Brevet FR2142862A1 — publié le 19730202

La présente invention concerne les appareils du type "minuteries" permettant de mettre, couper ou inverser les courants d'un ou plusieurs piles au bout alun temps déterminé. Dans des dispositifs connus de ce genre, le retard est obtenu par un mécanisme d'horlogerie fragile et de volume important. On connait aussi d'autres dispositifs mais ils présentent, en parti culler, les inconvénients d'être délicats et volumineux. Le dispositif suivant l'invention est sûr, fiable, simple et de volume réduit (de l'ordre du centimètre cube). Il comporte essentiellement un contacteur ou inverseur à dilatation différentielle unipolaire ou multipolaire, dont l'élément à dilatation différentielle est chauffé très rapidement par un courant variable en fonction du temps et dont le refroidissement, assurant la temporisation, est contrôlé. Sur la figure 1 on distingue 11 élément à dilatation différentielle (1) à faible inertie thermique qui peut dtre chauffé par les deux résistances R1 et R2 (on a représenté pour plus de commodité un bilame assurant lui-même les contacts). Lorsqu'on appuie sur l'un des boutons poussoirs (2) un courant i1 traverse la résistance R1 et la résistance R3. La résistance R3 représentée (fig.I) est la résistance équivalente d'un réseau qui peut & re plus ou moins complexe. Rlle a comme particularité d'être une résistance non linéaire à coefficient de température positif dont la caractéristi que donnant la résistance R en fonce on de sa température T3 est 3 du type représenté sur la figure 2. Le courant il passant dans Rl, lorsqu'on maintient le contact des poussoirs (2), suit en fonction du temps t la courbe de la figure 3. Cette courbe montre que le courant i1 tombe à une valeur négligeable en une fraction de seconde. Le temps de contact t1 d'un des poussoirs manuels (2) est donc toujours suffisant pour que ce courant passe. De plus, le maintient du contact d'un de ces poussoirs (2) ne présente aucun risque puisque le courant s'annule. Le courant i1 fournit donc, en une fraction de seconde, à l'élément à dilatation différentielle une énergie calorifique qui élève presque instantanément (du fait de sa faible capacité calorifique) sa température à la valeur de départ Ta. Le plot mobile se déplace: le circuit d'utilisation ()) (s'il existe) se trouve coupé et la fermeture du circuit d'utilisation (4) est réalisée si Td est supérieure à la température T c qui assure le contact de fermeture du circuit de l'utilisation (4). Si on laisse les choses en l'état, le bilame se refroidit rapidement (du fait de sa faible inertie thermique), le circuit (4) s'ouvre et le circuit (3) est à nouveau fermé.Pour augmenter le temps de refroidissement dans le but d'une utilisation plus longue du circuit (4) on peut calorifuger plus ou moins partiellement l'élément à dilatation différentielle (ce qui augmente en général sa capacité calorifique), prendre un courant il plus important pour que Ta soit plus élevée ou augmenter la capacité calorifique de l'élément à dilatation dilférentielle. On est limité pour la température Ta par le risque d'endommager le système et l'augmentation de la capacité calorifique se répercute sur la rapidité de réponse, on est donc limité dans ce sens également. La solution du calorifugeage plus ou moins partiel (du fait des branchements de fils) ne permet pas un réglage facile du temps et ne suffit pas en général.C'est pourquoi un refroidissement contrôlé a été prévu : sur la figure 1 on remarque que le contact fermant le circuit de l'utilisation (4) ferme également le circuit comprenant les résistances R2, R4, R5 et R60 La résistance R2, traversée par le courant i2, est la seconde résistance permettant de chauffer le bilame, la résistance R5 (nous en verrons la raison) permet de contrôler le refroidissement de R3. La résistance R4, placée entre les points A et B, est la résistance équivalente d'un réseau, qui peut être plus ou moins complexe.Ce réseau permet le réglage et, suivant sa composition, la variation éventuelle et automatique du courant i2 en fonction du temps ; c'est-à-dire en fait le réglage et la variation éventuelle des énergies calorifiques fournies d'une part à l'élément à dilatation différentielle grâce à R2 et, d'autre part, à