FR3111745A1 - Dispositif connecteur pour câble blindé à isolant minéral - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un dispositif connecteur (1) destiné à relier deux composants tels qu’un câble à isolant minéral (2) et un passage métal/verre ou céramique/métal (3), comprenant un manchon (4) ainsi que des moyens de fixation dudit dispositif connecteur (1) sur les deux composants. L’invention consiste en ce que des moyens d’étanchéité (8, 9) sont prévus sur la face interne du manchon (4) à chaque extrémité de celui-ci, les moyens de fixation étant des moyens de serrage montés sur la face externe du manchon (4) à chacune de ses extrémités, lesdits moyens de serrage étant agencés pour exercer une compression radiale sur le manchon (4) au niveau des moyens d’étanchéité (8, 9). Figure 2

Description

Dispositif connecteur pour câble blindé à isolant minéral
La présente invention concerne un dispositif connecteur simple de montage (ne nécessitant ni brasure ni soudure...) pour câble blindé à isolant minéral qui offre une bonne herméticité et une très bonne tenue diélectrique, plusieurs milliers de volts, à haute température notamment jusqu’à 1050°C. Ce dispositif est facilement réalisable sur site.
Les câbles blindés à isolant minéral sont des câbles constitués d’un conducteur central métallique et d’une gaine métallique creuse cylindrique entre lesquels est introduit un isolant réfractaire en poudre tel que minéral de type magnésie, alumine ou silice, la gaine externe étant en acier inoxydable, cuivre ou en un alliage Ni-Cr tel que celui connu sous la dénomination commerciale Inconel 600.
De tels câbles sont résistants au feu et utilisés dans des lieux pouvant accueillir du public tels que des centres commerciaux, des aéroports, des salles de réception, ou dans des environnements industriels comportant des zones à risques comme les centrales nucléaires ou des zones avec un niveau élevé de propreté (Semi-Conducteur). Ils sont notamment utilisés dans de nombreux domaines de l’industrie dans lesquels on utilise des capteurs, des éléments chauffants ou des câbles de transmission de signaux électriques qui doivent résister à des environnements présentant des conditions de plus en plus sévères (température, haute tension, humidité,...).
De tels câbles servent ainsi à relier des dispositifs espacés les uns des autres et il est donc nécessaire de prévoir des moyens de raccordement de ces câbles aux dispositifs, voire des câbles entre eux.
Les dispositifs connecteurs de câbles sont des parties extrêmement critiques de ces composants puisqu’elles doivent assurer la continuité électrique des conducteurs, empêcher la migration d’humidité dans l’isolant tout en préservant la tenue diélectrique du câble.
En pratique il s’agit souvent d’un point faible car il s’avère, parfois, compliqué de réunir toutes ces qualités lorsqu’on se trouve dans un environnement chaud.
Un câble blindé peut donc être un élément chauffant électrique ou un câble de transmission de signaux à isolant minéral de type magnésie, alumine ou silice et à gaine externe en acier inoxydable, cuivre ou en alliage Ni-Cr.
Lorsqu’un câble blindé à isolant minéral est dénudé pour mettre en place un dispositif connecteur, on retire donc la gaine extérieure et l’isolant minéral pour laisser apparaître le fil conducteur métallique de manière à le relier à un autre composant tel qu’un passage verre-métal ou céramique-métal ou tout autre composant approprié.
La figure 1 représente un dispositif connecteur 10 de l’état de la technique, comprenant un manchon dans lequel l’extrémité d’un câble 20 à isolant minéral est dénudée, et cette extrémité ainsi constituée du fil conducteur nu 21 est introduite dans un logement 31 ménagé dans un composant tel qu’un passage céramique métal 30. Le fil est ainsi fixé dans le logement par sertissage, par exemple pour assurer la liaison électrique. Au niveau de la liaison, on met en place un manchon protecteur 10 dont les extrémités sont fixées par brasure 40 pour l’une sur la gaine extérieure du câble à isolant minéral 10 et pour l’autre sur la gaine extérieure du passage céramique métal 30 de manière à réaliser un montage étanche permettant de maintenir la tenue diélectrique. Plus difficile à mettre en œuvre.
