Brevet FR2340613A1 — publié le 19770902

La présente invention concerne un composant de protection à gaz dit parafoudre contre les surtensions d'origine atmosphérique (foudre) ou autres (inductions dues au réseau de distribution d'énergie électrique par exemple) pour équipements quelconques, notamment pour ceux que lsson-rencontre dans les installations télé- phoniques (centraux, répéteurs, lignes, postes d'abonnés, etc.). L'invention a trait également au procédé de fabrication dtune tel composant. Les installations de télécommunications exigent des quantités sans cesse croissantes de tels composants. ttextension des réseaux et le développement des circuits intégrés à tous les niveaux font que les besoins augmentent et que les exigences sur les-performan- ces sont de plus en plus dures. On connais déjà dans le cas particulier des postes d'abonnés des parafoudres comportant extérieurement des contacts parallèles aux grandes faces de leurs boftiers en vue d'une insertion facile et rapide dans les circuits à protéger. Ces parafoudres connus présentent généralement deux défauts majeurs. Leur nombre élevé de pièces, les unes'métalliques conductrices, les autres isolantes, dd en particulier à la nécessité de transformer des contacts d'extrémités d'électrodes en contacts latéraux de boîtiers, fait que leur fabrication est compliquée et entre en conséquence des prix de revient élevés. D'un autre côté, on introduit souvent dans les bottiers, en plus d'un gaz inerte, des radio-l4ments artificiels tels que tritium, prométhéum, américium, caesium 135, nickel 63, krypton 85, en vue de disposer, avec une bonne probabilité, dans l'espace interélectrodes de l'électron-germe destiné à réduire au minimum le temps d'amorçage.Ceci ne a pas sans créer des problèmes difficiles de protection du personnel dans les endroits de stockage ou de concentration des composants neufs, de destruction des composants défec- tueux. D'autres problèmes surgissent qui sont liés à la durée de vie des éléments radio-actifs : dans certains cas, les dosages initiaux sont relativement élevés pour entre compatibles avec la durée de vie des équipements téléphoniques et, comme ces dosages sont difficiles à vérifier sur les composants finis, les constructeurs ont tendance à les majorer pour se garantir contre les défauts de fonctionnement. La présente invention a pour but de supprimer pratiquement ces deux sortes de difficultéso A cette fin, un composant de protection à gaz contre les surtensions dit parafoudre, se caractérise suivant l'invention en ce qu'il comporte au moins deux électrodes en un matériau électroconducteur choisi dans un ensemble comprenant notamment Cu, Ni, Mo, alliage Fe-Ni-Co, électrodes appelées à être portées en service à des tensions différentes et assemblées l'une à l'autre par un simple joint, en un matériau isolant choisi dans un ensemble comprenant notamment verres, quartz, céramiques, compatible au soudage avec ledit matériau électroconducteur, d'un tracé en courbe plane fermée, d'une très faible épaisseur comprise entre quelques dizaines et quelques milliers de micromètres, suivant la valeur admise pour les tensions statique et dynamique d'amorçage, en ce que ledit joint est baigné, au moins d'un coté, par une atmosphère d'au moins un gaz rare de l'air exclusivement, à pression réduite comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de torrs, renfermé par un bottier étanche, enfin en ce que le composant est de structure générale asymétrique par rapport à un plan médian auquel sont parallèles ses joints isolants et ses deux faces estrdmes, de saisie par des pinces de contact extérieures. Bien entendu, ladite symétrie géometrique se complète autant que possible d'une symétrie électrique par rapport à la terre: Un tel composant de protection repose évidemment sur l'effet conjugué de ltextreme minceur du joint isolant séparant les électrodes et de la multiplicité des micropointes en vis-à-vis que présente le métal de celles-ci de part et d'autre du joint. Un tel composant présente les divers avantages suivants : - il est d'une structure relativement très simple, notamment par la suppression de principe des pinces extérieures propres au composant et de tout le système complexe de raccordement de ces pinces aux électrodes; sa forme de section droite peut être choisie à volonté, pourvue qu'elle soit de valeur suffisante pour permettre le pinçage; il est donc de fabrication facile et peu onéreuse comme on le verra plus loin - il permet d'éviter le recours à des éléments radio-actifs en jouant sur l'épaisseur du joint pour satisfaire aux exigences des spécifications, même les plus sévères, commue on le verra aussi plus loin - il peut facilement, dans chaque application, entre rendu compa- tible par son dimensionnement avec les équipements