Brevet FR2938967A1 — publié le 20100528

SURMOULAGE POUR AMPOULE A VIDE EN MATERIAU COMPOSITE SMC OU BMC DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne l'isolation électrique par surmoulage d'une ampoule à vide, en particulier pour une utilisation dans des appareillages ou des équipements haute et moyenne tension. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les ampoules à vide sont des éléments de coupure électrique utilisés dans des appareillages et des équipements haute et moyenne tension. En général, le corps des ampoules à vide destinées à être utilisées en haute ou en moyenne tension est réalisé en céramique (en particulier en alumine émaillée) et les connexions électriques sont en métal (cuivre, inox...). Les ampoules à vide peuvent être isolées électriquement en étant recouvertes d'une couche de surmoulage réalisée en des matériaux synthétiques solides électriquement isolants, qui sont généralement des matériaux polymères de type thermodurcissable, thermoplastique ou élastomère. Au final, les matériaux utilisés pour réaliser une ampoule à vide surmoulée opérationnelle ont des coefficients de dilatation thermique très différents. En effet, le coefficient de dilatation thermique d'une céramique est d'environ 7,5.10-6 °C-1, celui du cuivre est d'environ 17.10-6 °C-1, tandis que le coefficient de dilatation thermique du matériau de 2 surmoulage est respectivement d'environ 35.10-6 °C-1, 100.10-6 °C-1 ou de 100.10-6 °C-1 à 300.10-6 °C-1 pour un polymère de type thermodurcissable, thermoplastique ou élastomère. Par conséquent, lorsque ces différents matériaux se retrouvent en contact et que l'ampoule à vide subit des sollicitations thermiques d'utilisation dues, par exemple, à la température ambiante ou à des échauffements, des défauts tels que des fissurations ou des décollements apparaissent dans les matériaux, et en particulier au niveau des interfaces entre les matériaux. Ces phénomènes de dégradation sont dus principalement aux dilatations différentielles entre les divers matériaux constituant l'ampoule à vide surmoulée, ce qui conduit à avoir des dilatations différentes pour chaque matériau. Or, pour conserver les propriétés de tenue électrique dans la zone intermédiaire entre la face externe de l'ampoule à vide et la couche de surmoulage, il est indispensable de ne pas avoir de fissurations dans cette zone. En effet, l'apparition de fissures dans cette zone intermédiaire provoquent l'apparition de décharges partielles qui détruisent les matériaux de l'ampoule à vide, créent des échauffements locaux et détruisent la tenue diélectrique de l'ampoule à vide surmoulée. Afin de minimiser ces défauts, il est connu d'interposer, entre l'ampoule à vide et la couche de surmoulage, une couche en matériau élastique, par exemple en caoutchouc éthylène-propylène-diène (voir le document [1]) pour compenser la différence de 3 coefficient de dilatation thermique entre le matériau de la couche de surmoulage et le matériau de l'ampoule à vide. Cependant, cette opération implique un coût et une étape supplémentaires dans le procédé de fabrication. Une autre solution connue consiste à placer, entre l'ampoule à vide et la couche de surmoulage, un ensemble de deux couches, à savoir une couche textile intérieure et une couche textile extérieure (voir le document [2]). La couche textile intérieure est en contact avec l'ampoule à vide et possède une forte densité en textile et un faible coefficient de dilatation thermique. La couche textile extérieure est quant à elle en contact avec la couche de surmoulage ; elle a une densité en textile inférieure à celle de la couche intérieure (c'est-à-dire que l'espacement entre les textiles est plus détendu que celui de la couche textile intérieure) et a un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la couche textile intérieure. Cette seconde solution est intéressante, car elle permet de faire évoluer le coefficient de dilatation thermique de manière progressive entre l'ampoule à vide et la couche de surmoulage, ce qui a pour conséquence que la différence de coefficient de dilatation thermique entre les matériaux de l'ampoule à vide et de la couche de surmoulage est minimisée. Cependant, la réalisation d'un tel ensemble de