Un tel dispositif nécessite l’utilisation d’un chalumeau qui chauffe jusqu’à environ 650°C. Il existe alors un risque de casse de la céramique du au choc thermique. De plus, il est nécessaire de nettoyer après montage des résidus de flux du brasage (Décapant) et des oxydations. Il existe donc un risque de laisser des petites particules de flux de brasage qui pourrait engendrer des défauts diélectriques et également des défauts de corrosion dans le temps.
De manière à assurer une telle connexion et maintenir la tenue diélectrique, différents types de dispositifs connecteurs ont également été proposés.
Dans FR-A-2 832 558 est décrit un manchon d’accouplement de forme cylindrique comportant une première entrée pouvant être montée sur le pourtour extérieur de la gaine métallique d’un premier câble à isolant minéral et une deuxième extrémité montée sur le pourtour extérieur d’un second câble ou d’un dispositif complémentaire, le manchon ainsi monté est directement soudé sur le pourtour extérieur des éléments raccordés. Le manchon forme ainsi une cavité dans laquelle sont reliés les conducteurs électriques. Le manchon présente une ouverture permettant le remplissage de ladite cavité par un matériau isolant. Ce manchon est ensuite fixé par soudure sur les parties extérieures telles que la gaine du ou des câbles.
On a également proposé de réaliser les terminaisons ou connexions de câbles à isolant minéral avec des résines époxydes ou acryliques. Ces résines, même si elles assurent une bonne tenue électrique et une bonne étanchéité, ne supportent pas des températures supérieures à 230°C. Un dispositif de ce type est notamment décrit dans US-B-6 437 246 qui présente un manchon métallique serti sur la gaine extérieure du câble et dont l’intérieur est rempli de résine époxy entourant l’extrémité libre du conducteur ou la liaison avec un autre conducteur. De même on peut réaliser les terminaisons avec un ciment céramique ou encore du verre fusible. Ces dernières solutions ont pour inconvénients une faible résistance aux températures élevées et une fissuration fréquente qui compromet la tenue à l’humidité du câble.
Ces dispositifs présentent l’inconvénient de nécessiter un matériel de brasure pour pouvoir être mis en œuvre ce qui nécessite des compétences des opérateurs spécialisés, ce qui n’est pas toujours simple lorsqu’on intervient sur site, dans des endroits difficiles d’accès ou l ‘espace de travail reste étroit.
Le document US-B-9 583 933 propose un dispositif de terminaison de câble à isolant minéral comprenant un élément conducteur formant une tige et comprenant une cavité d’accueil du conducteur électrique correspondant à une extrémité dénudée du câble, la tige s’engageant autour du conducteur jusque dans le câble lui-même. Autour de cette tige, au niveau du câble, une bague d’étanchéité est également mise en place entre la tige métallique et l’isolant minéral contenu dans la gaine. Autour de la tige métallique est également positionné une pièce compression et un manchon isolant. Ce manchon isolant est mis en place par vissage sur la tige et vient en butée axiale contre la pièce de compression qui elle-même vient en butée contre la bague d’étanchéité, qui bute contre l’extrémité (la gaine) du câble permettant ainsi de créer une étanchéité par compression. Pour éviter que l’humidité ne corrompe l’isolant minéral, on chauffe l’extrémité lors du montage. Toutefois, au vu du montage, la bague d’étanchéité est insérée entre l’isolant minéral et le conducteur électrique après avoir retiré une partie de l’isolant minéral autour du conducteur ou bien l’extrémité du dispositif de terminaison est conique pour se caler dans l’isolant minéral. De ce fait, le montage qui nécessite d’intervenir sur l’isolant minéral n’est pas simple à mettre en œuvre sur site. Un tel dispositif nécessite en outre pour garantir l’herméticité, des joints toriques ce qui limite l’utilisation à haute température. L’étanchéité peut de ce fait se dégrader dans le temps du fait du vieillissement des matériaux, l’humidité peut rentrer, etc.
