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Émetteur infrarouge à l'inductioii électromagnétique
L'invention concerne un émetteur infrarouge à induction
électromagnétique. Plus particulièrement, l'invention est relative à un
dispositif permettant l'émission de rayonnement infrarouge, lequel
dispositif est alimenté à l'électricité au moyen d'un inducteur, et
caractérisé par un choix de matériau pour l'émetteur qui permet de
soutenir de hautes températures et d'atteindre de hautes densités de
puissance de rayonnement de type moyen.
Dans la plupart des nombreuses applications de l'infrarouge
électrique, la densité de puissance requise par le procédé est relativement
faible. Par contre, certains procédés comme le séchage de papier couché
dans le secteur des pâtes et papiers requièrent l'utilisation de
technologies à très haute densité de puissance. Cet impératif vient du fait
que les machines font défiler la feuille de papier à de grandes vitesses et
que la charge d'évaporation est relativement élevée.
La grande part des applications de l'infrarouge en pâtes et papiers
concerne le sécliage d'enductions. L'infrarouge est utilisé pour le
séchage de couches sur la feuille de papier principalement depuis 1985
[Bédard, N., Evaluation of the Perforinance of Electric Emitters and
Radiant Gas Burners, CEA report n 9321 U 986, 1996]. Le système
infrarouge est placé directement en aval de la coucheuse, ce qui permet
de "saisir" la sauce sur son support de papier. Cette technique constitue
maintenant la norme car elle permet une excellente qualité de produit et
des vitesses de défilement élevées. La haute densité de puissance permet
aussi de réaliser des installations sur des machines existantes, où l'espace
est limité.
La quasi-totalité des premiers systèmes infrarouges installés sur
des machines à"coucller" le papier étaient alimentés à l'électricité: ils
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étaient essentiellement constitués de lampes à haute intensité (émettant
une lumière blanche très vive). Mais peu à peu, une technologie
infrarouge gaz concurrente a émergé et est venue prendre une part
toujours grandissante du marché. Aujourd'hui, la majorité des nouveaux
systèmes infrarouges installés dans le secteur des pâtes et papiers sont
alimentés au gaz naturel. Différentes technologies sont offertes :
plaquettes céramiques trouées, matrices de fibres céramiques ou de
fibres métalliques, céramique réticulée et autres.
La raison première du succès de la technologie infrarouge gaz est
naturellement le prix brut de cette source d'énergie. Le rapport entre le
prix du gaz et celui de l'électricité dans les grandes entreprises est
d'environ 1 à 3 au Québec et peut aller jusqu'à 1 à 5 et même davantage
aux États-Unis. La robustesse physique des radiants à gaz est aussi
appréciée face aux lampes à haute intensité, réputées assez fragiles.
Souvent, le prix plus élevé de l'électricité face au gaz est
compensé par une meilleure efficacité des technologies électriques. Si on
ne considère que le rendement de rayonnement, c'est-à-dire la puissance
dc i-ayonncment total sur la puissancc consomméc, on pourrait conclurc
que c'est le cas dans le doniaine de l'infrarouge appliqué aux pâtes et
papiers. En effet, ce rendement est typiquement de 80% pour les unités à
infrarouge court et de 45% pour les radiants à gaz. Ces valeurs ont
d'ailleurs été précisément mesurées sur un même banc d'essai dans le
cadre d'un important projet de l'Association Canadienne de l'Électricité
[idem]. Mais ce rendement ne considère pas ce qui se passe au niveau du
papier, car la part vraiment utile de la puissance consommée est ce qui se
retrouve effectivement à l'intérieur du papier couché. Les propriétés
d'absorption du papier et de la sauce d'enduction doivent donc être prises
en considération. Or, ces propriétés varient selon certaines gammes de
longueurs d'onde.
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La température d'émission des radiants à gaz se situe entre 900 et
1150 C: le rayonnement est donc de type "moyen", c'est-à-dire dans les
longueurs d'ondes identifiées à l'infrarouge moyen (plus de 85% de la
puissance rayonnée entre 1 et 6 m). Elles offrent des densités de
puissance de rayonnement de 100 - à 160 kW/m2. Les émetteurs
électriques à lampe (dont le filament est porté à 2200 C) rayonnent
davantage dans l'infrarouge de type court (plus de 85% de la puissance
rayonnée entre 0 et 2.5 rn) et offrent des densités de puissance
dépasser 300 kW/mZ.
