Brevet FR2246952A1 — publié le 19750502

La présente invention concerne les condensateurs électriques et plus spécialement les condensateurs électriques 1,compacts" comprenant une électrode formée par un film thermoplastique métallise. Un condensateur comprend une paire d'électrodes électriquement conductrices,séparées l'une de l'autre au moyen d'un intercalaire diélectrique isolant disposé entre elles.Jusqu'ici,ces intercalaires ont été réalisés en papier kraft ou en d'autres matières cellulosiques, et plus récemment par des films en résine synthétique, seuls ou conjointement à des feuilles de papier kraft. Les films de résine synthétique en général, et les films polypropylène en particulier,sont supérieurs aux diélectriques formés par des feuilles de matière cellulosique,en ce sens qu'ils peuvent résister à des contraintes de tension plus élevées par unité d'épaisseur,qu'ils sont moins sujets à des fissures et à des défauts tels que des piquages ou des particules conductrices,qui réduisent la résistance électrique, et qu'ils ont de meilleures caractéristiques de facteur de puissance.Compte tenu de ces propriétés et d'autres encore,les con densateurs comportant des diélectriques formés par un film en résine synthétique peuvent être fabriques habituellement selon des dimensions inférieures à ce qui est le cas avec les condensateurs à diélectrique en papier, pour obtenir des valeurs de capacité et de tension nominale équivalentes.Toutefois, de min ces films de résine synthétique présentent l'inconvénient de ne pas glisser facilement l'un sur l'autre,non plus que sur des surfaces métalliques,par exemple sur les feuilles métalliques formant électrodes avec lesquelles ils sont enroulés lors de la fabrication des condensateurs.Le coefficient de frottement élevé résultant (souvent dénommé "faible glissement"} entre une surface d'un film en résine synthétique et une surface voisine d'un autre film en résine synthétique ou d'une feuille métallique rend difficile l'enroulement de ces films et de ces feuil les pour former des condensateurs.En outre, les forces de friction élevées et le manque de glissement entre les couches voisines induisent ou favorisent la formation de vides d'air dans le condensateur enroulé finalement obtenu.En conséquence, la résistance électrique du condensateur est nettement réduite,la tension d'amorçage d'effet corona est abaissée et les condensateurs sont sujets à un claquage prématuré et à une durée de ser vice plus courte. En outre,si l'imprégnation du condensateur avec un fluide-diélectrique est envisagée,on constate qu'une imprégnation adéquate ne peut pas être obtenue facilement.Une mau vaisr imprégnation a pour conséquence la présence de pores et de vides inoccupés dans les interstices ménagés entre les films et les surfaces voisines,avec en conséquence une détérioration résultante et un claquage prématuré du condensateur L'assemblage d'un condensateur peut être facilité en réalisant l'une au moins des électrodes à partir d'un film ou intercalaire en diélectrique métallisé,ce qui supprime ainsi la nécessité d'utiliser un élément intercalaire séparé. Les condensateurs à régénération ou à "auto-régénérationt' sont habituellement de ce type. On a constaté que les condensateurs à diélectriqe métallisé peuvent être assemblés à des vitesses élevées si le diélectrique métallisé est physiquement modifié pour augmenter le glissement. L'invention est matérialisée en conséquence dans un condensateur électrique dans lequel 1 'une au moins des électrodes est constituée par un film thermoplastique métallisé présentant un grand nombre de saillies sur l'une au moins de ses faces, ces saillies s'étendant au delà de la surface du film,sur une hauteur telle que le film métallisé ait un coefficient de frottement dynamique (tel que défini ci-après)ne dépassant pas 0,7 , et de préférence ne dépassant pas 0,5. Les films polymères thermoplastiques convenant à une utilisation suivant l'invention comprennent des films formés à partir de n'importe quelle matière thermoplastique possédant les propriétés électriques requises et capable d'être transformée en films par n'importe quelle technique de formation de films classique. Les matières convenables comprennent les polycarbonates, les polyamides comme le polyhexaméthylène-adipamide ou le polycaprolactame, les polyesters comme le térephtalate de polyéthylène et le 1,2-diphénoxyéthane-4,4'-dicarboxylate de polyéthylène ,les polyoléfines et les polymères et copolymères vinyliques.Une matière préférée est constituée par un polymère de propylène ayant de façon prédominante une structure cristalline stéréorégulière de poids moléculaire élevé ,sous la forme d'un homopolymère,ou bien copolymérisé avec de petites quantités (par exemple jusqu'à zou en poids) d'autres monomères insaturés comme l'éthylène. Les films sont judicieusement formés à partir de ces matières de toute manière classique,par exemple par laminage7 