Brevet FR3101475A1 — publié le 20210402

« Câble à isolant minéral haute résistivité, et procédé de fabrication » L'invention concerne un câble blindé à isolant minéral (1,1'), dont au moins un conducteur central est réalisé sous la forme d'une poudre compactée à base d'au moins un matériau conducteur. Le conducteur central (14,16) est formé de poudre de graphite, inséré dans l'ébauche sous forme de poudre, ou de bâtonnets friables en poudre mélangée à un liant qui disparaît lors des étapes de chauffages ultérieures. La poudre peut être d'un seul matériau, ou d'un mélange de plusieurs matériaux. On obtient ainsi un câble souple présentant des propriétés qui ne sont disponibles que pour des matériaux rigides. Par exemple, un tel câble utilisant un conducteur central en poudre de graphite, permet ainsi de réaliser un câble chauffant de très haute résistivité. L'invention propose en outre un procédé de fabrication d'un tel câble, notamment en préparant un conducteur central dans une tresse en silice, et/ou sous forme de bâtonnets friables. Figure pour l’abrégé : Fig.1 « Câble à isolant minéral haute résistivité, et procédé de fabrication » L'invention concerne un câble blindé à isolant minéral, dont au moins un conducteur central est réalisé sous la forme d'une poudre compactée à base d'au moins un matériau conducteur. Le conducteur central est formé de poudre de graphite, inséré dans l'ébauche sous forme de poudre, ou de bâtonnets friables en poudre mélangée à un liant qui disparaît lors des étapes de chauffages ultérieures. La poudre peut être d'un seul matériau, ou d'un mélange de plusieurs matériaux. On obtient ainsi un câble semi-rigide déformable présentant des propriétés qui ne sont disponibles que pour des matériaux rigides. Par exemple, un tel câble utilisant un conducteur central en poudre de graphite, permet ainsi de réaliser un câble chauffant de très haute résistivité. L'invention propose en outre un procédé de fabrication d'un tel câble, notamment en préparant un conducteur central dans une tresse en silice, et/ou sous forme de bâtonnets friables. Etat de la technique Le câble blindé à isolant minéral est utilisé pour réaliser, en particulier, des capteurs, des éléments chauffants et des câbles de transmission de signaux ; dans de nombreux domaines où de tels composants sont soumis à des environnements sévères, notamment en termes de température. Un tel câble est typiquement composé d'un ou plusieurs conducteurs, entourés d'une épaisseur d'isolant sous la forme d'une poudre minérale compactée, par exemple du MgO (oxyde de magnésium, ou magnésie). L'ensemble est enfermé dans une gaine étanche en métal. Cette gaine est classiquement réalisée en acier inox, en inconel ou en alliages réfractaires résistant à haute température, afin de résister à de hautes températures pendant la fabrication puis pendant l'utilisation. L'ensemble donne un câble présentant une certaine souplesse, qui permet de l'installer dans des emplacements et selon des formes variés et irréguliers. Un tel câble est par exemple fixé sur un support par pontets soudés, par soudage ou par brasage, ou par tout autre procédé adapté à l'application. Le conducteur central est réalisé dans un métal choisi selon les besoins de l'application, par exemple pour obtenir une résistivité déterminée. Les caractéristiques pouvant être obtenues restent cependant limitées par les propriétés des métaux et alliages métalliques existants. Ainsi, il reste utile de pouvoir réaliser un câble à isolant minéral dont le conducteur présente des propriétés plus variées. Par exemple, il existe un besoin pour réaliser des résistances chauffantes capables de dissiper de faibles puissances sous haute tension. Pour cela, on utilise un câble blindé à isolant minéral dont le conducteur central possède une forte résistivité, par exemple du nickel-chrome 80-20, ou un alliage fer-chrome-aluminium comme celui vendu sous le nom Kanthal. Pour obtenir des résistances plus élevées dans une longueur donnée, il est aussi connu de prévoir plusieurs conducteurs centraux connectés en série, ou un conducteur "spiralé" pour en augmenter la longueur ; mais la fabrication en est plus complexe et ces configurations présentent aussi des limites en terme de valeurs atteignables pour la résistance. Il est ainsi utile de disposer de plus grandes plages de résistivité pour un tel