Brevet FR2623341A1 — publié le 19890519

L'invention concerne d'une façon générale les contacts électriques, et plus particulièrement des contacts électriques utilisés dans des lampes. Très souvent, des lampes, par exemple des luminaires chirurgicaux, sont mises en oeuvre dans une posi- tion retournée qui peut engendrer des températures exces- sivement élevées à l'interface de contact brochesde lampe/ -l3''-e--I-a-c> "lô.' 1 c de matières organiques en suspension dans l'air,'augmen- tent d'épaisseur jusqu'à ce que le potentiel de percement ou de claquage du film dépasse le potentiel applique. Des accroissements de la résistance électrique de ces films élèvent la température au point de contact en raison de la chaleur produite par la résistance de contact et de la chaleur provenant du filament-de la lampe. L'érosion est due principalement à des arcs de rupture à basse tension. Habituellement, on utilise des lampes compor- tant des broches en laiton nickelé avec des contacts de douilles en nickel argenté ou en laiton argenté. Le revê- tement d'argent s'élimine par usure lors de l'insertion de la lampe, de son remplacement ou sous l'effet de l'amorçage d'arcs qui se produit lorsque le potentiel appliqué et le courant qui en résulte éliminentenl;s brûlant les films de contacts.Les résultats d'essai ont montré qu'il existe à l'interface broches de la lampe/douille des tempéra- tures de contact suffisantes pour ramollir les broches en laiton de la lampe. Les caractéristiques de formation de film varient avec le type de métal utilisé. On a groupé les métaux suivant leur tension de percement du film après une exposition prolongée à l'environnement. Le nickel et le cuivre (ou le laiton) ont des résistances de film aou- vant atteindre un mégohm et des potentiels de percement de film de 10 à 100 volts, ce qui est souvent supérieur à la tension appliquée à des lampes chirurgicales. L'or, l'argent et le rhodium ont des résistances de film habi- tuelles inférieures à 1 ohm, 100 ohms, et 100 ohms, res- pectivement, et des tensions de percement du film de moins de 0,1 volt, de 1 à 10 volts et de 1 à 10 volts, respec- tivement. Ces tensions de percement sont habituellement inférieures à la tension appliquée pour des lampes chi- rurgicales. Le rythme de croissance du film augmente avec la température, l'humidité, le degré de contamination organique de l'air au voisinage des contacts et le degré d'amorçage d'arcs aux contacts. Les températures aux con- tacts de la douille peuvent être comprises entre 95 et 315 C dans des appareils d'éclairage chirurgicaux utili- sant des lampes à tungstène-halogène. Les essais pour refroidir l'environnement de la lampe peuvent perturber le cycle tungstène-halogène, entraînant une dégradation des performances de la lampe et de sa durée de vie. Ce- pendant, une diminution de la température et du degré d'amorçage d'arcs de l'interface broches de lampe/douille devrait abaisser la -vitesse de formation de résidus or- ganiques et de formation de films. Dans l'application à un appareil d'éclairage chirurgical, les exigences por- tant sur la matière de contact de broches delampe/douille comprennent une conductivité électrique et une conducti- bilité thermique élevées, une aptitude à supporter des températures de fonctionnement de 315 C, une résistance élevée à la corrosion et une résistance élevée à l'abra- sion. Les matières actuellement disponibles pour les contacts de broches de lampe/douille ne satisfont pas toutes ces exigences. Il est apparu que les rythmes de défaillance des douilles de lampes dans certains types d'appareils d'éclairage chirurgicaux sont inacceptable- ment élevés, ainsi qu'il ressort du marché et des services sur le terrain. La fréquence des remplacements de la douille, ou de l'ensemble à douille, sur le terrain, s'élève habituellement en moyenne à un remplacement par période de neuf mois. Le mode de défaillance de la douille est dû principalement à la corrosion et/ou à l'érosion des contacts de la douille, ce qui coupe le circuit élec- trique. Il existe donc un besoin portant sur des ensembles de contacts pour broches de lampe/douille qui satisfont tous les critères mentionnés ci-dessus. L'invention concerne un contact électrique perfectionné présentant de meilleures