FR2579366A1 - Condensateur a tres haute energie volumique et auto-cicatrisations controlees - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN CONDENSATEUR A TRES HAUTE ENERGIE VOLUMIQUE DU TYPE REALISE PAR BOBINAGE D'AU MOINS DEUX FILMS DIELECTRIQUES METALLISES, LES METALLISATIONS COMPORTANT DEUX ZONES D'EPAISSEURS DIFFERENTES, UNE PREMIERE ZONE 14 DE FAIBLE EPAISSEUR AFIN DE FACILITER LES PHENOMENES D'AUTO-CICATRISATION ET UNE SECONDE ZONE 13, LATERALE ET PLUS EPAISSE, CONSTITUANT UN BORD RENFORCE. LA METALLISATION DES FILMS EST EGALEMENT CRENELEE DE FACON A FORMER DES ELECTRODES DE CONDENSATEURS ELEMENTAIRES, CES ELECTRODES ETANT RATTACHEES AU BORD RENFORCE 13 PAR UNE ZONE METALLIQUE DE LARGEUR RESTREINTE 15 SITUEE DANS LA ZONE METALLIQUE EPAISSE.
Description
CONDENSATEUR A TRES HAUTE ENERGIE
VOLUMIQUE ET AUTO-CICATRISATIONS CONTROLEES
La présente invention se rapporte aux condensateurs à films métallisés. Ce type de condensateur est habituellement, pour des raisons d'encombrement, présenté sous une forme cylindrique, les films étant enroulés sur eux-mêmes et les contacts de sortie étant assurés par deux dépôts métalliques épais réalisés aux extrémités du cylindre.
VOLUMIQUE ET AUTO-CICATRISATIONS CONTROLEES
La présente invention se rapporte aux condensateurs à films métallisés. Ce type de condensateur est habituellement, pour des raisons d'encombrement, présenté sous une forme cylindrique, les films étant enroulés sur eux-mêmes et les contacts de sortie étant assurés par deux dépôts métalliques épais réalisés aux extrémités du cylindre.
Il est connu que, lors des contrôles en fin de fabrication ou de l'utilisation de tels condensateurs, les défauts de diélectrique donnent lieu à des décharges locales en forme d'arcs, oxydant ou volatisant localement les métallisations. Ces décharges sont utiles car elles restaurent ainsi l'isolement normal. Ce processus est appelé autocicatrisation.
Cependant, pour des condensateurs d'une certaine capacité, et des tensions supérieures à quelques centaines de volts, L'énergie disponible pour une de ces décharges locales est telle que le condensateur peut être au moins localement détruit. Ce risque est d'autant plus grand que l'énergie stockée dans un condensateur est proportionnelle au carré de la tension, ce qui aggrave le danger de destruction dans le cas des condensateurs à haute tension.
Selon l'épaisseur des dépôts métalliques recouvrant le film on peut obtenir des métallisations de résistivités différentes. Des condensateurs utilisant des films métallisés à résistivité élevée possèdent de bonnes caractéristiques en tension car ils se prêtent très bien à l'auto-cicatrisation. Cependant, cette résistivité élevée impose des limitations quant aux courants qui les traversent puisque la minceur des métallisations né permet pas une bonne liaison électrique avec les contacts de sortie.
Les condensateurs utilisant des. films métallisés à faible résistivité, c'est-à-dire à dépôts métalliques épais, permettent le passage des courants élevés mais les auto-cicatrisations sont plus délicates d'où une tenue en tension limitée.
Pour remédier à ces inconvénients, plusieurs solutions ont été proposées. La demande de brevet européen EP-A-0 088 137 propose une métallisation des films dite "à bord renforcé". Chaque film possède alors, côté shoopage, une zone latérale d'épaisseur plus importante que le reste de la métallisation. Une telle métallisation permet d'allier deux qualités requises pour les condensateurs à très haute énergie volumique: une bonne tenue en tension et en courant.
Cependant, de tels condensateurs peuvent se détruire par mise en court-circuit dès que l'on atteint des gradients de tension de l'ordre de 100 à 400 V/ > m. En effet, il peut alors se produire des claquages qui volatilisent une surface non négligeable de métallisation entraînant une perte de capacité et même la destruction du condensateur.
