FR2977704A1 - Cable electrique - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un câble électrique (1) comprenant au moins un fil d'aluminium ou en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que ledit fil comprend au moins sur une partie de sa périphérie, et de préférence sur toute sa périphérie, une couche de boéhmite de formule Al 0 , nH O avec n compris entre 1,5 et 2,5. La présente invention concerne également le procédé de fabrication dudit câble.

Description

Câble électrique La présente invention se rapporte au domaine des câbles électriques. En particulier, la présente invention concerne un câble à base d'aluminium apte à résister à la chaleur, générée par exemple par un incendie.

Les câbles en aluminium ou en alliage d'aluminium, du fait de leur faible résistance à la chaleur (le point de fusion de l'aluminium étant en effet de 658°C), ne sont pas utilisés dans des applications électriques où la température peut être élevée, par exemple où une résistance au feu est requise (e.g : lampe de sortie de secours).

Lorsqu'une telle exigence est requise, il est connu d'utiliser dans l'art antérieur des câbles électriques à base de cuivre. Le point de fusion du cuivre est en effet plus élevé que celui de l'aluminium et est de l'ordre de 1083°C. Le document JP 63-192 895 décrit un câble comprenant : un élément conducteur central, par exemple en aluminium, cet élément étant entouré d'une couche d'oxyde, telle que de l'alumine AI2O3 d'une épaisseur par exemple de 5 dam, qui est elle-même entourée par une couche en alumine céramique d'une épaisseur par exemple de 3 dam, les deux couches en alumine présentant une structure différente. En effet, la couche d'oxyde est obtenue par anodisation et comprend de ce fait, une surface poreuse, tandis que la couche en alumine céramique est produite par voie sèche à partir d'une phase gazeuse et présente un coefficient de dilatation nul. D'ailleurs ces deux couches n'ont pas la même fonction. La couche d'oxyde d'alumine présente des propriétés isolantes et a pour fonction d'améliorer l'adhésion entre l'élément conducteur et la couche en alumine céramique (l'alumine céramique adhère par germination sur l'oxyde d'alumine poreuse). Tandis que l'alumine céramique a pour fonction d'améliorer la résistance à la corrosion et à la chaleur du câble. Cependant, un tel type de câble ne permet pas une bonne continuité du signal électrique lors d'un incendie, c'est-à-dire lorsque l'élément central en aluminium est en fusion.

La présente invention a pour but de proposer un nouveau câble électrique qui évite tout ou partie des inconvénients précités. En particulier, le câble électrique selon l'invention a pour but de résister à des hautes températures, telles que des températures d'incendie qui peuvent être de l'ordre de 600 à 1200°C, tout en permettant une continuité du signal électrique. A cet effet, l'invention a pour objet un câble électrique comprenant au moins un fil d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, caractérisé en ce que ledit fil comprend au moins sur une partie de sa périphérie, et de préférence sur toute sa périphérie, une couche de boéhmite de formule AI203r nH2O avec n compris entre 1,5 et 2,5. La Demanderesse a découvert de manière surprenante, qu'un fil d'aluminium ou en alliage d'aluminium comprenant à sa périphérie une couche d'alumine, permettait de fabriquer des câbles ayant une résistance à la température améliorée, tout en permettant une continuité du signal électrique.