câble blindé à isolant minéral. Un but de l’invention est de pallier en tout ou partie les inconvénients de l'état de la technique, et d'augmenter les plages de propriétés disponibles et les valeurs intermédiaires pouvant être obtenues pour un câble blindé à isolant minéral, en particulier en matière de résistivité mais aussi pour d'autres propriétés, par exemple pour la tenue en température ou le fonctionnement sous une tension élevée. Ces objectifs sont recherchés tout en améliorant ou optimisant les contraintes de complexité et souplesse de conception, de fabrication, d'installation, d'utilisation et de maintenance, ainsi que les performances en matière de compacité et tenue à l'environnement, et l'optimisation de compromis entre ces différents paramètres. Présentation de l’invention L'invention propose un câble blindé à isolant minéral, comprenant un ou plusieurs conducteurs dit centraux, entourés par au moins une couche d'isolant minéral sous forme de poudre compactée, l'ensemble étant enfermé dans une gaine souple d'un matériau étanche, notamment réfractaire et ductile, et de préférence métallique. Selon l'invention, ce câble comprend au moins un conducteur central réalisé sous la forme d'une poudre compactée à base d'au moins un matériau conducteur. Cette poudre est de préférence compactée mais non frittée, c'est-à-dire conservant une liberté de déplacement des grains entre eux. Le conducteur central est formé ainsi dans sa totalité, ou en partie et par exemple par portions se succédant sur la longueur. L'invention permet ainsi d'utiliser, pour réaliser le conducteur central, de nombreux matériaux qui ne présentent pas la ductilité nécessaire pour réaliser un tel câble déformable. En effet, le fait de préparer ce conducteur sous forme de poudre dès le départ permet de maintenir un contact entre les particules lors des déformations du câble, et donc de maintenir une certaine stabilité des propriétés électriques de l'ensemble. A contrario, une telle stabilité ne pourrait pas être obtenue de façon aussi régulière si le conducteur était un matériau rigide qui soit ultérieurement brisé ou émietté. Cela ouvre un très grand choix de nouveaux matériaux, et donc de nouvelles propriétés. Ce choix plus large permet aussi d'utiliser des matériaux qui présentent d'autres avantages, par exemple des matériaux plus disponibles, plus faciles à extraire ou produire, moins coûteux, moins polluants, et/ou plus faciles à recycler. Le ou les matériaux sont choisis typiquement pour leurs propriétés électriques, en particulier leur résistivité. On notera qu'un tel conducteur central sous forme de poudre peut être utilisé avec n'importe quel type de gaine couramment utilisé et/ou d'isolant déjà connu, voire déjà référencé pour une utilisation ou un environnement donné. En utilisant un tel conducteur central, il est donc possible d'obtenir des caractéristiques électriques "internes" différentes sans pour autant modifier ses caractéristiques vis-à-vis de l'extérieur. Il est ainsi particulièrement aisé de justifier la tenue d'un tel câble selon l'invention vis-à-vis de son environnement, par comparaison à un produit déjà qualifié avec le même type de gaine et/ou d'isolant. Typiquement, la poudre du conducteur central présente une granulométrie déterminée, par exemple d'un diamètre médian d 50 compris entre 100 et 200 microns (si d 50 est le diamètre médian dans une répartition gaussienne des diamètres apparents des particules) ; et/ou une granulométrie uniforme ou sensiblement uniforme. Typiquement, ce câble comprend une ou plusieurs portions, dites parties froides, dans lesquelles le conducteur central sous forme de poudre se prolonge de façon conductrice sous la forme d'un métal solide, par exemple en cuivre ou en nickel. Ces parties froides sont notamment agencées pour réaliser des portions de connexion, par exemple aux deux extrémités du câble. Selon une famille de modes de réalisation, le conducteur central sous forme de poudre est formé en tout ou partie de graphite, et notamment d'une composition majoritairement de graphite. Les inventeurs ont constaté que le graphite sous forme de poudre permet d'obtenir une âme conductrice qui présente une certaine souplesse, permettant de réaliser un câble blindé à isolant minéral adapté à tout ou partie des applications existantes ou demandées tout en présentant une