Brevet FR2586142A1 — publié le 19870213

La présente invention concerne un matériau pour con- tacts à changement d'état destinés à des interrupteurs de circuits électriques. L'introduction de l'interruption du courant électrique sans formation d'arcs grâce à l'utilisation de composants de circuit à l'état solide en combinaison avec des contacts séparables d'un interrupteur de circuit a permis de réduire la détérioration des contacts. Cela s'est traduit par des contacts plus petits, ce qui à son tour permet leur ouverture à un instant antérieur dans la forme d'onde du courant et à une valeur plus faible de celui-ci. La réduction du courant du circuit pendant le processus d'interruption permet syner- gétiquement d'utiliser des composants de circuit à l'état solide moins chers dans l'interrupteur à l'état solide. Un interrupteur de circuit à l'état solide de ce type fait l'objet d'une description dans la demande de brevet américain n 610 947, déposée le 16 mai 1984, ayant pour titre "Solid State Current Limiting Interrupter" (Interrupteur limiteur de courant à l'état solide) au nom de E.K. Howell. Cette demande est incorporée ici à titre de référence. L'interface réelle métal-métal, que traverse le courant entre une paire de contacts électriques, est créee par la force appliquée pour le maintien des contacts. La surface (Ac) de cette interface conductrice est déterminée par la -2- force de fermeture appliquée (Ff) et la dureté (D) des métaux des contacts définie par l'expression: A Ff Ac D Si l'on suppose que la surface A est circulaire, le rayon c correspondant est égal à: ac = (A c/)1/2=I(Ff/Dr)11/2 La contriction du courant dans la surface Ac de rayon (ac) se traduit par une résistance de constriction effective (Rc). Pour un matériau homogène ayant une résistivité p: R a / c -- = P ( rD/F) 1/2 c Par conséquent, pour obtenir une résistance de constriction (Rc) de faible valeur, il est souhaitable d'avoir un matériau de faible résistivité ayant une faible dureté et d'appliquer une force de fermeture élevée. Comme le rapport entre la dureté du matériau et la force de fermeture détermine la résistance de constriction, il s'ensuit qu'un matériau de dureté réduite permet l'utilisation d'une force de fermeture plus faible pour toute valeur donnée de la résistance. Plus le degré de dureté est bas, plus faible est la force obtenue avec un métal liquide, tel que le mercure, qu'on a utilisé antérieurement comme matériau pour constituer des contacts. Le mercure, qui a une résistivité très élevée, soulève d'autres problèmes lorsqu'on l'utilise comme matériau de contact, par exemple celui de l'obtention d'une surface propre et du confinement du métal liquide. Il est en outre difficile de déioniser l'arc à vapeur de mercure qui se forme à des courants et des tensions élevés. L'utilisation de matériaux de contact métalliques solides, mouillés au mer- cure, permet d'obtenir une faible résistance en réduisant le mercure à haute résistivité à une fine pellicule entre les contacts métalliques massifs ayant une résistivité plus faible. Cela n'élimina pas la contamination de la surface et Z 586 142 - 3 - la formation d'arcs qui ont pour effet de vaporiser et d'enlever la pellicule de mercure. Une résistance de contact acceptable doit permettre le passage d'intensités de courant acceptables sans chute de tension ou dégagement de chaleur excessifs. Avec les maté- riaux couramment utilisés pour réaliser les contacts, tels que l'argent, la résistance est avant tout la résistance de contriction, qu'on a décrite ci-dessus, de sorte que la majeure partie de la chaleur sera produite dans la surface de resserrement, d'o l'élévation de la température des con- tacts. Une température excessive se traduit par une réaction chimique rapide du matériau des contacts avec l'atmosphère environnante et peut provoquer la fonte du matériau et être à l'origine du soudage des contacts. On a observé depuis qu'en augmentant lentement le courant traversant des contacts en argent, la temperature de la zone de resserrement atteindra approximativement 180 C, point de ramolissement de l'argent, d'o la réduction de la dureté D des contacts; la force de fermeture qui leur est appliquée produit une plus grande zone de conduction, ce qui a pour effet de réduire la résistance de constriction, laquelle reste alors plus faible alors qu'il y a diminution du courant. Cette action d'abaissement est produite par la réduction de la dureté des contact et se traduit souvent par un léger collage ou un soudage de faible résistance mécanique des contacts au moment du refroidisse- ment. Si le courant s'élève rapidement, de sorte que la force de fermeture appliquée à la masse inertielle du contact mobile ne peut déplacer le contact suffisamment vite pour augmenter la surface de conduction, il peut se produire une fusion de la surface, son ébullition ou sa vaporisation, avec comme conséquence un endommagement et un soudage. La vitesse d'ouverture des contacts est déterminée par l'application d'une force d'ouverture (Fo) qui dépasse la force de fermeture (Ff) pour produire une force d'accélé- ration (Fa = Fo-Ff) agissant sur la masse intertielle du - 4 - contact mobile. Pour