Brevet FR2501903A1 — publié le 19820917

1.- L'invention concerne un commutateur à contact liquide fonctionnant dans n'importe quelle position, sans bat- tement et avec une fréquence dé commutation élevée. En dehors de son domaine principal d'application, l'électronique, le commutateur conforme à l'invention peut éga- lement être utilisé comme convertisseur électromécanique-analo- gique ou numérique, directement pour des grandeurs telles que la pression et l'accélération. On connait des commutateurs à contact liquide, qui sont constitués d'au moins deux électrodes électriquement isolées l'une de l'autre et munies de surfaces de contact, ainsi que d'un liquide de contact se trouvant entre les surfaces de contact des électrodes. Grâce à ce liquide de contact, une liai- son électriquement conductrice peut être réalisée entre les électrodes. Ces solutions techniques connues présentent diffé- rents inconvénients. L'un de ces inconvénients est leur sensibi- lité de positionnement. L'indépendance du mode de fonctionnement du contact liquide par rapport au positionnement, peut certes, 8tre obtenue par la prépondérance de la pression de Laplace par rapport à la pression graviphique. Voir à ce sujet: 1ère édi- tion. Editions communautaires de la librairie MIR, MOSCOU et de la librairie allemande "Veb ffir Grundetoffindustrie" Leipzig. Cela n'est toutefois pas possible dans tous les cas d'applica- tion. Une autre proposition connue est contenue dans le document DE-OS 2 347 851. L'inconvénient à mentionner dans ce cas est la fréquence de commutation limitée résultant du principe de refoulement de mercure au moyen de piston plongeur. Le commutateur selon le document DD-WP 110 384 comporte également des inconvénients. Les raccordements de contact pénétrant dans un capillaire de diamètre constant ou bien même traversant diamétralement celui-ci provoquent une rup- ture du liquide de contact lors de la propagation de fréquences de travail éventuellement élevées. La position de repos n'est pas définie et elle est uniquement déterminée par le frotte- ment réduit d'adhérence, résultant dans une large mesure de la pression de Laplace, entre le liquide de contact et la paroi du capillaire. Il en résulte une stabilité de position insuffi- sante dans le cas d'oscillations, une inconstance de la valeur de réponse, une inconstance des trajets d'isolation et donc, 2.- également, de la résistance d'isolation entre les raccordements de contact. l es inconvénients d'un commutateur seloh le do- cument DE-AS 1 811 489 résultent des dimensiontements réduits possibles dans la direction radiale et axiale de l'installa- tion, dimensionnements qui résultent eux-m9mes du volume maximal de 10-6 cm3 indiqué comme nécessaire pour l'aptitude au fonc- tionnement. La distance des surfaces de contact des électrodes, le diamètre des canaux transversaux co-axiaux et le volume du liquide de contact, ne peuvent varier que dans certaines condi- tions. Cela résulte des conditions por la constitution d'une caténoïde de rotation constituée par le liquide de contact et qui, pour les possibilités décrites dinterruption du circuit, doit être dimensionnére au voisinage de la limite de stabilité en ce qui concerne l'intervalle entre les surfaces de contact des électrodes. Les corrélations mathématiques et pkhysiques en ce qui concerne la caténoide de rotation, sont exposées dans ltouvrage Wolf, K.-L.: Physik und Chemie der Grenzfltchen, tome 2, pages 22 à 41, Springer-Verlag OHG, Berlin/GGttingen/Heidel- berg, 1959, ainsi ce dispositif est très sensible aux tolranrces en ce qui concerne les critères indiqués, et difficile à con- tr8ler techniquement. En outre, seuls de petits trajets dtisola- tion entre les suxrfaces de contact des électrodes sont possibles, ce qui exclu l'aptitude à la commutation de tension élevée. Un autre inconvénient est la formation, imposée pour des raisons physiques, de petites gouttelettes séparées lors du passage du volume unitaire du liquide de contact en deux volumes partiels séparés pour interrompre le circuit, ce qui correspond à l'état "ouvert". Pour garantir les paramètres électriques constants souhaités, ces gouttelettes séparées doivent être réunies à nou- veau avec le reste du liquide de contact par des dispositions supplémentaires. Un inconvénient d'un commutateur selon le docu- ment US-PS 3 539 743 est l'amenée du produit en écoulement à travers une substance poreuse dans un dispositif à une ou plu- sieurs couches. La résistance à l'écoulement qui en résulte li- mite la vitesse de commutation. Le but de l'invention est de créer un commuta- teur à contact liquide qui évite les défauts précités des solu- tions techniques comnnues et qui se distingue particulièrement 3.