DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne l'isolation électrique par surmoulage d'une ampoule à vide.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Les ampoules à vide sont des éléments de coupure électrique utilisés dans des appareillages et des équipements haute et moyenne tension.

En général, le corps des ampoules à vide destinées à être utilisées en haute ou en moyenne tension est réalisé en céramique, les extrémités du corps étant prolongées par des parties métalliques (en cuivre, en inox ...) . Les ampoules à vide sont ensuite isolées électriquement en étant surmoulées dans des matériaux synthétiques solides électriquement isolant, qui sont généralement des matériaux polymères de type thermodurcissable, thermoplastique ou élastomère.

Au final, les matériaux utilisés pour réaliser une ampoule à vide surmoulée opérationnelle ont des coefficients de dilatation très différents. En effet, le coefficient de dilatation thermique d'une céramique est d'environ 7,5.10 ^{~6 0} CT ¹ , celui du cuivre est d'environ 17.10 ^{~6 0} C ^"1 , celui de l'inox est d'environ 11.10 ^{~6 0} CT ¹ , tandis que le coefficient de dilatation thermique du matériau de surmoulage est respectivement d'environ 35.10 ^{~6 0} C ^"1 , 100.10 ^{"6 0} C ^"1 ou de 100.10 ^{"6 0} C ^"1 à 300.10 ^{"6 0} C ^"1 pour un polymère de type thermodurcissable, thermoplastique ou élastomère. Par conséquent, lorsque l'ampoule à vide subit des sollicitations thermiques d'utilisation dues, par exemple, à des températures ambiantes extrêmes ainsi qu'à des échauffements ou à des chocs thermiques (surintensité, transport...) , des défauts tels que des décollements ou des fissurations apparaissent dans les matériaux ou au niveau des interfaces entre les matériaux. Ces phénomènes de dégradation sont dus principalement aux dilatations différentielles entre les divers matériaux constituant l'ampoule à vide surmoulée, ce qui conduit à avoir des dilatations différentes pour chaque matériau et engendre l'apparition de contraintes, pouvant générer des défauts . Afin de minimiser ces défauts, il est connu d'interposer, entre l'ampoule à vide et la couche de surmoulage, une couche en matériau élastique, par exemple en caoutchouc éthylène-propylène-diène (voir le document [1] ) . Une autre solution connue consiste à placer, entre l'ampoule à vide et la couche de surmoulage, un ensemble de deux couches, à savoir une couche textile intérieure et une couche textile extérieure (voir le document [2] ) . La couche textile intérieure est en contact avec l'ampoule à vide et possède une forte densité en textile et un faible coefficient de dilatation thermique. La couche textile extérieure est en contact avec la couche de surmoulage ; elle a une densité en textile inférieure à celle de la couche intérieure (c'est-à-dire que l'espacement entre les textiles est plus détendu que celui de la couche textile intérieure) et a un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la couche textile intérieure.

Cette seconde solution est intéressante, car elle permet de faire évoluer le coefficient de dilatation de manière progressive au sein de la couche composite, ce qui a pour conséquence que la différence de coefficient de dilatation thermique entre les matériaux est minimisée. Cependant, la réalisation d'une telle couche composite présente l'inconvénient d'être compliquée et coûteuse. En effet, l'agencement et la réalisation de la couche textile intérieure et de la couche textile extérieure sont compliqués, car la densité de textile évolue entre la couche de textile intérieure et la couche de textile extérieure.

Les inventeurs ont donc cherché à concevoir un surmoulage qui permette d'abaisser la différence entre les coefficients de dilatation thermique des matériaux constitutifs d'une ampoule à vide et qui ne présente pas les inconvénients décrits ci-dessus.