un fonctionnement à vitesse élevée, il est souhaitable de réduire la masse et de diminuer la force de fermeture (Ff) le plus possible. La réduction, et plus particulièrement l'élimination, de la formation d'arcs pen- dant la séparation des contacts ont provoqué une diminution importante de la masse du contact mobile. La présente invention a par conséquent pour objet de réduire la force de fermeture nécessaire, pour une résistance donnée des contacts, pour provoquer leur ouverture à une vitesse beaucoup plus rapide. Les contacts à changement d'état pour l'interruption d'un circuit électrique sont constitués d'une couche intermé- diaire d'un alliage métallique sur la surface du matériau de base des contacts en argent. Une couche superficielle en métal ayant une résistance à la traction élevée et un point de fusion relativement haut protège l'alliage pouvant fondre et contient l'alliage métallique lors de sa phase liquide. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue de côté en coupe, à grande échelle, d'une paire de contacts de disjoncteur contenant une composi- tion d'argent et de tungstène; figure 2, une vue de côté en coupe, à grande échelle, d'un contact à changement d'état selon la présente invhn- tion; figure 3, une vue de côté en coupe, à grande échelle, d'une paire de contacts, l'un des contacts ayant la composi- tion décrite en figure 2; et figure 4, une vue en coupe de côté, à grande échelle, d'un autre mode de réalisation du contact à changement d'état selon la présente invention. En figure 1, on a représenté un agencement de contacts utilisé à l'intérieur d'un disjoncteur à boîtier moulé, comprenant un contact supérieur 11 et un contact inférieur 12 dans une configuration fermée qui définit une interface 13 - 5 - pour le passage d'un courant I1. De manière à supporter les dures conditions de la formation d'arcs se produisant pendant l'interruption de courants de défaut élevés, le matériau constituant les contacts 11, 12 comprend un mélange de poudres d'argent et de tungstène comprimées et frittées dans une configuration cylindrique dont la dureté Brinell est d'environ 180. Comme le matériau des contacts en argent- tungstène a une dureté très élevée, il faut une force de fermeture importante, représentée par Ff, pour obtenir une surface de resserrement de petite valeur, bien qu'adéquate, de la zone séparant les contacts. Le courant I1 du circuit traverse les contacts en suivant les trajets représentés dans leurs grandes lignes par la référence 14. Le point de fusion des matériaux en argent-tungstène étant élevé, les contacts conservent leur configuration solide sauf dans le cas de courants de surcharge extrêmement importants, o l'on cons- tate qu'il se produit des fusions localisées de l'argent. L'aire de l'interface vers laquelle convergent les trajets 14 du courant est définie par le diamètre de constriction D1 indiqué sur la figure. La figure 2 représente un contact 20 à changement d'état selon les enseignements de la présente invention. Une base métallique 16 en argent comporte une couche intermé- diaire 15 d'un alliage métallique dont la dureté est très inférieure à celle de l'argent et dont le point de fusion est compris dans la gamme 100-200 C. La composition de l'alliage, ou le choix d'un métal le constituant, déterminent la dureté et la température à laquelle la fusion se produit. Une couche extérieure 17 est constituée d'un métal à haut point de fusion, présentant une résistance à la traction élevée, tel que le nickel dont le point de fusion est approximativement de 1453 C. La fonction de la couche extérieure est de former une membrane conductrice de l'électricité, élastique, tenace, afin de protéger et confiner la couche intermédiaire qui est plus tendre, ayant une dureté Brinel comprise entre 2 et 10, -6- et d'empêcher le collage ou le soudage des surfaces en regard des contacts. La couche extérieure de nickel assure que le métal ou l'alliage plus tendre de la couche intermédiaire maintient l'intégrité et ne s'étale pas. Lorsqu'on place en aboutement une paire hybride de contacts, tels que le contact en argent 11 et un contact à changement d'état 20 (représenté en figure 2), et que ceux-ci définissent une interface 18, le trajet 21 du courant 12 du circuit est quelque peu semblable à celui décrit précédemment en liaison avec la figure 1, sauf toutefois que le diamètre D2 de la surface de constriction est plus grand car la couche intermédiaire plus tendre 15 fournit une surface plus grande, représentée en 22, sous l'effet de la force appliquée par la surface du contact en argent 11, comme indiqué en 23. La base en argent 16 et l'alliage métallique de la couche intermé- diaire 15 se trouvent au-dessous de leurs points de fusion et restent sous forme solide pour des valeurs acceptables du courant du circuit. Si la dissipation d'énergie dans la zone de constriction augmente la température de façon appréciable à la suite, soit d'une faible force de fermeture (Ff), d'une intensité plus élevée du courant I2, soit du durcissement dû au travail de la couche tendre 15, lequel provoque une aire de contact inadéquate, l'argent tant dans le contact 11 que dans la base 16 du contact 