Procédé pour fixer un tube métallique sur une surface métallique et dispositif ainsi obtenu

Abstract

 Le procédé permet de fixer un tube métallique (1) sur une surface métallique (2), le contact entre ce tube et cette surface étant destiné à réaliser entre eux un transfert thermique à température élevée et avec un gradient de température élevé.
On applique le tube (1) sur la surface (2) de façon que la largeur de contact direct entre la paroi (1a) du tube et la surface (2) soit au moins égale au quart du périmètre extérieur du tube (1), que le dièdre (AOB) formé par le plan de la paroi (1c) du tube à l'endroit où elle s'écarte du contact direct et le plan de la surface (2) soit au moins égal à 90°, et on projette le métal d'apport (3) sur le tube (1) et la surface (2) de façon que l'apport de métal projeté se situe majoritairement dans ce dièdre (AOB), ne recouvre pas entièrement le tube (1), ne recouvre la surface (2) que sur une zone de largeur limitée à sensiblement la largeur du contact direct entre le tube et la surface, et soit relativement mince.
Utilisation notamment pour réaliser un article chauffant électroménager.

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé pour fixer par "schoopage" (c'est-à-dire par projection de métal liquide pulvérisé) des éléments chauffants sur une surface métallique, afin de réaliser entre ces éléments chauffants et cette surface une liaison mécanique solide et qui permette entre eux un transfert thermique à temperature élevée et avec un faible gradient de temperature.

[0002] L'invention vise également les dispositifs ainsi obtenus.

[0003] Des dispositifs comportant des tubes fixés sur une surface sont connus : par exemple un serpentin de refroidissement entourant la paroi d'un récipient à refroidir. Mais la fixation des tubes sur la surface n'est souvent pas commode (bridage, points ou cordons de soudure, ...), et le contact du tube sur la surface n'est souvent pas aussi bon qu'on le souhaiterait pour avoir un bon transfert thermique.

[0004] Un procédé de fixation de tubes métalliques sur une surface métallique par schoopage a déjà été décrit, notamment par le brevet français 1 537 203 (General Electric Co. 1967). Ce procédé consiste à réaliser par schoopage, sur toute la paroi et sur la surface où ils sont fixés, un revêtement métallique relativement épais.

[0005] Il est appliqué pour fixer des tubes de refroidissement (où circule un fluide réfrigérant) sur la paroi d'une enceinte à refroidir.

[0006] Effectivement ce procédé convient aux applications où il y a transfert thermique à température basse ou modérée.

[0007] Mais il ne convient plus lorsque le transfert thermique a lieu à température élevée et avec une densité de flux thermique élevé. Dans ces conditions de transfert, plus difficiles, on constate que la succession de cycles de chauffage et refroidissement provoque des fissurations et/ou des écaillages du métal d'apport.

[0008] Or, il existe de très nombreuses applications dans lesquelles ces conditions sont réalisées. C'est notamment le cas des résistances électriques chauffantes sous blindage métallique tubulaire, qui sont fixées sur la surface métallique d'une pièce faisant fonction de diffuseur de chaleur telle que semelle de fer à repasser, gril à viande, plaque de cuisson, chaudière de cafetière, friteuse, autocuiseur, poêle électrique, générateur de vapeur, etc.

[0009] Dans ces applications, la température au contact entre le blindage de la résistance et la surface à chauffer peut atteindre couramment 200 ou 300, ou même 350 °C. Le flux thermique aussi est élevé : de l'ordre de 20 à 30 watts/cm² de surface de contact, ce qui implique un gradient de température le plus faible possible pour éviter des différences de dilatation entre les diverses parties de l'assemblage, et dans leur masse, donc de fortes contraintes mécaniques.

[0010] Dans ces applications, en raison de la température élevée et de la densité de flux thermique élevée, on est amené soit à se contenter d'une fixation imparfaite de la résistance chauffante sur la surface à chauffer, cela au détriment de la performance du transfert thermique, soit à recourir à des méthodes d'assemblage autres, par exemple consistant à noyer la résistance chauffante dans la masse de la pièce à chauffer (pièce qu'il faut alors réaliser par moulage), ce qui est plus coûteux.

