FR2641930A1 - High-temperature electrical heating device - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif de chauffage électrique à haute température, et plus particulièrement un tel dispositif comprenant un substrat en céramique isolante sur lequel est monté un-élément résistif. The present invention relates to a high temperature electrical heating device, and more particularly such a device comprising an insulating ceramic substrate on which is mounted a resistive element.
Les résistances chauffantes à -haute température utilisées actuellement sont généralement constituées d'ùn fil en métal à haute température de fusion, enroulé sur un tube ou une barre en céramique ou d'un fil noyé dans un isolant électrique, l'ensemble étant disposé dans un tube métallique. The high temperature heating resistors currently used generally consist of a metal wire of high melting temperature, wound on a ceramic tube or bar or of a wire embedded in an electrical insulator, the assembly being arranged in a metal tube.
Le principal problème qui se pose dans ce type de dispositif est celui de la dilatation différentielle du fil métallique et du substrat céramique. Le fil métallique ayant en effet un coefficient de dilatation très supérieur à celui de la céramique, il se produit à haute température un relâchement de l'enroulement sur son substrat pouvant amener certaines spires à venir en contact, provoquant un court-circuit qui fait chuter brutalement la résistance électrique de l'ensemble. The main problem which arises in this type of device is that of the differential expansion of the metal wire and the ceramic substrate. Since the metal wire has a coefficient of expansion much higher than that of ceramic, there is a loosening of the winding on its substrate at high temperature which can cause certain turns to come into contact, causing a short circuit which causes it to drop. suddenly the electrical resistance of the whole.
Les autres problèmes qui se posent dans les dispositifs connus des chauffages électriques. à haute température sont liés à la tenue mécanique des éléments, au contrôle de la conductibilité thermique, à la protection chimique vis-à-vis de milieux ambiants corrosifs, à l'isolation électrique des dispositifs, et à l'augmentation de l'émission de l'énergie radiante pour une température donnée du dispositif de chauffage. The other problems which arise in the known devices of electric heaters. at high temperature are linked to the mechanical resistance of the elements, to the control of the thermal conductivity, to chemical protection against corrosive ambient media, to the electrical insulation of the devices, and to the increase in emission radiant energy for a given temperature of the heater.
La présente invention vise à résoudre ces problèmes en utilisant les techniques des poudres projetées à l'aide de torches, par exemple à gaz, ou de préférence à plasma. The present invention aims to solve these problems by using the techniques of powders sprayed using torches, for example gas, or preferably plasma.
L'invention invention a pour objet un dispositif de chauffage électrique à haute température comprenant un substrat en céramique isolante sur lequel est monté un élément résistif, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une couche d'une poudre projetée à l'état liquide, disposée sur l'élément résistif. The invention relates to a high temperature electric heating device comprising an insulating ceramic substrate on which is mounted a resistive element, characterized in that it comprises at least one layer of a powder sprayed in the state liquid, arranged on the resistive element.
Le substrat céramique peut être de toute forme convenable, par exemple se présenter sous une forme plane ou sous la forme d'un élément tubulaire, ou même encore sous la forme d'un paraboloIde par exemple si l'on souhaite focaliser en un point précis le rayonnement émis par le dispositif de chauffage. The ceramic substrate can be of any suitable shape, for example be in a planar form or in the form of a tubular element, or even even in the form of a paraboloid, for example if it is desired to focus at a precise point. the radiation emitted by the heater.
Dans un premier mode de réalisation, l'élément résistif est un fil, par exemple un fil rond ou un feuillard, réalisé en matériau conducteur et disposé à la surface du substrat, la couche de poudre étant constituée d'un matériau isolant. In a first embodiment, the resistive element is a wire, for example a round wire or a strip, made of conductive material and disposed on the surface of the substrate, the powder layer consisting of an insulating material.
Dans ce cas, la couche projetée sert essentiellement à assurer la cohésion du dispositif lorsqu'il est soumis à des dilatations différentielles du fait de son échauffement. In this case, the sprayed layer essentially serves to ensure the cohesion of the device when it is subjected to differential expansions due to its heating.