Afin de pallier les inconvénients des dispositifs de l’état de la technique, la présente invention propose un dispositif connecteur dans lequel l’étanchéité est obtenue simplement, la tenue diélectrique est garantie (plusieurs milliers de volts), et qui est utilisable dans des conditions environnementales sévères telles que de hautes températures par exemple jusqu’à 1050°C tout en étant d’une conception simple et facile à mettre en œuvre sur un câble blindé à isolant minéral, en particulier sans matériel spécifique.
A cet effet, l’invention concerne un dispositif connecteur pour câble à isolant minéral, ce dispositif formant connecteur avec un autre câble ou dispositif par exemple, permettant de pallier les inconvénients des dispositifs existants.
En particulier, l’invention concerne un dispositif connecteur destiné à relier deux composants tels qu’un câble à isolant minéral et un passage métal/verre ou céramique /métal comprenant un manchon ainsi que des moyens de fixation dudit dispositif connecteur sur les deux composants, caractérisé en ce que des moyens d’étanchéité sont prévus sur la face interne du manchon à chaque extrémité de celui-ci, les moyens de fixation étant des moyens de serrage montés sur la face externe du manchon à chacune de ses extrémités, lesdits moyens de serrage étant agencés pour exercer une compression radiale sur le manchon au niveau des moyens d’étanchéité.
Le manchon définit ainsi un logement dans lequel l’extrémité dénudée d’un câble à isolant minéral est engagée par l’une des extrémités du manchon du connecteur pour y être reliée électriquement à un autre composant tel qu’un passage verre/métal ou céramique/métal. La présence des moyens d’étanchéité aux extrémités du manchon, permet lors du montage du connecteur selon l’invention par simple serrage de réaliser également l’étanchéité de ce montage sans nécessiter l’utilisation d’une brasure, ce qui facilite grandement l’installation sur site mais également en atelier.
De manière avantageuse, les moyens d’étanchéité sont prévus sur la face interne du manchon à chaque extrémité de celui-ci de manière à être interposés entre la gaine extérieure du câble à isolant minéral et de l’autre composant et le manchon, les moyens de serrage étant agencés sur chaque extrémité du manchon de manière à comprimer le manchon sur l’un et l’autre pour créer l’étanchéité de l’assemblage.
Selon une forme de réalisation, ces moyens d’étanchéité sont constitués d’une bague qui peut être logée contre la face interne du manchon à chacune des extrémités de celui-ci. Lors de la fixation du connecteur à l’aide des moyens de serrage, chaque bague subit une compression radiale du fait des moyens de serrage et crée ainsi l’étanchéité de la liaison du connecteur sur chacun des composants assemblés.
Selon une forme de réalisation préférée, les moyens d’étanchéité sont constitués d’une férule, pièce tubulaire de forme conique engagée sur la périphérie extérieure du câble et de l’autre composant et dont la partie en pointe se loge sous le manchon dont l’extrémité est conformée de manière complémentaire, les moyens de serrage une fois mis en place sur le manchon permettent de serrer le manchon puis de serrer la férule sur la gaine extérieure du câble et du composant, créant ainsi l’étanchéité. Chaque extrémité du manchon est ainsi conformée pour accueillir une férule pour créer une étanchéité sur le câble et sur l’autre composant.
De préférence, le serrage est obtenu par sertissage. Ainsi les moyens de serrage sont constitués d’une douille engageable sur une extrémité du manchon et qui peut être sertie sur ledit manchon.
Selon une variante de réalisation, les moyens de serrage sont constitués de moyens de vissage tel qu’un écrou destiné à coopérer avec un filetage ménagé sur la paroi extérieure du manchon, au niveau de chaque extrémité du manchon.
Cet écrou présente de préférence un épaulement à son extrémité de sorte qu’en vissant l’écrou sur le manchon, l’extrémité de l’écrou peut venir en butée contre le manchon contribuant ainsi au serrage étanche notamment en butant contre l’extrémité de la férule.
Un dispositif connecteur selon l’invention permet un assemblage étanche facile à mettre en œuvre sur site puisque les outils de fixation sont simples à utiliser, sans besoin d’équipement spécifique, une clé de vissage suffisant par exemple.