Un tel câble est ainsi capable de résister à des incendies, et ce malgré le faible point de fusion de l'aluminium ou des alliages d'aluminium formant le câble. En effet, la couche d'alumine permet de chemiser l'aluminium ou l'alliage d'aluminium, même lorsque celui-ci est en fusion. En outre, la couche d'alumine suivra directement la dilatation de l'aluminium ou de l'alliage en fusion augmentant ainsi la malléabilité et la déformabilité des fils formant le câble lors de chocs thermiques. C'est pourquoi, du fait de cette dilatation, la continuité du signal électrique a toujours lieu (les fils constituant le câble ne se rompent pas sous l'effet de la chaleur). Par alliage d'aluminium, on entend les alliages d'aluminium définit dans la Directive Aluminium Association de Washington DC 2086 ou les alliages répondant à la norme européenne EN573. Ces normes définissent plusieurs classes d'alliage d'aluminium présentant les références allant de 1000 à 8000. De préférence, la couche d'alumine présente une épaisseur allant de 5 30 à 20 dam, de manière préférée de 6 à 15 dam et de manière encore plus préférée, de 8 à 12 dam (bornes incluses). Un mode de réalisation particulier, le câble électrique comprend en outre un élément électriquement conducteur central, de préférence en aluminium ou en alliage d'aluminium, entouré par une première couche, dite couche externe comprenant un assemblage de fils tels que décrits ci-dessus. Selon l'invention, on entend par « couche externe » du câble électrique, la dernière couche du câble, en particulier, celle qui est destinée à être en contact avec le milieu extérieur au câble, c'est-à-dire généralement avec une gaine de protection. Selon une première variante de réalisation, chacun desdits fils constitutifs de la couche externe présente une section transversale de forme complémentaire au(x) fil(s) qui lui est/sont adjacent(s). De manière préférée, les fils de la couche externe, une fois assemblés forment une enveloppe externe présentant une section régulière, par exemple circulaire, ovale ou carré. De manière encore plus préférée, la couche externe présente une section transversale en forme d'anneau. A titre d'exemple, les fils de la couche externe peuvent présenter une section transversale en forme de Z ou de trapèze, la forme en Z étant préférée. Dans une seconde variante de réalisation, les fils de la couche externe peuvent présente une section transversale en forme de rond. Selon un mode de réalisation de l'invention, est disposée, entre l'élément électriquement conducteur central et la couche externe, une 20 deuxième couche, dite couche interne. De manière avantageuse, la couche interne comprend un assemblage de fils tels que décrits ci-dessus. A savoir, au moins une partie du pourtour des fils, et de préférence tout le pourtour des fils de la couche interne est formé également d'une couche de boéhmite de formule AI203r nH2O avec n 25 compris entre 1,5 et 2,5. Selon une première variante de réalisation, chacun des fils constitutifs de la couche interne présente une section transversale de forme complémentaire au(x) fils(s) qui lui est/sont adjacent(s). De manière préférée, les fils de la couche interne, une fois assemblés forment une enveloppe interne 30 présentant une section régulière, par exemple circulaire, ovale ou carré. De manière encore plus préférée, la couche interne présente une section transversale en forme d'anneau. A titre d'exemple, les fils de la couche interne peuvent présenter une section transversale en forme de Z ou de trapèze, la forme en Z étant préférée. Dans une seconde variante de réalisation, les fils de la couche interne peuvent présenter une section transversale en forme de rond. L'épaisseur de cette couche varie également de 5 à 20 dam, de manière 5 préférée, de 6 à 15 dam et de manière encore plus préférée, une épaisseur de 8 à 12 dam (bornes incluses). En particulier, l'élément électriquement conducteur central, la couche externe et/ou la couche interne sont en aluminium ou en alliage d'aluminium. Un objet de la présente invention concerne aussi un procédé de 10 fabrication d'un câble tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) réaliser une anodisation sur la surface d'un fil en aluminium ou en alliage d'aluminium, de préférence de section transversale en forme de Z, de rond ou de trapèze ; 15 b) hydrater à chaud le fil obtenu à l'étape b) de sorte à obtenir une couche de boéhmite de formule AI203r nH2O avec n compris entre 1,5 et 2,5. c) sur au moins une partie du pourtour dudit fil, et de préférence sur tout le pourtour dudit fil ; 20 d) assembler plusieurs fils obtenus selon l'étape b) pour former la couche externe, autour de l'élément électriquement conducteur central. Par définition, l'anodisation est une oxydation contrôlée et électrochimique de la surface d'un matériau, tel qu'un matériau en aluminium 25 ou en alliage d'aluminium. Avantageusement, le brin obtenu à l'étape a) ou le brin obtenu après hydratation à chaud est rincé à l'eau osmosée. Le câble selon l'invention sera avantageusement recouvert d'une gaine isolante. 30 Il pourra être utilisé notamment dans le domaine de l'aéronautique, dans le domaine ferroviaire ou dans celui des bâtiments, par exemple pour alimenter une lampe d'un panneau de sorti de secours. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés. Sur ces dessins : - La figure 1 est une vue schématique de section d'un câble selon un 10 mode de réalisation de la présente invention ; - La figure 2 est une vue agrandie d'un brin de la couche extérieure du câble selon la figue 1 ; - La figure 3 est une photographie montrant la couche de boéhmite de formule AI203r nH2O avec n compris entre 1,5 et 2,5, formée après 15 l'étape d'anodisation et d'hydratation à chaud ; - La figure 4 est une photo macroscopique d'un fil d'alliage d'aluminium brut ayant subit un test thermique (puissance thermique de 440 watt); et - La figure 5 est une photo macroscopique d'un fil d'alliage 20 d'aluminium anodisé selon l'invention ayant subit le même test thermique que le fil de la figure 4 (puissance thermique de 440 watt).

