Brevet FR2772183A1 — publié le 19990611

CONDENSATEUR A HUILE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne, dans le domaine de l'électronique, les composants passifs de puissance à usage industriel, scientifique ou médical et, en particulier, les condensateurs. Dans ce domaine des moyennes et hautes fréquences, l'emploi de condensateurs à électrodes fixes ou variables, de quelques dizaines à quelques milliers de picofarads est courant. Dans certaines applications à caractère industriel, par exemple en radiodiffusion ou pour de l'appareillage médical, ces composants sont soumis à des tensions de l'ordre de plusieurs dizaines de kilovolts et à des intensités de l'ordre de plusieurs dizaines d'ampères. Peu de solutions sont disponibles à ce jour pour garantir de telles conditions de fonctionnement. Art antérieur et problèmes posés Pour réaliser de tels composants, les actuels fabricants ont recours aux techniques du vide, de façon à obtenir des tensions disruptives les plus élevées possibles. Des champs électriques très intenses sont en effet présents aux bornes des électrodes de ces composants. Dans une réalisation d'un de ces condensateurs, les électrodes sont constituées de deux ensembles de génératrices concentriques imbriquées et réalisées en feuillards de cuivre roulés et soudés. La profondeur de cette imbrication fixe la valeur de la capacité qui lui est proportionnelle. Le condensateur est ainsi réglable. Une fabrication très soignée des électrodes est nécessaire, car du fait de la faible permittivité du vide, la distance entre les génératrices de chaque électrode est très faible, environ 1 mm. Ainsi, avec des tensions d'environ 30 kV, un champ électrique de 30.106 V/m règne entre les électrodes. Ainsi, le moindre défaut d'état de surface ou de concentricité, voire de pollution, devient catastrophique. De nombreux contrôles sont donc nécessaires jusqu'à l'obtention du produit fini. Un autre problème important doit être également résolu avec ce type de composant. I1 concerne le maintien du vide à l'intérieur du condensateur et le refroidissement de ce dernier. En effet, pour réaliser un condensateur variable, il faut qu'une des deux électrodes soit mobile. Pour ce faire, les fabricants ont recours à un soufflet en bronze-bérylium, élément onéreux et fragilisé par la différence de pression entre le vide interne du condensateur, environ 10-8 Torr et la pression d'eau nécessaire au refroidissement du condensateur, environ 1 bar. Cet élément limite donc les courants transmis par le dispositif par sa faible section et par sa forme ondulée. Enfin, d'autres difficultés émanent du choix de matériaux et de leur mise en oeuvre, comme le cuivre des électrodes qu'il faut rendre non poreux, l'enveloppe céramique isolante dont il faut assurer l'assemblage par brasure sur le cuivre. De plus, dans le temps, les caractéristiques de ce type de condensateur se dégradent, et même surtout dans le cas de la non-utilisation de ce dernier. En d'autres termes, les difficultés techniques importantes pour réaliser ce type de condensateur, destiné à être utilisé en haute fréquence et capable de supporter des champs électriques et des courants élevés, sont liées aux contraintes suivantes - nécessité d'utiliser la technique du vide poussé - utilisation de matériaux spéciaux, tels que les céramiques, le bronze-bérylium, le cuivre électrolytique, etc. moins importants à apporter aux réalisations - complexité de réalisation concernant les soudures fines, la concentricité des électrodes et les états de surface contrôles qualité nombreux et indispensables pour chaque pièce réalisée - choix de matériaux et leur mise en oeuvre, notamment concernant les céramiques à souder sur du cuivre, le soufflet en bronze-bérylium, l'usinage dans des joncs de cuivre électrolytique triés selon la porosité - difficultés d'obtenir des échanges thermiques efficaces, dues au vide régnant à l'intérieur du condensateur - précautions nécessaires à prendre lors du montage et de la mise en service, à savoir : contrôle des efforts sur les plaques de connexion et de la pression d'eau sur le soufflet, traitement de l'eau, limitation des chocs et des vibrations, pas d'utilisation horizontale ; et - vérification des performances et reformage à la tenue en tension après un stockage prolongé. Le but de l'invention est donc de remédier à tous ces inconvénients en satisfaisant à un cahier des charges spécifique aux applications industrielles moyennes ou hautes fréquences de forte puissance. Ceci implique une réduction notable des coûts de production. Par ailleurs, le document de brevet DD 266 013 montre un condensateur