FR2616008A1 - Appareil de coupure etanche a l'air comportant des moyens de soufflage d'arc - Google Patents

Abstract

Ce dispositif 10 est formé d'une électrode fixe 15 pourvue d'un contact fixe 14 et disposée dans un espace 18 étanche à l'air à l'intérieur d'un bac hermétique dans lequel est enfermé sous haute pression un gaz électriquement isolant. Un contact mobile 21 est prévu à l'extrémité d'une électrode mobile 23. Un moyen 32 est accouplé à cette dernière pour lui permettre de se déplacer pour ouvrir les contacts à une vitesse optimale et assurer une pression correcte de contact. Applications : notamment dans les interrupteurs électromagnétiques, les relais et autres appareils de coupure.

Description

La présente invention se rapporte aux dispositifs étanches à contact et

elle concerne plus particulièrement un dispositif dans lequel une électrode fixe comportant un contact fixe est placée dans un bac hermétique contenant un gaz électriquement isolant, tandis qu'un contact mobile supporté par une électrode mobile est prévu pour se rapprocher et s'écarter

du contact fixe afin de FERMER et d'OUVRIR les contacts.

Les dispositifs étanches à contacts du genre mentionné ci-dessus peuvent être utilisés de manière optimale dans des dispositifs de coupure de la charge d'un réseau, tels que les interrupteurs électrémognatéiques,

les relais et autres appareils analogues.

En général, on peut classer les dispositifs de coupure, au point de vue de leur domaine de coupure du courant, en plusieurs catégories: ceux qui sont utilisés pour les très faibles courants inférieurs à 1A (appelés

circuits secs), ceux qui sont utilisés pour régler par résistance des char-

ges de 1 à 5A, ceux qui sont utilisés dans la charge d'un réseau d'environ à 30A, c'est-à-dire une charge inductive de faible intensité, et ceux qui sont utilisés avec une intensité moyenne et élevée ou n'importe quelles

charges spécifiques. Dans ces dispositifs de coupure, celui qui est utili-

sé dans la charge de réseaux est le plus demandé mais il reste toujours en cause diverses questions de durabilité et de fiabilité, du fait que les arcs créés lors des opérations de coupure provoquent le soudage entre eux des contacts, d'o une consommation, un transfert et autres inconvénients

importants des contacts.

En rapport avec ce qui précède, on considère qu'une amélioration des propriétés de résistance à l'arc est efficace pour rendre le dispositif hautement durable et prolonger ainsi sa durée d'utilisation, et un exemple

de tentative de cette amélioration peut être trouvé dans les relais à mer-

cure qui ont été proposés dans les brevets américains nos 3 431 377 et

3 831 118. Dans ces relais, on utilise une disposition qui permet d'humi-

difier les contacts à l'aide de mercure fourni par capillarité, de manière à obtenir une stabilité des contacts, ou une disposition dans laquelle la capacité de suppression de l'arc est améliorée par l'utilisation de la force de refroidissement de l'hydrogène gazeux à haute pureté enfermé sous une

pression de 14,061 à 17,576 kg/cm2. Ces relais à mercure permettent d'amé-

liorer la propriété de résistance à l'arc et d'obtenir une duree de vie plus longue mais, dès qu'il dépasse 5A, le courant de coupure augmente la quantité évaporée de mercure lors de la fermeture et de l'ouverture des contacts, ce qui provoque une insuffisance d'alimentation des contacts par le mercure. En conséquence, il subsiste l'inconvénient selon lequel, lorsqu'un relais particulier à mercure est utilisé dans le dispositif de coupure de la charge d'un réseau pour un courant compris entre 5 et 30 A environ, la consommation ou le soudage des contacts est susceptible de se

produire, ce qui raccourcit notablement leur duree de vie.

