Brevet FR2411481A1 — publié le 19790706

La présente invention est reltive ive à un commutateur thermique qui utilise un dispositif électr ue possédant une paire de bornes terminales et une partie conductrice mobile normalement polarisée en position opératoire dans laquelle il établit un circuit conducteur entre les bornes terminales et qui peut être enlevée d'une telle position pour couper ledit circuit conducteur dès la fonte dtun système de fusibles normalement solides. Les commutateurs thermiques sont utilisés dans une grande gamme d'applications, premièrement comme protection contre les défauts et les dangers qui apparaissent lors d1une augmentation brutale de la température ambiante, deuxièmement comme protection d'une surintensité, au moins dans une certaine mesure, au même moments Un commutateur thermal connu comprend une enveloppe conductrice ayant une première borne terminale reliée à une extrémité ferme de cette enveloppe et une seconde borne terminale qui se projette à travers une masse isolante fermant l'autre extrémité de l'enve- loppe.A ltintériear de cette enveloppe la borne terminale isolée est en contact électrique avec un disque mince clastique qui touche de façon coulissante la paroi intérieure de l'enveloppe. Ce disque établit un circuit conducteur électrique partant de la première borne terminale JusqulS la seconde borne terminale. Le disque est maintenu, en position opératoire en contact électrique avec la borne terminale isolée grtce à un ressort de compression agissant sur une butée formée par une boulette de cires fusibles. Un ressort de déclenchement- plus faible fonctionne dans la direction opposée entre le disque et la masse isolante. Quand la boulette-fusible de détériore à cause d'un surchauffage, le ressort de compression est débloqué pour permettre au ressort de déclenchement plus faible de pousser le disque de façon coulissante à l'intérieur de l'enveloppe en position inopérante espacée de la borne terminale isolée. Le circuit conducteur entre les première et seconde bornes terminales est de ce fait coupé. Dans le dispositif connu de commutateur thermique, la construction du disque coulissant est de grande importance. Il peut être fait en imprimant la feuille du métal mince conductrice sous une forme étoilée, légèrement surdimensionnée par rapport à l'en- veloppe, pour etre déformé de façon élastique quand le ressort est monté et assure de ce fait un bon contact électrique avec la paroi intérieure de ltenveloppe. Tandis que l'utilisation d'une telle construction de feuille mince présente dans certains cas de nombreux désavantages, l'utilisation d'un disque plus robuste, utile pour la sécurité du fonctionnement, occasionnerait des lofts de fabrication matériellement élevés. La présente invention a pour objet de fournir un commutateur thermique présentant un système de contact amélioré qui peut astre fabriqué facilement et de façon peu ceateuse et assemblé dans le commutateur pour assurer un bon fonctionnement. Les cires fusibles dont la boulette est faite sont choisies dans le but de provoquer le fonctionnement du commutateur une température pré-sélectionnée appropriée aux circonstances dtuti libation Les mélanges de cires connus et employés jusque8 présent, présentent cependant deux inconvénients majeurs. D'abord, dans des milieux normalement soumis à des changements de tempéSa- ture substantiels qui approchent la température pré-choisie de fonctionnement du commutateur, la cire est susceptible de se ramollir de façon répétée.Cela a un effet nuisible sur le comportement du commutateur : le commutateur peut éventuolxement ronc- tionner de façon prématurée, ou pire encore, il ne fonctionne pas bien au moment voulu. Ensuite, un commutateur thermique est parfois exigé pour utilisation dans des milieux autres que l'air, par exemple des dispositifs de chauffage k huile ou analogues, où le fluide environnant est un bon conducteur thermique. I1 a été constaté que, en raison de la fusion basse non souhaitable des cires qui risque d'arriver dans ces conditions, le contact du disque fond à la borne terminale isolée, court-circuitant en perma nence les première et seconde bornes terminales, avant que la pastille se désagrège