Brevet FR2298172A1 — publié le 19760813

La présente invention a pour objet des conditionnements de condensateurs électrochimiques ou électrolytiques, à électrolyte liquide, destinés à être immerges à grande profondeur. Le secteur technique est celui de la construction des circuits et des composants électroniques qui composent les installations placées sous l'eau sous une forte pression hydrostatique. tes condensateurs électrochimiques, appelés également condensateurs chimiques ou électrolytiques, comportent un boîtier cylindrique étanche, généralement en feuillard d'aluminium mince, à l'intérieur duquel sont placées les électrodes enroulées et un électrolyte liquide qui ne remplit pas le bottier. Un tel boîtier ne peut évideraraent pas résister à une pression élevée, mése après avoir été rempli d'électrolyte et l'écrasement du boîtier entraîne l'é- crasement des électrodes et la rupture du diélectrique. Pour pouvoir utiliser de tels condensateurs sous de très fortes pressions hydrostatiques de l'ordre de 50 à 300 bars ou plus, il faut donc modifier leur conditionnement. Une première solution consiste à les enfermer dans un boltier rigide et étanche qui résiste à la pression de sorte que le condensateur ne soit pas comprimé. Cette solution entraîne la construction de bottiers d'autant plus lourds et encombrants que l'on travaille à de plus grande profondeurs et ne convient pratiquement plus pour les installations un peu importantes situees à des profondeurs au delà de 1 000 mètres où toutes les manoeuvres doivent être réalisées au moyen de télémanipulateurs montés sur des engins immerges. La capacité en encombrement et en poids de charge que peuvent porter ces télémanipulateurs ainsi que la flottabilité de ltengin qui les porte sont limitées et le poids apparent ainsi que le volume des boltiers étanches dépassent rapidement les limites admissibles lorsque l'on atteint des profondeurs de l'ordre de I 000 mètres. Une autre solution consiste à mettre ltelectrolyte contenu dans le boltier du condensateur en équipression avec l'eau au moyen d'une poche ou d'une membrane déformable, par exemple d'une baudruche dont l'intérieur est mis en communication avec l'intérieur du boîtier. Cette solution n'est pas sûre pour des installations destinées à des immersions de longue durée, de l'ordre d'un an ou plus, car les propriétés du matériau élastomère qui compose les baudruches ou les membranes s 'altèrent dans l'eau et ce matériau perd son élasticité, ce qui peut conduire à une rupture, d'où destruction du condensateur et arrêt des installations ayant des conséquences très graves lorsque l'installation est située à une profondeur où il est impossible de faire intervenir un opérateur. D'autre part, la liaison étanche entre la baudruche ou la membrane déformable et le boîtier d'un condensateur pose également des problèmes difficiles à résoudre par suite de la faible épaisseur du bottier. L'objectif de la présente invention est de procurer un conditionnement des condensateurs électrochimiques résistant à des pressions hydrostatiques élevées, supérieures à 50 bars et pouvant atteindre ou dépasser 300 bars, en mettant l'électrolyte en équipression avec l'eau par des moyens plus surs que des membranes ou des baudruches déformables. Cet objectif est atteint au moyen d'un conditionnement composé d'une enceinte étanche contenant le condensateur et remplie d'électrolyte, qui communique avec l'intérieur du boîtier du condensateur et qui comporte une paroi métallique déformable de sorte que lXélectrolyte est constamment en équilibre de pression avec l'eau dans laquelle l'enceinte est immergée. Selon un premier mode de réalisation, un conditionnement selon l'invention est composé d'un conteneur cylindrique, à l'intérieur duquel est placé un condensateur électrochimique dont le boîtier a été percé, lequel conteneur est fermé à une extrémité par un fond fixe et à l'autre extrémité par un piston comportant un joint d'étanchéité à sa périphérie et est rempli d'électrolyte. Ce conteneur est usiné dans le même métal que le bottier du condensateur. Les parois internes du conteneur sont usinées avec précision afin de permettre le coulissement du piston. Le fond du conteneur est traversé, de façon étanche, par deux tiges conductrices, composées du même métal que le boîtier du condensateur, qui sont connectées aux bornes du condensateur et isolées électriquement du fond du conteneur. Etant donné que la plupart des condensateurs- électrochimiques- sont des condensateurs avec électrodes et boîtier en aluminium, de