[0011] Le but de la présente invention est de proposer un procédé pour fixer un tube métallique sur une surface métallique, le contact entre ce tube et cette surface étant destiné à réaliser entre eux un transfert thermique à température élevée et avec une densité de flux thermique élevée.

[0012] Suivant l'invention, ce procédé est caractérisé en ce qu'on applique le tube sur la surface de façon que la largeur de contact direct entre la paroi du tube et la surface soit au moins égale au quart du périmètre extérieur du tube, que le dièdre formé par le plan de la paroi du tube à l'endroit où elle s'écarte du contact direct et le plan de la surface soit au moins égal à 90°, et on projette le métal d'apport sur le tube et la surface de façon que l'apport de métal projeté se situe majoritairement dans ce dièdre, et on ne recouvre la surface que sur une zone de largeur limitée à sensiblement la largeur du contact direct entre le tube et la surface, et soit relativement mince.

[0013] En effet, des essais ont montré que l'ensemble de ces caractéristiques assure à la liaison entre les tubes et la surface une bonne résistance mécanique et au transfert thermique même à température élevée et avec une densité de flux thermique élevée.

[0014] Ce résultat est nouveau et inattendu sous plusieurs aspects. Si l'on se reporte au procédé connu de fixation de tubes sur une surface par schoopage, décrit par le brevet français 1 537 203, on constate en effet que, selon ce procédé, le métal d'apport projeté recouvre entièrement le tube, ainsi que la surface sur laquelle il est fixé, et qu'il est relativement épais. A première vue, ces caractéristiques sembleraient favorables à une bonne fixation du tube et à une bonne transmission thermique.

[0015] Mais la pratique a montre qu'une liaison par schoopage ainsi réalisée ne résiste pas à la succession de cycles de chauffage et refroidissement à température élevée - c'est-à-dire dans la gamme de 200-350°C - et avec une densité de flux thermique élevée. Il se produit alors des fissurations du métal d'apport, même dans les zones où il est le plus épais (dans le dièdre entre la surface et le tube, près de leur contact) et des écaillages sur le tube et sur la surface.

[0016] Or, de façon inattendue, les essais montrent que, si le tube est en contact direct avec la surface par un méplat suffisant, et si le dièdre entre tube et surface est d'au moins 90° on obtient de meilleurs résultats avec un apport de métal plus mince, et qui se situe majoritairement dans le dièdre à leur contact et à son voisinage immédiat.

[0017] La question s'est posée de savoir si la partie métallique du tube en contact avec la pièce à chauffer ne créait pas un gradient de température réduisant notablement le transfert thermique, et si cette partie ne pouvait pas être supprimée. Le tube est alors réduit à un simple profilé en U retourné destiné à recevoir sur sa face extérieure les projections de métal liquide pulvérisé. Les résultats ont été probants.

[0018] Les essais ont ensuite porté sur la suppression de tout élément de blindage autour de la magnésie, celle-ci étant simplement comprimée autour de la résistance électrique. On peut alors considérer que le blindage de la résistance est effectué au cours de la fixation, par un dépôt de métal formé par schoopage.

[0019] Cette forme de réalisation est obtenue par un procédé semblable à celui de la fixation d'un élément tubulaire ou semi-tubulaire, un moyen complémentaire de traitement de la magnésie permettant une bonne cohésion à la surface de celle-ci, et consistant en une enduction par une résine silicone, suivie d'une polymérisation.

[0020] La description qui va suivre précisera, par des exemples, les caractéristiques et les modes de réalisation de telles liaisons efficaces.

[0021] Comme la fixation de résistances électriques chauffantes sous blindage tubulaire sur des surfaces à chauffer est un cas d'application courant du procédé selon l'invention, les dessins annexés, qui sont des exemples non limitatifs, représentent le "tube" sous la forme d'une telle résistance. Mais cet exemple d'illustration n'est qu'indicatif et ne restreint pas la portée de l'invention, qui peut concerner des tubes de toute nature.

