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PERFECTIONNEMENTS AUX MATIERES DIELECTRIQUES
L'invention concerne des diélectriques nouveaux, dérivés de subs- tances organiques diverses, mais dont la caractéristique commune est qu'ils- appartiennent à la série des esters, cesu-ci étant, de préférence,, liquides à la température ordinaire. Comme on le verra plus loin, l'invention est par ticulièrement applicable aux condensateurs électriques, mais il est bien en= tendu que'cette application ne constitue qu'un exemple particulier, et que tout dispositif électrique utilisant les propriétés spéciales de ces esters, rentre dans le domaine de l'invention.
Afin qu'il soit mieux compris, on indique ci-dessous divers exem- n
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ples qui feront mieux saisir à la fois le domaine et la nouveauté de l'invention
Exemple I- Emploi des esters halegénés, des phénols et polyphé- nols dérivés de diphényles (diphényles halogénés).
Les huiles minérales, couramment utilisées jusqu'ici comme li- quides diélectriques possèdent des inconvénients sérieux, tels que leur inflam- mabilité et la tendance à former des dépote en cours d'usage.
Conformément à l'invention, on obtient des améliorations sensi- bles en prenant comme agent diélectrique, un compose liquide de diphényle et d'un halogène, par exemple le chlore. En particulier, un liquide comprenant des mélanges de composés contenant divers pourcentages de chlore possède des proprié- tés très avantageuses au point de vue de l'invention.
L'invention couvre notamment des condensateurs électriques conte- nant des diphényles chlorés purs ou mélangés, mais sana être aucunement limitée à ces exemples.
'En plus des propriétés qui rendient les compositions à base de diphényles chlorés avantageuses dans divers dispositifs et appareils électriques tels que les transformateurs et les disjoncteurs à huile, par exemple leur hau- te résistance électrique, leur ininflammabilité, leur innecuité, leur densité plus grande que celle de l'eau, et leur propriété* de demeurer liquides 4 de** températures relativement basses,
les diphényles chlorés présentent encore csomms propriétés avantageuses un pouvoir inducteur spécifique élevé et un faible fac- teur de puissance qui rendent leur usage particulièrement avantageux coume agent diélectrique pour les condensateurs*
Contrairement à d'sutres matières qui possèdent une capacité inductive élevée, les compositions de dyphényle chlore liquide conservent leur capacité inductive spécifique élevée après solidification;
elle ne décroît que de manière progressive avec un abaissement de la température au-dessous de la température de solidification*
La chloruration du diphényle peut être exécutée par des procédés usuels- Cantonnement à l'un de ces procédés, le diphényle peut être mis en résc- tion avec le gaz chlore en présence d'un catalyseur. On utilise de préférence une matière ayant une teneur en chlore d'environ 3- à 55% Cette matière peut être obtenue en éliminant du produit chlore brut, l'acide chlorhydrique libre et le chlore- Par exemple on peut laver le produit impur avec une solution aqueuse
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et caustique, et ensuite le distiller dans le vide.
La chloruraiton doit être exécutée de'manière que le produit chloruré Boit un liquide constitué par un mélange des différents chlorodi= phényles compris entre les dérivés monochlorés et heptachlorés, Un tel mélage possède, à 99,8 C, une viscosité d'environ 45 secondes par la'Méthode Univer- selle de Saybolt; il cristallise vers 0 C ou marne à des températures plus bae ses.
La matière purifiée possède, à la température ambiante, une cons- tante diélectrique d'environ 5,2 La résistivité de la matière est d'environ 1 x 1010 ohms par centimètre cube. Son facteur de puissance, à la température ambiante. est d'environ 0,05%
Exemple Il = Emploi des esters phosphoriques.
Les esters phosphoriques (tels que le tricrécyl phosphate) per- mettent encore une réalisation avantageuse de l'invention..