Le câble 1, illustré sur les figures 1 et 2, correspond à un câble 25 électrique apte à résister à de hautes températures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés de manière schématique sur ces figures, et ceci sans respect de l'échelle Ce câble 1 comprend : un élément électriquement conducteur central 4 30 et, successivement et coaxialement autour de cet élément conducteur central 4, une couche interne 3, et une couche externe 2. Les couches interne 3 et externe 2 sont également électriquement conductrices. En particulier, l'élément central 4 est en contact avec la couche interne 3, qui est elle-même en contact avec la couche externe 2. L'élément conducteur 4 est formé de brins cylindriques ronds 4a d'aluminium ou d'alliage d'aluminium au nombre de 19, chaque brin 4a 5 pouvant être recouvert de graisses. La couche interne 3 et la couche externe 2 sont constituées d'un assemblage de brins (3a et 2a) également en aluminium ou en alliage d'aluminium dont la section transversale est trapézoïdale. La géométrie des brins en forme de trapèze permet présente l'avantage d'obtenir une surface 10 quasiment pourvue d'aucuns interstices pouvant générer des accumulations d'humidité et donc des pôles de corrosion. Telle que représentée sur la figure 1, la couche interne 3 comprend 18 brins 3a et la couche externe 24 brins 2a. La couche interne 3 est composée de brins 2a dont le pourtour (de chaque brin) est formé d'une couche d'alumine 9, de préférence d'une boéhmite de 15 formule AI203r nH2O avec n compris entre 1,5 et 2,5 (voir figures 2 ou 3). Cette couche d'alumine 9 est généralement formée par anodisation. La couche d'alumine 9 forme ainsi une enveloppe apte à contenir l'aluminium ou l'alliage d'aluminium lorsque celui-ci est en fusion à cause de hautes température. Cet effet sera d'ailleurs démontré dans l'essai 1 ci-dessous. 20 Dans des variantes de ce mode de réalisation particulière, i1 est possible de modifier le nombre de brins 3a, 2a de la couche interne et externe, leur forme, le nombre de couches internes ou encore le nombre de fils ronds, ainsi que la nature de l'aluminium. Un procédé de fabrication du câble selon l'invention va maintenant être 25 décrit. Ce procédé comprend plusieurs étapes : une étape de dégraissage-décapage de brins, une première étape de rinçage, une étape de neutralisation, une seconde étape de rinçage, une étape d'anodisation sous courant dans un électrolyte à base d'acide sulfurique, une troisième étape 30 rinçage, une étape de colmatage des pores par de l'eau chaude et une quatrième étape de rinçage. Le matériau de départ est par exemple un brin ou fil de section transversale en Z en alliage d'aluminium type AGS (aluminium, magnésium, silice, portant la référence 6201 de la norme européenne EN573), la hauteur du Z est de 2,9 mm soit un diamètre équivalent de 3,2 mm. Le fil est conditionné sur bobine. Ces fils sont commercialisés avec un film de graisse lié au procédé de tréfilage. C'est pourquoi, pour le procédé de fabrication, il est généralement nécessaire de procéder à une étape de dégraissage. Le dégraissage et le décapage des fils sont effectués la plupart du temps par voie chimique ou aidée par voie électrolytique. Les opérations de dégraissage ont pour but d'éliminer les différents corps et particules contenus dans les graisses tandis que l'opération de décapage sert à éliminer les oxydes présents sur le métal. Il existe plusieurs méthodes de décapage : chimique, électrolytique ou mécanique. Ces méthodes sont connues de l'homme du métier. Le décapage chimique consiste à éliminer les oxydes par dissolution, voir éclatement de la couche, sans attaquer le métal sous-jacent. Pour le dégraissage/décapage, il est possible par exemple d'utiliser une solution industrielle à 45m1/L de GARDOCLEAN® (Société CHEMETALL). La solution est essentiellement composée de soude (environ 30g/L à 45m1/L) et de tensio-actifs. L'étape de neutralisation des fils permet de ne pas polluer le bain permettant l'anodisation. De plus, cette étape permet d'éliminer certaines traces d'oxydes pouvant nuire à l'anodisation. Cette étape se fait dans un bain identique au bain d'anodisation. Une solution d'acide sulfurique H2SO4 200g/L à température ambiante permettra d'éliminer les éventuels résidus de soude liés au dégraissage. La neutralisation permet de mettre la surface de l'aluminium au même pH que le bain anodique.