caractéristiques en ce qui concerne l'abrasion et la résistance à la chaleur. Le contact est constitué d'une matière conductrice de base qui assure la résistance mécanique à la température concernée. Lorsque la matière de base est constituée de nickel, une couche d'or peut être déposée sur le nickel et traitée de manière qu'au moins une partie de l'or diffuse dans le nickel. Lorsque lamatière de base n'est pas du nickel, elle doit d'abord être revêtue d'une couche de nickel. Puis la couche de nickel est revêtue d'une couche d'or. La couche d'or est traitée de façon qu'au moins une partie de l'or diffuse dans le nickel. Des contacts électriques réalisés conformé- ment à la présente invention présentent une meilleure résistance à l'abrasion par rapport aux procédés consis- tant à former des revêtements d'or, tout en conservant une résistance élevée à la corrosion et de haute conduc- tibilités thermique et électrique. Ces avantages et autres intérêts de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexes à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la Figure 1 est une coupe partielle d'un socle de lampe comportant des contacts réalisés conformé- ment à l'invention, inséré dans un bloc d'éclairage; la Figure 2 est une vue en élévation avec coupe du socle de lampe illustré sur la Figure 1; la Figure 3 est une vue à échelle agrandie des grand et petit radiateurs thermiques, et la Figure 4 est une vue en bout en regardant vers l'intérieur du socle de lampe illustré sur la Figure 2. On a déterminé que du nickel revêtu d'or présente des caractéristiques très favorables convenant à l'interface des contacts de broches de lampe/douille d'un appareil d'éclairage chirurgical, à l'exception de la faible résistance à l'abrasion de l'or. Cependant, on a constaté que si l'or est appliqué sur le nickel de façon à diffuser dans la surface de nickel, la résistance à l'abrasion de la surface est sensiblement améliorée en même temps que sont maintenues les excellentes conducti- bilités électrique et thermique et résistance à la corro- sion de l'or. La matière de base constituée de nickel assure la résistance mécanique demandée pour supporter les températures présentes à l'interface des contacts broches de lampe/douille. Un procédé pour déposer une couche d'or sur une base de nickel, laquelle couche d'or est ensuite recuite de façon que la couche superficielle d'or soit convertie en un alliage d'or et de nickel, est disponible dans le commerce auprès de la Firme Inco Alloys International. Cette Firme utilise ce procédé pour produire une matière nouvelle à frapper, désignée par la Marque commerciale "NiGOLD". Le procédé de production de cette matière (appelé ci-après "procédé NiGOLD") a été développé par suite du souhait de disposer d'une telle matière à frapper ayant l'éclat de l'or mais d'une résistance à l'abrasion beaucoup plus élevée. La présente Demanderesse est la première à reconnaître les avantages obtenus par l'uti- lisation de la matière du type "N4iGOLD" dans des applications électriques. Dans de telles applications, non seulement les contacts réalisés en matière du type "NiGOLD" présentent une bonne résistance à l'abrasion et une bonne conducti- vité électrique, mais ils présentent aussi de façon inat- tendue de bonnes propriétés thermiques. La présente De- manderesse est la première à reconnaître ces propriétés thermiques. Des contacts électriques réalisés conformé- ment à l'invention peuvent être utilisés dans de nombreuses applications. Un contact électrique réalisé conformément à l'invention sera décrit dans l'application à un appareil d'éclairage chirurgical 10 illustré sur la Figure 1. On ne souhaite pas limiter la présente invention à l'appareil d'éclairage chirurgical 10 décrit.Au contraire, des con- tacts électriques conformes à l'invention peuvent être utilisés dans de nombreuses applications exigeant des contacts électriques ayant une bonne résistance à l'abra- sion, de haute conductibilités thermique et électrique, une bonne résistance à la formation de films, et capables de fonctionner à des températures élevées. L'appareil d'éclairage 10 comprend un socle 12 de lampe portant une lampe 14 comme montré sur la Fi- gure 1. L'appareil d'éclairage 10 présente une ouverture 16 dans