Brevet FR2010410A1 — publié le 19700213

, « TauV-, 1 . 2010410 69 18941 L'invention concerne les dispositifs interrupteurs- et plus particulièrement un dispositif interrupteur muni de contacts métalliques liquides, tel qu'un interrupteur, un relais ou un vib-rateur, dans une enveloppe isolée de l'air. 5 Dans les dispositifs -interrupteurs connus de ce ;?enre, on lorsque utilise du mercure pour les contacts / l'on doit satisfaire à des exigences sévères en ce qui concerne la charge, la durée de vie et la stabilité. D'une façon généraledans un tel interrupteur, le mercure est contenu dans un petit tube en verre. Le contact se fait par déplacement d'une 10 goutte de liquide ou à l'aide de contacts mobiles humectés de mercure. Bien que, du point de vue connexion, les contacts du second type méritent le loin la préférence, ils présentent néanmoins de graves inconvénients. L'évaporation du mercure se traduit par une usure supplémentaire des contacts. Il faut donc une réserve de mercure assurant, par effet de capilla-15 rité, l'humectation de la surface de l'organe de contact. De ce fait, il s'est avéré impossible d'utiliser le contact dans toutes les positions. ïïn contact humecté de mercure, mais sans réserve de mercure * a une courte du- r ^ rée de vie de l'ordre de 10 à 10 interruptions. Finalement, il est nécessaire que ces contacts soient disposés dans une atmosphère d'hydrogène 20 sous une surpression de 3 à 5 atm. L'utilisation de tels interrupteurs dans les tubes de commu tation, les thermomètres ou les appareils électriques est connue^le brevet de la République Démocratique Allemande H° 21.490, qui décrit l'établissement de contact en fonction de la température ou de la dilatation, d'un 25 alliage liquide contenant, en poids, l'une des deux compositions suivantes 60,4 % de Ga 65 fo de Ga 27,6 $ de In ou 22 $ de In 12,9 1° de Sn 9 1° de Sn 4 io de Zn. 50 On a déjà proposé l'utilisation d'alliages-de gallium,au • lieu du mercure dans une enceinte isolée de l'air, dans des interrupteurs basculeurs (brevet américain 1.948.687). Des alliages de gallium contenant In, Sn et Zn ont été décrits dans Z.Metallkunde 46, pages 464 3. 467 0 955)» H existe notamment 35 deux compositions eutectiques binaires, JÔfo de Ga, 24$ de In et 92$ de Ga, 8$ de Sn, qui se liquéfient à, respectivement, 16,5 et 20°G, une composition eutectique ternaire, 62$ de Ga, 25$ de In et 13$ de Sn, qui se liquéfie à 5°C et une composition eutectique quaternaire 61 $ de Ga, 25$ de In, 13$ de Snr 1$ de Zn, qui se liquéfie à 3°C. 40 Pour le dispositif interrupteur conforme à l'invention, on PHN.3297 69 18941 2 .2010410 utilise ces alliages connus comme matériau-dë Contact. Dans le.disposjtif interrupteur cônforme'à l'invention, un matériau de contact liquide contenant,-en poids, 46 à. 85 fo de Ga ■ , .... , r - " - ■- 5 . 15 à 40 fo de In- -. 0 à 25 p de Sn - • - • 0 â 2 $ de Zla est disposé dans un récipient- ou sur une surface se trouvant à proximité une immédiate de la surface de contact en/.quantité telle qu'il-y soit retenu 10 par adhésion, alors que le matériau de l'élément entrant en contact avec le liquide de contact est choisi de façon à éviter tout réaction perturbatrice, à la température de fonctionnement de l'apparéil. Une réalisation avantageuse d'un dispositif interrupteur, de structure connue est munie d'au moins une paire d'éléments de contact 15 fixés aux conducteurs de courant et d'un mécanisme assurant le rapprochement de ces éléments, l'un des éléments, de contact (ou une série) comportant, conformément à l'invention, une eavité, de dimensions capillaires, * remplie d'alliage métallique liquide, alors que l'autre (ou l'autre série) est muni d'une broche en un matériau stable vis-à-vis de l'alliage mé-20 tallique â la température de fonctionnement de l'appareil. En pratique, la cavité a un diamètre d'au moins 1 mm et la broche une section d'au moins 0,3 mm. Comparativement aux interrupteurs à mercure usuels, le dispositif interrupteur - conforme à l'invention offre l'avantage de ne pas 25 être tributaire de la position qu'il occupe et de résister aux chocs. L'augmentation de tension admissible par unité de temps est élevée (environ 4000-volts/^us); dans les interrupteurs â mercure connus, celle-ci ne dépasse pas environ 5 volts/^us. Il en résulte que les interrupteurs conformes à l'invention supportent nettement mieux une surcharge temporaire. 