Brevet FR2409590A1 — publié le 19790615

La présente invention concerne un dispositif de contact électrique à liquide conducteur dans une enveloppe étanche. Les relais à contacts mouillés par un liquide conducteur sont bien connus. On y emploie généralement du mercure ou un amalgame, ou encore un alliage liquide à la température de fonctionnement. Dans la description qui va suivre, on mentionnera pratiquemerit exclusivement le mercure comme liquide à utiliser dans le dispositif de l'invention, mais il doit être entendu que l'invention r.'est pas limitée à l'emploi d'un quelconque amalgame ou d'un quelconque alliage ou au mercure à ltétat pur, et que l'on peut substituer au mercure c.'autre- ttiqui- des conducteurs. Dans les dispositifs à contacts mouillés connus, on utilise la mouillfli lité de certains matériaux bons conducteurs de l'électricité. A ce titre, Gii pourra par exemple se reporter aux descriptions des brevets français 7 279 553. 1 375 169 et 1 452 984. Ces dispositifs présentent un certain nombre d2incon'i-'- nients. Comme le mercure mouille les pièces avec lesquelles il est en contact, il a tendance à se rassembler dans la partie la plus basse du dispositif. Done la forme des dispositifs doit être prévue pour en tenir compte, mais i pose ensuite de n'utiliser le dispositif que suivant une seule orientation. Dans les dispositifs connus où l'on bascule une masse relativement importante de liquide conducteur, l'inertie est importante et les commutations sont lentes. De plus, le mercure forme avec les parties metalliques avec lesquelles il est en contact mouillant des amalgames qui modifient les caractéristiques du contact qui se dégrade en limitant le nombre des fonctionnements fiables au-decsous de 107. Un objet de la présente invention consiste à prévoir un dispositif de contact électrique à liquide conducteur dans une enveloppe étanche qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Un autre objet de l'invention consiste à prévoir un tel dispositif dans lequel les parties métalliques avec lesquelles le mercure ou liquide conducteur vient en contact ne sont pas mouillables par celui-ci. Suivant une caractéristique de la présente invention, il est prévu un tel dispositif comprenant une enceinte dont la surface interne est constituée de matières non mouillablespar le mercure ou liquide conducteur, dans laquelle sont enfermés un corps solide magnétisable déplaçable par un champ magnétique et une goutte de mercure ou liquide conducteur, la surface extérieure dudit corps solide n'étant pas mouillable par le mercure ou liquide conducteur, le corps solide ayant deux positions possibles de fonctionnement, auxquelles correspondent pour la goutte de mercure ou liquide conducteur deux positions dans lesquelles ladite goutte est coincée entre ledit corps solide et soit une pre mière partie de la surface interne de l'enceinte, soit une seconde partie de la surface interne de l'enceinte, lesdites première et seconde partie comportant chacune deux portions de surface de matière métallique conductrice séparée par une portion de surface en matière isolante, les portions de surface de matière métallique étant réunies à des conducteurs électriques passant à travers l'enceinte vers l'extérieur. Suivant une autre caractéristique, la géométrie de l'intérieur de ladite enceinte est sphérique ou cylindrique et le corps solide est sphérique ou cylindrique, ledit corps solide pouvant être déplacé entre des extrémités d'un axe de révolution de l'enceinte, les première et seconde parties se trouvant voisinage du point d'intersection dudit axe de révolution et de l'enceinte. Suivant une autre caractéristique, seule une desdites première et seconde parties comporte des portions de surface de matière métallique. Les caractéristiques de la présente invention mentionnée ci-dessus ainsi que d'autres apparafitront plus clairement à la lecture de la description suivant d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est une vue schématique en coupe d'un premier exemple de réalisation suivant l'invention, la Fig. 2 est une vue schématique en coupe d'un second exemple de réalisation suivant l'invention, la Fig. 3 est une vue schématique en coupe d'un troisième exemple de réalisation suivant l'invention, et la Fig. 4 est une vue schématique en coupe d'un quatrième exemple de réalisation suivant l'invention. Le dispositif de la Fig. 1 comprend une enceinte sphérique 1 dans laquelle sont enfermées une bille sphérique 2 et une goutte de mercure 3. De plus, l'enceinte 