EP0700058B1

EP0700058B1 - Process for protection of porous components submitted to high potential differences and components manufactured by this process

Info

Publication number: EP0700058B1
Application number: EP19950401954
Authority: EP
Inventors: Jean-Pierre Delvinquier; Christian Girardet
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1995-08-25
Publication date: 2000-02-09
Anticipated expiration: 2015-08-25
Also published as: WO2004075215A1; DE69514969D1; FR2724044A1; DE69514969T2; EP0700058A1; FR2724044B1

Description

La présente invention se rapporte à un procédé de protection de composants poreux soumis à des différences de potentiel élevées et aux composants ainsi réalisés.The present invention relates to a method for protecting porous components subject to high potential differences and to components thus produced.

De nombreux dispositifs électroniques mettant en jeu des tensions élevées utilisent des composants élaborés à partir de matériaux poreux, par exemple des céramiques. Ces matériaux peuvent donc absorber par capillarité des fluides de faible viscosité.Many electronic devices involving high voltages use components made from materials porous, for example ceramics. These materials can therefore absorb by capillarity of low viscosity fluids.

L'isolation électrique globale du dispositif électronique est classiquement assurée par un fluide diélectrique, par exemple une huile minérale ; ce fluide est susceptible de pénétrer dans les porosités du matériau. Si le composant est soumis à une différence de potentiel élevée appliquée en temps très court, le fluide diélectrique présent dans les cavités du matériau poreux peut être partiellement détruit et libérer des particules carbonées conductrices. La dégradation locale peut alors s'étendre et déboucher sur la mise en court-circuit du composant, ce qui entraíne immédiatement sa destruction totale. Une autre possibilité de dégradation existe si le fluide diélectrique est susceptible de libérer des bulles de gaz sous l'effet du champ électrique (phénomène dit de "degazing"). Dans ce cas, la bulle de gaz qui se crée dans une microcavité est capable de générer une contrainte importante sur les parois de la cavité et de fissurer le matériau, ce qui entraíne également la destruction du composant.The overall electrical insulation of the electronic device is conventionally provided by a dielectric fluid, for example an oil mineral; this fluid is likely to penetrate into the porosities of the material. If the component is subjected to a high potential difference applied in a very short time, the dielectric fluid present in the cavities porous material can be partially destroyed and release particles conductive carbonaceous. Local degradation can then spread and lead to the short-circuiting of the component, which leads immediately its total destruction. Another possibility of degradation exists if the dielectric fluid is capable of releasing gas bubbles under the effect of the electric field (phenomenon known as "degazing"). In this case, the gas bubble which is created in a microcavity is capable of generating significant stress on the walls of the cavity and crack the material, which also leads to the destruction of the component.

La présente invention a pour objet un procédé de protection durable contre les claquages électriques avec le minimum de pertes Joule, de composants poreux baignant dans un fluide isolant, les produits de protection devant être compatibles avec le fluide isolant à des températures pouvant aller jusqu'à environ 150°C, qui permette, lorsque ces composants sont soumis à des différences de potentiel élevées, et/ou à des décharges électriques répétées à tension élevée, d'éviter leur destruction, procédé qui soit facile à mettre en oeuvre et assure une protection de longue durée.The present invention relates to a protection method durable against electrical breakdown with minimum Joule losses, of porous components bathed in an insulating fluid, the products of protection to be compatible with the insulating fluid at temperatures up to about 150 ° C, which allows, when these components are subject to high potential differences, and / or to discharges repeated high voltage electrics, to avoid their destruction, process which is easy to use and provides long-term protection.

La présente invention a également pour objet des composants comportant une partie poreuse, qui soient protégés contre la destruction lorsqu'ils sont soumis à des différences de potentiel élevées, et dont le prix de revient ne soit pas exagérément augmenté par une telle protection.The present invention also relates to components having a porous part, which are protected against destruction when subject to high potential differences, and the price of which cost is not exaggeratedly increased by such protection.

On connaít d'après les documents JP-A-56 063 888, JP A 61 188 481, JP A 60 120 780 et JP A 63 252 981 des procédés d'imprégnation de composants poreux, mais ces documents ne suggèrent aucune solution pour des composants soumis à des hautes tensions baignant dans un bain de fluide diélectrique.We know from documents JP-A-56 063 888, JP A 61 188 481, JP A 60 120 780 and JP A 63 252 981 for processes impregnation of porous components, but these documents do not suggest no solution for components subjected to high voltages bathing in a bath of dielectric fluid.

