Brevet FR2510300A1 — publié le 19830128

La présente invention concerne les capsules thermosensibles, plus particulièrement, mais non exclusivement, les capsules thermosensibles destinées à être utilisées comme éléments de réponse à la température dans des commutateurs électriques thermosensibles, c'est-à-dire des commutateurs changeant d'état ou de position dès que la température à laquelle ils sont soumis atteint ou excède une valeur prédéterminée. Ce type de commutateurs à été décrit dans les brevets britanniques déposés sous les numéros 1 509 772 et 1 571 754 Ces commutateurs sont essentiellement constitués par une capsule, fermée à l'une de ses extrémités par un disque en dôme ou cintré susceptible de basculer en position inverse, et contenant une certaine quantité de gaz ou de liquide appropriés qui, en se dilatant par suite d'une montée en température, commande l'infléchissement du disque qui actionne de ce fait un jeu de contacts électriques. Dans le but d'améliorer les performances et les caractéristiques de ces commutateurs connus ou d'autres commutateurs analogues utilisant de telles capsules, il est maintenant proposé d'apporter à ces capsules diverses modifications. La présente invention prévoit une capsule destinée à servir d'élément de réponse à la température, constituée par une enceinte scellée contenant un liquide ou un gaz et dont une paroi est formée par un disque cintré Selon une caractéristique de l'invention, lorsque la température à laquelle est soumise la capsule passe par une valeur déterminée, la pression de la vapeur contenue dans l'enceinte change de telle sorte qu'elle fait passer le disque de l'état concaveà l'état convexe, ou l'inverse Le disque utilisé est fabriqué à partir d'acier inoxydable ou de cuivre au beryllium tous deux ayant subi un traitement de durcissement structurel. Selon une autre caractéristique de l'invention, la capsule est remplie d'une quantité minimale de liquide de façon qu'elle fonctionne normalement dans le mode logarithmique jusqu'à la limite de saturation de la vapeur, mais également de façon que dans l'éventualité d'une température excessive, le liquide de remplissage se comporte comme un gaz et obéisse aux lois des gaz, réduisant en cela le taux d'augmentation de la pression en fonction de la température à l'intérieur de la capsule. Selon une autre caractéristique, l'invention prévoit une méthode d'ajustement, à une valeur donnée, de la température de fonctionnement de la capsule Cette méthode prévoit de réduire le volume intérieur de l'enceinte en déformant définitivement une autre de ses parois, pour amener l'enceinte à la valeur volumétrique à laquelle le disque cintré passera de l'état concave à l'état convexe dès que la température déterminée sera atteinte. Selon une autre caractéristique, la présente invention prévoit une méthode pour ajuster à une valeur déterminée la température de libération d'une capsule, c'est-à-dire sa température de retour à l'état initial concave Le disque cintré formant une paroi de l'enceinte est relié à un réservoir cylindrique, fermé à l'une de ses extrémités et constituant les autres parois de l'enceinte, par le moyen d'une collerette située du côté opposé à l'extrémité fermée du réservoir et initiale- ment orientée radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe du cylindre Cette méthode prévoit de déformer définitivement la collerette pour l'amener à un angle par rapport à la direction radiale qui permet le bascule- ment du disque de l'état convexe à l'état concave, lorsque la capsule se trouve chauffée à la valeur de température déterminée pour la libération. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent: la figure 1, une vue en coupe schématique d'un commutateur électrique thermosensible de type connu la figure 2, une vue analogue en coupe d'un autre coimimutateur électrique thermosensible de type connu; la figure S, une vue schématique de l'écrasement de la capsule conformément à l'une des réalisations de l'invention; la figure 4, une vue schématique de l'ajustement de la collerette de la capsule conformément à une autre réalisation de l'invention; les figures 5 a et 5 b, le schéma de deux possiblités d'ajustement de la collerette de la capsule, conformément à l'invention. Le commutateur de type connu représenté par la figure 1 comprend une