Afin d'essayer d'éliminer l'inconvénient mentionné ci-dessus, les présents inventeurs ont proposé précédemment dans la publication de la demande de brevet japonais no 61-78016 un dispositif étanche à contacts, danslequel un qaz électriquement isolant, tel que l'hydrogène gazeux, est enfermé dans un bac hermétique sous une pression élevee, une paire de contacts sont prévus dans ce bac hermétique pour se fermer et s'ouvrir à l'intérieur du bac, et un aimant permanent est monté à l'extérieur du bac pour appliquer une force magnétique de soufflage de l'arc crééee à

l'intérieur du bac lors de la fermeture et de l'ouverture des contacts.

Dans le cas de ce dispositif étanche à contacts, l'arc ainsi créé est ra-

pidement refroidi pour être soufflé et le dispositif présente d'excellen-

tes propriétés de résistance à l'arc. Suivant le publication de la demande de brevet mentionnée ci-dessus, cependant, la force de soufflage de l'arc peut être suffisamment amélioree, tandis que la force de séparation des deux contacts doit dépendre de la pression de l'hydrogène enfermé dans le bac, de sorte que cette force de séparation devra être modifiée en fonction du temps écoulé et de la variation de la température ambiante, ce qui

provoquera une certaine instabilité de l'opération de séparation des con-

tacts. En conséquence, il en résulte une difficulté non résolue due au fait qu'une vitesse décroissante de séparation des contacts provoque une

augmentation du temps de maintien de l'arc, ce qui augmente la consomma-

tion des contacts, ou due au fait que la force d'ouverture des contacts

étant excessivement accrue, ces derniers ne peuvent se fermer complète-

ment, augmentant ainsi la résistance de contact.

L'objet principal de la présente invention est donc de fournir

un dispositif étanche à contacts dans lequel les contacts de coupure peu-

vent fonctionner de manière stable à l'intérieur d'un bac hermétique, et dans lequel on peut atteindre une vitesse optimale d'ouverture des contacts

tout en réalisant une pression correcte de contact.

La présente invention permet d'atteindre-l'objet ci-dessus en

fournissant un dispositif étanche à contacts dans lequel un gaz électri-

quement isolant est enfermé dans un espace étanche à l'air formé à l'in-

térieur d'un bac hermétique, un contact fixe est disposé sur une électrode fixe fixée à l'intérieur de l'espace étanche à l'air, un contact mobile pouvant se fermer sur le contact fixe et s'en écarter est disposé sur une

électrode mobile au moins partiellement mobile vers l'avant et vers l'ar-

rière dans l'espace étanche à l'air, un aimant permanent est disposé dans un plan coupant sensiblement à angle droit la direction dans laquelle se

ferment et s'ouvrent les deux contacts, et une bride esr prévue pour en-

tourer extérieurement l'aimant permanent, ce dispositif étant caractérisé

en ce qu'il comprend un moyen au moins partiellement expansible pour main-

tenir de manière étanche à l1air l'électrode mobile et en même temps pour permettre directement à l'électrode mobile de se déplacer vers l'avant et

vers l'arrière.

La présente invention sera bien comprise à la lecture de la

description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans

lequels: - la figure 1 est une vue en coupe du dispositif étanche à contacts constituant un exemple de réalisation de la présente invention,

suivant le plan de coupe I-I de la figure 2; -

- la figure 2 est également une vue en coupe du dispositif de la figure 1, suivant le plan de coupe 11-II de la figure i;

- la figure 3 est une vue partielle en perspective,& plus gran-

de échelle, de l'électrode mobile et du contact mobile du dispositif de la figure 1; - la figure 4 est un diagramme montrant la corrélation entre la conductivité du gaz électriquement isolant et la durée d'arc dans le dispositif de la figure i; - la figure 5 est un diagramme montrant la corrélation entre