Le procédé conforme à l'invention pour la protection de composants poreux soumis à des différences de potentiel élevées, destinés à baigner dans un fluide diélectrique, ces composants étant d'abord dégazés, puis imprégnés dans un bain chaud de résine polymérisable qui est polymérisée après pénétration dans les porosités de ces composants, est caractérisé en ce que l'imprégnation est effectuée sous pression avec une résine fluide compatible avec le fluide diélectrique, ladite résine polymerisée ayant une rigidité diélectrique à la température d'utilisation d'au moins 5 kV/mm.The process according to the invention for the protection of porous components subject to high potential differences, intended to be bathed in a dielectric fluid, these components being first degassed, then impregnated in a hot bath of polymerizable resin which is polymerized after penetration into the porosities of these components, is characterized in that the impregnation is carried out under pressure with a fluid resin compatible with the dielectric fluid, said polymerized resin having rigidity dielectric at operating temperature of minus 5 kV / mm.

Les composants poreux protégés conformément à l'invention, qui sont destinés à être soumis à des différences de potentiel élevées et baignent dans un fluide diélectrique, sont caractérisés en ce que leurs porosités sont entièrement remplies de résine polymérisée, non attaquable par le fluide diélectrique et ayant une rigidité diélectrique à la température d'utilisation d'au moins 5 kV/mm.The porous components protected according to the invention, which are intended to be subject to high potential differences and are bathed in a dielectric fluid, are characterized in that their porosities are completely filled with non-attackable polymerized resin by the dielectric fluid and having a dielectric strength at temperature at least 5 kV / mm.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel :

la figure 1 est le bloc-diagramme simplifié d'un appareil haute tension comportant une résistance à substrat poreux, qui doit être protégée contre les claquages, et
la figure 2 est une vue en coupe simplifiée d'un composant à substrat poreux protégé selon un procédé de l'art antérieur.

The present invention will be better understood on reading the detailed description of an embodiment, taken by way of nonlimiting example and illustrated by the appended drawing, in which:

FIG. 1 is the simplified block diagram of a high voltage device comprising a resistance on a porous substrate, which must be protected against breakdowns, and
FIG. 2 is a simplified sectional view of a component with a porous substrate protected according to a method of the prior art.

On a représenté en figure 1, le schéma simplifié d'un exemple de circuit haute tension comportant un composant poreux. Le circuit de la figure 1 comporte : un générateur 1 comportant une sortie haute tension 2 produisant, par rapport à la masse, une haute tension HT, de 40 KV par exemple. Le générateur 1 comporte également deux sorties 3, 4 (la sortie 4 étant reliée à la masse) entre lesquelles apparaít une basse tension BT alimentant le filament d'un tube électronique 5 (par exemple un tube amplificateur de sortie d'un émetteur radio) dont la cathode est reliée à la masse et l'anode à la sortie 2 à travers une résistance 6 baignant dans de l'huile organique ou minérale. Cette résistance 6 est de faible valeur (par exemple quelques dizaines d'ohms) et non inductive. Elle doit être capable d'absorber l'énergie de décharge des éléments capacitifs du générateur 1 (énergie pouvant être de 50 à 100 joules). S'il se produit des arcs électriques dans le tube 5, la haute tension se trouve reportée aux bornes de la résistance 6, et le courant instantané la traversant peut alors atteindre 1000 A.There is shown in Figure 1, the simplified diagram of an example of high voltage circuit comprising a porous component. The circuit of the figure 1 comprises: a generator 1 comprising a high voltage output 2 producing, relative to the mass, a high voltage HT, of 40 KV per example. The generator 1 also has two outputs 3, 4 (the output 4 being connected to ground) between which appears a low voltage LV feeding the filament of an electronic tube 5 (for example a tube output amplifier of a radio transmitter) whose cathode is connected to the ground and the anode at the outlet 2 through a resistor 6 immersed in organic or mineral oil. This resistance 6 is of low value (for example a few tens of ohms) and not inductive. She must be able absorb the discharge energy from the capacitive elements of generator 1 (energy can be 50 to 100 joules). If arcs occur in the tube 5, the high voltage is transferred to the terminals of resistor 6, and the instantaneous current flowing through it can then reach 1000 A.

Le matériau communément employé pour réaliser la résistance 6 est une céramique faiblement conductrice fabriquée à partir d'éléments minéraux finement broyés, mélangés et cuits à haute température pour former un solide légèrement poreux présentant une excellente résistance aux contraintes électriques et thermiques.The material commonly used to achieve resistance 6 is a weakly conductive ceramic made from elements finely ground minerals, mixed and cooked at high temperature to form a slightly porous solid with excellent resistance electrical and thermal constraints.