Il est généralement reconnu que l'infrarouge de type moyen
est mieux adapté au séchage du papier et des sauces de couchage à cause
du couplage approprié de leurs propriétés d'absorption spectrales avec le
spectre d'émission [Pettersson M., Stenstrom S., Absorption of Infrared
Radiation and the Radiation Transfer Mechanism in Paper, Part M.
Application to Infrared Dryers., Journal of Pulp and Paper Science: Vol.
24 N 11, November 1998]. L'avantage du meilleur rendement de
rayonnement des systèmes électriques à lampes est donc diminué, et
conséquemment celui de la densité de puissance.
La réponse évidente à ce problème est bieri sûr l'infrarouge
électrique de type moyen (donc avec une température de rayonnement
autour de 1100 C), déjà très utilisé dans de nombreux domaines (textile,
plastique, agro-alimentaire). Mais la technologie actuelle ne permet pas
d'atteindre la densité de puissance de rayonnement des radiants à gaz :
au plus 80 kW/m2 du côté électrique comparé à 150 kW/m2 du côté gaz.
Cette absence de compétition de type à rayonnement moyen du côté
électrique laisse toute la place aux systèmes gaz. Ce faisant, la
technologie à gaz accapare le marché important du séchage infrarouge
en pâtes et papiers au niveau nord-américain (300 MW en 1995) et
mondial (plus de 1000 MW). Une technologie infrarouge électrique
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permettant d'atteindre des densités de puissance équivalentes aux
radiants gaz dans l'infrarouge moyen serait donc la bienvenue. Qui plus
est, le marché est en demande de densités de puissance encore
supérieures: l'émergence d'une technologie électrique infrarouge de type
moyen de très haute densité de puissance ouvrirait des horizons
particulièrement attrayants. La disponibilité d'une telle technologie serait
d'autant plus intéressante que le rendement des radiants à gaz diminue
avec la température d'émission, donc avec la densité de puissance, de
façon inextricable [Douspis, M., Robin, J.-P., Les brûleurs radiants à
gaz , document CERUG 86.05]: une technologie électrique d'une
densité de puissance de rayonnement d'au-delà de 200 kW/mz serait
alors très compétitive (à une densité de puissance équivalente, les
radiants à gaz ont un rendement de rayonnement de moins de 35%).
Ainsi que nous le verrons plus loin la présente technologie
électrique en infrarouge de type moyen est limitée en densité de
puissance et la présente invention a donc pour objet de repousser ces
limitations.
Typiquement, une source infrarouge est constituée d'un corps
solide qui est porté à une température telle qu'il émet un rayonnement
électromagnétique de type infrarouge. Les émetteurs infrarouges
électriques impliquent le passage d'un courant direct dans une résistance,
habituellement un fil métallique. Le chauffage est donc effectué par effet
Joule (conduction électrique directe).
La densité de puissance d'un émetteur constitué d'un fil
métallique est limitée pour plusieurs raisons. Les fils métalliques ont une
faible résistivité électrique et ne peuvent dépasser une température de
1300 C. Pour obtenir une résistance adéquate (i.e. suffisamment élevée
pour impliquer des courants raisonnables), il faut diminuer le diamètre
ou augmenter la longueur du fil. Or la durée de vie diminue fortement
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avec le diamètre du fil : il faut donc préférablement augmenter la
longueur du fil, ce qui est réalisé en façonnant un boudin. Mais alors,
une certaine distance entre spires d'un même boudin et entre les rangées
de boudins doit être respectée sous peine de produire des points chauds.
Cette exigence limite derechef la densité de puissance.
De plus, il est souvent impératif de recouvrir les boudins d'une
matière les isolant de l'environnement, tant du point de vue thermique
(afin de limiter les pertes par convection à l'air ambiant) qu'électrique
(pour des raisons de sécurité). Les fils boudinés sont alors encastrés ou
insérés dans une matière transparente ou non au rayonnement infrarouge.
