Brevet FR2440065A1 — publié le 19800523

L'invention se rapporte à un procédé d'imprégnation d'un composant électronique à structure complexe par un diélectrique à forte rigidité et à faibles pertes. Elle s'applique à tout composant électronique traité par ce prOcédé,notamment aux transformateurs et aux condensateurs de puissance, et parmi eux, aux condensateurs bobinés dont le diélectrique est une bande de matériau plastique tel que le polypropylène et le polytéréphtalate d'éthylène. On sait que, pour des tensions électriques de quelques centaines à quelques milliers de volts, ou davantage, les condensateurs de puissance sont généralement imprégnés par un liquide remplissant leur boîtier et pénétrant aussi bien que possible dans tous les interstices de leur structure interne. Ce mode d'imprégnation, bien qu'évitant des décharges internes nuisibles, présente deux insuffisances par suite de deux inconvénients a) La possibilité de pertes de liquide par fuites du boîtier ; b) Une pénétration insuffisante du liquide dans les interstices du condensateur bobiné, par exemple entre diélectrique et armature, soit que l'armature soit une bande métallique distincte, soit que le diélectrique soit métallisé, et cela même en l'absence de décollement de la métallisation. Pour pallier en partie ces inconvénients, on a proposé un procédé d'imprégnation où le liquide est polymérisable par un traitement thermique à haute température. On évite ainsi en principe les pertes par fuite du boîtier. Cependant il subsiste encore deux inconvénients 1) La polymérisation ntest pas homogène dans toutes les parties de la structure ainsi imprégnée, et cela entraîne une dispersion de caractéristiques diélectriques du condensateur ainsi qu'une diminution de la durée de vie probable ; 2) La pénétration demeure insuffisante car on utilise en ce cas un prépolymère (polyester insaturé ou résine époxyde) qui est relativement visqueux. L'invention remédie à ces deux derniers inconvénients ainsi qu'aux risques de perte de diélectrique par fuite du boîtier. Le procédé selon l'invention comporte au moins les deux étapes suivantes - une première étape où l'on imprègne la structure du composant électronique avec un liquide constitué par un monomère å faible viscosité et à faible tension de surface polynérisable par une radiation ionisante r - une deuxième étape où l'on soumet le composant à un rayonnement ionisant d'intensité, d'énergie et de durée calculées pour provocuer au mieux la pol:lmérisation du liquide introduit au cours de la première étape. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description des moyens utilisés, illustrée par des exemples précis de réalisation de l'invention. Le choix des moyens principaux de réalisation de l'invention porte sur - le monomère d'imprégnation ; - le rayonnement ionisant. En ce qui concerne le monomère, on choisit un composé organique de faible viscosité et de faible tension de surface parmi les composés insaturés tels que les hydrocarbures insaturés, les composés vinyliques, acryliques et les époxydes. Les valeurs des parametres caractéristiques de viscosité et de tension de surface peuvent varier en fonction de la dimension des interstices de la structure à imprégner ainsi que de la nature et de l'état de surface des bandes diélectriques et des armatures. Pour des bandes de diélectrique en polypropylène de 20 microns d'épaisseur, alternant avec des bandes de papier de 12 microns et des bandes d'aluminium de 5 microns d'épaisseur, on utilise par exemple un monomère de styrène dont la viscosité est inférieure à 1 centipoise à 200 C et dont la tension de surface est inférieure à 35 dynes/cm. En ce qui concerne le rayonnement ionisant, on choisit entre les rayons gamma, les rayons X et les électrons accéléres de haute énergie le rayonnement le plus apte à pénétrer efficacement la structure à traiter. Dans le cas d'épaisseurs de plusieurs centimètres on utilise les rayons gamma ou les rayons X de grande énergie. Pour des épaisseurs inférieures on utilise un faisceau électronique dans le vide. On sait que le pouvoir de pénétration des électrons d t une certaine énergie en MeV s'exprime en masse de matériau par unité de surface, et nar tleV) soit P. = 0,33 g/cm2/MeV En conséquence la puissance de l'accélérateur d'électrons est choisie en tenant compte de l'épaisseur de matière à traiter. Des moyens auxiliaires sont utilisés pour améliorer le résultat recherché, à savoir, l'imprégnation à coeur, de façon stable et durable, notamment dans le cas des condensateurs bobinés 1) On peut intercaler du papier entre les divers constituants du composant électronique à imprégner, par exemple intercaler des bandes de papier dans l'assemblage de bandes diélectriques et conductrices entrant dans la fabrication d'un condensateur bobiné ; 2) On peut modifier l'état de surface de ces constituants, par exemple celui des bandes diélectriques en matériau plastique, soit en opérant par décharge électrique sous effet Coronal soit en faisant défiler la bande dans une atmosphère raréfiée ou l'on entretient un plasma d'argon ;; 3) On peut traiter thermiquement le composant après son imprégnation et irradiation afin d'accélérer la stabilisation des propriétés diélectrique du polymère dsimprégnation. On explique comme suit le rôle favorable des moyens auxiliaires énumérés ci-avant 1) Le papier est mouillé par le monomère, ce qui facilite la migration de celui-ci dans les interstices du composant à imprégner ; 2) Le traitement abrasif du matériau plastique arrache des radicaux ou des groupements, ce qui permet un véritable greffage du matériau d'imprégnation sur ce matériau plastique par copolymérisation ; 3) Le traitement athermique, effectué par exemple à 850 C pendant quelques heures, accélère la réorganisation de la structure chimique perturbée par le rayonnement ionisant. Les exemples qui suivent permettent de préciser la réalisation de l'invention dans des cas concrets Premier exemple : On réalise un bobinage pour condensateur en enroulant sur un mandrin axial un double assemblage de quatre couches superposées constituées