Brevet FR2536578A1 — publié le 19840525

La présente invention concerne des commuta- teurs électriques et, plus particulièrement des commu- tateurs du type dans lequel un conducteur à lame complète un circuit entre des contacts de commutation. Il est parfois nécessaire de procéder à une commutation électrique dans un environnement éloigné o règnent des températures élevées, et o agissent des forces centrifuges importantes Par exemple, dans un moteur à turbine à gaz, les températures peuvent d 9 passer 5380 C et les composants tournants être soumis à des forces centrifuges de l'ordre de 10 000 go Dans un environnement de cette nature, les moyens courants de commutation à distance, tels que transistors et relais, s'avèrent inadaptés à un tel emploi En outre, t 5 lee sujétions de place à l'intérieur de tels moteurs ont pour conséquence que les commutateurs quails renferment doivent avoir des dimensions minimales. La présente invention a pour buts de réaliser un commutateur électrique perfectionné; un commutateur électrique perfectionné, manoeuvré à distance, qui est capable de supporter les températures élevées de son environnement; un ccan tur électrique perfectionné qui peut fonctionner dans un environnanent soumis & des forces centrifuges élevées Un mode de réalisation du commutateur de la présente invention comprend une série de bornes qui sont supportées à proximité d'un conducteur mobile. L'application sélective à ce conducteur d'un fluide sous pression par l'intermédiaire d'un canal se traduit par sa venue en contact avec les bornes. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en coupe d'un mode de réalisation de la présente invention; figure 2, une vue éclatée d'un autre mode de réalisation de la présente invention; figure 3, un mouvement de rotation auquel peut être soumis un mode de réalisation de la présente invention. En figure 1, on a représenté un mode de réalisation de la présente invention, o un logement 3 renferme une chambre 6 en forme de "V" Une première paroi 9 de la chambre forme le premier jambage du "V" et une deuxième paroi 12 le second jambage Un premier conducteur électrique 15 sétend, tout en y étant assu- jetti, le long de la première paroi 9 Ce conducteur est de preféerence constitué deune fine feuille métalli- que allongée, par exemple en acier inoxydable ou en alliage constitué de nickel et de chrome, dont l'épais- seur est d'environ 0,076 mmo La feuille peut être reve tue d'un matériau ayant une faible résistivité tel que loro Un second conducteur électrique 18 est fixé au sommet du V, c'est-à-dire dans une zone ayant pour référence 21 Les deux conducteurs 18 et 15 s'étendent- dans le logement à partir du sommet du "V" en s'écar- tant l'un de l'autre, c'est-àdire dans une zone ayant pour référence 24, et dans cette zone sont séparés l'un de l'autre par un isolant électrique 27 inséré entre eux L'isolant 27 peut être constitué d'un matériau approprié résistant aux hautes températures, tel que le verre, une céramique, ou l'amiante. Le second conducteur 18 s'étend dans la chambre 6, le long ou à proximité de la deuxième paroi 12 Le second conducteur 18 est de préférence allonge, en ce sens qu'il s'éloigne de la zone 21 comportant le sommet du "Vi' pour suivre sensiblement la longueur 30 de la chambre 6 Le second conducteur 18 a d'autre part la forme d'une lame en ce sens qu'il est allonge, large, de faible épaisseur (cette épais- seur étant d'environ 0,076 mm), et flexible Le logement 3 contient un canal 33 d'admission d'air qui débouche dans la chambre 6 après avoir traversé la deuxième paroi 12 Le logement 3 contient d'autre part un canal 36 d'échappement d'air qui communique avec la chambre en pénétrant dans la première paroi 9 ainsi que dans le premier conducteur 150 Le côté large, c'est-à-dire le côté en regard du premier conducteur 15, du second conducteur 18 a de préférence une forme iden- tique à celle de la deuxième paroi 12, mais