1 est traversée par des électrodes 4 à 7. L'ensemble est complété par un générateur de champ magnétique non montré. L'enceinte 1 est en matière isolante, telle que du verre et peut être fabri quee à partir de deux hémisphères creuses assemblées par collage ou soudure quivant un plan perpendiculaire à l'axe 8. Le verre est une matière non mouillable par le mercure. La surface intérieure de l'enceinte 1 est de préférence bien polie. Les électrodes 4 à 7 sont en une matière conductrice, de préférence magnétique, telle que du fer, du nickel ou un alliage fer-nickel-cobalt, ou un alliage nommé tOVAR dont les propriétés sont bien connues et qui présente l'avantage de se souder à certains verres de façon étanche. Les surfaces d'affleurement des électrodes 4 à 7 à l'intérieur de l'enceinte 1 sont bien polies et éventuellement de forme concave sphérique pour éviter toute solution de continuité entre l'enceinte et chaque électrode. Les surfaces d'affleurement sont séparées les unes des autres par des parties de surface isolantes de l'enceinte 1.Pratiquement, les surfaces d'affleurement bien lisses ne sont pas mouillées par le mercure de la goutte 3, quand celui-ci est en contact avec elles, mais bien entendu, du point de vue électrique, le contact avec le mercure est assez bon pour que le courant puisse passer d'une électrode Q la goutte de mercure ou vice versa sans chute de tension appréciable. Dans l'exemple de la Fig. 1, les électrodes 4 et 5 affleurent dans la partie basse de l'enceinte 1 et sont symétriques par rapport à l'axe 8, tandis que les électrodes 6 et 7 affleurent dans la partie haute de 1 et sont égaler'-nt symétriques par rapport à 8. Le corps ou bille sphérique 2 est en matériau magnétique et a une surface non mouillable par le mercure. Pour -réaliser ces deux conditions, la bille 2 peut comporter un noyau en métal magnétique revêtu d'une couche de matière isolante, telle que du verre qui n'est pas mouillé par le mercure. La bille 2 peut également être prévue en un ferrite qui est à la fois magnétique et isolant, et dont l'utilisation est bien connue en radioélectricité. A titre d'exemple, le diamètre intérieur de l'enceinte peut être de 3 mm et le diamètre extérieur de la bille 2 de 2 mm, la quantité de mercure formant la goutte 3 étant tel que, quand la bille 2 est dans la position montrée à la Fig. 1, c'est à dire en haut de la sphère 1, le bord du ménisque de mercure est, en 9, au niveau de l'équateur de la bille 2. La force capillaire qui s'vexer e entre le mercure 3 et la bille 2 est alors approximativement donnée par la formule ci-dessous: F=AxL où A est la tension superficielle du mercure, soit 485 dynes/cm, et L est la longueur du ménisque, soit ici sensiblement une demi circonférence de bille 2. Donc, on a F = 485 x 0,2 x 3,14- # 300 mg. La masse de la bille 2, supposée en ferrite avec une densité de 6, est de 25 mg. On peut évaluer la masse de mercure présent dans l'enceinte en considérant qu'il occupe moins du volume laissa libre par la bille 2, soit une masse inférieure à 136 mg. Il en résulte que les poids des constituants mobiles du dispositif sont sensiblement inférieurs a' la force capillaire à laquelle ils sont soumis. On peut prévoir que le centre de gravité de l'ensemble de la bille 2 et de la goutte 3 en jouant sur les dimensions et la densité de la bille coincée avec le centre de l'enceinte 1 afin que la pesanteur n'ait pas d'influence sur la position de l'ensemble. Dans le cas contraire, il existe une position d'équilibre stable pour laquelle le centre de gravité de l'ensemble est dessous le centre de 1. On va supposer que l'axe 8 est vertical et que la position stable de l'ensemble 2-3 est celui indiqué à la Fig. I quand cet ensemble 2-3 n'est soumis qu'aux forces de gravité. La goutte de mercure 3 est alors en contact à la fois avec la surface d'affleurement de l'électrode 4 et celle de l'élec- trode 5. Si une différence de potentiel existe entre Z et 5 du courant élec trique pourra passer entre 4 et 5 à travers 3. Par ailleurs, les électrodes h et 7 sont isolées. Si maintenant, on applique à l'ensemble 2-3, à travers l'enceinte 1, dont la matière est perméable au champ magnétique, un champ magnétique dirigé vers le bas, la bille 2 va descenure, quand l'ensemble 2-3 bascule autour du centre de 1, et la goutte 3 va monter au-dessus de la bille 2. Dans cette position, symétrique de celle indiquée par rapport à un plan horizontal passant par le centre de 1, du courant électrique peut passer entre 6 et 7, à travers 