téléphoniques en service, sur lesquels il est à monter; il peut en effet être collst,-uit de divers calibres suivant les besoins spécifiques à satisfaire, du présent ou de l'avenir (par exemple sur de nouvelles tettes de câbles pour centraux téléphoniques) - la faible épaisseur du joint a aussi l'intérêt de favoriser le conrt-circuit franc entre les électrodes en cas de surcharge électrique ou défectuosité mécanique - condition généralement recherchée surtout dans les installations téléphoniques, par exemple, comme donnant l'état des lignes à un central - Trois cas sont possibles - surcharge importante prolongée, entratnant un échauffement du composant, puis un ramollissement du joint, aboutissant à un rapprochement des électrodes sous l'action de la pression atmosphérique extérieure - surcharge faible prolongée entratnant une métallisation du joint - défaut d'étanchéité du composant entratnant une légère augmentation de sa tension de fonctionnement, qui atteint rapidement le niveau de la tension de claquage, laquelle est relativement faible du fait de la faible épaisseur du joint. Dans le cas le plus simple d'un composant bipolaire, ledit bottier peut être simplement constitué par deux électrodes identiques, de préférence en forme de cuvettes, par exemple embouties, et assemblées par un joint plan étanche aux gaz Dans le cas le plus général d'un composant multipolaire, ledit bottier peut être constitué par au moins trois électrodes, assemblées deux à deux par des joints plans étanches aux gaz. Mais, dans tous lus cas, on peut aussi faire en sorte que ledit bottier soit en un matérieu isolant, renfermant lesdites électrodes fixées à lui par des connexions traversières aboutissant à des contacts extérieurs couchés sur ledit bottier. Un tel composant, utilisable surtout pour des puissances relativement élevées, a l'avantage que le ou les joints isolants ut ont plus besoin d'être étanches aux gaz. Enfin, il peut être indiqué que les électrodes soient intérieurement doublées de placages ou revêtements rapportés, en un matériau à faible travail de sortie des électrons, choisi dans un ensemble comprenant notamment magnésium, alliage de baryum et aluminium ou de fer et de manganèse, carbonates de baryum, de strontium, de calcium Dans ce cas, ce sont les doublages qui assument la décharge principale et permettent d'abaisser la tension d'arc, p;tr exemple à 10 V au lieu de 20 V, en augmentant par conséquent la capacité de surcharge du composant. L'invention vise également un procédé de fabrication d'un composant suivant l'invention. Ce procédé se caractérise en ce que le joint isolant est obtenu à partir d'enduits de pâte isolante rapportés par sérigraphie sur les électrodes ou à partir d'une préforme isolante, découpée aux contours intérieur et extérieur du joint et interposée entre les électrodes. Dans le cas du procédé par sérigraphie, on peut par exemple employer une patte de verre, telle que celle vendue par la Société dite Electro Science Laboratory sous le numéro 4011. En tout cas, l'écran de soie utilisé sera d'une "perméabilité" (rapport entre la surface libre des mailles et la surface totale correspondante de la toile) en rapport avec le grain de la pâte et avec l'épaisseur voulue pour chaque dépit. On peut réaliser plusieurs dépôts successifs sur chacune des électrodes, jusqu'à réaliser l'épaisseur voulue, le dernier de ces dépôts permettant d'assurer un scellement au four entre les deux électrodes. Dans le cas du procédé par interposition d'une préforme isolante, on choisira immédiatement l'épaisseur de cette préforme pour que le joint fini ait l'épaisseur voulue après scellement au four. Ces procédés extrêmement simples de préparation des joints isolants sont évidemment rendus possibles par le fait que ces joints sont de forme plane. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de plusieurs exenples de réalisation et à l'examen des dessins annexés correspondants, dans lesquels - les figures 1A, 1B, 2 et 3 sont des vues schématiques, en coupes, des composants suivant l'invention, respectivement bi-tri et pentapolaires - la figure 4 est une vue en coupe d'un composant bipolaire dont les électrodes sont enfermées dans uli bottier en matériau isolant - les figures 5A, 5B sont des vÜes analogues à celles des Figes. 