capsule cylindrique 1 contenant un liquide volatile tel que du di-chlorodi-fluoro méthane (C C 12 F 2) vendu sous la marque "FREON", la paroi inférieure de la capsule étant formée par un mince disque métallique 2, cintré vers l'intérieur Cette capsule est montée dans un élément 3 en matériau isolant électrique approprié Sur sa face externe le disque présente une colonne 4 en relation de commande mécanique avec la partie centrale d'un disque métallique à fentes 5 Le bord de ce disque est fixé dans la structure du commutateur comme représenté. Au-dessous du disque 5, mais sans contact avec lui, il est prévu un autre disque 6, tel qu'une rondelle Belleville dont le bord est fixé sur la structure du commutateur Il est également prévu deux contacts électriques comprenant deux broches 7 et 8 de branchement sur un dispositif électrique Le premier contact est constitué par le disque 5 qui est électriquement relié à la broche 8 par l'intermédiaire de la partie 9 tandis que le deuxième contact est constitué par le disque 6, électriquement relié à la broche 7. Quand la température atteint le niveau pour lequel le commutateur est réglé, la pression de la vapeur à l'intérieur de la capsule fait basculer le disque cintré de sa position concave à sa position convexe Sous l'effet de cette poussée, la colonne 4 amène la partie centrale du 10300 disque à fentes 5 en prise avec le disque 6, complétant ainsi le circuit électrique. Le commutateur représenté par la figure 2 est analogue à celui de la figure 1, dont il diffère par certains aspects afin de constituer un contact de repos Un disque à fentes 10, mécaniquement commandé par la capsule 1, est indirectement relié à la broche de connexion électrique 8 par l'intermédiaire d'un élément métallique de support 12 Cependant, sa partie centrale est en contact avec un élément 11 qui est relié par une soudure 7 a à la broche de connexion 7 On voit donc que les contacts du commutateur sont normalement fermés. Quand la température atteint le niveau auquel on désire que le commutateur fonctionne, le disque 2 fait descendre le disque 10, ce qui rompt le contact entre les éléments 10 et 11. Dans les deux commutateurs qui viennent d'être décrits, dès que la température tombe au-dessous de la valeur pré-réglée, la condensation de la vapeur fait revenir le disque cintré 2 dans sa position représentée sur les figures. Différentes autres variantes de tels commutateurs ou dispositifs électriques utilisant une capsule telle que la capsule 1 sont possibles Il est aussi possible de réaliser un contact inverseur en combinant de manière appropriée les dispositions des figures 1 et 2 Un commutateur peut être rendu réglable au moyen d'un dispositif de chauffage contenu dans la capsule Il peut être prévu un ressort dans la capsule pour aider à définir la température de réponse du commutateur. Les éléments de la structure de base de la capsule sont soudés ensemble On a décrit précédemmeet le remplissage de la capsule comme étant du C C 12 F 2, mais F il rie s'agit là que de l'un des nombreux halocarbures au fluor ou autres liquides ou gaz susceptibles de convenir Par un choix approprié du remplissage, la température de fonction- nement du commutateur peut être fixée en un point quelconque d'une large gamme de températures, entre par exemple + 300 C 2 ? 10300 et + 20)0 C, bien que les limites théoriques déterminées par le fluorure disponible sur le marché se situent autour de -200 'C ?, + 20100 C Les caractéristiques dont dépend le fonctionnement sont les courbes de la relation température-pression de la vapeur, et ces courbes, contrairement à celles de la loi des gaz, présentent un caractère logarithmique. Plusieurs modifications apportées par l'invention aux capsules connues décrites dans ce qui précède vont maintenant être exposées, le but de ces modifications étant d'améliorer les performances des commutateurs ou autres dispositifs dans lesquels sont incorporées les capsules thermosensibles. Le disque cintré 2, conçu pour basculer lorsque la pression qui s' exerce sur lui atteint une valeur donnée, peut être fabriqué à partir d'un matériau quelconque possédant une grande élasticité et des possibilités d'élongation suffisantes pour lui permettre de prendre la forme requise Trois matériaux ont été habituellement utilisés: le cuivre au béryllium, le bronze au