deux couches composites présente l'inconvénient d'être compliquée et couteuse. En effet, l'agencement et la réalisation de la couche textile intérieure et de 4 la couche textile extérieure sont compliqués, car la densité de textile évolue entre la couche de textile intérieure et la couche de textile extérieure. Les inventeurs ont donc cherché à concevoir un surmoulage qui permette d'abaisser la différence entre les coefficients de dilatation thermique des matériaux constitutifs d'une ampoule à vide et de la couche de surmoulage, sans présenter les inconvénients décrits ci-dessus. EXPOSÉ DE L'INVENTION Ce but est atteint par un surmoulage réalisé à partir d'un matériau de type SMC ou BMC. Ainsi, l'invention concerne une ampoule à vide surmoulée comprenant une enceinte en un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique al et une couche de surmoulage ayant un coefficient de dilatation thermique a2, ladite couche de surmoulage servant à isoler électriquement l'ampoule à vide et étant appliquée sur l'enceinte, caractérisée en ce que la couche de surmoulage est en un matériau composite SMC ou BMC ayant un coefficient de dilatation thermique a2 constant et inférieur à 25.10-6 °C-1 Selon l'invention, la couche de surmoulage 25 assure donc la tenue diélectrique de l'ampoule à vide (isolation électrique de l'ampoule à vide). On précise qu'un matériau composite SMC (de l'anglais � Sheet Molding Compound �) et un matériau composite BMC (de l'anglais � Bulk Molding Compound �) 30 sont des matériaux composites réticulables renforcés avec des charges et des fibres de verre. Ils comprennent un matériau thermodurcissable à base de polymère, comme par exemple le polyester insaturé, ainsi que des charges et des fibres de verre, la teneur en matière organique étant inférieure à 30% en poids et 5 la teneur en fibres pouvant varier de 20 à 60 % en poids. De préférence, les fibres de verre ont une longueur de 25 mm généralement pouvant varier entre 12 et 50 mm dans les matériaux SMC, tandis que les fibres de verre ont une longueur de 6 à 12 mm dans les matériaux BMC. Avantageusement, la couche de surmoulage sert en outre à assurer la tenue mécanique de l'ampoule à vide. La couche de surmoulage peut donc ainsi à la fois assurer la tenue électrique et assurer la tenue mécanique de l'ampoule à vide en étant appliquée sur l'enceinte de l'ampoule. Avantageusement, le matériau composite SMC ou BMC a une température de fléchissement sous charge (HDT) supérieure à 150°C. L'avantage de l'utilisation des matériaux composites de surmoulage SMC ou BMC est qu'ils présentent une température de fléchissement sous charge (HDT) plus élevée que celle d'une résine epoxy chargée. A titre d'exemple, la température HDT d'un matériau composite SMC ou BMC est supérieure à 150°C (elle est de l'ordre de 180°C), alors que celle de la résine epoxy chargée est en général inférieure à 140°C. Une température HDT élevée permet d'obtenir des propriétés mécaniques importantes même à haute température. En utilisant un matériau composite type SMC ou BMC, les propriétés mécaniques du matériau 6 restent stables, même sous une température de 150°C. Alors que les propriétés mécaniques de la résine epoxy chargée utilisée couramment dans l'application diélectrique chutent considérablement une fois sa température HDT atteinte. Avantageusement, le coefficient de dilatation thermique al de l'enceinte est inférieur au coefficient de dilatation thermique a2 du matériau composite SMC ou BMC de la couche de surmoulage inférieur à 25.10-6 °C-1, de préférence entre 7,5 et 25.10-6 °C-1. Avantageusement, le coefficient de dilatation thermique a2 du matériau composite SMC ou BMC est compris entre 10.10-6 °C-1 et 20.10-6 °C-1 Avantageusement, le coefficient de dilatation thermique al de l'enceinte et le coefficient de dilatation thermique a2 du matériau composite SMC ou BMC de la couche de surmoulage sont égaux à +/-2.10-6°C-1 près. Avantageusement, le matériau composite SMC ou BMC de la couche de surmoulage comprend des fibres végétales, par exemple des fibres en lin, en chanvre ou en basalt. Selon une première variante, la couche de 25 surmoulage est mise en forme sur l'enceinte de l'ampoule à vide par compression du matériau composite