La couche d'isolant enveloppe le fil conducteur et, du fait de son adhérence au substrat céramique, maintient ce fil en position, en particulier lorsqu'il est enroulé sous forme de spires autour d'un substrat tubulaire ou en forme de barreau. The insulating layer envelops the conductive wire and, by virtue of its adhesion to the ceramic substrate, keeps this wire in position, in particular when it is wound in the form of turns around a tubular or bar-shaped substrate.
Il est par ailleurs important que, dans le voisinage des zones de connexion- électriques, la température du dispositif de chauffage soit inférieure à celle du corps du dispositif. It is also important that, in the vicinity of the electrical connection zones, the temperature of the heating device is lower than that of the body of the device.
A cet effet, le fil peut être disposé à la surface du substrat sous forme de brins adjacents-disjoints, l'écartement entre deux brins adjacents augmentant dans le voisinage des zones de connexion. To this end, the wire can be placed on the surface of the substrate in the form of adjacent-disjoint strands, the spacing between two adjacent strands increasing in the vicinity of the connection zones.
Ainsi, dans le cas d'un fil enroulé sous forme de spires, le pas de l'enroulement peut augmenter vers ses extrémités où sont formées les connexions. Thus, in the case of a wire wound in the form of turns, the pitch of the winding can increase towards its ends where the connections are formed.
Dans le cas d'un fil disposé en brins parallèles à la surface d'un substrat plan, l'écartement de ces brins augmente également vers les bords du substrat. In the case of a wire arranged in strands parallel to the surface of a planar substrate, the spacing of these strands also increases towards the edges of the substrate.
On peut également diminuer la température au voisinage des zones de connexion en remplaçant la couche de matériau isolant par une couche de matériau conducteur, ce qui a pour effet de diminuer la résistance dans ces zones et par conséquent, de diminuer la dissipation de chaleur par effet joule. It is also possible to decrease the temperature in the vicinity of the connection zones by replacing the layer of insulating material with a layer of conductive material, which has the effect of reducing the resistance in these zones and consequently of reducing the heat dissipation by effect. joule.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément résistif est lui-même constitué d'une couche d'une poudre de matériau conducteur projetée à l'état liquide. In another embodiment of the invention, the resistive element itself consists of a layer of a powder of conductive material sprayed in the liquid state.
Toujours dans le même but d'obtenir une température moindre au voisinage des zones de connexion, l'épaisseur de la couche de matériau conducteur peut être augmentée dans ces zones, ce qui a également pour effet de diminuer leur résistance et par conséquent la dissipation de chaleur. Still with the same aim of obtaining a lower temperature in the vicinity of the connection zones, the thickness of the layer of conductive material can be increased in these zones, which also has the effect of reducing their resistance and consequently the dissipation of heat.
De préférence, une couche extérieure d'une poudre en matériau à haut coefficient d'êmissivité est projetée à.l'état liquide à la surface extérieure du dispositif, ce qui permet à température égale d'augmenter le flux de chaleur, ou à flux égal de diminuer la température et par conséquent d'augmenter la durée de vie des dispositifs de chauffage. Preferably, an external layer of a powder made of a material with a high emissivity coefficient is sprayed in the liquid state on the external surface of the device, which allows at equal temperature to increase the heat flow, or to flow equal to decrease the temperature and therefore increase the life of the heating devices.
Une couche extérieure d'un matériau résistant à la corrosion peut également être projetée à la surface du dispositif afin de le protéger vis-à-vis des agressions chimiques extérieures dues, par exemple, à la présence d'oxygène, d'un gaz ou d'un liquide corrosif ou encore d'un métal liquide. An outer layer of a corrosion-resistant material can also be sprayed onto the surface of the device in order to protect it from external chemical attack due, for example, to the presence of oxygen, a gas or a corrosive liquid or a liquid metal.
Enfin, le substrat céramique peut lui-même être constitué d'une poudre projetée et agglomérée à la surface d'un support métallique, notamment pour obtenir des dispositifs plans de relativement grande dimension ou des dispositifs de forme complexe. Finally, the ceramic substrate may itself consist of a powder sprayed and agglomerated on the surface of a metal support, in particular for obtaining relatively large planar devices or devices of complex shape.