la résistance équivalente R3 par l'intermédiaire de R5 placée en dérivation sur le rhéostat R6. Dans le cas le plus simple la résistance entre A et B se réduit à un rhéostat permettant de régler i2. Si l'on règle i2 pour que l'apport d'énergie calorifique soit légèrement inférieur à la perte de calories du bilame (pour une température ambiante donnée T1) la température T du bilame varie en fonction du temps comme le montre la courbe (1) de la figure 4. Lorsque la température T du bilame arrive en Tc le circuit (4) (figure 1) est coupé ainsi que i2 et le refroidissement est rapide. Mais il faut remarquer que si la température ambiante change et devient T2 (avec T2 inférieurs à T1 par exemple) le temps mis par l'élément à dilatation différentielle avant d'arriver à T c varie également comme le montre la courbe (2) de la figure 4.Ce phénomène peut etre important si la température ambiante varie beaucoup et le système n'est alors pas très fiable. Plaçons maintenant entre A et B un circuit tel que la résistance équivalente R4 soit une résistance non linéaire à coefficient de température positif dont la caractéristique (R4 en fonction de sa température T4) est réglable. Le courant i2 pourra être réglé au départ par modification de la courbe caractéristique du circuit non linéaire donc de la caractéristique de la résistance équivalente te R4 puis ce courant i2 variera automatiquement en fonction du temps. Pour fixer les idées plaçons simplement (figure 5) entre A et B une résistance R7 non linéaire à coefficient de température positif dont la caractéristique est stabilisée, en série avec un potentiomètre R8.Ces deux résistances R7 et R8 sont équivalentes à une résistance R4 non linéaire à coefficient de température positif dont la caractéristique est réglable par variation de R8. Si, pour une température ambiante T1 donnée, i2 est réglé au départ pour apporter au bilame plus de calories qu'il ne s'en perd et si sa variation en fonction du temps est représentée par la courbe 1 de la figure 6 nous pouvons en déduire, compte tenu des pertes, la courbe de la température du bilame en fonction du temps t (figure 7 courbe 1). Pour une autre température ambiante T2 (inférieure à T1 par exemple) nous pouvons également tracer les courbes de i2 et de la température du bilame en fonction du temps. Ce sont les courbes 2 des figures 6 et 7. On remarque que i2 n1 est pas le même (R4 a un coefficient de température positif) mais que sur la figure 7 le temps au bout duquel la température du bilame arrive à la valeur Tc c'est-à-dire à la température de coupure,est le même Si la résistance R4 donc le circuit équivalent a été bien choisi. L'appareil peut donc Autre rendu fiable et le temps de coupure indépendant de la température ambiante par l'utilisation d'un courant i2 variable. Pour faire varier le temps de fonctionnement t f il suffit de modifier la caractéristique du circuit équivalent à R4. On a représenté sur les figures 6 et 7 en courbes pointillées un exemple donnant un temps de fonctionnement plus long. On peut donc en contrôlant le refroidissement du système à dilatation différentielle par l'apport de calories fournies par un courant i2 variable obtenir un fonctionnement fiable pour des temps pouvant atteindre plusieurs dizaines de minutes. La variation du courant i2, traversant la résistance chauffante R2, peut être obtenue par différents moyens en particulier en plaçant entre les points C et D de la figure 1 le montage de la figure 8 comprenant une résistance R9 à coefficient de température négatif en parallèle sur R2, R5 et R6, on obtient encore un courant i2 variable dans R2 la résistance R10 servant seulement de résistance de sécurité. La résistance R5 de la figure t sert, nous l'avons dit, à contrôler le refroidissement de R3 résistance à coefficient de température positif équivalente à un circuit non linéaire (R5 n' aura en fait qu'à contrôler le refroidissement de la ou des résistances non linéaires de ce circuit).Si R5 ne contrôlait pas le refroidissement de R3 en lui apportant des calories, R3 se refroidirait plus rapidement que le bilame (sauf si elle était calorifugée mais alors son temps de refroidissement serait trop important après chaque usage) et si on appuyait à une fréquence de 30 