SMC ou BMC disposé en une couche d'épaisseur constante sur l'enceinte de l'ampoule à vide. Selon une seconde variante spécifique à 30 l'utilisation d'un matériau composite BMC, la couche de surmoulage est mise en forme sur l'enceinte de 20 7 l'ampoule à vide par compression transfert du matériau composite BMC sur l'enceinte. La compression transfert est une étape connue de l'homme du métier. Elle consiste à charger la matière nécessaire à la formation du matériau composite BMC dans un pot de transfert, à réaliser la plastification de cette matière dans le pot de transfert, puis à transférer cette matière plastifiée dans la partie chaude du moule et à compresser la matière plastifiée à l'état ramolli sur l'enceinte de l'ampoule à vide jusqu'à réticulation complète de la matière. Avantageusement, l'enceinte est en céramique. L'invention concerne également l'utilisation d'un matériau composite SMC ou BMC pour réaliser l'isolation électrique, et éventuellement la tenue mécanique, d'une ampoule à vide en appliquant, sur la surface de l'ampoule à vide, une couche de surmoulage à base d'un matériau composite SMC ou BMC ayant un coefficient de dilatation thermique constant et inférieur à 25.10-6 °C-1 Le principe de l'invention repose donc sur l'utilisation d'un matériau composite SMC ou BMC ayant un coefficient de dilatation thermique constant et inférieur à 25.10-6 °C-1 pour isoler électriquement une ampoule à vide. Les matériaux BMC et SMC disponibles dans le commerce ont des caractéristiques différentes, et notamment des coefficients de dilatation thermique différents, en fonction de leur teneur en fibre de 8 verre et en charge. Ainsi, comme il existe de nombreux matériaux SMC et BMC qui ont un coefficient de dilatation thermique inférieur à 25.10-6 °C-1, il est possible de sélectionner, parmi les matériaux SMC et BMC disponibles, celui ou ceux qui auront un coefficient de dilatation thermique proche de ou égal à celui du matériau de l'ampoule à vide (en général en céramique). Il devient alors possible d'effectuer un surmoulage directement sur l'ampoule à vide, sans avoir besoin de positionner une couche intermédiaire entre l'ampoule à vide et la couche de surmoulage, en utilisant un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est proche de celui du matériau constituant l'ampoule à vide. Au final, cela permet de simplifier le procédé de surmoulage de l'ampoule à vide et de diminuer d'une façon non négligeable le coût de l'isolation électrique de l'ampoule à vide. Il est à noter que les matériaux SMC et BMC sont sélectionnés, dans le but de l'invention, en fonction de leur rigidité diélectrique et de leur coefficient de dilatation thermique, mais il est également possible de les choisir, en outre, en fonction de leur propriétés mécaniques, par exemple. BRÈVE DESCRIPTION DU DESSIN L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif. Pour illustrer l'invention, la figure représente une vue en coupe transversale d'une 9 ampoule à vide recouverte d'une couche de surmoulage à base d'un matériau composite BMC ou SMC. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La couche de surmoulage en matériau composite SMC ou BMC s'obtient par moulage du matériau composite SMC ou BMC autour de l'ampoule à vide, avec application de chaleur et d'une force de compression pour obtenir la réticulation du matériau ou bien encore, dans le cas d'un matériau composite BMC, par chargement de la matière dans un pot de transfert, puis transfert de la matière plastifiée dans un moule (empreinte) disposé autour de l'enceinte de l'ampoule à vide et compression de la matière plastifiée jusqu'à obtenir une réticulation complète. La mise en forme du matériau composite SMC ou BMC par compression ou par compression transfert permet d'obtenir une couche homogène de bonne qualité (épaisseur constante, rigidité diélectrique constante et coefficient de dilatation thermique constant), et ceci, même si le taux de charges du matériau est élevé. Une ampoule à vide surmoulée 1 selon l'invention est représentée dans la figure. On notera que les éléments constitutifs de l'ampoule à vide surmoulée représentée dans la figure ne sont pas représentés à l'échelle. L'ampoule à vide 5 est constituée de deux contacts