Lorsqu'il s'agit d'une niatière opaque à l'infrarouge, la chaleur doit
se transmettre du fil métallique interne à l'enveloppe externe par
conduction directe. C'est alors cette enveloppe qui émet le rayonnement
infrarouge et celle-ci se maintient obligatoirement à plus basse
température que le fil interne lui-même. Dans le cas des tubes
rayonnants ("tubular heaters"), une matière non-conductrice de
l'électricité (habituellement un oxyde) doit être insérée entre la résistance
et l'enveloppe, ce qui limite le transfert de chaleur et crée un fort
gradient de température. La densité de puissance est donc davantage
limitée que pour un boudin à nu.
Lorsqu'une matière transparente au rayonnement infrarouge
(habituellement du quartz) est utilisée pour contenir le boudin, le
rayonnenlent provient du boudin lui-même mais passe directement au
travers du quartz. Le boudin métallique se trouve alors protégé des
mouvements de l'air environnant: les pertes par convection sont donc
diminuées. La densité de puissance des sources infrarouges à fils
boudinés encastrées dans des plaques ou insérés dans des tubes de quartz
est la plus élevée parmi les sources infrarouges électriques de type
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moyen mais demeure en deçà de 100 kW/m2, procurant moins de 80
kW/m2 en rayonnement.
Pour leur part, les sources à lampes à infrarouge court sont
caractérisées par une très forte densité de puissance, car le fil de
tungstène à l'intérieur des lampes est porté à très haute température
(2200 C): mais comme nous l'avons vu, ce niveau de température
implique que l'émission est plutôt de type court, ce qui amène les
désavantages déjà mentionnés. De plus, le fil de tungstène doit être
enfermé dans un tube scellé pour éviter son oxydation rapide.
II est à noter que parmi tous les métaux, aucune technologie
actuelle ne permet d'aller au-delà de 1300 C en atmosphère
oxydante sur une période de temps très longue (en tei-mes d'années). Le
seul alliage métallique capable de relativement bien soutenir ce niveau
est composé de Fer-Chrome-Aluminium et est manufacturé
principalement par la société KHANTAL* (sous le nom KANTHAL A1)
D'ailleurs, ses propriétés mécaniques sont très affaiblies à cette
température.
Un autre moyen d'augmenter la densité (le puissance est
d'agrandir la surface réelle d'émission en utilisant une surface étendue et
non plus un fil boudiné. Une configuration en plaque pleine et étendue
perrnet d'augmenter la surface d'émission. Théoriquement, si on
parvenait à chauffer une surface pleine de KANTHAL A 1 à 1300 C de façon
relativement uniforme, la densité de puissance de rayonnement serait
très élevée (au-delà de 300 kW/mz). La difficulté est de faire passer le
courant partout dans cette surface. En conduction directe, il est très
difficile de réaliser un chauffage uniforme, car le courant passe par le
chemin électrique le plus court. Pour faire passer le courant partout
entre les bornes de tension, il faut découper plusieurs traits dans la
plaque, ce qui pose des problèmes de tenue mécanique et de
* Marque de commerce
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concentration locale de courant. Certains moyens ont été évalués et
testés par la demanderesse mais plusieurs problèmes ont amené à
remettre en question l'utilisation de la conduction électrique directe:
uniformité de chauffage, tension d'alimentation, dilatation thermique,
solidité mécanique, pertes thermiques par les contacts, et autres.
Suite à cette remise en question, la demanderesse a songé à faire
intervenir l'induction électromagnétique: plutôt que de faire passer le
courant directement dans une résistance, le chauffage peut alors
s'effectuer par courants de Foucault induits par un conducteur
physiquement découplé de la matière chauffée. De plus, le matériau
dans lequel ces courants sont développés peut être autre que le métal
constituant le fil à boudins des sources infrarouges conventionnelles.
L'utilisation de l'induction plutôt que la conduction directe permet
donc de régler de nombreux problèmes techniques.
Le choix du matériau constituant la surface émettrice constitue
l'aspect déterminant. Ce matériau doit d'être en mesure de supporter des
températures très élevées, bien au-delà du point de Curie de tous les
matériaux ayant des propriétés magnétiques. Seule la résistivité
intervient donc sur le plan électromagnétique. D'autre part, la
demanderesse a pu identifier une gamnle de résistivité de matériaux et
de fréquences d'alimentation résultant en un rendement électrique
excellent et un facteur de puissance relativement bon, deux conditions
pour que l'induction puisse être utilisée comme moyen de chauffage à la
base d'un système infrarouge. Il est possible de transférer une puissance
très élevée (au-delà de 50 kW pour une plaque de 0,16 mZ) en générant
un champ électrique typique, à une tension d'alimentation raisonnable.