Ainsi, le tricrésyl phosphate du commerce est purifié par fil- tratin à travers une matière absorbante (telle que la terre à foulon, le gel de silice ou matières analogues) qui agit pour en retirer les minimes quanti- tés d'eau et d'impuretés qu'on recontre même dans le tricrésyl phosphate raf- finé Une colonne de terre à foulon d'environ un mètre de haut peut servir à ce n'alternent d'épuration. Avant ce traitement, on constate que la constante diélectrique de la matière n'est pas unifofne, alors qu'après la valeur de cette constante est uniformément égale à 7 environ. Le facteur de puissance du phohphate est un peu réduit par le traitement ait moyen de la terre à foulon mais la résistance électrique subit une nette augmentation.
Dans certains cas, la résistivité du phosphate impur est très faible et, après traitement, pré- sente une valeur élevée uniforme de l'ordre de 1,000 à 2,500 @ mégohms par centimètre cube- D'autres esters phosphoriques peuvent se traiter de même et servir de diélectrique dans les condensateurs' par exemple le tributyl phos- phate, le triéthyl phosphate-et le triphényl phosphate.
Exemsple 111- Emploi des esters phtaliques et autres.
Comme diélectriques on peut utiliser, suivant l'invention, d'au- tres esters à fort pouvoir inducteur spé@ifique, et les traiter par un procédé
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analogue par exemple, des phtalates tels que les phtalates dibuthylique diamylique ou diéthylique. Dans certains cas, les esters glycériniques des acides gras peuvent être utilises, par exemple lahtriacétine. La Société de- manderesse donne la préférence aux esters qui restent liquides à la tempéra- ture ambiante.
Exemple IV - :Emploi des esters :phosphoriques après traitement thermique.
Suivant l'exemple II ci-dessus, on peut utiliser des esters phos- phoriques liquides, comme les tricrésyl, tributyl, phosphates, ou encore so- lides à froid, comme le triphényl phosphate*
On a découvert que les esters phosphoriques pré-cjhauffés à des températures supérieures à 105 C. (150 à 160 C- de préférence) subissent des modifications chimiques accroissant beaucoup leur pouvoir inducteur spécifi- que, et modifiant leurs autres propriétés.
Pour appliquer l'invention, on purifie d'abord l'ester phospho- rique du commerce, en le filtrant à travers un filtre absorbant (par exemple terre à foulon, gel de silice, etc..) ce qui en améliora les propriétés dié- lec;triques par élimination de l'eau et des autres impuretés. Après filtration,
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, on chauffe le phosphate, pendant deux à dix heures en généràl à des tempéra- ¯ j M d-- entre 105 et 166 les températuras les plue ] In 0-t tures - - -/cOmPrises 1 entre 105 166" les températures les plus levées correspondant aux durées de chauffage les plus courtes.
La constante diélectrique d'un phosphate ayant subi ce traitement thermique est beaucoup plus élevée que la constante diélectrique normale, et cela parait résulter de l'intervention de produite pyrogénés tonnée au cours du traitement. La constante diélectrique du tricrésyl phosphate, voisine de 6 à 7 avant traitement augmente considérablement après et peut atteindre ainsi 31.
La résistivité quoiqu'un peu réduite, demeure cependant voisine de 100 mégohms par centimètre cube- Le facteur de puissance est accru, puisqu'il pas- se de 0,02 à 0,04 environ, avant traitement, à 0,025 à 0,30% après le trai- tement. Cet accroissement, qui serait défavorable à l'emploi sur courant alter natif est éviqemment négligeable lorsqu'il s'agit de condensateurs destinés à f@nctionner sous courant continu (par exemple dans les circuits de démarrage des moteurs à. fort couple résistant ou en T.S.F.)
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Applications -I- Condensateurs -
Ces données générales étant bien comprises, il est décrit ci- dessous, et à titre d'exemple,, 1 application aux condensateurs de ces diffé- rents diélectriques.
Pour fixer les idées, on prendra comme terme de comparai son un. condensateur destiné à fonctionner sur courant alternatif à 220 volts, et constitué par une superposition de feuilles d'aluminium servant d'armature, chacune d'allas étant isolée de ses voisines par trois couches de papier dié-
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électrique, dont l'épaisseur unitaire est de 1 ordre de tàfll3 M/M.