EXPOSÉ DE L' INVENTION

L' invention concerne donc un surmoulage pour ampoule à vide comprenant une couche intermédiaire et une couche de surmoulage, la couche intermédiaire et la couche de surmoulage servant à isoler électriquement l'ampoule à vide, la couche intermédiaire étant destinée à être disposée autour de l'ampoule à vide, entre l'ampoule à vide et la couche de surmoulage, la couche intermédiaire étant en un composite homogène comprenant n couche (s) de textile, avec n supérieur ou égal à 1, et un premier polymère isolant servant à imprégner et à recouvrir lesdites n couches de textile, et la couche de surmoulage étant en un second polymère isolant, le surmoulage étant caractérisé en ce que la couche intermédiaire a un coefficient de dilatation thermique constant, compris entre les coefficients de dilatation thermique de l'ampoule à vide et de la couche de surmoulage, et constitue l'unique couche, dans le surmoulage, qui comporte une ou plusieurs couches de textile. La couche intermédiaire du surmoulage selon l'invention est un composite homogène ayant un coefficient de dilatation constant, formant une couche intermédiaire permettant d' isoler électriquement l'ampoule à vide. En fait, le coefficient de dilatation thermique de la couche intermédiaire est constant à l'échelle macroscopique, tandis qu'à l'échelle microscopique, le coefficient de dilatation de la couche intermédiaire varie et n'est pas constant, du fait de la présence des fibres à certains endroits et pas à d'autres, mais comme cette variation se répète à l'identique dans chaque couche de textile, on obtient au final un coefficient de dilatation constant à l'échelle macroscopique.

De préférence, la couche de surmoulage et la couche intermédiaire servent en outre à maintenir la tenue mécanique de l'ampoule à vide. Les polymères isolants de la couche de surmoulage et de la couche intermédiaire sont donc en outre avantageusement choisis parmi les composants permettant d'obtenir un bon maintien mécanique de l'ampoule à vide. Les n couches de textile de la couche intermédiaire forment un réseau tridimensionnel de fibres. S'il n'y a qu'une seule couche de textile dans la couche intermédiaire, alors les fibres de cette couche de textile doivent former un réseau tridimensionnel. Cette couche de textile peut par exemple être un tissu tridimensionnel, du type mat ou feutre .

Il est à noter que les n couches de textile peuvent être enroulées autour de l'ampoule ou bien être enfilées sur l'extérieur de l'ampoule lorsqu'elles ont la forme de fourreaux ou de chaussettes cylindriques.

Avantageusement, les n couches de textile de la couche intermédiaire sont empilées les unes sur les autres et sont distantes d'une valeur constante. Avantageusement, chacune des n couches de textile de la couche intermédiaire est formée par l'entrecroisement selon un angle non nul d'une première série de fibres parallèles avec au moins une seconde série de fibres parallèles.

De préférence, chacune des n couches de textile de la couche intermédiaire est formée par l'entrecroisement, selon un angle d'environ 90°, d'une première série de fibres parallèles avec une seconde série de fibres parallèles. Les n couches de textile peuvent par exemple être obtenues par tissage. Avantageusement, dans chaque couche de textile de la couche intermédiaire, le pas entre les fibres adjacentes d'une même série de fibres est constant. On obtient ainsi un maillage régulier. Le pas de la première série de fibres peut être identique au pas de la seconde série de fibres. Dans ce cas, on obtient des couches de textile ayant un maillage carré.

Avantageusement, les n couches de textile de la couche intermédiaire ont la même composition et la même densité. Les n couches sont réalisées à partir de fibres. Ces fibres peuvent être naturelles, synthétiques ou minérales. Il peut par exemple s'agir de fibres végétales ou chimiques.

Selon une première variante, les n couches de textile de la couche intermédiaire sont réalisées à partir de fibres de verre.

Selon une seconde variante, les n couches de textile de la couche intermédiaire sont réalisées à partir de fibres en polyester. Selon une troisième variante, les n couches de textile de la couche intermédiaire sont réalisées à partir de fibres végétales.