Le chauffage est relativement uniforme, quoique les courants générés
dans la plaque chauffante soient une l'image de la configuration de
l'inducteur, qui est en forme circulaire ("pancake"): les quatre coins de la
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plaque sont donc plus froids, ainsi que le centre. Toutefois, ce concept
permet d'éviter les problèmes de points chauds et de pertes par les
connexions associés à la conduction électrique directe.
Le matériau constituant la surface émettrice se doit d'être en
mesure de supporter des températures et des contraintes
thermomécaniques très grandes. Les métaux constituant les fils résistifs
des sources infrarouges se caractérisent par des propriétés mécaniques
très affaiblies au voisinage de 1300 C. Ils ne pourraient donc constituer
la plaque rayoiinante.
Une solution étudiée a été d'utiliser des céramiques conduisant
l'électricité, notamment le carbure de silicium de type réaction
bounded . Certaines variantes de ce matériau contiennent une certaine
part de silicium libre permettant un chauffage par induction
électromagnétique à quelques dizaines de kilohertz. Le chauffage par
induction de plaques d'un pied carré a montré un bon couplage
électromagnétique mais a systématiquement conduit à des bris de nature
thermomécanique. Il appert que les matériaux céramiques de type
monolithique ne sont pas appropriés : d'une part parce que les
contraintes thermomécaniques engendrées par un chauffage intense et
imparfaitement uniforme sont de l'ordre de leur résistance mécanique
ultime ; d'autre part, les procédés actuels de fabrication de grandes
plaques en céramique monolithique engendrent des contraintes
résiduelles importantes.
En définitive, la demanderesse a constaté, comme d'autres, que
les céramiques même les plus performantes comme le carbure de
silicium souffrent de fragilité aux chocs mécaniques et
thermomécaniques.
Une solution relativement récente à ce problème traditionnel est
d'insérer des fibres dans la matrice de céramique, pour constituer une
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Ceramic Matrix Composite (CMC). Le fait d'incorporer des fibres
permet d'accroître la force du matériau et réduit le danger de brisure
selon un processus catastrophique: les fibres empêchent le
développement rapide de microfissures [Wessel J.K., Breaking Tradition
With Ceramic Coinposites Offer New Features that Traditional
Ceramics Lack), Chemical Engineering, pp 80 - 82, October 1996].
Dans un effort d'amélioration, il y a quelques années, on a
développé un type particuliei- dc compositc cérainiquc, soit lcs
"Continuous Fiber Ceramic Composites" (CFCC), dont la fabrication
implique des techniques comme le CVI (Chemical Vapor Infiltration)et
le CVD (Chemical Vapor Deposition).
Les CFCC constituent donc une solution au problème traditionnel
de fragilité des céramiques. Ils peuvent fonctionner à haute température,
subir des chocs thermiques, et ont une durée de vie importante. Ces
atouts en font des candidats idéaux pour servir de base d'un système
infrarouge à haute densité de puissance. Par contre, la plupart des CFCC
ne conduisent pas l'électricité, et ne sont donc pas susceptibles d'être
chauffés par induction électromagnétique. La demaiideresse a constaté
que les CFCC comportant des fibres de carbone dans une matrice de
carbure de silicium (C/SiC) conduisent suffisamment l'électricité pour
être efficacement chauffés par induction électromagnétique.
D'autre part, d'autres matériaux faisant l'objet de
développements continuels sont les composites carbone/carbone, ayant
eux aussi une très grande résistance aux chocs thermiques. Ils sont
toutefois limités en température car ils s'oxydent au-delà de 600 C. Ils
doivent donc être recouverts d'une couche protectrice externe, ce qui fait
l'objet de beaucoup de travaux à travers le monde. La demanderesse a
vérifié l'excellente réponse au chauffage par induction
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électromagnétique d'une plaque C/C recouverte d'une couche de carbure
de silicium.