Le dispositif selon l’invention est axé sur des utilisations en « environnement sévère » et sûreté (nucléaire et semiconducteur par exemple).
Ainsi, on peut l’utiliser dans un environnement jusqu’à une température de fonctionnement de 800°C, voire 1000°C pour le câble à isolant minéral, par exemple dans une chambre à 1000°C, et 500°C, voire 600°C sur le connecteur, à l’extérieur d’une telle chambre, une tension maximale de fonctionnement pouvant atteindre 2000 VAC (sur câble de Ø 6 mm), avec des résistances aux cyclages thermiques rapides.
Il présente en outre une étanchéité hélium (fuite < 10-8 atm cm3/s), une tenue à la pression (> 250 bars) et une très bonne stabilité dans le temps car il ne présente aucun composé organique. +
De manière avantageuse, le dispositif connecteur ne nécessitant plus de brasure pour fixer le connecteur, il n’est pas nécessaire de nettoyer après montage, il n’y a pas d’oxydation, absence de flux
De plus de manière avantageuse, il est possible de réparer en desserrant les moyens de vissage. Ainsi, si de l’humidité est enfermée dans le câble, il est possible de désassembler les composants pour chauffer et éliminer l’humidité sans qu’il soit nécessaire de détruire le dispositif connecteur.
On décrira maintenant l’invention plus en détails en référence au dessin dans lequel sont représentés :
une vue en coupe longitudinale d’un exemple de réalisation d’un dispositif connecteur selon l’état de la technique ;
une vue en coupe longitudinale d’un câble à isolant minéral et d’un passage céramique/métal pourvu du dispositif connecteur selon l’invention ; et
une vue en coupe longitudinale lors de l’assemblage d’un dispositif connecteur.
Le dispositif connecteur 1 selon l’invention est destiné à être mis en place à l’extrémité d’un câble à isolant minéral 2 pour le relier par exemple à un composant 3 tel qu’un passage céramique/métal 3.
Un tel câble 2 est constitué d’un fil conducteur central métallique 21 et d’une gaine extérieure métallique entourant ledit fil conducteur 21, un matériau isolant minéral étant inséré entre les deux. L’extrémité du câble 2 est dénudée de telle sorte que le fil conducteur 21 central est mis à nu sur une certaine longueur et peut ainsi être connecté avec un autre composant tel que le passage céramique métal 3.
Ce passage céramique métal 3 comprend un conducteur métallique 31 s’étendant dans un cylindre 32, principalement en céramique et avec lequel le fil conducteur 21 est relié, par sertissage. Un passage 3 céramique métal ou métal verre est de structure classique en soi.
Pour assurer la connexion, on met en place le dispositif connecteur 1. Ce dispositif est constitué d’une partie tubulaire centrale, formant manchon 4
Le manchon 4 comporte une extrémité de fixation sur le câble 2 notamment en se positionnant autour de la gaine extérieure 22. De plus, le manchon 4 comporte des moyens de fixation sur le câble 2.
Selon une forme de réalisation préférée, ces moyens de fixation sont constitués de moyens de vissage tel qu’un écrou 5 destiné à coopérer avec un filetage 4a ménagé sur la paroi extérieure du manchon 4, au niveau de l’extrémité du manchon 4 sur la gaine extérieure 22.
Cet écrou 5 présente de préférence un épaulement 51 à son extrémité de sorte qu’en vissant l’écrou 5 sur le manchon 4, l’extrémité de l’écrou 5 peut venir en butée contre le manchon 4.
Ce manchon 4 présente un alésage intérieur qui, à son extrémité de fixation 41 sur le câble 2 présente un diamètre approprié pour recevoir le câble 2 et dont l’extrémité opposée 42 est destinée à être fixée sur l’autre composant 3, les dimensions de l’alésage interne du manchon 4 à cette seconde extrémité 42 étant appropriée pour recevoir le second composant 3.
Le connecteur 1 comporte en outre des moyens configurés pour réaliser un assemblage étanche.