phosphore et l'acier inoxydable laminé à froid Des trois, l'acier inoxydable laminé à froid a reçu la préférence par suite de son faible prix de revient comparé aux autres solutions à base de cuivre Malheureusement, les disques fabriqués en acier inoxydable laminé à froid ont le défaut de présenter une relaxation des contraintes lorsqu'ils sont exposés à une température élevée, ce qui entraîne des dérives de la réponse thermique dans le commutateur finalement obtenu. Pour résoudre ce problème il a été trouvé intéressant de fabriquer les disques 2 à partir d'acier inoxydable à durcissement stuctural, tel que l'acier Armco 17-7 PH Les disques sont formés dans ce matériau à l'état de recuit, donc exempt de contraintes Après formage, les disques sont durcis par traitement thermique afin d'obtenir les propriétés d'élasticité requises. Ce traitement comporte, par exemple, les phases suivantes a) chauffage à 760 %C + 140 C et maintien à cette température pendant 90 minutes b) refroidissement à 151 C 6 %C dans le délai d'une heure et maintien à cette température pendant une heure c) chauffage à 5600 C 60 C et maintien à cette température pendant 90 minutes, enfin, d) refroidissement à l'air libre à température ambiante (c'est la méthode recommandé par les fournisseurs). Les disques ainsi obtenus ont une bonne stabilité jusqu'à environ 2001 C Les essais ont montré que les commutateurs thermiques de types classiques utilisés sur un dispositif de chauffage à ventilation présentaient des écarts considérables de températures de fonctionnement et d'arrêt lorsqu'on les soumettait à une température de 1001 C (équivalant à un dépassement de 20 %C de la température permise) pendant 48 heures Or, l'écart pour des commuta- teurs utilisant des capsules à disque en acier inoxydable à durcissement structural et placésdans les mêmes conditions, était négligeable, ce qui montre que ce 2 G matériau procure une meilleure stabilité aux températures élevées Il est encore possible d'utiliser du cuivre au béryllium à durcissement structural pour la fabrication de ces disques. Il est souhaitable que les commutateurs ou autres dispositifs commandés par pression de vapeur soient protégés contre les températures excessives Il suffit pour cela de veiller à n'introduire dans la capsule que le volume minimum de liquide De cette manière, la capsule fonctionnera normalement dans le mode logarithmique jusqu'aux limites de saturation de la vapeur; toutefois, dans l'éventualité d'une température excessive, le fonctionnement s'étend au-delà de la limite de saturation de la vapeur et le remplissage se comporte comme un gaz et obéit à la loi des gaz Le taux d'augmentation de la pression en fonction de la montée en température à l'intérieur de la capsule se trouve de ce fait réduit, protégeant ainsi la capsule A titre d'exemple, on remplit une capsule, réalisée sur la base d'un réservoir analogue à îS 1 OR O O un boîtier de transistor T 03 de 7 mm de haut, de 30 Jlitres de liquide, ce qui lui permet de résister à une surchauffe de 500 C. Dans certaines applications, des commutateurs ou autres dispositifs électriques thermosensibles, il est souhaitable que la température de fonctionnement ait une tolérance plus étroite que la tolérance de 30 C réalisée avec les techniques de fabrication courantes. Il faut donc pouvoir ajuster la température de fonction- nement en conséquence au cours du processus de fabrication de la capsule Ceci peut être réalisé en réduisant le volume interne de la capsule, par déformation du réservoir L'ajustement de la température de fonctionne- ment peut ainsi être effectué de manière totalement automatique. Une méthode possible pour la réduction du volume de la capsule est représentée par la figure 3. Elle prévoit simplement d'enfoncer une boule 13 sur l'extrémité d'un réservoir 14 constituant une partie de la capsule 1 La capsule 1 est maintenue sur un montage , représenté schématiquement et maintenu à la température souhaitée de fonctionnement La boule 13 est descendue lentement, dans le sens de la flèche A, contre la face terminale du réservoir 14 de façon à la déformer, jusqu'au point de fonctionnement de la capsule, c'est-à- dire jusqu'à ce que le disque 2 bascule dans sa position inverse Cette méthode convient particulièrement pour l'ajustement automatique de la température de