Toutefois, la tenue du revêtement anti-oxydation à haute
température des composites C/C sur une période prolongée (années)
reste un problème technologique jusqu'à maintenant. La résolution de ce
problème ouvrirait alors la porte sur un horizon immense, car le composite
C/C lui-même garde d'excellentes propriétés mécaniques jusqu'au-delà de
2000 C. Cette température impliquerait des densïtés de puissance
dépassant le millier de kilowatt au mètre carré!
L'invention a pour objet de produire une surface rayonnante
simplement constituée d'un matériau approprié, d'une taille et d'une
forme appropriées, et dont les caractéristiques électriques, mécaniques et
thermiques sont adéquatement choisies.
Un autre objet de l'invention est de recourir à l'induction, ce qui
. permet d'utiliser des matériaux non métalliques et d'obtenir un bon
rendement électrique.
L'invention a aussi pour objet d'atteindre une température limite
supérieure à celle des métaux à base de Fe - Cr - A1, qui est de 1300 C, et
même de passer au-delà de 1400 C.
Un autre objet de l'invention est d'utiliser un matériau composite
possédant une résistivité électrique relativement faible, afin de répondre
au chauffage par induction.
Un autre objet de l'invention est d'atteindre des densités de
puissances de plus de 200 kW/mz en infrarouge moyen en utilisant un
émetteur selon l'invention.
L'invention a aussi pour objet d'utiliser un matériau répondant à
l'induction électromagnétique et capable de soutenir les conditions
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d'opération mentionnées, notamment afin de répondre au chauffage par
induction.
Un autre objet de l'invention est de proposer comme matériau d'émetteur, des
céramiques composites qui ne souffrent pas des désavantages des
céramiques de type monolithique.
Afin de surmonter les désavantages décrits ci-dessus, la
demanderesse a mis au point un émetteur infrarouge comportant une
surface constituée d'un matériau répondant à l'induction et capable de
soutenir des
hautes températures, au moins une épaisseur d'isolant de très faible
conductivité thermique adossée à ladite surface, un inducteur adjacent aux
épaisseurs
d'isolants et séparé de ladite surface par ces derniers, ainsi qu'un
concentrateur de
champ adjacent à l'inducteur. Le matériau répondant à l'induction peut par
exemple être constitué d'une matrice permettant le chauffage par induction et
comportant des fibres de carbone.
Avantageusement, l'invention concerne un émetteur infrarouge
comprenant une surface conduisant l'électricité et constituée d'un matériau en
céramique composite comportant des fibres ou en composite carbone/carbone
recouvert d'une couche externe empêchant l'oxydation, au moins une épaisseur
d'isolant thermique adossé à ladite surface, un inducteur adjacent à ladite
épaisseur d'isolant et séparé de ladite surface par cette dernière, et un
concentrateur de champ juxtaposé ou adjacent à l'inducteur, ladite surface
étant
caractérisée en ce qu'elle émet un rayonnement infrarouge de type moyen et
ayant une densité de puissance supérieure à 200kW/m 2 lorsqu'elle est chauffée
par courants de Foucault au moyen dudit inducteur.
Selon une réalisation préférée, la surface répondant à l'induction est sous
forme de plaque, laquelle peut être choisie parmi les matériaux composites,
comme par
exemple les matériaux composites céramiques et notamment de type CFCC. La
plaque peut également être un matériau composite de type
carbone/carbone recouvert d'une couche de carbure de silicium.
Selon une autre réalisation préférée, la surface répondant à l'induction
peut être une couche mince accolée à une plaque.
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Selon une réalisation préférée, la surface doit être capable d'être portée
à une température d'au moins 13 00 C, et d'engendrer une densité de
puissance de rayonnement dépassant 250 kW/m2.
Selon une autre réalisation, l'isolant est constitué d'une épaisseur d'un
isolant basse température et d'une épaisseur d'un isolant haute température.
D'autre part, l'inducteur peut comporter un inducteur constitué d'un
tube de cuivre refroidi à l'eau, on peut aussi comporter des câbles le Litz.
lla
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Selon une autre réalisation, le concentrateur de champ est
juxtaposé à l'inducteur.
Selon une application pratique, la plaque possède une épaisseur se
situant entre environ 1 mnl et 5 mm.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
d'ailleurs d'une réalisation illustrée dans les dessins annexés, dans
lesquels
la figure 1 est une vue en plan d'un émetteur infrarouge à
induction, selon l'invention, et
la figure 2 est une coupe prise selon A' - A" de la figure 1.