- par la sécurité élevée avec laquelle s'établit le contact et- la simplicité de la technologie de réalisation. Le problème posé à l'invention est de réaliser un commutateur à contact liquide fonctionnant dans toutes les positions avec des efforts de ma- noeuvre très réduits et sans battement, même pour des fréquences de commutation très élevées, et qui possède, en même temps, une constitution technologiquement avantageuse. A cet effet, l'invention concerne un commutateur à contact liquide avec au moins deux électrodes fixes isolées électriquement l'une de l'autre, entre les surfaces de contact desquelles un contact est réalisé au moyen d'un liquide de con- tact, commutateur'caractérisé en ce que, dans un espace consti- tué par deux élargissements auxquels sont respectivement asso- ciées deux électrodes et qui sont reliés par un rétrécissement, espace dont les parois sont constituées par un matériau non mouillable, est disposé un liquide de contact constitué d'uni volume toujours cohérent, qui est déplacé par un produit en écou- lement à travers les orifices se trouvant dans les élargisse- ments, ou bien qui est déplacé par une force externe. Il est avantageux de prévoir que, entre les ori- fices est disposée au moins une résistance à l'écoulement, ré- duisant l'effort exercé sur le liquide de contact et résultant de l'action développée par le produit en écoulement. Si deux élargissements sont reliés entre eux par l'intermédiaire d'une résistance à l'écoulement, il est alors possible pour un choix convenable de l'importance et du sens de l'effort agissant sur le liquide de contact, de passer d'une position de repos dans une seconde position de repos sta- ble. De cette façon, un comportement bistable en position peut être réalisé. La disposition des électrodes munies de surfaces de contact dans les élargissements capillaires et dans le rétré- cissement, s'effectue de façon telle que des caractéristiques de commutation déterminées sont obtenues, les surfaces de con- tact n'ayant de façon avantageuse aucune influence sur la sta- bilité de position du fait qu'elles ne sont pas mouillées. Le dispositif conforme à l'invention permet ain- si par exemple la réalisation de commutateurs à contact liquide sous la forme de contacteurs, de disjoncteurs, et d'inverseurs pour un fonctionnement monostable ou bistable. 4.- L'inverseur est en outre susceptible d'être réalisé pour les fonctions de commutation d'ouverture avant fer- meture ou bien de fermeture avant ouverture. La disposition des surfaces de contact parallèlement à. la direction de déplacement du liquide de contact, garantit un fonctionnement exempt dans une large mesure de battement du commutateur à contact liquide. L'invention va être exposée plus en détail en se référant à deux exemples de réalisation représentés sur les dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale par- tielle du commutateur conforme à l'invention; - la figure 2 est une coupe selon la ligne A-A de la figure 1, - la figure 3 est une coupe longitudinale d'une autre forme de réalisation du commutateur selon l'invention. Le comportement bistable en position d'un liqui- de de contact 1 du dispositif conforme à l'invention selon la figure 1, est obtenu grâce à la surface minimale par rapport à d'autres possibilités de position du liquide de contact 1, lors du remplissage dans une large mesure d'un des élargissements 2 et 3 avantageusement identiques en forme et en volume. Par l'intermédiaire des électrodes 4 et 5 et du liquide de contact 1, un circuit est fermé. Le passage du liquide de contact 1 dans l'autre état stable est réalisé par l'action de la pression du fluide en écoulement amené par l'intermédiaire d'un orifice 8 ou 9. L'effort résultant de cette action de la pression doit être supérieur à la force antagoniste résultant de la tension su- perficielle lors du refoulement du liquide de contact 1 dans le rétrécissement 10 du capillaire. Après l'introduction du li- quide de contact 1 dans l'élargissement 3, la liaison électri- quement conductrice entre les électrodes 6 et 7 est établie et elle est interrompue entre les électrodes 4 et 5. Le fluide sus- ceptible de s'écouler se trouvant dans le rétrécissant 10 et dans l'élargissement 3, peut être évacué par l'intermédiaire d'un orifice 9. Les dimensions et la forme des orifices 8 et 9 sont prévues de façon telle qu'une pénétration du liquide dans l'un des deux orifices 8 et 9 provoquée lors de l'écoulement depuis l'élargissement 2 dans l'élargissement 3 et inversement, par l'effet de pression exercée par le fluide en écoulement, et l'énergie cinétique du liquide de contact 1, soit empêchée. 250 1903 5.