laquelle la lampe 14 et le socle 12 sont insérés. Comme montré sur les Figures 2 et 4, le socle 12 comprend une douille 18 de lampe ayant un premier contact électri- que 20 et un second contact électrique 22. Les premier et second contacts électriques 20 et 22 sont connectés à une source d'énergie électrique par l'intermédiaire de fils 24 et 26, respectivement. Le socle de lampe 12 comprend un chapeau 28, que l'on peut mieux voir sur les Figures 1 et 2. Le cha- peau 28 porte une monture 30 de radiateur thermique comme montré sur la Figure 2. La monture 30 porte un grand ra- diateur thermique 32. Un joint thermique 34 en matière convenable quelconque est interposé entre le grand radia- teur thermique 32 et la monture 30. Le grand radiateur 32 porte un petit radiateur thermique 36. Le petit radiateur thermique 36 et le grand radiateur 32 sont configurés de façon à porter la douille de lampe 18 comme montré sur la Figure 2. On a équipé deux socles 12 de lampes du type décrit ici de contacts électriques 20 et 22 réalisés conformément à l'invention à des fins d'essai. Les contacts étaient formés de la matière du type "NiGOLD", c'est-à- dire que l'on a envoyé des contacts en nickel à la Firme Inco Alloys International pour qu'elle les soumette au procédé NiGOLD. En référence à la Figure 3, on a utilisé une résine RTV (vulcanisant à la température ambiante), conduc- trice de la chaleur, pour sceller de façon hermétique toutes les surfaces de contact entre la douille 18 de lampe, le grand radiateur thermique 32 et le petit ra- diateur thermique 36. On n'a pas placé de résine RTV sur la surface arrière de la douille 18 de la lampe ou dans les cavités de contact. Pour évacuer la totalité de l'air de la cavité, on a appliqué la résine RTV sur les deux côtés des connexions 37 entre pattes de contact et cosses à sertir, que l'on voit partiellement -sur la Figure 4, avant d'emmancher un isolateur 38 de borne de douille, que l'on voit sur les Figures 2 et 3, sur les fils de l'ensemble à douille 18. L'isolateur 38 de bornea été poussé contre le corps de la douille 18 de la lampe pour refouler la résine RTV excédentaire qui a été éliminée. Puis on a utilisé la résine RTV pour recouvrir la face extérieure de l'isolateur 38 de borne de douille. On a essayé un troisième socle 12 de lampe avec une douille de lampe classique du type "Buhl QEW-0" comportant des contacts électriques classiques en nickel. On a mené l'essai à une puissance de 235 watts et avec un courant de 11 ampères. Ces paramètres de fonctionnement de niveau élevé ont été choisis pour accélérer l'essai de vieillissement des lampes. Les chutes de tension entre les contacts électriques 20, 22 des trois socles de lampes, sur une période de 391 heures, sont regroupées dans le Tableau 1. 8 -2623341 Tableau n 1 contact 20 contact 22 heures VOltS,nol VotS$,re2 V '" sen3 Vol tc.,nol Vol:S,n 2 Volts,n 3 11 0,020 0,025 0,056 0,011 0,011 0,095 18 0,019 0;027 0,) 83 0;011 0,011 - 0,143 0,021 0,039 0,141 0,014 0,014 0,083 72 0,020 0, C44 0152 0,013 0,)014 0,098 83 0,021 0,04) 0,150 0,0J4 0,015 0,240 0J021 0,046 0,171 0,014 0,016 0,207 101 0 022 0,048 qril(aqe 1 0,014 indefini 2 rilaqe 1083 0,022 1 034 0014 indfini 2 indéfini 119 0,023 0,053 0,014 0> 016 126 0 024 0,044 0,0]4 0,018 137 0,024 0,049 0,014 0,018 144 0, 025 0,044 0,Q4 0 018 191 0,046 0,054 0,015 0 021 198 0>00 0060 0015 0,021 2C9 Ot082 0 091 0 015 0,022 216 0,067 0 086 0,015 0 022 227 0,101 01049 0,018 0,022 234 0 064 0,133 0019 0020 245 0, 077 00225 0,020 inc'efini 252 0e168 0,127 0p0201 0,021 263 181 0428 0,021 indefiri midi les 2 lampes éteintes 10:00 a.m. tes 2 lampes alumees 272 0O011 0X212 0,006 0)026 283 0X154 0;058 0>006 0026 290 0,196 0,112 0,023 0,026 301 0,081 0o,070 0023 0,026 308 0,095 0j122 0023 0X026 319 0) 177 0,120 0024 0026 326 0,222 0,081 0,023 0,026 337 0285 0/117 o,024 0,026 344 0,216 0,120 0,025 OO26 1'3n grittage 0> 058 gri((aoe 0027 Le grillage relevé était un grillage des contacts de la douille. 2 Le terme "indéfini" indique que l'on n'a disposé d'au- cune lecture. 3 Batterie remplacée dans l'appareil d'essai. 4 Le grillage portait sur la lampe. En plus des mesures de tension, on a effectué les mesures de température sur les contacts 20, 22, les- quelles mesures sont données dans le Tableau 2, et sur une poignée 40 (voir Figure 1), le radiateur thermique 32 et le chapeau 28, ces mesures étant regroupées dans le Tableau 3. 