[0022] Aux dessins annexés :

- La figure 1 représente, en coupe, une résistance blindée de chauffage fixée sur une surface plane (par exemple la semelle d'un fer à repasser) ;

- la figure 2 représente, en coupe, une résistance blindée de section quasi-triangulaire fixée sur une surface ondulée, (par exemple une plaque de gril de viande) ;

- la figure 3 représente, en coupe, une résistance blindée de section quasi-carrée fixée sur une surface plane ;

- la figure 4 représente, en coupe, une résistance blindée de section quasi-trapézoïdale fixée sur le méplat d'un conduit tubulaire (par exemple un conduit de chaudière de cafetière),

- la figure 5 représente, en coupe, une résistance insérée dans une forme de magnésie compactée dans un profilé en U, fixe sur une surface plane,

- la figure 6 représente, en coupe, une résistance insérée dans une forme de magnésie compactée directement fixée sur une surface plane,

- les figures 7, 8 et 9 illustrent schématiquement les étapes de réalisation d'une résistance électrique utilisable dans le procédé selon l'invention.

[0023] Une résistance chauffante blindée telle que désignée par 1 à la figure 1 est constituée par un conducteur résistif enrobé d'un isolant (classiquement de la magnésie comprimée), le tout entouré par un tube (classiquement en aluminium). Ce tube, qui constitue le blindage de la résistance, est à l'origine rond. Mais on peut ensuite l'estamper pour modifier la forme de sa section.

[0024] Sur la figure 1, la section du tube est quasi-­trapézoïdale. Sa base 1a, plane, est appliquée sur la surface 2a de la plaque 2 formant diffuseur de chaleur. Les côtés latéraux 1b et 1c sont quasi-plans. Le sommet 1d peut être arrondi.

[0025] A titre indicatif, les résistances utilisées dans ces essais de mise en oeuvre du procédé selon l'invention avaient pour blindage un tube de diamètre égal à 8 mm à l'origine. Après formage, la largeur de la base 1a du trapèze est d'environ 11 mm ; la hauteur du trapèze est d'environ 8 mm.

[0026] Les trois faces 1b, 1c et 1d ont été décapées classiquement par sablage (projection d'abrasif par air comprimé). On a utilisé à cet effet du corindon en grains de 0,5 mm. La base 1a a été simplement dégraissée, mais non sablée, donc laissée lisse.

[0027] La plaque 2, en aluminium, a été aussi décapée par sablage sur sa surface 2a.

[0028] La résistance blindée 1 a été provisoirement maintenue sur la face 2a de la plaque 2, par un bridage classique.

[0029] De l'aluminium pulvérisé à l'état liquide a été projeté selon la technique connue de schoopage sur les surfaces 1b et 1c de la résistance 1 et sur la surface 2a de la plaque 2, de telle manière que le dépôt maximum se forme dans la zone de jonction de la résistance 1 et de la plaque 2.

[0030] Cette projection métallique a été réalisée à l'aide d'un pistolet à arc électrique, selon les techniques habituelles dans ce domaine. Seule la buse de projection est modifiée afin que l'angle de projection soit plus fermé que dans le cas d'un schoopage destiné à des revêtements de pièces métalliques sur toute leur surface.

[0031] Les caractéristiques du jet de projection ont été les suivantes :

Angle de projection :	40° à 55°
Distance de projection :	55 à 65 mm
Vitesse de déplacement :	150 mm/s pour un débit de 0,65 g/s d'aluminium
Largeur du jet :	largeur 20 à 25 mm (buse à jet plat)
Diamètre du fil d'aluminium utilisé :	1,6 mm.

[0032] Compte tenu des flux thermiques à transférer de la résistance blindée 1 à la plaque 2, des gradients de températures et des différentiels de dilatation qu'ils provoquent, le métal projeté qui, en se solidifiant conserve une certaine porosité, doit néanmoins posséder des caractéristiques mécaniques minimales, et la forme du dépôt doit obéir à certaines règles, si l'on veut :
- réaliser l'assemblage à un coût compétitif par rapport à d'autres techniques,
- résister à un nombre de cycles thermiques compatible avec la durée de vie estimée du produit fini.

[0033] Ainsi :
- la résistance à la traction de l'aluminium projeté doit être au moins égale à 9 kg/mm²;
- la résistance à l'arrachement parallèlement à la surface doit être au moins égale à 1,2 kg/mm².

