Brevet FR2296255A1 — publié le 19760723

La présente invention concerne un perfectionnement aux procédés de fabrication de condensateurs électriques élaborés à partir d'éléments en forme de rouleaux constitués par un enroulement de bandes ou films successifs conducteurs et diélectriques, dans lesquels un des films diélectriques au moins est fait en une matière plastique synthétique présentant une certaine thermoplasticité, lesdits rouleaux étant aplatis pour diminuer leur encombrement et le volume des condensateurs terminés:: La présente invention concerne également les condensateurs fabriqués en mettant en oeuvre le perfectionnement objet de 1 'in- invention Parmi les nombreux procédés connus de mase en oeuvre d' élé- ments de condensateurs constitués par des rouleaux aplatis, on peut notamment citer le procédé qui a été l'objet du brevet fran çais nO 1 068 852 intitulé : *Condensateurs électriques et procédés de fabrication de ceux-ci1. Dans le cas du procédé décrit dans ce brevet français, après enroulement des bandes métalliques constituant les armatures avec les bandes de papier utilisées comme matériau diélectrique de départ, les côtés opposés des rouleaux obtenus sont légrement pressés l'un vers l'autre pour préparer l'aplatissage ultérieur et les ébauches ainsi préparées sont séchées et imprégnées avec un compound approprié ; les ébauches imprégnées sont ensuite aplaties sous une pression appliquée progressivement et qui, dans un exemple donné, est de 3,5 à 7 bars.Cette pression a pour but de chasser hors de l'ébauche les quantités de compound d'imprégnation qui sont en excès entre les différentes bandes et, la pression d'aplatissage étant maintenue, les ébauches (ou condensateurs élémentaires) sont soumis à un cycle de température de cuisson qui facilite la répartition uniforme du compound d'imprégnation en lelvsdsat plus fluide en début de chauffage (et provoque un complément d'élimination du compound éventuellement excédentaire) et qui, après cette première partie du temps de chauffage, accé1ère et réalise la polymérisation du compound imprégnant le papier. Dans le cas de l'exemple cité, la température de cuisson est d'environ 70 à 800 C durant un temps de 14 à 16 heures. En fonction des opérations successives effectuées, les buts élémentaires poursuivis apparaissent donc clairement : avoir une pénétration facile du compound d'imprégnation dans les ébauches, meme si le compound utilisé est plutôt visqueux ; éliminer le compound excédentaire ; polymériser le compound restant pour obttenir un élément de condensateur mécaniquement robuste, imprégné et apte à être immédiatement monté dans un boitier étanche. Selon le procédé qui vient d'être décrit, le résultat final obtenu est entièrement basé sur l'utilisation d'un compound approprié et disparaît en totalité si ledit compound est omis. Un tel procédé ne permet donc pas d'obtenir des éléments de condensateur solides, dépourvus de fragilité et facile manipuler avant de procéder à leur imprégnation et à la polymérisation du compound d'imprégnation. L'invention a pour but, entre autres, de remédier à cet inconvénient et de permettre l'obtention d'éléments de condensateurs d'une grande solidité, ayant cessé d'être fragiles et devenus durs et compacts, sans être déjà imprégnés. L'invention prend en considération le'fait que la mise en oeuvre des diélectriques modernes que sont les matières plastiques synthétiques couramment utilisées maintenant dans les condensateurs électriques permet de faire évoluer les procédés de fabrication d'une manière qui n'était pas possible lorsque le diélectrique de base était uniquement le papier imprégné. Selon l'invention, le perfectionnement aux procédés de fabrication de condensateurs électriques élaborés à partir d'éléments en forme de rouleaux constitués par un enroulement de bandes ou films successifs conducteurs et diélectriques, dans lesquels un des films diélectriques au moins est fait en un matériau plastique synthétique présentant une certaine thermoplasticité, lesdits rouleaux étant aplatis pour diminuer leur encombrement et le volume des condensateurs terminés, est notamment remarquable en ce que, préalablement à tout traitement éventuel et ultérieur d'imprégnation et en complément à l'aplatissage des rouleaux élémentaires, lesdits rouleaux aplatis