Brevet FR3019391A1 — publié le 20151002

DISPOSITIF DE PARATONNERRE AVEC CONVERTISSEUR D'EFFET COURONNE La présente invention concerne un dispositif de paratonnerre avec convertisseur d'effet couronne. L'invention couvre aussi la combinaison avec une tête ionisante. On sait que sous certaines conditions atmosphériques, il se produit des orages à partir de nuages caractéristiques dénommés cumulo-nimbus. Les courants et les brassages au sein de ces structures nuageuses sont extrêmement violents, ce qui conduit, d'après les théories imaginées, à une séparation des charges électriques des différentes particules contenues dans ces nuages au point d'en permettre l'accumulation. Dans tous les cas, en période estivale normalement, on constate une accumulation très importante des charges négatives en partie inférieure de ces nuages et il se crée inévitablement une différence de potentiel avec le sol chargé positivement. En effet, lorsqu'il y a accumulation des charges négatives à la base du nuage, le sol a tendance à se charger positivement, en réponse à l'approche des charges négatives des précurseurs. On sait aussi que l'effet de pointe bien connu conduit à concentrer ces charges positives sur les éléments les plus en saillie par rapport au sol et notamment pointu, clocher d'église, arbre, et c'est ce phénomène qu'utilisent notamment les paratonnerres. Néanmoins, on a constaté que les phénomènes sont beaucoup plus complexes. Le phénomène de foudre se traduit pour simplifier par l'émission d'un traceur ou précurseur à partir du sol et du nuage. Lorsque la résistance diélectrique de l'air est dépassée, les deux se rencontrent et provoque le phénomène d'éclair. On peut ainsi distinguer quatre phases dans le déroulement d'un coup de foudre négatif c'est-à-dire avec le nuage chargé négativement et le sol positivement, ceci sur des durées de l'ordre de la seconde : Phase d'initiation qui va déterminer le point d'impact au sol, ce qui est donc une phase très importante puisque le paratonnerre a pour objectif de fixer sur lui ce point d'impact afin de protéger l'environnement dudit paratonnerre. - Phase d'arc en retour qui se caractérise par la génération d'un courant impulsionnel intense de plusieurs dizaines de Ka (kilo Ampères) à travers un intervalle d'air ionisé de très faible diamètre, ménagé par les précurseurs, créant cet arc en retour. C'est au cours de cette phase que se génèrent les phénomènes électrodynamiques et de couplage les plus importants. - Phase de courant persistant qui fait suite au premier arc en retour. Ce courant persistant de plusieurs centaines d'ampères se maintient provoquant les effets thermiques les plus importants, et - Phase des "décharges subséquentes" qui sont des arcs en retour mais avec des temps de montée plus raides que pour l'arc en retour initial. Ces "décharges subséquentes" induisent des effets électromagnétiques très importants. Si le coup de foudre est de forte intensité, les paratonnerres ont une grande efficacité mais on constate néanmoins que dans certains cas, surtout dès que l'intensité diminue, il se produit des dégâts occasionnés par la foudre tombée quasiment au pied ou du moins dans le rayon de protection supposé dudit paratonnerre. Il existe deux types de moyens pour tenter de pallier ces défaillances : - Cage maillée, - Paratonnerre à dispositif d'amorçage ou paratonnerre à déclenchement automatique, dits PDA. La cage maillée consiste à prévoir sur les points vulnérables d'une zone ou d'un bâtiment à protéger, des pointes en saillie en différents points, elles-mêmes reliées électriquement entre elles et à un réseau qui constitue une cage périphérique, ceinturant le volume de ladite zone ou le bâtiment à protéger. Ce dispositif est totalement passif. Le PDA consiste en un dispositif comprenant une tête d'amorçage, le but étant de générer des électrons pour accroître le champ électrique local, dits aussi effluves, généralement au moyen d'un générateur haute tension et à ioniser l'air périphérique à la pointe du paratonnerre. Ceci a pour effet de