[0034] On ne peut atteindre ces résistances que si l'épaisseur de métal d'apport par passe est très faible : inférieure à 0,1 mm (les valeurs indiquées plus haut pour la vitesse de déplacement et le débit du jet répondent à cette condition), et que ces passes se font soit simultanément de part et d'autre de la résistance blindée 1 par deux pistolets de schoopage, soit alternativement.

[0035] Comme, même malgré ces précautions, la résistance du métal d'apport à l'arrachement reste encore relativement faible, la forme du dépôt doit respecter les conditions suivantes :
- La largeur de contact direct de la résistance blindée 1 avec la plaque 2 doit être au moins égale au 1/4 du périmètre de la section droite de la résistance blindée, et préférentiellement voisine de 2/5.

[0036] Dans le cas de la réalisation représentée sur la figure 1, cette largeur 1a est d'environ 10 ou 11 mm, sur un périmètre original de 25 mm, soit 40%.
- Le dièdre AOB formé par le plan OA suivant la surface laterale 1b ou 1c de la résistance blindée 1 et le plan OB suivant la surface de la plaque 2 adjacente à la résistance doit être ouvert d'au moins 90° afin qu'un dépôt de métal 3 puisse se former au sommet O du dièdre sans laisser d'espace vide. Cet angle peut même être supérieur à 180° dans certaines réalisations (voir figure 2).
- L'apport de métal doit se situer majoritairement dans le dièdre AOB.
- L'épaisseur du métal d'apport 3 doit être relativement faible. Une épaisseur de 0,5 à 0,8 mm (en tout cas moins de 3 mm) suffit au sommet du dièdre AOB. Sur la paroi latérale 1b, 1c de la résistance blindée 1, l'épaisseur décroît en allant vers le sommet opposé à la base 1a. Il peut n'y avoir aucun métal d'apport sur le sommet de la section de la résistance.
- La zone d'accrochage du dépôt métallique 3 de chaque côté de la résistance 1 sur la plaque 2 ne doit pas être trop large mais sensiblement égale à la largeur de contact direct de la résistance 1 sur la plaque 2.

[0037] La figure 2 illustre la mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans le cas d'une résistance électrique blindée 10 de section sensiblement triangulaire, fixée par schoopage à une plaque de cuisson 11 de gril-viande présentant des ondulations dont le profil est adapté à recevoir la section sensiblement triangulaire de la résistance 10.

[0038] Dans cette réalisation, la largeur de contact direct entre la résistance 10 et la plaque 11 est supérieure à 50% du périmètre initial du tube à partir duquel la résistance 10 a été obtenue.

[0039] Dans cet exemple le dièdre AOB a un angle supérieur à 180°. Comme dans l'exemple de la figure 1, le métal d'apport 3 se situe majoritairement dans le dièdre précité et ne recouvre que partiellement la résistance 10. De plus, ce métal d'apport 3 ne recouvre la surface de la plaque 11 que sur une largeur limitée sensiblement à la largeur de contact direct entre la résistance 10 et la plaque 11.

[0040] La réalisation de la figure 3 illustre le cas d'une résistance blindée 20 de section carrée fixée par schoopage sur une plaque 2.

[0041] Dans cet exemple, le dièdre AOB formé entre la paroi de la résistance 20 et la plaque 2 est égal à 90°. Dans cette réalisation, la largeur de contact 20a entre la résistance 20 et la plaque 2 est egale au quart du périmètre extérieur du tube à partir duquel la résistance 20 a été réalisée.

[0042] La figure 4 représente une résistance blindée 30 de section sensiblement trapézoïdale dont la grande base est en contact direct avec la face plane d'un tube 31 destiné au passage d'un fluide chaud tel que de l'eau chaude ou de la vapeur et destiné à subir de grandes variations de température.

[0043] Le dièdre formé entre la face plane du tube 31 et la paroi adjacente de la résistance 30 est nettement supérieur à 90°.

[0044] La largeur du contact entre la résistance 30 et le tube 31 est supérieure au quart du périmètre de cette résistance.

[0045] Le métal d'apport 3 se situe majoritairement dans le dièdre précité et ne recouvre pas entièrement la résistance 30.

[0046] Les essais ci-dessus ont montré que des liaisons réalisées conformément à ce qui précède, résistent très bien à une succession de cycles de chauffage et de refroidissement, sans que se produisent ni fissuration ni écaillage du métal d'apport.