Ces moyens d’étanchéité sont constitués de manière préférée de férules 8,9. Ces férules 8, 9 sont des pièces tubulaires coniques dont la pointe 8a, 9a est destinée à s’engager dans le manchon 4, de manière à être interposées entre le manchon 4 et le câble 2 ou le composant 3. L’alésage intérieur du manchon 4 présente à chaque extrémité une forme conique 41a, 42a complémentaire de la forme conique de la férule 8, 9 associée.
Les moyens de fixation du connecteur 1 sont constitués de moyens de serrage du manchon 4 sur l’un et l’autre des composants 2, 3. Ces moyens de serrage sont constitués de moyens de vissage tel qu’un écrou 5 qui coopère avec un filet 4a ménagé sur la face extérieure du manchon 4 à chacune de ses extrémités. Une fois l’écrou 5 engagé sur une extrémité, il exerce un serrage radial, qui engendre un serrage radial sur le manchon 4 et la férule 8, 9 et donc sur le câble 2 créant ainsi une étanchéité.
De préférence, la férule 8 qui est engagée sur le câble 2 est en matière métallique tel qu’un acier inoxydable (inox) tandis que la férule 9 côté passage céramique/métal peut être réalisée en matière synthétique tel que du polytétrafluoroéthylène (PTFE), du polyétheréthercétone (PEEK) ou en matière métallique. Le choix de la matière est réalisé en fonction des conditions de température.
Ainsi, le connecteur 1 forme un ensemble constitué du manchon 4, comportant à une extrémité une férule 8 maintenue en place par un écrou de fixation 5 déjà engagé par vissage sur le manchon 4, le vissage n’étant pas complet.
Il est ainsi possible de proposer un montage avec les étapes suivantes. On engage le manchon 4, la férule 8 et l’écrou 5a sur l’extrémité du câble 2, et on laisse ainsi l’extrémité du câble 2 pour être dénudée. Il est alors possible de pouvoir la fixer sur le composant 3, par exemple par sertissage.
Le cylindre 32 en céramique du passage céramique/métal 3 comporte un alésage traversant, de préférence central. Dans cet alésage est monté un conducteur métallique 31 s’étendant dans l’alésage et en partie en saillie du cylindre 3 et qui présente une partie tubulaire dans laquelle peut également s’engager le fil conducteur dénudé 21, fixé par sertissage.
Le cylindre 3 présente une section transversale circulaire dont le diamètre est équivalent au diamètre intérieur du manchon 4, au niveau de la partie réception de celui-ci. Le composant 3 porte quant à lui à sa périphérie la férule 9 ainsi que l’écrou 5b.
Une fois le fil conducteur 21 fixé sur le composant 3, on ramène le manchon 4 au niveau de la liaison entre composants. De préférence, le manchon 4 vient se positionner sur la férule 9 et l’écrou de fixation 5b peut être engagé par vissage sur le manchon 4. On finalise ensuite l’assemblage par serrage ce qui permet de réaliser l’étanchéité.
Comme déjà évoqué, les férules 8, 9 peuvent être réalisées en inox ou en PTFE, PEEK ou autres matériaux qui se déforment par sertissage.
Ainsi, on a réalisé une première série d’essais à des températures différentes ainsi :
On a réalisé des contrôles électriques à température ambiante avec un connecteur selon l‘invention comprenant des férules en PTFE.
Identification échantillon Résistance d’isolement sous 500VDC avant immersion Résistance de ligne Résistance d’isolement sous 500VDC après immersion dans l’eau 12 heures.
Connect.1 PTFE >1012Ω 0.09 Ω >1012Ω
Connect.2 PTFE >1012Ω 0.09 Ω >1012Ω
Puis des essais en température à 150°C/4 heures
Identification échantillon Résistance d’isolement sous 500VDC
Avant test en température à 120°C pendant 4 heures		 Résistance de ligne Résistance d’isolement sous 500VDC après immersion dans l’eau 12 heures.
Connect.1 PTFE >1012Ω 0.09 Ω >1012Ω
Connect.2 PTFE >1012Ω 0.09 Ω >1012Ω
Ainsi que des essais en température à 180°C/4 heures.
Identification échantillon Résistance d’isolement sous 500VDC
Avant test en température à 180°C pendant 4 heures		 Résistance de ligne Résistance d’isolement sous 500VDC après immersion dans l’eau 12 heures.