les divers gaz utilisables dans le dispositif de la figure 1 et la conduc-

tivité thermique; - la figure 6 est un diagramme montrant la corrélation entre le courant électrique et le champ électrique de la colonne positive d'arc dans les divers gaz à la pression atmosphérique; - la figure 7 est une vue en coupe du dispositif constituant un autre exemple de réalisation de la présente invention, suivant le plan de coupe VII-VII de la figure 8; - la figure 8 est une vue en coupe du dispositif de la figure 7, suivant le plan de coupe VIII-VIII de la figure 7; - la figure 9 est une vue partielle en perspective, à échelle légèrement plus grande, de l'électrode mobile du dispositif de la figure 7; - la figure 10 représente une vue en élévation d'un montage dans lequel le dispositif représenté aux figures 7 et 8, est associé à un moyen de commande; - la figure 11 est un diagramme montrant la corrélation entre

la distance de séparation des contacts du dispositif représenté à la fi-

gure 10 et la force de réaction; - la figure 12 est un diagramme montrant la corrélation entre le dosage de l'azote et la durée d'arc dans le dispositif de la figure ;

- la figure 13 est un schéma représentant un circuit expérimen-

tal utilisable pour le dispositif étanche à contacts suivant la présente invention; - la figure 14 est un diagramme montrant la correlation entre la durée d'arc et l'intenritiélectrique dans une expérience faite avec le dispositif de la figure 10;

- la figure 15 est un diagramme montrant également la correla-

tion entre la durée d'arc et la tension électrique; et - la figure 16 est un diagramme montrant la corrélation entre le nombre de fermetures et d'ouvertures des contacts et la tension de

tenue des contacts du dispositif au stade d'utilisation prévu a la figu-

re 11.

On se reportera maintenant aux figures 1 et 2 qui représentent un dispositif étanche 10 à contacts constituant un exemple de réalisation

de la présente invention, dans lequel ce dispositif 10 comprend une par-

tie généralement cylindrique 11 en forme de barillet, constituée d'une matière électriquement isolante telle que la céramique, et des plaques 12 et 13 d'extrémité, constituées d'une matière métallique telle que le cuivre exempt d'oxygène, l'alliage 42 ou une autre matière analogue et respectivement fixées sur chacune des deux extrémités axiales ouvertes de la partie 11 en forme de barillet, cette partie 11 en forme de barillet et les plaques 12 et 13 d'extrémité constituant un bac hermétique. Au centre de la plaque 13 d'extrémité inférieure on a prévu un trou 13a de montage, et un axe fixe 15 à l'extrémité supérieure duquel est disposé un contact fixe 14, est placé dans la partie 11 en forme de barillet,

1 'extrémité de base de l'axe fixe étant emboîtée dans letrou 13a. Le con-

tact fixe 14 est constitué d'une matière métallique à laquelle on a donné sensiblement la forme d'un disque à l'exception d'une partie aplatie de

son pourtour circonférentiel qui constitue la surface supérieure du con-

tact fixe 14. L'axe fixe 15, également formé de la matière métallique, est entouré d'un manchon isolant 16 constitué d'une matière isolante telle que la céramique, et ce contact fixe 14 et cet axe fixe 15 forment une

électrode fixe.

En outre, sur la plaque 13 d'extrémité inférieure, à l'exté-

rieur de celle-ci, est fixé un tube 17 à gaz. Un gaz à conductivité ther-

mique élevée, tel que l'hydrogène gazeux, un mélange d'hydrogène et d'azote gazeux ou un autre mélange analogue, est introduit de manière étanche

dans le bac hermétique par de petits trous 13b percés autour du trou cen-

tral 13a, après qu'un espace 18 étanche à l'air a été formé dans le bac, sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, par exemple 2 à 3 atmosphères, et, après que le gaz a été enfermé hermétiquement, on aplatit par compression le tube 17 à gaz afin de sceller les petits trous 13b,

comme le représente la figure 2,et maintenir l'étanchéité à l'air de l'es-

pace 18, et également afin de former une borne de connexion d'un fil 19 de raccordement après qu'il a été comprimé. De plus, du côté intérieur

de la plaque 13 d'extrémité, un élément isolant 20, constitué d'une ma-

tière isolante telle que la céramique et comportant un trou axial débou-

chant 20a pour le passage de l'axe fixe 15, est monté sur l'extrémité in-

férieure de la partie 11 en forme de barillet, sa périphérie extérieure étant en contact avec la partie 11, tout en formant un évidement 20b

tourné vers le bas et qui se continue jusqu'au trou débouchant 20a.