On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif des modes de réalisation particuliers de l'invention dans lesquels
- la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation de l'invention,
-- les figures 2 et 3 sont des vues à plus grande échelle des détails II et III respectivement de la figure I,
- la figure 4 est une vue similaire à la figure 2 d'une variante du premier mode de réalisation,
- la figure 5 est une vue axiale d'un second mode de réalisation de l'invention,
- les figures 6 et 7 sont des vues à plus grande échelle des détails VI et VII respectivement de la figure 5, et
- la figure 8 est une vue en coupe transversale d'un troisième mode de réalisation de l'invention.We will now describe, by way of nonlimiting example, particular embodiments of the invention in which
FIG. 1 is a view in axial section of a first embodiment of the invention,
FIGS. 2 and 3 are views on a larger scale of the details II and III respectively of FIG. I,
FIG. 4 is a view similar to FIG. 2 of a variant of the first embodiment,
FIG. 5 is an axial view of a second embodiment of the invention,
FIGS. 6 and 7 are enlarged views of the details VI and VII respectively of FIG. 5, and
- Figure 8 is a cross-sectional view of a third embodiment of the invention.
Dans le mode de réalisation des figures I à 3, le substrat céramique est réalisé sous la forme d'un tube 1 sur lequel est enroulé un fil métallique 2 constituant l'élément résistif. In the embodiment of Figures I to 3, the ceramic substrate is produced in the form of a tube 1 on which is wound a metal wire 2 constituting the resistive element.
Une couche d'alumine 3 est projetée sur l'enroulement ainsi réalisé, ce qui a pour effet d'uneart d'assurer une protection du fil 2, d'autre part d'empêcher les spires de ce fil de venir en contact sous l'effet de leur dilatation, et enfin d'homogénéiser la température à la surface du dispositif. A layer of alumina 3 is sprayed onto the winding thus produced, which has the effect of ensuring protection of the wire 2, on the other hand preventing the turns of this wire from coming into contact under the 'effect of their expansion, and finally to homogenize the temperature on the surface of the device.
Dans les zones d'extrémité du tube, le pas des spires du fil 2 est augmenté et l'alumine est remplacée par une couche d'un métal projeté 4, par exemple, un alliage nickel-chrome, ou encore du tungstène associé à un liant tel que du nickel,
Enfin, une couche de revêtement extérieur 5 est projetée sur la couche d'alumine pour augmenter le coefficient d'émissivité. Cette couche peut être constituée par un oxyde de nickel, de titane ou de chrome, ou encore par un mélange d'un de ces oxydes avec de l'alumine.In the end zones of the tube, the pitch of the turns of the wire 2 is increased and the alumina is replaced by a layer of a projected metal 4, for example, a nickel-chromium alloy, or else of tungsten associated with a binder such as nickel,
Finally, an outer coating layer 5 is sprayed onto the alumina layer to increase the emissivity coefficient. This layer can be constituted by an oxide of nickel, titanium or chromium, or alternatively by a mixture of one of these oxides with alumina.
Deux capots de connexion métallique 6 sont montés élastiquement aux extrémités du tube pour assurer la connexion électrique avec la couche de métal projeté 4. Two metal connection covers 6 are elastically mounted at the ends of the tube to ensure the electrical connection with the layer of projected metal 4.
Aussi bien le substrat céramique 1 que la couche 3 peuvent être constitués d'alumine permettant d'atteindre des températures de l'ordre de 1700"C, mais peuvent également être constitués d'un mélange silico-alumineux pour des températures dans la gamme de 1100 C à 14000C, de magnésie pour des températures de l'ordre de l1000C, ou de zircone pour des températures atteignant 19000C. Both the ceramic substrate 1 and the layer 3 can be made of alumina allowing temperatures of around 1700 "C to be reached, but can also be made of a silico-aluminous mixture for temperatures in the range of 1100 C at 14000C, magnesia for temperatures of the order of l1000C, or zirconia for temperatures reaching 19000C.
