Brevet FR2909217A1 — publié le 20080530

CÂBLE ÉLECTRIQUE À HAUTE IMMUNITÉ ÉLECTRO-MAGNÉTIQUE À ISOLANT MINÉRAL ET PROCÉDÉ DE FABRICATION DE CELUI-CI DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un câble électrique à 5 haute immunité électro-magnétique, à isolant minéral et son procédé de fabrication. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication et de l'utilisation d'un câble électrique qui soit à la fois : 10 adapté à la transmission de signaux impulsionnels de faible amplitude à large bande fréquentielle; - présentant une très bonne résistance vis-à-vis du vieillissement sous rayonnements ionisants; 15 - ayant une compatibilité électromagnétique ou CEM, à la fois insensible aux rayonnements EM extérieurs et non perturbateur vis-à-vis d'autres équipements ; - de faible diamètre extérieur (typiquement 20 inférieur à 2 mm). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Comme décrit dans les documents référencés [ 1 ] et [2] en fin de description, il existe des câbles 25 électriques de l'art connu de diamètre extérieur moyen supérieur à 2 mm, qui sont inertes aux rayonnements ionisants, grâce à l'utilisation d'un isolant minéral à base de magnésie, d'alumine, ou de silice (à l'état 2909217 2 pulvérulent fortement comprimé), d'épaisseur suffisamment grande pour assurer une bonne isolation électrique, ce qui explique le fait que ces câbles doivent avoir des diamètres externes relativement élevés. Certains de ces câbles de l'art connu ont une gaine externe métallique, par exemple en fer, en cuivre, en inox, ou en un composite par superposition de deux de ces couches, qui peut servir de blindage électrique mais pas de blindage électro-magnétique. Des câbles à isolant minéral de diamètre inférieur à 2 mm existent mais ne sont utilisables que pour la transmission de courant (composante continue du signal), et pas pour des signaux faibles à composantes fréquentielles. Pour les faibles diamètres, inférieurs à 2mm, ces câbles ne sont pas CEM. Ils ne comportent, en effet, aucune protection pour les champs magnétiques. La fabrication de câbles CEM avec un diamètre extérieur inférieur à 2 mm est difficile, car plus le diamètre de ces câbles diminue, plus l'épaisseur de blindage diminue, or l'épaisseur des blindages doit être de l'ordre de l'épaisseur de peau des champs électro-magnétiques à atténuer. Dans le domaine technique des câbles électriques à isolant organique, on connaît des câbles électriques ayant une bonne compatibilité CEM. Les documents référencés [3] et [4] décrivent des câbles électriques dont le blindage EM comporte, autour du diélectrique entourant l'âme conductrice du câble, au moins une tresse de matériau présentant une perméabilité magnétique élevée (permalloy, }métal...) et 2909217 3 une couche de matériau électriquement conducteur, généralement sous forme de tresse ou feuillard métallique. Dans de tels câbles, les composants organiques ne résistent pas au vieillissement sous 5 l'effet des rayonnements ionisants (dégradation des composants organiques par apparition de radicaux et modification significative des constantes diélectriques et d'isolement du diélectrique) : non seulement dans les matériaux utilisés comme isolant et comme gaine, 10 mais aussi dans les couches de matériaux magnétiques, qui utilisent des poudres de particules magnétiques dans une matrice organique, pour assurer la flexibilité de ces câbles. De tels câbles soumis à des rayonnements ionisants peuvent donc être détériorés. De plus, de 15 tels câbles ne sont pas disponibles en faible diamètre, du fait de l'impédance requise (50Q ou 75Q), qui impose une épaisseur minimum de diélectrique de plusieurs millimètres. Le domaine technique des câbles à isolant 20 minéral est toutefois éloigné du domaine technique des câbles à isolant organique : les techniques de fabrication sont très différentes, et les problématiques d'amélioration aussi. Pour les câbles à isolant organique, le problème essentiel à résoudre est 25 d'éviter que les matériaux organiques brûlent, ou diffusent des composants nocifs. Les blindages EM sont généralement tressés, ce qui permet aussi une flexibilité des câbles plus grande qu'avec des matériaux massifs. De plus, on ne cherche pas 30 nécessairement à minimiser le diamètre de ces câbles. 