Brevet FR2504745A1 — publié le 19821029

L'invention concerne un allumeur du type à haute énergie, destiné à un moteur à combustion interne. En service, par exemple dans un moteur à réaction, un tel allumeur est allumé par un dispositif d'allumage à décharge capacitive, soit du type à haute tension, soit du type à basse tension La décharge disruptive des allumeurs à haute tension se produit habituellement le long d'une surface d'une céramique diélectrique située de façon à être adjacente à un éclateur formé entre une électrode centrale et une électrode de masse Il faut appliquer une tension "élevée", habituellement de l'ordre de 10 000 à 30 000 volts, pour ioniser l'éclateur formé entre les électrodes afin de permettre la décharge de l'allumeur. Les allumeurs destinés à des dispositifs d'allu- mage à basse tension, habituellement de l'ordre de 200 à 5000 volts, présentent une surface électriquement semi- conductrice, adjacente à un éclateur formé entre une électrode centrale et une électrode de masse Il est apparu que dans un allumeur présentant une surface semi- conductrice ainsi disposée, la tension nécessaire à une décharge disruptive est réduite par rapport à celle demandée pour un allumeur o cette position est occupée par un isolateur. Que l'allumeur soit à haute tension ou à basse tension, l'étincelle apparaissant entre l'électrode de masse et l'électrode centrale accompagne une décharge d'un condensateur chargé précédemment La décharge du conden- sateur confère à l'étincelle une haute énergie, à savoir jusqu'à environ 20 joules. On a suggéré et utilisé dans l'art antérieur divers matériaux électriquement semi-conducteurs et iso- lants, placés à proximité immédiate de l'éclateur d'allu- meurs conçu pour des dispositifs d'allumage à basse tension et à haute tension, respectivement Parexemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 558 959 décrit un allumeur à basse tension utilisant des corps semi- conducteurs composés de mélanges d'alumine et de carbure de silicium comprimés à chaud On également suggéré qu'il était possible de produire des semi-conducteurs convenant à des applications à basse tension en compri- mant un corps constitué d'un mélange de carbure de sili- cium et de silicate d'aluminium, en noyant le corps dans des particules de carbure de silicium, et en procé- dant à une cuisson (voir, par exemple, les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 3 376 367 et N' 3 573 231) De plus, le brevet des EtatsUnis d'Amérique No 3 968 057 décrit un procédé de production d'un semiconducteur en carbure de silicium lié par de l'alumine, destiné à un dispositif d'allumage à basse tension, haute énergie, et le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 120 829 décrit un semi-conducteur perfectionné au carbure de silicium, comportant une phase de liaison en verre, non conductrice du courant électrique. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N' 3 052 814 décrit des corps semiconducteurs en carbure de silicium lié par du nitrure de silicium, destinés à des allumeurs à basse tension Selon ce dernier brevet, des allumeurs comportant un corps semi-conducteur en carbure de sili- cium lié avec du nitrure de silicium sont mieux aptes à supporter les forces de compression, les températures extrêmes, les vibrations et les effets d'érosion des étincelles rencontrés pendant le fonctionnement dans une chambre de combustion, que les allumeurs utilisant les matières de l'art antérieur L'utilisation de corps semi-conducteurs formés d'une masse nitrurée de Si et Si C s'est avérée minimiser les problèmes posés par la porosité excessive, l'insuffisance de résistance à la compression, la faible résistance à l'érosion par les étincelles, et les variations des caractéristiques ehi- miques apparaissant dans la chambre de combustion (avec, pour conséquence, une variation des caractéristiques électriques), ces problèmes étant posés par les semi- conducteurs des allumeurs suggérés dans l'art antérieur. Le brevet britannique N O 717 555 décrit un procédé de production, à partir de silicium métallique, de corps profilés en nitrure de silicium Les corps en nitrure de silicium, liés par réaction, ainsi produits sont décrits comme étant résistants aux chocs thermiques, comme ayant une grande résistance mécanique et comme étant très résis- tants à l'oxydation et aux attaques chimiques De plus, les propriétés diélectriques des corps en nitrure de silicium produits conformément au procédé décrit dans le brevet No 717 555 précité sont indiquées comme étant similaires à celles de la silice Le brevet britannique précité suggère en outre qu'il serait possible d'utiliser des corps en nitrure de silicium dans de nombreuses appli- cations à température élevée, ces applications compre- nant les chambres de combustion de moteurs à réaction, les garnissages de tuyères