Avantageusement, les n couches de textile de la couche intermédiaire sont équidistantes et sont décalées longitudinalement (c'est-à-dire dans une direction parallèle aux plans des n couches) les unes par rapport aux autres de manière à ce que la projection des n couches sur un même plan parallèle aux plans des n couches de textile fournisse une couche dans laquelle le pas entre les fibres parallèles est constant. Un tel agencement des n couches selon un décalage régulier permet d'obtenir un réseau tridimensionnel dans lequel l'espace alloué au premier polymère isolant pour pénétrer dans le maillage des n couches de textile est régulier. Les n couches de textile sont en fait décalées de manière à faciliter l'imprégnation du premier polymère isolant. Le premier polymère isolant peut ainsi pénétrer de manière régulière et plus aisément dans les n couches de textile, ce qui permet d'obtenir un composite qui est à la fois homogène et qui a un coefficient de dilatation thermique constant.

Avantageusement, le premier polymère isolant et le second polymère isolant sont un même polymère isolant. De préférence, la couche intermédiaire a une épaisseur comprise entre 0,2 mm et 20 mm.

L' invention concerne également une ampoule à vide comprenant un surmoulage tel que décrit ci- dessus.

Enfin, l'invention concerne un procédé de surmoulage d'une ampoule à vide pour le cas où l'on utiliserait au moins deux couches de textile. Le procédé comprend les étapes suivantes : a) formation d'une couche intermédiaire sur l'ampoule à vide (en fait, la couche intermédiaire enveloppe l'ampoule à vide) ; b) formation d'une couche de surmoulage sur la couche intermédiaire, la couche intermédiaire et la couche de surmoulage servant à isoler électriquement l'ampoule à vide, caractérisé en ce que l'étape a) comprend : - le dépôt de n couches de textile empilées sur l'ampoule à vide, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, les n couches de textile étant espacées les unes des autres selon un espace constant et décalées les unes par rapport aux autres de telle sorte que la k ^ieme couche de textile soit décalée d'une valeur 1/n selon la direction i et d'une valeur 1/n selon la direction j d'un repère orthonormé (0,i,j) attaché à la (k-l) ^ieme couche de textile sous-jacente, k étant un nombre entier compris entre 2 et n ; - le dépôt d'une couche de premier polymère isolant imprégnant et recouvrant les n couches de textile, et caractérisé en ce que la couche de surmoulage formée à l'étape b) est en un second polymère isolant.

Avantageusement, le premier polymère isolant de la couche intermédiaire et le second polymère isolant de la couche de surmoulage sont identiques .

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'une ampoule à vide surmoulée selon 1' invention,

- la figure 2 est un graphique représentant respectivement le coefficient de dilatation thermique linéaire (CTE) (trait plein) et la teneur en textile (trait discontinu) en fonction de la position radiale à l'extérieur de l'ampoule à vide surmoulée selon 1' invention, - la figure 3a représente un exemple d'agencement de 3 couches de textile superposées de manière à former, après l'ajout d'un polymère isolant, une couche intermédiaire composite homogène selon 1' invention, - la figure 3b représente une vue éclatée de la figure 3a.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Une ampoule à vide surmoulée 1 selon l'invention est représentée dans la figure 1. On notera que les éléments constitutifs de l'ampoule à vide surmoulée représentée dans la figure 1 ne sont pas représentés à l'échelle.

L'ampoule à vide 6 est constituée de deux contacts électriquement conducteurs 3 confinés dans une enceinte scellée 2.

L'enceinte 2 est réalisée en un matériau électriquement isolant, qui est généralement de la céramique. Les connexions électriques 3 quant à elles sont en matériau électriquement conducteur, par exemple en cuivre. Selon l'invention, l'ampoule à vide 6 est surmoulée en étant entourée d'une couche intermédiaire composite 4 constituée de couches de textile, par exemple des couches en fibres de verre, empilées et espacées régulièrement les unes des autres et imprégnées à l'aide d'un premier polymère isolant (par exemple une résine isolante, ou plus particulièrement une résine époxy) .