30 D.e plus,, l'interrupteur conforme à l'invention présente une longue durée de vie. Sa valeur ohmique est aussi bà'ss'e que celle des interrupteurs à, mercure connus, il ne colle pas-et ne rebondit'pas non plus et en outre, il requiert des forces notablement inférieures' à celles nécessaires dans le cas de contacts fixes.-De plus, il ne se produit pas de 35 fixation par so.udage électrique des éléments de contact pendant la fermeture. De ce fait, il supporte convenablement les.impulsions de courant élevées se produisant dans un circuit capacitif-pendant: la fermeture. Une augmentation de courant de 100 A/^us- et un courant de crête de 100 A pendant la.fermeture sont supportés sans qu'il en-résulte une usure notable 40 du contact. Finalement, les alliages, entrant dans le cadre de l'invention - « .T;52.3.7 5 . 20 1 0-4 1 0 69 18941 peuvent être utilisés â l'état fortement surfondu, par exemple 10°C au-dessous de 1 ' eutectique tèrnai're précité» •Il est essentiel que le matériau de contact se trouve dans une enceinte isolée de l'air, du fait qu'il' forme facilement des oxydes 5 et des nitrures. Il peut être utilisé sous vide ou dans un gaz protecteur, tel que l'hélium, l'argon ou l'hydrogène, sous une pression d'environ 1 atm. On préfère utiliser un vide d'au moins 10 ^ mm de mercure ou de l'hydrogène, étant donné la tension de claquage élevée pouvant être atteinte. Dans le cas d'utilisation de ces alliages, l'usure du contact est infé- 2 3 • ' 10 rieure de 10 à.10 â celle sè produisant dans le cas d'utilisation de mercure. Les substances dont les compositions peuvent être utilisées dans le cadre de l'invention se liquéfient toutes à des températures inférieures â 50°C, ce qui veut dire que, d'une façon générale^ elles sont fondues à la température de fonctionnement de l'appareil. Au besoin, on peut inco*-15 porer dans l'appareil en qu«Stion un élément chauffant le contact, éventuellement muni d'un thermostat. Les compositions," en'poids, correspondant S des alliages â point de fusion^10°C (substances pouvant être utilisés à la température ambiante normale dans toutes les circonstances) sont situées entre les 20 limites suivantes» 55 à 69 $ de Ga 17 à 29 % de In 8 à 18 io de Sn. Les compositions en poids optimales à tous les points de 25 vue sont situées entre les limites suivantest 59 à 63 ■ $ de Ga 59 à 63 $ de Ga .23 à 28 $ de In '23 à 28 $ de In 11,3 à 16,1 io de Sn 11,3 à 16,1 $ de Sn 0,7 à 2 io de Zn. . 30 Leurs points de fusion sont situés entre 3 et 5°C, voisins de 1'eutectique. Le métal de l'élément de contact dans lequel est ménagé la cavitéjde même que celui de la broche constituant l'autre élément de contact, métal qui est stable vis-à-vis de l'alliage métallique liquide, 35 ce qui veut dire qu'il ne réagit pas de façon perturbatrice avec ledit alliage, est de préférence constitué par du molybdène o,u du tungstène, ceci en raison de leur faible résistivité, ou bienr par du nickel, du fer, du tantale, du niobium ou du rhénium» Tous ces métaux peuvent facilement être humectés par l'alliage métallique'liquide à des températures plus élevées. 40 Dans ce dispositif interrupteur, les forces nécessaires . POT. 5297 69 18941 4 2010410 pour les contacts sont faibles. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif» fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La fig. 1 représente un contact dans une enveloppe hermé- 5 tique. La fig. 2 représente à l'échelle exagérée un détail des éléments de contact. Le dispositif représenté sur la fig. 1 comprend une enveloppe en verre (1) fermée hermétiquement qui contient de l'hydrogène sous 10 une pression de 0,5 a"fcm et dans laquelle sont disposés un conducteur de courant élastique (3)» ainsi qu'un conducteur de courant rigide (5). Aux . extrémités desdits conducteurs de courant (3)» (5) se trouvent les éléments de contact, respectivement (7) et (8). Le conducteur de courant élastique (3), lui est en matériau magnétique, est fiké par soudage à l'en-15 trée scellée (2).. De l'autre côté de l'enveloppe est disposée, d'une façon analogue, une