secondes, par exemple, sur le contact (2) ; à chaque fois un certain nombre de calories seraient fournies au bilame, la température de celui-ci pourrait atteindre une valeur dangereuse et de plus le temps de refroidissement du bilame ne serait plus le temps désiré, le contrôle du refroidissement de la résistance non linéaire R3 va faire que, lorsquton ferme le circuit par le contact (2), alors que le circuit (4) est déjà fermé (appareil en fonctionnement), le courant il ne prend pas la valeur maxima de la courbe figure 3 mais une valeur plus faible qui est fonction de la température T3 de 23 (figure 2). La température du bilame ne sera donc jamais dangereuse pour le dispositif et lorsque le réglage sera optimum (en particulier la fraction de i2 passant dans R5) les calories apportées par le courant i1 seront telles qu'après le dernier contact de (2) le temps de fonctionnement de (4) tf sera toujours le même. Si maintenant on appuie sur le contact (2) immédiatement après l'extinction de (4) le temps tf sera respecté si on a les courbes de refroidissement libre du bilame et de la résistance Rw qui ne sont pas quelconques. On arrive à avoir des courbes adaptées l'une à l'autre en modifiant légèrement l'une des courbes à l'aide d'un calorifugeage léger soit de R3 soit du bilame. Donc dans tous les cas le temps tf sera constant. La figure 9 représente la courbe obtenue dans le cas où l'on appuie sur le poussoir (2) alors que le circuit (4) est fermé. Ainsi quelque soit l'instant où l'on appuiera sur le poussoir (2) le temps de fonctionnement sera toujours tf. Enfin sur la figure 1 l'inverseur (5) permet de faire donc tionner l'utilisation (4) en marche continue alors que l'interrupteur (6) permet de placer hors circuit l'utilisation (3) (si elle existe). Comme il a été dit sur la figure 1 on a représenté pour des raisons de commodité comme élément à dilatation différentielle un bilame assurant lui-même les contacts mais on peut utiliser un élément à dilatation différentielle actionnant un interrupteur ou un inverseur mécanique multipolaire. On peut également utiliser le système à bilame décrit pour commander un télérupteur multipolaire(7) comme le montre la figure 10. Ce montage présente les avantages de pouvoir fonctionner à distance et de pouvoir être utilisé pour de fortes intensités multipolaires. On remarque sur la figure 10 que les contacts de l'élément à dilatation différentielle ne sont utilisés que pour la faible intensité du courant de commande du télérupteur. La figure 11 montre que l'on peut n'utiliser qu'une seule résistance R de chauffage de l'élément à dilatation différentielle, les deux courants i1 et i2 traversant cette résistance. Tous les éléments sont identiques à ceux de la figure 1, à l'exception des contacteurs à poussoirs (2) qui sont remplacés par des inverseurs à poussoirs (8) et toutes les propriétés du montage de la figure 1 sont conservées. Les figures 1, 10, 11 donnent quelques illustrations de montages de minuteries unipolaires ou multipolaires qui peuvent être obtenues en utilisant l'échauffement rapide d'un élément à dilatation différentielle pour "mettre le contact" et un refroidissement contrôlé permettant de régler le temps avant de "couper le contact". 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. Ces systèmes sont utilisables en alternatif ou en continu avec les circuits de chauffage et le cirauit du contacteur indépendants si on le désire. La gamme des utilisations des minuteries tant dans le domaine industriel que domestique est trop vaste pour qu'il soit possible de l'envisager ici et elle est d'ailleurs bien connue. Revendications t - Dispositif interrupteur et inverseur multipolaire à retard réglable et fiable commandé, directement ou indirectement, par un élément à dilatation différentielle à faible inertie thermique, dont l'échauffement rapide est produit par un premier courant très bref et dont le refroidissement est controlé grâce à un second courant qui sert également à contrôler le refroidissement d'un circuit agissant sur la valeur du premier courant, Caractérisé par le fait qu'il permet d'obtenir par une combinaison de moyens, classiques ou non, en cotant alternatif ou continu, l'échauffement très rapide de l'élément à dilatation différentielle et le refroidissement lent et contrôlé grâce à une compensation, partielle en moyenne, de lténergie calorifique perdue par une énergie calorifique apportée par un second courant. 