20 reste à l'état solide alors qu'une zone de la couche métallique intermédiaire 15 fond pour former une phase liquide, comme représenté par les tirets de la figure 3. Comme la dureté du métal liquide est virtuellement nulle, la surface de contact augmente, d'o une diminution de la résistance des contacts et de la densité du courant avec une réduction correspondante de la température et la solidification du métal à l'état fondu à l'intérieur de la couche intermédiaire. La couche de surface 17 reste intacte et fournit une membrane flexible pour contenir le métal à l'état fondu se trouvant dans la couche intermédi- aire. - 7 - Pour diminuer encore la résistance entre une paire hybride de contacts, dont l'un comporte la couche intermé- diaire 15 décrite en figures 2 et 3, un contact 25 à change- ment d'état est représenté en figure 4. Le contact contient une base en argent 16 et une couche intermédiaire 15 de métaux à bas point de fusion avec une couche extérieure 17 de manière à maintenir l'intégrité des contacts lorsqu'il y a fusion des métaux se trouvant à l'intérieur de la couche intermédiaire. Une couche superficielle 24 en argent est appliquée à la couche extérieure 17. La présence de la couche superficielle a pour effet de protéger la surface de la couche 17 contre les réactions chimiques et de réduire en outre la température des contacts. Le nickel est un matériau excellent pour constituer la couche extérieure 17 à cause de son haut point de fusion et de sa résistance à la traction relativement élevée. On peut également employer d'autres matériaux, tels que le cuivre, l'argent, le molyb- dène et le tungstène, qui ont tous une température de fusion et une résistance à la traction convenables. On peut employer pour constituer la couche intermédiaire 15 des -matériaux tels que l'indium, le bismuth, le plomb, l'étain dont la température de ramolissement est inférieure à 150 C. L'épais- seur de la couche intermédiaire 15 est de préférence l'épais- seur minimum qui épousera le contour des surfaces de contact s'accouplant dans toutes les conditions. L'épaisseur préférée pour la couche extérieure 17 correspond à la valeur minimale nécessaire pour éviter la rupture sous l'effet des forces hydrostatiques présentes lorsque la couche intermédiaire fond ou sinon se déforme. Comme les épaisseurs préférées pour la couche extérieure et la couche intermédiaire sont toutes deux petites par rapport au diamètre du resserrement D2, les trajets 21 du courant dans les deux couches définis- sent un cylindre ayant un rapport entre longueur et diamètre de faible valeur, comme on le voit le mieux en figure 3. La résistance de ces deux couches peut par conséquent être - 8 - très faible, bien que la résistivité des métaux les consti- tuant soit élevée par rapport à celle de l'argent. Comme les contacts à changement d'état 20, 25 fournis- sent une action d'auto-correction pour diminuer la résistance lorsque leur température atteint le point de fusion de la couche intermédiaire 15, laquelle est choisie pour se trouver dans la plage de fonctionnement normal des contacts, la force de fermeture Ff peut être rendue sensiblement inférieure à celle des contacts en argent et en argent- tungstène. 2586 1 42 -9- REVENDICATIONS 1. Contact à changement d'état pour dispositifs d'in- terruption de circuit, caractér isé en ce qu'il comprend: une couche de base (16) constituée d'un premier métal ayant une première température de fusion, une première résistivité électrique et une première dureté pour liaison à un circuit électrique; une couche intermédiaire (15) formée d'un second métal ayant une seconde température de fusion, une seconde résisti- vité électrique et une seconde dureté, qui est disposée sur la couche de base; et une couche extérieure (17) comprenant un troisième métal, ayant une troisième température de fusion, une troisième résistivité électrique, disposée au moins en partie sur la couche intermédiaire afin de confiner cette couche intermédiaire lorsqu'elle se déforme lors du passage dans la couche de base, la couche intermédiaire et la couche extérieure du courant du circuit. 2. Contact à changement d'état pour dispositifs d'in- terruption de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde température de fusion est inférieure à la première et à la troisième température de fusions d'o il résulte que la couche intermédiaire (15) fond au moins partiellement lorsqu'elle atteint une température prédétermi- née. 3. Contact à changement d'état pour dispositifs d'in- terruption de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde dureté est inférieure à la première dureté afin de permettre à la couche intermédiaire (15) de se déformer sélectivement. 4. Contact à changement d'état pour dispositifs d'in- terruption de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde température de fusion du second métal - 10 - est inférieure à 200 C. 5. Contact à changement d'état pour dispositifs d'in- terruption de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première résistivité électrique du premier métal de la couche de base (16) est inférieure à la seconde et à la troisième résistivité du second et du troisième métal de la couche intermédiaire (15) et de la couche extérieure (17). 