Brevet FR2137367A1 — publié le 19721229

L'échauffement par le courant électrique de dispositifs à dilatation différentielle (bilame par exemple) pour ouvrir, fermer ou inverser des courants électriques sont nombreux : clignotants d'autos, d'arbre de Noël, etc. Certains utilisent directement le contact d'un ou plusieurs plots liés au bilame avec un ou plusieurs plots fixes ton les nommera à "contact direct"), d'autres pour des intensités plus grandes, utilisent la dilatation différentielle pour actionner un système interrupteur ou inverseur mécanique classique. flans ce dernier cas, le système est beaucoup plus complexe et délicat, son volume est beaucoup plus important. Tous ces systèmes présentent l'inconvénient majeur, pour certains usages, de ne fonctionner que dans le cas de temps courts, de l'ordre de quelques fractions de seconde à quelques secondes.Ils présentent également les inconvénients suivants : un réglage délicat (obtenu par écartement d'un plot à l'aide d'une vis) ; un temps d'échauffement et de refroidissement variables avec la température ambiante , enfin, certains d'entre eux sont volumineux. Lorsqu'on essaie de faire fonctionner ces dispositifs pour des temps variant de quelques dizaines de secondes à quelques dizaines de minutes, on arrive à un fonctionnement épisodique, fonction de la température ambiante et des faibles variations de l'intensité du -courant. fie plus, dans les systemes à "contacts directs" les plots se détériorent tres vite par suite de la formation d'étincelles qu'aucun condensateur monté en parallèle ne peut supprimer. C'est pour ces raisons que les systèmes à dilatation différentielle et plus particulièrement à bilames ne sont pas utilisés pour des temporisations de plusieurs dizaines de secondes à plusieurs dizaines de minutes. Pour cette gamme de temporisation, les dispositifs utilisés, qu'ils soient à base d'horlogerie ou autres, sont volumineux, fragiles, complexes, ce qui limite leur emploi malgré les besoins de plus en plus grands de dispositifs temporisateurs dans la vie moderne. La présente invention permettant l'utilisation de la dilatation différentielle (et donc des bilames) pour la construction d'interrupteurs, de contacteurs et d'inverseurs pour des temps facilement réglables, allant jusqu'à plusieurs dizaines de minutes correspond à un besoin car ces appareillages sont robustes, fiables, simples et de volume réduit (moins d'un centimètre cube) ce qui permet par exemple de les intégrer dans des boitiers d'appareillage électrique classique. Ce résultat technique nouveau est obtenu par une combinaison rationnelle de moyens permettant le réglage du temps, l'indépendance de ce temps de la température ambiante, l'obtention d'un encombrement réduit, tout en assurant dans le cas du "contact direct" une vitesse relative du contact mobile assez grande pour éviter les étincelles. On obtient donc dans tous les cas, des systèmes fiables. Partant d'un dispositif classique à bilame, que ce soit un dispositif à faible valeur de la résistance d'échauffement du bilame (comme dans les clignotants d'autos) ou à grande valeur de la résistance d'échauffement du bilame (clignotant d'arbre de Noël par exemple), lorsqu'on essaie de le faire fonctionner pour des temps de plusieurs minutes, soit par écartement du bilame soit par diminution du courant de chauffage, on se heurte à une impossibilité de fonctionnement fiable. Il en est de même dans le cas ou un interrupteur mécanique est associé à la dilatation différentielle. Dans le meilleur cas, la résistance chauffante du bilame garde une valeur constante [souvent elle augmente avec sa température), le courant de chauffage est constant et la puissance consommée pour l'échauffement est également constante.Compte-tenu des pertes de calories par conduction, convection et rayonnement les courbes donnant la température du bilame T2 en fonction du temps pour des valeurs de températures ambiantes T1 T; T" montrent que l'on arrive aux températures d'équilibres thermiques : T Il e T' T" (fig. 13. Or la déformation du bilame n'est fonction que de sa tempéra e e ture T2 et non de la température ambiante.Si donc l'écart entre plot fixe et plot mobile est tel que le contact se fasse pour une température du bilame T c on constate (fig. 1) 1 - que pour certaines valeurs de la température ambiante, le contact ne s'établira pas, 20 - que le temps nécessaire pour avoir le contact sera d'autant plus court que la température ambiante sera élevée, 30 - que la température du bilame varie très lentement lorsqu'on approche de la température d'équilibre et par suite le déplacement du plot mobile est très lent. Dans cette zone, l'étincelle durera un temps relativement long, ce qui explique l'endommagement des contacts. Les résultats aue l'on obtient lorsque la dilatation différentielle commande un interrupteur mécanique sont identiques à l'exception du