En se référant aux dessins, on verra que la configuration de base
d'un émetteur selon l'invention est simple. On retrouve une surface
rayonnante plane 5 d'un matériau répondant à l'induction et soutenant de
hautes températures. Un matériau préféré constituant la surface
rayonnante plane sera décrit en détail plus bas. Cette surface plane est
adossée à un isolant haute température 4. Surmontant cet isolant haute
température 4, on retrouve un isolant basse température 3 Il est entendu
que la nature des isolants 3,4 variera selon les besoins et le choix
particulier des matériaux constituants sera laissé à l'homme de l'art. De
l'autre côté des deux isolants 3,4 est placé un inducteur 2 constitué dans
le cas illustré d'un tube de cuivre refroidi à l'eau, bien connu de l'homme
de l'art. On pourrait tout aussi bien utiliser un câble de Litz ou tout autre
inducteur, selon le choix de l'homme de l'art. L'inducteur est enroulé sur
lui-même dans un plan. Enfin, un concentrateur de champ 1 est
juxtaposé à la tubulure spiralée (figure 1). Comme on le verra sur la
figure 2, l'émetteur infrarouge est placé pour transmettre un
rayonnement sur une feuille de papier 6.
La demanderesse a découvert qu'un CFCC comportant des fibres
de carbone permet d'obtenir une plaque étendue à haute température
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produisant un rayonnement infrarouge de type moyen à une forte
densité de puissance. Des essais ont permis de constater que les fibres de
carbone, qui sont au sein d'une matrice de carbure de silicium,
permettent un chauffage par induction à des fréquences de quelques
dizaines de kilohertz. Des essais de simulation et des essais sur un
prototype ont montré qu'il serait possible de transférer la puissance avec
une très bonne efficacité électrique. Sur le plan thermomécanique, il a
été possible de constater que ce composite possède des propriétés
excellentes. Une plaque fabriquée en CFCC de la compagnie
AlliedSignal Composites présentait une planéité parfaite et une bonne
apparence d'uniformité. Un chauffage par induction de nature très
exigeante n'a conduit à aucun bris, déformation ni réduction de la
rigidité mécanique. Le couplage électromagnétique a aussi été confirmé
excellent.
En résumé, l'invention consiste à chauffer une plaque d'un
matériau spécifique par induction électromagnétique, laquelle plaque est
portée à haute température et, conséquemment, émet un rayonnement
infrarouge. La température principale de la plaque est d'environ 1300 C,
ce qui en fait une source de type à infrarouge moyen, donc appropriée au
séchage d'enduction sur papier. A cette température, et tenant compte de
l'émissivité du matériau constituant, la densité de puissance de
rayonnement dépasse 250 kW/mz, ce qui ferait plus que doubler la
densité de puissance de rayonnement de la plupart des radiants à gaz
actuels.
Cette densité de puissance très élevée constitue l'atout essentiel
d'un tel système. Cela se traduit en une surface occupée réduite de moitié
pour une même puissance installée. En plus, le concept se caractérise par
un encombrement vertical très réduit par rapport aux technologies gaz et
électriques actuels : ceci est dû à l'absence de conduites d'amenée d'air
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de combustion et de gaz (en référence aux radiants à gaz) ou d'air de
refroidissement des connecteurs (en référence à la technologie
infrarouge court à lampes). Le nouveau concept permet donc la
réduction de l'espace occupé à la fois horizontalement et verticalement.
L'encombrement vertical réduit peut permettre de placer des sources
IRHD (InfraRouge Haute Densité) de part et d'autre de la feuille de
papier, ce qui augmenterait encore davantage la densité de puissance.
Outre le domaine des pâtes et papier, la technologie IRI-ID
pourrait aussi trouver des applications très intéressantes dans le domaine
de la métallurgie et du verre. En métallurgie, les fours à haute
température présentement chauffés par des tubes rayonnants pourraient
être avantageusement remplacés par des plaques chauffées par induction.
Ces plaques tapisseraient alors les parois internes du four et
permettraient une très grande capacité de chauffage, et donc de
production. Dans l'industrie du verre, la densité de puissance en
infrarouge de type moyen est très recherchée.
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