En outre, dans l'espace 18 étanche à l'air, se trouve un con-

tact mobile 21 pouvant se fermer sur le contact fixe 14 et s'en écarter, une plaque isolante 22 de la même matiere que l'élément isolant 20 est fixée sur la face intérieure de la plaque 12 d'extrémité supérieure, et les contacts fixe et mobile 14, 21 de l'espace 18 étanche à l'air sont donc placés dans une chambre isolante fermée par la partie 11 en forme de barillet, l'élément isolant 20 et la plaque isolante 22. Le contact mobile 21 est fixe à une extrémité de l'axe mobile 23 qui peut se déplacer vers l'espace 18 étanche à l'air et s'en éloigner en passant à travers les trous 12a et 22a formés respectivement dans la plaque 12 d'extrémité et dans la plaque isolante 22. Ce contact mobile 21 et cet axe mobile 23 sont également constitués d'une matière métallique telle que le cuivre exempt

d'oxygène, un alliage de cuivre ou une autre matière analogue, et ils for-

ment une électrode mobile. Le contact mobile 21 a également dans son en-

semble la forme d'un disue, tandis que des plaques minces 21a et 21b cons-

tituées d'une matière isolante telle que la céramique sont prévues sur les deux faces planes. La partie périphérique inférieure du contact mobile 21 est également aplatie en vue de son contact avec la face aplatie du contact fixe 14. L'une ou l'autre des faces aplaties des contacts fixe et mobile 14, 21 peut être omise, mais en tout cas les deux contacts 14, 21 doivent être formés de manière à réaliser un contact lineaire plutôt que ponctuel. A l'autre extrémité de l'axe mobile 23, est fixe un élément 24 formant borne, et un fil 25 de raccordement est connecté à cet élément

24 formant borne. Sur la face extérieure de la plaque 12 d'extrémité-supé-

rieure, un cylindre 26 de maintien dont le fond est renversé et qui com-

porte une chambre intérieure 26a dans laquelle passe l'axe mobile 23, est fixé par son extrémité ouverte à la partie périphérique extérieure du trou débouchant 12a de la plaque 12, et un soufflet 27 formé d'un tube métallique constitué, par exemple, de trois couches minces de Ni-Cu-Ni

et plissé, est logé à l'intérieur du cylindre 26 de maintien. Une extré-

mité de ce soufflet 27 est fixée à la partie inférieure de l'axe mobile 23 voisine du contact mobile 21, tandis que l'autre extrémité ou extrémité supérieure du soufflet 27 est fixee sur la face inférieure de l'extrémité

supérieure du cylindre 26. Un manchon 28 de guidage est fixé extérieure-

ment à l'extrémité supérieure du cylindre 26 périphériquement à un trou central formé dans cette extrémité supérieure, et la partie supérieure de l'axe mobile 23 traversant le cylindre 26 de maintien est guidée à travers ce cylindre et se prolonge à l'extérieur. Grâce à ce montage du

cylindre 26 de maintien et du soufflet 27, l'étanchéité à l'air de l'es-

pace 18 est suffisamment maintenue, tandis que l'axe mobile 23 peut se

déplacer vers l'espace 18 et s'en éloigner de manière étanche à l'air.