entrée (4) à laquelle est fixé, à l'intérieur de 1'enveloppe, • le conducteur de courant (5), également en matériau magnétique. Autour de l'enveloppe est disposée une "bobine (6) permettant d'établir des contacts. La fig. 2 représente les deux éléments de^contact (7)» (8) disposés aux 20extrémités des conducteurs de courant en matériau magnétique. Lesdits éléments de contact sont réalisés en molybdène. Dans la cavité cylindrique (9)» dont le diamètre est de 1 mm, se trouvent 5 mg d'un alliage métallique liquide contenant, en poids, 59»6$ de Ga, 26$ de In et 14,4$ de Sn. Lors de l'excitation de la bobine (6), les conducteurs de 29courant (3) et (5) se rapprochent l'un de l'autre sous l'effet des lignes de force magnétiques: la broche en molybdène (7), dont le diamètre est de 50 0,2 mm, est alors immergée dans l'alliage métallique liquide contenu dans la cavité (9), de sorte que le contact est établi. Le de sous une tension de 50 volts dans un circuit présentant une selfinductance/ 0,6 mH et une capacité de 150 pF et à une charge de 500 mA sous une tension de 50 volts dans un circuit présentant une-selfinduetance de 0,6 mH et une capacité de 1150 pF. Dans les deux cas l'augmentation de la tension était respectivement de 4000 et 400 V/^us. L'usure fut mesurée par détermination de la perte de poids du liquide de contact après 10^ interruptions. Elle était respectivement de 4.5 et 0,07 mg. Dans le cas d'une charge de PHN.3297 18941 5 2010 4 T 0 200 mA, sous une tension de 50 volts, dans un circuit présentant une selfinduetance de 0,1 mH et une capacité de 150 pF, la durée de vie était d'au moins 225 x 10^. interruptions. Dans un interrupteur réalisé de la même façon et soumis à la même charge mais comportant du.mercure comme li-5 quide d'interruption, la durée de vie est inférieure déplus de 200 fois à celle de l'interrupteur décrit ci-dessus. PHN.3297 18941 6 2010410 REVBKDICATIONS: 1. Dispositif interrupteur comportant un matériau de contact constitué par un alliage'de gallium, d'indium et, éventuellement, d'étain et de zinc, disposé dans une enceinte isolée de l'air, ce dispositif interrupteur étant caractérisé en ce qu'un matériau-de contact liquide, dont la composition, en po'ids, est située entré les limites- suivantes: 46 à &5 % 'de Ga 40 à 15 io de In ' 0 à 25 Io de' Sn ' 10 0 à 2 i de Zn est disposé dans un récipient ou sur une surface se trouvant à proximité immédiate de la surface de contact, en une quantité telle qu'il y soit retenu par adhésion, alors que le matériau de l'élément entrant en contact 1C. avec le liquide est stable vis-à^yis de ce dernier à la température de fonction-13 nement de l'appareil. 2. Dispositif interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition du liquide, en poids, est comprise entre les limites suivantes • 55 à 69 io de Ga 20 17 â 29 i de In 8 à 18 i de Sn. 3. Dispositif interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition du liquide., en poids, est comprise entre les limites suivantes s 25 59 à 63 io de Ga 23 à 28 io de In 11,3 à. 16,1 io de Sn. 4. Dispositif interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition du liquide, en poids, est comprise entre les 30 limites suivantes : 59 à 63 i de Ga 23 à 28 io de In 11,3 à 16,1 % de Sn 0,7 à 2 p de Zn. 35 5. Dispositif interrupteur selon l'une des revendications 1 à 4, dont la réalisation est connue en soi, muni d'au moins une paire d'éléments de contact fixés à des conducteurs de courant et d'un mécanisme d'entraînement permettant de rapprocher lesdits éléments de contact, dont un élément (ou une série), de dimensions capillaires, contient un alliage 40 métallique liquide, alors que l'autre est muni d'une broche en matériau stable vis-à-vis de l'alliage métallique, à la température de fonctionne- PHN.3297 18941 7 2010410 ment de l'appareil. 6. Dispositif interrupteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau stable vis-â-vis de l'alliage métallique liquide à la température de fonctionnement de l'appareil est sonstitué par du molybdène ou du tungstène. 7. Dispositif interrupteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les contacts se trouvent dans un vide d'au moins 10 ^ mm de mercure ou dans une atmosphère d'hydrogène.