Brevet FR2527377A1 — publié le 19831125

? 77 Diélectriques sous forme de vapeurs sursaturées. Un progrès important dans le domaine des diélectriques gazeux a été accompli récemment On a découvert en effet que des diélectriques li- quides pulvérisés dans un diélectrique gazeux, augmentent de manière significative la rigidité diélectrique du gaz (voir brevet américain no 4 296 003) Les électrons et les ions qui accélèrent le claquage, sem- blent Etre capturés par les gouttelettes du diélectrique liquides ce qui retarde le claquage Cependant, pour maintenir ce supplément de rigidité diélectrique, une opération de pulvérisation doit être poursuivie de ma- nière continue ou intermittente. On a observé à présent qu'on obtient un diélectrique sous forme de vapeur sensiblement exempte de gouttelettes et présentant tue rigidité diélectrique supérieure, conformément à la présente invention, lorsqu'un diélectrique gazeux est sursaturé de vapeurs d'un diélectrique liquide A la différence d'un diélectrique sous forme de vapeur qui contient des gout- telettes pulvérisées, le diélectrique sous forme de vapeur sursaturée qui fait l'objet de la présente invention, ne nécessite aucune opération de pulvérisation De mème, on peut maintenir ce-diélectrique dans un état pas- sif de faible rigidité diélectrique jusqu'à ce qu'une rigidité diélectrique élevée soit requise On peut ensuite créer presqu'immédiatement cet état de sursaturation à rigidité diélectrique élevée afin de répondre aux be- soins du matériel En variante, on peut maintenir de manière continue l'é- tat de sursaturation s'il le faut On peut utiliser divers diélectriques gazeux et mélanges de diélectriques gazeux ou sous forme de vapeurs, pour créer les tensions de vapeur souhaitables aux basses et hautes tempéra- tures ou d'autres propriétés souhaitables. Il peut être intéressant de mentionner la documentation suivante en rapport avec la présente invention. Un livre intitulé "Avalanche électronique et décharge disruptive dans les gaz O (Electron Avalanches and Breakdown in Gases) de H Raether (Butterworth & Company, 1964) étudie à la page 3 des avalanches électroni- ques dans une chambre à nuage "remplie d'un gaz tel que l'air, N 2, H 2, etc (qui) contient un liquide, de l'eau par exemple" Le volume de la chambre à nuage est augmenté, ce qui abaisse la température avec, en conséquence, une sursaturation de la vapeur qui se condense sur les ions positifs et négatifs. J 1 M Meek, dans un article intitulé "L'étincelle de vie" (The Vital Spark) Comptes-rendus de l'IEFE, Tome 116 j N O 1 I janvier 1969, dé- crit des avalanches électroniques photographiées dans des chambresà nuage contenant de l'azote ou de l'air. Le brevet américain n 4 162 227 décrit des mélanges de gaz et de vapeurs isolants comprenant l'hexafluorure de soufre et les composés d&halogènes et de carbone. Le brevet américain N O 4 296 003 décri t lm mélange de diélectri- =e gazeux, tel que l'hexafluorure de soufre ou l'azote, avec un diélectri- que liquide pulvérise tel quam'n c:xpose d'ialogène et de carbone. Un livre intitule: i Tr: ME ce ckial 1 rur' (A Treatise on Hfeat) de M.N Saha et B N Srivastava, explique aux pages 481 et 482 que des gout- :elettes d'eau ne peuvent pas sea former danis la vapeur d'eau eursatuée à sic;ns cue des particules ilrimncs de oi-ssires cu des ions soient présents et jouent le r 81 e de noya-x - La présente invertion sera blen cemprise à la lecture de la des- cription suivante faite el relaticz avcc les dessins ci'-oints, dans les- quels: la figure 1 est mne Avue ea coupe d'ln appareil à cylindre et pistcn, constituant un exemple de réalisation de la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe de l'appareil représenté à la figure 1, le piston étant en position haute; la figure 3 est une vue en coupe d'un autre appareil suivant la présente invention, divisé en deux chambres isolées l'une de l'autre par une soupape; la figure 4 est une vue en coupe de l'appareil représenté à la figure 3, la soupape étant ouverte poucom iquer les deux chambres; et la figure 5 est une vue en coupe d'un autre appareil qui per- met de maintenir en continu une atmosphère sursaturée. On se reportera maintenant aux figures 1 et 2 qui représentent un cylindre 1 contenant des électrodes 2 et 3 et un piston 4 A la figure 1, un diélectrique gazeux 5 est saturé des vapeurs d'un diélectrique li- quide 6 A la figure 2, le piston est relevé, ce qui permet une augmenta- tion