Brevet FR2182012A1 — publié le 19731207

La présente invention se rapporte à un procédé de scellement d'un orifice existant sur une surface métallique et elle concerne plus particulièrement un procédé de scellement des orifices de remplissage des compartiments contenant les réactifs d'une pile telle qu'une pile au sodium-halogène. On connait des piles au sodium-soufre qui fonctionnent à températures élevées, par exemple celle décrite dans le brevet des Etats-Unis 3.404.036. Dans cette pile 11 électrolyte solide cristallin peut être du sodium-alumine-bêta. On connaît des piles au sodium-halogène. Ces piles comportent un tube de remplissage communiquant avec chacun des compartiments de réactifs. Lorsqu'on a rempli chaque compartiment avec son réactif par l'intermédiaire du tube de remplissage, on scelle le tube par soudage. On peut aussi fermer ces tubes par pincement. La présence de contamination locale sur les tubes de remplissage, et la présence de réactifs liquides et gazeux dans ces tubes de remplissage,rendentleur scellement difficile, par un procédé de soudage classique. En outre, les tubes scellés font saillie sur la pile. L'invention a pour but d'éliminer les inconvénients ci-desssus par soudage d'un joint d'étanchéité sur chaque orifice de remplissage ce qui élimine les tubes de remplissage ainsi que les difficultés inhérentes à l'obtention d'une surface de soudage métallurgiquement propre et à l'atmosphère de soudage. Suivant un aspect de l'invention, un procédé de scellement d'un orifice existant sur une surface métallique consiste à prévoir une pièce de soudage métallique en contact au moins avec le pourtour de l'orifice et recouvrant ce dernier, et à souder par points le métal. On obtient ainsi un joint étanche sur l'orifice. Suivant un autre aspect de l'invention,un procédé de scellement d'un orifice existant sur une surface métallique consiste à prévoir un écran étanche à la vapeur et destructible par la chaleur obturant hermétiquement l'orifice, une pièce métallique de soudage en contact avec l'écren au moins sur le pourtour de l'orifice et recouvrant ce dernier, et à souder par points le métal de manière à former un joint étanche sur l'orifice. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent Fig. 1, une vue en coupe d'une pile avec un de ses orifices scellés suivant l'invention, et Fig. 2, une vue en coupe d'une pile avec l'un de ses orifices scellés suivant l'invention, et l'autre représenté juste avant son scellement. Sur la Fig. 1 on a représenté une pile au sodium-brome 10 qui comporte un boitier métallique Il délimitant un compartiment-anode 12 et un compartiment-cathode 13. Dans le compartiment anode 12 se trouve une anode 14 en amalgame de sodium. Dans le compartiment-cathode 13 se trouve une cathode constituée par une substance conductrice contenant du brome. Le compartimentanode 12 comporte un orifice de remplissage 16 estampé vers l'extérieur, scellé au moyen d'un joint sphérique 17 suivant le procédé de l'invention. Un électrolyte solide 18 conducteur d'ions sodium sépare et se trouve en contact avec l'anode 14 et la cathode 15. L'électrolyte 18 est fixé sur ses bords opposés, aux compartiments 12 et 13 par des joints de verre 19 identiques. Le compartiment-cathode 15 comporte un orifice de remplissage 20 estampé vers 1' extérieur dont le pourtour porte la référence 21. Une pièce métallique de soudage 22 ayant de préférence la forme d'une sphère est en contact au moins avec le pourtour 21 de l'orifice 20 et recouvre ce dernier. On a aussi représenté une partie d'une électrode de soudage 23 dont l'extrémité est en contact avec la sphère 22. On 8 représenté une partie d'un connecteur de mise à la terre et de refroidissement 24 pour l'électrode 23 et qui est en contact avec le compartiment-cathode 13 au voisinage de l'orifice 20. Sur la Fig. 2, les références 10 à 21 inclus représentent les mêmes éléments que sur la Fig. 1. Un écran 22 étanche à la vapeur et destructible par la chaleur recouvre et obture l'extrémité de l'orifice 20. Cet écran 22, de préférence en paraffine, est en contect étroit avec le pourtour 21 de l'orifiche 20 et obture ce dernier en y pénétrant légèrement. Une pièce métallique de soudage 23, de préférence sphérique, est en contact avec l'écran 22 à proximité du pourtour 21 de l'orifice 