Brevet FR3012660A1 — publié le 20150501

HARNAIS ELECTRIQUE HAUTE TEMPERATURE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte aux câbles électriques (plus connus sous le terme de « harnais électriques » dans l'aéronautique) et plus particulièrement aux harnais électriques haute température (c'est-à-dire supérieure ou égale à 250°C) destinés aux moteurs d'avions. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE De façon connue, un harnais électrique est un ensemble de fils et/ou de câbles électriques qui permet de relier électriquement entre eux les différents équipements périphériques d'un moteur. Les harnais électriques qui sont destinés à être utilisés sur les moteurs d'avion doivent pouvoir résister à des conditions environnementales difficiles (températures supérieures à 250°C et vibrations extrêmes). Actuellement, on utilise des harnais électriques à gaine métallique dans de tels environnements, car ils sont aptes à être utilisés dans de telles conditions de contraintes thermiques et mécaniques, ce qui n'est pas le cas des harnais réalisés avec des matériaux dont la température de fusion est trop basse, comme c'est le cas des plastiques (qui ont généralement une température de fusion, au mieux, autour de 200°C). Les harnais électriques à gaine métallique comportent une structure tubulaire métallique, qui forme une gaine de protection autour de l'ensemble de fils et/ou de câbles électriques, et d'un matériau électriquement isolant, disposé entre la structure tubulaire métallique et l'ensemble de fils et/ou de câbles électriques. L'inconvénient majeur des harnais électriques à gaine métallique est qu'ils peuvent capter la foudre. Il est donc essentiel, pour éviter tout dommage matériel à ces harnais et/ou toute perturbation électromagnétique nuisible à l'intégrité des informations transitant dans ces harnais, qu'ils soient conçus de sorte que, lorsque la foudre s'abat sur eux, elle puisse s'écouler facilement vers la masse du moteur. L'inventeur a donc cherché à concevoir un harnais amélioré apte à mieux écouler la foudre et minimiser les perturbations électromagnétiques. EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet un harnais électrique pour moteur d'avion, comprenant : - au moins un élément conducteur électrique ; - une structure tubulaire métallique de protection entourant ledit au moins un élément conducteur électrique ; - un matériau électriquement isolant, disposé entre la structure tubulaire métallique et ledit au moins un conducteur électrique ; le harnais étant caractérisé en ce que la structure tubulaire métallique comporte un tube interne en un premier matériau métallique et un tube externe en un second matériau métallique, recouvrant le tube interne, le deuxième matériau ayant une conductivité électrique au moins cinquante fois supérieure à celle du premier matériau. La conductivité électrique est l'inverse de la résistivité et est une donnée connue de l'homme du métier, qui se mesure couramment à l'aide d'un conductimètre. Grâce à l'invention, le harnais électrique peut être utilisé dans des conditions environnementales difficiles, sans être endommagé par la foudre et faisant écran aux ondes électromagnétiques, le tube interne servant de protection thermique et mécanique de l'élément conducteur électrique, tandis que le tube externe sert de protection contre les ondes électromagnétiques et permet d'évacuer plus facilement et rapidement la foudre. La faible résistance électrique du tube externe par rapport à celle du tube interne assure l'écoulement de la foudre sans problème et donc minimise l'échauffement du tube externe. Pour rappel, la puissance dissipée en Watt s'exprime selon la formule W=Rxl2 où R est la résistance du tube externe en Ohm et I est l'intensité du courant en Ampère ; on peut aussi l'exprimer selon la formule W= U2/R où U est la tension aux bornes du harnais en Volt. On précise que, dans le cadre de l'invention, les tubes interne et externe sont des éléments dont la paroi latérale est pleine et non ajourée. Il ne peut par exemple en aucun cas s'agir d'un corps réalisé à partir de filaments tressés entre eux. C'est ainsi que, du fait de sa forme, le tube externe a une surface externe longitudinale continue et aucune interférence ne peut rompre l'écoulement de la foudre sur sa surface. L'élément conducteur électrique peut être un fil ou un câble et le harnais peut comporter plusieurs éléments conducteurs. Le matériau électriquement isolant est de préférence un isolant minéral, car il doit résister à des températures élevées. De préférence, l'isolant minéral est en oxyde de magnésium (Mg02) ou en oxyde de silicium (Si02), car leur mise en oeuvre est aisée et leur coût moindre. Enfin, les premier et second matériaux métalliques peuvent être un métal ou