6. Contact à changement d'état pour dispositifs d'in- terruption de circuit selon la revendiation 1, caractérisé en ce que le premier métal est choisi dans le groupe constitué du cuivre et de l'argent. 7. Contact à changement d'état pour dispositifs d'in- terruption de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second métal est choisi dans le groupe constitué de l'indium, du bismth, de l'étain et du plomb. 8. Contact à changement d'état pour dispositifs d'in- terruption de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième métal de la couche extérieure (17) a une résistance à la traction égale ou supérieure à celle de l'argent. 9. Contact à changement d'état pour dispositifs d'in- terruption de circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second métal de la couche intermédiaire (15) a une dureté inférieure à celle de l'argent. 10. Contact à changement d'état pour dispositifs d'interruption de circuit selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le troisième métal de la couche extérieure (17) est choisi dans le groupe constitué du cuivre, de l'argent, du nickel, du molybdène et du tungstène. 11. Agencement de contacts pour interrupteurs de circuit, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier contact (11) comportant un métal de base ayant une première résistivité électrique et une première température de fusion, disposé de manière à être connecté à l'intérieur d'un circuit électrique, un métal intermédiaire - 11 - disposé au-dessus du premier métal et présentant une sconde résistivité électrique et une seconde températures de fusion, et un troisième métal disposé au-dessus du second métal ayant une troisième résistivité électrique et une troisième tempé- ratures de fusion; la seconde température de fusion du métal intermédiaire étant inférieure aux première et troisième températures de fusion et la première résistivité électrique étant inférieure aux seconde et troisième résistivités électriques; un second contact (20) disposé de manière à venir en contact avec le premier contact pour réaliser une liaison électrique à l'intérieur du circuit électrique; ce second contact étant constitué d'un métal ayant une résistivité électrique inférieure aux seconde et troisième résistivités électriques afin d'assurer le passage du courant électrique entre les premier et second contacts à l'état fermé. 12. Agencement de contacts selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour fournir une force de fermeture des contacts entre les premier et second contacts et pour réduire la résistance de contact électrique entre les premier et second contacts. 13. Contact à changement d'état selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un quatrième métal (24) sur la couche extérieure (17) ayant une résistance à l'oxydation supérieure à celle du troisième métal. 14. Agencement de contacts selon la revendication 11, caractérisé en ce que le métal de base du premier contact comporte de l'argent ou du cuivre, et le troisième métal choisi dans le groupe constitué du cuivre, de l'argent,. du nickel, du molybdène et du tungstène. 15. Agencement de contacts selon la revendication 11, caractérisé en ce que le métal intermédiaire du premier contact est choisi dans le groupe constitué de l'indium, du bismuth, de l'étain et du plomb. - 12 - 16. Agencement de contacts selon la revendication 11, caractérisé en ce que le second métal de contact est l'argent ou le cuivre. 17. Agencement de contacts permettant d'obtenir une interruption de circuit sans production d'arcs, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier contact (11) disposé pour liaison à l'in- térieur d'un circuit électrique comportant un métal de base ayant une première résistivité électrique et un premier point de fusion, un métal intermédiaire sur le métal de base et - t-- rsentt-une seconderésistivité électrique et un second point de fusion et un métal extérieur sur le métal intermé- diaire ayant une troisième résistivité électrique et un troisième point de fusion, la première résistivité électrique étant inférieure aux seconde et troisième résistivités électriques et le second point de fusion du métal intermé- diaire étant inférieur aux premier et second points de fusion un second contact (25) disposé de manière à être connecté dans le circuit électrique, comprenant le métal de base ayant la première résistivité électrique, le second contact étant en outre disposé de manière à transférer le courant du circuit entre les premier et second contacts; et un commutateur à l'état solide relié électriquement entre les premier et second contacts afin d'éloigner le courant du circuit des premier et second contacts avant ou pendant la séparation du premier contact et du second contact afin d'empêcher la formation d'arcs entre les premier et second contacts lors de leur séparation. 18. Agencement de contacts selon la revendication 17, caractérisé en ce que le commutateur à l'état solide comprend au moins un transistor. 19. Agencement de contacts selon la revendication 17, caractérisé en ce que le commutateur à l'état solide comprend au moins un tyristor.