sont soumis à un traitement de compactage mettant simultanément en oeuvre une pression d'aplatissage maintenue sensiblement constante en présence d'une certaine diminution de l'épaisseur des rouleaux aplatis au cours dudit traitement et un cycle de température approprié pendant un temps déterminé expérimentalement, l'ensemble des conditions représenté par la pression d'aplatissage, la température et le temps de l'opération entraînant un léger fluage du film diélectrique (des films diélectriques) en matière plastique synthétique et une adhérence dudit film sur les autres bandes (desdits films entre eux et sur les autres bandes). Après refroidissement les éléments aplatis sont devenus durs et compacts, ils ont cessé d'être fragiles et ont acquis une grande solidité mécanique sans que ce résultat soit le fait de l'utilisation d'un compound d'imprégnation polymérisable. L'obtention d'un tel résultat avant l'impréghation éventuelle des éléments aplatis et sans avoir recours à un compound d'imprégnation polymérisable présente des avantages substantiels. Le procédé de compactage selon l'invention permet l'obtention d'éléments aplatis de grande solidité mécanique et dépourvus de fragilité dans le cas de condensateurs qui n'ont pas à être imprégnés, par exemple les condensateurs dont le diélectrique est exclusivement composé de films d'une matière plastique synthétique. Les manipulations et le "calage11 des connexions des éléments de condensateurs compactés sont rendus plus faciles du fait que lesdits éléments ne sont plus fragiles. La dureté des éléments aplatis compactés et leur définition goémétrique nettement accrues permettent une amélioration très sensible des facilités de juxtaposition précise desdits éléments lors de leur mise en place dans un boîtier, d'où il résulte une diminution du volume du boîtier nécessaire et du condensateur terminé ; il est également plus facile de caler les éléments aplatis compactés dans le boîtier du condensateur, ce qui permet aux dits éléments de mieux supporter les efforts électrodynamiques, particulièrement importants dans les condensateurs de décharge à haute énergie, et les efforts électrostatiques. Lorsque les éléments aplatis compactés ne doivent pas être imprégnés, la compacité plus grande du milieu feuilleté se traduit par une réduction très sensible du volume de gaz résiduels enfermés entre les films diélectriques et/ou métalliques : la suppression des lames d'air a pour conséquence une amélioration de la qualité globale du diélectrique utilisé par l'élimination de zones où des phénomènes d'ionisation interviennent prématurément. Dans le cas de condensateurs à diélectrique métallisé pour lesquels les contacts sont pris à l'aide d'un schoopage sur les tranches feuilletées des rouleaux aplatis, la compacité meilleure desdites tranches feuilletées assure au schoopage des qualités mécaniques et électriques nettement supéerieures à celles obtenues sur des éléments non compactés. Le traitement de compactage selon l'invention laisse les éléments aplatis parfaitement nets et propres, ce qui permet, par exemple, de procéder au schoopage des tranches desdits éléments (lorsqu'il y a lieu) lorsqu'ils sont encore dans la presse de compactage, à la fin dudit traitement, dans d'excellentes conditions, Le traitement de compactage selon l'invention permet également, après schoopage des tranches feuilletées lorsqu'il y a lieu de le faire, de contrôler dans de bonnes conditions les éléments aplatis compactés (ou condensateurs élémentaires) lorsqu'ils sont encore dans la presse de compactage, et de ne conserver pour les opérations ultérieures que les éléments reconnus bons à l'issue de ce contrôle : les différents éléments et surfaces de prise de contact demeurés parfaitement -propres permettent de procéder à toutes les vérifications utiles. Un autre avantage du procédé de compactage selon l'invention réside dans la possibilité d'utiliser, après montage des éléments aplatis compactés dans le boîtier destiné 81es recevoir, des imprégnants fluides présentant des caractéristiques de rigidité diélectrique supérieures à celles des compounds polymérisables et des pertes diélectriques moindres, ainsi qu'une meilleure transmission vers le boîtier des calories générées par effet Joule et par hystérésis diélectrique dans les éléments