2909217 4 L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant une nouvelle structure de câble électrique à isolant minéral de faible diamètre, ayant à la fois une bonne immunité aux parasites CEM et 5 une bonne résistance aux rayonnements ionisants, et un procédé de fabrication d'un tel câble électrique. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention concerne un câble 10 électrique à haute immunité électro-magnétique à isolant minéral, caractérisé en ce qu'il comprend les couches successives suivantes disposées sur une âme centrale en métal conducteur : une première couche de protection, 15 une couche de diélectrique minéral, une seconde couche de protection, une couche de métal conducteur, une couche de p-métal, une gaine métallique de protection 20 mécanique. Avantageusement l'âme centrale est en cuivre et a un diamètre compris entre 0,05 mm et 0,5 mm. La première couche de protection est en acier inox et a une épaisseur comprise entre 0,01 mm et 0,1 mm. La 25 couche de diélectrique minéral est à base d'alumine, de silice ou de magnésie et a une épaisseur comprise entre 0,2 mm et 1 mm. La seconde couche de protection est en acier inox et a une épaisseur comprise entre 0,01 mm et 0,1 mm. La couche de métal conducteur est en cuivre et 30 a une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm. La couche de p-métal a une épaisseur comprise entre 0,01 2909217 5 mm et 0,5 mm. La gaine métallique est une couche d'acier ou d'inconel d'épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm. L'invention concerne également un procédé 5 de fabrication d'un tel câble, dans lequel on réalise le câble en plusieurs passes de martelage d'une forme de même structure en coupe mais de diamètre supérieur, et dans lequel on effectue un recuit thermique à une température supérieure à 1100 C sous flux d'hydrogène 10 gazeux. Ce recuit sert à la fois à restituer les propriétés mécaniques des métaux après traitement de martelage mais également à restituer les parois des domaines magnétiques du p-métal qui ont été impactés par les traitements de martelage successifs réalisés 15 lors de la fabrication du câble. La nouveauté concerne la double action de ce type de recuit qui est réalisé dans des conditions plus sévères que pour une simple restauration des propriétés mécaniques. 20 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre une vue en coupe transversale d'un câble électrique CEM à isolant minéral selon l'invention. La figure 2 illustre l'amélioration de 25 fonctionnement obtenue avec le câble de l'invention en ce qui concerne la valeur de l'impédance de transfert qui est la mesure pertinente pour estimer la qualité d'immunité EM d'un câble. Plus l'impédance de transfert est faible, meilleures seront les performances EM du 30 câble. 2909217 6 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Comme illustré sur la figure 1, le câble de l'invention comprend plusieurs couches successives disposées sur une âme centrale 10 en métal conducteur, 5 par exemple en cuivre, de diamètre compris entre 0,05 mm et 0,5 mm, à savoir . - une couche 11 de protection, par exemple en acier inox d'une épaisseur comprise entre 0,01 mm et 0,1 mm permettant de protéger la couche diélectrique 10 12, - une couche 12 de diélectrique minéral, par exemple à base d'alumine ou de silice ou de magnésie, d'une épaisseur comprise entre 0,2 mm et 1 mm, 15 - une couche de protection 13, par exemple en acier inox d'une épaisseur comprise entre 0,01 mm et 0,1 mm permettant de protéger la couche diélectrique 12, - une couche 14 en métal conducteur, par 20 exemple en cuivre d'une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm, - une couche de p-métal 15 d'une épaisseur comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm, - une gaine métallique 16 par exemple en 25 acier ou en inconel, d'une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm. Le diamètre de l'âme centrale 10 ainsi que l'épaisseur de la couche diélectrique 12 sont sélectionnés en fonction de l'impédance caractéristique 30 recherchée pour le câble. Le choix de la nature du diélectrique