extrusion, pressage ,coulée dans un solvant ou coulée en fusion, et ils sont de préférence orientes par étirage du film pour lui conférer une résistance mécanique.Un film particulièrement judicieux est produit par extrusion en fusion de polypropylène sous la forme d'un tube à partir d'une buse annulaire,gonflage du tube par le procédé dénommé procédé "par bulle" pour créer une orientation transversale, et allongement simultané du tube dans le sens longitudinal pour orienter lefilm dans la direction longitudinale.Le film est ensuite "stabilisé à chaud" à une température inférieure à son point de fusion Suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, les saillies prévues sur l'une au moins des faces du film sont produites par un traitement de gaufrage ou repoussage qui augmente ltépaisseur apparente du film et qui peut changer son aspect. Le gaufrage du film peut être effectué dans n'importe-quel appareil convenable,qui va conditionner la surface du film.Une méthode convenable-fait intervenir le conditionnement de la surface d'un film thermoplastique au moyen d'un élément chauffé ne réalisant qu'un contact momentané avec la surface,de sorte que la chaleur et la pression nécessaires vont produire le motif- dé- siré sur un côté ou sur les deux côtés du film.La température de l'élément chauffé et la pression sont réglées de telle sorte que la surface du film soit gaufrée selon les caractéristiques superficielles de l'élément chauffé. De préférence,ltélément chauf fé est un rouleau métallique qui présente en relief le motif désiré.La surface du film plastique traité de cette manière est très semblable à celle du rouleau au moyen duquel elle a été gaufrée.Le gaufrage,qui ne doit pas détruire l'intégrité du film, fournit ainsi sur les surfaces du film la rugosité ou le motif désiré. Suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention,selon lequel le film thermoplastique doit être orienté, le film subit un rétreint sélectif pour obtenir,à sa surface,un motif formé de parties rétreintes alternant avec des parties non rétreintes,ce qui forme ainsi des saillies superficielles sur le film. Le rétreint de parties choisies du film est effectué par chauffage de ce film à la température de rétreint,en utilisant n'importe quel appareil convenable fournissant le degré de chauffage désiré.Une méthode convenable fait intervenir le passage du film orienté sur un élément chauffé tel qu'un rouleau chauffé muni de petits orifices,un rouleau muni de protubérances chauffées,un crible ou tamis chauffé ou un dispositif analogue,de telle sorte que les parties du film qui sont en contact avec l'élément chauffé subissent un rétreint,tandis que les parties du film qui se trouvent au-dessus des orifices ou entre les protubérances ne subissent pas de rétreint. Les films thermoplastiques convenant à une utilisation suivant l'invention ont une épaisseur variant de 4 à 150 microns environ,m is pour faciliter l'incorporation des films à des condensateurs,une épaisseur de film comprise entre 6 et t5 microns environ est préférable. Les saillies superficielles produites par gaufrage ou rétreint doivent s'étendre au-dessus de la surface du film jusqu'à une hauteur telle que l'on obtienne de bonnes Ca- ractéristiques de glissement entre des couches de films voisines.0n entend par bonnes caractéristiques de glissement le fait que le coéfficient de frottement dynamique,mesuré par la méthode du coulisseau ou patin mobile,selon la norme britannique 2782 311A, ne dépasse pas 0,7 et de préférence ne dépasse pas 0,5. Judicieusement,la hauteur des saillies va de 0,1 à 60 microns et de préférence de 1 à 10 microns.Dans un film convenant particulièrement bien, le motif en rel-ief gaufré se présente sous la forme d'une série de cannelures ou de dépressions parallèles s'étendant transversalement au film,perpendiculairement à l'axe longitudinal de celui-ci ou selon angle pouvant aller jusqu'à 450 environ par rapport à cet axe longitudinal. Dans ce type de film,l'écartement entre les cannelures voisines est judicieusement de l'ordre de 1 à 2 millimètres. La métallisation du film est effectuée par des techniques classiques,judicieusement par dépôt sous vide,au cours duquel un métal tel que l'aluminium, le zinc, l'argent, l'or ou le nickel est déposé par évaporation sur la surface d'un film placé dans une chambre maintenue dans des conditions de vide poussé,de façon à déposer une couche de m > tal à la surface du film.Judicieusement,la surface du film est sounise à des traitements chimiques ou physiques > par exemple à une oxyda-tion par des acides minéraux ou à une exposition à des effluves avant la métallisation, de façon à améliorer l'adhérence de la couche métallique sur le support formé par le film.On a observé que la formation de saillies superficielles sur les films suivant l'invention réduit les caractéristiques de prise en massez du film,ce qui permet ainsi l'exposition du film à un traitement par