aplatis : selon l'utilisàtidn pour laquelle le condensateur est prévu, cela se traduit par une augmentation de la tension de service possible et de la puissance réactive correspondante, ou par une augmenta tion.dé }'6anergie qui peut être emmagasinée et/ou par un accroissement de- la fréquence possible des décharges. On sait que les imprégnants rendus .solides par une polymérisation appropriée permettent d'obtenir, après imprégnation, une structure dure et compacte, mais -qu ils donnent lieu à la formation de micro-cavités qui nuisent à l'homogénéité du diélectrique composite résultant de l'imprégnation ; -le fait d'obtenir une structuré très solide, dure et compacte avant l'imprégnation et la possibilité d'utiliser ensuite un imprégnant liquide assurant une meilleure homogénéité du diélectrique et un meilleur refroidissement constituent donc un des avantages substantiels du procédé de fabrication selon l'invention. La description qui va suivre en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en oeuvre. La figure/joinqte est une vue schématique, en élévation, d'un exemple de forme de réalisation d'une presse, garnie de rouleaux pré-aplatis, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La presse représentée schématiquement sur la figure jointe comporte un socle 1 constitué par une plaque métallique rectangulaire relativement épaisse de façon à être bien rigide et à ne pas se déformer de façon appréciable sous l'action des forces appliquées pour effectuer le compactage des rouleaux aplatis. Des colonnes métalliques verticales 2 sont fixées dans le socle 1 et servent de guidage à une plage horizontale supérieure épaisse 3 qui peut coulisser sur les colonnes 2. La face supérieure du socle 1 et la face inférieure de la plaque 3 sont des faces rectifiées de façon à être parfaitement planes. Le nombre des colonnes métalliques verticales 2 est fonction de la forme du socle 1 : si la profondeur du socle 1 est inférieure à sa largeur, deux colonnes, disposées de part et d'autre à mi-profondeur du socle peuvent être suffisantes ; si la profondeur du socle est sensiblement égale à sa longueur, on met en oeuvre quatre colonnes, disposées près des coins du socle ; si la profondeur du socle est supérieure à sa largeur, la presse est équipée de six ou huit colonnes, par exemple, en fonction du rapport profondeur/largeur. Les parties supérieures 2b des colonnes 2 sont filetées sur une longueur appropriée et sont complétées par des écrous 4 vissés sur la partie supérieure de chaque colonne. La plaque supérieure horizontale 3 est munie en son centre d'un bossage cylindrique 5 dans lequel peut être engagée une tige 6 appartenant à un vérin hydraulique à double effet non -représenté sur la figure. Une vis 7 permet de rendre la plaque supérieure horizontale 3 solidaire de la tige 6. Des ressorts calibrés 8 sont placés sur les colonnes 2 entre la plaque horizontale supérieure 3 et les écrous 4 avec interposition de rondelles 9 entre l'extrXmité supérieure des ressorts calibrés 8 et les écrous 4. On a également représenté sur la figure jointe un certain nombre de plaques isolantes intercalaires 10 et de rouleaux aplatis 11 préparés en vue de l'application du traitement de compactage selon l'invention. Les opérations préliminaires au traitement de compactage peuvent être expliquées comme suit, la presse de compactage représentée sur la figure jointe étant tout d'abord installée près de la machine à bobiner les rouleaux, sous un vérin hydraulique à double effet dont la tige 6 est serrée dans le bossage cylindrique 5 par la vis 7. L'opératrice effectuant le bobinage des rouleaux dispose d'abord sur le socle de la presse une plaque isolante intercalaire 10 après avoir mis le vérin en position haute ; ces plaques ont une longueur et une largeur compatibles avec les espacements entre colonnes de la presse utilisée, les faces de ces plaques sont bien planes, parallèles, parfaitement lisses et très propres. La longueur et la largeur des plaques 10 sont un peu plus grandes que les dimensions correspondantes des rouleaux aplatis à compacter. Après avoir retiré un premier rouleau du mandrin qui le supportait sur la machine à bobiner, l'opératrice l'aplatit sammairement, le pose sur la plaque 10 inférieure et le recouvre d'une plaque isolante intercalaire lOb, puis