préférence le conteneur cylindrique, le piston et les tiges conductrices sont également en aluminium très pur. Pour fabriquer un conditionnement selon l'invention du type décrit ci-dessus, on place d'abord un condensateur électrochimique normal à l,alumi-- nium au fond d'un conteneur cylindrique dont le fond fixe est percé pour le passage des tiges conductrices, on rend étanche les passages des tiges conductrices et on les isole électriquement, on perce le fond du boîtier du condensateur tourné vers le haut, on remplit le conteneur d'électrolyte, on met en place sur le conteneur le piston et son joint, on connecte les deux tiges conductrices sur une source de courant continu, l'anode du condensateur étant connectée à la borne positive de la source, et on laisse branché jusqu'à ce que l'intensité du courant débité soit devenue très faible par suite de la formation d'une couche d'alumine sur les parois de la tige servant d'anode placées au contact de l'électrolyte. Le conteneur qui vient d'être décrit est destiné à conditionner un condensateur électrochimique courant, tel qu'on le trouve actuellement dans le commerce, pour pouvoir l'utiliser à grande profondeur sous l'eau. Un tel conditionnement convient pour de petites séries de quelques dizaines ou de quelques centaines de condensateurs pour lesquelles il ne serait pas rentable de modifier la fabrication du condensateur lui-même. Cependant, un autre objectif de l'invention est de procurer des condensateurs électrochimiques qui soient conditionnés au moment de la fabrication pour être immergés à grande profondeur. Cet objectif est atteint au moyen d'un condensateur dont le boîtier comporte, au-délà de la partie contenant la bobine d'électrodes et les bornes de raccordement, un prolongement ondulé constituant un soufflet déformable. Un des résultats de l'invention est un nouveau produit constitué par un conditionnement en forme de conteneur permettant d'immerger les condensateurs électrochimiQues courants à des profondeurs de l'ordre de 1 000 à 3 000 metres, sans écraser la bobine d'électrodes et sans modifier sensiblement la capacité de ceux-ci. Un autre résultat de l'invention est un nouveau condensateur électrochimique dont le bottier est rempli d'électrolyte et comporte, au-delà de la bobine d'électrodes, un soufflet déformable. Ces deux types de conditionnement présentent l'avantage de maintenir l'intérieur du condensateur en équipression avec l'extérieur en évitant d'avoir à construire des bottiers étanches qui résistent à la pression et en évitant également les dispositifs à membrane ou à baudruche trop fragiles. Les conditionnements selon l'invention sont d'un fonctionnement très sûr et présentent l'avantage de ne pas entratner des augmentations de poids et d'encombrement trop élevées, meme aux très grandes profondeurs d'immersion. Un avantage important de la technique de conditionnement selon l'invention réside dans le fait qu'elle peut servir aussi bien à des profondeurs de l'ordre de 1 000 mètres qu'à des profondeurs plus élevées, ce qui en fait une technique adaptée aux futures recherches de pétrole ou de nodules métalli- ques à très grande profondeur. Un autre avantage de la technique de conditionnement selon l'invention réside dans le fait que la densité du matériel reste voisine de 1. Le poids apparent dans l'eau reste faible et le matériel ainsi conditionné peut être manipulé au moyen de télémanipulateurs portés par des engins immergés. Les composants électroniques immergés à grande profondeur sont pla cés généralement à l'intérieur de caissons remplis d'un bain isolant, par exemple d'une huile, qui est en équipression avec l'eau et qui protège les composants du contact de l'eau de mer. Les conditionnements en aluminium selon l'invention présentent l'avantage de ne pas être attaqués par les bains isolants alors que les membranes souples en matériau déformable risquent d'entre décomposés par certaines huiles. Un autre avantage des conditionnements selon l'invention tient à ce qu'ils résistent mieux à des élévations de température accidentelles du liquide dans lequel ils baignent que des membranes ou des baudruches déformables. On sait que les boîtiers des condensateurs électrochimiques ne sont généralement pas remplis d'électrolyte. Les conditionnements selon l'invention exigent qu'ils soient remplis de liquide. La modification de capacité qui en résulte reste faible et parfaitement compatible avec l'usage de ces condensateurs qui, on le sait, ne sont pas des condensateurs de précision mais uniquement des condensateurs de puissance,à forte capacité, pour lesquels les tolérances sont élevées pouvant atteindre 50 X et même 100 %. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent des exemples de réalisation de l'invention. La figure 1 est une coupe longitudinale d'un conteneur de conditionnement selon l'invention. La figure 2 est une coupe longitudinale d'un condensateur électrochimique conditionné au moment de la fabrication pour être immergé à grande profondeur. La figure 1 représente un condensateur électrochimique à l'aluminium courant 1, composé d'un bottier cylindrique étanche 2, en aluminium, d'axe xxl, d'une bobine 3 ,d'électrodes en aluminium avec un papier buvard intercalé, enroulées autour de l'axe xxl, de deux bornes de sortie en aluminium 4 et 5 reliées aux électrodes et d'un électrolyte liquide 6 qui ne remplit habituellement que le fond du bottier 2. Le condensateur 1 est placé à l'intérieur d'un conteneur cylindrique 7 d'axe xxl fermé à une extrémité par un fond fixe 8 percé de deux trous. Sur les deux bornes 4 et 5 sont connectées deux tiges conductrices 9 et 10 passant à travers les deux trous percés dans le fond du conteneur. Au passage à travers le fond 8, les tiges 9 et 10 sont fixées et iso lées électriquement et ces passages sont rendus étanches par tout moyen connu par exemple par des rondelles 11, en un matériau souple et isolant électrique et par des écrous 12 se vissant sur les tiges filetées extérieurement avec interposition de plaques isolants 13 entre les écrous et le fond 8. Etant donné que l'intérieur et l'extérieur du conteneur 7 sont en quipression, l'étanchéité des passages des tiges 9 et 10 ne constitue pas un problème. La deuxième extrémité du conteneur 7 est obturée par un piston 14 portant à sa périphérie au moins un joint d'étanchéité 15, par exemple un joint torique. Les parois internes du cylindre 7 sont usinées avec la précision voulue pour que le piston puisse coulisser librement dans le cylindre. Une butée 16 est fixée à l'extrémité ouverte du conteneur pour empêcher le piston d'échapper. Le conteneur 7 est rempli d'un liquide 17 qui est le même que l'é- lectrolyte 6. Le fond du boîtier 2 est percé d'un trou 18 de sorte que les liquides 6 et 17 sont en conamtnication et que le bottier 2 est rempli d'électrolyte 6. Le conteneur 7, les tiges 9 et 10 et le piston 14 sont constitués du même métal que le boîtier 2 et les électrodes, c'est-à-dire d'aluminium ayant un très grand degré' de pureté de l'ordre de 99,99 Z, lequel résiste bien au contact de l'électrolyte et au contact de l'huile qui emplit le caîs son dans lequel sont placés les circuits électroniques au fond de la, ner. Lorsque le conteneur 7 contenant le condensateur 1 est descendu au fond de la mer, l'électrolyte 17 et 6 est maintenu en équilibre de pression avec l'extérieur par le déplacement du piston 14 qui compense la contraction du liquide, laquelle est comprise entre 2 et 10 Z pour des profondeurs dtinr mersion allant de 1 000 à 3 000 mètres. Pour fabriquer un conditionnesent selon l'invention après avoir usiné le conteneur 7 et connecté les tiges 9 et 10 sur les bornes 4 et 5 du condensateur 1, on place le condensateur au fond du conteneur de sorte que les tiges 4 et 5 traversent les deux trous percés à travers ce fond. On met en place les rondelles II, les plaques 13 et on serre les écrous 12 pour assurer la fixation des tiges en même temps que l'isolation électrique et l'étanchéité des traversées. On perce ensuite le trou 18 dans le fond du boîtier 2 tourné vers le haut et c'est là la seule intervention que l'on ait à effectuer sur le condensateur. On remplit le conteneur 7 d'électrolyte qui pénètre dans le boîtier 2 par le trou 18 et emplit également celui-ci. Ce remplissage doit se faire avec soin pour chasser l'air contenu dans le boîtier 2. On met ensuite én place le piston 14 et son joint 15 puis la butée 16. A ce stade de la fabrication intervient une étape supplémentaire essen tiele. En effet, il faut éviter qu'un courant de fuite ne puisse circuler en tre les deux tiges 9 et 10 dans l'électrolyte 17. Pour cela, on connecte les tiges 9 et 10 sur une source de courant continu sous une tension sensiblement égale à la tension nominale du condensateur. On saitAque les condensateurs chimiques sont polarisés. On connecte l'anode du condensateur à la borne positive de la source et on laisse branché jusqu'à ce que l'intensité du courant soit devenue pratiquement nulle, inférieure à I p A. il s'est alors formé une couche d'alumine sur l'anode qui isole celle-ci. La