ses dimen- sions sont légèrement plus petites de sorte qu'il y a un jeu de, par exemple 0,025 mm entre ce conducteur et le logement 3, le long des arêtes 37, 39 et 42 Les arêtes 37, 39 et 42 sont illustrées plus clairement en figure 3 et le jeu est représenté par des espaces 37 A, 39 A et 42 A. Comme il est flexible, le second conduc- teur 18 peut se déplacer dans le sens des flèches 48 et 51, mais il a naturellement tendance à ne pas rester en contact avec le premier conducteur 15 soit à cause de son élasticité inhérente, soit par suite de la charge centrifuge à laquelle il est soumis, comme cela sera ultérieurement expliqué. Le commutateur de la figure 1 fonctionne, en l'absence de charge centrifuge, de la manière suivante Le second conducteur 18 sert à diviser la chambre 6 en deux compartiments, c'est-à-dire 6 A et 6 B. On introduit dans le canal d'admission d'air 33 un fluide comprimé tel que de l'air, ce qui a pour effet d'augmenter le volume du compartiment 6 B et d'appli- quer au second conducteur 18 une force dirigée dans le sens de la flèche 48, d'o il résulte que ce second conducteur se déplace pour venir en contact avec le premier conducteur 15 En se déplaçant aisi, le second conducteur 18 réduit les dimensions du compartiment 6 A et l'air entraîné par cette réduction s'échappe en passant par le canal 36 Si l'on cesse d'introduire de l'air sous pression dans le canal d'admission 33, l'élasticité du second conducteur 18 (et éventuelle- ment, là encore, la force centrifuge) en provoquera le déplacement dans le sens de la flèche 51, ce qui aura pour effet de déplacer l'air enfermé dans le compartiment 6 B et son évacuation par le canal 33. Naturellement, ce dernier mouvement peut être facilité par application d'air sous pression au canal d'échap- pement 36. Un second mode de réalisation de la pré- sente invention est représenté sous for-me éclatée en figure 2 Dans cette figure, une première base rectan- gulaire 65, qui est de préférence réalisée en cérami- que massive, résistant à la chaleur, par exemple du saphir ou de l'oxyde d'aluminium appliqué par pulvéri- sation sur un substrat en acier inoxydable, est tra- versée par et supporte une paire de bornes électriques en forme de tige ou contacts 68 A, 68 B Un canal d'échappement 70 -traverse la première base 65 Une première couche rectangulaire ou lamelle 71 de faible épaisseur, au centre de laquelle est découpé un trou rectangulaire 72, est supportée par la base 65 Le trou rectangulaire 72 doit être suffisamment grand pour permettre le passage des bornes 68 A-B de façon que la première couche rectangulaire puisse venir en contact avec la base 65. Une seconde couche rectangulaire de faible épaisseur 73 est placée contre la première couche 71 o La seconde couche 73 comprend un élément de contact ou lame 74 qui peut être formé dans la couche 73 en découpant des fentes parallèles 75 et 77 dans cette couche, les fentes étant reliées par une fente 79; on obtient ainsi un élément de contact allongé, de faible épaisseur, supporté en un endroit 80 Comme la seconde couche 73 est de préférence réalisée en maté- riau fin, l'élément de contact 74 peut se déplacer dans le sens des flèches 83 et 86, c'est-à-dire qu'il est flexible et peut pivoter autour de la zone de sup- port 80 dans le sens de ces flèches On remarquera que la distance 68 C, c'est-à-dire la distance d'extension des bornes 68 A-B au-dessus de la surface de la base rectangulaire 65, doit être inférieure à l'épaisseur de la première couche rectangulaire 71 Sinon, l'élé- ment de contact 74 touchera à tout instant les bornes 68 A-B, ce qui aura pour effet de fermer le circuit relié à ces bornes Cependant, il peut être souhaita- le, dans certains cas,de construire un commutateur d&ins lequel l'élément 74 touche normalement les bornes 68 A-Bo Dans ce cas, l'élément de contact sera désoli- darisé des bornes 68 A-B par application d'air sous pression au canal d'échappement 