utilisant, non pas le vide, mais une huile pour remplir l'entrefer entre les deux électrodes. Par contre, un tel condensateur est utilisé dans le domaine des techniques de mesure et les intensités mises en jeu ne sont pas importantes. Or, les intensités pratiquées dans le domaine d'utilisation du condensateur variable décrit dans les paragraphes précédents interdisent, a priori, l'utilisation de l'huile comme diélectrique entre les deux électrodes. En effet, des problèmes d'échauffement d'étanchéité apparaissent lors de l'élévation en température du condensateur. Résumé de l'invention En conséquence, l'objet principal de 11 invention est un condensateur à huile comprenant - une enveloppe remplie d'huile - deux électrodes placées à l'intérieur de ltenveloppe ; et - deux connexions traversant l'enveloppe pour connecter les deux électrodes à des dispositifs extérieurs. Selon l'invention, on utilise une chambre d'expansion dont le volume interne est en liaison avec le volume interne de l'enveloppe, pour permettre au volume d'huile de se dilater, l'huile remplissant tout le volume interne de l'enveloppe. Dans la réalisation préférentielle du condensateur selon l'invention, la chambre d'expansion comprend - un piston poussé par un ressort de tarage. Il est relativement avantageux de placer la chambre d'expansion à l'extérieur de l'enveloppe du condensateur. On peut doter le condensateur selon l'invention d'une soupape tarée montée sur l'enveloppe du condensateur, pour éviter l'explosion du condensateur par surpression. Dans sa version réglable, le condensateur selon 1 invention comprend une électrode fixe et une électrode mobile dans un fourreau de centrage fixé sur l'enveloppe. Le caractère réglable du condensateur se complète par l'utilisation d'une vis de réglage pour régler la position de l'électrode mobile par rapport à l'électrode fixe ayant toutes deux des ailettes concentriques. Il est avantageux pour un tel condensateur à capacité variable de réaliser la liaison électrique de l'électrode mobile avec sa connexion, au moyen de quatre feuillards flexibles. Description détaillée de l'invention L'invention et ses caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée d'une unique figure représentant en coupe le condensateur selon l'invention dans sa version variable. En référence à l'unique figure, le condensateur selon l'invention comprend une enveloppe formée principalement d'un corps 1, cylindrique, fermé à ses deux extrémités par un fond 2 et un couvercle 3. Le corps 1 est réalisé, de préférence, en polypropylène de haute caractéristique diélectrique, mais de diamètre et d'épaisseur standard chez les fournisseurs. Ainsi, il est très facile, à partir de ce tube standard, d'usiner les faces nécessaires et de l'équiper de trous taraudés ou d'inserts taraudés qui permettent d'utiliser des moyens de fixation 4 du fond 2 et du couvercle 3. L'électrode fixe est fixée directement sur le fond 2. Qui plus est, elle est constituée d'un ou de plusieurs ailettes concentriques 9, perpendiculaires au fond 2 et faisant partie de la même pièce. En d'autres termes, l'électrode fixe constituée par les ailettes concentriques 9 est, avec le fond 2, brut d'usinage, ou usinée dans le même bloc de matériau, à savoir de l'aluminium. Ces ailettes concentriques 9 constituant l'électrode fixe s'imbriquent dans l'électrode mobile constituée également d'une ou de plusieurs ailettes concentriques 11 concentriques et espacées de façon similaire. Le support mobile 10 des ailettes concentriques 11 constituant l'électrode mobile est donc monté à l'intérieur du corps 1, parallèlement au fond 2. Il est supporté par un coulisseau 12 monté coulissant dans un fourreau de fixation 14. Ce dernier est fixé au couvercle fixe 3 par des moyens de fixation, tels que des vis 15 à têtes noyées. Une vis de réglage 16, surmontée d'une mollette ou d'un autre organe de manoeuvre 17, est montée tournante dans le fourreau de centrage 14 et est dotée d'une tige filetée 13 vissée dans le coulisseau 12. En conséquence, une rotation de la vis 16 provoque une translation verticale du coulisseau 12 et de l'électrode mobile constituée par les ailettes concentriques 11. On conçoit ainsi que le condensateur selon 1 invention puisse avoir une capacité variable et réglable, grâce à la vis 16, l'électrode mobile constituée par les ailettes concentriques 11 s'enfonçant plus ou moins entre eux les ailettes concentriques 9 de l'électrode fixe. La connexion de l'électrode fixe, avec les organes extérieurs, se fait au moyen de fiches de connexion 29, par exemple vissées dans le fond 2. De même, des fiches de connexion 5, vissées dans