Brevet FR2060351A1 — publié le 19710618

La présente invention concerne un dispositif de dérivation de surtensions ( désigné encore par dispositif parasurten-sion ou limiteur de tension ) du type comportant un bottier étanche aux gaz et dans lequel des électrodes sont placées l'une en 5 face de l'autre et forment en môme temps avec au moins un isolateur en céramique le boîtier du limiteur de tension présentant une soudure céramique-verre-métal étanche au vide. Un boîtier à décharge dans un gaz de ce type, servant de limiteur de tension, est connu par le brevet allemand 930 400. 10 D'après la forme d'exécution indiquée, deux électrodes en forme de chapeau sont emmanchées respectivement de chaque côté dans des appendices tubulaires d'un isolateur annulaire en céramique. La partie centrale de l'isolateur en céramique, située entre les deux appendices tubulaires, a un diamètre extérieur supérieur à celui 15 des appendices, et elle sert d'anneau d'écartement pour les électrodes, fixant avec précision la distance entre électrodes. Une soudure verre-métal, de forme annulaire et s1étendant autour du boîtier, déborde la face extérieure de la partie centrale de l'isolateur et relie les deux électrodes de manière étanche au vide. 20 Lorsque le boîtier est terminé, on vide le limiteur de tension à l'aide d'une pompe par tin appendice correspondant, puis on le remplit d'un gaz rare et on le rend étanche au vide par une opération de soudure. Dans le limiteur de tension connu la robustesse mécani-25 que de la liaison étanche au vide pose un problème important. En effet, la face interne de la soudure de verre de forme annulaire et s'étendant autour du boîtier se situe sur la face extérieure de l'isolateur en céramique,' et ne forme qu'à ses bords et selon la faible largeur du matériau des électrodes, une soudure verre-métal. 30 La soudure verre-métal est, par rapport à la largeur totale de la soudure du verre, trop étroite pour pouvoir absorber de manière satisfaisante des charges mécaniques. Ces charges mécaniques apparaissent souvent sous la forme de. chocs, de contraintes de flexions et de pressions lors du transport, du stockage, de la mani-35 pulation ou du fonctionnement des limiteurs de tension. Par exemple , un léger choc ou une légère flexion peut, lors de la mise en place du limiteur. de tension dans son support, endommager la soudure verre-métal entourant le boîtier et détériorer la fermeture étanche au vide du boîtier. 40 De plus, une soudure de. verre, entourant la plage de 70 31639 2 2060351 jonction entre tin isolateur en céramique et des électrodes métalliques , est constamment mis en danger durant le fonctionnement par des contraintes thermiques, qui apparaissent dans des matériaux ayant des coefficients de dilatation différents, d'autant plus que 5 le verre n'absorbe pratiquement aucun effort de traction. Un autre type de limiteur de tension est connu par le brevet Suisse 341 889, et il comporte une soudure céramique-verre-métal. Les électrodes de ce limiteur de tension se présentent sous la forme de plaques planes, couvrant les côtés supérieur et infé-10 rieur d'une boîte de céramique et elles sont reliées à celle-ci de manière étanche au vide par l'intermédiaire d'une glaçure. Comme la soudure de verre ne peut absorber que de faibles efforts de cisaillement, la soudure verre-céramique-métal dans tin limiteur de tension exécuté suivant le brevet Suisse, ne peut être stable que 15 si les coefficients de dilatation thermique de la céramique et du métal concordent. On ne peut utiliser un métal ayant un coefficient de dilatation plus grand ou plus petit que celui de la céramique, et c'est pour cette raison que le montage connu ne peut avoir de signification pratique. 