70 Une troisième couche rectangulaire 80, ayant de préférence des dimensions et une forme identi- ques à celles de la première couche 71, est placée sur le dessus de la seconde couche 73 Une seconde base rectangulaire 81, contenant un canal d'admission 84, ne présentant pas de structures analogues aux bornes 68 A-B, mais par ailleurs identique à la base rectangu- laire 65 est placée sur le dessus de la troisieme couche 80 La structure venant d'être décrite forme un empilage de cinq couches quipeuvent être fixées ensemble par un moyen approprié, par exemple en faisant passer des boulons (non représentés) dans des trous 88, en procédant à une liaison par diffusion ou à une opé- ration de soudageo Dans une réalisation recommandée de ce second mode, tous les composants rectangulaires ont une longueur de 1,95 cm et une largeur de 0,95 cm, dimensions qui correspondent, respectivement, aux cotes 92 et 93 L'épaisseur des deux bases rectangulai- res 65 et 81, c'est-à-dire la cote 94, est de préfé- rence égale à 0,3 cm L'épaisseur des trois couches rectangulaires, à savoir 71, 73 et 80, en dehors des longueur et largeur venant d'être indiquées, est de préférence égale à 0,1 mm; les couches sont-réalisées en acier inoxydable L'élément de contact ou lame 74 a de préférence 1,3 cm de long (cote 95) et 0,32 cm de large (cote 96) La lame 74 est de préférence recouverte d'or dans la zone proche des bornes 68 A-B de manière à obtenir une meilleure conductibilitéo Le fonctionnement du second mode de réali- sation de la présente invention, représenté en figure 2, est le suivant O Lorsque de l'air sous pression est introduit dans le canal d'admission 84, la pression exerce sur la lame 74 une certaine force qui a tendance à la pousser dans le sens de la flèche 86, et cette force provoque la venue en contact de la lame avec les bornes 68 A-Bo Lorsque le contact est établi entre la lame 74 et les bornes 68 A-B, le circuit est fermé entre les borneso Pendant le mouvement de la laine 74, le volume renfermé par le rectangle 72 de la premiere couche 71 diminue et l'air s'y trouvant est chassé et s'-chappe en passant par le canal 70 Lorsqu'on cesse l Ventrée d'air sous pression dans le canal d'admis- sion 84 la lame 74 a tendance à revenir à sa position d'origine par suite de sa flexibilité inhérente, ce qui a pour effet de déplacer l'air renfermé par le rectangle 98 de la troisième couche 80 Cet air est évacué en traversant le canal d'admission 84. Naturellement, le retour de la lame 74 à sa position d'origine peut être facilité par l'introduction d'air sous pression dans le canal d'échappement 70. Dans un troisième mode de réalisation de la présente invention, les première et troisième couches rectangulaires sont constituées d'un matériau isolant, par exemple d'amiante, et seule l'une des bornes 68 A-B est conservée O Dans ce cas, la lame 74 sert elle-mêm We de seconde borne. On procèdera maintenant à la description de l'utilisation de l'un quelconque des modes de réali- sation décrits précédemment dans une ambiance ou sont présentes des forces centrifuges élevées, par exemple dans un moteur à turbine à gaz En figure 3, on a représenté un axe 104 autour duquel tourne, dans le sens de la flèche 105, le logement 3 de la figure 10 Les positions successives du logement 3 sont représen- tées par les pointillés 106 A, 106 B et 106 C (On remar- quera que la grande surface plate de la lame 18 est parallèle à un plan radial, c'est-à-dire au plan de la figure 3, et tourne dans ce plan) Le trajet suivi par la lame 18, représenté par les flèches incurvées 48 et 51 en figure 1, a réellement la forme d'un arc, car cette-lame pivote autour d'un point situé dans la zone 21 de la figure le Cependant, la composante du mouvement de la lame 18 dans la direction radiale (c'est-à- dire dans la direction opposée à la force centrifuge) apparaît petite car la déviation de la lame par rapport à sa position d'origine