fonctionne- ment des capsules Un tel ajustement automatique se fera essentiellement à l'aide d'un montage chauffé, de moyens pour la mise en place successive sur ce montage des capsules à régler, d'un moyen de déformation du réservoir, poussé lentement en direction du réservoir jusqu'à ce que le disque bascule de la position concave à la position convexe l'action de basculement pouvant être utilisée pour commander un commutateur empêchant le moyen de déformation de continuer à progresser en direction du réservoir ainsi que d'un moyen destiné à enlever les 10300 capsules du montage une fois ajustées Cette méthode d'écrasement du réservoir permet d'ajuster la température de fonctionnement à 10 C près La possibilité maximale d'ajustement d'une capsule basée sur les dimensions d'un boîtier de transistor 103 est de l'ordre de 90 C. Certaines autres applications de commutateurs ou autres dispositifs électriques thermosensibles nécessitent de pouvoir contrôler étroitement la température de libération Il a été trouvé qu'il est possible de régler la température de libération sans influencer sensiblement la température de fonctionnement Ceci est obtenu en déformant délibérément la collerette 16 (figure 3) de la capsule 1 de façon à faciliter le basculement du disque cintré soit vers l'intérieur, soit vers l'extérieur, par rapport au réservoir 14 de la capsule Comme on le voit sur les figures 5 a et 5 b, il est possible d'utiliser un angle de distorsion 9 négatif ou positif Lorsqu'on utilise un angle O négatif, il est possible de réduire l'hystérésis de la capsule A titre d'exemple on a représenté un angle de l'ordre de 100, bien qu'un angle se situant entre 5 et 200 puisse être utilisé. La figure 4 représente un montage pour ajustement de la collerette de la capsule Ce montage est constitué simplement par deux éléments creux 17 et 18 entre lesquels peut être disposée une capsule 1 Les surfaces parallèles en vis-à-vis 19 et 20 sont orientées sous un angle approprié 6 par rapport à l'horizontale, grâce à quoi, lorsqu'on amène graduellement les deux éléments l'un vers l'autre par l'application d'une force F, la collerette 16 se trouve graduellement et définitivement déformée selon le même angle H La collerette de la capsule peut être déformée dans le sens négatif en disposant la capsule dans le sens inverse dans le montage, ou bien en plaçant l'élément 18 par-dessus l'élément 17 et en appliquant la force F à l'élément 18 à la place de l'appliquer à l'élément 17. Tout comme sa température de fonctionnement, la 10300 température de libération d'une capsule peut être ajustée en déformant progressivement la collerette 16 pendant que l'on chauffe la capsule à la température de libération requise, jusqu'à ce que le disque bascule de l'état convexe à l'état concave L'ajustement de la collerette peut ainsi, dans ce cas également, être rendu automatique. Il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. 2 510300 REVENDICATIONS 1 Capsule destinée à servir d'élément thermo- sensible, constituée par une enceinte scellée contenant un liquide ou un gaz et dont l'une des parois est formée par un disque cintré, ladite capsule étant caractérisée par le fait que lorsque la température à laquelle elle est soumise passe par une valeur déterminée, la pression de la vapeur contenue dans l'enceinte ( 1) se trouve ainsi modifiée qu'elle fait passer le disque cintré ( 2) de sa position concave à sa position convexe, ou l'inverse, et par le fait que le disque ( 2) est réalisé en acier inoxydable à durcissement structural ou en cuivre au béryllium à durcissement structural. 2 Capsule conforme à la revendication 1, caractérisée par le fait que l'acier inoxydable à durcis- sement structural est de l'acier Armco 17 7 PH. 3 Capsule conforme à l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que le disque ( 2) est réalisé en acier inxoydable à durcissement structural à l'état de recuit, et par le fait que le disque obtenu par formage est ensuite durci par traitement à la chaleur. 