Brevet FR2303371A1 — publié le 19761001

La présente invention concerne les composants protecteurs de surcharges destinés à éviter les détériorations de circuits ou installations électriques soumis éventuellement à des surcharges. I1 est obligatoire de prévoir sur les installations électriques générales ou spéciales des composants de protection pour éviter les effets nocifs d'une surcharge pour laquelle ces installations nlont pas été conçues. Ces composants protecteurs courants sont connus sous le nom de fusibles, tubes parasurtension, tubes parafoudre et autres dénominations semblables. Leur rôle consiste à stopper net la transmission d'une surcharge dengereuse pour un type d'installation donné. Ltapplication de ce genre de composantsde protection revêt une ampleur toute particulière en matière d'installations, de circuits et de centraux téléphoniques. En effet les centraux et lignes sont très vulnérables aux atteintes de la foudre ainsi qu'aux contraintes provoquées par des surtensions inductives ou encore aux surintensités prenant naissance lors d'un contact accidentel d'une ligne d'énergie avec une ligne téléphonique et l'on sait des centraux qui ont été totalement détériorés à la suite d'une décharge d'origine atmosphérique ou de surintensités provoqué par les perturbations précitées. Pour répondre au souci de protection des circuits et centraux téléphoniques, il est devenu obligatoire de disposer un composant protecteur, du genre dénommé communément parafoudre, entre chaque ligne et la terre. Les propriétés requises du composant protecteur sont de ne pas constituer de pertes dans le régime normal de fonctionnement de la ligne ; c' est--dire de présenter une résistance infinie à ltécoulement du courant et, au contraire de soutenir et écouler à la terre une surcharge incidente ; ctest-b-dire de de présenter au-dessus d'une valeur de seuil prédéterminée, une résistance faible, en tout cas inférieure à celle du circuit à protéger et une bonne capacité d'écoulement. Or, un tube à décharge présente au-dessous d'une tension, dite d'amorçage une résistance infinie et, pour des valeurs de tensions à ses bornes supérieures à la tension d'amorçage, entre en fonctionnement en régime de décharge avec une résistance faible. Un tel tube est alors apte à soutenir des surcharges importantes, pourvu que la construction de sa structure soit suffisamment robuste, et à les écouler à la terre. la valeur de seuil de mise en fonctionnement est aisément prédéterminée par le réglage de la dimension de l'intervalle de décharge. La capacité d'écoulement est préétablie par la structure du tube. I1 s'ensuit pour le fabricant une détermination prévisible des différents paramètres caractéristiques du tube ce qui milite en faveur du tube parafoudre à décharge. Cependant3 pour la sécurité et la fiabilité du service des lignes et circuits téléphoniques, les exigences sont très contraignantes. En particulier il en est une qui oblige le dispositif protecteur, parallèle, à se mettre en court-circuit dans tous les cas où il devient inutilisable. Eh effet, si cette exigence n'était pas remplie, rien ne signalerait la défaillance du composant protecteur et la ligne serait détruite par la première surcharge à survenir. Une seule disposition peut éviter cette éventualité : imposer au composant de signaler sa propre défaillance.Ainsi,la ligne ne fonctionnant plus, il devient obligatoire pour lui restituer son fonctionnement normal de remédier à son défaut de protection par le remplacement du composant hors service. D'où l'obligation pour ledit composant de se mettre en court-circuit franc lorsqu'il n'est plus en état de remplir son office et ceci quelle que soit la cause de la défaillance. La mise à la terre de la ligne oblige au remplacement de la protection hors service. Pour remplir ces conditions,l'invention propose un tube à décharge remarquable en ce qu'il inclut structurellement des moyens de se mettre en courtcircuit automatiquement dès qu'il n'est plus en état de fonctionner en régime normal de décharge, et ce, pour quelque cause que ce soit. Pour remplir ltobligation de de mise en court-circuiten cas de défail- lance dans un tube à décharge qui, d'une part comprend dans une atmosphère gazeuse raréfiée à l'intérieur d'une enceinte étanche,au moins deux électrodes de décharge ménageant entre leurs extrémités un intervalle de décharge dont la longueur préétablie correspond à l'instauration d'une décharge pour une tension d'amorçage de V et dont la stucture est prévue, d'autre part, pour supporter une o température interne de fonctionnement T,comprise entre deux valeurs,inférieure TF et supérieure TLJ l'invention prévoit des moyens internes consistant en ce que la traversée étanche enceinte-éléctrode d'au moins l'une des électrodes de