20. Puisque l'écran 22 pénètre dans l'orifice 20, la pièce métallique de soudage 23 pénètre un peu, initialement, dans cet orifice 20 et en outre est au contact de l'écran 22. On a représenté une partie d'une électrode de soudage 24 dont l'extrémité est en contact avec la sphère 23.On a représenté un connecteur de mnse à la terre et de refroidissement 25 pour l'électrode 24 et qui est en contact avec le compartiment-cathode 13 au voisinage de l'orifice 20. On a trouvé qu'on pouvait sceller les orifices de remplissage de différents types de piles. Parmi celles-ci citons une pile au sodium-brome comportant un boîtier métallique renfermant une anode dê sodium, ou d'amalgame de sodium, ou encore du sodium dans un électrolyte organique non aqueux, et une cathode faite d'une substance conductrice contenant du brome L'anode et la cathode sont en contact avec un électrolyte solide conducteur d'ions sodium qui les sépare. On connaît un procédé pour sceller hermétiquement les compartiments anode et cathode du boîtier décrit ci-dessus. On peut aussi remplir le compartiment-anode de sodium, d'amalgame de sodium ou de sodium dans un électrolyte organique non aqueux par l'intermédiaire de l'orifice 16, puis on peut sceller cet orifice suivant le procédé de l'invention. On peut remplir le compartiment-cathode avec du brome, et le cas échéant, avec du brome et un électrolyte par l'intermédiaire de l'orifice 20, après quoi on scelle cet orifice suivant le procédé de l'invention. Des fils (non représentés) sont fixés sur les parties respectives du boîtier pour le fonctionnement de la pile. On fait débiter la pile en branchant une charge entre les fils de la cathode et de l'anode. On a trouvé qu'on peut sceller les orifices de remplissage 16 et 20 associés aux compartiments 12 et 13 suivant le procédé illustré par la Fig. 1. Une fois chaque compartiment rempli successivement avec son réactif respectif, on place une pièce métallique de soudage de manière à être en contact au moins avec le pourtour de l'orifice et à recouvrir ce dernier. On soude successivement par points chaque pièce métallique de soudage et on forme ainsi un joint étanche sur chaque orifice. On obtient finalement une pile au sodium-brome étanche. On a trouvé qu'on peut sceller les orifices de remplissage 16 et 20 associés aux compartiments 12 et 13 suivant le procédé illustré par la Fig. 2. Une fois chaque compartiment rempli successivement avec son réactif respectif, on obture l'orifice avec un écran étanche aux vapeurs et destructible par la chaleur. On place une pièce métallique de soudage en contact avec l'écran au moins au voisinage du pourtour de l'orifice. On soude successivement par points chaque pièce métallique de soudage et on forme ainsi un joint étanche sur chaque orifice. On obtient finalement une pile au sodium-brome étanche. On a trouvé qu'il fallait que la pièce métallique de soudage, une fois mise en place, soit au moins en contact avec le pourtour de l'orifice et recouvre ce dernier, ou soit en contact avec l'écran au voisinage au moins du pourtour de l'orifice. Bien que, dans le cas d'un orifice circulaire on préfère utiliser une pièce métallique de soudage sphérique, on peut utiliser d'autres formes telles qu'une ellipse, un cône, un cylindre. Bien qu'on utilise normalement un orifice circulaire, on peut, bien sur, utiliser d'autres formes d'orifice, par exemple, une étoile, un triangle ou un losange. Dans ce cas on adapte la forme de la pièce métallique de soudage à celle de l'orifice. On a trouvé que l'orifice peut être embouti ou non vers l'intérieur ou vers l'extérieur. Il est aussi souhaitable de prévoir un second orifice pour l'échappement de l'air dans chaque compartiment, cet orifice étant scellé ensuite suivant le procédé de l'invention. En outre, on peut modifier le procédé de l'invention pour obtenir un joint d'étanchéité qui comporte un fil métallique s'étendant à l'extérieur et/ou à l'intérieur du boîtier. Lorsque le fil s'étend vers l'extérieur, il sert de connexion électrique, ou on peut l'ôter. Si le fil s'étend vers l'intérieur, il sert de collecteur de courant dans le compartiment. Si le fil s'étend dans les deux directions, il sert à la fois de connexion électrique et de collecteur de courant. On a trouvé que l'obturation de l'orifice des