Connect.1 PTFE >1012Ω 0.09 Ω >1012Ω
Connect.2 PTFE >1012Ω 0.09 Ω >1012Ω
Comme on peut le voir les propriétés de résistance restent identiques.
On a réalisé des contrôles électriques à température ambiante avec un connecteur selon l‘invention comprenant des férules en inox.
Identification échantillon Résistance d’isolement sous 500VDC avant immersion Résistance de ligne Résistance d’isolement sous 500VDC après immersion dans l’eau 12 heures.
Connect.3 inox >1012Ω 0.09 Ω >1012Ω
Connect.3 inox >1012Ω 0.09 Ω >1012Ω
Puis des essais en température à 150°C/4 heures
Identification échantillon Résistance d’isolement sous 500VDC
Avant test en température à 150°C pendant 4 heures		 Résistance de ligne Résistance d’isolement sous 500VDC après immersion dans l’eau 12 heures.
Connect.3 inox >1012Ω 0.018 Ω >1012Ω
Connect.4 inox >1012Ω 0.018 Ω >1012Ω
Ainsi que des essais en température à 300°C/4 heures.
Identification échantillon Résistance d’isolement sous 500VDC
Avant test en température à 300°C pendant 4 heures		 Résistance de ligne Résistance d’isolement sous 500VDC après immersion dans l’eau 12 heures.
Connect.3 inox >1012Ω 0.018 Ω >106Ω
Connect.4 inox >1012Ω 0.018 Ω >106Ω
Les résultats montrent que les essais avec férules en téflon et en inox sont conformes après les essais en température à 150°C et 180°C.
Par contre les essais effectués à 300°C avec les férules en inox ne sont pas conformes, car le dispositif montre une perte d’étanchéité après immersion dans l’eau.
Ainsi, en fonction des conditions thermiques dans lesquelles on utilise le connecteur selon l’invention, on choisira des férules en PTFE ou PEEK ou en inox, ou encore en autre métal.

Claims (7)

  1. Dispositif connecteur (1) destiné à relier deux composants tels qu’un câble à isolant minéral (2) et un passage métal/verre ou céramique/métal (3), comprenant un manchon (4) ainsi que des moyens de fixation dudit dispositif connecteur (1) sur les deux composants, caractérisé en ce que des moyens d’étanchéité (8, 9) sont prévus sur la face interne du manchon (4) à chaque extrémité de celui-ci, les moyens de fixation étant des moyens de serrage montés sur la face externe du manchon (4) à chacune de ses extrémités, lesdits moyens de serrage étant agencés pour exercer une compression radiale sur le manchon (4) au niveau des moyens d’étanchéité (8, 9).
  2. Dispositif connecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d’étanchéité sont constitués d’une bague logée contre la face interne du manchon (4) à chacune des extrémités de celui-ci.
  3. Dispositif connecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d’étanchéité sont constitués d’une férule (8, 9), pièce tubulaire de forme conique engagée sur la périphérie extérieure du câble (21) et de l’autre composant (3) et dont la partie en pointe (8a, 9a) se loge sous le manchon (4) dont l’extrémité (41, 42) est conformée de manière complémentaire.
  4. Dispositif connecteur selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de serrage sont constitués d’une douille engageable sur une extrémité du manchon (4) et pouvant être sertie sur ledit manchon (4).
  5. Dispositif connecteur selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de serrage sont constitués de moyens de vissage tel qu’un écrou (5a, 5b) destiné à coopérer avec un filetage (4a, 4b) ménagé sur la paroi extérieure du manchon (4), au niveau de chaque extrémité du manchon (4).
  6. Dispositif connecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que cet écrou (5) présente un épaulement (51) à son extrémité de sorte qu’en vissant l’écrou (5) sur le manchon (4), l’extrémité de l’écrou (5) vient en butée contre le manchon (4).
  7. Dispositif connecteur selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les férules (8, 9) sont réalisées en PTFE, PEEK et/ou en métal tel que de l’inox et/ou tous autres matériaux déformables par sertissage.
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