Brevet FR2217782A1 — publié le 19740906

Le secteur technique de l'invention est celui des condensateurs électriques secs, constitués par des armatures métalliques superposées et séparées par une substance diélectrique-sèche. Dans la technique actuelle, les armatures sont généralement réalisées par départ de couches métalliques très minces sur des feuilles de substance diélectrique fines et relativement souples. On utilise en particulier le plus souvent deux feuilles de substance diélectrique longues et étroites que l'on métallise sur une face, que on superpose et que l1on bobine ensemble, chaque surface métallisée constituant une armature du condensateur et étant reliée par toute la longueur de l'un de ses côtés à un fil de sortie. De nombreuses substances naturelles ou artificielles utilisables comme diélectrique sont connues. Parmi celles qui permettent de fabriquer les condensateurs manifestant les meilleures caractéristiques, on trouve des matières thermoplastiques telles que le polytéréphtalate d'éthylène (Mylar), lespolycarbonates,le polystyrène, le polytétrafluoréthylène (Téflon), etc. Ces substances diélectriques offrent à des degrés divers des propriétés convenant à leur application à la fabrication de condensateurs; elles présentent toutefois l'inconvénient de ne supporter que des échauffements limités; c'est ainsi que les condensateurs au polystyrène n'admettent pas une température supérieure à 850C environ, et ceux au Téflon,substance dont la tenue aux températures élevées est relativement très bonne, ne peuvent titre utilisées au-dessusde 200 C. L'invention a pour objet un procédé de fabrication de condensateurs avec, comme diélectrique, une substance permettant un fonctionnement à des températures plus élevées, cette substance étant une matière thermoplastique polyimide connue. sous le nom de Kapton. Les propriétés de cette substance sont telles que des c6n- densateurs au Kapton peuvent fonctionner jusqu'à des températures voisines de 2500 c, pouvant mtme atteindre momentanément 2750 C, donc nettement supérieures aux températures maximales habituelles. L'utilisation du Kapton en tant que diélectrique pour condensateurs se heurte toutefois à d'importantes-difficultés résultant de la présence dans le Kapton commercialisé d'un résidu du solvant utilisé pour la fabrication de cette résine, et le procédé selonl'invention a pour but d'y remédier dans une large part. Le procédé selon l'invention comprend principalement tout d'abord la préparation des armatures par découpage en bandes de feuilles de Kapton très minces et métallisation de ces bandes avec marges non métallisées. Puis on bobine ensemble deux bandes métallisées superposées et convenablement disposées. Le bobinage résultant est alors soumis à un prétraitement thermique qui a pour but de chasser le résidu de solvant que contient le Kapton du fait de son mode de fabrication, puis à un traitement thermique de stabilisation chimique et mécanique. On procède ensuite à l'application par shoopaged'une couche métallique à chaque bout du bobinage, puis au report des connexions électriques qui est efIec- Gué de préférence également par shoopage.La substance métallique utilisée pour le shoopage est de préférence l'alliage connu sous le nom de Monel. On fait subir alors au condensateur ainsi constitué un traitement de formation électrique qui est de préférence multiple, puis on le munit d'un enrobage non totalement étanche. L'invention comprend également les condensateurs labrlqués selon ce procédé. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente une bande de Kapton et son revêtement métallique. Les figures 2 et 3 représentent en perspective les deux bandes de Kapton métallisé superposées, respectivement avant et après bobinage. La figure 4 représente en coupe partielle un condensateur selon l'invention en cours de shoopage. Le procédé selon l'invention permet de réaliser des condensateurs dont le. diélectrique est une résine polyamide fabriquée par la société Du Pont de Nemours et connue sous le nom de Kapton. Une feuille de Kapton de très faible épaisseur, égale dans ltexemple présent à 12 microns, est découpée en bandes de quelques centimètres de large. Un condensateur 1 comprend deux bandes de ce genre 2, 3 qui constituent son diélectrique et portent ses armatures 4, 5 sous forme de plages métallisées déposées sur l'une des faces de chaque bande.Ces plages métallisées sont des couches d'aluminium pur à 99,999, déposées sous Y. ide secondaire k4 à 6. 