20 Une liaison étanche au vide entre les électrodes et l'i solateur, et ayant une robustesse mécanique suffisante, sans que l'on ait à tenir compte des c oefficients de dilatation thermique , pourrait être envisagée sous forme d'une liaison brasée. Mais ceci pose un problème important lors de la réalisation d'unie liaison brasée car 25 on mettrait en danger l'isolation entre les électrodes. En effet, une partie du matériau de brasure se vaporise à la température à laquelle est réalisée l'opération de brasage. Le matériau de brasure peut se déposer partiellement sur l'isolateur ou couler dessus sous forme liquide et former des îlots et des pistes conduc-30 trices. Quand un tel îlot ou une telle piste est relié galvanique-ment à une électrode, un point cathodique peut se former sur l'isolateur lors d'une décharge du limiteur de tension. A cet endroit apparait un échauffement ponctuel entraînant des contraintes thermiques et une fêlure de l'isolateur. En raison de ces phénomènes, 35 la durée de vie d'un tel limiteur de tension est très limitée, même en l'absence d'une surcharge capable de détruire ce dernier. Le but de la présente invention est de réaliser un limiteur de tension étanche aux gaz, ayant une longue durée de vie, et garantissant pendant toute cette durée une isolation électrique 40 suffisante entre, les électrodes. Pour résoudre ce problème, on ' 70 31639 3 2060351 propose dans le cas d'un limiteur de tension du type mentionné au début, que les électrodes, au niveau de.la jonction avec l'isolateur en céramique annulaire, entourent celui-ci également de façon annulaire, avec interposition de verre. : 5 Un avantage important du limiteur de tension .exécuté suivant l'invention est que, en raison du grand coefficient de dilatation thermique du métal, les parties d'électrodes .qui entourent de façon annulaire l'isolateur se calent sur celui-ci lors du refroidissement qui suit la fabrication et renforcent ainsi 10 sous la forme d'une liaison de verre- comprimé la tenue mécanique de la soudure céramique-verre-métal. En comparaison avec les limi-teurs de tension connus à soudure céramique-verre-métal, on obtient ainsi une bien meilleure robustesse mécanique. Dans le cas d'une forme d'exécution avantageuse de l'in-15 vention, l'isolateur en céramique a, à l'intérieur du boîtier é-tanche aux gaz, au moins une surface annulaire libre, située à une certaine distance de l'axe longitudinal du limiteur de tension, et formant avec les parties des électrodes, voisines de l'isolateur, une rainure ou gorge annulaire, dans le fond de laquelle 20 est placé le verre formant la soudure céramique-verre-métal, entre l'isolateur en céramique et les parties adjacentes des électrodes. Ce montage présente.l'avantage que la surface annulaire libr des rainures, qui reste libre est protégée de la zone de répartition des vapeurs métalliques produites lors des décharges des arcs. Par 25 suite, le matériau des électrodes vaporisé pendant le fonctionnement ne peut atteindre cette surface. De cette manière l'isolation des électrodes garantie par la soudure céramique-verre-métal est maintenue pendant le fonctionnement du limiteur de tension. Il a été particulièrement avantageux de prévoir une telle rainure à 30 soudure céramique-verre-métal à chaque jonction de l'isolateur sur xine électrode. L'invention est explicifcée plus en détails à l'aide des figures suivantes qui en donnent des modes d'exécution, à titre d'exemple. 