Ensuite, les brins sont anodisés. L'anodisation est basée sur le principe de l'électrolyse de l'eau. Dans une cuve remplie de traitement permettant le processus, c'est-à-dire dans un milieu acide tel que l'acide sulfurique, la pièce est placée à l'anode d'un générateur de courant continu. La cathode du système est généralement en plomb (inerte au milieu). Elle peut également être en aluminium ou inox, dans certaines installations. Lors de l'électrolyse la couche d'oxyde s'élabore à partir de la surface vers le coeur du métal, contrairement à un dépôt électrolytique. Pour l'aluminium, il se forme une couche d'alumine qui a un pouvoir d'isolant électrique. Ainsi le courant n'arrive plus jusqu'au substrat, et il est alors protégé. Les réactions sont les suivantes : - à la cathode : 2H+ + 2e- -> H2 ^ à l'anode : AI-> 3e- + A13+, puis : 2 AI3+ + 3 H2O -> AI2O3 + 6 H+ - Équation bilan : 2 Al + 3 H2O -> Al2O3 + 3 H2 Ces réactions provoquent donc une formation d'une couche d'oxyde d'aluminium 9, l'alumine qui est un isolant. Le courant n'arrive donc plus vers la couche. C'est pour cette raison qu'il faut utiliser un électrolyte qui dissout la couche tel que l'acide sulfurique, l'acide phosphorique l'acide chromique ou encore l'acide oxalique. On obtient alors des sphères équipotentielles qui progressent en produisant des structures hexagonales poreuses. Le processus d'anodisation dépend de la vitesse de dissolution. En effet : - Si Vdissolution > Voxydation, on a un décapage ^ Si Vdissolution = Voxydation, on a un polissage électrolytique - Si Vdissolution < Voxydation, on a une anodisation. La couche d'alumine 9 en anodisation sulfurique se forme vers de l'extérieur vers l'intérieur. La coloration s'effectue par imprégnation du colorant par absorption dans les pores.

Les paramètres électrolytiques sont imposés par une densité de courant et une conductivité du bain. Pour l'épaisseur souhaitée sur le fil prototype est de 8-10pm, la densité de courant sera fixée à 55-65A/dm2 et la tension sera fixée à 20-21 V et une intensité de 280-350A. On obtient ainsi le brin ou fils 2a.

Le colmatage est la technique permettant l'obturation ou la fermeture, des porosités existantes dans chaque cellule de la couche d'oxyde. Cette obturation est obtenue par transformation de l'alumine constituant la couche anodique, entraînant une dilatation et donc une fermeture progressive des pores. Cette opération est réalisée en immergeant les pièces anodisées dans l'eau en ébullition (eau osmosée présentant une température supérieure à 80°C) pour favoriser la cinétique de réaction. L'alumine anhydre absorbe des molécules d'eau et devient une boéhmite de formule AI203r nH2O avec n compris entre 1,5 et 2,5. Le colmatage favorise ainsi une bonne tenue à la corrosion. Les différents rinçages sont définis par 3 étapes : rinçage grossier, rinçage propre, séchage à l'air comprimé. Le rinçage se fait par de l'eau osmosée.