La couche intermédiaire 4 est à son tour recouverte d'une couche de surmoulage 5 en un second polymère d'isolation, c'est-à-dire un matériau synthétique solide d'isolation électrique, par exemple une résine isolante. Le polymère d'isolation utilisé pour former la couche intermédiaire composite est préférentiellement le même polymère d'isolation que celui utilisé pour former la couche de surmoulage 5. L' imprégnation de la couche intermédiaire 4 et la réalisation de la couche de surmoulage 5 peuvent ainsi avantageusement être réalisées au cours d'une seule et même opération d'injection d'un seul polymère isolant.

Les couches textiles imprégnées de polymère isolant (par exemple de résine isolante) forment alors un composite après durcissement du polymère.

Le polymère isolant utilisé pour former la couche intermédiaire composite selon l'invention peut être tout matériau synthétique solide d' isolation électrique qui puisse imprégner les couches de textile et durcir pour réaliser une couche intermédiaire électriquement isolante ayant un coefficient de dilatation thermique de valeur intermédiaire comprise entre les coefficients de dilatation thermique du matériau de la couche de surmoulage et du matériau de l'ampoule à vide. De préférence, la composition des couches de textile et la composition du premier polymère isolant sont choisies de manière à obtenir une couche intermédiaire composite ayant un coefficient de dilatation thermique de valeur environ équidistante entre les valeurs des coefficients de dilatation thermique de l'ampoule à vide et du matériau de la couche de surmoulage (voir la figure 2) . Le premier polymère isolant 4 (par exemple une résine isolante) utilisé pour former la couche intermédiaire peut être le même polymère isolant que celui qui est utilisé pour former la couche de surmoulage . Les couches de textile sont des nappes de tissus réalisées en fibres minérales, en fibres végétales ou synthétiques. Il peut par exemple s'agir de fibres de verre.

Les couches de textile bidimensionnelles sont obtenues de manière classique par le tissage de fibres, c'est-à-dire par l'entrecroisement, dans un même plan, d'une première série de fibres (appelées fibres de chaine) et d'une seconde série de fibres

(appelées fibres de trame) , disposée selon un angle non nul par rapport à la première série de fibres. De préférence, la première série de fibres est disposée perpendiculairement par rapport à la seconde série de fibres .

Les couches de textile tridimensionnelles du type tissus tridimensionnels comprennent, en plus de la première et de la seconde séries de fibres mentionnées ci-dessus, au moins une troisième série de fibres parallèles qui viennent entrecroiser le plan formé par la première et la seconde série de fibres.

Nous allons à présent décrire la réalisation de deux variantes de surmoulage selon

1' invention .

Dans ces deux variantes, l'ampoule à vide est réalisée en céramique ayant un coefficient de dilatation thermique d'environ 8.1CT ^{6 0} CT ¹ (par exemple en céramique d'alumine Al ₂ O ₃ ) et la couche de surmoulage est réalisée en un polymère isolant ayant un coefficient de dilatation thermique d'environ 36.10 ^"

^{6 0} C ^"1 (il peut s'agir, par exemple, d'une résine thermodurcissable telle qu'une résine époxyde bisphénol ou une résine époxyde cyclo-aliphatique comme nous le verrons ci-dessous) .

Selon un premier exemple de réalisation, la résine isolante utilisée pour réaliser la couche de surmoulage est une résine époxyde bisphénol chargée à

60% de farine de silice. La farine de silice peut éventuellement être silanisée.

La couche intermédiaire est quant à elle un composite constitué de 4 couches de textile de verre, imprégnées de la résine époxyde bisphénol mentionnée ci-dessus .