[0047] En particulier, on remarque que, lors de la solidification, le retrait du métal d'apport provoque un serrage énergique de la résistance blindée 1 sur la plaque 2. Les aspérités créées par le sablage à la surface 2a de la plaque 2 pénètrent alors dans la surface lisse de la face 1a de la résistance blindée. Il s'ensuit que la résistance thermique entre résistance blindée 1 et plaque 2 est faible: inférieure à 6-10⁻² °C/W.

[0048] Les essais semblent montrer que le tiers du flux thermique, émis par la résitance blindée, s'évacue dans la plaque 2 par la surface de contact direct de la résistance, le reste s'évacuant par la masse de métal d'apport 3.

[0049] La figure 5 montre une résistance 40 sous magnésie 41 dont le blindage est réduit aux seules parties 41b, 41c, 41d. La partie en contact 41a avec la plaque 42 ne comprend pas de paroi métallique. Pour cela la résistance 40 est insérée dans la magnésie non pas dans un tube, mais dans une forme métallique ouverte. Cette résistance est réalisée de la manière suivante : dans une matrice en acier 60 (voir figure 7) est pratiquée une gorge 61 au fond de laquelle est placée un profilé en aluminium 62 dont la forme, sensiblement en U renversé, rappelle la partie supérieure des résistances blindées 1c, 1d et 1b de la figure 1. Une certaine quantité de magnésie en poudre est déversée dans la gorge 61. Un poinçon 63 est descendu dans la gorge et une force y est appliquée. Le poinçon 63 possède une empreinte 63a de telle manière qu'un sillon 64 soit aménagé dans la magnésie 65. Dans ce sillon 64 est déposé le fil résistant 66 enroulé hélicoïdalement à spires non jointives (voir figure 8). Une certaine quantité de magnésie est à nouveau déversée dans la gorge 61 et un autre poinçon 67 est descendu et appliqué avec une force sensiblement identique à celle de la première opération. Cette force est telle que la magnésie, après compactage, atteint une densité de l'ordre de 3.2. La figure 9 montre l'élément terminé. Des barres d'éjection 68 permettent de sortir celui-ci de la gorge 61.

[0050] Le procédé de fixation de cet élément chauffant est le même que celui décrit précédemment pour la fixation d'élément tubulaire.

[0051] La figure 6 montre une résistance 50 sous magnésie 51 dont le blindage a été fait directement sur la plaque 52, et est constitué par du métal projeté. Le procédé de la fabrication du barreau de magnésie 51 est le même que celui décrit précédemment, le profilé d'aluminium 62 n'existant pas. Dans le cas précédent la magnésie adhère fortement à la feuille d'aluminium 62 car les grains de magnésie pénètrent superficiellement dans le métal. Dans le cas présent, il est évident, que si l'on veut démouler un barreau 51 intact, il est nécessaire que la gorge 61 soit réalisée dans un acier dur et poli, dont la résistance de surface est supérieure à la force de poinçonnage des grains de magnésie.

[0052] Si l'on procède à une projection de métal fondu pulvérisé directement sur un barreau ainsi fabriqué, on remarque que, compte tenu du retrait du métal, les premières couches projectées se déforment et tendent à s'enrouler sur elles-mêmes, à l'image de l'écorce du bouleau. Pour éviter cet inconvénient majeur, deux moyens sont possibles :

1) Procéder à des projections très fines, simultanément sur les deux flancs et le dessus du barreau. Cette solution alourdit les investissements et les temps d'exécution.

2) Imprégner superficiellement le barreau de magnésie d'un enduit qui puisse se détruire après fixation du barreau. Des essais ont montré qu'un enduit de silicone, polymérisé par chauffage dans un four, assurait une adhérence admissible durant le schoopage. Cet enduit se détruit lors de la première mise en service de l'élément chauffant, les résidus se combinant avec la magnésie sans altérer ses qualités diélectriques.

[0053] Le procédé de fixation de ces barreaux de magnésie est le même que celui précédemment décrit. Il est évident que l'épaisseur du métal doit être supérieure à celle nécessaire sur un blindage métallique. Cette surépaisseur doit d'ailleurs être sensiblement égale à l'épaisseur du blindage que la résistance aurait pu avoir.