complètement. La présente invention a donc aussi pour objet de surmonter les inconvénients du commutateur thermique connu, décrits ci-dessus. Suivant le premier objectif de la présente invention, un cor- mutateur thermique comprend une enveloppe conductrice définissant un axe, une bonne terminale reliée à l'enveloppe et une borne terminale pénétrant en relation isolée dans l'enveloppe à l'inté- rieur de laquelle se trouvent une pastille fusible normalement solide et un système de contact élastique normalement en relation conductrice électrique avec la borne terminale isolée et qui est comprimé en direction axiale sur ladite pastille fusible normalement solide, de sorte que le système de contact se dilate normalement dans la direction extérieure radiale pour contacter lt-n- veloppe et établir de ce fait une connexion électrique entre lZenveloppe et la borne terminale isolée, la pastille a une tem pérature pré-choisie de désintégration à laquelle elle se désintègre pour libérer la pression axiale sur le système de contact élastique et permet ainsi sa contraction radiale. Dans une construction, le système de contact prend la forme d'un diaphragme double creux à parois opposées bombées, de préfé- rence de forme elliptique allongée. Le diaphragme est normalement comprimé directement entre la pastille fusible et la seconde butée fixée à la borne terminale isolée. Quand la pastille se désagrège, le contact-électrique entre le système de contact et l'enveloppe est coupé. Dans une seconde construction, le système de contact prend la forme d'une botte-à extrémité ouverte ayant deux parois latérales qui sont normalement déformées de façon élastique dans la direction extérieure radiale-pour contacter l'enveloppe.La botte est comprimée entre la pastille et la borne terminale isolée; cependant, un ressort est de préference prévu pour presser la botte axialement loin de la borne terminale fixe quand la pastille se désagrège, de sorte que la relation conductrice électrique normale entre le système de contact et la borne terminale isolée est coupée. Seulement un ressort relativement faible est nécessaire pour presser la botte axialement en raison de la contraction ra diale de celle-ci qui arrive quand la pression axiale sur cette botte est débloquée à cause de la désintégration de la pastille. Dtautres constructions suivant la présente invention nueront expliques dans la description des modes de réalisation représentés sur les dessins et définis dans les revendications annexées. Pour pallier aux inconvénients cités ci-dessus, la pastille des cires fusibles comprend de préférence une pastille faite d'un mélange de cires fusibles et de ferrite. Elle contient de préférence au moins 10 parties en volume de ferrite et 100 parties de cire fusible. Les ferrites utilisées sont produites à partir de l'oxyde de fer et d'un ou plusieurs autres oxydes ou carbonates. I1 existe de nombreuses ferrites possibles utilisées, mais les formules ioniques suivantes sont précisément mentionnées à titre d'exemple l) MgFe 1.4 Mn 0.02 4 2 > NilFE CUO.lFe 1.9 Mon .02 04 3) NiFEl.gMNx 4 4) NiFl.g x 4 5) MGEe1.4Mn0.02O4 D'autres caractéristiques de la présente invention seront décrites dans la description des dessins suivante. Sur ces dessins Les figures 1 et 2 représentent une première construction de commutateur thermique, avant et après fonctionnement. Les figures 3 et 4 représentent une seconde construction de commutateur thermique, avant et après fonctionnement. La figure Sa représente en perspective un système de contact du commutateur de la figure 1. La figure 5b représente une bande utilisée dans le système de contact de la figure 5a. La figure 6 représente en perspective un système de contact pour le commutateur des figures 3 et 4. Les figures 7 et 8 représentent une troisième construction de commutateur thermique, avant et après fonctionnement. Les figures 9 et 10 représentent une quatrième construction, avant et après fonctionnement. Les figures 11 et 12 représentent une cinquième construction avant et après fonctionnement. Les figures 13 et 14 représentent une sixième construction, avant et après fonctionnement. La construction représentée sur la figure 1 comprend une enveloppe