Le fil métallique 2 peut être réalisé en alliage nickel-chrome pour des températures de l'ordre de 1l000C, en alliage fer-nickel-chrome (1100ça), en alliage fer-chrome-aluminium (12500C), en platine (15O00C), en platine rhodié (1600du), en molybdène (17000C), en tungstène (2000 C), en tantale (22000C) ou en niobium (22000C). The metallic wire 2 can be made of a nickel-chromium alloy for temperatures of the order of 1 l000C, of an iron-nickel-chromium alloy (1100ca), of an iron-chromium-aluminum alloy (12500C), of platinum (15O00C), in rhodium platinum (1600du), molybdenum (17000C), tungsten (2000 C), tantalum (22000C) or niobium (22000C).
Dans la variante de la figure 4, le fil rond 2 est remplacé par un feuillard 7. In the variant of FIG. 4, the round wire 2 is replaced by a strip 7.
Dans le mode de réalisation des figures. 5 à 7, le substrat céramique est encore réalisé sous la forme d'un tube 8, mais l'élément résistif est ici constitué par une couche d'un matériau conducteur projeté 9. La couche 9 peut être une couche métallique ou une couche d'une autre matière électriquement conductrice telle que du carbure de silicium, du carbure de chrome, du disiliciure de molybdène ou du chromite de lanthane. In the embodiment of the figures. 5 to 7, the ceramic substrate is also produced in the form of a tube 8, but the resistive element here consists of a layer of sprayed conductive material 9. The layer 9 can be a metallic layer or a layer of another electrically conductive material such as silicon carbide, chromium carbide, molybdenum disilicide or lanthanum chromite.
Le choix du matériau est fonction de la résistivité que l'on souhaite obtenir après projection, de son coefficient de température, de sa tenue chimique, et de sa facilité de mise en oeuvre. The choice of material is a function of the resistivity which it is desired to obtain after spraying, of its temperature coefficient, of its chemical resistance, and of its ease of implementation.
Cette couche conductrice n'est d'ailleurs pas obligatoirement une couche continue et elle peut, à titre d'exemple, être réalisée sous la forme d'une hélice pour augmenter sa résistance électrique. This conductive layer is moreover not necessarily a continuous layer and it can, for example, be produced in the form of a helix to increase its electrical resistance.
L'épaisseur de la couche 9 est plus importante dans les zones d'extrémité du tube 8 que dans sa partie centrale, comme représenté aux figures 6 et 7, de manière à diminuer la résistance et par voie de conséquence, de diminuer la température au voisinage des zones de connexion. The thickness of the layer 9 is greater in the end regions of the tube 8 than in its central part, as shown in FIGS. 6 and 7, so as to decrease the resistance and consequently, decrease the temperature at vicinity of connection areas.
Enfin, une couche protectrice, par exemple en oxyde métallique ou une couche d'augmentation du coefficient d'émissivité 10 est projetée à l'extérieur de la couche conductrice 9. Finally, a protective layer, for example made of metal oxide or a layer for increasing the emissivity coefficient 10 is sprayed outside the conductive layer 9.
La figure 8 représente un troisième mode de réalisation dans lequel le dispositif chauffant se présente sous la forme d'un plan ou d'une- surface quelconque. FIG. 8 represents a third embodiment in which the heating device is in the form of a plane or any surface.
Dans ce mode de réalisation, une couche de céramique isolante il est projetée sur un support métallique 12. In this embodiment, an insulating ceramic layer 11 is projected onto a metal support 12.
Sur la couche 11, est projetée une couche électriquement conductrice telle que celle utilisée dans le mode de réalisation des figures 5 à 7. On the layer 11, an electrically conductive layer is projected such as that used in the embodiment of FIGS. 5 to 7.
Enfin, une couche de protection chimique 14, 14' est projetée de chaque côté de la surface, d'une part sur le support métallique 12 et d'autre part sur la couche conductrice 13. Finally, a chemical protective layer 14, 14 ′ is sprayed on each side of the surface, on the one hand on the metal support 12 and on the other hand on the conductive layer 13.
Des couches intermédiaires de mélange céramique-métal peuvent être projetées pour diminuer les contraintes d'origine thermique. Intermediate layers of ceramic-metal mixture can be sprayed to reduce thermal stresses.
Diverses variantes et modifications peuvent bien entendu être apportées à la description qui précède sans sortir pour autant ni du cadre, ni de l'esprit de l'invention. Various variants and modifications can of course be made to the above description without departing from the scope or the spirit of the invention.
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| Country | Link |
|---|---|
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