Brevet FR2953337A1 — publié le 20110603

La présente invention concerne un dispositif de protection contre les effets directs de la foudre et concerne plus particulièrement un paratonnerre à fonctionnement régulé dont la tension de claquage de l'éclateur n'est pas influencée par les conditions atmosphérique, notamment la pluie ou la neige. On sait qu'un paratonnerre de type dit de Franklin est constitué d'une tige métallique qui est reliée au sol par une extrémité et qui se termine à son autre extrémité par une pointe. Cette pointe, lorsqu'un nuage d'orage crée à proximité un champ électrique important, est le siège d'un effet couronne qui génère autour de sa pointe une ionisation. On sait par ailleurs qu'un coup de foudre est précédé par l'apparition d'un traceur descendant qui se dirige par saccades du nuage vers le sol. L'effet couronne se développe et donne naissance à un traceur ascendant qui, lorsqu'il rencontre le traceur descendant génère un canal conducteur entre le nuage et le sol par lequel s'écoule le courant de foudre. Cette rencontre se produit donc d'autant plus près du paratonnerre que le traceur ascendant est généré tardivement. C'est pourquoi on a proposé divers type de paratonnerre équipé de dispositifs d'amorçage destinés à générer plus tôt le traceur ascendant. On connaît ainsi par le brevet EP 0596775 un paratonnerre comprenant une tige centrale entourée d'une pièce en matériau isolant, qui vient se raccorder à l'extrémité libre de la tige, et qui est elle-même entourée par une électrode conductrice laissant une zone libre au matériau isolant au voisinage de la tige de façon que cette zone isolante forme un pont apte à guider une étincelle entre l'électrode et la tige. Ce type de paratonnerre ne donne pas satisfaction dans la mesure où, par temps humide, et notamment par temps de pluie ou de neige la tension de claquage de son éclateur varie de façon importante ce qui rend son efficacité aléatoire. La présente invention a pour but de proposer un paratonnerre dont la tension de claquage de son éclateur soit indépendante des conditions atmosphériques telles que notamment la neige ou la pluie. La présente invention a ainsi pour objet un paratonnerre de type à fonctionnement régulé comportant une tige centrale en un matériau conducteur dont l'extrémité inférieure est reliée à la terre, une enveloppe conductrice qui est isolée électriquement de celle-ci par un fourreau, caractérisé en ce qu'il comporte un éclateur interne relié électriquement à l'enveloppe conductrice, dont la capacité équivalente est supérieure à celle existant à son sommet externe entre l'enveloppe conductrice et la tige centrale. Préférentiellement la distance entre une électrode de l'éclateur interne et la tige centrale est inférieure à la distance existant a son sommet entre l'enveloppe conductrice et la tige centrale. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention l'éclateur comprendra une bague conductrice formant électrode qui entourera la tige centrale à une distance de celle-ci. Un élément diélectrique qui peut être par exemple une partie du fourreau ou de l'air sera interposé entre l'électrode de l'élément éclateur et la tige centrale. Avantageusement la partie supérieure du fourreau pourra se situer à un niveau inférieur à celui de l'enveloppe conductrice de façon à former une cuvette autour de la tige centrale qui, préférentiellement, communiquera avec l'extérieur par au moins une rainure. Dans un mode de mise en oeuvre particulièrement intéressant de la présente invention une self pourra être électriquement interposée entre l'éclateur interne et l'élément sphérique. Cette self pourra se présenter notamment sous la forme d'un manchon qui sera positionné autour du fourreau. Préférentiellement l'inductance de cette self sera comprise entre 1 mH et 1000mH et sera préférentiellement voisine de 10 mH. Par ailleurs la capacité équivalente de l'éclateur interne sera comprise entre 0,1 pF et 100 pF et sera préférentiellement voisine de 3 pF. D'autre part la résistance interne du circuit formé par l'éclateur et la self sera inférieure à 1000 S2 et préférentiellement de l'ordre de 3 Û. Suivant l'invention la base de l'enveloppe conductrice se terminera par une portion cylindrique sur laquelle sera fixée une bague amovible et isolante. Préférentiellement l'extrémité libre de la tige centrale sera de forme arrondie, notamment de forme hémisphérique. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est une vue en coupe axiale et verticale d'un premier mode de mise en oeuvre d'un paratonnerre suivant l'invention, - les figures 2a et 2b sont des vues de détail à plus grande échelle du paratonnerre représenté sur la figure 1, - les figures 3a à 4 sont des vues en coupe partielle de deux variantes de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 5 est une vue en coupe axiale et verticale d'un second mode de mise en oeuvre d'un paratonnerre suivant l'invention faisant appel à la constitution d'un éclateur à circuit résonant RLC, - la figure 6 est une vue en coupe partielle d'une variante de mise en oeuvre de l'invention dans laquelle l'extrémité libre de la tige du paratonnerre est de forme arrondie, - la figure 7 est un graphique représentant la dispersion du temps de claquage de l'éclateur d'un paratonnerre suivant l'invention dont l'extrémité libre de la tige est respectivement de forme pointue et de forme arrondie. On a représenté sur la figure 1 un paratonnerre à dispositif d'amorçage suivant l'invention. Celui-ci comprend une tige métallique centrale 1 dont l'extrémité inférieure se termine par un pas de vis 2 destiné à assurer sa connexion électrique avec la terre et l'extrémité libre supérieure 3 se termine par une pointe. Un fourreau cylindrique 4 en un matériau isolant, qui se termine à sa partie supérieure par une zone hémisphérique 6, est enfilé sur la tige 1. Le fourreau cylindrique 4 est lui-même recouvert d'une enveloppe conductrice préférentiellement formée d'un élément sphérique 5 en un matériau conducteur du courant électrique, notamment de l'acier inoxydable, dont la base 5a de forme cylindrique est surmontée par une partie sphérique 5b qui recouvre le manchon 4 à l'exception de la zone 6 à proximité de la pointe qui est de forme annulaire. Une bague 7 réalisée en un matériau isolant, assure le maintien de l'ensemble et, à cet effet, elle est creusée d'une cuvette 9 dans laquelle vient se loger la base 5a de l'élément sphérique 5. Dans le mode de mise en oeuvre de l'invention représentée, la fixation de ces deux éléments est assurée par un circlips 10. Le fond de la cuvette 9 est creusé d'un logement cylindrique 11 dans lequel vient prendre place une bague métallique 12, notamment en acier inoxydable, sur laquelle le manchon 4 vient en appui de façon à assurer son maintien. La bague 12 est réunie électriquement à l'élément sphérique 5 par une tresse conductrice 13. Ainsi que représenté sur les figures 1, 2a, et 2b, la distance e séparant la face interne 12a de la bague 12 de la surface externe de la tige centrale 1 est inférieure à la distance E séparant l'élément sphérique 5 de cette dernière. Eventuellement l'élément sphérique 5 est pourvu de prises de potentiel 15 constituées de tiges métalliques, notamment en acier inoxydable, qui sont au nombre de 5 dans le mode de mise en oeuvre représenté, et qui sont fixées par vissage dans l'élément sphérique 5 perpendiculairement à l'axe longitudinal yy' du paratonnerre. On remarquera que, suivant l'état antérieur de la technique, une étincelle se forme entre la partie supérieure G de l'élément sphérique 5 et la tige centrale 1, constituant ainsi un éclateur externe. On comprend que, dans ces conditions, la tension de claquage de l'éclateur varie fortement avec la présence d'eau à la partie supérieure du paratonnerre, ce qui rend le fonctionnement de celui-ci fortement tributaire des conditions climatiques. Suivant l'invention on fait en sorte de créer un éclateur interne, qui est équivalent à la capacité C1 d'un condensateur, cette capacité étant supérieure à celle de l'éclateur externe C2. Dans ces conditions c'est l'éclateur interne qui joue seul le rôle d'éclateur. Or cet éclateur interne se trouvant à l'intérieur du paratonnerre il se trouve donc protégé des variations climatiques externes et notamment de l'humidité, de la pluie ou de la neige. Préférentiellement