conductrice tubulaire 10 reliée à un conducteur terminal 11 fixé en position pour fermer une extrémité de ltenveloppe. Un conducteur terminal 12 se projette à un isolateur 17, qui ferme l'autre extrémité de l'enveloppe. L'isolateur 17 est de préf*- rence en céramique ou en matière plastique résistant à des températures élevées qui ne dégage pas facilement du gaz, tel que celui connu sous le nom de Ryton R-4. La périphérie de l'enveloppe est froncée sur l'isolateur 17 et la fermeture est réalisée par une masse isolante 13, par exemple en épowy résine.A l'intérieur do l'enveloppe se trouve un système de contact sous forme dtun tube conducteur à extrémité ouverte en ferme rectangulaire ou boite 3 dont l'axe est perpendiculaire å l'ase laxo de ltenveloppe 10. Cette bote de contact 9 est placée et comprimée (durant l'assemblage du co Wutateur) entre une pastille fusible 16 et la partie supérieure de la borne terminale isolée 12. La surface de la partie supérieure de la borne terminale isolée peut être ronde (comme représentée) ou plate.Dans les conditions opératoires normales du commutateur, la boîte de contact 5 sert à réaliser la connexion de circuit antre l'enveloppe 10 et la borne terminale 12 Ainsi, en raison de la compression de la boite 5 dans la direction axiale de l'enveloppe, ses parois latérales 5a sont déformées radialement à l'extérieur de l'axe de l'enveloppe pour contacter la paroi de l'enveloppe 10. Quand la couche 16 fond en atteignant une tempe- rature pré-sélectioneée, la pression axiale sur la boite 5 est libérée, lui permettant de se contracter radialement hors de portée de l'enveloppe. La connexion électrique entre l'enveloppe 10 et la borne terminale 12 est ainsi coupée.Comme on le représente sur le dessin, un ressort faible 5' est de préférence prévu, comprimé normalement entre la boîte 5 et une embase conique 17a fer- mée sur l'arête en céramique 17. Le ressort 5 est assez faible pour ne pas compromettre le contact électrique entre la boîte de contact 5 et l'extrémité de la borne terminale 12, mais assez fort pour déplacer la boîte 5 axialement loin de la borne terminale 12 quand la couche 16 fend et la boite 5 se contacte radialement.La coupure de la connexion électrique entre l'enveloppe 10 et la bor- ne terminale isolée 12 est de ce fait assurée doublement La boite de contact 5 du commutateur de la figure 1 est repré- sentée sur la figure 5a en position relâchée. Les parois supé rieure et inférieure de la botte 5 qui, dans le commutateur assem- blé butent contre la berne terminale 12 et la couche 16, soit directement soit par l'intermédiaire de pièces de distribution de charge, sont désignés par la référence 5b.Le tube de contact ou boite 5 peut Autre facilement forme à partir d'une feuille de métal (figure 5b) par assemblage le long des lignes on pointillés indiquées. Après formation par assemblage, la boute de contact est traitée par chauffage pour réaliser la trempe du ressort. Dans le cas où le ressort 5' n'est pas prévu dans la construc- tion décrite ci-dessus, la paroi supérieure 5b de la boîte de contact 5 est de préférence fixée à la borne terminale 12 eentra- lement sur l'axe de l'enveloppe, de façon à éviter le petit risque que, lers de la fonte de la couche 16, la boîte soit déplacée dans une position inclinée qui ne coupe pas correctement la connexion électrique entre l'enveloppe 10 et la borne terminale isolée 12. Dans la seconde constructien représentée sur la figure 3, la boîte de contact est remplacée par un diaphragme double creux 6 conducteur à parois bombées elliptiques allongées et opposées 6a, 6b. I1 n'y a pas de ressort et le diaphragme de contact 6 est fixé à la borne terminale 12 grâce à un anneau serti 6c.Le diaphragme de contr8le 6 est comprimé axialement, durant l'assemblage du commutateur, entre la couche fusible 16 et la borne terminale 12, de façon à se dilater radialement pour contacter l'enveloppe 10 aux extrémités opposées de son axe- majeur. Quand la couche fond, le diaphragme 6 se dilate axialement et se contracte radialement, hors de portée de l'enveloppe 10, coupant ainsi la connexion électrique entre l'enveloppe 10 et la borne terminale 12 cemme on la représente sur la figure 4. Le