10 4 torr), d'épaisseur très faible et telle que leur. résistance par carré soit comprise entre 1 ohm et 4 ohms, et de préférence égale à 1,5 ohm, déposées sur ute la surface des bandes diélectriques, hormis une marge longitudinale sur chaque bande, respectivement 6,7.De plus l'une des bandes, désignée par la référence 2, est dépourvue de métallisation sur quelques centimètres à chacune de ses extrémités 8, 10, la longueur de la bande 3 étant ajustée pour que ses extrémités coIncldent, après superposition des bandes, sensiblement avec le milieu des zones non métallisées 8, 10. Cette disposition a pour but d'éviter la formation de cOiu.rts-circuits permanents entre les armatures 4,5 à leurs extrémités; elle présente l'avantage de ne pas créer de surépaisseurs aux extrémités des bandes 2,-3 superposées comme en ferait apparaAitre un morceau de bande de Kapton vierge interposé dans le mEme but entre les extrémités de bandes complètement métallisées.De telles surépaisseurs forment des volumes parasites récepteurs de particules de shoopage, qui entraRnent des courtscircults et réduisent la résistance d'isolement entre les armatures. La démétallisation des extrémités 8, 10 de la bande 2 doit être effectuée très soigneusement, de préférence par voie électrique. Les deux bandes 2, 3 sont superposées comme il a été décrit plus haut, la face métallisée 4 de la bande 2 étant mise en contact avec la face non métallisée de la bande 3 et les marges 6 et7 n'étant pas placées en regard, puis ensemble est enroulé sur une broche de 1,5 à 2 mm de diamètre environ (non r.eprésentée) pour former un bobinage cylindrique 9, lequel est arrêté par deux spires de Kapton adhésif. Ce bobinage est alors soumis à un prétraitement thermique. On a constaté en effet que les feuilles de Kapton utilisées pour réaliser les bandes diélectriques contenaient une petice quantité, environ 0,1% en poids de Kapton, du solvant utilisé pour la fabrication de cette résine, à savoir le diméthylacétamide, dont il est impossible de débarasser complètement le Kapton pendant sa fabrication. Ce solvant, dont le point d'ébullition est voisin de 2000C à la pression atmosphérique, attaque les armatures d'aluminium du condensateur lors de son traitement ermique, phénomène se manifestant par une chute de capacité et une augmentation de tg & consécutives au traitement thermique. Le prétraitement thermique du bobinage a pour but d'éliminer le plus possible du résidu de solvant contenu par les bandes de Kapton. I1 consiste à évacuer très rapidement le solvant du Bobinage, afin que son temps de contact avec les armatures soit minimal, au moyen d'un échauffement de courte durée à haute empérature, c 'est-à-dire à une température voisine de la température limite que peut supporter le Kapton. Le choc thermique ainsi appliqué au bobinage a pour effet de chasser le solvant vaporisé, par la contraction mécanique résultante du bobinage. A cet effet, le prétraitement thermique est réalisé par échauè- ment du bobinage dans-l'air à une température comprise entre 4000C et 6000C pendant un temps compris entre 2 et 5 minutes. On procède ensuite à ltobturation de l'axe 18 du bobinage 9 au moyen d'un bouchon fait d'une pSte aqueuse de nitrure de bore 13. Puis a lieu le traitement thermique proprement dit du bobinage; ce traitement a pour but de stabiliser chimiquement et mécaniquement ce dernier par cuisson à température supérieure à la température maximale d'utilisation du condensateur. Parmi un grand nombre de possibilités, le traitement choisi consiste en un maintien du bobinage à une température de 2750C pendant 16 heures dans ltair. On peut envisager aussi un traitement en atmosphère gazeuse neutre (argon ou azote). Le bobinage est alors soumis à lXopération de shoopage, qui consiste à appliquer à chaque tranche du bobinage une couche métallique adhérente assurant la liaison électrique de chaque armature sur toute sa longueur à une pièce métallique telle qu'une borne ou un fil de sortie. Cette opération est effectuée par projection d'une substance métallique en fusion 15 par un canon 11 incliné d'un angle par rapport au plan de la tranche à traiter 12 à une distance de 45 à 50 cm de celle-ci, de manière à former une couche métallique 14 qui adhère au bord de l'armature atteignant le plan 12.La substance métallique choisie dans le présent exemple est l'alliage connu sous le nom de Monel (80 de cuivre et 20% de nickel), lequel est projeté sous un angle i égal à 300 qui permet une atteinte satisfaisante du bord de l'armature. Pour cette opration, le bobinage est porté à une température voisine de 300 C. Les connexions de sortie 16 sont des fils de 0,6 à mm mm de diamètre, conformés en spirale du e8té du bobinage. Ils sont réalisés en un alliage connu sous le nom de Arcap (63 de cuivre, 25% de nickel, 9 de zinc, 2 de métaux d'addition), choisi pour son inoxydabilité à 2500C et sa soudure aisée, notamment sur le Monel. Les fils de connexion 16 sont fixés par report direct sur chaque couche 14 au moyen de l'alliage de shoopage Lui-mme, sans apport d'aucune substance étrangère susceptible de réagir avec les matériaux utilisés et de modifier dans le temps les caractéristiques mécaniques et électriques de la iiaisoii, notanirnent sous contrainte thermique.A cet effets chaque fil de connexion 16 est posé et maintenu mécaniquement sur la couche 14 de shoopage correspondante déjà réalisée, puis une deuxième couche 17 de Monel est appliquée par sho-opage, laquelle enferme la spirale du fil 16 e adhère à la première couche 14. Cette opération peut être effectuée avantageusement sur un grand nombre de bobinages 9 à la fois. Chaque bobinage 9 est soumis alors à un dernier traite- ment qui réalise sa formation électrique. Cette opération permet éliminer les défauts partiels créant des courts-circuits entre les armatures et de réduire le nombre d'auvorégénérations