Dans une paire de parties extérieures opposées de la face la-

térale de la partie 11 en forme de barillet, une paire d'aimants perma-

nents 29, 30 sont fixes sur la partie 11 en forme de barillet, et une paire de bras 31 formant brides sont prévus de manière à se prolonger vers le haut à partir de la plaque 13 d'extrémité inférieure afin de

maintenir les aimants contre la partie 11 en forme de barillet. Ces ai-

mants permanents 29, 30 sont placés dans un plan coupant sensiblement à angle droit la direction dans laquelle se déplace le contact mobile 21 pour établir et rompre le contact avec le contact fixe 14 et sensiblement au même niveau que la position d'engagement des contacts fixe et mobile

14, 21. De plus, un élément élastique 32 est prévu entre la paroi d'extré-

mité supérieure du cylindre 26 de maintien et l'élément 24 formant borne,

afin de pousser l'électrode mobile 23 dans le sens de la séparation d'a-

vec l'électrode fixe 15. Dans le présent exemple, l'élément élastique

32 est formé d'un ressort hélicoïdal de compression constitué, par ex-

emple, de bronze phosphoreux et il est monté autour de l'axe mobile 23.

On décrira ensuite le fonctionnement du dispositif étanche 10 à contacts suivant la présente invention. Lorsque l'axe mobile 23 est poussé par un moyen approprié quelconque pour se déplacer dans le sens indiqué par la flèche N à la figure 1, le contact mobile 21 est poussé de manière à entrer en contact avec le contact fixe 14 pour que les contacts soient fermés. Lorsque cette force de poussée agissant sur l'axe mobile 23 est relâchée, une force composée de la pression du gaz isolant dans l'espace 18 étanche à l'air et appliquée sur la face extérieure du soufflet 27, et de la force de poussée de l'élément élastique 32, est appliquée à l'axe mobile 23 dans le sens de la flèche O à la figure 1, de sorte que

le contact mobile 21 s'écarte du contact fixe 14 afin d'ouvrir les contacts.

Alors qu'un arc est crééee à l'ouverture des contacts, cet arc

est soumis à un refroidissement rapide dû à la capacité de refroidisse-

ment d'un gaz isolant tel que l'hydrogène gazeux enfermé dans l'espace 18 sous une pression elevee, à la suite de quoi la force magnétique des aimants permanents 29, 30 agissant par rapport à la partie d'engagement des contacts a pour effet de réaliser un soufflage magnétique de l'arc et de le supprimer en un temps plus court. Les plaques minces isolantes 21a, 21b prévues sur les faces latérales du contact mobile 21 ont pour effet, dans ce cas, d'empêcher que l'arc crééee se déplace à la périphérie autour du contact mobile 21, et le contact linéeaire réalisé entre les contacts fixe et mobile 14, 21 a également pour effet d'empêcher que le

courant électrique ne se concentre en un point de manière à ne pas augmen-

ter la densité de courant. Ces caractéristiques techniques permettent

d'obtenir une longue duree de vie des contacts.

En se reportant plus précisément à ce qui précède, on a ob-

servé empiriquement les faits suivants en relation avec le gaz électri-

quement isolant enfermé dans l'espace 18 étanche à l'air. Tout d'abord,

on a observé expérimentalement la corrélation entre la conductivité ther-

mique du gaz et la durée d'arc pour une variété de dosages du mélange

d'argon Ar et d'hélium He, tout en faisant varier la conductivité ther-

mique du gaz. Ceci revient à dire que, lorsqu'on a choisi un dosage d'argon à 0 C égal à 50 %, 25 % et O %, la conductivité thermique du gaz était de 20,6 x 10-4, 32,8 x 10-4 et 58,4 x 10'4(W/cm2.sec). On a mesure la duree d'arc pour un courant de 3 kA passant dans les deux contacts 14, 21 (à une valeur de pointe de demi-onde du courant alternatif industriel),

un temps d'ouverture des électrodes de 0,94 milliseconde et un temps neces-

saire au contact mobile 21 pour se déplacer de 2 mm fixe à 0,43 millise-

conde. Ces résultats sont représentés sur le diagramme de la figure 4 pour lequel la conductivité thermique du gaz est portée en abscisse et la durée d'arc en ordonnée. Comme le montre clairement le diagramme, la durée d'arc diminue au fur et à mesure que la conductivité thermique du gaz augmente, comme le représente la courbe V, par suite de quoi on a observé que la conductivité thermique plus élevee du gaz a pour effet de supprimer l'arc

à une vitesse plus grande et elle contribue à un refroidissement rapide.