résistivité bien plus importante. En effet, la résistivité du graphite est de l'ordre de douze fois plus que celle du NiCr 20-80. Or, si le graphite est connu en tant que matériau conducteur, il présente une structure rigide et cassante qui le rend impossible à utiliser dans un câble d'une élongation importante sans qu'il se brise, et encore moins dans un câble déformable. De plus, la fabrication d'un câble blindé à isolant minéral nécessite plusieurs phases de compactage de l'isolant minéral, typiquement par martelage, ce qui briserait immanquablement un conducteur rigide en graphite. Ainsi, l'invention permet de réaliser un câble semi-rigide présentant des caractéristiques électriques proches ou dérivées de celles du graphite, et par exemple de réaliser ainsi un câble blindé à isolant minéral d'une résistivité beaucoup plus élevée que dans l'art antérieur. Par semi rigide, on entend ici un câble déformable, c'est-à-dire qui peut être déformé pour être mis en forme ; mais qui reste suffisamment rigide pour conserver la forme qu'on lui aura imposée, au moins sous l'effet de son propre poids Optionnellement, la poudre du conducteur central comprend un mélange d'au moins deux matériaux présentant des propriétés différentes, et choisis pour que ledit mélange fournisse une combinaison déterminée desdites propriétés. En particulier, ce mélange est choisi pour obtenir des propriétés électriques déterminées. Plus particulièrement, la poudre du conducteur central comprend un mélange de deux matériaux présentant des résistivités différentes, dans une proportion déterminée pour que le mélange produise pour ledit conducteur central une valeur déterminée de résistivité. Il est ainsi possible de choisir avec beaucoup de souplesse la les propriétés que l'on souhaite obtenir, simplement en faisant varier les proportions du mélange. Un tel mélange permet par exemple d'obtenir une résistivité du mélange qui soit intermédiaire entre celles des matériaux utilisés, par exemple dans une proportion qui est choisie en choisissant les proportions du mélange. On obtient ainsi une grande souplesse dans le choix de la résistivité du câble final, et donc dans la conception de nombre de systèmes utilisant un tel câble. En outre ou alternativement, selon les composants choisis pour le mélange et leurs proportions, un tel mélange permet aussi de d'obtenir d'autres propriétés, y compris des propriétés comportementales telle qu'une variation brusque de la résistance en fonction de la température, ou une variation linéaire de la résistance en fonction de la température. Un tel mélange peut être un mélange de poudres, et/ou une poudre dont les grains sont eux-mêmes formée d'un mélange. Il est par exemple possible d'utiliser un mélange nickel/ferro-nickel, ou à base d'oxyde de manganèse MnO et d'un ou plusieurs oxydes dérivés du MnO tels que Mn 2 O 3 ou Mn 3 O 4 , ou un mélange de plusieurs oxydes, ou un mélange de type constantan/nickel-chrome. D’autres matériaux comme les ferro-nickel présentent des caractéristiques de variation de résistance en fonction de la température, qui sont utiles pour certaines applications, mais avec de faibles résistances. L'utilisation sous forme de poudre proposée par l'invention permet d'augmenter la résistance obtenue, tout en exploitant ces caractéristiques de variation de la résistance. En utilisant des oxydes, seuls ou sous forme de mélange avec un oxyde de type MnO par exemple, on peut ainsi obtenir une très forte variation de résistance à la baisse. Selon un autre aspect, l'invention propose une résistance chauffante comprenant un câble blindé à isolant minéral tel qu'exposé ici. Selon un mode de réalisation, le câble à isolant minéral (1) comprend un ou plusieurs conducteurs centraux sous forme de poudre, qui sont entourés de poudre isolante (12) et forment chacun un conducteur chauffant. Selon un autre mode de réalisation, pouvant être combiné avec le précédent en une portion différente au sein d'un même câble, son câble blindé à isolant minéral comprend plusieurs conducteurs d'alimentation, notamment métalliques, qui sont distincts et écartés l'un de l'autre et sont noyés dans un conducteur central sous forme de poudre sur tout ou partie de la longueur dudit câble, réalisant ainsi une connexion électrique résistante entre lesdits conducteurs d'alimentation par l'intermédiaire dudit conducteur