Selon les procédés connus, la protection classiquement employée contre la pénétration des fluides diélectriques dans les composants poreux consiste en un revêtement protecteur déposé en surface.According to known methods, the protection conventionally used against penetration of dielectric fluids into porous components consists of a protective coating deposited on the surface.

Ce revêtement peut être une peinture, un vernis ou une résine d'enrobage. Le matériau de revêtement doit constituer un film étanche sans aucune discontinuité et pouvoir tolérer sans dégradation le séjour prolongé dans le fluide diélectrique dans les conditions d'exploitation du matériel (pression, température, vibrations, ..;) et des agressions mécaniques éventuelles (rayures). Ce revêtement doit adhérer parfaitement sur les différents supports : matériau poreux constituant le corps du composant, connexions électriques, fixations...).This coating can be a paint, a varnish or a resin coating. The coating material must constitute a waterproof film without no discontinuity and able to tolerate the extended stay without degradation in the dielectric fluid under the operating conditions of the material (pressure, temperature, vibrations, ..;) and mechanical attacks possible (scratches). This coating must adhere perfectly to the different supports: porous material constituting the body of the component, electrical connections, fixings ...).

De plus, le revêtement doit présenter une forte résistivité de surface pour ne pas être le siège de courants de fuite notables.In addition, the coating must have a high resistivity of surface so as not to be the seat of notable leakage currents.

Cet ensemble d'exigences fait que le matériau idéal est difficile à trouver, l'expérience montre que ce revêtement est un point critique qui limite les performances de tenue en tension du composant.This set of requirements makes the ideal material difficult to find, experience shows that this coating is a critical point which limits the voltage withstand performance of the component.

On a schématiquement représenté en coupe, sur la figure 2, une résistance 7 ainsi traitée. Cette résistance 7 comporte un corps 8 en céramique poreuse et deux électrodes de connexion 9, 10 avec leurs fils de connexion 11, 12. Le traitement précité a pour résultat la formation d'une couche 13 de protection extérieure sur la résistance 7, à l'exclusion, bien entendu, des fils 11, 12 qui sont épargnés. Si, par exemple en un point 14 de la couche 13 se produit une fissure, une rayure ou une piqûre de cette couche, l'huile isolante dans laquelle est plongée cette résistance finit par traverser cette couche et pénètre dans les porosités de la résistance, ce qui peut en entraíner la destruction de la façon décrite ci-dessus.There is schematically shown in section, in Figure 2, a resistance 7 thus treated. This resistor 7 comprises a body 8 in porous ceramic and two connection electrodes 9, 10 with their wires connection 11, 12. The above processing results in the formation of a outer protective layer 13 on resistor 7, excluding, well heard, wires 11, 12 which are spared. If, for example at point 14 from layer 13 a crack, scratch or puncture occurs layer, the insulating oil in which this resistance is immersed ends up pass through this layer and penetrates into the porosities of the resistance, which can destroy it as described above.

Une autre solution consiste en l'utilisation d'un fluide diélectrique très performant qui présente une plus grande rigidité diélectrique et ne libère pas de gaz sous l'effet des décharges électriques. Cette solution exclut beaucoup de fluides courants, donc peu chers, et oblige à utiliser des composés synthétiques (huile de silicone, fluides perfluorés...) beaucoup plus chers, et généralement plus denses que les huiles minérales traditionnelles, ce qui écarte leur utilisation dans les équipements aéroportés.Another solution is to use a dielectric fluid high performance with greater dielectric strength and does not release no gas due to electric shocks. This solution excludes many common fluids, therefore inexpensive, and requires the use of synthetic compounds (silicone oil, perfluorinated fluids ...) many more expensive, and generally denser than mineral oils traditional, which precludes their use in equipment airborne.

Selon l'invention, pour interdire définitivement toute possibilité de pénétration du fluide diélectrique, la méthode proposée consiste en une imprégnation totale du matériau poreux à l'aide d'une résine très fluide qui est polymérisée dans un second temps pour obtenir un diélectrique solide. Ce diélectrique solide occupe donc toutes les cavités et porosités du matériau et la pénétration du fluide diélectrique est rendue impossible.According to the invention, to definitively prohibit any possibility of penetration of the dielectric fluid, the proposed method consists of a total impregnation of the porous material using a very fluid resin which is subsequently polymerized to obtain a solid dielectric. This solid dielectric therefore occupies all the cavities and porosities of the material and penetration of the dielectric fluid is made impossible.