s'effectue en fonction des performances 2909217 7 souhaitées pour le câble final ainsi que son domaine d'exploitation, notamment en terme d'impédance caractéristique. Pour une utilisation sous rayonnements nucléaires et en température, le choix se portera vers 5 la silice, a contrario pour des applications n'ayant pas de contraintes nucléaires, il peut être possible de diminuer l'épaisseur du diélectrique en utilisant de la magnésie en lieu et place de la silice. Il s'agit alors de profiter de l'amélioration de la constante 10 diélectrique due à la nature du matériau. La couche 11 de protection permet d'éviter une éventuelle diffusion du cuivre dans l'alumine, la silice ou la magnésie de la couche diélectrique 12, lors du traitement thermique de restitution des 15 propriétés mécaniques et magnétiques. L'ensemble de ces différentes couches 11 à 16 permet au câble de l'invention d'atteindre des performances en terme d'isolation vis-à-vis de la CEM équivalente à celles d'un câble dont le diamètre est 20 double si la couche 15 de p-métal n'est pas utilisée. Le câble de l'invention utilise exclusivement des matériaux inorganiques, notamment pour le diélectrique. Il peut utiliser les matériaux diélectriques classiques: magnésie, silice, ou alumine 25 sous forme de poudre fortement comprimée. La structure du câble de l'invention combine une structure avec isolant minéral, un blindage CEM à base de matériaux inorganiques, et des couches de protection du diélectrique. Typiquement l'épaisseur de 30 chaque blindage est déterminée par l'épaisseur de peau correspondant aux fréquences principales du rayonnement 2909217 8 électromagnétique dont on souhaite se prémunir. Plus précisément les différentes couches présentent les caractéristiques suivantes : - L'âme centrale 10 permet le transport des 5 impulsions de signal. - La couche de protection 11 protège le cuivre de l'âme centrale 10 lors du processus de recuit, décrit dans la suite, nécessaire pour le reconditionnement mécanique pour l'acier et le cuivre 10 et le reconditionnement magnétique du p-métal, après les séquences de martelage, - La couche diélectrique 12 sert d'isolant et permet d'ajuster l'impédance caractéristique du câble. 15 - La couche de protection 13 permet également de protéger la couche de cuivre 14 de l'effet de la température lors du recuit du câble. Grâce aux très bonnes propriétés de conductivité électrique du cuivre, cette couche 13 influence les performances 20 d'immunité aux parasites électromagnétiques du câble. - La couche en métal conducteur 14 et la couche de p-métal 15 forment un blindage électromagnétique. La couche de p-métal 15 permet 25 d'améliorer significativement les propriétés de blindage vis-à-vis des parasites électromagnétiques. - La gaine métallique 16 réalise un complément de blindage électromagnétique mais également assure les propriétés mécaniques du câble (rigidité ou 30 flexibilité). 2909217 9 - Toutes les couches 11 à 16 sont pleines : elles ne sont donc pas réalisées sous la forme d'une tresse métallique. 5 Le câble de l'invention est fabriqué à partir d'une forme de même structure en coupe mais de diamètre supérieur (ébauche), que l'on allonge pour obtenir un câble de diamètre fin. L'allongement de la forme est obtenu par une opération de martelage 10 extérieur. Mais, un tel martelage induit à la fois une perte des propriétés mécaniques et des propriétés magnétiques des matériaux. L'homme du métier sait, alors, qu'un recuit thermique peut permettre de restaurer des propriétés mécaniques de couches après 15 martelage, mais un tel recuit thermique standard ne permet pas de restaurer les propriétés magnétiques du matériau magnétique. Dans le procédé de l'invention, on effectue donc un recuit thermique du câble à une température 20 plus élevée que pour un recuit thermique de restauration mécanique. La température minimum est de l'ordre de 1100 C sous flux hydrogène gazeux pendant plusieurs heures, pour réaliser l'opération de restauration magnétique. Mais un tel recuit ayant pour 25 inconvénient de provoquer simultanément la fonte au moins partielle du cuivre de l'âme centrale 10, et la migration d'atomes de cuivre à travers la