d'éjection, les chambres de combustion et les tuyères d'éjection de fusées, et les corps de bougies d'allumage. Bien que l'on ait suggéré d'incorporer de nom- breuses matières dans des allumeurs destinés à être mis en oeuvre dans des conditions très contraignantes (voir, par exemple, les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 2 684 665, N 2 786 158, n' 3 344 304 et N O 3 558 959), il n'a pas été suggéré, jusqu'à présent, dans l'art anté- rieur d'utiliser du nitrure de silicium, seul ou en mélange avec d'autres matières, à la surface d'isolateurs adjacents à l'éclateur d'allumeurs commandés par des circuits d'allumage à haute tension, haute énergie Ces allumeurs sont soumis à des contraintes thermiquesméca- niques et électriques extrêmement sévères lorsqu'ils sont utilisés dans des moteurs à réaction et dans d'autres moteurs à combustion interne Les isolateurs connus jus- qu'à présent, utilisés dans de tels allumeurs, sont produits à partir de matières telles que l'alumine et l'oxyde de béryllium, ces deux matières étant connues pour la production de corps céramiques qui constituent des isolateurs électriques satisfaisants lorsqu'ils sont convenablement disposés à proximité de l'extrémité d'allu- mage d'un allumeur à haute énergie Cependant, les iso- lateurs en alumine sont sujets à une érosion importante par les étincelles et à une dégradation par les chocs thermiques, en service Bien que les isolateurs réalisés à base d'oxyde de béryllium soient beaucoup plus durables et plus résistants aux chocs thermiques que ceux produits à partir de l'alumine, on considère que l'oxyde de béryllium est toxique pour l'homme et qu'il est donc moins souhai- table de l'utiliser intensivement dans la fabrication des allumeurs. L'invention repose sur la constatation qu'il est possible de produire un allumeur perfectionné du type à haute énergie en assemblant convenablement, dans un tel allumeur, un corps d'isolateur composé de nitrure de silicium pratiquement pur ou d'une matière à base de nitrure de silicium, et présentant une surface parcourue, au moment d'une décharge, par une étincelle formée entre une électrode centrale et une électrode de masse. Il est apparu que des allumeurs à haute énergie, qui comprennent des corps convenablement formés, contenant une proportion importante de nitrure de silicium et placés en position appropriée dans leurs culots, présentent une plus grande longévité dans des conditions de service rencontrées dans'des applications telles que les moteurs à réaction, o les allumeurs sont soumis à de sévères contraintes thermiques, mécaniques et électriques Il semble que les propriétés thermiques, mécaniques et électri- ques apparentes des corps d'isolateurs composés de matières à base de nitrure de silicium permettent non seulement à ces matières d'opposer une plus grande résistance à l'érosion par les étincelles et à la dégradation par les chocs thermiques que celle des isolateurs réalisés en alumine# mais permettent également, de façon inatten- due, à ces corps de se comporter presque aussi bien que des isolateurs composés d'oxyde de béryllium, sans soulever les problèmes de toxicité posés par cette dernière matière Par conséquent, l'invention concerne un allumeur perfectionné utilisant du nitrure de silicium, qui peut être produit sans présenter les dangers, pour le personnel, associés à la fabrication d'allumeurs contenant de l'oxyde de béryllium. L'invention a donc pour objet un allumeur perfectionné à haute énergie pour moteurs à réaction et autres moteurs à combustion interne. L'invention a pour autre objet un allumeur compre- nant un isolateur céramique qui contient une proportion importante de nitrure de silicium, l'isolateur étant logé de manière annulaire dans le culot de l'allumeur, à proximité de l'extrémité d'allumage, afin qu'une décharge disruptive, produite entre une électrode centrale et une électrode de masse de l'allumeur, apparaisse le long de la surface de l'isolateur. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lequel: la figure 1 est une coupe longitudinale de l'allumeur à haute tension selon l'invention; la figure 2 est une coupe longitudinale à échelle agrandie, partiellement schématique, d'un isola- teur en nitrure de silicium disposé dans le culot de l'allumeur représenté sur la figure 1; et la figure 3 est une coupe longitudinale par- tiellement schématique de l'extrémité d'allumage d'une autre forme de réalisation de l'allumeur à haute tension selon l'invention. Comme représenté en détail sur la figure 1, un allumeur à haute tension, haute énergie, indiqué globale- ment en 10, présente une extrémité 11 d'allumage et une extrémité 12 de connexion L'allumeur 10 comprend un culot métallique 13, une électrode centrale 14 et des isolateurs 15, 16 et 17 montés dans un espace annulaire formé entre le culot 13 et l'électrode 14 