Pour garantir la pénétration parfaite de la résine d'imprégnation, il est nécessaire de respecter les règles de l'art habituelles pour ce type d'opération, et, de préférence, on procède de la façon suivante :

on choisit une résine très fluide et de faible tension superficielle, par exemple un système époxydique d'imprégnation, mais d'autres types de résines sont applicables. La résine doit être très performante sur le plan diélectrique et compatible avec le fluide diélectrique utilisé (pas de dissolution, pas de dégradation de la résine ou du fluide).
on dégraisse soigneusement le composant à imprégner par trempé dans un bain de solvant du type trichloroéthane ou équivalent, de préférence sous ultrasons.
on étuve le composant pour en éliminer le solvant et l'humidité, sous vide d'air (10 mbar environ ou mieux, par exemple). Cet étuvage se fait à une température comprise entre 90°C et 120° C environ, pendant 8 h à 4 jours environ.
on protège les parties du composant à épargner (par exemple, pour une résistance, les fils de connexion, tels que les fils 11 et 12 précités), à l'aide d'un vernis pelable.
on préchauffe la résine d'imprégnation jusqu'à la température à laquelle elle acquiert la viscosité désirée (pour pouvoir pénétrer dans les pores du composant). Cette température est par exemple d'environ 60°C. Ce préchauffage se fait sous vide (10 mbar environ ou mieux) et permet d'éliminer l'air inclus dans la résine. La résine a, de préférence, à chaud, une viscosité inférieure ou égale à 0,5 Pa.s et une rigidité diélectrique à froid d'au moins 5 kV/mm.
On plonge le composant à imprégner dans le bain de résine ainsi préchauffée : en en maintenant la température à la valeur atteinte à la fin du préchauffage (60°C pour l'exemple précité), et on dégaze l'ensemble sous vide (10 mbar environ ou mieux) jusqu'à élimination complète de l'air inclus dans les porosités du composant. Cette étape peut par exemple durer 10 à 30 mn environ. En général, elle dure tant que l'on voit des bulles d'air monter à la surface du bain de résine.
On complète l'imprégnation par mise sous pression élevée du bain de résine (par exemple à 20 bars environ) dans lequel est plongé le composant. La température du bain peut alors être portée à une température légèrement supérieure à celle qu'il avait pendant le dégazage du composant, par exemple 80 à 90°C pour une température de dégazage d'environ 60°C. Cette étape peut durer par exemple 2 à 4 heures environ. Elle est nécessaire en particulier pour traiter des composants à faible porosité (par exemple porosités de diamètre inférieur à 50 µm).
Enfin, on sort le composant du bain, on l'égoutte, on essuie les coulures et on fait polymériser la résine à chaud selon les spécifications du fournisseur (par exemple à 90°C environ pendant 4 heures).

To guarantee perfect penetration of the impregnation resin, it is necessary to comply with the usual rules of the art for this type of operation, and, preferably, the procedure is as follows:

a very fluid resin with a low surface tension is chosen, for example an epoxy impregnation system, but other types of resins are applicable. The resin must be very efficient on the dielectric level and compatible with the dielectric fluid used (no dissolution, no degradation of the resin or of the fluid).
the component to be impregnated is carefully degreased by soaking in a solvent bath of the trichloroethane or equivalent type, preferably under ultrasound.
the component is steamed to remove the solvent and the humidity, under an air vacuum (approximately 10 mbar or better, for example). This steaming takes place at a temperature of between 90 ° C and 120 ° C approximately, for 8 h to 4 days approximately.
the parts of the component to be saved are protected (for example, for resistance, the connection wires, such as the above-mentioned wires 11 and 12), using a peelable varnish.
the impregnating resin is preheated to the temperature at which it acquires the desired viscosity (in order to be able to penetrate into the pores of the component). This temperature is for example around 60 ° C. This preheating takes place under vacuum (approximately 10 mbar or better) and makes it possible to eliminate the air included in the resin. The resin preferably has a viscosity of 0.5 Pa.s or less when hot and a cold dielectric strength of at least 5 kV / mm.
The component to be impregnated is immersed in the resin bath thus preheated: while maintaining the temperature at the value reached at the end of preheating (60 ° C for the above example), and the assembly is degassed under vacuum (10 mbar approximately or better) until complete elimination of the air included in the porosities of the component. This step can, for example, last approximately 10 to 30 minutes. In general, it lasts as long as we see air bubbles rising to the surface of the resin bath.
The impregnation is completed by placing the resin bath under high pressure (for example at about 20 bars) in which the component is immersed. The temperature of the bath can then be brought to a temperature slightly higher than that which it had during the degassing of the component, for example 80 to 90 ° C. for a degassing temperature of approximately 60 ° C. This stage can last for example 2 to 4 hours approximately. It is necessary in particular for treating components with low porosity (for example porosities with a diameter of less than 50 μm).
Finally, the component is removed from the bath, it is drained, the drips are wiped and the resin is polymerized hot according to the supplier's specifications (for example at approximately 90 ° C. for 4 hours).

