, 30, 32).4. Cartridge according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the first (20) and second (28) coatings comprise rigid elements forming spacers (22, 24, 30, 32). 5. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le tube protecteur (26) et le tube enveloppe (34) comportent des fonds (27, 35) bombés vers l'intérieur.5. Cartridge according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the protective tube (26) and the envelope tube (34) have bottoms (27, 35) curved inward. e) écrasement (E) ou rétreint du tube enveLoppe (34) résultant en un compactage de la poudre d'enrobage (28). e) crushing (E) or shrinking of the enveloped tube (34) resulting in compaction of the coating powder (28). d) introduction du tube protecteur (26) ainsi écrasé dans un tube enveloppe (34) avec remplissage intermédiaire avec un second enrobage (28) comprenant une poudre de matériau diélectrique ; ; d) introduction of the protective tube (26) thus crushed into an envelope tube (34) with intermediate filling with a second coating (28) comprising a powder of dielectric material; ; c) écrasement (e), ou rétreint du tube protecteur (26) résultant en un compactage de la poudre d'enrobage (20) ; c) crushing (e), or shrinking of the protective tube (26) resulting in compacting of the coating powder (20); b) introduction de l'ensemble fil bobiné-âme dans un tube protecteur (26) avec remplissage intermédiaire avec un enrobage (20) comprenant une poudre de matériau diélectrique ; b) introduction of the wound wire-core assembly into a protective tube (26) with intermediate filling with a coating (20) comprising a powder of dielectric material; a) bobinage d'un fil résistant (18) autour d'une ame (12) cylindrique rigide en matériau diélectrique ;  a) winding a resistant wire (18) around a rigid cylindrical core (12) of dielectric material; 6. Procédé de fabrication d'une cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes 6. A method of manufacturing a cartridge according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises the following steps 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les opérations d'écrasement (e, E) sont conduites en priorité du côté de l'extrémité ouverte du tube protecteur (26) et du tube enveloppe (34) respectivement.7. Method according to claim 6, characterized in that the crushing operations (e, E) are carried out in priority on the side of the open end of the protective tube (26) and of the envelope tube (34) respectively. 8. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte une phase d'application d'une couche de bouchage (36) du côté de L'extrémité ouverte des tubes (26, 34).8. Method according to either of Claims 6 and 7, characterized in that it comprises a phase of application of a sealing layer (36) on the side of the open end of the tubes (26, 34). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une opération d'usinage et/ou rectification de la surface extérieure du tube enveloppe (34). 9. Method according to any one of claims 6 to 8, characterized in that it comprises a machining operation and / or rectification of the outer surface of the envelope tube (34).
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