rapide du volume intérieur du cylindre et, par conséquent, un abais- sement de la température du gaz, de sorte que ce dernier se trouve alors sursaturé des vapeurs du liquide 6 Le présent appareil peut maintenir une atmosphère sursaturée pendant une durée d'environ une seconde. Les figures 3 et 4 représentent un conteneur 7 qui est divisé en 2527377; chambres 8 et 9 isolées l'une de l'autre de manière étanche par une soupape Une pompe 11 fait le vide dans la chambre 8 Le volume de la chambre 9 et l'espace situé entre les électrodes 14 et 15 sont remplis d'un dié- lectrique gazeux 12 saturé des vapeurs d'un diélectrique liquide 13 Lors- que la soupape 10 est soulevée pour passer de sa position représentée à la figure 3 à sa position représentée à la figure 4, la pression dans la chambre 9 tombe rapidement et, en conséquence, le gaz 12 se trouve sur- saturé des vapeurs du liquide 13 Le présent appareil permet de maintenir une atmosphère sursaturée pendant une durée d'environ 20 secondes. A la figure 5, la chambre 16 contient des électrodes 17 et 18 et un diélectrique gazeux 19 sursaturé des vapeurs d'un liquide 20 et re- froidi par un système frigorifique 21 Une pompe 22 fait circuler le li- quide 20 par la canalisation 23 jusqu'à la chambre 24 o il est vaporisé par un fil chauffant 25 ett de là, il passe dans la chambre 16 Lorsqu'il y pénètres, il est rapidement refroidi, atteignant la sursaturation Le présent appareil peut maintenir en continu une atmosphère sursaturée et on pourrait l'adapter pour l'utiliser avec un transformateur de puissance à noyau magnétique et ensemble d'enroulements, comme le représentent symbo- liquement les éléments 17 et 18 à la figure 5. Dans la pratique de la présente invention, un diélectrique ga- zeux est sursaturé des vapeurs d'un diélectrique liquide Une substance est appelée diélectrique si elle peut supporter une contrainte électrique et si des différences de potentiel dans cette substance disparaissent très lentement ou pas du tout du fait du passage du courant Le diélectrique gazeux est un diélectrique qui est normalement un gaz à la température am- biante et le diélectrique liquide est un diélectrique qui est normalement un liquide à la température ambiante mais le gaz est sursaturé des vapeurs du liquide pendant le fonctionnement de l'appareil électrique L'état de sursaturation est instable et il provoque instantanément la condensation des vapeurs du liquide sur toute particule qui pénètre dans le diélectrique gazeux. On peut choisir le diélectrique gazeux dans un groupe comprenant des gaz électronégatifs tels que SF 6, C C 12 F 2, C 2 F 6, CF 3 Cl et CF 4 et des mé- langes de ces gaz, ou dans un autre groupe comprenant des gaz électroposi- tifs tels que N 2 et CO 2 et des mélanges de ces gaz, ou dans des mélanges des deux groupes Un mélange de SF 6 et d'an halocarbone es pr n rabe car ce mélange possède une rigidité diélectrique élevée et une pression plus uniforme dans une gamme étendue de températures Le diélectrique liquide peut 8 tre un liquide chloré tel que C 2 C 14, ou un composé liquide de fluor et de carbone tel que C 8 F 160, ou un mélange de ceux-ci Les composés de fluor et de carbone sont préférables car on a observé qu'ils fonctionnent bien Il est préférable d'utiliser un mélange de diélectriques gazeux ou sous forme de vapeurs car la rigidité diélectrique dépend de la tension de vapeur Si on utilise un mélange de gaz ou de vapeurs, on peut obtenir une tension de vapeur supérieure aux basses températures sans que la ten- sion de vapeur soit très élevée aux hautes températures, ce qui nécessite un récipient expansible On peut choisir un mralange dans lequel la propor- tion des gaz ou des vapeurs est telle que la tension de vapeur à la tem- pérature maximum est égale ou inférieure 2 atmosphères environ, tandis que la tension de vapeur à la température 2 minimum de fonctionnement est la plus élevée possible La sélection des gaz et des vapeurs en vue d'ob- tenir des tensions appropriées de vapeurs est bien connue de l'homme de l'art et est décrite dans le brevet américain N O 4 162 227 incorporé aux présentes à titre de référence. Le diélectrique liquide qui est dans un état de sursaturation, est de préférence un liquide chloré tel que le tétrachloroéthylène, ou un composé liquide de fluor et de carbone tel que le perfluorodibutyléther (C 8 F 160) car ces composés sont liquides à la température ambiante et ils sont relativement peu toxiques On