Enfin, les brins 2a de section transversale en trapèze sont assemblés de manière standard de manière à obtenir un câble d'une section de 6 mm2. Le câble électrique selon l'invention permet d'obtenir des caractéristiques anti-feu supérieures au conducteur standard. Exemple : Test de tenue à la chaleur Pour réaliser le test de tenue à la chaleur, des fils d'aluminium brut ont été comparés à des fils selon l'invention, en particulier à des fils en alliage d'aluminium AGS 6201 recouverts d'une couche de boéhmite de formule AI203r nH2O avec n compris entre 1,5 et 2,5. L'épaisseur de la couche d'alumine variait de 7 à 10 dam le long du fil. Les fils testés présentent tous un diamètre de 8 mm d'épaisseur. Le principe du test qui a été effectué sur les fils (échantillons) repose sur l'induction. Via une bobine, un champ magnétique est créé autour des échantillons. Par un principe physique, les électrons de la matière (l'aluminium) vont être excités. Cette excitation va générer de la chaleur jusqu'à obtenir en un point donner (au milieu de la bobine), la fusion du substrat. La température de fusion de l'aluminium (658°C) est alors atteinte. Les paramètres de chauffe des échantillons vont dépendre de la puissance émise par l'inducteur. Pour cet essai, on fait varier cette puissance et on relève le temps que met l'échantillon pour atteindre la fusion et éventuellement se casser. Pendant le test, une caméra permet de mesurer le temps exact où les échantillons vont éventuellement se casser. Les différents résultats obtenus sont émis dans le tableau I ci-dessous.

Fil en aluminum Fil selon l'invention Puissance Temps avant Puissane Temps avant thermique rupture du fil thermique rupture du fil (watt) (min) 467 1 min 26 sec 440 8 min 10 sec 436 1 min 55 sec 436 >10 min 440 1 min 23sec 440 >15 min 440 1 min 32sec 440 >15 min 720 30 sec 720 >2 min 720 3 5sec 720 1 min 34 sec 720 36 sec 720 1 min 45 sec Tableau I : Résultats comparatifs à même puissance de la tenue à la fusion entre un fil d'alliage d'aluminium et un fil d'alliage d'aluminium anodisé. Comme le montre le test ci-dessus, les brins selon l'invention résistent à de hautes températures (figure 5) et ne se coupent pas, contrairement aux 5 brins en aluminium pur (figure 4).

Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que 10 leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS, 1.Câble électrique (1) comprenant au moins un fil (2a) d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, caractérisé en ce que ledit fil comprend au moins sur une partie de sa périphérie, et de préférence sur toute sa périphérie, une couche (9) de boéhmite de formule AI203, nHZO avec n compris entre 1,5 et 2,5.
2. 2.Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédente, comportant une section transversale en forme de Z, de rond ou de trapézoïdale.
3. 3.Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédente, dans lequel la couche (9) de boéhmite présente une épaisseur allant de 5 à 20 pm.
4. 4. Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédente, dans lequel la couche (9) de boéhmite présente une épaisseur allant de 6 à 15 pm.
5. 5.Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédente, dans lequel la couche (9) de boéhmite présente une épaisseur allant de 8 à 12 pm.
6. 6. Câble électrique (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un élément électriquement conducteur central (4), de préférence en aluminium ou en alliage d'aluminium, entouré par une première couche, dite couche externe (2) comprenant un assemblage de plusieurs fils (2a) d'aluminium ou d'alliage d'aluminium.
7. 7.Câble électrique (1) selon la revendication précédente, dans lequel est disposée, entre l'élément électriquement conducteur central (4) et la couche externe (2), une deuxième couche, dite couche interne (3).
8. 8.Câble électrique (1) selon la revendication précédente, dans lequel la couche interne (3) comprend un assemblage de plusieurs fils (3a) d'aluminium ou d'alliage d'aluminium..
9. 9,Procédé de fabrication d'un câble selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes:a) réaliser une anodisation sur la surface d'un fil (2a) en aluminium ou en alliage d'aluminium, de préférence, de section transversale en Z, de rond ou de trapèze; b) hydrater à chaud le fil obtenu à l'étape a) de sorte à obtenir une couche (9) de la boéhmite de formule AI203, nHZO, avec n compris entre 1,5 et 2,5 sur au moins une partie du pourtour dudit fil, et de préférence sur tout le pourtour dudit fil ; assembler plusieurs fils (2a) obtenus selon l'étape b) pour former la couche externe (2), autour de l'élément électriquement conducteur central (4).