A- Diphényles halogénés-
Pour imprégner des condensateurs de ce type avec des diphényles chlerés liquides, on commence par sécher complètement le papier dans le con- densateur assemblée de préférence dans le vide;, puis on admet, dans le conden- sateur séché dans la vide, le mélange d'imprégnation désiréo
Les condensateurs peuvent aussi être imprégnés'par immersion,
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même sans séchage préalable, dans la composition de diphényle qui est chauffée a une température d'environ 150 à 160 C Après égouttagep les condensateurs
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pau.vont htro scellés pour empêcher l'accès de 1 air et sont alors prêts à être utilisée-
Les avantages de l'invention seront bien compris au moyen des indications suivantes.
Un condensateur isolé par du papier, ayant des dimensions cubi-
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ques vteelnos de 9 x 11 x 13 emov lorsqu'il est imprégné d'huile minérale spéciale, possède une capacité à 18 microfaradso Lorsqu'un tel condensateur est imprégné d'un mélange liquide cÎ1lore difiénUàe à teneur en chlore de 54 et contenant principalement, les hexa et heptachlorodiphényls;, sa capacité est élevée à environ 28 à 29 mierofarads, soit un accroissement d'environ 55 à 60µ Si on ne désire pas un accroissaient de la capacité diéloctriquag les dimensions du condensateur peuvent être écidemment réduites en cas d'im- Qtô6natfi0n'auK chloFa<'diphényles<' l'ar exemple:
, un condensateur de 1 microfarad quand il est traité par les huiles minérales!, possède un volume de 65 cm i9 et après imprégnation par les ohlordiphénylesp le volume du microfarad est réduit à 42 cm3 environ-
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Les améliorations obtenues an faisant appel aux diphényles chlorés comme matière diélectriques, non seulement facilitent'l'utilisation des con- densateurs dans leurs champs d'application actuels, mais an outre rendent pra- tique l'utilisation industrielle de condensateurs avec certains types de mote électriques.
Par exemple, avec un moteur à courant alternatif à couple élevé, il est très désirable de faire appel à une capacité élevée pour faciliter le démarrage du moteur. Four l'application à des moteurs de ce type à 220 et 440 volts, des condensateurs contenant des diphényles chlorés comme diélectri- que sont particulièrement appropriés, en raison de leur prix relativement bas et de leur faible encombrement-
De tels condensateurs conviennent évidemment à diverses autres applications, notamment en matière de radio, et plus généralement, à tous les emplois des capacités électrostatiques.
Un diphényle chloré contenant 'on taux de chlore inférieur à celui indiqué ci-dessus comme le plus avantageux d'imprégner les condensateurs, demeure liquide à des températures plus basses qu'une matière ayant une teneur supérieure en chlore.
Les mélanges contenant surtout du dérivé penta-chloré et conte- nant aussi d'autres dérivés conme par exemple les hexachloridiphényles ont une température de solidification d'environ - 20 C. à - 25 c.
B - Esters Phosphoriques ..
L'invention est particulièrement avantageuse lorsqu'il t'agit de condensateurs dont le diélectrique renferme du papier kraft (obtenu avec la pâte de bois, au sulfate) et qui ont un facteur de puissance plut bas et vne durée plus longue, sous les tensions courantes, que les condensateurs à papier de chiffons.
On peut obtenir un papier krafqt d'une épaisseur inférieure à o mm.013 grâce au battage progressif de la pulpe dans des conditions de plus en plus sévères, au fur et à mesure que les fibres ont acquis une hydratation croissante* De ce papier, la Société demanderesse préfère utiliser trois cou- ches de 0,1 mm. d'épaiswseur
Le diélectrique objet de la présente invention peut d'ailleurs
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servir à imprégner d'autres substances que le papier Par exemple, on peut établir des condensateurs à armatures d'aluminium oxydé superficielle- ment par traitement chimique, avec ou sans action électrolytique.
Quand on se sert de papier comme diélectrique séparant les plaques du condensateur, il est avantageux dans certains cas, d'imprégner d'abord le papier, soit avant, soit après le montage du condensateur, au moyen d'une solution aqueu- se d'un seul minéral tel que le sulfate de calcium ou le phohphate de sodium,
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le papier étant alors désgéchéo de préférence à Ilair. Un condensateur compor- tant un diélectrique en papier ainsi imprégné, est rempli de tricrésyl phos- phare ou d'un autre este%, phosphorique, suivant la présente invention. Ce traitement préliminaire du papier réduit le facteur de puissance d'un'conden- sateur sana affecter sensiblement sa capacité électrique.