est elle- même petite Ainsi, le mouvement de la lame 18 appa- rait comme étant sensiblement parallèle à l'axe de rotation, c'est-à-dire perpendiculaire au plan de la figure 3. Pendant cette rotation, le commutateur est soumis à une force dirigée dans le sens radial, c'est- à-dire dans le sens des flèches 108, appelée force centrifuge A des vitesses de rotation élevées, la force centrifuge peut être extrêmement importante O Par exemple, à une vitesse de 10 000 t/mn, un objet situé à une distance de 15 cm de l'axe de rotation est soumis à une accélération centrifuge de 1,77 x= 105 m/s 2, ce qui est approximativement équiva- lent à 17 000 g L'utilisation d'un commutateur dans de telles conditions, o un composant se déplace dans une direction opposée à la force centrifuge, nécessi- tera pour la vaincre une force ayant une amplitude aussi élevée. Cependant, dans le cas des commutateurs des premier et second modes de réalisation de la pré- sente invention, la force centrifuge assiste l'opéra- tion de commutation au lieu de l'inhiber O Les lames de commutation 18 et 74 ont une épaisseur, comme indiqué précédemment, de 0,076 et 0,1 mm, respective- ment C'est-à-dire que les lames 18 et 74 sont réali- sées à partir d'une feuille métallique de faible épaisseur O C'est pour cette raison qu'on peut les considérer comme sans résistance Néanmoins, dans une ambiance o sont présentes des forces centrifuges radiales d'amplitude importante, la feuille par ailleurs sans résistance, qui s'étend dans le sens radial, devient rigide par suite d'un raidissement dû à ces forces En d'autres termes, une résistance mécanique et une élasticité relativement importantes sont conférées à un matériau très léger et relative- ment faible au cours de sa rotation Par conséquent, la tendance de la lame de commutation 18 à revenir à sa position d'origine lors de lévacuation de l'air sous pression par le canal 33 se trouve accentuée, sans qu'il soit nécessaire de lui ajouter les ressorts ou masse, indispensables autrement lorsqu'elle est utilisée dans des conditions statiques, sans rotation. Le fonctionnement du second mode de réalisation de l'invention, alors qu'il est soumis à une rotation, est semblable à celui venant d'être décrit pour le premier mode. Dans le quatrième mode de réalisation de la présente invention, des canaux 115 et 118 (repré- sentés en traits discontinus) sont pratiqués dans les bases rectangulaires 65 et 81 de la figure 2, respec- tivement, de sorte que l'air sous pression peut être introduit dans les canaux 70 et 84, respectivement, à partir des surfaces extrêmes 119 A et 119 B. On a constaté que la lame de commutation 18 ou 74, vibre parfois pendant son utilisation La théorie montre que les vibrations sont dues au blocage des canaux d'évacuation d'air 36 ou 70 fpar la lame respective 18 ou 74 Un tel blocage réduit le débit d'air dans le canal, et on pense que cela a pour effet de réduire la force appliquée à la lame, ce qui lui permet de revenir à sa position d'origines Un procédé permettant de résoudre ce problème consiste à prati- quer dans la lame un trou, tel que le-trou 120 repré- senté dans la lame 74 Le trou 120 assure la conti- nuité d'une partie du courant d'air traversant le canal d'échappement 84 Un trou semblable 120 A peut être pratiqué dans le second conducteur 18 de la figure 1. Le commutateur de la présente invention permet d'obtenir une fonction de commutation électri- que à distance, qui peut être assumée dans de hautes températures et dans une ambiance o sont présentes des forces centrifuges élevées En outre, ces forces centrifuges servent à conférer une caractéristique d'élasticité qui a pour effet de pousser l'élément de commutation dans une position prédéterminée, et cette caractéristique est bien supérieure à celle qui peut être obtenue dans une application statique, compte tenu des dimensions et du poids des matériaux impliqués. REVENDICATIONS 1 Commutateur