électriquement conducteurs 3 confinés dans une enceinte scellée 2. L'enceinte 2 est réalisée en un matériau électriquement isolant, qui est généralement de la céramique. Les connexions électriques 3 quant à 10 elles sont en matériau électriquement conducteur, par exemple en cuivre. Une couche de surmoulage en matériau composite SMC ou BMC 4 recouvre la surface de l'enceinte de l'ampoule à vide. Pour illustrer l'invention, nous allons à présent décrire la réalisation d'un disjoncteur à vide par surmoulage d'une ampoule à vide à l'aide d'une couche de matériau composite SMC ou BMC obtenue par compression. Tout d'abord, on réalise une ampoule à vide en assemblant un corps en céramique avec des connexions métalliques. Par exemple, l'ampoule à vide est réalisée en assemblant un corps en céramique, par exemple en alumine émaillée ayant un coefficient de dilatation thermique d'environ 7,5.10-6 °C-1, avec des connexions métalliques en cuivre. L'ampoule à vide est ensuite placée dans une étuve et subit un préchauffage afin de réduire l'écart de température entre le moule et la céramique de l'ampoule à vide (enceinte). Entretemps, on choisit un matériau composite SMC ou BMC adapté à l'ampoule à vide, c'est-à-dire ayant une rigidité diélectrique suffisante pour pouvoir isoler électriquement l'ampoule à vide (de préférence une rigidité diélectrique supérieure à 11,5 kV/mm), et un coefficient de dilatation thermique proche de celui de l'ampoule à vide. Ces matériaux SMC ou BMC sont choisis parmi les références commerciales disponibles en fonction des propriétés spécifiques que l'on souhaite obtenir. 11 Il peut s'agir par exemple d'un matériau choisi parmi les matériaux � PMP 321 �, � PMP 329 � et � PMP 332 �, qui ont un coefficient de dilatation thermique de 24.10-6 °C-1 ou encore d'un matériau choisi parmi les matériaux � PMP 325 �, � PMP 339 � et � PMP 340 �, qui ont un coefficient de dilatation thermique de 20.10-6 °C-l. Ces matériaux sont des matériaux du type SMC et sont commercialisés par la société Permali. Il peut également s'agir d'un matériau de type BMC choisi parmi les matériaux � PP 212 �, � PP 213 � et � PP 252 �, par exemple, ces matériaux ayant un coefficient de dilatation thermique de 20.10-6 °C-1 Ces matériaux sont commercialisés par la société Permali. Dans notre exemple de réalisation, on utilise un matériau du type SMC pour réaliser le surmoulage de l'ampoule à vide. Ce matériau composite SMC est commercialisé par la société Permali et est référencé � PMP 336 �. Ce matériau a un coefficient de dilatation thermique de 15.10-6 °C-l. Ce matériau convient donc pour surmouler une ampoule à vide ayant un coefficient de dilatation thermique de 7,5.10-6 °C-1 On retire l'ampoule à vide préchauffée de l'étuve et on la place dans un moule de manière à ce que l'espace entre l'ampoule à vide et le moule puisse être rempli avec le matériau composite SMC. On précise que les dimensions du moule sont telles que le remplissage de l'espace restant entre l'ampoule à vide et le moule avec le matériau choisi (ici, le matériau composite SMC � PMP 336 �) permette d'obtenir une 12 couche de surmoulage compacte et avec l'épaisseur souhaitée. Puis, on ferme le moule et on applique une force de compression sur le moule. Il est à noter que la force de compression est choisie de manière à ce que l'ampoule à vide supporte cette force de compression. Grace à la force de compression et à la chaleur diffusée par le chauffage du moule, le matériau composite SMC réticule et est mis en forme autour de l'ampoule à vide. Une fois que la réticulation est terminée, la force de compression est retirée, on ouvre le moule et on procède au démoulage de l'ampoule à vide surmoulée en l'extrayant du moule. Eventuellement, l'ampoule à vide surmoulée est ensuite ébavurée. L'utilisation d'un matériau composite SMC ou BMC pour réaliser le surmoulage d'une ampoule à vide apporte de nombreux avantages par rapport aux surmoulages connus de l'art antérieur. Tout d'abord, le surmoulage avec un matériau composite SMC ou BMC selon l'invention est moins compliqué à mettre en oeuvre qu'un surmoulage obtenu par injection de résine époxy dans des tissus en fibre de verre. En effet, dans l'art antérieur, il est difficile de