3, tandis que 4 et 5 sont isolées. Tant que ie champ magnétique, qui peut entre créé simplement par un solénorde à axe vertical, non montré, disposé autour de 1, est maintenu, l'ensemble 2-3 garde cette position.A la suppression du champ magnétique, l'ensemble 2-3 reprend la position irdiquée à la Fig. 1. I1 apparat ainsi que le dispositif de l'invention permet de fonctionner en commutateur inverseur. En fait, quand la bille 2 est en ferrite et que les électrodes 4 à 7 sont en matériaux magnétioues, on peut supprimer le champ magnétique et lten- semble 2-3 conserve la position qu'il a pris, car la bille 2 reste attirée par les électrodes magnétisées les plus proches. Dans ce cas, on fait l'économie du courant nécessaire au maintien du champ. Par contre, il faut prévoir une attraction de champ en sens inverse de la première pour que l'ensemble 2-3 reprenne sa position initiale. L'espace libre entre 1, 2 et 3 peut autre vide ou conter de l'hydrogène, ou un autre gaz approprié. Ainsi, le dispositif de l'invention permet de réaliser un contact à faible résistance électrique, de l'ordre de quelques milliohms, ne nécessitant pas de matériaux nobles, qui est parfaitement étanche et qui peut fonctionner en atmosphère contrôlée. Dans le cas où la bille 2 a une aimantation permanente, quand elle est par exemple en ferrite, il faut prévoir non seulement des champs magnétiques inversés, mais deux solénordes à centres magnétiques décalés, car, quel que soit le sens du courant le parcourant et du champ magnétique obtenu, un solénoSde n'attire une masse magnétique non guidée vers son centre magnétique que si le centre magnétique propre de la masse magnétique ne coincée pas avec celui du solénoTde. Pour la commande d'un tel contact, il faut donc commuter des solénoïdes décalés.Dans le cas où l'on utilise le verrouillage magnétique de la bille 2 avec des électrodes en matériau magnétique, on peut utiliser des solénoïdes ayant individuellement deux sens dtenroulement des spires afin qu'une parte serve à démagnétiser les conducteurs des électrodes et que l'autre partie , série, actionne plus facilement la bille 2 de l'ensemble 2-3. La Fig. 2 montre un autre exemple de réalisation du dispositif de la présente invention. Le dispositif comporte une embase formée d'une perle 10 en matière isolante sertie dans une couronne métallique 11, présentant un rebord plat 12, avec une ou plusieurs électrodes 13, semblables aux électro~ l'intérieur de l'enceinte formée par l'embase 10-11 et le capot 15, sont loce une bille 17, semblable à la bille 2 de la Fig. 1, et une goutte de mercure 18, semblable à la goutte 3 de la Fig. 1. On suppose que, dans un des états 'z' dispositif, la bille 17 et- la goutte 18 ont les positions relatives montrées à la Fig. 2. c'est à dire que la bille 17, dont le rayon est légèrement in- rieur à celui de la face 14, repose au centre de 14 sur l'électrode 13, et que la goutte 18 se trouve au-dessus de la bille 17, coincée entre 17 et 16. Il apparaîtra que, compte tenu des formes sphériques de la calotte 16 et de la faite 14, le volume intérieur du dispositif de la Fig. 2 est pratiquement sphérique. Donc, les calculs de forces déjà effectués en relation avec le dispositif de la Fig. 1 restent valables pour celui de la Fig. 2, quand les dimensions des composants sont comparables, avec, de plus, deux positions stables par capillarité En pratique, le capot 15 est en métal non mouillable par le mercure Se 1?, amagnétique pour ne pas agir comme un écran vis à vis de la bille 17. Cc- létal peut autre un racler inoxydable amagnétique qui permet d'assembler le capot 15 sur la collerette 12 par soudure à froid par pression, ou par pression plus soudure électrique par résistance, par exemple. La bille 17 peut cotre en ferrico Le dispositif de la Fig. 2 est encore complété par un fil de connexion 19 e contact ohmique avec le sommet, ou unie autre partie du capot 15. Pour un foilc- tionnement en mode bistable du dispositif, le fil 19, ou au moins Sa partie proche du capot, est par exemple en fer doux, nickel ou un autre matériau magnétique ne présentant pas d'aimantation rémanente.Enfin, le dispositif de la Fig. 2 est complété par un double solénoîde 20-21 composé des soléno-Ses 20 et 21 dont les centres géométriques, qui se trouvent sur l'ave de svmvtr; vertical du dispositif. sont décalés en hauteur, l'un au-dessus du milieu du segment joignant le fond de 14 au sommet de 16 et l'autre au-dessous. Quand le solénode 20 dont le centre est le plus haut est excité, la