2623341 Tableau no 2 Contact 20 (OC) Contact 22 (OC) Heures no 1 n 2 no 3 no 1 no 2 no 3 11 195 179 222 200 195 235 18 193 177 228 199 193 238 196 180 238 203 196 253 O10 72 195 180 237 257 199 251 83 196 180 243 203 199 260 9U 195 180 274 257 199 288 101 196 182 grillage 203 200 grillage 1082 176 145 182 180 119 177 145 182 182 126 177 166 182 182 137 177 166 182 182 144 177 166 182 182 191 179 168 184 184 198 177 166 182 184 209 182 170 184 187 216 179 170 182 184 227 182 184 176 187 234 179 179 182 187 245 181 188 184 192 252 188 175 187 187 263 192 200 187 193 midi les 2 lampes éteintes 10:00 a.m. Les 2 lampes allumées 272 182 181 184 188 l 2623341 283 188 170 187 187 290 190 175 187 187 301 184 176 187 188 308 182 177 184 188 319 190 177 188 188 326 193 175 187 188 337 195 177 184 188 O10 344 195 177 187 188 391 grillage3 176 grillage3 187 Le grillage relevé était un grillage des contact de la douille. 2 Batterie remplacée dans l'appareil d'essai. Le grillage relevé était un grillage de la lampe. 12 2623341 Tableau nO 3 Poignee 40 ( C) Radiateur thermique 32 ( C) Chapeau 28 ( C) Heures n0 1 n 2 n 3 n I n 2 n 3 n 1 n 2 n 3 1il 83 77 82 165 152 176 82 78.78 18 83 72 81 160 152 177 82 78 78 87 76 81 166 153 179 83 78 78 72 83 77 81 163 153 177 82 81 81 O10 83 87 76 82 166 155 179 83 81 81 83 72 87 165 155 196 83 81 83 101 87 78 grillage1 165 155 grillage1 83 82 grillage 1082 78 71 148 141 77 76 119 81 77 150 141 78 76 126 78 78 148 143 77 76 137 78 77 148 143 77 76 144 78 78 148 143 77 76 191 81 78 150 143 78 76 198 77 77 148 143 77 76 209 78 72 150 143 78 76 216 78 78 148 143 77 76 227 78 78 148 144 77 76 234 76 72 148 144 76 72 245 78 69 150 146 77 76 252 78 69 150 144 77 76 263 81 83 150 148 77 76 midi les 2 lampes éteintes 10:00 a.m. les 2 lampes allumées 272 77 82 150 144 77 76 13 2623341 283 78 82 152 144 77 76 290 78 82 150 144 77 76 301 78 82 152 146 77 76 308 78 82 150 144 77 76 319 78 82 152 146 77 76 326 78 82 152 144 77 76 337 78 83 150 146 77 76 1 0 344 77 82 150 146 77 76 391 grillage3 81 grillage3 143 griLLage3 72 1 Le grillage relevé était un grillage des contacts de la douille. 2 Batterie remplacée dans l'appareil d'essai. 2 Le grillage relevé était un grillage de la lampe. 14 2623341 Les socles de lampes 1 et 2 comportant des contacts électriques réalisés conformément à l'invention ont présenté des caractéristiques supérieures à celles du socle de lampe numéro 3 comportant des contacts en nickel selon l'art antérieur. Par exemple, à 90 heures, la chute de tension à travers le contact 20 du socle de lampe numéro 3 était de 0,171 volt et la température était de 274 C. Apparemment, un film s'était formé sur le contact et la valeur de la résistance du film provoquait une chute de tension accrue à travers le contact ainsi qu'une élévation sensible de la température du contact. Entre 90 heures et 101 heures de fonctionnement, les contacts du socle de lampe n 3 ont grillé. Par contre, à 90 heures de fonctionnement, la chute de tension à travers le contact 20 du socle de lampe numéro 1 était de 0,021 volt et elle était de 0,046 volt à travers le contact 20 du socle de lampe numéro 2. Le Tableau 2 montre que les températures étaient respective- ment de 195 et 180 C. Apparemment, la formation d'un film sur les contacts réalisés conformément à l'invention était très faible après 90 heures de fonctionnement et les con- tacts ne présentaient pratiquement aucune élévation de température. A 263 heures de fonctionnement, on peut voir que la chute de tension à travers le contact 20 du socle de lampe numéro 2 est de 0,428 volt. En référence au Tableau 2, même avec une chute de tension aussi élevée, la température ne s'est élevée que légèrement, à 200 C. On peut donc voir qu'au fur et à mesure que les essais ont progressé et que la chute de tension à travers les contacts a augmenté, les températures n'ont jamais at- teint le niveau de 204 C qui a été atteint précocement sur le socle de lampe numéro 3 comportant des contacts en nickel, et qu'elle n'a jamais atteint, de façon certaine, le niveau de 2600C auquel est parvenu le socle de lampe 2623341 