Une autre solution proposée consiste à diviser les métallisations en une pluralité de régions délimitées par des bandes séparatrices non métallisées, chaque région n'étant reliée électrique ment aux autres que par des portions métallisées assurant la fonction d'élément fusible de sécurité avec disparition, par vaporisation thermique, de cet élément lors de la cicatrisation. L'énergie stockée, sous forme statique, par chaque région, ntest ainsi qu'une faible fraction de l'énergie totale du condensateur, et les destructions habituellement observées sont évitées. Plusieurs procédés permettant la délimitation de ces régions ont été proposés. Les métallisations étant déposées sous forme de bandes continues sur les films, le problème qui se pose est la réalisation de ces bandes séparatrices non métallisées par démétallisation.Celle-ci peut être réalisée par voie chimique ou par étincelage ou mieux par ablation à l'aide d'un faisceau laser ou encore directement lors de la métallisation. Cette dernière solution a fait l'objet du brevet français de la Demanderesse publié sous le numéro 2 453 482. L'ablation au moyen d'un faisceau laser de la couche de métallisation mince par exemple en aluminium ou en zinc déposée directement sur le diélectrique, soit de papier, soit plastique, tel que par exemple le polypropylène, le polyester, ou le polysulfone, ne présente pas les inconvénients des procédés chimiques ou a étincelage. Il ne dégrade pas les propriétés locales de tenue en haute tension, grâce non seulement à une parfaite régularité géométrique de la zone mise à nu, mais aussi à la propreté du procédé à l'endroit des contours de la métallisation restante.
Avec une métallisation uniforme et la technique de crénelage de cette métallisation, chaque défaut entraîne très souvent la perte d'un condensateur élémentaire d'où une rapide dégradation de la capacité dès que l'on dépasse certaines limites en tension et en température.
Afin de pallier ces inconvénients, I'invention propose de disposer, pour la réalisation de condensateurs, de films métallisés comportant d'une part des bords renforcés côté shoopage et d'autre part un crénelage de la métallisation conduisant à la création de condensateurs élémentaires. Le crénelage sera effectué de façon à ce que chaque électrode de condensateur élémentaire soit reliée par une zone métallique restreinte au bord renforcé correspondant à son film. Cette zone métallique restreinte peut être appelée zone fusible. Cependant, celle-ci sera réalisée dans la partie de métallisation d'épaisseur la plus importante et servira surtout à limiter le courant la traversant lors d'un claquage éventuel afin de réduire l'énergie mise en jeu dans le claquage et de restreindre ainsi la partie de métallisation volatilisée.Dans la plupart des cas, la zone fusible sera préservée après avoir joué son rôle de limitateur de courant. La perte de capacité lors de l'utilisation du condensateur sera alors minimum.
L'invention a donc pour objet un condensateur à très haute énergie volumique du type réalisé par bobinage d'au moins deux films diélectriques métallisés, les métallisations comportant deux zones d'épaisseurs différentes: une première zone de faible épaisseur facilitant les phénomènes d'auto-cicatrisation et une seconde zone, latérale et plus épaisse constituant un bord renforcé. Ce condensateur est caractérisé en ce que la métallisation d'au moins l'un des films est crénelée de façon à former des électrodes de condensateurs élémentaires, lesdites électrodes étant rattachées audit bord renforcé par une zone métallique de largeur restreinte située dans la zone métallique épaisse.
Ce crénelage des films métallisés sera de préférence réalisé par démétallisation.
Il est avantageux de réaliser cette dé métallisation par l'inter- médiaire d'un rayon laser.
Des démétallisations en forme de T permettront d'obtenir entre les barres horizontales de deux T voisins les zones métalliques de largeur restreinte.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages appa raîtront au moyen de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente des films métallisés à bord renforcé selon l'art connu; - les figures 2 et 3 sont des vues de dessus et de profil d'un film métallisé selon l'invention; - la figure 4 est une vue de profil d'un film selon l'invention au cours de l'opération de démétallisation; - la figure 5 est une vue de dessus du même film au cours de cette opération.
La figure 1 représente la disposition de films métallisés à bords renforcés en vue de réaliser un condensateur selon l'art connu.
Cette figure représente les sections de deux films 1 et 2 formés respectivement de rubans diélectriques 3 et 4 recouverts de métallisations 5 et 6. Comme il est connu, ces films seront bobinés décalés comme le montre la figure. II est avantageux que les films présentent des marges 7 et 8 pour éviter tout risque de court-circuit lors du shoopage. La largeur 1 représente la partie active du condensateur. Le bord renforcé de la métallisation est une zone à faible résistivité et permet un contact de bonne qualité avec le shoopage d'où la possibilité pour ce type de condensateur à film métallisé d'admettre des courants importants. La zone de métal lisation restante est à forte résistivité ce qui facilite l'autocicatrisation.
Les figures 2 et 3 sont des vues de dessus et de profil d'un film métallisé destiné à l'élaboration d'un condensateur selon l'invention.
Le ruban diélectrique 10 est par exemple réalisé en polypropylène ou en tout autre matériau assurant la même fonction: polyester, polysulfone ou papier. Il est recouvert à l'origine d'une métallisation 11 sauf sur une marge latérale 12. Comme pour la figure 1, la métallisation présente un bord latéral 13 plus épais que la partie restante 14 de la métallisation. Le trait pointillé de la figure 2 représente la transition entre les deux zones d'épaisseurs différentes 13 et 14. La différence d'épaisseur peut être obtenue au cours de l'opération de métallisation par une technique de masquage. Le métal déposé est par exemple de l'aluminium.