35 La figure 1 est une première forme d'exécution d'un li miteur de tension suivant l'invention. La figure 2 en est une deuxième. Dans la figure 1 les électrodes désignées par les références 1 et 2 servent en môme temps à former une partie importante 40. du boîtier étanche aux gaz pour le limiteur de tension. Un isola- 70 31639 4 2060351 teur annulaire 3 en céramique et ayant une section en forme de T dont la barre longitudinale est perpendiculaire à l'axe, sépare électriquement les électrodes 1 et 2. L'électrode 1 a la forme d'un cylindre creux avec une paroi d'extrémité, et son diamètre 5 intérieur augmente brusquement à l'autre extrémité ouverte. Elle porte par son extrémité ouverte sur la barre longitudinale du T de l'isolateur 3 et forme avec sa face interne et la surface 7 correspondante de l'isolateur 3, une rainure ou gorge annulaire 13. Une soudure céramique-verre-métal 6 est placé sur le fond de la 10 SorSe 13, entre l'isolateur 3 et les parties voisines de l'électrode et elle relie, de manière étanche aux gaz et avec une robustesse mécanique, l'électrode 1 avec l'isolateur 3. Une électrode 2 ayant la forme d'un cylindre massif longitudinal et pourvu d'un capuchon terminal, est reliée par celui-ci à l'autre côté de 15 l'isolateur 3, sur la barre longitudinale du T de celui-ci, de la même manière que l'électrode 1, et elle pénètre librement par son cylindre allongé dans l'isolateur 3, en étant centrée dans l'électrode 1 ayant la forme d'un cylindre creux. Une électrode d'allumage auxiliaire peut être fixée sur la face de l'isolateur 3 tour-2o née vers l'électrode 1. Les électrodes 1 et 2 forment entre elles une enceinte ^ de décharge 4 par rapport à laquelle sont protégées les deux gor-^ ges annulaires 13. Le matériau de l'électrode, qui se vaporise hors de-25 l'espace de décharge 4 pendant le fonctionnement du limiteur de tension, ne peut atteindre aucune des deux gorges 13. Une liaison galvanique entre l'isolateur 3 d'une part et les électrodes 1 et 2 d'autre part est ainsi pratiquement exclue, car les surfaces 7 dans les gorges 13 ne contiennent certainement aucun £lot ni 30 aucune piste conductrice. Dans la figure 2 est représentée une électrode 9 ayant la forme d'une tige métallique portée par un capuchon terminal 10. Le capuchon 10 qui forme autour de la tige en métal 9 une collerette en forme de V pénétrant dans le bottier étanche aux gaz, est 35 placé dans l'une des extrémités d'un isolateur en céramique 8 et rendu étanche aux gaz, par une soudure céramique-verre-métal 6. La deuxième électrode 11, placée en face de l'électrode 9 en forme de tige, a la forme d'un pot dans lequel pénètre l'extrémité libre de l'électrode 9. Une partie métallique 12 de révolution entourant 40 le bord extérieur de l'électrode 11, est placée aussi de manière « 70 31639 5 2060351 étanche dans l'autre extrémité de l'isolateur annulaire 8, et elle pénètre à l'intérieur du boîtier étanche et porte l'électrode 11 en forme de pot. La pièce métallique de révolution 12 forme une gorge annulaire 13 avec la surface 7 de l'isolateur 8 qui lui fait 5 face. La face antérieure de l'électrode 9 et le fond de l'électrode 11 sont activés par une masse qui diminue le travail de sortie. Entre ces deux surfaces est situé l'espace de déchargé 4 par rapport auquel est protégée la gorge 13r Le matériau; de l'é-10 lectrode vaporisé hors de l'espace de décharge 4 pendant le fonctionnement du limiteur de tension, ne peut atteindre ni la gorge 13, ni la surface 7 de l'isolateur 8 placée directement en face de la collerette en forme de V du capuchon terminal 10. Une liaison galvanique entre, d'une part, l'isolateur 8 et, d'autre part, 15 les électrodes 9 et 11 est ainsi pratiquement exclue dans le cas du limiteur de tension en forme de bouton de la figure 2, La soudure céramique-verre-métal 6 prévue entre les isolateurs 3 et 8 et les électrodes 1 et 2, ou 10, 11 et 12, peut être réaliséè de manière que l'extrémité ouverte de l'électrode 1, 2 0 ou le capuchon terminal de l'électrode 2, 10 ou 11, 12, soit glacé suivant le procédé de liaison verre-métal connu, pendant l'o-. pération de fusion, les électrodes, ou les capuchons d'électrodes sont chauffés suivant le procédé de chauffage par haute fréquence et la glaçure est fondue. Les parties d'électrodes glacées sont 25 alors reliées de manière étanche avec la céramique de l'isolateur et la surface poreuse de la céramique est scellée par le verre. Mais on peut aussi fondre d'abord le verre sur la céramique. Par la chaleur de rayonnement des parties d'électrodes chauffées, le verre fond et relie de manière étanche l'isolateur aux électrodes. 