couche diélectrique 12, ce qui conduit donc à une dégradation des propriétés d'isolation électrique du diélectrique, 30 on utilise un câble comprenant au moins une couche de protection 11 ou 13 entre les couches de cuivre de 2909217 10 l'âme conductrice et du blindage électrique 14 et le diélectrique minéral 12, pour remédier à ces inconvénients. Les couches minces de protection 11 et 13 5 permettent d'éviter la diffusion du cuivre dans le diélectrique lors du recuit thermique. De plus l'empilement de couches de cuivre 14 et de p-métal 15 permet d'obtenir un blindage électro-magnétique de performances CEM équivalentes à celles d'un blindage 10 sans p-métal deux fois plus épais que l'empilement de couches réalisé dans le câble de l'invention. Exemple de réalisation Le transport d'impulsions électriques 15 provenant d'une chambre à fission située au coeur d'un réacteur nucléaire, qui induit une nécessaire miniaturisation du capteur et du câble, vers les calculateurs situés à l'extérieur impose l'utilisation d'un câble dont l'atténuation linéique soit la plus 20 faible possible, une impédance caractéristique en cohérence avec l'entrée de l'électronique de traitement afin de transporter toute la bande fréquentielle du signal et enfin une impédance de transfert la plus faible possible afin de limiter au maximum les 25 perturbations d'origines électromagnétiques. On a ainsi réalisé un câble tel que décrit ci-dessus de 1,7 mm de diamètre externe avec des performances en terme d'impédance de transfert équivalentes à celles d'un câble de 3 mm de diamètre 30 externe. 2909217 11 La figure 2 représente l'impédance de transfert qui est la mesure pertinente pour l'évaluation des performances CEM d'un câble. La figure 2 montre l'amélioration apportée par le câble de 5 l'invention en terme d'impédance de transfert de l'immunité vis-à-vis des parasites CEM, en comparant l'intérêt d'une couche (15) de p-métal (courbe II) par rapport à une couche d'inconel (courbe I) pour un câble de diamètre externe identique. 10 2909217 12 REFERENCES [1] EP 0 145 060 5 [2] Minerai Insulated Signal Transmission Cables ( THEMOCOAX from vision to reality , Cables for transmission of HF signais (STC-E003-0), Low capacitance (STC-E004-0), Single conductor (STC-E001-0), Multi conductors (STC E002-0)) 10 [3] US 4,383,225 [4] US 4,816,614 Kea REVENDICATIONS 1. Câble électrique à haute immunité électro-magnétique à isolant minéral, caractérisé en ce qu'il comprend les couches successives suivantes sur une âme centrale en métal conducteur (10) - une première couche de protection (11), une couche de diélectrique minéral (12), une seconde couche de protection (13), une couche de métal conducteur (14), une couche de p-métal (15), - une gaine métallique (16). 2. Câble selon la revendication 1, dans lequel l'âme centrale (10) est en cuivre et a un diamètre compris entre 0,05 mm et 0,5 mm. 3. Câble selon la revendication 1, dans lequel la première couche de protection (11) est en acier inox et a une épaisseur comprise entre 0,01 mm et 0,1 mm. 4. Câble selon la revendication 1, dans lequel la couche (12) de diélectrique minéral est à base d'alumine, cu de silice ou de magnésie et a une épaisseur comprise entre 0,2 mm et 1 mm. 5. Câble selon la revendication 1, dans lequel la seconde couche de protection (13) est en acier inox et a une épaisseur comprise entre 0,01 mm et 0,1 mm. 2909217 14 6. Câble selon la revendication 1, dans lequel la couche de métal conducteur (14) est en cuivre et a une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm. 7. Câble selon la revendication dans lequel la couche de p-métal (15) a une épaisseur comprise entre 0,01 mm et 0,5 mm. 8. Câble selon la revendication 1, dans lequel la gaine conductrice (16) est une couche d'acier ou d'inconel d'épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm. 15 9. Procédé de fabrication du câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on réalise le câble en plusieurs passes de martelage d'une forme de même structure en coupe mais de diamètre supérieur. 10. Procédé selon la revendication 9, on effectue un recuit thermique à une température supérieure à 1100 C sous flux d'hydrogène gazeux. 5 10 20