Brevet FR2505085A1 — publié le 19821105

DISPOSITIF DE COMMUTATION ELECTRIQUE SENSIBLE A LA TEMPERATURE L'invention concerne un dispositif de commutation électrique sensible à la température, plus particulièrement destiné aux systèmes de sécurité ou de régulation de procédé, chaque fois qu'il est nécessaire d'interrompre un processus électrique lorsque la température franchit, dans un sens ou dans l'autre, un seuil prédéterminé. Les dispositifs de surveillance de température actuellement connus reposent, entre autres procédés, sur remploi de thermocouples, de ther distances ou de bilames. Les thermocouples ne fournissent qu'une très faible tension qu'il faut par conséquent amplifier. Les thermistances, si elles doivent résister à des vibrations, sont relativement grosses et donc lentes en temps de réponse. Les micro-thermistances sont rapides mais très fragiles, et dans tous les cas les thermistances ne constituent pas des interrupteurs: elles ne font que changer de résistance et il faut donc leur associer un système à seuil qui assure la commutation à proprement parler.Les bilames peuvent être très sensibles et très petits sans être fragiles; cepen- dant leur mouvement, en fonction de l'évolution de la température, est relativement lent et de ce fait il donne lieu à des arcs au cours de la rupture du contact électrique. Le dispositif de commutation selon l'invention utilise, dans son fondement, un contact électrique entre une pièce aimantée et une pièce magnétique de point de Curie connu. Le contact est rompu lorsque, par suite d'une variation de la température, la pièce magnétique franchit son point de Curie et devient amagnétique ; la force d'attraction magnétique ayant disparu, un ressort de rappel écarte la pièce magnétique de la pièce aimantée. Symétriquement, le dispositif de commutation établit le contact si, à partir d'une température suffisamment élevée pour que la pièce magnétique soit au-dessus de son point de Curie, la température diminue: la piece magnétique, franchissant en descente son point de Curie, est attirée par la pièce aimantée, la force magnétique étant supérieure à la force mécanique du ressort. De façon plus précise l'invention concerne un dispositif de commutation électrique sensible à la température, comportant un contact électrique dont la position bascule pour une température prédéterminée, caractérisé en ce qu'il comprend, électriquement reliées à deux supports qui constituent les connexions externes du dispositif de commutation, une première pièce de contact, sensible à la température, réalisée en un matériau présentant un point de Curie égal à la température prédéterminée, et une seconde pièce de contact constituée par un aimant, l'une de ces deux pièces étant rendue mobile par une liaison mécanique flexible avec son support, la force d'élasticité de la liaison flexible, inférieure à la force magnétique d'attraction de l'aimant sur la pièce à point de Curie, s'opposant à celle-ci. L'invention sera mieux comprise par la description qui suit d'un exemple de réalisation, description qui s'appuie sur des figures qui représentent: - figure 1: exemples de courbes d'intensité d'aimantation de pièces magnétiques en fonction de la température; - figure 2: schéma en coupe, simplifié, d'un dispositif de commutation sensible à la température, selon l'invention - figure 3 : métallisation de la pièce magnétique mobile à point de Curie; - figure 4 schéma simplifié d'un dispositif de commutation sensible à la température, ayant la fonction inverseur. Le point de Curie d'un matériau magnétique est caractérisé par la température à laquelle le magnétisme fort de ce matériau disparait. La figure 1 représente deux cas de thermomagnétisme de matériaux tels que les ferrites ou les alliages à base de fer-nickel. L'intensité d'aimantation I est portée en ordonnée et la température en abscisse. Ces courbes montrent que, pour ces matériaux, la variation thermique de leur aimantation est progressive, rapide et rigoureusement réversible. Le point de Curie est dé terminé par l'intersection d'une tangente à la partie rectiligne de la courbe avec l'axe des abscisses, lui-même tangent à la partie horizontale de la courbe.Selon les matériaux, la pente des courbes d'intensité en fonction de la température peut varier dans des valeurs extrêmes et la figure 1 représente deux cas de pente rapide avec un point de Curie voisin de 180"C et de variation assez lente avec un point de Curie de 400 C. En fait, on sait modifier la température du point de Curie et la pente moyenne de la courbe par le processus de fabrication du matériau de telle façon qu'on est capable actuellement de réaliser un matériau ayant une