[0054] On peut penser que selon le même procédé, il soit possible de fixer des barreaux chauffants d'autres natures que la magnésie compactée. L'expérience montre que des barreaux chauffants en stéatique, porcelaine industrielle, alumine, ou autres céramiques, par le fait que les différentiels de dilatation sont très importants, ne peuvent pas être fixés par schoopage (pour des transferts de flux thermique importants). En effet, on observe des arrachements du métal projeté dans la zone de raccordement du barreau avec la plaque. Contrairement à ces céramiques, les grains de magnésie gardent une certaine liberté de mouvement et permettent au barreau de suivre les dilatations de la plaque et du blindage.

[0055] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus, et on peut apporter à ceux-ci de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention.

[0056] Ainsi, par exemple, le procédé peut être utilisé quels que soient les métaux constitutifs du tube ou de la résistance et de la surface sur laquelle on veut le fixer. Ils peuvent être les mêmes ou différents, et le métal d'apport peut encore être différent. Par exemple : on peut fixer des éléments chauffants protégés par un U en aluminium sur une surface en acier par schoopage avec du laiton comme métal d'apport.

Revendications

1. Procédé pour fixer un élément chauffant (1, 10, 20,30, 40, 50) sur une surface métallique (2, 11, 31, 42, 52), le contact entre cet élément chauffant et cette surface étant destiné à réaliser entre eux un transfert thermique à température élevée et avec une densité de flux thermique élevée, caractérisé en ce qu'on applique l'élément chauffant (1, 10, 20, 30, 40-41, 50-51) sur la surface (2, 11, 31, 42, 52) de façon que la largeur de contact soit au moins égale au quart du périmètre extérieur de l'élément chauffant, que le dièdre (AOB) formé par le plan de la paroi (1b ou 1c) de l'élément chauffant à l'endroit où elle s'écarte du contact direct et le plan de la surface soit au moins égal à 90°, et on projette le métal d'apport (3) sur l'élément chauffant et la surface de façon que l'apport de métal projeté se situe majoritairement dans ce dièdre (AOB), et soit relativement mince.

2. Procédé conforme à la revendication 1,
caractérisé en ce que l'apport de métal projeté recouvre la surface (2, 11, 31, 42, 52) sur une zone de largeur limitée à sensiblement la largeur de contact direct entre l'élément chauffant et la surface.

3. Procédé conforme à la revendication 1,
caractérisé en ce que l'élément chauffant (1, 10, 20, 30) est une résistance électrique chauffante blindée fixée sur une plaque faisant fonction de diffuseur de chaleur.

4. Procédé conforme à la revendication 1,
caractérisé en ce que l'élément chauffant (40-41) est un fil résistif noyé dans de la magnésie compactée adhérent à une forme métallique de section en U.

5. Procédé conforme à la revendication 4,
caractérisé en ce que la magnésie compactée (41) est en contact direct avec la plaque (42).

6. Procédé conforme à la revendication 1,
caractérisé en ce que l'élément chauffant (50-51) est un fil résistif noyé dans de la magnésie compactée.

7. Procédé conforme à la revendication 6,
caractérisé en ce que le barreau de magnésie compactée constituant l'élément chauffant est enduit superficiellement de résine silicone polymérisée.

8. Procédé conforme à l'une des revendications 1, 4 ou 6, caractérisé en ce que la projection de métal d'apport (3) est réalisée par passes successives dont chacune ne dépose pas plus de 0,1 mm d'épaisseur de métal.

9. Dispositif comprenant un élement chauffant (1, 10, 20, 30, 40, 50) fixé sur une surface métallique (2, 11, 31, 42, 52), caractérisé en ce que la.largeur de contact entre l'élément chauffant (1, 10, 20, 30, 40, 50) et la surface (2, 11, 31, 42, 52) est au moins égale au quart du périmètre extérieur de l'élément chauffant, que le dièdre (AOB) formé par le plan de la paroi de l'élément chauffant à l'endroit où elle s'écarte du contact direct et le plan de la surface est au moins égal à 90° et en ce que l'élément chauffant est relié à la surface par un métal d'apport (3) projeté par schoopage, ce métal d'apport se situant majoritairement dans le dièdre (AOB) et formant une couche relativement mince.

Dessins