compartiments d'une pile par la mise en place, avant soudage, d'un écran étanche aux vapeurs et destructible par la chaleur, donne un scellement étanche qui protège les réactifs de la pile de l'attaque par les vapeurs d'oxygène, d'eau et de gaz carbonique. L'obturation hermétique des compartiments par cet écran permet la manipulation et le soudage à l'air. On a trouvé qu'on peut au moins couvrir le pourtour de l'orifice avec une couche destructible par la chaleur avant de remplir chaque compartiment avec son réactif, ce qui donne ainsi une surface de soudage métallurgiquement propre. Une fois chaque compartiment rempli avec son réactif respectif, on place avant le soudage un écran étanche aux vapeurs et destructible par la chaleur qui obture l'orifice. On notera que la couche destructible par la chaleur et l'écran étanche aux vapeurs et destructible par la chaleur peuvent être en matériaux identiques ou différents. L'écran doit pouvoir être détruit par la chaleur pendant le soudage pour donner une soudure solide.Cet écran doit être étanche aux vapeurs afin de protéger les réactifs de la pile et permettre un soudage à l'air. Parmi les matériaux appropriés pour l'écran et la couche destructible par la chaleur, on peut citer les cires, les polymères à bas point de fusion résistant aux vapeurs, les papiers traités résistant aux vapeurs, les rubans adhésifs résistant aux vapeurs etc.. On utilise de préférence la paraffine. On va maintenant décrire quelques exemples d'application du procédé de l'invention. EXEMPLE I On a réalisé une pile analogue à celle de la Fig. i qui comprend un boîtier métallique formé de deux compartiments en tantale ayant 0,25 mm d'épaisseur. Chaque compartiment a la forme d'une coupe comportant un rebord à son extrémité ouverte et un orifice à l'extrémité opposée. On forme un disque d'élec- trolyte solide conducteur des ions sodium, par exemple en sodium-alumine 8. On découpe dans un tube de verre Kimble N-51A deux anneaux de verre ayant chacun approximativement un diamètre égal au diamètre intérieur et au diamètre extérieur du rebord des compartiments. On superpose le disque d'électrolyte, les anneaux de verre et les compartiments et on chauffe l'ensemble par induction à haute fréquence à 10500C pendant deux minutes dans un creuset de graphite et sous atmosphère d'argon. On a trouvé que le scellement obtenu est étanche à l'hélium. On remplit ensuite le compartiment anode par l'intermédiaire de son orifice associé, avec un amalgame de sodium contenant environ 90% en poids de sodium et 10% en poids de mercure. On scelle l'orifice au moyen d'une pièce métallique de soudage sphérique recouvrant l'orifice et en contact avec le pourtour de ce dernier. On soude par points la pièce sphérique sur l'orifice en mettant une électrode de soudage en contact avec la pièce sphérique et en faisant passer pendant 4 millisecondes une impulsion de 40 watt secondes de puissance. On ajoute alors du brome par l'intermédiaire de l'autre orifice pour obtenir une cathode de brome dans une substance conductrice. On scelle l'orifice au moyen d'une pièce métallique de soudage sphérique recouvrant l'orifice et en contact avec le pourtour de ce dernier.On soude par points la pièce sphérique sur l'orifice en mettant une électrode de soudage en contact avec la pièce sphérique et en faisant passer pendant 4 millisecondes une impulsion de 40 watt-secondes. On obtient ainsi une pile au sodium-brome étanche. EXEMPLE Il La pile de l'Exemple I présente une tension à vide de 3,5 volts. A la température ambiante, cette pile présente le comportement de polarisation suivant TABLEAU I Densité de courant ÇMicroampères/cm2) Potentiels 10 3.35 25 3.18 50 3.02 100 2.79 200 2.46 500 1.7 EXEMPLE III On ménage dans des feuilles de tantale de 0,25mm d'épaisseur et dans 10 feuilles de tantale de 0,625 mm d'épaisseur un orifice de 0,75 mm de diamètre. On a bouché chaque orifice avec de la paraffine utilisée comme écran étanche aux vapeurs et destructible par la chaleur. On réalise une pièce métallique de soudage sous la forme d'une sphère de tantale de 1 mm de diamètre placée à l'extrémité d'un fil de tantale de 0,625 mm de diamètre.On amène chaque sphère de tantale en contact avec l'écran au voisinage du pourtour de chaque orifice. Le fil est dirigé vers l'extérieur par