pente abrupte et un point de Curie choisi en fonction de la température à surveiller. Par exemple pour la courbe qui a un point de Curie de l'ordre de 1750C, la pente est très abrupte et à une faible variation At de température correspond une grande variation ar de l'intensité d'aimantation, ce qui fait que ce matériau a un seuil abrupt et une rupture nette. Pour un alliage à base de fer-nickel par exemple le point de Curie varie de - 250C à + 2000C lorsque la proportion de nickel dans le fer passe de 28 à 35%, l'ajustement à une température de Curie bien déterminé pouvant être obtenu sur le produit final par un traitement thermique choisi. De la même façon les ferrites, qui sont des mélanges relativement complexes d'oxydes métalliques, ont des points de Curie ajustables en fonction de la nature des métaux apportés dans leur composition et des proportions d'oxyde de ces métaux.Ainsi il est possible de réaliser des pièces dont le point de Curie est bien déterminé en fonction de la température à surveiller et dont la pente de thermomagnétisme est abrupte, ce qui confère au commutateur une rupture brusque. On dispose donc de matériaux dotés des qualités requises pour en faire des détecteurs de point de température à surveiller, ces détecteurs étant de plus robustes, fiables et sensibles, ainsi que de fabrication peu compliquée et économique. La figure 2 représente une vue en coupe d'un dispositif de commutation sensible à la température, selon l'invention. Une embase 1, électriquement isolante, est traversée par deux supports 2 et 3 dont une extrémité constitue les connections externes du dispositif de commutation. Sur l'un des deux supports, le support 2 par exemple, est fixée une pièce 4 dont le magnétisme est sensible à la température, par l'intermédiaire d'une pièce 5, liaison mécaniquement flexible, telle qu'une fine lame en cuivre-beryllium ou en acier ressort. Sur le second support 3 est fixée une pièce 6 qui est en matériau rémanent c'est à dire un aimant dont l'aimantation est stable dans le temps et varie peu avec la température. La pièce 4 est constituée d'un matériau à point du Curie contrôlé et connu, choisi en fonction de la température à surveiller. Ce matériau est choisi parmi les différents types de ferrites ou d'alliages à base de fer-nickel qui sont connus et qui ont l'avantage, qui a été exposé à l'occasion de la figure 1, de pouvoir être préparés de telle façon qu'un point de Curie parfaitement connu et reproductif est obtenu. La pièce 4 sensible à la température est taillée en forme de palette ou de paraléllépipède; en effet, outre sa fonction de détecteur de température, elle assure également la fonction de contact électrique par appuis mutuels contre la pièce fixe 6. Cette pièce 6 est un aimant rémanent peu sensible à 12 température. A une température inférieure à la température du point de Curie du matériau du détecteur de température 4, le champ magnétique de l'aimant 6 attire le détecteur 4 et le contact électrique est fermé. Le contact électrique peut être rompu en approchant un ensemble magnétique qui contrarie le champ magnétique de l'aimant 6. I1 peut également être ouvert, et c'est là l'intérêt de ce dispositif, par échauffement de l'ensemble au-delà du point de Curie de la pièce 4 : celle-ci devient alors non magnétique et la lame de ressort 5, dont la force d'élasticité est légèrement inférieure à la force magnétique de l'aimant, rappelle la pièce 4 jusque dans une position 4', représentée en pointillé, position dans laquelle le contact électrique est ouvert. Si la température redescend en dessous du point de Curie de la pièce 4, celle-ci retrouve son magnétisme et est à nouveau attirée par l'aimant 6 le contact se referme. Dans rexemple de réalisation qui vient d'être décrit, c'est la pièce 4 sensible à la température qui est montée de façon mobile sur une lame flexible 5. Entre dans le domaine de l'invention le cas complémentaire où la pièce 4 sensible à la température est fixée de façon rigide sur l'un des deux supports, tandis que l'aimant 6 est rendu mobile par l'interposition entre l'aimant et son support d'une lame flexible. Le dispositif de commutation selon l'invention étant basé sur l'anta gonisme entre une force d'attraction magnétique et une force de répulsion mécanique, la lame 5, dotée de propriétés élastiques, peut être remplacée par une articulation, simple charnière qui communique une mobilité à rune des deux pièces du contact, soit l'aimant 6, soit le détecteur de température 4. La force de répulsion est dans ce cas exercée soit par un ressort électriquement isolé- soit par une pièce de matière caoutchoutique ou élastomère, placé entre les pièces 4 et 6 