La couche intermédiaire, obtenue après durcissement de la résine isolante, a une épaisseur moyenne d'environ 1,8 mm. Les couches de textile de verre utilisées sont par exemple des tissus bidimensionnels bi-axiaux, dont les axes sont orientés respectivement selon un angle de 0° et de 90°. Le textile de verre utilisé peut par exemple être du Tissu Roving 500T fabriqué par la société CHOMARAT, ayant un grammage de 520 g/m ² . Selon un second exemple de réalisation, le polymère isolant utilisé pour réaliser la couche de surmoulage est une résine époxyde cyclo-aliphatique chargée à 66% de farine de silice. La farine de silice peut éventuellement être silanisée. La couche intermédiaire est quant à elle un composite constitué de 3 couches de textile de verre, imprégnées de la résine époxyde cyclo-aliphatique mentionnée ci-dessus.

La couche intermédiaire, obtenue après durcissement de la résine isolante, a une épaisseur moyenne d'environ 1,3 mm.

Le textile de verre utilisé est par exemple un tissu bidimensionnel bi-axial, dont les axes sont orientés respectivement selon un angle de -45° et de +45°. Le textile de verre utilisé peut par exemple être du verre E, ayant un grammage de 560 g/m ² , par exemple du SILASOX V29L250X fabriqué par la société A&P TECHNOLOGY. Le textile de verre peut par exemple être présenté sous la forme d'une chaussette, c'est-à-dire un cylindre, destinée à venir s'ajuster autour de l'ampoule à vide.

La couche intermédiaire peut être obtenue en disposant les n couches de textile sur l'ampoule à vide, puis en versant ou en injectant le polymère isolant sous forme liquide sur ces n couches. Puis, on procède au durcissement du polymère isolant. Par exemple, si le polymère isolant utilisé est une résine thermodurcissable, alors on applique de la chaleur.

Le polymère isolant peut être un polymère de type thermodurcissable ou thermoplastique ou élastomère.

Il est à noter qu'il est important que les couches de textile utilisées pour réaliser la couche intermédiaire en composite soient disposées de manière à ce que le polymère isolant pénètre facilement et de manière homogène dans les couches de textile, de manière à obtenir une couche intermédiaire ayant une composition et un coefficient de dilatation homogènes (voir les figures 3a et 3b) .

Sachant que plus la densité de textile dans la couche intermédiaire est forte, plus le coefficient de dilatation du composite obtenu est faible, on adapte cette densité en fonction du coefficient de dilatation que l'on souhaite obtenir dans la couche intermédiaire, c'est-à-dire que l'on adapte le nombre de couches de textile et/ou la densité en textile de chaque couche de textile, chaque couche de textile ayant la même densité .

De préférence, le coefficient de dilatation thermique de la couche composite sera adapté de manière à être environ égale à : i ^-ampoule à vide ^~ * ^~ ^ré s ine de surmoulage / / ^

La couche intermédiaire du surmoulage selon l'invention permet de limiter l'écart entre les coefficients de dilation thermique du matériau de l'ampoule à vide et de la couche de surmoulage. La couche intermédiaire permet ainsi de réduire les écarts de dilatation thermique entre le matériau de la couche de surmoulage (servant à l'isolation diélectrique de l'ampoule à vide) et le matériau de l'ampoule à vide.

Dans les deux exemples de réalisation décrits ci-dessus, on obtient une couche intermédiaire ayant un coefficient de dilatation thermique d'environ 22.1(T ^{6 0} C ^"1 .

Comme on peut le constater dans le graphique de la figure 2, la couche intermédiaire 4 ainsi réalisée comporte effectivement un coefficient de dilatation thermique ayant une valeur intermédiaire entre les coefficients de dilatation thermique du matériau de l'ampoule à vide 2 et de la couche de surmoulage 5, respectivement de 8.1CT ^{6 0} C ^"1 et de 36.10 ^{" 6 0} C ^"1 .

Grâce à ce coefficient de dilatation thermique intermédiaire, la couche intermédiaire supporte les dilatations de la céramique constituant l'enceinte de l'ampoule à vide et les dilatations de la couche de surmoulage sans le moindre signe de dégradation (décollement des interfaces, fissurations des matériaux...) .