décharges en effluves plus intense que cela n'est possible avec un film vierge1 eut une métallisation ultérieure du film ayant subi ainsi un traitement intense fournit une liaison nettement améliorée entre la couche métallique et le support formé par le film.En outre,la vitesse à laquelle la métallisation est effectuée peut être augmentée,étant donné que le glissement amélioré réduit l'incidence des plis dans le plan longitudinal du film.Par suite,il est préférable de métalliser la surface du film après la formation des saillies superficielles sur celui-ci. La métallisation peut bien entendu être effectuée sur une ou sur les deux surfaces du film thermoplastique , selon la destination finale particulière envisagée pour le film métallisé. Les films suivant l'invention peuvent renfermer n'importe lequel des additifs normalement utilisés dans les films thermoplastiques destinés à être utilisés dans l'industrie électrique. Par exemple,le film thermoplastique peut renfermer un anti-oxydant et (ou) un agent anti-corrosion ,tel que le stéa rate-de calcium. Si désiré,un condensateur fabriqué suivant l'invention peut être imprégné avec un agent d'imprégnation diélectrique convenable. On entend par l'expression "agent d'imprégnation" n'importe lequel des agents dtimprégnation fluides utilisés de façon classique dans l'industrie électrique.Des exemples d'agents d'imprégnation convenables sont les huiles minérales, l'huile de ricin, l'huile de graines de coton, l'huile de silicones et le polybutène. Des gaz sous pression,par exemple de l'azote ou de lthexafluorure sulfuré sec, peuvent également être utilisés. Les techniques d'imprégnation classiques conviennent bien entendu pour l'imprégnation des condensateurs suivant l'invention. La réduction du coefficient de frottement dynamique entre des couches voisines du film métallisé muni de saillies superficielles suivant l'invention permet d'effectuer l'enrou- lement du condensateur à une vitesse accrue,par comparaison à ce qui est possible lorsqu'on utilise un film lisse ou non gaufré,c'est-à-dire sans relief. La description qui va suivre,faite en regard des dessins annexés,donnés à titre non limitatif,permettra de mieux comprendre l'invention . La fig. 1 est une vue en plan schématique d'un film métallisé muni d'un gaufrage transversal. La fig. 2 est une vue en élévation partielle par la ligne II-II en fig.1 La fig. 3 est une vue en plan schématique d'un morceau de film ayant subi un gaufrage différent. La fig.4 est une vue en perspective d'un système de condensateur enroulé partiellement développé. Si l'on se reporte aux fig.1 et 2, un film de polypropylène désigné d'une façon générale par la référence 1 et muni d'une couche d'aluminium 2 adhérant étroitement sur lui, ayant une épaisseur de 10 millimicrons environ, est gaufré de façon à être muni d'un motif en relief formé de nervures sensiblement parallèles 3, dans une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal du film. L'épaisseur des zones non déformées du film, indiquée par la dimension "a", est égale à 12 microns, tandis que l'épaisseur des nervures formées par gaufrage,indi- quée par la dimension "b",est égale à 6 microns. La distance séparant des nervures voisines est i millimètre .Bien que cela n'ait pas été représenté sur les fig. 1 et 2, une partie marginale non métallisée est prévue au voisinage de l'un des bords longitudinaux du film 1. Un film de polypropylène analogue 10 est représenté sur la fig.3 . Toutefois,dans ce cas,le motif formé par gaufrage se présente sous la forme de rangées de mamelons en relief Il ayant une forme sensiblement hémisphérique,une rangée de mamelons ou bossages quelconque faisant un angle den- viron 60 par rapport à l'axe longitudinal du film. Le condensateur désigné par 202 représenté sur la fig .4, peut être obtenu par enroulement en spirale de bandes de film de polypropylène 21,22 métallisées chacune au moyen d'aluminium 23,24 et munies par gaufrage d'un motif en relief formé de nervures sensiblement parallèles 25,26,sur un noyau en polypropylène tubulaire 27. Les films métallisés sont enrou lés dans des conditions telles que la surface métallisée d'un film soit en contact avec la surface de polypropylène du film voisin, ce qui supprime ainsi la nécessité de prévoir un intercalaire diélectrique séparé entre les électrodes. Pour faciliter l'adaptation de conducteurs électriques sur le condensateur considéré dans son ensemble,la couche métallisée portée par chacune des bandes de film de polypropylène se termine un peu avant un bord longitudinal,et les bandes sont réunies de telle sorte que ces parties marginales non métallisées 28 et 29 se trouvent aux extrémités opposées du condensateur. chaque face terminale 30,31 du condensateur est munie d'un revetement métallique appliqué par pulvérisation (non représenté),sur lequel des conducteurs électriques 32,33 sont fixés par des perles de soudure 34,35,pour établir un contact