figure 2 représente en coupe un condensateur électrochimique conditionné au stade de la fabrication pour etre immergé à grande profondeur. Ce condensateur est composé également d'un boîtier cylindrique en aluminium 2 d'axe xx 1, contenant une bobine 3 d'électrodes et de papier buvard enroulés autour de l'axe xx 1. Les repères 4 et 5 représentent les bornes de sortie et le repère 6 l'électrolyte liquide. Le boîtier 2 comporte, du côté opposé aux bornes de sortie et au-delà de la bobine 3 un prolongement ondulé 2a formant un soufflet d'axe xx 1. Un tel soufflet est facilement obtenu par emboutissage au moment de la fabrication des boîtiers 2. Le soufflet 2a se déforme axialement sous l'ef- fet de la pression de façon analogue aux capsules manométriques et cette déformation compense la contraction de l'électrolyte 6 qui emplit la totalité du boîtier 2 et de son prolongement 2a. La déformation est localisée dans la partie où n'est pas située la bobine 3 de sorte que celle-ci ne risque pas d'être écrasée et l'électrolyte 6 est maintenu en équipression avec le milieu ambiant. Le boîtier 2 et le soufflet 2a sont d'une seule pièce et sont-donc constitués du mème métal. Bien entendu, sans sortir du cadfe de l'invention, divers éléments constituant les conditionnements qui viennent d'être décrits à titre d'exemple pourront être remplacés par des éléments équivalents. REVENDICATIONS 1 - Conditionnement permettant l'immersion à grande profondeur d'un condensa teur électrochimique composé d'un boîtier contenant un électrolyte et des électrodes enroulées, caractérisé en ce qu'il est composé d'une enceinte étanche contenant le condensateur et remplie d'électrolyte, qui comnrunique avec l'intérieur dudit boîtier et qui comporte une paroi métallique défor mable de sorte que l'électrolyte est constamment en équilibre de pression avec l'extérieur. 2 - Conditionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite en ceinte est un conteneur cylindrique creux, à l'intérieur duquel est placé ledit condensateur dont le boîtier a été percé, lequel conteneur est fer mé à une extrémité par un fond fixe et à l'autre extrémité par un piston comportant un joint d'étanchéité à sa périphérie et est rempli d'électro lyte. 3 - Conditionnement selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit con teneur est composé du même métal quelle boîtier du condensateur. 4 - Conditionnement selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caracté risé en ce que les parois internes dudit conteneur sont usinées avec préci sion afin de permettre le coulissement du piston. 5 - Conditionnement selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractéri sé en ce que ledit fond est traversé, de façon étanche, par deux tiges con ductrices, composées du même métal que le boîtier du condensateur, lesquel les tiges sont connectées aux bornes du condensateur et isolées électrique ment du fond du conteneur. 6 - Conditionnement selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caracté risé en ce que le boîtier du condensateur, le conteneur cylindrique, le piston et les tiges conductrices sont en aluminium très pur. 7 - Procédé de fabrication d'un conditionnemnet selon la revendication 6, ca ractérisé en ce que l'on place un condensateur au fond d'un conteneur, on rend étanche les passages des tiges conductrices à travers le fond fixe du conteneur et on les isole électriquement, on perce le fond du boîtier du condensateur tourné vers le haut, on remplit le conteneur d'électrolyte, on met en place sur le conteneur, le piston et son joint, on connecte les deux tiges conductrices sur une source de courant continu, l'anode du con densateur étant connectée à la borne positive de la source et on laisse branché jusqu'à ce que l'intensité du courant débité soit devenue très faible par suite d'une formation de pellicule d'alumine sur les parois de la tige servant d'anode placées au contact de l'électrolyte. 8 - Conditionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enceinte est constituée par un prolongement du boîtier du condensateur au delà de la partie contenant la bobine d'électrodes et les bornes de rac cordement, lequel prolongement comporte des ondulations et constitue un soufflet déformable. 9 - Produit nouveau constitué par un condensateur électrochimique composé d'un boîtier cylindrique étanche, contenant es électrodes enroulées et rempli d'électrolyte, caractérisé en ce que ledit boîtier comporte, au délà des électrodes, des ondulations formant un soufflet déformable coaxial audit boîtier.