diaphragme de contact 6 est aussi représenté sur la figure 6, en position relâchée, et on peut y r ira forme elliptique allongée. Dans une modification de la construction de la figure 3, le diaphragme de contact 6 est placé librement entre la borne terminale 12 et la couche 16 durant l'assemblage du-ceneputateur, et un ressort analogue au ressert 5t de la figure 1 est prévu pour maintenir le diaphragme de contact 6 contracté radialement hors de portée de la borne terminale 12, quand la couche fond. La construction de base représentée sur les figures 7 et 8 est identique a' celle des figures 1 et 2 sauf que la construction de la borne terminale 12 se projette dans 1tenveloppe 10 par l'intermédiaire d'une masse isolante 13a fermant l'autre extrémité de l'enveloppe. A l'intérieur de l'enveloppe se trouve un ressort 2 en forme de barillet. Pendant l'assemblage du commutateur, le ressort 2 est comprimé dans la direction axiale entre une pièce isolante de distribution de charge 2a située contre une couche fusible 16 et une butée conductrice 2b fixée i la borne terminale isolée 12.Dans les conditions opératoires normales du commutateur, le ressort 2 s'étend radialement à cause de la force compressive axiale de l'assemblage et sert lui-mbme de ce fait à réaliser la connexion de circuit entre l'enveloppe 10 et la borne terminale isolée 12. Quand la couche 16 fond en atteignant la température pré-sélectionnée, la force compressive axiale est libérée et le ressort s'tend longitudinalement, réduisant son diamètre proportionnellement à la direction radiale, de sorte que le contact électrique entre le ressort 2 et l'enveloppe 10 est coupé. Des cales 2c et 2d sont prévues sur les éléments 2a, 2b pour repérer les extrémités du ressort 2 et maintenir la position de son axe pendant et après la mise en marche du commutateur. Une autre construction de commutateur thermique est représentée sur les figures 9 et 10. Les mêmes numéros de référence sont utilisés pour les parties identiques des figures 7 et 8. Dans cette construction, le ressort hélicoïdal 2 est remplacé par un ressort 44 en forme d'U. Ce ressort 44 a une base 44a et des bras 44b. Le ressort 44 est placé entre un anneau à cames 44' situé contre la couche fusible 16 et un support conducteur 44 " fixée à la borne terminale isolée 12. La base 44~a du ressort est fixée contre le support 44 " et les bras 44b du ressort coopèrent avec l'anneau à cames 44'. Dans les conditions opératoires normales du commutateur, le ressort 44 sert à réaliser la connexion de circuit entre l'enveloppe 10 et la borne terminale isolée 12, les bras-du ressort 44 étant mus à l'extérieur par la surfacs camée de l'anneau 44' quand les parties du commutateur sont assemblées sous compression axiale- durant sa fabrication.Quand la couche 16 fond en atteignant la température pré-sélectionnée, la pression axiale sur le ressort 44 est libérée, et les bras de la came 44' se contractent dans la direction radiale, de sorte que le contact électrique entre le ressort 44 et l'enveloppe 10 est coupé. Il faut noter que la forme annulaire de la came 44t est nécessaire pour assurer le passage du matErizu de la couche lors de sa désintégration. La couche fusible 16 comprend un mélange de cires fusibles et de ferrite. La ferrite est pulvérisée et mélangée aux cires fusi- bles (10 parties en volume de ferrite pour 100 parties en volume de cires), avant de presser le mélange sous forme de boulette. Les propriétés particulières de la ferrite qui la rendent utile ne sont pas nécessairement les mêmes que les propriétés utilisées pour d'autres applications. On ne connaît pas très bien l'action de la ferrite, mais il apparat à partir des tests comparatifs que la capacité des ferrites d'agir comme agents de dissipation de chaleur est de première importance.Dans tous les cas, l'effet d'inclusion de ferrite est d'empêcher un ramollissement de la boulette à des températures situées au-dessous de la température pré-choisie de désintégration. On a trouvé que la boulette reste dure jusqu'à ce que la température pré-choisie soit atteinte, et la boulette se désintègre ensuite brusquement, rendant 1 t opération du commutateur rapide et stre. Le comportement de la boulette