Le culot 13 comporte une partie annulaire 18 orientée vers l'intérieur située à-l'extrémité d'allumage 11 de l'allumeur 10 et constituant une électrode de masse En cours d'utilisation, l'allumeur 10 est monté de manière amovible afin que la partie annulaire 18 pénètre dans la chambre d'allumage d'un moteur associé (non représenté) et soit mise à la masse du moteur par contact du culot 13 avec ce dernier. L'isolateur 15, qui est un corps réalisé en alumine, est emboîté à proximité de l'extrémité 12 de connexion de l'allumeur 10 afin de former une cavité cylindrique 19 dans laquelle un contact d'un dispositif d'allumage associé (non représenté) peut être enclenché électrique- ment avec une partie de l'électrode centrale 14 qui pénètre dans la cavité 19 L'isolateur 16, qui est un corps réalisé en alumine, présente un alésage central contenant l'électrode centrale 14, et il fait saillie axialement du fond de la cavité 19 pour former un tronçon tubulaire 20 aboutissant en un point situé à peu de dis- tance de l'extrémité 11 d'allumage de l'allumeur 10, point auquel cet isolateur est disposé entre l'isolateur 17 et l'électrode centrale 14, dans un espace annulaire 21. L'isolateur 17, qui est un corps réalisé en nitrure de silicium sensiblement pur, est logé dans l'es- pace annulaire 21 et il comporte un tronçon tubulaire 22 situé entre une partie de l'isolateur 16 et le culot 13, et il s'étend axialement vers l'extrémité 12 de connexion de l'allumeur 10 Un embout extrême 23 d'allu- mage, élargi radialement, est monté sur l'électrode centrale 14 et est disposé dans l'espace annulaire 21 afin qu'une partie de cet embout soit adjacente à V'iso- lateur 17 en nitrure de silicium, à l'extrémité il d'allu- mage L'isolateur 17 en nitrure de silicium comporte une partie qui s'étend axialement de sa partie tubulaire 22 jusqu'à l'extrémité 11 d'allumage de l'allumeur 10, cette partie présentant une surface 24 adjacente à un éclateur formé entre l'extrémité ou l'embout 23 d'allu- mage de l'électrode centrale 14 et l'électrode annulaire 18 de masse du culot 13. L'isolateur 17 en nitrure de silicium est repré- senté en coupe verticale et à échelle agrandie sur la figure 2. Comme représenté en détail sur la figure 3, - l'extrémité d'allumage d'un allumeur à haute tension, haute énergie selon l'invention est indiquée globalement en 25 L'allumeur 25 comprend un culot métallique inférieur Z 304745 26 relié à un culot métallique supérieur 27 par une brasure à l'argent indiquée en 28, et il comporte égale- ment une électrode centrale 29 qui présente un embout d'allumage, et des isolateurs annulaires 31 et 32. Seul un tronçon tubulaire de l'isolateur 31 est repré- -senté Le culot inférieur 26 comporte une partie annulaire 33 orientée vers l'intérieur et constituant une électrode de masse En service, l'allumeur 25 est fixé de manière amovible afin que la partie annulaire 33 pénètre dans la chambre d'allumage d'un moteur associé (non repré- senté) et il est mis àhla masse du moteur par contact du culot supérieur 27 avec ce dernier L'isolateur 31, qui est un corps réalisé en alumine, est logé dans un espace annulaire 33 ménagé entre le culot supérieur 27 et l'électrode centrale 29 et il présente un alésage cen- tral dans lequel sont disposés un tronçon de l'électrode centrale 29 et un tronçon tubulaire 34 de l'isolateur 32. Un joint 35 au talc, s'opposant aux fuites de gaz, est formé annulairement entre le culot inférieur 26 et le tronçon tubulaire 34 de l'isolateur 32 et remplit une zone comprise entre une bride annulaire- extérieure 36 de l'isolateur 32 et une bride annulaire intérieure 37 du culot inférieur 26. L'isolateur 32, qui est un corps constitué de nitrure de silicium sensiblement pur, s'étend axialement de sa partie tubulaire 34 vers un point situé à peu de distance de l'électrode annulaire 33 de masse et il occupe, à cet emplacement, un espace annulaire 38 formé entre le culot inférieur 26 et l'électrode centrale 29. L'isolateur 32 en nitrure de silicium présente une sur- face 39 qui est adjacente à une partie d'un tronçon 40, aminci radialement, de l'électrode centrale 29, tandis qu'une surface 41 de l'isolateur 32 est adjacente à-un éclateur formé entre l'extrémité 30 d'allumage de l'électrode centrale 29 et l'électrode annulaire 33 de masse formée par le culot inférieur 26. Il convient de noter qu'un isolateur possédant, parecemple, la forme globale de l'un des isolateurs 17 et 32 montrés sur les figures 1-3, peut être réalisé en toute matière convenable, à base de nitrure de sili- cium, plutôt qu'en nitrure de silicium sensiblement pur, et qu'il peut être utilisé à proximité immédiate de l'extrémité d'allumage d'un allumeur selon l'invention afin qu'une décharge disruptive se produise le long d'une surface de cet allumeur Par exemple, un tel iso- lateur peut être réalisé à partir d'oxynitrures