rapport à la sphère et a l'orifice. On soude chaque sphère par points sur l'orifice amenant le fil de Ta en contact avec une électrode de soudage et en faisant passer pendant une milliseconde une impulsion de 50 watt-secondes, Qna obtenu par ce procédé 20 scellements sphériques métallurgiquement parfaits et étanches à lthélium. EXEMPLE IV On réalise une pile en accord avec la description cidessus et le schéma de la Fig. 2 qui comporte un boîtier métallique formé de deux compartiments en tantale de 0,25 mm d'épaisseur. Chaque compartiment a la forme d'une coupe comportant un rebord et un orifice ménagé dans la surface fermée. On réalise un disque en sodium-alumine P pour servir d'électrolyte solide conducteur d'ions sodium. On découpe deux anneaux de verre ayant approximativement le diamètre intérieur et le diamètre extérieur du rebord des compartiments dans un tube de verre Kimble N-51A. On superpose le disque d'électrolyte, les anneaux de verre et les rebords des deux compartiments puis on chauffe l'ensemble par induction à haute fréquence à 1050 0C pendant deux minutes à l'intérieur d'un creuset de graphite et sous atmosphère d'argon. On a testé le scellement obtenu qui se montre étanche à l'hélium. On remplit ensuite le compartiment-anode par l'intermé- diaire de son orifice associé avec un amalgame de sodium constitué de 90% en poids de sodium et de 10% en poids de mercure environ. On scelle l'orifice en l'obturant avec de la paraffine servant d'écran étanche aux vapeurs et destructible par la chaleur et en mettant en contact avec cet écran, su voisinage du pourtour de l'orifice, une pièce métallique de soudage sphérique. On soude par points la pièce sphérique sur l'orifice en amenant la pièce sphérique en contact avec une électrode de soudage et en faisant passer pendant 4 millisecondes une impulsion de 40 watt-secondes. On ajoute ensuite du brome dans le compartiment cathode par l'intermédiaire de l'autre orifice pour obtenir une cathode de brome dans la substance conductrice. On scelle l'orifice en l'obturant avec un écran de paraffine étanche aux vapeurs et destructible par la chaleur et en mettant en contact avec cet écran, au voisinage du pourtour de l'orifice, une pièce métallique de soudage de forme sphérique. On soude par points la pièce sphérique sur l'orifice en amenant en contact avec la pièce une électrode de soudage et en faisant passer pendant 4 millisecondes une impulsion de 40 watt-secondes. ~ On obtient ainsi une pile au sodium-brome étanche. Revendications 1.- Procédé de scellement d'un orifice existant dans une surface métallique, caractérisé en ce qu'on place une pièce métallique de soudage en contact au moins avec le pourtour de l'orifice et recouvrant ce dernier, et en ce qu'on soude par points ladite pièce afin d'obtenir un joint étanche sur l'orifice 2.- Procédé de scellement d'un orifice existant dans une surface métallique suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on place en outre sur l'orifice un écran étanche aux vapeurs et destructible par la chaleur obturant ledit orifice, et en ce qu'on place ladite pièce métallique de soudage en contact avec l'écran au voisinage au moins du pourtour de l'orifice et de façon à recouvrir ce dernier. 3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'écran est de la paraffine. 4.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pièce métallique de soudage est une sphère. 5.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la piece métallique de soudage comporte au moins un fil de façon à former après soudage un joint d'étanchéité sur l'orifice comportant au moins un fil s'étendant à partir dudit joint. 6.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'orifice est l'orifice de rempliseage de chaque compartiment d'une pile. 7.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'on recouvre au moins le pourtour de chaque ouverture de remplissage avec un écran destructible par la chaleur. 8.- Procédé suivant l'une des revendications 5 à 6, caractérisé en ce qu'on ménage un second orifice pour l'échappement de l'air dans chaque compartiment et en ce qu'on scelle chaque orifice d'échappement d'air. 9.- Procédé suivant la revendication 8 en tant que dépendante de la revendication 5, caractérisé en ce qu'on enlève le fil du joint d'étanchéité obtenu.