est uniforme dans n'importe quelle circonstance. Par exemple, elle ne se ramollit pas en dessous de la température pré-sélectionnée quand le commutateur thermique est placé dans des fluides conducteurs, mamie chauds, comme on peut le souhaiter pour la protection de radiateurs à huile ou analogues. Les ferrites utilisées sont produites à partir de l'oxyde de fer et d'un ou plusieurs autres oxydes ou carbonates. I1 existe de nombreuses ferrites possibles à utiliser, mais il est préférable de se reporter aux formules ioniques particulières mentionnées précédemment. On comprendra que n1 importe quelle boulette peut astre appliquée, soit celles connues à ce jour soit celles-ci qui comprennent un des mélanges cités ci-dessus de cires fusibles et de ferrite. Dans la construction modifiée représentée sur les figures 11 et 12, des références identiques aux figures 7 et 9 sont employées pour les parties correspondantes. Â l'intérieur de l'enveloppe 10, un élément 14 généralement en forme dlU peut glisser vers et loin de la borne terminale isolée 12. Cet élément 14 en forme dlU a une base 14a de dimension inférieure à la dimension en coupe de l'enveloppe 10 et des bras divergents 14b qui, lors de l'assemblage du fusible, sont déformés l'un vers l'autre et couliacent de fa çon élastique avec les parois intérieures de l'enveloppe 10.L'élément 14 en forme d'U est pressé, en position opératoire, de slenga- ger avec la borne terminale 12, par nn ressort de compression 15, coopérant avec une pièce de distribution de charge isolante 15a, de façon à réaliser un circuit conducteur entre les deux bernes terminales par l'intermédiaire de l'enveloppe 10 et dudit élément 14. La couche fusible 16 sert de butée au ressort de compression 15. Ainsi, quand la température de la couche s'élève à la température pré-sElectionnée, cette couche 16 fond, libérant l'anneau de compression 15. Un ressort de déclenchement 17' agit ensuite dans la direction opposée au ressort 13, entre ltélément 14 en forme d'U et la masse isolante 13', pour conduite l'élément 14 en forme dlU loin de la borne terminale 12 et ouvrir le circuit con docteur. L'élément 14 est fait de préférence en une bande en cuivre plaqué argent tordue en ferme dlU. Un disque de recul 17 a fait en matière conductrice est placé entre 11 élément 14 et la borne terminale 12. Une autre construction est représentée sur les figures 13 et 14. Les références identiques sont encore utilisées ici pour des parties similaires. Cette construction utilise un contact 24 très mince bombé pouvant glisser sur l'intérieur de l'enveloppe 10. Cependant le contact 24 ne s'enclenche pas directement sur la borne terminale 12. Le circuit conducteur est réalisé par un ressort de compression 241 placé entre le disque conducteur distributeur de charge 24'a situé entre le contact 24 et une butée conductive 24'b fixée à la borne terminale 12. Ce ressort 24' presse le contact 24 contre la couche fusible 16 qui est elle meme pressée dans la direction opposée grâce à un second ressort comptes seur 24'-' placé entre la couche 16 et l'extrémité fermée de l1on veloppe 10.Cette enveloppe 10 reçoit aussi un manchon isolant 24''' à paroi mince qui s'détend sur une partie de la longueur de l'enveloppe. La couche 16 et le second ressort 241t sont logés à l'intérieur du manchon 24' t et le contact bombé 24 fait un con tact périphérique avec l'enveloppe 10 juste en dessous de l'extré- mité du manchon.La paroi estreme périphérique 24''' a du manchon 24 " ' adjacente au contact 24 est biseautée pour faciliter en trée du contact dans le manchon quand la couche 16 fond. La péri phérie du contact 24 en forme de disque est déformée à l'intérieur quand le contact est conduit dans le manchon sous la pression du ressort 24' qui se détends et le contact électrique est coupé entre le contact 24 et l'enveloppe 10 Les constructions des figures 11, 12, 13 et l2 utilisent un système de boulette fusible qui comprend de préférence de la ferrite, comme décrite précédemment en se référant à d'autres constructions. Avec ces constructions alternatives, comte colles décrites précédemment, il a été trouvé que l'inclusion de ferrite, mélangée à des cires fusibles, empêche le ramollissement