4 Capsule destinée à servir d'élément thermosensible, constituée par une enceinte scellée contenant un liquide et dont une paroi est formée par un disque cintré, caractérisée par le fait que lorsque la température à laquelle elle est soumise passe par une valeur déterminée, la pression de la vapeur contenue dans l'enceinte ( 1) se trouve ainsi modifiée qu'elle fait passer le disque cintré ( 2) de sa position concave à sa position convexe, ou l'inverse, et par le fait que la capsule est remplie d'une quantité minimale de liquide de telle sorte qu'elle fonctionne normalement dans le mode logarithmique jusqu'à la limite de saturation de la vapeur, mais que dans l'éventualité d'une température excessive le remplissage se comporte comme un gaz, obéissant à la loi 10300 des gaz, permettant ainsi de réduire le taux d'augmenta- tion de la pression en fonction de l'augmentation de la température à l'intérieur de la capsule. Méthode d'ajustement à une valeur déterminée de la température de fonctionnement d'une capsule destinée à servir d'élément thermosensible, ladite capsule (J) étant constituée par une enceinte scellée ( 14) contenant un liquide ou un gaz, conçue de telle sorte que lorsque la température à laquelle est soumise la capsule passe par une certaine valeur,constituant la température de fonctionnement, la pression de la vapeur à l'intérieur de l'enceinte ( 14) se trouve ainsi modifiée qu'elle fait passer le disque cintré ( 2) formant l'une des parois de l'enceinte de sa position concave à sa position convexe, ladite méthode étant caractérisée par le fait de réduire le volume interne de l'enceinte ( 14) en déformant définitivement une autre de ses parois, pour l'amener à une valeur volumétrique entraînant le basculement du disque d'une position dans l'autre chaque fois que la température à l'intérieur de l'enceinte est portée à ladite valeur déterminée. 6 Méthode conforme à la revendication 5, caractérisée par le fait que le volume interne de la capsule ( 1) est progressivement réduit par déformation graduelle d'une paroi autre que celle formée par le disque ( 2) tout en chauffant la capsule à la température de fonctionnement prédéterminée, jusqu'à ce que le disque cintré ( 2) passe de sa position concave à sa position convexe. 31 7 Méthode conforme à la revendication 6, caractérisée par le fait que la déformation progressive est réalisée en enfonçant graduellement une boule ( 13) dans la paroi de l'enceinte ( 14) qui est située à l'opposé du disque cintré ( 2). 8 Méthode pour ajuster à une valeur déterminée la température de libération d'une capsule destinée à servir d'élément thermosensible, ladite capsule ( 1) étant constituée par une enceinte scellée ( 14) contenant 10300 un liquide ou un gaz, conçue de telle sorte que lorsque la température à laquelle est soumise la capsule ( 1) passe par une certaine-valeur, constituant la température de libération, la pression de la vapeur à l'intérieur de l'enceinte se trouve ainsi modifiée qu'elle fait passer le disque cintré ( 2) formant l'une des parois de l'enceinte ( 14) de sa position convexe à sa position concave, le disque étant relié à un réservoir cylindrique, par le moyen d'une collerette ( 16) initialement orientée radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe du cylindre, ladite méthode étant caractérisée par le fait qu'elle prévoit une déformation définitive de la collerette. 9 Méthode conforme à la revendication 8, caractérisée-par le fait que le réservoir cylindrique ( 14) est fermé à l'une de ses extrémités et constitue les autres parois de l'enceinte, le disque cintré ( 2) étant connecté à l'extrémité opposée du réservoir par ladite collerette ( 16), et que cette collerette est déformée de manière définitive pour l'écarter du plan perpendi- culaire à l'axe du réservoir cylindrique d'un angle ( 6) tel que le disque se trouve entraîné à basculer de l'état convexe à l'état concave lorsque la capsule est chauffée à la température déterminée de libération. 10 Méthode conforme à la revendication 8 au 9, caractérisée par le fait que la collerette ( 16) est progressivement déformée de manière définitive tout en chauffant la capsule ( 1) à la température de libération déterminée, jusqu'à ce que le disque cintré ( 2) bascule de l'état convexe à l'état concave. 11 Méthode conforme à l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée par le fait que la collerette ( 16) est déformée dans la direction opposée à l'extrémité fermée du réservoir. l 2 Commutateur électrique thermosensible, caractérisé par le fait qu'il comprend une capsule ( 1) fabriquée ou ajustée conformément à l'une quelconque des revendications 1 à 11.