abaisse à l'aide du vérin la plaque supérieure horizontale 3 sur la plaque isolante intercalaire lOb. La pression d'alimentation du vérin hydraulique est réglée de façon à soumettre le rouleau aplati 11 à une pression modérée, de l'ordre de 0,5 bar à 2 bars, par exemple, qui confirme et maintient l'aplatissage du rouleau. Après avoir bobiné un deuxième rouleau et l'avoir aplati sommairement, l'opératrice relève la plaque supérieure horizontale 3 à l'aide du vérin hydraulique et dispose l'élément pré-aplati (lob) sur la plaque isolante intercalaire lOb et le recouvre d'une plaque isolante intercalaire 10c avant de redescendre la plaque supérieure horizontale 3 à l'aide du vérin hydraulique relié à ladite plaque par sa tige 6. Les opérations successives sont ainsi poursuivies jusqu'à la mise en place du dernier rouleau pré-aplati 11f recouvert par la plaque isolante intercalaire 10g. La presse étant à cet instant remplie par les rouleaux (ou élément) pré-aplatis, la plaque horizontale supérieure 3 est redescendue sur la plaque isolante intercalaire 10g à l'aide du vérin hydraulique et les différents ecrous 4 sont vissés progressivement sur la partie filetée 2b des colonnes 2 de façon à mettre en compression les ressorts tarés 8. L'opération de compression des ressorts tarés 8 est poursuivie jusqu'à l'obtention de la pression unitaire désirée sur les rouleaux aplatis 11 à llf, correspondant à une longueur déterminée sous effort des ressorts tarés 8 ; l'opération de compression des ressorts tarés 8 est facilitée par l'utilisation d'une clef dynamométrique pour le vissage des écrous 4. Les rouleaux aplatis mis dans la presse étant maintenant sous la pression unitaire convenant pour le compactage, la presse peut être placée dans une étuve dont la température est montée progressivement jusqu'à la température appropriée, maintenue pendant le temps nécesiire, déterminé expérimentalement. Après ce temps de traitement, le chauffage de l'étuve est coupé et les ensembles (presse + rouleaux) disposes dans l'ensemble se refroidissent progressivement. A l'issue du traitement de compactage on observe une légère diminution de 11 épaisseur des rouleaux aplatis, diminution résultant d'une parfaite application des films en bandes les uns sur les-autres et d'un léger fluage des films en matière plastique synthétique. La pression de compactage étant appliquée par 1'in- termédiaire des ressorts 8 dont la flèche sous compression est grande vis-à-vis de la diminution d'épaisseur de l'empilage de rouleaux aplatis, ladite pression de compactage demeure pratiquement constante pendant le traitement combiné mettant simultanément en oeuvre la pression requise et la température de traitement. A titre d'exemples non limitatifs, il est possible de préciser les conditions d'applications du traitement de compactage selon l'invention à quelques matériaux diélectriques usuels Diélectrique : polyester (polytérephtalate d'éthylène-glycol) ou polyester + papier Pression : 10 bars Température : 1250 C Durée : 16 heures Ambiance : air à la pression atmosphérique Diélectrique : polycarbonate ou polycarbonate + papier Pression : 20 bars Température : 1250 C Durée : 16 heures Ambiance : air à la pression atmosphérique Diélectrique : polypropylène ou polypropylene + papier Pression : 10 bars Température : 1250 C Durée : 16 heures Ambiance : air à la pression atmosphérique. Le procédé de compactage selon l'invention peut être utilisé pour une large variété de condensateurs mettant en oeuvre des films plastiques et des bandes d'aluminium, ou bien des films platiques métallisés, ou bien encore des matériaux diélectriques panachés tels que : papier + films plastiques + bandes d'aluminium; papier métallisé + film plastique ; film plastique métallisé + papier. La bonne tenue mécanique et la dureté des rouleaux aplatis compactés sont incomparablement meilleures que celles des rouleaux aplatis non compactés. Un rouleau aplati non compacté n'est qu'un empilage de films ou de bandes n'ayant entre eux aucune cohésion mécanique et dans lequel rien ne tend à rendre les différentes parties solidaires les unes des autres, tandis qu'un rouleau aplati compacté est devenu un ensemble qui se tient d'un seul bloc et dont toutes les parties composantes demeurent solidaires les unes des autres. I1 est difficile