De plus, lorsqu'en plus on utilise le même polymère isolant pour réaliser la couche intermédiaire et la couche de surmoulage, cela permet de s'assurer que la couche intermédiaire aura une bonne tenue mécanique et une forte adhérence, à la fois sur le matériau constituant l'enceinte de l'ampoule à vide et sur la couche de surmoulage elle-même. Cette bonne tenue mécanique, ainsi que cette forte adhérence (due à l'utilisation d'un même polymère isolant) , améliorent encore un peu plus la capacité de la couche intermédiaire à résister aux signes de dégradation diélectrique.

Ainsi, le matériau de l'ampoule à vide (céramique) et le matériau de la couche de surmoulage sont, sous sollicitations thermiques, beaucoup moins contraints, car ils sont en contact avec la couche intermédiaire qui possède un comportement thermique (dilatation) beaucoup plus proche du leur. De préférence, les n couches de textile de la couche intermédiaire sont empilées les unes sur les autres de manière à former un réseau tridimensionnel dans lequel le polymère isolant puisse facilement pénétrer uniformément. Pour cela, le réseau tridimensionnel a une trame suffisamment aérée pour laisser passer les charges du polymère isolant (par exemple des charges de silice d'une résine isolante) et ainsi avoir une proportion de charges dans le polymère isolant la plus homogène possible. Nous avons illustré dans les figures 3a et

3b un exemple d'un tel empilement. Dans cet exemple, trois couches de textile identiques (c'est-à-dire ayant un maillage identique et des fibres de même composition et de même diamètre) sont empilées les unes sur les autres (figure 3b) de manière à ce qu'on obtienne un réseau tridimensionnel présentant un maillage uniforme. Ici, si l'on attribue un repère orthonormé (0, i, j) à l'une des couches (par exemple la couche inférieure que l'on appellera première couche 10), les dimensions du repère étant calquées sur les dimensions d'une maille de ladite couche, la couche située directement au dessus de la première couche 10 (que nous appellerons seconde couche 20) aura son repère (0', i' , j') décalé de 1/3 selon la direction i et de 1/3 selon la direction j par rapport à la première couche et la couche située au-dessus de la seconde couche (que nous appellerons troisième couche 30) aura quant à elle un repère (0'', i' ' , j ' ' ) décalé de 2/3 selon la direction i et de 2/3 selon la direction j par rapport à la première couche, et décalé de 1/3 selon la direction i et de 1/3 selon la direction j par rapport à la seconde couche. Au final, on obtient bien un réseau tridimensionnel homogène 40 (voir figure 3a) .

Le surmoulage selon l'invention présente de nombreux avantages. Il limite les dilatations différentielles entre le matériau de l'ampoule à vide et le matériau de la couche de surmoulage grâce à la présence de la couche intermédiaire.

D'autre part, le surmoulage selon l'invention ne comporte qu'une seule couche composite homogène (couche intermédiaire) réalisée à partir de couches textile. L'invention présente donc une solution plus simple et plus facile à mettre en œuvre, d'une part, et moins coûteuse, d'autre part, que les solutions connues de l'art antérieur.

Le surmoulage d'une ampoule à vide selon l'invention est encore plus facilité lorsqu'on utilise, selon des modes de réalisation préférés, un même polymère isolant pour réaliser la couche intermédiaire et la couche de surmoulage. Enfin, le surmoulage selon l'invention est structurellement plus simple que le surmoulage proposé dans l'art antérieur, et notamment dans le document [2], et est donc plus fiable. En effet, ici, la transition du matériau de l'ampoule à vide au matériau de la couche de surmoulage se fait par le biais d'une unique couche composite homogène ayant un coefficient de dilatation constant.

BIBLIOGRAPHIE

[1] EP 0 866 481

[2] Brevet japonais P2000-294087 A