On a ensuite représenté sur le diagramme de la figure 5 les conductivités thermiques d'une variété de gaz électriquement isolants, la température du gaz étant portée en abscisse et la conductivité thermique du gaz en

ordonnée. Comme le montre clairement le diagramme, l'utilisation d'hy-

drogéne gazeux en particulier doit permettre une grande force de refroi-

dissement de l'arc, lorsqu'on considère la température de l'arc. De plus, on a représenté les tensions d'arc des divers gaz

isolantssur le diagramme de la figure 6, le courant de la colonne posi-

tive de l'arc étant porté en abscisse et l'intensité du champ électrique également de la colonne positive de l'arc étant portée en ordonnée tandis que le rayon R d'un tube dans lequel est présente la colonne positive est

fixe à la valeur R = 2 cm. On a observé que, d'après ce diagramme, l'hy-

drogène gazeux est de nouveau le meilleur parmi les divers gaz à présenter un champ électrique élevé (V/cm) qui est proprotionnel à la pression du gaz, de sorte qu'on peut le comparer à la tension d'arc élevé. Tandis qu'on a observé ainsi que l'hydrogène gazeux a des caractéristiques élevees de tension d'arc d'une part, la tension de rupture dielectrique est abaissée d'autre part de sorte que la création d'un arc dans l'hydrogène gazeux sera susceptible de présenter un claquage. L'addition à l'hydrogène gazeux, par exemple d'azote gazeux N2 en quantité inférieureou égale à 40 % en volume, permet cependant d'obtenir une excellente tension d'arc et d'amener la tension de rupture dielectrique à la hauteur de l'azote gazeux N2. En ce qui concerne la pression de l'hydrogène gazeux ou du mélange de gaz à enfermer dans l'espace 18 étanche à l'air, on a observé empiriquement

que cette pression devait de préférence, être-égale à 2 atmosphères en-

viron, mais il n'est pas nécessaire que la pression soit limitée à cette valeur. Dans le dispositif étanche 10 à contacts mentionné précédemment, le manchon isolant 16 entourant l'axe fixe 15 a pour effet d'empêcher que l'arc créé lors de l'ouverture des contacts ne se développe sur la surface de l'axe fixe 15 pour atteindre la plaque 13 d'extrémité. En outre,. la présence de l'évidement 20b tourné vers le bas dans l'élément isolant 20

formant la paroi inférieure de l'espace 18 étanche à l'air et se conti-

nuant jusqu'au trou débouchant central 20a, a pour effet d'augmenter la surface de l'élément isolant 20, de sorte qu'une excellente isolation électrique de l'élément 20 peut être conservée même lorsque du métal en poudre que la chaleur de l'arc amène à se disperser, adhère à l'élément 20. On se reportera ensuite aux figures 7 à 9 qui représentent un autre exemple de réalisation de la présente invention, dans lequel les mêmes éléments constituants que dans l'exemple de réalisation du disposi- tif étanche 10 à contacts représenté aux figures 1 à 3, sont désignés

par les mêmes références numériques que celles des figures 1 à 3 mais aug-

mentées de 40. Dans le présent exemple de réalisation, un ressort 73 de

séparation des contacts est placé non pas sur la paroi d'extrémité supérieu-

re du cylindre 66 de maintien de l'axe mobile mais plutôt autour de la pé-

riphérie de ce dernier et,;de manière optimale, ce ressort 73 est choisi

de façon que sa hauteur, lorsqu'il n'est pas comprimé, est légèrement su-

périeure à celle du cylindre 66 de maintien. A l'autre extrémité extérieu-

re de l'axe mobile 63 à laquelle est fixé un élément 64 formant borne, un bras 74 de maintien est monté fou sur l'axe 63 de manière à se prolonger