qui tend à les éloigner l'une de Pautre. Quelle que soit la configuration adoptée pour la réalisation du dispositif de commutation sensible à la température, celui-ci est disposé à l'intérieur d'un boitier qui comprend l'embase 1 déjà citée et un capot 7 soudé sur l'embase. Ce boitier peut avantageusement être un boitier nrétallique du type des boitiers TO 5 ou TO 39 d'encapsulation des semiconducteurs de signaux discrets. Le fonctionnement du commutateur selon l'invention est amélioré si L'aimant 6 supporte à son extrémité libre, c'est à dire celle qui n'est pas soudée sur la connexion externe 3, une pièce métallique 8 qui assure le contact électrique avec la pièce à point de Curie 4.De plus le fonctionnement est encore amélioré si les pièces en contact c'est à dire la pièce à point de Curie 4 et le contact 8 sont mouillés par le mercure ou, pour des températures supérieures à 300C, mouillés par le gallium. Mouiller la pièce métallique 8 ne pose pas de difficulté et fait partie de Part connu. Mouiller la pièce 4, Si elle est en ferrite, est facilement résolu en métallisant l'une de ses surfaces par une couche de nickel qui se mouille par le mercure. De plus, le dispositif a un temps de réponse plus court, et de ce fait est plus précis si le boitier d'encapsulation, c'est à dire le volume compris entre Pembase 1 et le capot 7, est rempli d'un gaz sous pression pour transmettre la température du milieu ambiant dans laquelle baigne le détecteur. En effet, il est toujours possible de percer des trous dans le capot 7 pour que ratmosphère ambiante atteigne la pièce 4 sensible à la température, mais ceci n'est pas souvent conseillé en raison de la détérioration apportée au contact électrique, qui ne peut être mouillé par le mercure. Réciproquement, si le vide est fait à rintérieur du boitier une fois fermé, la température extérieure au boitier n'est plus transmise jusqu'à la pièce 4 et le dispositif ne fonctionne plus en commutateur sensible à la température. Par contre il constitue un fusible qui s'ouvre si une trop grande intensité traverse le contact électrique et échauffe la pièce 4 sensible à la température. Deux cas de réalisation sont possibles. Si la pièce 4 est en alliage fer-nickel, à point de Curie, conducteur de l'électricité, le passage du courant entraine un échauffement qui fait franchir à cette pièce son point de Curie, au delà duquel le contact est rompu, par la force de rappel du ressort 5. Si la pièce 4 est en ferrite, mauvais conducteur de l'électricité, une métallisation déposée à la surface du ferrite permet le passage du courant et favorise l'échauffement du ferrite, jusqu'à lui faire franchir son point de Curie. La figure 3 représente un exemple, non limitatif de géométrie de la métallisation déposée sur le ferrite. La nature de cette métallisation, en nichrome par exemple, fait qu'elle est résistive pour créer un échauffement par effet Joule, et sa géométrie, en forme de grecque ou de spirale autour du ferrite, permet d'ajuster la valeur de la résistance et, de ce fait, l'échauffement et l'intensité correspondante qui doit faire disjoncter le dispositif de commutation selon l'invention. La métallisation déposée sur le ferrite comprend, à une première extrémité, une plage de prise de contact avec le support, et à "extrémité opposée, une plage de prise de contact avec la languette 8 de ramant. La figure 4 représente un autre mode de réalisation du commutateur selon l'invention. Seules ont été représentées sur la figure 4 les pièces participant à l'établissement des contacts électriques, et l'on voit que lorsque le détecteur de température 4 a repris une position dictée par la lame de ressort 5 lorsque le point de Curie est franchi, le contact entre le détecteur 4 et l'aimant 6 est rompu, mais un autre contact avec une autre électrode 9 peut alors être établi, par exemple pour activer un processus de sécurité. Alors que dans le cas de la figure 2, le detecteur fonctionnait en simple commutateur, à 2 électrodes, dans le cas de la figure 4, il fonctionne en commutateur inverseur à 3 électrodes. Le contact entre le détecteur 4 avec le seconde électrode 9 sera rompu dès que, la température descendant, le point de Curie sera franchi et la pièce 4 sera de nouveau attirée par l'aimant 6. Comme dans le cas du premier exemple de réalisation décrit en figure 2, la pièce mobile du commutateur inverseur à 3 électrodes, de la figure 4 peut être soit la pièce à point de Curie 4, soit l'aimant 6. Si l'aimant 6 est la pièce mobile, il est nécessaire qu'il soit placé entre la pièce à point de Curie 4 et l'électrode fixe 9, de façon à pouvoir établir le contact électrique avec l'une ou l'autre de ces deux