0 - Esters phtaliques -
Leur emploi dans les condensateurs est effectué comme dans l'exem-
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ple B) eî-dessus- T? a Esters phos-phoriques traités thermiquement ""
Reprenant l'exemple du condensateur cité plus haut, l'expérience montre les avantages de l'invention. Lorsqu on imprègne le papier Kraft avec
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du tricrésyl phosphate non traité suivant l'invention. le conaensateur n'offre qu'une capacité de 35 mierofarâdee Lorsqu'on l'imprègne de tricrésyl phosphate préalablement soumis au traitement objet de l'invention, la capacité atteint
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65 mierofarade, soit une augmentation de 85 %.
Au lieu d'une augmentation de capacité, ai l'on préfère une réduction du voiume du condensateur, on peut réaliser le microfax ad (pour 220 volts);, soit avec le volume utile de Znl pouce cubique si on utilise du tricrésyl phosphate sans le procédé de 1 invention, siit à 1,1 pouce cubique quand on applique le traitement préalable.
Le facteur de puissance de l'ester phosphorique traite thermi- quement suivant l'invention, peut être avantageusement réduit en soumettant le condensateur ainsi imprégné à l'action de la cire de paraffine fondue. par exemple, un condensateur à isolant de papier, imprégné d'ester phosphorique, est imprégné dans un bain de cire de paraffine à 166. Cp pendant une heure.
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Il semble que la cire déplace une partie de l'ester, mais qu'il en reste une proportion suffisante, ainsi que le manifeste l'essai du condensateur à la pression. Ce traitement à la aire réduit le facteur de puissance des condensa.. teurs impréglés d'ester phosphorique traité thermiquement, dans la plupart des cas au-dessous de 0,15 % et dans quelques uns à 0,07 % et même moins.
Si le papier, diélectrique du condensateur, a été imprégné avant montage au moyen d'une solution aqueuse d'un sel minéral conme le sulfate de calcium ou le phosphate de sodium, ce papier étant de préférence séché à l'air on obtient de nouveaux avantages* Un condensateur pourvu de papier ainsi im- prégné de tricrésyl phosphate (ou d'un autre ester phosphorique) traité ther- miquement suivant l'invention, possède un facteur de puissance réduit sans af- -fecter sensiblement sa capacité.
Le diélectrique à base d'ester peut servir sous différentes for- mes et avec diverses matières diélectriques solides absorbantes autres que le papier. Par exemple, l'oxyde d'aluminium adhérant au feuillard de ce métal, et obtenu'comme indiqué dans l'exemple B ci-dessus, peut 'être aussi aisément imprégné avec des esters phohphoriques traités qu'avec les esters non traités thermiquement.
Dans certains cas, l'ester phosphorique utilisé pour l'impégna- tion peut être mélangé de cire de paraffine, par exemple par solution de la cire dans l'ester à une température de l'ordre de 100 à 150 c., le condensa- teur étant igprégné du mélange obtenu. Les proportions de cire'pouvant varier beaucoup ,par exemple dans les limite$ de 8 à 15%. *lors de la solidifacation. il se produit une solution solide comportant de la cire dans laquelle l'ester liquide reste dispersé-
De tels mélanges, dans les condensateurs, offrent l'avantage d'en abaisser le prix de revient, parce qu'ils éliminent les dispositifs de serrage des électrodes et évitent le daxger des pertes résultant des fuites dans le diélectrique.
On peut utiliser des matières cireuses de toutes natures, par exemple de là cire de Carnaube, de la gomme laque, etc...
L'imprégnation des condensateur*) au moyen d'esters phosphoriques traités peut se faire suivant des méthodes déjà connues. Par exemple, les con- densateurs comportant un diélectrique de papier entre les armatures. peuvent être d'abord chauffes après montage de préférence dans le vida, le diélectrique
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liquide traité thermiquement étant introduit pendant que les condensateurs sont encore dans le vide- Dans certains cas, on peut réaliser l'imprégnation en immergeant le condensateur dans le diélectrique chauffé préalablement à une température de l'ordre de 150 C.
ou Au-delà, celle-ci maintenue pendant un temps suffisant pour que le condensateur prenne la température de son diéled talques après quoi le condensateur est transféré dans une masse diélectrique liquide à température plus basse (de l'ordre de 50 C. par exemple).