décharge est ménagée au travers d'un matériau dont le point de ramollissement est choisi voisin de la température limite TL Ainsi, la structure du tube selon l'invention assure une mise en court-circuit automatique en cas de défaillance d'origine quelconque.En effet,toute défaillance du tube entraîne une surchauffe interne, donc le dépassement de la valeur limite admissible Tt Le matériau de la traversée ayant atteint son point de ramollissement, l'électrode qui n'est plus supportée rigidement est aspirée vers l'intérieur du tube par suite de la différence de pression existant entre la pression atmosphérique extérieure et la pression interne Judicieusement choisie à une valeur très sensiblement inférieure à la précédente et entre en contact avec l'extrémité libre de l'électrode opposée. L'intervalle de décharge est comblé, le dispositif de sécurité est en court-circuit. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-dessous. Bien entendu la description et le dessin ne sont donnés qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure unique représente une vue en coupe longitudinale médiane d'un tube à décharge cylindrique réalisé selon l'invention. On y distingue en 1 et 2 les électrodes de décharge qui sont montées au travers de l'enceinte 3, 7. Dans la forme de réalisation illustrée ici, cette enceinte générale étanche comporte une partie métallique formant la paroi latérale 3 et la base du bot- tier 5 et une partie 7, formant bouchon, faite d'un matériau isolant électrique convenablement choisi pour assurer un scellement étanche avec la paroi 3. L'électrode 1 traverse l'enceinte par l'intermédiaire d'une traversée étanche, ménagée dans le matériau isolant 7. Ce matériau isolant 7 est lui-même scellé au matériau métallique de l'enceinte sur tout son pourtour qui prend assise sur le rebord 8, 8' interne de la paroi latérale 3. Ce rebord peut etre prévu en forme d'épaulement. L'électrode 1 est assemblée un peu en dessous de la partie interne de sa traversée à un prolongement massif 10. Les extrémités internes en regard ;0 de l'électrode l,et 12 de l'électrode 2, laquelle fait corps avec la base 5, ménagent entre elles un intervalle interélectrodes 11-12 de longueur L. Un logement 6 est prévu dans la partie centrale de la partie massive de l'électrode 2. Ce logement peut entre empli de matériau émissif. Les parties externes 1 et 2 des électrodes de décharge sont,par exemple,en forme de tiges ; elles sont prévues d'une longueur et d'une forme susceptibles d'être reçues dans les pinces de contact spéciales dans lesquelles elles doivent vitre positionnées. La partie métallique 3 de l'enceinte est faite d'un métal bon conducteur électrique et thermique tel le Dilver, l'Aluminium, le cuivre etc... Le matériau isolant servant au double scellement entre l'enceinte et la première électrode 1 est un matériau vitreux par exemple. Le matériau d'électrode I est du Dilver et le matériau vitreux est un verre s'alliant au Dilver. L'électrode 2 qui fait corps avec l'enceinte est massive. Dans le logement 6 ménagé au niveau due ltélectrode 2 on dispose un mélan ge émissif de Baryum, de Zirconium et d'Aluminium avant la fermeture du tube. La fermeture se fait sur pompe; elle comporte un prévidage du tube et un remplissage sous atmosphère inerte contrôlée à une pression inférieure à la pression ordinaire avec mise en place du matériau émissif. L'atmosphère inerte est faite ici d'un mélange de gaz rares : argon, hélium. La pression interne est d'l/3 d'atmosphère. Lorque le remplissage a atteint cette valeur de pression, on pratique le scellement à l'enceinte du bouchon 7 déjà porteur de l'électrode qui lui a été préalablement scellée par un scellement métal-verre. La profondeur d'entrée de cette première électrode est préréglée au moment ou intervient le scellement de ce bouchon de telle façon que l'intervalle corresponde à la valeur prédéterminée de seuil de fonctionnement du tube, cette valeur étant celle de la tension V d'amorçage du tube. C'est aussi celle que fixe la valeur o limite de la tension que les circuits ou lignes à protéger auront à supporter. Dans l'exemple décrit, l'intervalle a une dimension L = 0,3 mm; la tension V o est de 200 Volt. Le tube est complet et prêt à fonctionner. Au point de vue du fonctionnement, il convient d'étudier d'abord le fona- tionnement normal et ensuite, lorsque interviennent des conditions anormales, dans quelles conditions le tube se détériore. Dans le fonctionnement normal,le tube à décharge se comporte comme tout tube à décharge,c'est-à-dire que tant que la tension à ses bornes demeure inférieure à sa tension d'amorçage, il est au repos. La valeur de la tension d'amorçage est déterminée lors de sa construction ainsi qu'il a été dit, et ce, par la dimension que l'on a donnée