central sous forme de poudre, ladite une connexion électrique résistante formant ainsi une partie chauffante lorsque que les conducteurs d'alimentation sous soumis à une tension électrique. Selon une autre option, le câble blindé à isolant minéral comprend au moins un conducteur central sous forme de poudre qui présente une forme non rectiligne et notamment "spiralé", c'est enroulé sur lui-même autour d'un axe sensiblement longitudinal, par exemple de façon hélicoïdale. . Typiquement, les "spires" ne sont pas en contact conducteur entre elles, par exemple par isolation au moyen d'une tresse qui contient la poudre conductrice formant le conducteur central. Selon encore un autre aspect, l'invention propose en outre un procédé de fabrication d'un câble blindé à isolant minéral comprenant un ou plusieurs conducteurs dit centraux, entourés par au moins une couche d'isolant minéral sous forme de poudre compactée, l'ensemble étant enfermé dans une gaine souple d'un matériau étanche, notamment réfractaire et ductile, et de préférence métallique. Selon l'invention, ce procédé comprend les étapes suivantes : préparation d'une ébauche présentant un diamètre extérieur initial, et comprenant : au moins un conducteur central réalisé en tout ou partie sous la forme d'une poudre compactée à base d'au moins un matériau conducteur, une couche d'isolant minéral, réalisée sous forme de poudre compactée entourant ledit conducteur central, et une gaine souple d'un matériau étanche, notamment réfractaire et ductile, et de préférence métallique ; une ou plusieurs passes de réduction, par exemple par tréfilage ou pétrissage, agencées pour réduire le diamètre extérieur dudit câble jusqu'à un diamètre final inférieur au diamètre initial, et produire un compactage des poudres comprises dans ledit câble. Typiquement, une ou plusieurs passes de réduction sont suivies d'une étape de recuit agencé pour dissiper les contraintes internes provoquées par ladite passe de réduction. De préférence, tout ou partie de ces étapes de recuit sont réalisées à une température déterminée suffisamment faible pour limiter ou éviter tout frittage entre les grains de la poudre du conducteur central. Optionnellement, l'étape de préparation de l'ébauche comprend une préparation du au moins un conducteur central par insertion de sa poudre dans une gaine, laquelle gaine est entourée par l'isolant minéral, notamment une tresse en silice. Alternativement ou en combinaison, l'étape de préparation de l'ébauche comprend une préparation d'un ou plusieurs conducteurs centraux sous la forme d'un bâtonnet formé par un mélange comprenant la poudre dudit conducteur central et un liant, ledit liant étant d'un type choisi pour être dégradé et/ou évaporé par la chaleur lors d'une étape ultérieure de chauffage au sein dudit procédé de fabrication. Typiquement, ce bâtonnet est obtenu par extrusion à froid du mélange comprenant la poudre et le liant. Des modes de réalisation variés de l’invention sont prévus, intégrant selon l’ensemble de leurs combinaisons possibles les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : : la Fig.1 est un schéma en coupe longitudinale qui illustre un exemple de structure d'un câble blindé à isolant minéral, selon un exemple de mode de réalisation de l'invention, avec un unique conducteur central en poudre de graphite au sein d'une tresse de silice ; : la Fig.2 est un schéma en coupe longitudinale qui illustre un exemple de structure d'un câble blindé à isolant minéral, selon un autre exemple de mode de réalisation de l'invention, avec deux conducteurs métalliques connectés entre eux par un conducteur central sous forme de poudre, sur certaines portions de sa longueur. Câble blindé à isolant minéral (1, 1'), comprenant un ou plusieurs conducteurs dit centraux, entourés par au moins une couche d'isolant minéral (12) sous forme de poudre compactée, l'ensemble étant enfermé dans une gaine (11) souple d'un matériau étanche, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un conducteur central (14, 16) réalisé en tout ou partie sous la forme d'une poudre compactée à base d'au moins un matériau conducteur. Câble selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la poudre du conducteur central présente une granulométrie déterminée par une valeur d 50 comprise entre 100 et 200 microns. Câble selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une