Agrès que le condensateur a pris la température de ce second diélectrique,, il est refroidi finalement à la température ambiante à l'air libre.
Lorsqu'on désire abaisser le facteur de puissance des condensa- teurs, par l'action des cires, comme indiqué ci-dessus, on peut sortir le condensateur du bain d'imprégnation à haute température (150 C. AU moins), pour le plonger dans un bain de cire à haute température (150 à 165 c) Le condensateur est maintenu dans ce bain de cire pendant une heure environ : après quoi on le passe dans un bain de cire à température plus faiole, par exemple 80 C ,. puis on le refroidit à la température ambiante, comme indiqué ci-dessus. '
On obtient des résultats beaucoup plus favorables dans les con- densateurs comportant un diélectrique traité thermiquement suivant l'invention lorsqu'on utilise comme diélectrique des couches de papier kraft mince, qui est supérieur au papier de chiffons.
L'obtention de ce papier kraft a été rappelée à l'exemple B ci- dessus. Il est admis ci-dessous qu'on utilise trois couches de ce papier, ayant chacune 0,13 mm d'épaisseur, comme diélectrique du condensateur.
Un condensateur comportant un diélectrique à base de papier de chiffons, établi pour 220 volts et dont les dimensions sont voisines de 9 x 11 x 13 cm possède une capacité de 65 microfarads et un facteur de puis- sance de l'ordre de 0,50% Avec le diélectrique au papier kraft, le même com- densateur a un facteur de::
puissance d'environ 0,10 à 0,12% qu'on abaisse entre 0,06 et 0,10% par le traitement subséquent au bain de cire, suivant les indica tions ci-dessus
Bien qu'on ait, pour fixer les idées, décrit le processus appli- cable à 'utilisation du tricrésyl phosphata pour la constitution des diélec-
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triques de condensateurs, il va de soi que les esters phosphoriques sont tous applicables, puisque tous peuvent fournir des produits de décompositions pyrogénés répondant aux principes de 1'invention.
II - Transformateurs-
L'usage des diphényles chlorés comme liquide isolant et réfri- gérant dans les transfonnateurs offre divers avantages par comparaison avec les huiles minérales, couramment utilisées jusqu'ici,
Les transformateurs à refroidissement par liquide, notamment les transformateurs de grande puissance, constiennent une quantité relativement grande de matière inflammable lorsqu'ils sont remplis d'huile. En conséquence, la propriété de non inflammabilité seule, dans un agent réfrigérant, est déjà très avantageuse.
En outra, les mélanges de diphényles chlorés possèdent des den- sites qui varient de 1,3 à 1,5 environ* en conséquence toute quantité d'eau pouvant pénétrer dans les transformateurs s'élève à la partie supérieure de l'agent réfrigérant où elle est rapidement dissipée par évaporation.
La constante diélectrique du composé liquide chlore-diphéye est à peu près égale à celle du papier; en conséquence, une distribution plus avantageuse des fatigues électriques est obtenue dans un transformateur muni d'isolement de papier et rempli d'un composé chloré que dans un transformateur contenant de l'huile.
Il est bien entendu que les exemples ci-dessus ne sont pas limi- tatifs, aussi bien en ce qui concerne les diélectriques spécifiés, pure ou mélangés, que relativement aux dispositifs décrits pour l'appareillage élec- trique. Tous appareils électriques qui emploient des isolants ou diélectriques liquides sont justiciables des solutions précédentes.
Dans le cas particulier des diphényles halogènes, il est bien en- tendu que tous dérivés halogénés, purs ou mélangés, renfermant chacun une ou plusieurs espèces d'halogènes et provenant du diphényle, peuvent être associés et utilisés dans tous les c comme isolants. Les dérivés chlorés sont préfé- rables à cause de leur stabilité et de leur prix de revient moins élevé.