dans une direction perpendiculaire à cet axe 63, et le ressort 73 est main-

tenu en compression entre ce bras 74 et une plaque 52 d'extrémité supérieu-

re de la partie 51 en forme de barillet du dispositif 50. Au voisinage de l'extrémité supérieure de l'axe mobile 63, on a placé une pièce 75 de maintien ayant en élévation la forme d'un U renversé et constituée d'un disque central dans un trou central duquel passe librement l'axe 63. Cette pièce 75 de maintien est fixée par les deux extrémités inférieures de ses pattes à la paroi d'extrémité supérieure du cylindre 66 de maintien. Une coiffe 76 est fixée à l'extrémité supérieure de l'axe mobile 63 afin de couvrir l'éléMent 64 formant borne, passé dans le trou central de la pièce

de maintien pour tourner avec l'axe 63. Cette coiffe 76 doit, de pré-

férence, être constituée d'une matière électriquement isolante et résis-

tant à l'usure telle que le "Téflon" (marque de fabrique d'un produit Du Pont) ou d'une matière analogue, pour tenir compte du cas o une force de poussée d'un moyen d'entraînement lui serait appliquée directement comme

on le décrira en détail plus loin. Dans ce montage, la pièce 75 de main-

tien a pour action de permettre au bras 74 de maintien d'atteindre une course constante d'ouverture et de fermeture des contacts de l'ensemble de l'axe mobile 63 y compris la coiffe 76 couvrant l'élément 64 formant borne, et également d'empêcher tout autre mouvement du bras 74 de maintien

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tandis que le ressort 73 de séparation des contacts est comprimé par le bras 74 pour ne pas se détendre plus qu'il n'est prévu. Par conséquent, dans le présent exemple de réalisation, l'espace ou longueur nécessaire pour le ressort de séparation des contacts chevauche celui du cylindre 66 de maintien, de sorte qu'on peut raccourcir l'axe mobile 63 et réduire

les dimensions de l'ensemble du dispositif, tout en renforçant l'extré-

mité axiale de l'axe mobile 63. Dans le présent exemple de réalisation,

y compris le fait qu'une force composée de la pression du gaz électrique-

ment isolant, appliquée a un soufflet 67, et de la force élastique du ressort 73 de séparation des contacts, est appliquée à l'axe mobile 63, d'autres montages et fonctionnements sont identiques à ceux de l'exemple

de réalisation des figures 1 à 3.

Le dispositif étanche 10 ou 50 à contacts suivant la présente invention peut être verrouillé avec un moyen de commande tel que

celui que représente la figure 10 sous la forme, par exemple, d'un dis-

positif électromagnétique (le dispositif 50 des figures 7 à 9 étant re-

présenté précisément à titre d'exemple, tandis que le dispositif 10 des figures 1 à 3 peut également être utilisé). Plus précisément, le moyen

de commande comprend une plaque 81 de montage, un noyau 82, un solé-

noTde 83 enroulé sur ce noyau et une carcasse 84 qui sont montés sur la

plaque 81 en même temps que le dispositif étanche 50 à contacts. La car-

casse 84 a sensiblement la forme d'un L, et une extrémité d'une armature

est montée de manière à pouvoir pivoter sur la partie d'extrémité supé-

rieure de la carcasse 84, de sorte que l'autre extrémité de l'armature

sera attirée vers l'extrémité supérieure du noyau 82 lorsque le solé-

noide 83 sera excité. Un bras 86 de manoeuvre est monté sur l'armature mobiles de manière qu'ils soient relativement / l'un par rapport à l'autre etqu'ils se déplacent solidairement avec le mouvement d'attraction de l'armature , de ce fait le bras 86 peut entraîner l'axe mobile 63 du dispositif 50, avec lequel il est en contact par l'intermédiaire de la coiffe 76, afin d'abaisser l'axe. Dans le présent exemple, le bras 86 de manoeuvre doit,

de préférence, être constitué d'une matière résineuse électriquement iso-

lante telle qu'un polycarbonate ou une matière analogue.