dernier phénomène. La présente invention permet, par l'utilisation conjuguée des propriétés des circuits non linéaires, et plus particulièrement des résistances non linéaires, avec les dispositifs à dilatation différentielle, donc par une combinaison de moyens, l'obtention d'interrupteurs, contacteurs et inverseurs temporisateurs simples, fiables, de faible encombrement, facilement réglables pour des temps (indépendants de la température ambiante) allant jusqu'à quelques dizaines de minutes, ce qui constitue un résultat technique nouveau. L'analyse du fonctionnement des systèmes classiques montre 10 - que plus la température ambiante est élevée plus le temps est court, 20 - qu'une diminution de courant conduit à une augmentation du temps, 30 - que la vitesse du contact mobile, à courant constant, diminue lorsque le temps augmente, 40 - qu'il faut une certaine vitesse du plot mobile pour réduire l'étincelle du contact. En combinant ces observations, on est conduit, pour avoir un temps indépendant de la température ambiante, à intégrer la résistance chauffante du bilame R (fig. 2) dans un circuit tel que le courant de départ dans R soit d'autant plus faible que la température ambiante T1 est élevée. Les circuits de base qui permettent ce résultat sont de deux types : le circuit série et le circuit parallèle et bien entendu toute combinaison des deux. Le circuit série (fig. 2) s'obtient en plaçant en série avec R et éventuellement l'utilisation U un circuit non linéaire équivalent à une résistance R1 à coefficient de température positif. L'élément de base d'un tel circuit est une résistance C.T.P. dont la courbe R' en fonction de la température T a la forme générale représentée figure 3. Cette résistance pour cet usage sera utilisée dans la zone II. Lors d'une augmentation de la, température ambiante, la somme R + R1 augmentera, ce qui diminura au départ le courant dans R et donc augmentera le temps. Le choix de la valeur de R1 est fonction de R,de la variation éventuelle de R avec sa température, du bilame considéré, de l'utilisation projetée, etc. Le montage parallèle (fig. 43 consiste à placer en parallèle sur R un circuit non linéaire équivalent à une résistance R2 à coefficient de température négatif.Suivant les cas différents types de résistances pourront être utilisés (seules ou en combinaison avec des résistances classiques) : les résistances V.D.R. ou "voltage Dépendant Résistors" (encore appelées varistances ou Thorites) qui, sous tension constante ont un coefficient de température négatif ; les résistances à coefficient de température négatif ou C.T.N. (encore appelées thermistances) dont la courbe type est représentée sur la figure 5, soient encore es résistances C.T.P. utilisées dans la zone I (fig. 33. Le choix de telle ou telle méthode sera un cas d'espèce, d'autant qu'il faudra également tenir compte du réglage du temps et du système accroissant la vitesse du plot mobile avant le contact. Pour obtenir de plus, des temps de fonctionnement de plusieurs minutes et dizaines de minutes sans qu'il y ait détérioration des contacts, il faut que la vitesse du plot mobile au moment du contact soit importante. Cela peut être obtenu en échauffant plus rapidement le bilame à ce moment là. Pour obtenir ce résultat, on partira de deux montages de base : le montage en série et le montage en parallèle de résistances non linéaires judicieusement choisies. Si l'on place en série avec la résistance R (et éventuellement U g un circuit équivalent à une résistance non linéaire R3 à coefficient de température négatif judicieusement choisie (fig. 63 le courant faible au début échauffe lentement le bilame. La valeur de R3 diminue avec sa température et le courant augmente petit à petit au début, pour croitre de plus en plus vite. La quantité de chaleur fournie au bilame croit beaucoup avec le temps et, malgré les pertes, la température T2 du bilame fait de'même, la vitesse du contact mobile augmente, ce qui permet d'éliminer facilement l'étincelle de contact avec un condensateur en parallèle. La température T est atteinte au bout d'un temps qui varie peu avec c la température ambiante, compte tenu de la forme de la courbe d'échauffement du bilame (fig. 73 et dans certaines utilisations il ne sera pas nécessaire de faire une compensation en fonction de la température ambiante. Le montage parallèle conduit aux mêmes résultats en plaçant en parallèle sur R une résistance R4 à coefficient de température positif du type C.T.P. [fig. 8). Le réglage du temps peut se faire pour les modifications importantes par le déplacement du plot fixe. Pour des variations moins importantes, on utilisera une résistance variable par plots ou un rhéostat en série ou en parallèle avec R. On arrive ainsi à des réglages précis et aisés (fig. 8 et 93. Les résistances C.T.N., C.T.P. et V.O.R. que l'on trouve dans le commerce n'ont pas des caractéristiques