la capacité C1 de l'éclateur interne sera au moins le double de la capacité C2 de l'éclateur externe. La présente invention permet ainsi de conférer au paratonnerre une stabilité de fonctionnement qui n'est plus fonction de ces conditions climatiques. Ainsi suivant l'invention, la bague conductrice 12 qui est reliée électriquement à l'élément sphérique 5 constitue une électrode qui avec la tige centrale 1 forme un éclateur interne. Dans ce mode de mise en oeuvre le diélectrique séparant la face interne 12a de la bague 12 de la tige 1 est de l'air, si bien que sa capacité est de l'ordre de 0,75 pF alors que la capacité C2 de « l'éclateur » externe est de l'ordre de 0,25 pF. Dans une variante de mise en oeuvre de la présente invention on augmente la tension de claquage de « l'éclateur » externe en réalisant une cuvette 17 à la partie supérieure du paratonnerre, ainsi que représenté sur la figure 3a, de façon à diminuer sa capacité C2 et augmenter de ce fait sa tension de claquage, ce qui a pour effet de favoriser l'éclateur interne. Dans une variante de ce mode de mise en oeuvre, représentée sur la figure 3b, la partie supérieure G de l'élément sphérique 5 comportera des encoches 18 destinées à permettre une évacuation de l'eau qui risque de s'accumuler dans celle-ci en cas de pluie. On peut bien entendu suivant l'invention modifier la constante diélectrique de l'éclateur interne en disposant un matériau isolant entre la face interne 12a de la bague 12 formant électrode et la tige centrale 1. Ce faisant on augmente la capacité de celui-ci et on peut l'ajuster en jouant sur la nature du matériau isolant ainsi que sur son épaisseur e. On a constaté dans une variante particulièrement intéressante de la présente invention qu'il était possible d'optimiser le fonctionnement du paratonnerre en associant une self 20 à l'éclateur de façon à constituer avec la capacité Cl précédemment mentionnée un filtre passe-bande de type RLC. Ainsi que représenté sur la figure 5 cette self 20 se présente sous la forme d'un manchon cylindrique qui prend place autour du fourreau 4 et qui est bloqué entre deux épaulements 22 de celui-ci. Par ailleurs le fourreau 4 descend à l'intérieur de l'espace compris entre la face interne 12a de la bague 12 et la tige centrale 1, si bien qu'il assure deux fonctions, à savoir une fonction de maintien de la bague 12 et une fonction de diélectrique de l'éclateur interne. L'entrée D de la self 20 est réunie électriquement à l'élément sphérique 5 par un conducteur 13a et sa sortie F est réunie à la bague 12 par un conducteur 13b. Par ailleurs, on sait que le spectre fréquentiel de la foudre est compris entre 50 kHz et 10 MHz. La présente invention permet en associant la self 20 à l'éclateur interne de sélectionner une gamme de fréquences foudre sur laquelle fonctionne le paratonnerre. On notera que le paratonnerre sera d'autant plus sélectif que la résistance R sera plus faible. Si l'on fait en sorte que la capacité C1 du condensateur précédemment mentionné ait une valeur de 2,57 pF on constate que la capacité de la self 20 aura des valeurs comprises entre 100 pH et 3,95 H pour qu'il couvre le spectre de fréquences de la foudre. Si l'on fait en sorte que la capacité C1 de ce condensateur soit égale à 0,76 pF alors les valeurs de la self se trouvent comprises entre 67mH et 13,43 H. Dans un mode préféré de l'invention on adoptera une résistance R voisine de 3Û, une valeur de capacité C1 voisine de 2,57 pF et une inductance L voisine de 8,6 mH. Préférentiellement, suivant l'invention, l'inductance L sera comprise entre lmH et 1000 mH, la capacité sera comprise entre 0,1 pF et 100 pF et la résistance R sera inférieure à 1000 Û. On sait qu'un problème récurent lié à l'utilisation des paratonnerres tient au fait que le temps de claquage d'un éclateur n'est pas constant dans la pratique et est soumis à une dispersion importante ce qui s'avère particulièrement gênant en ce qui concerne la fiabilité qui est attachée à celui-ci. On a constaté qu'en terminant l'extrémité libre 3 de la tige centrale 1 par une forme arrondie, notamment hémisphérique, ainsi que représenté sur la figure 6, on diminuait cette dispersion