électrique avec les couches métallisées 23 et 24 respectivement. L'incorporation du système formé par le condensateur à un circuit électrique est facilitée si le conducteur 33 est enfilé à travers le noyau en polypropylène 27,comme montré. Les exemples donnés ci-après à titre non limitatif permettront de mieux comprendre encore comment l'invention peut être mise en oeuvre. EXEMPLE I On prépare uh film en homopolymère de polypropylène à orientation biaxiale renfermant 0,1% en poids de 1,3,5 triméthyl-2,4t6-tris(3',5'-di-t-butyl-4'-hydroxybenzylwbenzène à titre d'agent anti-oxydant et 0,1% en poids de stéarate de calcium à titre agent anti-corrosion, par la technique classique de formation d'un film par le procédé "par bulle", technique selon laquelle le film est étiré pour recevoir sept fois environ ses dimensions initiales, à la fois dans le sens longitudinal et dans le sens transversal,et est stabilisé thermiquement à 1200C,tandis qu'il est maintenu sous tension.Ltépais- seur du film est de 12,7 microns. Après avoir été refendu,un échantillon du film plat résultant est gaufré de façon à recevoir un motif formé de cannelures parallèles s'étendant transversalement au film, par passage de ce film autour d'un rouleau de gaufrage muni d'un motif en relief approprié,maintenu à une température d-'en- viron llG C. L'écartement entre les cannelures voisines est de 1 mm,et la hauteur moyenne du motif gaufré au-dessus de 1a surface du film est de 6 microns. Après gaufrage,le film est métallisé,sur le côté à partir duquel les cannelures produites par gaufrage font saillie,avec une mince couche d'aluminium,dans un appareil de métallisation sous vide classique,fonctionnant sous une pression de 10 mm Hg, la résistivité superficielle du film métal 2 lisé étant d'environ 4 ohms par cm , le coefficient de frotte- ment dynamique (méthode du patin en mouvement - norme britannique 2782 311A) étant égal à 0,45. Un échantillon témoin du même film,qui n'a pas été soumis à un gaufrage,subit alors le traitement de mftalli- sation précité; le film métallisé résultant a,comme on le constate,un coefficient de frottement dynamique égal à 0,8. Les condensateurs du type représenté sur la fig. 4 des dessins ont été enroulés à partir de couches de films gaufrés et non gaufrés respectivement,et on a constaté que la vitesse à laquelle les condensateurs formés de films gaufrés sont enroulés peut être augmentée de 5-0% par rapport à celle à laquelle le-s condensateurs en films non gaufrés sont enroulés, avant qu'une formation de plis longitudinaux sur les couches de films devienne apparente. La stabilisation ultérieure des condensateurs suivant l'invention,en soumettant ces condensateurs à un traitement thermique à une température d'environ 1150entend à supprimer les cannelures produites par gaufrage réduisant par suite l'incidence des interstices d'air dans les spires du con densateur . EXEMPLE 2 On procède comme décrit dans l'exemple 1,en utilisant un film de polypropylène d'une épaisseur de 8 microns, qui est gaufré de manière à recevoir un motif en relief formé de cannelures parallèles,la hauteur moyenne du motif forme par gaufrage au-dessus de la surface du film étant due 2 microns. Le film métallisé gaufré a un coefficient de frottement dynamique égal à C,6 et peut être enroulé pour former des condensateurs à une vitesse qui est d'environ 52% supérieure à celle à laquelle un échantillon téman du même film (métallisé mais non gaufré) ayant un coefficient de frottement dynamique de t,l peut être enroulé sans incidence due à la formation de plis longitudinaux dans le film Des modifications peuvent être apportées aux modes de mise en oeuvre décrits,dans le domaine des équivalences techniques,sans s'écarter de l'invention . REVENDICATICNS 1.- Condensateur électrique dans lequel l'une au moins des électrodes est formée par un film thermoplastique métallisé comportant un grand nombre de saillies sur l'une au ojns de ses facesscaractérisé en ce que ces saillies s'étendent au delà de la surface du film jusqutà une hauteur telle que le film métallisé ait un coefficient de frottement dynamique,selon la norme britannique 2782 311A, ne dépassant pas 0,7, et de préference ne dépassant pas 0,5. 2.- Condensateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les saillies s'étendent au delà de la surface du film jusqu'à une hauteur allant de 0,1 à 60 microns, et de préférence de 1 à 10 microns. 3.- Condensateur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le film est muni par gaufrage d'une série de cannelures parallèles s'étendant transversalement au film, perpendiculairement à l'axe longitudinal de celui-ci ou selon un angle allant jusqu'à 45C par rapport à cet axe longitudinal. 4.- Condensateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce que la matière thermoplastique est du polypropylène ou un copolymere de polypropylène avec une quantité allant jusqu'à 10% en poids d'un comonomère insaturé.