électrique, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un conducteur ( 18) présentant une partie fixée à un logement ( 3) et contenu dans une cavité ( 6) de ce logement, et une partie mobile par rapport à la partie fixe en suivant un trajet en forme d'arc, la partie mobile et le logement étant séparés par un jeu ( 37 A, 39 A, 42 A); (b) au moins une borne fixée au logement; (c} un canal ( 33) contigu au conducteur de maniere à permettre l'application d'un fluide sous pression afin d'amener la partie mobile en contact avec aui moins l'une des borneso 2 o Comumuateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur mobile ( 18) est constitué d'un élément allongé, plat, sensiblement élastique, dont l'une des extrémités a une position fixe par rapport à l'une des borneso 3 Commutateur électrique, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un logement ( 3) contenant une cham- bre ( 6): (b) une lame conductrice ( 18) qui divise 2 la chambre en une série de compartiments extensibles ( 6 A, 6 B); (c) deux bornes électriques renfermées dans l'un des compartiments et (d) un canal ( 33) débouchant dans l'un des compartiments de manière à introduire du fluide dans ce compartiment et à en modifier les dimensions dans le but d'amener la lame en contact avec les deux bornes 4 o Commutateur électrique, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un logement ( 3) contenant une cham- bre ( 6); (b) une lame ( 18) portant un conducteur et divisant la chambre en une série de compartiments extensibles ( 6 A, 6 B); (c) une série de bornes électriques contenues dans la chambre; et (d) un canal ( 33) débouchant dans l'un des compartiments pour en modifier les dimensions lors- que du fluide sous pression est introduit dans le canal, ce qui a pour effet de déplacer la lame supportant le conducteur pour l'amener en contact avec deux des bornes. Commutateur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'en outre une ouverture ( 120 A) est pratiquée dans la lame pour réduire les vibrations. 6 Commutateur électrique comprenant: (a) un logement ( 65,81) contenant une chambre; (b) une paire de conducteurs allongés, plats, au moins l'un des conducteurs ( 74) étant mobile et élastique, et les deux conducteurs étant renfermés dans la chambre, fixés au logement, mutuellement isolés à proximité du point de fixation, et sollicités de manière à ne pas être en contact l'un avec l'autre; et (c) un canal ( 84) pratiqué dans le loge- ment pour appliquer du fluide sous pression au condua-t teur élastique afin d'amener les deux conducteurs en contact. 7 Commutateur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une partie du conducteur non élastique est fixée de manière inamovible à la paroi du logement. 8 Commutateur selon la revendication 7, caractérisé en outre en ce qu'une ouverture ( 120) est pratiquée dans le conducteur mobile de manière à réduire les vibrations. 9 Commutateur selon les revendications' - 1, 3, 4 ou 6, caractérisé en ce que-le logement est constitué d'un empilage de couches ( 65, 71, 73, 80, 81) dans lequel des perforations contiguës ( 72, 98) forment le canal. Commutateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les couches de l'empilage sont liées les unes aux autres par diffusion. 11 Procédé de commutation électrique, carac- térisé en ce qu'il consiste às (a) faire tourner une lame conductrice ( 18; 74) autour d'un axe; et (b) à faire dévier la lame dans une direction sensiblement parallèle à l'axe pour l'amener en contact avec une série de bornes ( 68 A, 68 B) placées à proximité d'elle de manière à fermer le circuit relié au moins à une partie des bornes. 120 Procédé selon la revendication 11, carac- térisé en ce que la vitesse de rotation de l'étape (a) est supérieure à 10 000 t/mn; la lame est métallique, a sa cote d'épaisseur inférieure à 0,1 mm; et la - déviation de l'étape (b) est effectuée par application d'un fluide sous pression à la lame.