ou plusieurs portions, dites parties froides (L15), dans lesquelles le conducteur central sous forme de poudre se prolonge de façon conductrice sous la forme d'un métal solide (15), notamment en cuivre ou nickel. Câble selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conducteur central sous forme de poudre est formé en tout ou partie de graphite. Câble blindé à isolant minéral selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poudre du conducteur central comprend un mélange d'au moins deux matériaux présentant des propriétés différentes, et choisis pour que ledit mélange fournisse une combinaison déterminée desdites propriétés. Câble blindé à isolant minéral selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la poudre du conducteur central comprend un mélange de deux matériaux présentant des résistivités différentes, dans une proportion déterminée pour que le mélange produise pour ledit conducteur central une valeur déterminée de résistivité. Résistance chauffante comprenant un câble blindé à isolant minéral (1, 1') selon l’une quelconque des revendications précédentes. Résistance selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le câble à isolant minéral (1) comprend un ou plusieurs conducteurs centraux sous forme de poudre, qui sont entourés de poudre isolante (12) et forment chacun un conducteur chauffant. Résistance selon l’une quelconque des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que son câble blindé à isolant minéral (1') comprend plusieurs conducteurs d'alimentation (15), notamment métalliques, qui sont distincts et écartés l'un de l'autre et sont noyés dans un conducteur central sous forme de poudre (16) sur tout ou partie de la longueur dudit câble (1'), réalisant ainsi une connexion électrique résistante entre lesdits conducteurs d'alimentation (15) par l'intermédiaire dudit conducteur central sous forme de poudre (16), ladite une connexion électrique résistante formant ainsi une partie chauffante lorsque que les conducteurs d'alimentation (15) sous soumis à une tension électrique. Résistance selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le câble blindé à isolant minéral comprend au moins un conducteur central sous forme de poudre qui présente une forme non rectiligne, et notamment une forme en enroulement longitudinal. Procédé de fabrication d'un câble blindé à isolant minéral comprenant un ou plusieurs conducteurs dit centraux, entourés par au moins une couche d'isolant minéral sous forme de poudre compactée, l'ensemble étant enfermé dans une gaine souple d'un matériau étanche, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : préparation d'une ébauche (1, 1') présentant un diamètre extérieur initial, et comprenant : au moins un conducteur central (14, 16) réalisé en tout ou partie sous la forme d'une poudre compactée à base d'au moins un matériau conducteur, une ou plusieurs couches d'isolant minéral (12), réalisée sous forme de poudre compactée entourant ledit conducteur central, et une gaine (11) souple d'un matériau étanche ; une ou plusieurs passes de réduction agencées pour réduire le diamètre extérieur dudit câble jusqu'à un diamètre final inférieur au diamètre initial, et produire un compactage des poudres comprises dans ledit câble. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs passes de réduction sont suivies d'une étape de recuit agencé pour dissiper les contraintes internes provoquées par ladite passe de réduction. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 12, caractérisé en ce que l'étape de préparation de l'ébauche (1, 1') comprend une préparation du au moins un conducteur central par insertion de sa poudre dans une gaine, laquelle gaine est entourée par l'isolant minéral, notamment une tresse en silice (13). Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que l'étape de préparation de l'ébauche (1, 1') comprend une préparation du au moins un conducteur central (14, 16) sous la forme d'un bâtonnet formé par un mélange comprenant la poudre dudit conducteur central et un liant, ledit liant étant d'un type choisi pour être dégradé et/ou évaporé par la chaleur lors d'une étape ultérieure de chauffage au sein dudit procédé de fabrication. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que bâtonnet est obtenu par extrusion à froid du mélange comprenant la poudre et le liant.