dans une proportion importante. On a ainsi réalisé cinquante chocs avec deux paratonnerres respectivement pourvus d'une tige pointue et d'une tige hémisphérique, et l'on a mesuré le temps de réponse, ou temps de claquage (Tb), obtenu pour chaque choc. On a représenté sur la figure 7 le temps de claquage Tb en fonction de la référence du choc effectué. On constate ainsi que le temps de claquage est beaucoup plus régulier lorsque l'extrémité libre 3 de la tige du paratonnerre est arrondie. On a également déterminé d'une part la moyenne des temps de claquage et l'écart type dans les deux configurations, et ces résultats sont consignés dans le tableau ci-après. Moyenne des Tb (50chocs) Ecart type (50 chocs) Tige pointue 100 µs 16,4 µs Tige Arrondie 99 µs 11,6 µs On constate que l'écart type est meilleur pour l'extrémité arrondie que pour l'extrémité pointue et que 25 l'amélioration obtenue est de l'ordre de 30%. Le paratonnerre à tige arrondie présente donc une réponse plus stable ce qui le rend plus fiable dans le temps. 30 REVENDICATIONS1.- Paratonnerre a fonctionnement régulé comportant une tige centrale (1) en un matériau conducteur dont l'extrémité inférieure est reliée à la terre, une enveloppe conductrice (5), notamment sphérique, qui est isolée électriquement de celle-ci par un fourreau (4), caractérisé en ce qu'il comporte un éclateur interne relié électriquement à l'enveloppe conductrice (5), dont la capacité équivalente (C1) est supérieure à celle (C2) existant à son sommet externe (G) entre l'enveloppe conductrice (5) et la tige centrale (1). 2.- Paratonnerre suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la distance (e) entre une électrode (12) de l'éclateur interne et la tige centrale (1) est inférieure à la distance (E) existant à son sommet (G) entre l'enveloppe conductrice (5) et la tige centrale (1). 3.- Paratonnerre suivant l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'éclateur comprend une bague conductrice (12) formant électrode qui entoure la tige centrale (1) à une distance (e) de celle-ci. 4.- Paratonnerre suivant la revendication 3 caractérisé en ce qu'un élément diélectrique (4) est interposé entre l'électrode (12) de l'élément éclateur et la tige centrale (1) . 5.- Paratonnerre suivant la revendication 4 caractérisé en ce que l'élément diélectrique est constitué d'une partie du fourreau (4). 6.- Paratonnerre suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie supérieure du fourreau (4) se situe à un niveau inférieur au sommet (G) de l'enveloppe conductrice (5) de façon à former une cuvette (17) autour de la tige centrale (1). 7.- Paratonnerre suivant la revendication 6 caractérisé en ce que la cuvette (17) communique avec l'extérieur par au moins une rainure (18). 8.- Paratonnerre suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'une self (20) est électriquement interposée entre l'éclateur interne et l'enveloppe conductrice (5). 9.- Paratonnerre suivant la revendication 8 caractérisé en ce que la self (20) se présente sous la forme d'un manchon qui est positionné autour du fourreau (4). 10.- Paratonnerre suivant l'une des revendications 8 ou 9 caractérisé en ce que l'inductance de la self (20) est comprise entre 1 mH et 1000mH et est préférentiellement voisine de 10mH. 11.- Paratonnerre suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la capacité équivalente (C1) de l'éclateur interne est comprise entre 0,1 pF et 100 pF et est préférentiellement voisine de 3 pF. 12.- Paratonnerre suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la résistance interne du circuit formé par l'éclateur interne et la self (20) est inférieure à 1000 Q et préférentiellement de l'ordre de M. 13.- Paratonnerre suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la base de l'enveloppe conductrice (5) se termine par une portion cylindrique (5a) sur laquelle est fixée une bague (7) amovible et isolante. 14.- Paratonnerre suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'extrémité libre (3) de la tige centrale (1) est de forme arrondie. 15.- Paratonnerre suivant la revendication 14 caractérisé en ce que l'extrémité libre (3) de la tige centrale (1) est de forme hémisphérique.