peut également utiliser des mélanges de liquides Les vapeurs du diélectrique liquide peuvent être présentes dans le gaz à n'importe quel degré de sursaturation mais il est préférable que la sursaturation soit au moins égale à 1,2, ce qui signifie que le diélec- trique gazeux contient 20 % de plus de vapeurs du diélectrique liquide qu'il peut contenir dans un système stable dans les mêmes conditions de température et de pression. Il y a plusieurs façons d'obtenir un état de sursaturation mais il est préférable de l'obtenir de la même manière que dans une chambre à nuage Ceci revient à dire que le diélectrique sous forme de vapeur est saturé des vapeurs du diélectrique liquide Le mélange est ensuite dilaté rapidement en volume, ce qui abaisse sa température A la température in- férieure, le mélange ne peut pas contenir autant de vapeurs du diélectrique liquide qu'il peut en contenir à la température supérieure Cependant, les vapeurs en excès restent à l'état de vapeur jusqu'à ce qu'une particule pénètre dans le mélange, à la suite de quoi les vapeurs du diélectrique liquide sursaturé se condensent sur les particules Ceci réduit leur mobi- lité de manière significative, empachant les particules chargées ou les 2527377. ions de se déplacer entre les électrodes En conséquence, les ions ne sont pas disponibles pour amorcer un claquage du type à aigrettes En outre, le rayonnement ultra-violet venant des ions ne sera pas disponible pour éjecter les électrons des atomes et former des avalanches électroniques qui précèdent le claquage. Du fait qu'on peut facilement créer un état instable de sursatu- ration dont la durée de vie est limitée, la présente invention est très utile dans des appareils qui n'exigent qu'une rigidité diélectrique mo- mentanée et instantanément créée Parmi les appareils de ce type, on peut citer les matériels électriques et électroniques spéciaux, les armes à la- ser et les appareils à rayons X L'écartement des électrodes peut ftre compris entre moins d'un millimètre et plus de vingt centimètres* Cepen- dant, des techniques spéciales permettent de maintenir l'état de sursatu- ra*tion et, par conséquent, la présente invention sera utile pour les ap- pareils à fonctionnement continu tels que les transformateurs de puissan- ce à haute tension. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisa- tion qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de va- riantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 2527377 ' REVENDICATIONS 1 Appareil comprenant un moyen formant un espace sensiblement fermé dans lequel sont placés des élm 1 ents prévus pour supporter des po- tentiels électriques différents et isolés les uns des autres par un dié- lectrique gazeux, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour v rsaturer ce diélectr que gazeux des vapeurs d'un diélectri- que liquide. 2 Appareil suivant la revend Ication 1, caractérisé en ce que le diélectrique gazeux est choisi dans um grou Ipe comprenant des gaz électro- ratifs, des gaz électropo;itifs et dis milaz Ges des deuxe 3 Appareil suivant l'une des re-îênictctions I ou 2, caractérisé en ce que le diélectruque liquide est choisi dans un groupe comprenant des liquides chlorés, des liquides úluorbs et des élúanges des deux. 4 Appareil suivant l'n-me des r 3 rendications 1, 2 ou 3, caracté- risé en ce que le diélectrique gazeux est - mélange d 2 hexafluorure de soufre et d'un composé d'halogèrie et de carbone& Appareil ruivant l'ne Taelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le dielectrique liquide est an composé de fluor et de carbone. 6 Appareil suivant l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que la sursaturation est au moins égale & 20 %e 7 * Appareil suivant l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le diélectrique gazeux est exempt de gout- telettes pulvérisées. 8 Appareil suivant l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que à l'espace fermé sont associés des moyens pour refroidir le diélectrique gazeux contenu dans cet espace; et des moyens pour introduire des vapeurs du diélectrique liquide dans le diélec- trique gazeux en cours de refroidissement, de manière à maintenir une at- mosphère sursaturée dans cet espace. 9 Procédé pour augmenter la rigidité diélectrique d'un diélec- trique gazeux entre des éléments places à des potentiels électriques dif- férents, caractérisé en ce que le diélectrique gazeux est sursaturé des vapeurs d'un diélectrique liquide.