1A, 1B d'un composant bipolaire dont les électrodes sont pourvues intérieurement de doublages rapportés Aux figures lA, 1B, le composant bipolaire représenté est du type le plus simple possible, comme préseitat eii tout et pour tout deux électrodes 1, 1' en forcie de cuvettes parallélépipédiques identiques à bords tombés, et un joint isolant 2. On a représenté sur cette seule figure, en 10, un queusot serva-lt au no;.lp.ge et au remplissage du composant, obturez finalement par un disque brasé. En service, 1'une des électrodes est normalement reliée à 'un fil de ligne et ltautre à la terre. A la figure 2, le composant bipolaire représenté comporte en plus du précédent, dans son plan de symétrie, une troisième électrode 3 en forme de plaque trouée en son centre et bien entendu deux joints isolants 2, 2' au lieu d'un seul. En service, les deux électrodes t, 1' sont normalement reliées à deux fils de ligne respectivement et l'électrode 3 à la terre. A la figure 3, le composant pentapolaire représenté comporte les électrodes suivantes - dans son plan de symétrie, une plaque trouée 30 ; - de part et d'autre de celle-ci, deux cuvettes trouées 11, 11 ; - puis, en allant vers l'estérieur successivement, deux plaques trouées 31, 31' et deux plaques pleines 32, 32' ; - enfin, six joints isolants 21, 22, 23, 21', 22', 23'. En service, les électrodes sont normalement reliées - 30, 31j 31' à la terre - 11, 32, tel', 32' à quatre fils de ligne respectivement. A la figure 4, le composant représenté est bipolaire conme celui des figures tA, 1B, mais il comporte en plus un bottier extérieur 4 en matériau isolant que traversent des connexions bimétal 12, 12' reliant les électrodes 1, 1' à des contacts exté- rieurs t3, 13' couchés sur le bottier. Aux figures 5A, 5B, le composant représenté est également bipolaire comme celui des figures 1A, 1B, mais il comporte en plus intérieurement aux électrodes des doublages 14, 14' en un matériau à faible travail d'extraction des électrons. Exemple : Composant bipolaire simple - Electrodes en nickel - # diamètre 10 mm - Dimensions hauteur 10 mm - Joint préparé à partir de pâte 4011 nature argon - G a z - pression 150 torrs - amorçage statique 100 V - amorçage dynamique 100 V (onde de pente 5 kV/us) On voit que, par rapport aux parafoudres classiques utilisant des radio-éléments, les tensions d'amorçage dynamique sont amélio rées dans un rapport de l'ordre de 2 à 3. Elles peuvent être rendues du même ordre de grandeur que les tensions d'amorçage statique. REVENDICATIONS 1. - Composant de protection à gaz contre les surtensions dit parafoudre, notamment pour Installations téléphoniques, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux électrodes en un matériau électroconducteur choisi dans un ensemble comprenant notamment Cu, Ni, MO, alliage Fe-Ni-Co, électrodes appelées à être portées en service à des tensions différentes et assemblées l'une à l'autre par un simple joint, en un matériau isolant choisi dans un ensemble comprenant notamment verres, quartz, céramiques, compatible au soudage avec ledit matériau électroconducteur, d'un tracé en courbe plane fermée, d'une très faible épaisseur comprise entre quelques dizaines et quelques milliers de micromètres, suivant la valeur admise pour les tensions statique et dynamique d'amorçage, en ce que ledit joint est baigné,aumoins d'un coté, par une atmosphère d'au moins un gaz rare de l'air exclusivement, à pression réduite comprise entre quelques dizaines et quelques-centaines de torrs, renfermé par un boftier étanche, enfin en ce que le composant est de structure générale symétrique par rapport à un plan médian auquel sont parallèles ses joints isolants et ses deux faces extrêmes, de saisie par des pinces de contact extérieures. 2G - Composant de protection selon la revendication 1 et de type bipolaire, caractérisé en ce que ledit bottier est constitué par deux électrodes identiques, de préférence en forme de cuvettes et assemblées par un joint plan étanche aux gaz. 3, - Composant de protection selon la revendication 1 et de type multipolaire, caractérisé en ce que ledit bottier est constitué par au moins trois électrodes assemblées deux à deux par des joints plans étanches aux gaz. 4. - Composant de protection selon la revendication I t caractérisé en ce que ledit bottier est en un matériau isolant choisi dans un ensemble comprenant notamment verres et quartz et en ce qu'il renferme lesdites électrodes fixées à lui par des connexions traversières aboutissant à des contacts extérieurs couchés sur ledit bottier. 5. - Composant de protection selon l'une quelconque des reven dicatw ons i à 4, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont intérieurement doublées de placages ou revêtements rapportés, en un matériau à faible travail de sortie des électrons, choisi dans un ensemble comprenant notamment magnésium, alliage de baryum et aluminium ou de fer et n.i.mFanèse, carbonales de baryum, de strontium, de calcium. 6.- - Procédé de fabrication d'un composant selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le joint isolant est obtenu à partir d'enduits de pâte isolante rapportés par sérigraphie sur les électrodes ou à partir d'une préforme isolante, découpée aux contours intérieur et extérieur du joint et interposée entre les électrodes.