- Cela signifie que la somme des composantes de force perpendicu- laire à la section transversale des orifices 8 et 9, doit être inférieure à la force antagoniste résultant de la tension super- ficielle lors de la pénétration du liquide de contact 1 dans les orifices 8 et 9. Le comportement bistable en position du liquide de contact permet de déclencher le processus d'écoulement depuis l'élargissement 2 dans l'élargissement 3 et inversement, au mo- yen d'impulsions de pression d'une grandeur suffisante et d'une durée dépendant de cette grandeur. Les impulsions de pression prennent naissance par exemple par abaissement de la différence de pression sur le liquide de contact 1 au moyen de la décharge d'une capacité volumétrique par l'intermédiaire d'une résistance à l'écoulement 11. De lentes modifications de la pression par suite des influences de la température ou de modifications de la capacité volumétrique, sont efficacement compensées par l'in- termédiaire de la résistance à l'écoulement 11. Une forme de réalisation comme commutateur mono- stable à contact liquide est représentée sur la figure 3. Le liquide de contact 1 remplit dans la position de départ un élar- gissement 12. L'énergie superficielle libre est minimale. Des électrodes 13 et 14 sont reliées de façon électriquement conduc- trices par l'intermédiaire du liquide de contact 1. Par action du produit d'écoulement, le liquide de contact 1 est refoulé par- tiellement ou totalement dans le rétrécissement d'un capillaire 15. La liaison électriquement conductrice entre les électrodes 13 et 14 est alors interrompue et une telle liaison est établie entre les électrodes 14 et 16. Lorsque la différence de pression efficace et l'action en résultant en direction du capillaire 15 tombent au-dessous de la force antagoniste résultant de la tension superficielle du liquide de contact 1, ce. liquide de contact 1 doit s'écouler en retour dans l'élargissement 12 et y prendre la position stable de départ. Un abaissement défini de la différence de pression sur le liquide de contact 1, par exem- ple au moyen de la résistance d'écoulement 11, est avantageux dans le cas de l'utilisation de cette forme de réalisation du dispositif conforme à l'invention en tant qu'organe temporisé. Une autre possibilité de manoeuvre du commuta- teur à contact liquide, est obtenue par l'action d'une force d'accélération externe, d'une importance et d'une direction ap- 6.- propriées, sur le liquide de contact 1, Une différence de pres- sion sur le liquide de contact 1 exercée par le fluide d'écou- lement refoulé, est abaissée par l'intermédiaire d'une résistan- ce à l'écoulement 11. Ou bien les orifices 8 et 9 aboutissent à des voluqes supplémentaires qui ont une dimension telle que la différence de pression est limitée. Les orifices 8 et 9 peuvent être avantageusement supprimés lorsque le déplacement du liquide de contact s'effec- tue dans le vide ou bien dans des conditions analogites au vide. L'absence de mouillage des surfaces de contact par le liquide de contact 1t permet la disposition favorable pour le fonction- nement de ces surfaces de contact à ieextremité frontale et/ou en totalité ou paetiellement à la périphérie du capillaireo Le commutateur conforme à l'invention selon la figure 1 peut 9tre réalisé en tant qui úreur, en ce qu'urne des électrodes 4 ou 5 est reliée avec lelu1e des électrodes 6 ou 7, auquel cas avant la liaison électriquement conductrice des électrodes 6 et 7 par le liquide de contact 1, la liaison élec- triquement conductrice entre les électrodes 4 et 5 est interrom- pue. Cette solution constitue une réalisation de la fonction ouverture avant fermeture. Pour une distance réduite minimale des électrodes 4 et 5 et des électrodes 6 et 7, et/ou lune faible longueur et/ou un faible volume du rétrécissement 10 du capillaire, on peut également réaliser une fonction de commutation fermeture avant ouverture; La réalisation selon la figure 1 constitue, sans les électrodes 4 et 5, un contacteur et sans les électrodes 6 et 7, un disjoncteur, lorsque dans la position de départ, le liquide de contact 1 se trouve dans l'élargissement 2. Le com- mutateur à contact liquide conforme à l'invention, est notam- ment susceptible d'une réalisation du type planaire selon le procédé d'injection de plastique technologiquement contrôlable dans de bonnes conditions. 7.- R E V E N.D I C A T I 0 N S 1.- Commutateur à contact liquide avec au moins deux électrodes fixes isolées électriquement l'une de l'autre, entre les surfaces de contact desquelles un contact est réalisé au moyen d'un liquide de contact, commutateur caractérisé en ce que dans un espace constitué par deux élargissements (2, 3)aux- quels sont respectivement associées deux électrodes (4, 5'et 6, 7) et qui sont reliés par un rétrécissement (10), espace dont les parois sont constituées par un matériau non mouillable, est disposé un liquide de contact constitué d'un volume tou- jours cohérent, qui est déplacé par un produit en écoulement à travers les orifices (8, 9) se trouvant dans les élargissements (2, 3) ou bien qui est déplacé par une force externe. 2.- Commutateur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que, entre les orifices (8, 9) est disposée au moins une résistance à l'écoulement (11) réduisant l'effort exercé sur le liquide de contact (1) et résultant de l'action développée par le produit en écoulement.