de sili- cium-aluminium ("SIALON") ou à partir de compositions -10 de nitrure de silicium ou de "SIALON" et d'un ou plusieurs composants supplémentaires, ajoutés en tant qu'auxiliaires de frittage, par exemple Y 203, Ce 203, La 203, Sc 203, Cr 203, Mg O, Zn O, Ni O, Ti O 2, Sn O 2 et Sr O 2 Ces auxiliaires de frittage sont particulièrement utiles lors d'un frittage sans pression d'une composition du type "SIALON" Cepen- dant, un allumeur selon l'invention, comprend un isolateur dans lequel la proportion de nitrure de silicium est importante, c'est-à-dire d'au moins 50 % en poids, et de préférence d'au moins 65 % en poids. Seulement deux formes de réalisation de l'inven- tion ont été décrites ci-dessus en référence aux dessins. Un allumeur selon l'invention peut également être produit au moyen d'un isolateur en deux pièces ayant, par exemple, la forme globale de l'isolateur 17 montré sur les figures 1 et 2 et constitué, par exemple, d'un nitrure de silicium sensiblement pur, comprimé à chaud, ou bien d'un "bouton' à base de nitrure de silicium, lié à un isolateur en alumine La surface 24 doit être consti- tuée de ces matières à base de nitrure de silicium; le bouton peut avoir une épaisseur descendant jusqu'à environ 3,2 mm, son épaisseur étant de préférence au moins égale à 4,8 mm et, d'une manière encore plus souhai- ble, au moins égale à 6,35 mm Les matières à base de nitrure de silicium s'avèrent présenter, de façon inattendue, une bonne résistance à l'érosion par des étincelles à haute énergie, du type se produisant dans l'allumeur 10 et dans des allumeurs analogues tels que celui représenté sur la figure 3. L'isolateur en nitrure d'aluminium de l'allumeur selon l'invention, qu'il s'agisse d'un isolateur complet ou d'un bouton collé à un isolateur en alumine, et, dans tous les cas, qu'il soit composé essentiellement de nitrure de silicium, ou bien de nitrure de silicium en mélange avec d'autres matières, peut être produit par compression à chaud, comme indiqué précédemment, ou bien par des procédés de frittage sans pression ou de liaison- réaction Cependant, des isolateurs en nitrure de sili- cium comprimé à chaud sont préférés, car ils présentent généralement une plus grande résistance à l'érosion que les isolateurs obtenus par des procédés de frittage sans pression ou de liaison-réaction Par conséquent, les corps comprimés à chaud conviennent particulièrement à des allumeurs soumis à de sévères contraintes en service comme c'est le cas, par exemple, dans des moteurs à réaction. Cependant, lorsque la géométrie d'un allumeur exige un usinage d'un corps d'isolateur après fabrication et cuisson, le frittage sans pression ou la liaison-réaction est préféré car ces procédés confèrent au corps une meilleure aptitude à l'usinage. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'allumeur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Allumeur présentant une extrémité ( 11) d'allu- mage et une extrémité ( 12) de connexion, caractérisé en ce qu'il comporte un culot métallique ( 13) pouvant être monté de manière amovible dans un moteur à combustion interne et présentant, à l'extrémité d'allumage de l'allu- meur, une surface ( 18) qui constitue une électrode annu- laire de masse, un isolateur céramique ( 16) logé dans le culot métallique et présentant un alésage central, une électrode centrale ( 14) logée dans cet alésage de l'isolateur céramique et présentant une extrémité culot avec laquelle elle forme un éclateur, et un isola- teur ( 17) contenant une proportion importante de nitrure de silicium et logé à l'intérieur du culot, cet isolateur ( 17) présentant une surface ( 24) adjacente à l'éclateur et parcourue par une étincelle lorsqu'une décharge se pro- duit entre l'extrémité d'allumage de l'électrode centrale et l'électrode de masse du culot. 2 Allumeur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'isolateur en nitrure de silicium et l'isolateur en céramique comprennent des tronçons tubu- laires ( 20, 22) disposés dans un espace annulaire ( 21) formé entre le culot métallique et au moins une partie de l'électrode centrale. 3 Allumeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'isolateur ( 17) en nitrure de silicium s'étend axialement de sa partie tubulaire vers l'extrémité d'allu- mage de l'allumeur, jusqu'à la surface le long de laquelle la décharge disruptive se produit. 4 Allumeur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que l'isolateur en nitrure de silicium est constitué d'une céramique comprimée à chaud. 5 Allumeur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que l'isolateur en nitrure de silicium est constitué d'une céramique frittée sans pression. 1 1 6 Allumeur selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caraetérisé en ce que l'isolateur en nitrure de silicium est constitué d'une céramique liée par réaction.