numéro 3 peu avant que les contacts grillent. Les données groupées dans les Tableaux 1, 2 et 3 montrent clairement que des contacts soumis au procédé NiGOLD"présente des qualités supérieures. Même lorsque la chute de tension à travers le contact a augmenté, ce qui indiquerait la for- mation d'un film, les températures sont restées dans des limites raisonnables. Ces caractéristiques thermiques inattendues, considérées en même temps que l'aptitude des contacts à supporter l'abrasion, leurs bonnes caractéris- tiques électriques et leur résistance à la formation de films,:rendent ces contactstrès souhaitables dans des * applications o de telles caractéristiques sont demandées. Enfin, on peut voir que même après 391 heures de fonctionnement à des niveaux de puissance élevés, les contacts selon l'invention étaient encore capables de fonc- tionner et n'approchaient aucunement des températures éle- vées atteintes par le socle de lampe numéro 3 peu avant que les contacts grillent. L'aptitude à conduire effica- cement la chaleur et à résister à la formation de films indique que des contacts réalisés conformément à l'inven- tion ont un effet défavorable sur la durée de vie des lampes et devraient permettre aux lampes de fonctionner à des niveaux de courant plus élevés. Le mécanisme exact par lequel l'or est dé- posé sur le nickel pour former un contact électrique n'est pas considéré comme étant un élément de l'invention. Un dépôt par pulvérisation, dép6t en phase vapeur, électro- déposition, etc., pourrait être utilisé suivant les cir- constances. Il est également prévu de pouvoir utiliser d'autres matières, par exemple du laiton ou d'autres matières électriquement conductrices ayant une résistance mécanique élevée à la température concernée, comme matière de base. Dans ces conditions, la matière de base est fa- çonnée dans la configuration souhaitée pour le contact et revêtue de nickel. Des procédés pour déposer le nickel 16 2623341 sur la matière de base, autre qu'un dépôt électrolytique, peuvent être utilisés. Ensuite, le contact est soumis au procédé NiGOLD. Cependant, la matière du type"NiGOLD"est appliquée de façon à être portée par la matière de base ou bien, si le contact lui-même est réalisé en matière du type NiGOLD;' il semble qu'un tel contact électrique pos- sède des propriétés qu'il était impossible d'obtenir jusqu'à présent. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au contact électrique décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. 17 2623341 REVENDICATIONS 1. Contact électrique présentant des caracté- ristiques d'abrasion et thermiques améliorées, caractérisé en ce qu'il comporte un élément de base en nickel destiné à assurer la résistance mécanique et une couche d'or pdr- tée par l'élément de base de manière qu'au moins une partie de l'or diffuse dans l'élément de base. 2. Contact électrique présentant des caracté- ristiques d'abrasion et thermiques améliorées, caractérisé en ce qu'il est réalisé en une matière du type "NiGOLD". 3. Contact électrique présentant des caracté- ristiques d'abrasion et thermiques améliorées, caractérisé en ce qu'il comporte un élément de base conducteur destiné à assurer la résistance mécanique, une couche de nickel portée par l'élément de base et une couche d'or portée par la couche de nickel de manière qu'au moins une partie de l'or diffuse dans le nickel. 4. Contact électrique présentant des caracté- ristiques d'abrasion etthermiques améliorées, caractérisé en ce qu.'il comporte un.élément de base destiné à assurer la résistance mécanique et une couche de matière du type "NiGOLD" portée par l'élément de base. 5. Procédé de production d'un contact électri- que, caractérisé en ce qu'il consiste à façonner une matière de base dans la forme souhaitée ducontact électrique, à déposer une couche-d'or sur la matière de base et à traiter la couche d'or afin de provoquer la diffusion d'au moins une partie de cette couche dans la matière de base. 6. Procédé selon la revendication 5, caracté- risé en ce qu'il consiste en outre à déposer une couche de nickel sur la matière de base, la couche d'or étant déposée sur la couche de nickel et le traitement de la couche d'or provoquant la diffusion d'au moins une partie de cette couche d'or dans le nickel.