générer un canal d'air ionisé ascendant, préférentiel, qui conduit à améliorer l'amorçage et à fixer le point d'impact sur ladite pointe, elle-même reliée à la terre pour l'évacuation de l'énergie captée. Le problème est de générer cet amorçage au bon moment or il se peut que pour une valeur de champ donnée il se forme un plasma autour de la pointe, dénommé aussi effet couronne. Or cet effet perturbe les performances du paratonnerre en masquant l'effet de pointe ou en déviant la formation du traceur descendant. On connaît la demande de brevet FR 2 817 085 qui vise à limiter l'accumulation des charges d'espace dans le voisinage du paratonnerre. Cette demande de brevet propose de minimiser le courant d'effluve tant qu'un choc de foudre n'est pas imminent et de laisser le courant s'établir juste avant un choc de foudre. Notamment ce dispositif dispose d'un circuit de limitation et de contrôle avec des moyens de décharge qui déchargent le courant d'effluve tant que le champ électrostatique ambiant a une intensité inférieure à une valeur prédéterminée. Le dispositif selon l'invention propose des moyens convertisseurs de l'effet couronne autour de la hampe du paratonnerre en effluves. Le but est de capturer la décharge avant qu'elle n'atteigne le bâtiment sur lequel ledit paratonnerre est monté. Le dispositif selon la présente invention est maintenant décrit en regard des dessins annexés, dessins sur lesquels les différentes figures représentent : - Figure 1 : une vue du paratonnerre selon l'invention en perspective, Figure 2 : une vue en élévation latérale du paratonnerre selon la figure 1, Figure 3 : une vue en coupe selon la ligne 3-3 de la figure 2, - Figure 4 : une vue en coupe selon la ligne 4-4 de la figure 2. - Figure 5 : une synoptique schématique du fonctionnement du paratonnerre selon l'invention subissant un coup de foudre, - Figure 6 : une vue des résultats en laboratoire d'un coup de foudre et des émissions d'effluves du dispositif selon l'invention, de façon synchrone, - Figure 7 : une vue avec un agencement comprenant un générateur. Le dispositif selon la présente invention comporte une hampe 10 avec une tête 11 paratonnerre et au moins un jeu 12 de branches 14 disposé sur ladite hampe. La hampe 10 est constituée d'un tube 16 généralement creux, rapporté sur un bâtiment 18 à protéger par exemple. A travers le tube est prévu un câble 20 conducteur relié à la terre. Le au moins un jeu 12 de branches 14 comprend deux jeux dans le mode de réalisation préférentiel représenté. Le premier jeu 12-1 inférieur est disposé le plus bas sur la hampe 10. Ce jeu débute sensiblement à 600 mm sous la tête 11 du paratonnerre. Il comprend trois étages 22-1 à 22-3, distants de 50 mm environ, vers le bas. Chaque étage comporte une bague 24-1 à 24-3, montée coaxialement à la hampe et en contact électrique avec elle. Chacune des bagues comporte trois branches 26-la à 26-1c, disposées radialement par rapport au tube et horizontalement. Chaque branche 26-la à 26-1c est une tige rectiligne se terminant en pointe. Les branches sont régulièrement réparties à 120°. Pour donner un ordre d'idée, le diamètre de chaque branche est de 4 mm. Dans ce jeu de branches horizontales, les branches d'un étage, solidaires d'une bague, sont décalées en orientation angulaire d'une valeur de 60° par rapport à l'étage suivant. Deux étages 22-1 et 22-3, séparés par un troisième 22-2, sont donc superposables. Le deuxième jeu 12-2 supérieur est disposé au-dessus du premier jeu, entre la tête du paratonnerre et le jeu inférieur. Ce deuxième jeu 12-2 supérieur comporte trois étages. Chaque étage comprend une bague 28-1-28-3, chaque bague portant trois branches 28-la à 28-1c, 28-2a à 28-2c et 28-3a à 28-3c. Ces branches sont angulairement réparties de façon régulière, à 120°. Dans ce jeu de branches, les branches d'un étage, solidaires d'une bague, sont décalées en orientation angulaire d'une valeur de 60° par rapport à l'étage suivant. Les branches 28-la à 28-1c et les branches 28-2a à 28-2c sont décalées angulairement par leurs