du diélectrique du condensateur en service qui diminuent la valeur de sa capacité.Elle permet à la fois de vérifier l isolement électrique des armatures du bobinage pour aes tensions supérieures -à la tension nomlnale du condensateur achevé et à préserver ce dernier, pendant sa vie active, contre des surtensions pouvant se traduire par des autozgénérations intempestives ou encore par des défauts permanents. On procède tout d'abord à une préformation électrique de préparation des contacts, qui consiste à appliquer aux conne xions du bobinage, pendant un temps assez court, une tension alternative de faible valeur par rapport à la tension maximale de formation proprement dite. On a choisi de soumettre le bobinage à une tension de 30 Veff à 50 Hz pendant 5 ma. La formation électrique proprement dite peut être e7;ectuée en général par application soit d'une tension continue, Soit d une tension alternative. La formation en courant alternatif élimine davantage de défauts que la formation en courant continu, mals elle est plus sévère pour les contacts du condensateur qui supportent en général difIicilement toute variation rapide de tension, avec pour résultat une augmentation de l'angle de perte du condensateur. C'est pourquoi on a choisi d'eftectuer une formation électrique mixte, combinant l'application d'une tension continue et d'une tension alternative. La formation électrique en courant continu consiste en l'application entre les armatures du condensateur dut une tension coXbinue variable, partant ae zéro pour atteindre 500 V en 2 secondes, puis restant pendant 5 secondes à cette valeur etdimi- nuant enfin jusqu a s'annuler au bout de 2 secondes, le courant instantané d'autorégénération étant limité à lmA environ. Elle est suivie de la formation en courant alternatif, laquelle consiste en l'application au condensateur d'une tension alternative variable, à 50 Hz, partant de zéro pour atteindre OVet soit environ 1,5 fois la tension de service) en 5 secondes, puis restant pendant 5 secondes à cette valeur et diminuant enfin jusqu'à stannuler au bout de 5 secondes. On procède enfin à un enrobage du bobinage pour obtenir le condensateur achevé prêt à être utilisé. Il est à noter que cet enrobage ne doit pas réaliser une f'ermeture btalement étanche, car cela empêcherait l'évacuation de vapeurs du solvant résiduel du Kapton qui ne peut être complètement éliminé lors de la fabrication du bobinage. La finition choisie comprend un enrobage par un ruban de Kapton adhésif bobiné en plusieurs couches debor- dantes, les bouts du condensateur où se trouvent les fils de connexion étant remplis par une résine époxy résistant aux tempé- ratures élevées. A titre indicatif, les condensateurs au Kapton selon l'invention peuvent fonctionner jusqu'à une température de 2500C, et même jusqu'à 275 C environ pour de courtes durées; ils présén- tent un angle de perte de 50.10-4 à 1000 Hz, une résistance d'isolement supérieure à 50 000 mégohms pour les valeurs infé- rieures ou égales à 0,22 microfarad, et de 10 000 mégots -microfarads pour les valeurs supérieures à 0,22 microfarad. Leur tension de service est de 160 Veff à 50 Hz Ce 250 V continus, leur tension d'essai est de 250 Veff à 50 Hz ou de. 400 V continus. En résumé, les particularités du procédé selon-l'inven- tion qui viennent entre décrites ont pour but principal de remE- dier aux difficultés que crée la présence de solvant dans le Kapton disponible dans le commerce. Le résidu de solvant contenu dans le Kapton se manifeste notamment par une attaque chimique de la couche de métallisation dont est revêtu un diélectrique fait de cette résine, et en outre par une entrave à la régénération des points faibles ou des points en court-circuit du condensateur achevé. Le procédé selon ltinvention pallie amplement ce comporte- ment anormal du Kapton et permet d'améliorer très notablement le rendement de fabrication des condensateurs qui, sans les prEcau- tions décrites, serait très mauvais. Ce procédé donne ainsi la possibilité de réaliser industriellement des condensateurs d diélectrique métallisé utilisables d haute température. REVENDICATIONS 1. - Procédé de fabrication de condensateurs secs à température de service élevée, utilisant comme diélectrique une résine polyimide connue sous le nom de Kapton, caractérisé par le fait que les armatures d'un condensateur sont réalisées par métallisation de bandes de ladite résine, celles-ci étant ensuite enroulées en bobinage de la manière connue, que l1on soumet le bobinage à un prétraitement thermique de-courte durée qui. lui inflige un choc thermique, puis à un traitement thermique de longue durée, que l'on fixe à chaque bout de bobinage. ------- Une connexion électrique de sortie reliée à l'armature corresponaante et que l'on fait subir au bobinage une formation électrique multiple. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le prétraitement thermique consiste à porter rapidement le bobinage à une température voisine de la température limite que peut supporter le Kapton. ).- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la température de prétraitement thermique est voisine de 4500c et que le bobinage y est soumis dans l'air pendant une durée de 2 minutes environ. 4. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le traitement thermique consiste à maintenir pendant un temps convenable le bobinage à une température supérieure à la température maximale de service du condensateur achevé. 5. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la température de traitement thermique est sensiblemens égale à 2750C et que le bobinage y est soumis dans l'air pendant une durée de 16 heures environ. 6,- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que 1 t on effectue le raccordement électrique des armatures du bobinage par shoopage, c'est-à-dire que l'on projette une substance métallique fondue sur chaque bout du bobinage où elle forme une couche adhérant à l'une des armatures, et que l'on réalise un report direct des connexions électriques de sortie du condensateur également par shoopage. 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la substance métallique de shoopage est projetée sur chaque plan d'extrémité du bobinage sous une incidence voisine ae 30 . 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé par le fait que la substance métallique de shoopage est un alliage composé de 80% de cuivre et de 20% de nickel, connu sous le nom de Monel. 9.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le traitement de formation électrique comprend un traitement de formation en courant continu et un traitement de formation en courant alternatif. 10;- Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le traitement de formation électrique en courant continu consiste en l'application d'une tension continue croissant Jusqu'à 500 V en 2 secondes, restant égale à cette valeur pendant 5 secondes et diminuant jusqu a zéro en 2 secondes le courant étant limité à 1 m A. 11.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le traitement de formation électrique en courant alternatif consiste en l'application d'une tension alternative à 50 Hz croissant jusqu'à 380 Veff en 5 secondes,rest-ant égale à cette valeur pendant 5 secondes et diminuant jusqu'à zéro en 5 secondes. 12.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le traitement de formation électrique du bobinage est procédé d'un traitement de préformation électrique en courant alternatif. 13.- Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le irait que le traitement de préformation électrique comprend l'application d'une tension électrique de 30 Vefr à 50 Hz pendant 5 minutes environ. 14.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait quel"on réalise la métallisation des bandes diélectriques par dépit d'une couche mince d'aluminium dont la résistance électrique par carré est comprise entre 1 ohm et 3 ohms. 15.- Procédé selon la revendication 14, caractérisé par le fait que la résistance par carré du dét métallique est égale à 1,5 ohm. 16.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le rait que l'on élimine par voie électrique la métallisation aux extrémités de l'une des bandes diélectriques métallisées sur une longueur de quelques cesleimètres. 17.- Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que l'on obture le volume axial du bobinage, après prétraitement thermique de ce dernier, au moyen. d'un bouchon fait d'une pâte aqueuse de nitrure de bore. 18.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le bobinage traité et muni de connexions est recouvert d'une enveloppe non totalement étanche. 19.- Procédé de fabrication de condensateurs secs à température de service maximale de l'ordre de 2500C comprenantle découpage de-deux bandes d'un materiau diélectrique constitué par une résine polyimide connue sous le nom de Kapton et contenant un résidu de solvant constitué de diméthylacétamide, la métallisation de ltune des faces des deux dites bandes et l'enroulement des bandes métallisées en un bobinage avec la face non métallisée de l'une des bandes en contact avec la face métallisée de l'autre caractérisé par le fait que ledit procédé comprend un traitement thermique d'élimination du solvant consistant à chauffer ledit bobinage à une température comprise entre 4000C et 600"C pendant une durée comprise entre 2 et 5 minutes. 20.- Condensateur sec comprenant deux bandes minces d'une résine polyimide dite Kapton métallisée sur une face par une couche d'aluminium, à l'exception d'un bord de la bande qui reste non métallisé, et enroulées en un bobinage unique, la face non métallisée de l'une des bandes étant en contact avec la face métallisée de l'autre et les deux bords non métallisés des bandes étant situés respectivement en haut et en bas du bobinage, et deux connexions métalliques reliées auxdites couches métallisées, caraetérisé par le fait que la résine polyimide est débarrassée par choc thermique de laquasi-totalité du résidu de diméthylacétamide qu'elle contient et que chaque connexion est reliée à une couche métallisée par un dépôt d'alliage Monel effectué dans un des plans terminaux du bobinage et en contact d'une part avec cette couche métallisée par le bord de celle-ci et d'autre part avec ladite connexion. 21,- Condensateurs électriques obtenus par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 19.