le couvercle 3, peuvent réaliser la connexion avec le couvercle 3. Celui-ci est en liaison électrique avec les ailettes concentriques 11 de l'électrode mobile par l'intermédiaire de quatre feuillards flexibles 18 constitués par du clinquant en cuivre argenté, fixés à leurs extrémités, sur le support mobile 10 des ailettes concentriques 11 de l'électrode mobile et sur le couvercle 3. Le volume intérieur de l'enveloppe de ce condensateur constitué par le corps 1, le fond 2, le couvercle 3, est rempli entièrement d'huile à haute performance diélectrique, telle qu'une huile silicone. Or, les très forts échauffements subis par les pertes par effet Joule dans le condensateur lors d'utilisations sous très hautes tensions réchauffent l'huile et une dilatation de celle-ci constitue une contrainte et une menace pour l'étanchéité de l'enveloppe du condensateur. Selon une caractéristique principale de l'invention, on prévoit une chambre d'expansion 20 fixée sur le couvercle 3 du condensateur. En effet, le couvercle 3 est muni d'un premier orifice de sortie 6 en communication avec un orifice d'entrée 25 de la chambre d'expansion 20. Cette dernière est constituée principalement d'un corps cylindrique 24 à l'intérieur duquel est monté coulissant un piston 21 qui actionne un axe mobile 22. Un ressort de compression 23 est monté à l'intérieur du corps cylindrique 24 et sollicite le piston 21 vers l'orifice d'entrée 25. Ainsi, lorsque la pression monte, et que l'huile se dilate avec une force minimale, elle peut s'échapper dans la chambre d'expansion 20 sans créer de surpression sur le montage de l'enveloppe du condensateur. Une bague de réglage 25 permet de régler la réaction du ressort 23 et ainsi la résistance de cette chambre d'expansion 20. De toute manière, on peut également prévoir dans un deuxième orifice de sortie 7 du couvercle 3 de monter une soupape tarée à la place d'un bouchon de vidange 8 dessiné sur cette réalisation. L'huile utilisée peut être une huile silicone "RHODORSIL 604 V 50", fournie par la Société RHONE POULENC. Elle peut être introduite par le deuxième orifice d'entrée 7 prévue dans le couvercle 3. Le poids approximatif d'un tel condensateur d'une capacité de 1 000 pF peut être de l'ordre d'une dizaine de kilogrammes et d'un diamètre de l'ordre de 200 mm. Le volume d'huile est de 3,5 à 5 litres. L'exemple de réalisation du condensateur selon 1 invention représenté sur cette figure montre un condensateur à capacité réglable. Il faut comprendre qu'une grande gamme de condensateurs peut être réalisée tout en utilisant le même principe d'électrodes et d'huile avec la chambre de compensation. Cette gamme peut être aussi fournie que les gammes de condensateurs à vide existants déjà. Avantages de l'invention Ce type de condensateur présente un très grand nombre d'avantages par rapport aux condensateurs utilisant le vide dans l'espace inter-électrodes. On pense, en particulier, à la robustesse et aux performances facilement obtenues de ces condensateurs. Ces avantages sont les suivants. - Le remplacement des électrodes et des autres pièces conductrices est possible par de l'aluminium argenté plus épais. - La réduction très sensible de la hauteur des électrodes pour une même valeur choisie permet de réduire les résonances parasites dues aux inductances de lignes. - L'épaisseur des électrodes, à savoir les ailettes concentriques 9 et 11, peut être 10 à 20 fois plus importante, ce qui les rend beaucoup plus robustes et permet l'obtention de leur concentricité par simple usinage, ce qu'interdisait le recours à des ailettes concentriques en cuivre roulées dans les condensateurs selon l'art antérieur. - Les arrondis des extrémités des électrodes sont 20 fois plus importants, très réguliers et très concentriques. Ceci permet aux condensateurs de supporter des tensions beaucoup plus importantes en position minimale. - La substitution du soufflet par les quatre feuillards 18, faiblement dissipatifs en cuivre argenté offre une surface 2 fois plus importante pour laisser circuler les courants. - La mise à profit de la conductivité thermique de l'huile pour refroidir efficacement le composant par simple contact avec les flasques, lorsque ceux-ci sont refroidis. - Les très hautes caractéristiques diélectriques de l'huile retenue, à savoir une huile silicone, qui permettent d'obtenir des performances très supérieures aux matériels actuellement sur le marché, et à encombrement équivalent. - En terme économique, le prix de revient à l'unité d'un tel condensateur est probablement 3 à 4 fois moins élevé que le matériel équivalent, actuellement sur le marché. - L'utilisation de l'huile