Il faut ensuite procéder à l'opération de dé métallisation pour constituer les électrodes des condensateurs individuels. Les bandes démétallisées peuvent figurées des formes diverses: en T droit ou incliné ou toute autre forme. L'important est de constituer une zone métallique restreinte dans la partie la plus épaisse de la métallisation. C'est ce que désigne la référence 15 sur la figure 2.
La dé métallisation peut être avantageusement obtenue par l'impact d'un rayon laser sur le film métallisé cornme le mentionne le brevet cité plus haut. On peut procéder à l'aide d'un faisceau d'énergie pulsée. Chaque pulse d'énergie volatilise un cercle de métallisation dont le diamètre peut être réglé entre 0,1 et 2 mm. Un balayage optique permet de créer une succession de cercles sécants pour l'obtention d'un trait démétallisé continu. La métallisation peut se trouver sur le ruban ou sous le ruban diélectrique par rapport au rayon laser. Quelles que soient les positions respectives de la métallisation et du rayon laser, il est préférable de choisir la longueur d'onde du rayon laser dans une gamme qui correspond à la zone de transparence du ruban afin d'éviter son échauffement.Un compromis entre la puissance du laser, la fréquence des pulses d'énergie et la vitesse de balayage est à rechercher pour effectuer la démétallisation sans brûler le ruban diélectrique ce qui entraîne nerait des claquages intempestifs lors de l'utilisation des condensateurs.
Les figures 4 et 5 décrivent un exemple de balayage possible pour obtenir des démétallisations en forme de T. Le rayon laser de dé métallisation 20 est envoyé vers un miroir semi-réfléchissant 21.
Le rayon réfléchi 22 est dirigé vers la métallisation 1 1 recouvrant le ruban diélectrique 10. Le film défilant suivant la flèche indiquée sur la figure 5, le rayon réfléchi 22 trace la barre horizontale du T. Le rayon transmis 23 est renvoyé par le miroir 24 vers le film pour tracer la barre verticale du T qui aboutit jusqu'à la marge 12. Les tracés horizontaux et verticaux peuvent être effectués en défilement continu: le rayon 22 trace la barre horizontale, le miroir 21 étant fixe, tandis que le miroir 24, étant mobile dans toutes les directions, est commandé pour que le rayon 25 qu'il réfléchit vers la métallisation 11 produise un tracé perpendiculaire au sens du défilement.
D'autres solutions sont possibles. Par exemple, lorsque l'on trace la barre horizontale du T, le miroir 24 peut être placé de façon à renvoyer un faisceau 25 au point d'impact du faisceau 22 avec la métallisation 11. Les faisceaux 22 et 25 ajoutent donc leur puissance pour le tracé de la barre s'effectuant dans la partie la plus épaisse de la métallisation. Lorsque la moitié de cette barre est tracée, le défilement s'arrête et le miroir 24 bascule autour de son axe pour effectuer le tracé de la barre verticale du T grâce au rayon 25. Dans le même temps, il est possible de faire pivoter légèrement le miroir 21 pour assurer une bonne démétallisation de la barre verticale du T qui se situe dans la partie de métallisation la plus épaisse.
Quelle que soit la solution envisagée, il faut tenir compte des épaisseurs variables de métallisation. Ces différences d'épaisseur peuvent être compensées par les vitesses de balayage, l'angle d'incidence des rayons, les vitesses de basculement des miroirs, le taux de transmission du miroir semi-réfléchissant, etc.
La création de la zone métallique restreinte 15 ou zone de limitation du courant de court-circuit peut se faire par extinction du rayon laser. Ceci permet, dans le cas de la solution à défilement continu de faire revenir le miroir 24 à sa position initiale sans risque de trace sur le film métallisé.
Un condensateur selon l'invention est obtenu par bobinage de deux films métallisés tels que décrits précédemment. Le bobinage peut être effectué par les techniques classiques de fabrication de condensateurs bobinés. Les contacts de sortie du condensateur peuvent être obtenus par shoopage.
Pour le bobinage, on essaiera de faire en sorte que les électrodes des condensateurs élémentaires des deux films métallisés soient en vis-à-vis mais ceci n'est pas impératif. On peut également envisager la solution qui prévoit qu'un seul film soit crénelé, la métallisation du film constituant l'autre armature du condensateur étant uniforme.
De tels condensateurs peuvent être utilisés sous de forts gradients de tension (supérieurs à 100V/JJm) pour lesquels le nombre de défauts diélectriques par unité de surface devient très important.