maitriser l'injection de la résine époxy, car il faut parvenir à ce que la résine imprègne convenablement plusieurs couches de fibres de verre, après avoir au préalable enrouler le ou les tissus de verre autour de l'ampoule à vide. Il faut en outre 13 maitriser le choix du tissu de verre afin d'obtenir une imprégnation parfaite par la résine chargée, et éviter ainsi la filtration des charges dans les différentes couches de tissu de verre. Toutes ces raisons qui font qu'il est difficile de réaliser une ampoule à vide surmoulée sans défaut selon l'art antérieur disparaissent en réalisant un surmoulage selon l'invention. En effet, selon l'invention, le surmoulage est réalisé par compression ou compression transfert du matériau composite BMC ou SMC en une seule couche directement sur l'ampoule à vide. On n'utilise pas de couche intermédiaire, ayant éventuellement un gradient de coefficient de dilatation qui augmente progressivement, pour compenser l'écart de dilatation thermique entre la céramique de l'ampoule à vide et la résine époxy de la couche de surmoulage. BIBLIOGRAPHIE [1] EP 0 866 481 [2] Brevet japonais P2000-294087 A REVENDICATIONS1. Ampoule à vide surmoulée (1) comprenant une enceinte (2) en un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique al et une couche de surmoulage (4) ayant un coefficient de dilatation thermique a2, ladite couche de surmoulage servant à isoler électriquement l'ampoule à vide et étant appliquée sur l'enceinte, caractérisée en ce que la couche de surmoulage (4) est en un matériau composite SMC ou BMC ayant un coefficient de dilatation thermique a2 constant et inférieur à 25.10-6 °C-1 2. Ampoule à vide surmoulée (1) selon la revendication 1, dans laquelle la couche de surmoulage (4) sert en outre à assurer la tenue mécanique de l'ampoule à vide. 3. Ampoule à vide surmoulée (1) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le matériau composite SMC ou BMC a une température de fléchissement sous charge (HDT) supérieure à 150°C. 4. Ampoule à vide surmoulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le coefficient de dilatation thermique al de l'enceinte est inférieur au coefficient de dilatation thermique a2 du matériau composite SMC ou BMC de la couche de surmoulage (4) inférieur à 25.10-6 °C-1, de préférence entre 7,5 et 25.10-6 °C-1 16 5. Ampoule à vide surmoulée (1) selon la revendication 4, dans laquelle le coefficient de dilatation thermique a2 du matériau composite SMC ou BMC est compris entre 10.10-6 °C-1 et 20.10-6 °C-1 6. Ampoule à vide surmoulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le coefficient de dilatation thermique al de l'enceinte et le coefficient de dilatation thermique a2 du matériau 10 composite SMC ou BMC de la couche de surmoulage (4) sont égaux à +/- 2.10-6°C-1 près. 7. Ampoule à vide surmoulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le 15 matériau composite SMC ou BMC de la couche de surmoulage (4) comprend des fibres végétales. 8. Ampoule à vide surmoulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la 20 couche de surmoulage (4) est mise en forme sur l'enceinte de l'ampoule à vide par compression du matériau composite SMC ou BMC disposé en une couche d'épaisseur constante sur l'enceinte de l'ampoule à vide. 25 9. Ampoule à vide surmoulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la couche de surmoulage (4) est mise en forme sur l'enceinte de l'ampoule à vide par compression 30 transfert du matériau composite BMC sur l'enceinte. 17 10. Ampoule à vide surmoulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'enceinte (2) est en céramique. 11. Utilisation d'un matériau composite SMC ou BMC pour réaliser l'isolation électrique d'une ampoule à vide en appliquant, sur la surface de l'ampoule à vide, une couche de surmoulage à base d'un matériau composite SMC ou BMC ayant un coefficient de dilatation thermique constant et inférieur à 25.10-6 °C- 12. Utilisation d'un matériau composite SMC ou BMC pour réaliser l'isolation électrique et la tenue mécanique d'une ampoule à vide en appliquant, sur la surface de l'ampoule à vide, une couche de surmoulage à base d'un matériau composite SMC ou BMC ayant un coefficient de dilatation thermique constant et inférieur à 25.10-6 °C-120