prématuré de la couche, m8me dans des conditions extrêmes d'utilisation. REVENDICATIONS 1 - Commutateur thermique caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe conductrice délimitant un axe de commutateur; une borne terminale reliée à l'enveloppe et une borne terminale pAné- trant de façon isolée dans l'enveloppe; et à l'intérieur de l'enveloppe une boulette fusible normalement solide et un système de contact élastique en relation conductrice électrique avec la borne terminale isolée et qui est comprimé dans ia direction axiale contre la boulette, de sorte que le système de contact s'étend normalement dans la direction extérieure radiale pour contacter l'enveloppe et de ce fait établit une connexion électrique entre l'enveloppe et la borne terminale isolée, la couche ayant une température pré-sélectionnée de désintégration à laquelle elle fond pour libérer la pression axiale sur le système de contact élastique et de ce fait permettre sa contraction radiale. 2 - Commutateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le système de contact élastique comprend une bolte tubulaire en matière conductrice placée entre la borne terminale isolée et la couche, avec son axe oblique par rapport å l'axe du commuta- teur. 3 - Commutateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un ressort qui agit sur la bote de contact pour la presser dans la direction axiale du commutateur quand la ceu- che fond. 4 - Commutateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le système de contact élastique comprend un diaphragme double A pareis bombées opposées. 5 - Commutateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le diaphragme de contact a l'une de ses parois opposées fixée à la borne terminale isolée. 6 - Commutateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un ressort qui agit sur le diaphragme de contact pour presser ladite boite dans la direction axiale du commutateur quand la couche fond. 7 - Commutateur suivant les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la botte de contact est formée en tordant une feuille de métal traitée ensuite par chauffage. 8 - Commutateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le système de contact est un ressort en forme de cylindre creux, assemblé sous compression axiale entre la couche fusible et une butée conductrice reliée à la borne terminale isolée. 9 - Commutateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le système de contact est un ressort en forme de U, assemblé sous compression axiale entre la couche fusible et une butée conductrice reliée à la borne terminale isolée de telle manière que les bras du ressort en U sont forcés latéralement à 1 t écart. 10 - Commutateur suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les bras du ressort en U sont forcés à 11 écart par un élément à cames fait en matière isolante assemblé de façon à glisser dans l'enveloppe entre la couche fusible et les extrémités des bras du ressort en U. 11 - Commutateur suivant la revendication 1, caractérise en ce que le système de contact est un élément généralement en forme d'U ayant une base de dimension plus petite que la dimension en coupe de 11 enveloppe et des bras divergents pour former un onsagement glissant élastique avec l'enveloppe, l'élément étant disposé entre un ressort de compression et un ressort de déclenchement plus faible. 12 - Commutateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le système de contact est un contact bombé très mince placé entre un ressort de compression et la couche qui est comprimée par un second ressorts ce ressort et la couche étant logés à l'intérieur d'un manchon isolant à paroi mince qui s 9 étend sut une partie de la longueur de l'enveloppe 13 - Commutateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche est faite en cires fusibles mélangées avec de la ferrite. 14 --Commutateur suivant la revendication 13, caractérise en ce que ladite couche comprend au moins 10 parties en volume de fer rite pour 100 parties en volume de cires fusibles. 19 - Commutateur suivant les revendications 13 ou 14, caractéri- sé en ce que les ferrites sont produites à partir de l'oxyde de fer et d'un ou plusieurs autres oxydes ou carbonates.