Pour ces condensateurs, chaque point faible qui entraîne une autocicatrisation ne doit pas détruire une surface métallisée importante sous peine de réduire leur durée de vie.
La zone de limitation de courant, encore appelée zone fusible, résiste au claquage dans presque tous les cas pour les condensateurs selon l'invention. Des essais ont montré que 99% des condensateurs passaient correctement cette épreuve.
La zone fusible se détruit lorsqu'un claquage important survient (défaut diélectrique important, surtension aux bornes du condensateur, etc .). La mise en court-circuit du condensateur est pratiquement impossible d'où une fiabilité encore accrue.
A titre d'exemple, les caractéristiques dimensionnelles d'un condensateur de 1000 uF selon l'invention seront les suivantes: 180 x 120 x 190 mm: - pour le ruban diélectrique en polypropylène: épaisseur 6,um, largeur 100 mm, largeur de la marge latérale non métallisée 2,5 mm; - pour les métallisations en aluminium: épaisseur minimale 37 angströms, épaisseur maximale 200 angströms, largeur du bord renforcé 5mm, largeur 1 de la partie active 93 mm;
Des essais comparatifs ont été réalisés entre des condensateurs de l'art connu et des condensateurs selon l'invention.La comparaison concerne quatre types de technologies: - condensateur à ruban métallisé de 3-JL par unité de surface ; - condensateur à ruban métallisé de 3JL par unité de surface avec crénelage; - condensateur à ruban métallisé et à bord renforcé; - et condensateur selon l'invention.
Des essais comparatifs ont été réalisés entre des condensateurs de l'art connu et des condensateurs selon l'invention.La comparaison concerne quatre types de technologies: - condensateur à ruban métallisé de 3-JL par unité de surface ; - condensateur à ruban métallisé de 3JL par unité de surface avec crénelage; - condensateur à ruban métallisé et à bord renforcé; - et condensateur selon l'invention.
Les essais ont portés sur des condensateurs à diélectrique en polypropylène d'épaisseur 6hum, de capacité 1000pF, pour une durée de 1000 heures et sous une température de 850C.
Les conclusions de ces essais sont les suivantes: les condensateurs à simple ruban métallisé se mettent en court-circuit pour une tension de 600 V soit 100 V/um d'épaisseur de diélectrique, les condensateurs à ruban métallisé et bord renforcé pour 750 V soit 125 V4im, les condensateurs à ruban métallisé et crénelé pour 900 V soit 150 Sium. Enfin, les condensateurs selon l'invention ont résistés à des tensions de l'ordre de 1200 V soit 200 V4im. Les essais n'ont pas été poursuivis plus loin.
Ces essais montrent qu'il est possible d'obtenir des condensateurs pouvant fonctionner sous des tensions nominales de 150 V4im d'épaisseur de diélectrique. Avec une technologie classique de condensateur à ruban métallisé, on ne peut guère dépasser 50 V!pm de tension nominale. Par rapport à ce dernier condensateur, on obtient un gain en volume dans un rapport 9.
Le domaine d'application de ces condensateurs est celui des condensateurs à très haute énergie volumique et forts courants admissibles: ceux utilisés pour le stockage d'énergie à faible volume et courant de pointe élevé (pour les sources laser), pour le filtrage en courant continu (électronique de puissance, traction ferroviaire).
Ces condensateurs améliorent la sécurité d'utilisation en courant alternatif puisque leur explosion est pratiquement impossible.
Claims (6)
1. Condensateur à très haute énergie volumique du type réalisé par bobinage d'au moins deux films diélectriques métallisés, les métallisations (11) comportant deux zones d'épaisseurs différentes, une première zone (14) d'épaisseur faible afin de faciliter les phénomènes d'auto-cicatrisation et une seconde zone (13), latérale et plus épaisse, constituant un bord renforcé, caractérisé en ce que la métallisation d'au moins l'un des films est crénelée de façon à former des électrodes de condensateurs élémentaires, lesdites électrodes étant rattachées audit bord renforcé (13) par une zone métallique de largeur restreinte (15) située dans la zone métallique épaisse.
2. Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les films comprennent une marge latérale non métallisée (12) située du côté opposé au bord renforcé (13).
3. Condensateur selon l'une des revendicatons 1 ou 2, caractérisé en ce que les films bobinés sont décalés l'un par rapport à l'autre pour dégager en partie les bords renforcés (13).
4. Condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le crénelage est constitué par une démétallisation.
5. Condensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite zone métallique de largeur restreinte (15) est situé dans la zone métallique épaisse.
6. Condensateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le crénelage est constitué d'une succession de formes en T, la barre horizontale du T se situant dans le bord renforcé (13) et la barre verticale aboutissant dans ladite marge latérale (12), la distance séparant deux barres horizontales définissant la largeur de la zone métallique restreinte (15).
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