bille 17 en ferrite est attirée vers le haut, quitte la position montrée, tandis cue la goutte 18 bascule vers le tas, pour venir en contact avec la face 14. la position de 17 et 1 18 est alors inversée, par rapport à celle montrée. Comme les boras du ménisque de la goutte 18 sont alors en contact avec le bas du capot 15, il y a un chemin électrique créé entre 13 et 19, à travers 15 et 18. Quanc le solénoSde 21 est excité, la bille 17 descend pour prendre la position montrée si bien que la liaison électrique entre 13 et 19 se trouve rompue. Le dispositif montré à la Fic. 3 òncttonne suivant les mimes principes de base cue ceux des Figs. 1 et 2. Toutefois, il a une géométrie purement cylindrique. an effet, il se compose essentiellement d'une enceinte creuse cylindrique formée d'un empilage de disques comprenant de bas en haut un issue plein conducteur 22, un disque creux isolant 23, un disque creux conauc- teur 2, ur disque creux isolant 25 et un disque plein conducteur 25.A l'inté- rieur de la cavité cylindrique formée par les crieur es disques 23 à 25, sont logées l'une au-dessous de l'autre une bague 27, par exemple en ferrite, et une goutte de mercure 25. La bague 27 comporte un canal central vertical 29. En pratique, comme le montre ia Fig. 3, la goutte 2P Prend une forme cylinurisue au-dessus de 27, la hauteur du cylindre de 28 étant inférieure à la distance entre les disques conducteurs 24 et 26, mais supérieure ou égale à la distance entre les disques conducteurs 22 et 24. Toutes les surfaces qui peuvent être en contact avec le mercure de 28 sont évidemment non mouillables, comme dans les dispositifs des Figs. 9 et 2. La bague 27 est, en fonctionnement, soumise à un champ magnétique qui permet de la faire monter ou descendre dans la cavité cylindrique. Quand 27 occupe la position indiquée, le mercure de 28 ne peut créer un pont électrique entre 24 et 26 et d'autre part, à taque 27 isole 22 de 24. Par contre, quand 27 occupe la position inverse, le mercure de 28 crée un chemin électrique entre 22 et 2:,. On retrouve bien l'effet de consltation électrique entre deux états. Au cours du changement d'état, le mercure passe à travers le canal 29 de 27. Bien que dans l'exemple de réalisation montré à la Fig. 3 il n'a été prévu qu'un seul canal vertical 29 dans la bague 27, il faut comprendre qu'il est possible de prévoir plusieurs canaux verticaux dont le diamètre permet de déterminer les forces capillaires assurant la stabilité dans chaque position et le nombre de régler l'attraction magnétique pour optimiser les énergies de commande et/ou les stabilités par rapport aux accélérations. Le dispositif de contact montré à la Fig. 4 fonctionne également suivant les mêmes principes de base que ceux des Figs. 1 et 2. Toutefois, il n'a plus une géométrie sphérique, ni cylindrique, mais une géométrie curviligne rappelant la géométrie utilisée dans des moteurs thermiques dits "moteurs à pistons rotatifs". En effet, il se compose essentiellement d'une enceinte creuse 30, qui en coupe présente trois-arcs internes qui s'intersectent. Les zones centrales des trois arcs sont respectivement constituées par les zones d'affleurement de trois électrodes 31 à 33.Dans l'enceinte 3Q est logé un corps solide 34 de meme géométrie que le logement de l'enceinte, c'est à dire qui en coupe présente trois arcs qui s'intersectent. Dans la position stable montrée à la Fig. 4, le corps 34 a lecentre d'un de ses arcs appliqué contre la zone d'affleurement de l'électrode 31 ce qui laisse entre la zone voisine de l'angle curviligne 35 et l'enceinte 30 un espace libre qui est partiellement occupé par une goutte de mercure 36. il apparaît que les dimensions de 30 et 34 sont choisies de manière que la goutte puisse recouvrir les zones d'affleurement de deux électrodes sans que ses bords extrêmes ne dépassent les angles curvilignes adjacents à l'arc de 34 qui est en contact avec 30.Le corps 34 est en matériau magnétique de manière à pouvoir être déplacé dans l'enceinte d'une manière un peu analogue à un piston rotatif. Il apparatt alors que la goutte 36 peut être également déplacée pour mettre en relation électrique les électrodes 31 et 33 ou 31 et 32. Au cours du déplacement du corps 34, le liquide tend toujours à se grouper pour ne former qu'une goutte 36 étant donné les forces de capillarité, même sans prévoir une étanchéité complète entre 34 et 30 (contrairement à ce qui se passe dans les moteurs à pistons rotatifs). Bien entendu, la surface interne de 30 et la surface externe