2 - Dispositif selon la revendication 1, Caractérisé par le fait que le premier courant de chauffage variable décroit très rapidement en fonction du temps grâce à l'utilisation d'un circuit équivalent à une résistance à caractéristique non linéaire thermo-sensible. 3 - Dispositif selon la revendication 1 Caractérisé par le fait que l'échauffement de l'élément à dilatation différentielle du fait de sa faible inertie thermique est très rapide et son temps de réponse très bref assurant donc très rapidement la fermeture, l'ouverture ou l'inversion des circuits. 4 - Dispositif selon la revendication 1, Caractérisé par le fait que le refroidissement de l'élément à dilatation différentielle est contralé grâce à un second courant de chauffage qui apporte en moyenne un peu moins de calories que 1 t élément à dilatation différentielle n'en perd ce qui conduit à un état thermique dynamique et différentiel. 5 - Dispositif selon la revendication 4, Caractérisé par le fait que le temps de fonctionnement est réglable par modification de la différence entre les calories perdues et les calories apportées c'est-à-dire par une modification de la valeur du second courant de chauffage de l'élément à dilatation différentielle. 6 - Dispositif selon la revendication 1 Caractérisé par le fait que la fiabilité est augmentée lorsque le second courant de chauffage de l'élément à dilatation différentielle n'est pas constant en fonction du temps. 7 - Dispositif selon la revendication 6, Caractérisé par le fait que le second courant est automatiquement variable grâce à l'utilisatLon d'un circuit équivalent à une résistance à caractéristique non linéaire thermo-sensible. 8 - Dispositif selon la revendication 1, Caractérisé par le fut que le second courant (ou une partie de celui-ci) contrôlant le refroidissement de l'élément à dilatation différentielle sert à contrôler également le refroidissement du circuit équivalent à une résistance à caractéristique non linéaire thermo-sensible qui influe sur la valeur du premier courant. 9 - Dispositif selon la revendication 8, Caractérisé par le fait que les refroidissements de l'élément à dilatation différentielle et du circuit non linéaire thermosensible agissant sur la valeur du premier courant étant liés lorsque l'appareil est déjà en fonctionnement le circuit thermosensible agissant sur le premier courant n'est plus à température ambiante et le premier courant, s'il est lancé, est moins intense et par suite apporte moins de calories à 11 élément à dilatation différentielle. 10 - Dispositif selon la revendication 8, Caractérisé par le fait que quel que soit le nombre de fois qu'on lance le premier courant, que l'appareil soit en fonctionnement ou non, la température de 11 élément à dilatation différentielle ne peut atteindre une valeur dangereuse pour le dispositif grâce au contrôle de refroidissement du circuit non linéaire thermosensible agissant sur le premier courant. il - Dispositif selon la revendication 1, Caractérisé par le fait que quel que soit l'instant où le premier courant est lancé, m8me lorsque l'appareil est déjà en fonctionnement, le temps au bout duquel a lieu l'ouverture du circuit, sa fermeture ou son inversion est constant. 12 - Dispositif selon la revendication I, Caractérisé par le fait que l'élément à dilatation différentielle et le circuit non linéaire agissant sur le premier courant se refroidissent vite, lorsque le second courant de contrôle de refroidissement est annulé, et de telle sorte qu'il subsiste une relation déterminée entre leurs températures respectives. 13 - Dispositif selon la revendication 1, Caractérisé par le fait que le ou les circuits de chauffage de l'élément à dilatation différentielle et le circuit d'utilisa tion peuvent dtre totalement isolés les uns des autres ce qui permet l'utilisation de sources de nature et de tensi:ns différentes 14 - Dispositif selon la revendication 4, Caractérisé par le fait que le second courant de contrôle de refroidissement est interrompu en même temps que l'utilisation, sa durée de passage étant la même que la temporisation.