électrodes. Le commutateur sensible à la température décrit est de réalisation particulièrement aisée et de construction assez résistante et fiable pour qu'il soit utilisé à la surveillance de processus dans des conditions externes rigoureuses. Par exemple dans sa réalisation à l'intérieur d'un boitier standard de transistor TO 5 ou TO 39, le détecteur de température peut être incorporé dans un dispositif d'électronique automobile, et l'incorporation du détecteur dans une pièce du moteur par exemple se fait au moyen d'un simple trou correspondant au diamètre du capot du boitier de transistor. De la même façon le détecteur qui peut être encapsulé dans d'autres types de boitier trouvera facilement sa place dans un contre de prncessus industriel dans lequel il sera également soumis à des vibrations et à des champs électriques extérieurs qui rendraient délicate l'utilisation d'autres types de détecteurs. La réalisation du commutateur sensible à la température selon l'inven- tion ne se limite pas aux exemples qui en ont été décrits mais englobe toutes les variantes évidentes pour l'homme de Part, et est précisée par les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commutation électrique sensible à la température, comportant un contact électrique dontla position bascule pour une température prédéterminée, caractérisé en ce qu'il comprend, électriquement reliées à deux supports (2 et 3) qui constituent les connexions externes du dispositif de commutation, une première pièce de contact (4) dite pièce à point de Curie, sensible à la température, réalisée en un matériau présentant un point de Curie égal à la température prédéterminée, et une seconde pièce de contact (6) constituée par un aimant, l'une de ces deux pièces étant rendue mobile par une liaison mécanique flexible (5) avec son support, la force d'élasticité de la liaison flexible (5), inférieure à la force magnétique d'attraction de l'aimant (6) sur la pièce à point de Curie (4), s'opposant à celle-ci. 2. Dispositif de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque la température du dispositif est inférieure à la température de Curie de la pièce à point de Curie (4), celle-ci est magnétique et attirée par l'aimant (6), et le contact est fermé. 3. Dispositif de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque la température du dispositif est supérieur à la température de Curie de la pièce à point de Curie (4), celle-ci est non magnétique, la liaison flexible (5) éloigne l'aimant (6) de la pièce à point de Curie (4) et le contact est ouvert. 4. Dispositif de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce à point de Curie (4) est réalisée en ferrite, à point de Curie prédéterminé par la composition du ferrite. 5. Dispositif de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce à point de Curie (4) est réalisée en alliage à base de fernickel, à point de Curie prédéterminé (entre - 600C et + 2000 C) en fonction de la teneur en nickel dans le fer. 6. Dispositif de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contact électrique entre l'aimant (6) et la pièce à point de Curie (4) est assuré par l'intermédiaire d'une languette métallique (8) soudée à l'extrémité de l'aimant (6), et d'une métallisation déposée sur la pièce (4) en ferrite, languette et métallisation étant mouillées par le mercure. 7. Dispositif de commutation selon la revendication 6, caractérisé en ce que, pour un fonctionnement au-dessus de 300 C, languette et métallisation sont mouillées par le gallium. 8. Dispositif de commutation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une seconde pièce fixe (9) disposée de façon que lorsque le contact entre la première pièce fixe et la pièce mobile est rompu, un autre contact entre la seconde pièce fixe (9) et la pièce mobile est fermé, constituant un commutateur inverseur. 9. Dispositif de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que, la pièce à point de Curie (4) étant réalisée en ferrite, un échauffement lui est directement communiqué par une métallisation résistive déposée sur le ferrite. 10. Dispositif de commutation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est monté dans un boitier métallique du type des boitiers d'encapsulation dits TO 5 ou TO 39 pour semiconducteurs discrets, les pièces fixes et mobiles étant soudées sur les connexions d'accès externes (2, 3) qui traversent rembase (1) du boitier, celui-ci étant hermétiquement fermé par un capot métallique (7). 11. Dispositif de commutation selon la revendication 10, caractérisé en ce que le boitier est rempli d'un gaz sous pression, en vue de transmettre à la pièce à point de Curie (4) la température extérieure au boitier.