comme diélectrique permet de modifier de façon importante la conception des électrodes, ainsi que leur environnement, sans avoir recours à des matériaux spéciaux. - Ceci permet également de dissiper des pertes par effet Joule dans les conducteurs. Ces pertes peuvent être évacuées par conduction par l'intermédiaire de l'huile, ce qui limite le débit du système de refroidissement externe nécessaire lors d'une utilisation, mettant en oeuvre de très fortes valeurs de courant. - Ce type de condensateur rempli entièrement d'huile peut être utilisé dans n'importe quelle position, verticale, y compris à l'envers, horizontale. - Le volume d'huile permet d'accroître l'inertie thermique du condensateur, ce qui lui permet d'encaisser des régimes transitoires de courants élevés. - La stabilité thermique de l'huile et sa résistance chimique évitent l'altération des caractéristiques des composants. - La forme et les épaisseurs des matières que l'on peut mettre en oeuvre facilitent grandement la réalisation des pièces maîtresses qui sont simplement usinées au tour, à partir de joncs ou de tubes d'aluminium étirés et de qualité standard. - La conductivité peut être grandement accrue par une argenture des pièces de transit du courant. - Le montage et sa fiabilité de réalisation, notamment concernant la concentricité, permettent de supprimer de nombreux contrôles qualité, lorsque le matériel de tournage et d'outillage est conforme aux spécifications ISO en vigueur. - La réalisation et la fabrication en série du condensateur sont simplifiées. - Aucune maintenance particulière n'est nécessaire si le composant a subi un stockage prolongé, tout au plus un remplissage par de huile neuve peut être préconisé par précaution. - Ce condensateur peut être facilement réparé en atelier de maintenance, ce qui n'est pas toujours le cas dans les condensateurs de l'art antérieur. Exemple : dans le cas d'un amorçage. - Le condensateur est peu sensible aux chocs et aux vibrations. Remarque Le système de translation de l'électrode mobile et les clinquants 18 de connexion peuvent être supprimés. Ainsi, on peut réaliser un condensateur à capacité fixe. La chambre d'expansion 20 peut toujours être utilisée et assurer les mêmes fonctions que pour le condensateur à capacité variable. On peut prévoir un système d'asservissement et de sécurité destiné à couper l'alimentation, ou à alimenter une alarme. On utilise alors la pression interne à l'intérieur de l'enveloppe du condensateur par l'intermédiaire de la soupape de surpression actionnant à distance un potentiomètre et un contact électrique. La mise en oeuvre d'un tel contrôle de pression est possible, grâce à la chambre d'expansion 20 et à l'axe coulissant 22 du piston 21. REVENDICATIONS 1. Condensateur à huile comprenant - une enveloppe remplie d'huile - deux électrodes placées à l'intérieur de l'enveloppe ; et - deux connexions traversant l'enveloppe pour connecter les deux électrodes avec des dispositifs extérieurs, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre d'expansion (20) dont le volume interne est en liaison avec le volume interne de l'enveloppe pour permettre au volume d'huile de se dilater, l'huile remplissant tout le volume interne de l'enveloppe. 2. Condensateur à huile selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre d'expansion (20) comprend - un piston (21) poussé par - un ressort de compression (23). 3. Condensateur à huile selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre d'expansion (20) est placée à l'extérieur de l'enveloppe. 4. Condensateur à huile selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une soupape tarée montée sur l'enveloppe pour éviter l'explosion de cette dernière par surpression. 5. Condensateur à huile selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le but de constituer un condensateur à capacité variable, il comprend - une électrode fixe constituée par des ailettes concentriques (9) fixées à un fond (2) de l'enveloppe ; et - une électrode mobile constituée par des ailettes concentriques (11) fixées à un coulisseau (12) mobile en translation par rapport à un fourreau de centrage (14), lui-même fixé à un couvercle (3) de l'enveloppe. 6. Condensateur à huile à capacité variable selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une vis de réglage (16) montée tournante dans le couvercle (3) pour translater le coulisseau (12) et l'électrode mobile. 7. Condensateur à huile à capacité variable selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la liaison électrique entre l'électrode mobile et le couvercle (3) se fait par l'intermédiaire de quatre feuillards flexibles (18)