d'exprimer par des chiffres ou par des nombres la différence effective, et énorme, de compacité entre un rouleau simplement aplati et un rouleau aplati compacté : les mesures de dureté, par exemple, ne reflètent que d'une manière insuffisante et très imparfaite la cohésion des films et bandes entre eux puisqu'une telle mesure les applique seulement les uns sur les autres en les comprimant et ne tend pas à les faire glisser les uns par rapport aux autres ni à les séparer les uns des autres ; de ce fait, une comparaison des duretés avant et après compactage ne donne qu'une pale idée de l'amélioration obtenue. A titre purement indicatif, et tout en sachant pertinemment que la signification des nombres correspondants est des plus limitée, il est possible de citer les résultats suivants de mesure de dureté sur des rouleaux aplatis et sur des rouleaux aplatis compactés. rouleaux aplatis : de 30 à 50 degrés Shore A rouleaux aplatis compactés : nombre de dureté Brinéll HB 10 à 20 I1 y a lieu de préciser que, compte tenu de la nature des rouleaux aplatis compactés, les mesures de dureté Brinell ont été effectuées avec une bille de diamètre D = 10 mm et sous une charge de 100 newtons et que les nombres- de dureté HB correspondants ont été déduits du diamètre de l'empreinte, du fait de ces conditions de mesure se situant en dehors des normes habituelles d'application de la méthode Brinell, à l'aide de la règle à calcul spéciale de Le Chatelier. I1 est par ailleurs très clair que l'exemple de forme de réalisation de la presse montrée sur la figure jointe se prête à des variantes nombreuses, évidentes pour l'home de l'Art, et qu'une presse de ce genre peut être utilisée pour le traitement simultané d'une pluralité d'empilages de rouleaux pré-aplatis : en fonction de la longueur utile et de la largeur utile du socle de la presse et des dimensions des rouleaux pré-aplatis, on peut disposer sur ledit socle une pluralité d'empilages (de hauteurs égales) de rouleaux pré-aplatis et effectuer collectivement sur lesdits empilages le traitement de compactage selon l'invention. On procède alors d'une manière un peu différente de celle qui a été exposée en ce sens que l'on constitue les empilages élémenta ires de rouleaux pré-aplatis sur une première presse de petites dimensions, disposée près de la machine à bobiner les rouleaux et qu'on effectue ensuite le transfert des empilages élémentaires sur une presse plus grande pour procéder au compactage collectif sous pression appropriée et en étuve, des rouleaux aplatis constituant lesdits empilages. Les condensateurs électriques fabriqués à partir de rouleaux aplatis compactés par la mise en oeuvre du perfectionnement aux procédés de fabrication de condensateurs électriques selon l'invention sont moins volumineux, plus robustes et plus fiables que ceux fabriqués selon les procédés antérieurement connus. - REVENDICATIONS - 1.- Perfectionnement aux procédés de fabrication de condensateurs électriques élaborés à partir d'éléments en forme de rouleaux constitués par un enroulement de bandes ou films successifs conducteurs et diélectriques, dans lesquels un des films diélectriques au moins est fait en une matière plastique synthétique présentant une certaine thermoplasticité, lesdits rouleaux étant aplatis pour diminuer leur encombrement et le volume des condensateurs terminés, caractérisé en ce que, préalablement à tout traitement éventuel et ultérieur d'imprégnation et en complément à l'aplatissage des rouleaux élémentaires, lesdits rouleaux aplatis sont soumis à un traitement de compactage mettant simultanément en oeuvre une pression d'aplatissage maintenue sensiblement constante en présence d'une certaine diminution de l'épaisseur des rouleaux aplatis au cours dudit traitement et un cycle de température approprié, pendant un temps déterminé expérimentalement l'ensemble des conditions représenté par la pression d'applatissage, la température et le temps de l'opération entraînant un léger fluage du film diélectrique (des films diélectriques) en matière plastique synthétique et une adhérence dudit film sur les autres bandes (desdits films entre eux et sur les autres bandes). 2.- Condensateurs électriques fabriqués à partir de rouleaux aplatis compactés fabriqués en mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1.