30 La robustesse mécanique et la stabilité thermique d'une telle soudure céramique-verre-métal et d'une liaison par brasure sont comparables. Les limiteurs de tensiQn avec une soudure céramique-verre-métal ont de plus l'avantage que dans leur réalisation sans 35 appendice de pompage, seules les électrodes doivent être guidées avec précision et que la position exacte de l'isolateur n'a pas une grande importance. Lors de la fabrication, les tolérances entre les électrodes et l'isolateur sont compensées lors de la solidification de la soudure céramique-verre-métal. 43 . Cette invention est particulièrement importante pour les 70 31639 6 2060351 limiteurs de tension de petite taille. Par exemple le limiteur de tension représenté sur la figure 1 a un diamètre 8 mm et une longueur de 20 mm. La présente invention n'est pas seulement limitée aux limiteurs de tension à deux électrodes. Elle est aussi avantageusement utilisée pour les limiteurs'de tension avec plus de deux électrodes, où chaque paire d'électrodes est séparée électriquement par tin isolateur présentant les caractéristiques de l'invention. 70 31639 7 2060351 REVENDICATIONS 1. Limiteur de tension, du type comportant un bottier étanche aux gaz, dans lequel les électrodes sont placées lrune en face de l'autre et forment en môme temps avec àu moins un isolateur en céramique le boîtier du limiteur de tension présentant 5 une soudure céramique-verre-métal étanche au vide, caractérisé par le fait qu'au niveau de la jonction avec l'isolateur en céramique annulaire (3, 8), les électrodes (1,2, 10, 11, 12) enveloppent annulairement celui-ci, avec interposition de verre (6). 2. Limiteur de tension suivant revendication 1, caracté- 10 risé par lë fait que l'isolateur de céramique (3) présente à l'intérieur du boîtier étanche, une surface libre de révolution éloignée de l'axe longitudinal du limiteur de tension et qui forme, avec les parties des électrodes voisines de l'isolateur, une gorge annulaire (13), sur le fond de laquelle est placé le verre (6) 15 formant la soudure céramique-verre-métal entre l'isolateur (3) en céramique et les parties voisines des électrodes. 3. Limiteur de tension suivant revendication 2, caractérisé par le fait que l'isolateur annulaire (3) présente une section en forme de T dont la barre longitudinale ou transversale est 20 perpendiculaire à l'axe longitudinal, qu'une électrode (2) réalisée sous la forme d'un cylindre massif à capuchon terminal est fixée par ce capuchon sur un des côtés de l'isolateur annulaire (3), dans la zone de la barre longitudinale du T, par la soudure céramique-verre-métal (6), et pénètre par son cylindre allongé (2) 25 dans l'isolateur (3) et est centrée à l'intérieur d'une deuxième électrode (1) en forme de' cylindre creux et pourvue d'un capuchon terminal fixé de l'autre côté de la barre longitudinale du T par la soudure céramique-verre-métal. 4. Limiteur de tension suivant revendication 1 en forme 30 de bouton, caractérisé par le fait qu'une des électrodes du limiteur de tension a la forme d'une tige métallique (9) portée par un capuchon terminal (10) formant une collerette en forme de V entourant le bord extérieur de la tige métallique (9) et pénétrant dans le boîtier étanche et dans laquelle est placée une extrémité 35 de l'isolateur annulaire (8) avec le verre (6), tandis que la deuxième électrode (11), opposée à la précédente, est exécutée en forme de pot dans lequel pénètre l'extrémité libre de l'électrode (9) en forme de tige, et est portée au bord extérieur de son extrémité libre par une pièce métallique dfe révolution,(|2) engagée avec le verre (6) dans loutre extrémité de l'isolateur annulaire (8).