un alliage métallique. De préférence, le tube interne ayant une surface externe et le tube externe ayant une surface interne, la surface externe du tube interne et la surface interne du tube externe sont au contact l'une de l'autre. Préférentiellement, le diamètre extérieur du tube interne et le diamètre intérieur du tube externe sont sensiblement identiques. Cette configuration préférée où le tube externe est directement en contact avec le tube interne permet d'améliorer la cohésion des deux tubes. Ainsi, on évite que le tube externe soit endommagé par les usures induites par de petits débattements (« fretting » en anglais) entre les deux tubes, dus aux vibrations que subit le harnais en cours d'utilisation (l'endommagement du tube externe risquant de conduire à une rupture de continuité électrique du harnais). Le choix des premier et deuxième matériaux métalliques est effectué en gardant en mémoire que le deuxième matériau doit avoir une conductivité électrique au moins cinquante fois supérieure à celle du premier matériau, mais on peut en plus tenir compte de la résistance mécanique, de la résistance thermique, du coût de ces matériaux. Avantageusement, le deuxième matériau est un métal choisi parmi le cuivre, l'or et l'argent, ou un alliage d'au moins deux de ces métaux. Cette préférence pour l'un de ces trois matériaux s'explique par leur excellente conductivité électrique. Selon une variante préférée de l'invention, le deuxième matériau est du cuivre ou un alliage de cuivre, qu'il est nécessaire de protéger de l'oxydation. C'est la raison pour laquelle la surface externe du tube externe comporte une couche en un matériau métallique choisi parmi l'argent, le nickel, le platine, l'or, l'iridium, l'osmium, le ruthénium, le rhodium et le palladium, servant de protection contre l'oxydation du tube externe. De préférence, cette couche est en argent, le métal argent ayant l'avantage d'avoir un coût raisonnable par rapport aux autres métaux de protection ainsi qu'une bonne adhérence, tout en protégeant correctement le cuivre de l'oxydation. Le premier matériau peut être en tout métal ou alliage métallique apte à résister aux conditions d'utilisation du harnais (température supérieure à 250°C et vibrations extrêmes) et présentant une conductivité électrique au moins cinquante fois inférieure à celle du premier matériau. Le premier matériau peut par exemple être choisi parmi les alliages métalliques à hautes performances mécaniques du type super alliage présentant une conductivité électrique adéquate. De préférence, on choisit un alliage métallique comprenant au moins 50% en poids de nickel et au moins 15% en poids de chrome, car il doit être souple et permettre sa mise en forme sur le moteur. Il peut par exemple s'agir d'un tube en un alliage du type alliage nickel-chrome, de la famille des matériaux Inconel . Préférentiellement, le premier matériau est en un alliage métallique dont la composition particulière correspond à l'Inconel® 600; ce matériau est préféré, car la fabrication du harnais nécessite des opérations de rétreint, pour compacter l'isolant minéral interne, et il doit être mis en forme sur moteur, donc rester souple. Selon un mode de réalisation préféré, le premier matériau est en un alliage métallique comprenant 72% en poids de nickel, 15,5% en poids de chrome, 8% en poids de fer, 1% en poids de magnésium, 0,15 % en poids de carbone, 0,5 % de cuivre, 0,5 % de silicium et 0,015 % de soufre (correspondant à la composition de l'Inconel® 600), le deuxième matériau est en cuivre et la surface externe du tube en cuivre est recouverte d'une couche en argent. Cette configuration préférée présente l'avantage de réunir les trois matériaux préférés pour les premier et deuxième matériaux, ainsi que pour la couche de protection, en termes de mise en oeuvre et de coût de revient. L'invention a également pour objet un moteur d'avion, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un harnais électrique tel que décrit ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente une vue en perspective d'un harnais électrique selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; - la figure 2 représente une vue en coupe selon la ligne A-A du harnais illustré dans la figure 1. Il est à noter que les différents éléments représentés dans ces figures ne sont pas à l'échelle. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER En référence aux figures 1 et 2, il est représenté un harnais 10 selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ce harnais comprenant un conducteur électrique central 1 (par exemple un câble en nichrome), entouré par un isolant électrique 2 (par exemple de l'oxyde de magnésium), lui-même entouré par un premier manchon métallique (tube interne 3) (par exemple, un tube en Inconel 600 ), lui-même entouré par un second manchon métallique (tube externe 4) (par exemple, un tube en cuivre), qui est recouvert par une couche métallique 5 (par exemple en argent). Ce harnais peut par exemple être un harnais incendie, ces harnais ayant la particularité de ne comprendre qu'un unique conducteur électrique et servant à transmettre des informations provenant des détecteurs incendie. Il est à noter que la couche de protection 5 contre l'oxydation est optionnelle, mais préférable, en particulier lorsque le tube externe est en cuivre ou en l'un de ses alliages. La présence de cette couche de protection permettra de prolonger la durée de vie du harnais électrique. En ce qui concerne le choix de l'épaisseur du matériau électriquement isolant à placer autour dudit au moins un élément conducteur électrique formant le harnais, ainsi que le choix de l'épaisseur du tube interne, ces données et la manière de les déterminer sont connues de l'homme du métier spécialiste des harnais électriques à gaine métallique et ne sont donc pas décrites ici. En ce qui concerne le choix de l'épaisseur du tube externe, il dépend du diamètre extérieur du tube interne. L'épaisseur minimale est calculée selon la formule suivante : R = p x LIS où R est la résistance du tube externe en Ohm, p est la résistivité du Cuivre en Ohm x mètre, L est la longueur du tube externe en mètre et S la section du tube externe en mètres carrés. A titre d'exemple, pour un tube interne ayant un diamètre extérieur de 2,3 mm, l'épaisseur minimale du tube externe est de 0,1 mm. En ce qui concerne l'épaisseur de l'éventuelle couche de protection, elle est choisie de manière à protéger de l'oxydation le matériau sous-jacent du tube externe. L'homme du métier sait déterminer quelle est l'épaisseur nécessaire. A titre d'exemple, pour un tube interne de diamètre extérieur de 2,3 mm en Inconel® 600, recouvert d'un tube externe en cuivre de 0,1 mm d'épaisseur, on peut déposer une couche d'argent de 0,02 mm d'épaisseur pour une tenue mécanique satisfaisante. Pour finir, l'ensemble formé par les tubes interne et externe peut être obtenu par écrouissage de deux tubes l'un sur l'autre ou par toute autre technique connue de l'homme du métier. Le tube externe peut également être obtenu par dépôt sur le tube interne, par exemple par dépôt chimique, électrolytique ou physique sous vide (« PVD » en anglais). La couche de protection doit, quant à elle, être obtenue par dépôt chimique, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (« CVD » en anglais), ou par dépôt électrolytique. REVENDICATIONS1. Harnais électrique pour moteur d'avion, comprenant : - au moins un élément conducteur électrique ; - une structure tubulaire métallique de protection entourant ledit au moins un élément conducteur électrique ; - un matériau électriquement isolant, disposé entre la structure tubulaire métallique et ledit au moins un conducteur électrique ; le harnais étant caractérisé en ce que la structure tubulaire métallique comporte un tube interne en un premier matériau métallique et un tube externe en un second matériau métallique, recouvrant le tube interne, le deuxième matériau ayant une conductivité électrique au moins cinquante fois supérieure à celle du premier matériau. 2. Harnais électrique selon la revendication 1, dans lequel le tube interne ayant une surface externe et le tube externe ayant une surface interne, la surface externe du tube interne et la surface interne du tube externe sont au contact l'une de l'autre. 3. Harnais électrique selon la revendication 1, dans lequel le deuxième matériau est un métal choisi parmi le cuivre, l'or et l'argent, ou un alliage d'au moins deux de ces métaux. 4. Harnais électrique selon la revendication 1, dans lequel le deuxième matériau est du cuivre ou un alliage de cuivre, et une surface externe du tube externe comporte une couche en un matériau métallique choisi parmi l'argent, le nickel, le platine, l'or, l'iridium, l'osmium, le ruthénium, le rhodium et le palladium, servant de protection contre l'oxydation du tube externe. 5. Harnais électrique selon la revendication 4, dans lequel la couche est en argent. 6. Harnais électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le premier matériau est en un alliage métallique comprenant au moins 50% en poids de nickel et au moins 15% en poids de chrome. 7. Harnais électrique selon la revendication 6, dans lequel le premier matériau est en un alliage métallique comprenant 72% en poids de nickel, 15,5% en poids de chrome, 8% en poids de fer, 1% en poids de magnésium, 0,15 % en poids de carbone, 0,5 % de cuivre, 0,5 % de silicium et 0,015 % de soufre. 8. Moteur d'avion, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un harnais électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.