Bien entendu, on peut imprégner simultanément plusieurs composants dans le même bain, si on peut les y loger. Le composant mentionné ci-dessus est une résistance, mais on peut évidemment traiter d'autres composants comportant un substrat ou une partie poreuse, comme par exemple des condensateurs, des bobinages. Le support peut être en céramique ou en ferrite par exemple.Of course, one can simultaneously impregnate several components in the same bath, if they can be accommodated there. The component mentioned above is resistance but we can obviously treat other components comprising a substrate or a porous part, such as for example capacitors, coils. The support can be ceramic or ferrite for example.

Le procédé décrit ci-dessus a été testé avec une résine époxydique "Scotchcast 280" de la Société 3M sur des résistances en céramique chargée en carbone. Bien entendu, de nombreuses autres résines peuvent convenir. Les conditions qu'elles doivent remplir est d'être non attaquables par les solvants classiques et par l'huile du bain dans lequel sont plongés les composants en utilisation normale, d'avoir une viscosité, à chaud, inférieure ou égale à 0,5 Pa.s et une rigidité diélectrique, à la température d'utilisation, d'au moins 5 kV/mm.The process described above has been tested with a resin epoxy "Scotchcast 280" from 3M Company on resistances in carbon charged ceramic. Of course, many others resins may be suitable. The conditions they must fulfill is to be not attackable by conventional solvents and by bath oil in which components are immersed in normal use, to have a viscosity, hot, less than or equal to 0.5 Pa.s and a dielectric strength, at the operating temperature, at least 5 kV / mm.

La tenue en tension de ces résistances, plongées dans un bain d'huile minérale ou organique est excellente et se maintient après un nombre d'utilisation (décharges capacitives) supérieur à 1000, à la tension maximale applicable, alors que ces mêmes résistances non imprégnées et utilisées dans les mêmes conditions sont détruites très rapidement (environ 10 décharges).The resistance in tension of these resistances, immersed in a bath mineral or organic oil is excellent and is maintained after number of uses (capacitive discharges) greater than 1000, at voltage maximum applicable, while these same non-impregnated resistances and used under the same conditions are destroyed very quickly (approximately 10 discharges).

Par conséquent, pour des composants tels que des résistances à substrat poreux, le procédé de l'invention permet, par rapport aux procédés connus, à tension égale, d'augmenter de façon importante leur durée de vie, ou bien, pour une même durée de vie, d'augmenter la tension appliquée à ces composants, et/ou d'utiliser un bain d'huile ordinaire au lieu d'une huile de haute qualité, très onéreuse.Therefore, for components such as resistance to porous substrate, the process of the invention allows, compared to the processes known, at equal voltage, to significantly increase their lifespan, or, for the same lifetime, to increase the voltage applied to these components, and / or using an ordinary oil bath instead of an oil high quality, very expensive.

Claims

Method for protecting porous components subjected to large potential differences, designed to be immersed in a dielectric fluid, said components being first degassed and then impregnated in a hot bath of polymerisable resin which is polymerised after it has penetrated the pores of said components, characterised in that impregnation is carried out under pressure, using a fluid resin compatible with the dielectric fluid, said polymerised resin having a dielectric rigidity of at least 5kV/mm at the temperature at which it is employed.
Method according to claim 1, characterised in that, before carrying out the impregnation, the resin is preheated under vacuum to a temperature at which it reaches the viscosity required for penetrating the pores of the component.
Method according to claim 2, characterised in that the viscosity of the resin when hot is less than or equal to approximately 0.5 Pa.s.
Method according to any of the preceding claims, characterised in that after impregnation in the hot resin bath, this bath is pressurised to approximately 20 bars.
Components including a porous part and intended to be subjected to large potential differences and immersed in a dielectric fluid, characterised in that their pores are entirely filled with polymerised resin which cannot be attacked by the dielectric fluid and which has a dielectric rigidity of at least 5 kV/mm at the temperature at which it is employed.