qui varient à l'infini, aussi les résistances R1, R2, R3, R4 seront en général suivant les caractéristiques que l'on désire obtenir pour chacune d'elles formées par la combinaison de résistances variables avec la température EV.D.R., C.T.N. ou C.T.P.) avec des résistances classiques. R1, R2, R3, R4 doivent donc être considérées comme des résistances variables équivalentes dont on obtient les caractéristiques par les lois classiques des circuits non linéaires en partant des caractéristiques des résistances composantes. Parmi l'infinité de montages possibles (suivant les caractéristiques des différents éléments) les figures 8 et 9 donnent deux exemples types qui permettent dans tous les cas l'obtention du temps de fonctionnement longs, fiables et indépendants de la température ambiante pour des contacteurs temporisés basés sur la dilatation différentielle. Ces systèmes sont utilisables en alternatif ou en continu. Signalons que les circuits de chauffage et le circuit du contacteur peuvent être entièrement indépendants. Pour des temps très longs, on est conduit à l'utilisation [dans le cas du montage série) de C.T.N. de caractéristiques différentes R5, R6, R7 en série [fig. 101. Les C.T.N. s'échauffant les unes après les autres, la courbe du courant, dans cet exemple, prend alors la forme de la figure Il zone le courant croissant par paliers. Le même résultat est obtenu dans le cas du montage parallèle par le montage de plusieurs C.T.P. de caractéristiques différentes en parallèles sur R. Les dispositifs objets de l'invention peuvent être utilisés chaque fois que doit être différé un contact électrique, une inversion de courant, une coupure de courant. Ils constituent donc ce que l'on désigne sous le terme général de "minuteries". On peut aussi réaliser des programmateurs simples. Revendications 1 - Interrupteurs, contacteurs et inverseurs temporisateurs actionnés par dilatation différentielle, Caractérisés par le fait qu'ils permettent d'obtenir par. une combinaison de moyens, classiques ou non, en courant alternatif ou continu, des retards fiables, facilement réglables, indépendants de la température ambiante, allant jusqu'à quelques dizaines de minutes. 2 - Dispositif selon la revendication 1, Caractérisé par le fait que le courant de chauffage du dispositif, donc la puissance d'échauffement, varie en fonction du temps. 3 - Dispositif selon la revendication 2, Caractérisé par le fait que la puissance d'échauffement variant en fonction du temps, l'augmentation de la température du dispositif à dilatation différentielle ne suit pas la loi classique et le temps de déformation nécessaire au contact est ainsi augmenté. 4 - Dispositif selon la. revendication.2, r Caractérisé par le fait que la puissance d'échauffement variant en fonction du temps, cela permet d'accroitre la vitesse de déplacement du plot mobile su moment du contact et d'éliminer les étincelles ce qui augmente la fiabilité. 5 - Dispositif selon la revendication 2, Caractérisé par le fait que le courant variable en fonction du temps est obtenu soit à l'aide d'un circuit non linéaire équivalent à une ou plusieurs résistances à coefficient de température négatif en série avec la résistance chauffante du dispositif soit d'un circuit non linéaire équivalent à une ou plusieurs réqistances à coefficient de. température positif (à point de transition judicieusement choisi ainsi que le coefficient de température) en parallèle avec la résistance chauffante, soit à une combinaison de ces deux montages de base. 6 - Dispositif selon la revendication 1, Caractérisé par le fait que le temps est indépendant de la température ambiante, soit grace à un circuit non linéaire équivalent à une résistance à coefficient de température négatif en parallèle sur la résistance chauffante, soit grace à un circuit non linéaire équivalent à une résistance à coefficient de température positif en série avec la résistance chauffante, soit grace à une association des deux montages de base. 7 - Dispositif selon la revendication 1, 'Caractérisé par le fait que le temps est facilement réglable soit à l'aide d'une résistance variable par plots, soit d'un rhéostat en parallèle ou en série sur la résistance chauffante. 8 - Dis-positif selon la revendication 1, Caractérisé par le fait que pour des temps longs, le courant varie par paliers grâce à plusieurs résistances non linéaires, de valèurs différentes, C.T.N. ou C.T.P., montées respectivement en série ou en parallèle avec la résistance chauffante. 9v- Dispositif selon la revendication 1, Caractérisé par le fait que le circuit de chauffage du bilame est indépendant du circuit à couper, mettre ou inverser. 10 - Dispositif selon la revendication 9, Caractérisé par le fait que le circuit de chauffage du bilame peut être alimenté par une tension différente en nature (continue ou alternative) et en voltage du circuit d'utilisation.