respectivement par - I bande d'aluminium d'épaisseur 5 microns - 1 bande de papier d'épaisseur 12 microns ; - 1 bande de polypropylène d'épaisseur 20 microns ; - 1 bande de papier d'épaisseur 12 microns. Les bandes d'aluminium sont placées de façon à se trouver alternativement en retrait d'un côté et en débordement de l'autre ainsi qu'il est classique dans la fabrication de tels condensa teurs. Les connexions électriques du condensateur sont réalisées par soudure d'une bande de cuivre étamé de 5/100 de mm d'épaisseur sur chaque face latérale du bobinage. On monte ensuite l'ensemble ainsi obtenu dans un tube de verre destiné à constituer avec des embouts de cuivre soudés aux connexions le boîtier du condensateur prêt à l'utilisation. Le tube ainsi rempli est introduit dans une enceinte raccordez à une pompe à vice où il est porté à l10 C nour éliminer l'eau contenue dans le papier. L'enceinte comporte un tube d'admission du monomère : ce dernier est par exemple du styrène aussi bien dégazé que nossible qui est introduit dans le condensateur à une température comprise entre 20 et 600C. Le rayonnement ionisant est par exemple un faisceau électro nique de quelques millions d'électrons-volts. Le condensateur est ensuite terminé par soudure des embouts de cuivre puis stocké à la température ambiante pendant environ vingt-quatre heures. Cette durée de stockage avant utilisation peut etre réduite si lton a recours au traitement thermique signalé ci-avant. Deuxième exemple : Cette réalisation de l'invention ne diffère de la précédente que par le remplacement de la bande de polypropylène par une bande de polytéréphtalate d'éthylène de même épaisseur. Troisième exemple : Cette réalisation de l'invention ne diffère de la précédente que par le remplacement de la bande de polytéréphtalate d'éthylène par une bande de papier d'épaisseur égale à 12 microns. Quatrième exemple : Cette réalisation de l'invention, analogue aux précédentes, comporte un double assemblage comprenant au total deux bandes d'aluminium de 5 microns d'épaisseur et quatre bandes de polytéréphtalate d'éthylène de 19 microns d'épaisseur. En utilisant des bandes de 5 cm de largeur et de 2,4 mètres de longueur on obtient un condensateur de 130 nF. L'épaisseur total de matériau est de 11 millimètres environ, compte non tenu du mandrin central généralement utilisé pour enrouler l'assemblage. Des électrons de 4 leV peuvent être dans ce cas utilisés pour irradier le condensateur. L'exposition au rayonnement ne dure nue quelques secondes, le débit de dose étant de l'ordre de 2 rrads/s et la dose d'irradiatioi? 10 rads, si l'on a un faisceau d'électrons capable de contenir le condensateur. Si ce n' est pas le cas on utilise le procédé de balayage électronique et la duree de l'irradiation doit être majorée en conséquence. On ne doit pas dépasser la dose de 10 Mrads, dans le cas des matériaux diélectriques précités sous peine de produire une dégradation irréversible des propriétés diélectriques du polypropylène ou du polytéréphtalate d t éthylène. Parmi les avantages non encore signalés de l'invention, on mentionnera - la possibilité de choisir un monomère bien approprié pour permettre une bonne tenue des performances du composant dans une gamme de température prédéterminée ; - la possibilité de choisir le rayonnement ionisant le mieux adapté au type et à la dimension du composant. REVENDICATIONS 1. Procédé d'imprégnation d'un composant électronique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes - une première étape où l'on imprègne la structure du composant avec un liquide constitué par un monomère à faible viscosité et à faible tension de surface, polymérisable par une radiation ionisante ; - une deuxième étape où l'on soumet le composant à un rayonnement ionisant d'intensité d'énergie et de durée calculée pour provoquer la polymérisation du liquide introduit au cours de la première étape. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est choisi parmi les monomères insaturés d'un groupe comprenant les hydrocarbures insaturés, les composés vinyliques, les composés acryliques et les éDoxydes. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le monomère a une tension de surface inférieure à 35 dynes/cm et une viscosité inférieure à 1 centipoise à une température de 200 C. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le monomère est le styrène. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rayonnement ionisant est un faisceau d'électrons de haute énergie. 6. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rayonnement ionisant est constitué par des rayons gamma. 7. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rayonnement ionisant est constitué par des rayons X. 8. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu' on intercale préalablement du papier entre les constituants du composant électronique. 9. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on modifie préalablement l'état de surface des constituants du composant électronique 10. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la modification de l'état de surface est opérée par décharge électrique sous effet Corona. 11. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la modification de l'état de surface est opérée par l'action d'un plasma d'argon. 12. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu il comporte une étape préliminaire au cours de laquelle on place le composant à imprégner dans une enceinte à vide où l'on maintient pendant l'établissement du vide une température de 1100 C. 13. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire constituée par un traitement thermique du composant. 14. Procédé suivant la revendication 13, caractérisé en ce que le traitement thermique est effectué à 850 C pendant quelques heures. 15. Composant électronique, caractérisé en ce qu'il a été imprégné par un procédé suivant l'une des revendications 1 à 14. 16. Composant électronique suivant la revendication 15, caractérisé en ce qu'il constitue un condensateur électrique comportant deux bandes métalliques enserrant au moins une bande diélectrique.