à l'intervalle 11-12 entre les électrodes. Lorsque la tension aux bornes du tube à décharge devient égale à la valeur V de la tension d'amorçage du tube, la décharge s'instaure. o Comme il comporte des électrodes assez massives : le prolongement massif 10 pour l'électrode 1 et la base 5 pour l'électrode 2, il peut supporter des surcharges importantes qu'il écoule vers la terre. Le Tube peut écouler un courant I (Amp) de plusieurs Ampères pendant un temps T (sec) inférieur ou égal à 50 sans que sa température atteigne la valeur prédéterminée TL. En régime impèlsionnel le courant supportable dans les mêmes conditions de température peut être de l'ordre de mille fois supérieur et est dépendant de la forme de l'impulsion et de l'intervalle de temps ménagé entre chaque impulsion. Quand le tube est placé dans des conditions anormales de fonctionnement intervient la mise en court-circuit. En effet le fonctionnement devient anormal lorsque la surcharge incidente est nettement au-dessus des capacités d'écouler ment prévues par le constructeur lors de la fabrication du tube ou encore lorsque le tube lui-même a une défaillance. Cette défaillance propre peut-être due à un accident mécanique imprévisible, l'épuisement du matériau émissif, le dépérissement du tube, enfin, pour toute cause possible. Inévitablement tout fonctionnement anormal du tube entraSne corrélativement un échauffement anormal. La température interne du tube atteint et dépasse la température limite TL prédéterminée lors de sa construction. Alors, et dans tous les cas, le point de ramollissement du matériau isolant 7 étant atteint, toute la masse du matériau 7 constituant bouchon de l'enceinte perd sa consistance rigide. Comme la pression interne est inférieure à la pression externe, le matériau amolli steffondre,aspiré vers ltintérieur, entraînant avec lui le glissement de l'électrode 1 qu'il maintient emprisonnée. La progression de l'électrode aspirée produit le comblement de l'intervalle 11-12 interélectrodes ; il s'ensuit la mise en court-circuit des électrodes 11-12. I1 est ici entendu par court-circuit tout contact dont la valeur ohmique est inférieure à 0,02 ohm. Ainsi,le tube à décharge réalisé selon l'invention se comporte bien lorsque la tension à ses bornes demeure inférieure à une valeur de seuil de protec tion VO, comne une résistance de la valeur infinie, et lorsque la valeur de la tension à ses bornes atteint la valeur V r comme une résistance très faible permettant d'écouler des intensités de courant très considérables pour les di mensions du composant.Dans la réalisation décrite, enceinte générale 3 mesu- et re seulement Il millimètres de bon/4 millimètres de diamètre ; le tube permet d'écouler des courants d'intensité de l'ordre de 5 à l en continu, la tension résiduelle aux bornes du tube étant alors de 8 à 12 volts, et des ondes de courant en régime impulsionnel pouvant atteindre des valeurs de crSte de 5000 ampères (onde 8/20) avec des intervalles de temps de 25 à 30 secondes entre deux ondes de choe consécutives. Le composant est mis hors service pour des régimes permanents sous courant alternatif 50 périodes dtintensité comprise entre 10 et 20 ampères. la destruction du tube s'opère obligatoirement en court-circuit franc des électrodes pour toute cause capable de déterminer un fonctionnement anormal de la décharge. Des essais systématiques sur plusieurs centaines de pièces de fabrication de série ont permis de s'assurer que la règle était vérifiée d cent pour cent des échantillons soumis. Les avantages du composant protecteur décrit sont donc : l'assurance d'une protection à seuil bien défini puisque la valeur de ce seuil est prédéterminée avec facilité par le règlage de l'intervalle interélectrodes lors de la fabrication pour chaque type de parafoudre, la garantie d'une auto-destruction du tube automatiquement obtenue en court-circuit franc des électrodes avec une précision quasi-mathématique sur la totalité des composants, ltécoulement de surcharges importantes alors que le composant conserve des dimensions très modestes, une fabrication aisément reproductible en série vu le choix des dimensions, la simplicité des pièces et le petit nombre d'opérations manuelles quelle nécessite. En ce qui concerne la fabrication, les opérations principales consistent en diverses soudures métal-métal telle celle entre l'électrode 1 et son prolongement 10, des scellements métal-verre entre l'électrode 1 et le matériau du bouchon 7 et entre le matériau dudit bouchon 7 et la paroi interne de 1' enceinte 3, un prévidage et des emplissages sur pompe. les usinages mécaniques sont également réduits : façonnage du rebord ou épaulement circulaire 8 dans le bord interne de la paroi d'enceinte 3 ; creusement du logement 6... La bonne tenue du composant