projections horizontales de 60°. Les branches 28-la à 28-1c et les branches 28-2a à 28-2c sont rapportées dans les bagues avec inclinaison vers le haut d'un angle de 45°. Les plans contenant chacun les pointes des branches de chacun des deux étages supérieurs du jeu 12-2 supérieur se trouvent ainsi séparés d'une valeur x, dans le mode de réalisation représenté, de 100mm. Le troisième étage du jeu supérieur 12-2 comporte également une bague 28-3 et des branches 28-3a à 28-3c. Ces branches sont décalées angulairement de 60° par rapport aux branches 28-2a à 28-2c du second étage et se trouvent donc superposables angulairement, par leurs projections, avec les branches 28-la à 28-1c. Les branches 28-3a à 28-3c sont inclinées à 25° par rapport à l'horizontale au lieu de 45° comme les deux autres étages. La bague 28-3 est alors plus proche de la bague adjacente 28-2 pour que les plans contenant les pointes des branches de chacun des étages soient distants d'une même valeur que les plans contenant les pointes des branches portées par les deux étages supérieurs du jeu supérieur 12-2. Cette valeur étant dans le cas présent de 100mm. Du fait du jeu des valeurs présentées, on constate que le second jeu 12-2 d'étages est distant de deux fois la valeur x, soit 2x, de la base de la tête du paratonnerre. Les branches définissent deux intervalles d'une valeur x, entre les pointes des branches des trois étages 28-1 et 28-3. La distance entre les pointes des branches des deux jeux 12-1 et 12-2 est égale à x également. La distance entre les pointes des branches de chacun des trois étages du jeu 12-1 inférieur, détermine des intervalles de x/2. On note également que les branches de l'étage inférieur du jeu 12-2 supérieur et les branches de l'étage 22-1 supérieur du jeu 12-1 inférieur sont décalés angulairement d'une valeur de 60°. Il serait aussi possible de réaliser des branches ayant des longueurs croissantes ou décroissantes d'un étage à l'autre de façon que les pointes d'un même étage se situent sur un même cercle mais que les cercles d'un étage à l'autre soient de diamètre croissant ou décroissant. Pour des raisons pratiques de montage, les tiges sont solidarisées à une bague B1-B4 de montage qui elle-même comporte des moyens de fixation en translation et en rotation par rapport à la hampe, par exemple des vis pointeau. Ceci autorise le réglage précis en hauteur et en orientation angulaire. La limite est la réintégration du champ c'est-à-dire qu'il n'y a plus émission de précurseurs aptes à amorcer la décharge de la foudre sur lesdites pointes. Sur la figure 5, en l'absence du dispositif selon la présente invention, si le plasma ionisé généré par l'effet de pointe est important et le coup de foudre de trop faible intensité, l'amorce ne se fait pas et la foudre peut arriver jusqu'en pied de hampe et donc sur un toit si la hampe est montée sur un toit. Avec le dispositif selon la présente invention, la foudre est déviée par l'émission d'effluves de faible énergie et les pointes captent le coup de foudre qui se disperse sur les différentes pointes. Sur la figure 6, on constate que, lors d'un essai en laboratoire, les pointes du dispositif selon la présente invention génèrent une émission d'effluves synchrones. Sur la partie haute du schéma, on distingue la courbe Cl supérieure d'impulsion du générateur et sur la courbe C2 inférieure la réponse du dispositif selon la présente invention, de façon parfaitement synchrone. Ce schéma est issu des relevés effectués à partir d'un photomultiplicateur. Sur la figure 7, on a représenté un agencement avec une variante dans laquelle il est prévu un générateur 30 de courant associé au dispositif tel que décrit. Dans ce cas, on génère une différence de potentiel entre les pointes et la hampe elle-même reliée à la terre. A cet effet, les bagues sont isolées de la hampe par un isolant 32 interposé entre la bague conductrice et la hampe, comme représenté sur cette figure 7, un seul étage étant mentionné. On peut ainsi générer des charges et le générateur auxiliaire va permettre un apport d'énergie de façon à détacher ces charges de façon à créer des effluves plus grandes. De plus, l'association d'un générateur auxiliaire permet de mieux maîtriser le moment où le dispositif est actif et l'amplitude des effluves. REVENDICATIONS1. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, comprenant une hampe (10) et au moins un jeu (12-1, 12-2) d'étages avec chacun un jeu (12-1,12-2) de branches (14), rapportés sur ladite hampe, chaque étage comprenant au moins trois branches (26, 28) conductrices issues de chaque étage, les branches d'un étage étant décalées angulairement par rapport aux branches d'un étage adjacent, ceci de façon symétrique. 2. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les branches de deux étages juxtaposés de deux jeux d'étages distincts juxtaposés sont décalées angulairement. 3. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les branches des étages du moins un jeu d'étages ont des inclinaisons différentes. 4. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux jeux (12-1, 12-2) d'étages comprenant chacun trois étages. 5. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque étage comprend trois branches (24-la à 24-1c; 24-2a à 24-2c; 24-3a à 24-3c; 28-la à 28-1c; 28-2a à 28-2c; 28-3a à 28-3c). 6. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, selon la revendication 5, caractérisé en ce que le jeu (12-2) inférieur comprend trois étages (22-1 à 22-3). 7. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque étage (22-1 à 22-3) comprend trois branches (24-la à 24-1c; 24-2a à 24-2c; 24-3a à 24-3c), lesdites branches d'un étage étant dans un même plan horizontal, les branches d'un même étage étant espacées angulairement de 120°. 8. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, selon la revendication 7, caractérisé en ce que les branches (24-la à 24-1c; 24-2a à 24-2c; 24-3a à 24-3c) d'un étage sont décalées angulairement de 60° par rapport aux branches de l'étage adjacent. 9. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que. le jeu supérieur comprend trois étages. 10. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque étage (26-1 à 26-3) comprend trois branches (28-la à 28-1c; 28-2a à 28-2c; 28-3a à 28-3c), lesdites branches d'un étage étant inclinées vers le haut, les branches d'un même étage étant espacées angulairement de 120°. 11. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, selon la revendication 10, caractérisé en ce que les branches (28-la à 28-1c; 28-2a à 28-2c; 28-3a à 28-3c) d'un étage sont décalées angulairement de 60° par rapport aux branches de l'étage adjacent. 12. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les branches (28-la à 28-1c; 28-2a à 28-2c) deux étages sont inclinées à 45° par rapport à l'horizontale et les branches (28-3a à 28-3c) du troisième étage sont inclinées à 25° par rapport à l'horizontale. 13. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les branches (24, 28) sont portées par des bagues (24-1 à 24-3; 28-1 à 28-3) rapportées sur la hampe (10). 14. Dispositif paratonnerre disposé sur un édifice destiné à être protégé par ledit paratonnerre, selon l'une quelconque des revendications 4 à 13, caractérisé en ce que les branches sont des tiges rectilignes se terminant par des pointes, les distances entre les plans contenant lesdites pointes des branches d'un même étage, étant de : - 200 mm entre la tête de la hampe (10) et le plan contenant les pointes des branches (28-la à 28-3 c) de l'étage supérieur du jeu (12-2) supérieur d'étages - 100 mm entre les plans contenant les pointes des branches (28-la à 28-3c) de chacun des trois étages du jeu (12-2) supérieur d'étages,200 mm entre le plan contenant les pointes des branches (28-3a à 28-3c) de l'étage inférieur du jeu (12-2) supérieur d'étages et le plan contenant les pointes des branches (24-la à 24-1c) de l'étage (22-1) supérieur du jeu (12-1) inférieur d'étages - 50 mm entre les plans contenant les pointes des branches (22-la à 22-3c) des étages (22-1 à 22-3) du jeu (12-1) d'étages inférieur.