de 34 ne sont pas mouillable par le mercure. Pour créer les champs magnétiques capables de déplacer le corps 34, on peut prévoir autour des électrodes des enroulements, tels que 37 à 39, qui peuvent respectivement attirer le noyau 34. Le corps 34 peut comporter un évidement, tel que 40 pour l'oger un axe non central capable de l'entratner mécaniquement. Quel que soit le mode de commande du corps 34, il apparatt que le dispositif de la Fig. 4 peut établir trois circuits en prenant les électrodes 31 à 33 deux à deux. Les dispositifs de contact qui viennent d'être décrits à titre d'exemple en relation avec les Figs. 1 à 4 permettent de supporter de fortes surintensités sans dégradation des contacts. Si l'on prévoit un gaz réducteur remplissant les espaces libres de l'enceinte du contact, on peut avoir des plasma de mercure sans pollution des contacts et il y a autorégénération du contact après la disparition de la surintensité. Le pouvoir de coupure haute tension peut être grand en augmentant la pression du gaz dans l'enceinte. Les dispositifs de contact suivant l'invention peuvent faire l'objet d'une miniaturisation très poussée ce qui autorise leur intégration, soit avec leurs dispositifs de commande, soit avec leurs dispositifs de commande et leurs connexions, soit à l'intérieur d'un ou de plusieurs dispositifs de commande. Pour fabriquer les enceintes munies de leurs électrodes, on peut évidemment utiliser des techniques de surmoulage. Enfin, comme on Ira déjà mentionné, les dispositifs de contact de l'invention peuvent être utilisés sans tenir compte de leur orientation par rapport au champ de pesanteur. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers de réalisation, il faut comprendre que ladite description n'a été faite qu'à titre d'exemple et-ne limite pas la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1) Dispositif de contact électrique à liquide conducteur dans une enveloppe étanche, comprenant une enceinte dans laquelle se déplace par un champ magnétique de commande un corps solide magnétique qui déplace le liquide conducteur, caractérisé en ce que les parois internes de ladite enceinte sont en materiau non mouillable par le liquide conducteur tandis que la surface externe du corps solide n'est pas non plus mouillable par le liquide conducteur, des électrodes traversant la paroi de 1 'enceinte pcur venir affleurer à la surface interne de celle-ci la surface de 1 'affleurement de chaque électrode étant non mouillable par le liquide conducteur, à claque position du corps solide dans l'enceinte correspondant une position du liquide conducteur rassemblé en une goutte coincée entre ledit corps solide et une partie de l'enceinte où affleurent ou non des électrodes de manière à ponter électriquement celles-ci ou non. 2) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la géo métrie de l'intérieur de ladite enceinte est sphérique ou cylindrique et le corps solide est sphérique ou cylindrique, ledit corps pouvant être déplacé entre les extrémités d'un axe de révolution de l'enceinte, les surfaces d'affleurement des électrodes se trouvant au voisinage des points d'intersection dudit axe de révolution et de l'enceinte. 3) Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'enceinte est sphérique avec un rayon interne de l'ordre de une fois et demi le rayon de la bille constituant le corps solide, le volume de liquide conducteur étant tel que le bord du ménisque du liquide conducteur est approximativement au niveau du centre de la bille. 4) Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que enceinte comporte, à ses deux extrémités verticales, deux calottes sphériques réunies par une partie cylindrique, au lieu d'autre simplement sphérique. 5) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que enceinte est cylindrique, le corps solide est une bague cylindrique, de même azote que l'enceinte, comportant un canal coaxial par lequel le liquide conducte7xr passe quand la bague est déplacée d'un bout à l'autre du cylindre de l'enceinte. 6) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte présente en coupe trois arcs qui s'intersectent et que le corps présente éga1 ent en coupe trois arcs qui stintersectent, le corps pouvant tourner dans 1 'enceinte, sous l'influence d'une commande extérieure, en déplaçant une goutte de liquide conducteur, pour la mettre sélectivement en contact avec des affleurements d'électrodes. 7) Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérise en ce que le liquide conducteur est du mercure.