soumis à des surcharges élevées tient non seulement à la disposition de ses électrodes massives déjà signalée, mais aussi au fait que son enceinte est métallique et contribue largement à l'évacuation des calories lors du fonctionnement. Le composant est pratiquement inenflammable. Les dimensions et formes sous lesquelles une réalisation du composant a été décrite ne sont nullement limitatives. Tout homme de l'art exercé perrt concevoir de multiples autres formes de réalisation de l'enceinte ou des électrodes pour la mise en application de l'invention sans pour autant sortir de son domaine. En particulier,on peut donner d'autres formes tant au bouchon en matériau vitreux qutà l'enceinte qui coopère avec ledit bouchon, d'une part pour la fermeture étanche du tube à décharge, d'autre part pour la destruction de sécurité en court-circuit d'électrodes dudit tube. On peut utiliser au lieu d'un épaulement 8 de la paroi interne de l'enceinte un autre profil pour faciliter la mise en appui dudit bouchon sur ladite paroi. I1 est également possible de prévoir pour améliorer le contact des électrodes à la destruction, un revêtement de l'une au moins des extrémités d'électrode ou de la base de boîtier en regard de l'autre électrode; ce revêtement peut être fait en matériau conducteur dont le point de fusion soit voisin de la température limite de fonctionnement. Ainsi,au au moment où l'échauffement produit par le fonc- tionnement anormal intervient, d'une part le bouchon ramolli relâche l'électrode qu'il porte en la laissant progresser vers ltélectrode opposée, d'autre part le matériau de revêtement change d'état physique et,à l'approche de l'électrode opposée,"mouille" la surface en regard assurant une cohésion améliorée. Le choix du matériau de revêtement dépend de la température limite imposée et ressort de l'application pratique envisagée. Toute méthode de dépôt de la couche de revêtement peut intervenir pour la mise en place du revêtement qui peut être déposé par exemple sur la partie supérieure de la base 5 du boitier. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers de réalisation, on comprendra clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. REDENDICRTIONS 1. Tube à décharge protecteur de surcharges comportant dans une enceinte étanche entre électrodes de décharge un intervalle de décharge, caractérisé en ce qutil comporte des moyens de mise en court-circuit automatique par annulation dudit intervalle de décharge lorsque la température interne du tube vient à atteindre une valeur prédéterminée TL. 2. Tube à décharge protecteur de surcharges selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mise en court-circuit qu'il comporte consistent en ce que - l'une au moins des électrodes de décharge traverse 1 enceinte par l'intermé- diaire d'un matériau-support dont le point de ramollissement est égal ou voisin de la température limite TL, - et en ce que le matériau-support de ladite électrode est façonné en forme de bouchon dont le ramollissement dû au changement d'état physique libère la rigidité de la liaison enceinte-électrode et ménage le glissement de l'électrode, sous effet des forces p,5 d'aspiration,vers l'intérieur dudit tube de façon à an- nuler automatiquement ledit intervalle de décharge. 3. Tube à décharge protecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enceinte étanche est faite d'un matériau métallique bon conducteur élec trique et thermique, tel le laiton, le cuivre, un alliage ferro-nickel-Kovar..... 4. Tube à décharge protecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi interne de enceinte comporte un épaulement destiné à recevoir ledit bouchon. 5. Tube à décharge protecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des électrodes de décharge comporte une substance émissive. 6. Tube à décharge protecteur selon la revendication 1 et la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins l'une des électrodes de décharge comporte une couche superficielle métallique dont le point de fusion est voisin de la température limite TL. 7. Procédé de fabrication d'un tube protecteur conforme à la revendication 1 et à la revendication 4, caractérisé en qu'il comporte,après prévidage et remplissage sous atmosphère controlée d'une enceinte métallique comportant au moins une électrode de décharge, le montage,en appui sur l'épaulement précité, d'une pièce en forme de bouchon faite d'un matériau vitreux et porteur dans sa région centrale d'une électrode de décharge qui lui a été préalablement scellée, le réglage de l'intervalle interélectrodes selon une dimension L prédéterminée, en relation avec la tension V de la protection à assurer, et enfin la fermeture o du tube à décharge par scellement entre le matériau dudit bouchon et le matériau métallique de ladite enceinte.