Une extrémité d'un support 87 de ressort est fixée à l'armature 85 tandis que l'autre extrémité de ce support 87 est disposée au-dessus du bras 86 de manoeuvre à une certaine distance, et une extrémité d'un ressort hélicoïdal 88 maintenu par le support 87 est fixée à cette autre extrémitédu support, tandis que l'autre extrémité du ressort est engagée dans un évidement formé de préférence dans la face supérieure du bras 86 de manoeuvre, de manière à déplacer solidairement l'armature 85 et

le bras 86 de manoeuvre.

A l'état de repos du moyen 80 de commande, représenté à la

figure 10, l'électrode mobile formée de l'axe mobile 63 et du contact mobi-

le 61 est empêchée, par la pièce 75 de maintien, de se déplacer au-delà de la distance prédéterminée, le ressort 73 de séparation des contacts étant

également retenu par le bras 74 de maintien, de manière à appliquer la for-

cede.séparation des contacts à l'électrode mobile dans un intervalle légè-

rement inférieur à la course utile des contacts, et l'électrode mobile

est poussée vers le haut pour être séparée de l'électrode fixe exclusi-

vement par la pression du gaz électriquement isolant enfermé dans l'espace

58 étanche à l'air.

D'autre part, en réponse à l'extraction du solénoïde 83 du moyen 80 de commande, l'armature 85 et le bras 86 de manoeuvre s'abaissent dans le sens des flèches O et Q de manière à pousser vers le bas l'axe mobile 63. La force appliquée à cet axe mobile 63 pendant le stade initial

de cette poussée vers le bas est due uniquement à la pression du gaz enfer-

mé dans l'espace 58 étanche à l'air mentionné ci-dessus, et l'axe mobile peut être manoeuvré même avec une excitation initialement très légère du solénoïde 83. Lorsque l'axe mobile 63 est davantage poussé vers le bas, la force de poussée du ressort 73 de séparation des contacts s'ajoute à la pression du gaz, à la suite de quoi l'armature 85 s'approche très près du noyau 82 et une force importante d'attraction s'exerce sur l'armature, de sorte que l'électrode mobile est régulièrement et fiablement amenée dans la position de fermeture des contacts. On'se rendra compte facilement que,

dans le cas présent, une pression suffisante de contact est appliquée ré-

gulièrement par le ressort 88 à l'électrode mobile dans la position de fer-

meture. On verra également que l'ouverture du contact mobile 61 par

rapport au contact fixe 54 est obtenue par.une opération effectuée de la.

manière inverse à celle qui est décrite ci-dessus.

On se reportera dans le cas présent au fonctionnement du dis-

positif étanche à contacts. Comme le représente la figure 11 sur laquelle

la distance de sparation entre les contacts fixe et mobile 54, 61 est por-

tée en abscisse et la force de réaction appliquée par l'axe mobile 63 au bras 86 de manoeuvre est portée en ordonnée, la distance "d" de séparation dans la position d'ouverture des deux contacts est représentée par dl et est fixée, par exemple, à 0,75 mm lorsque la force de réaction appliquée au bras 86 de manoeuvre est égale à Fl. Lorsque le solénoTde 83 est excité dans la position correspondant à cette force de réaction F1, la distance

"d" diminue mais la force de réaction augmente. Dans la position dans la-

quelle le bras 74 de maintien bute contre l'extrémité supérieure du ressort 73, la distance entre les deux contacts sera égale à d2 tandis que la force de réaction sera égale à F2 et, immédiatement après, la force de poussée du ressort 73 s'ajoutera à la pression du gaz isolant, de sorte que le bras 86 de manoeuvre se verra appliquer une force plus grande de réaction F3, cette dernière augmentant jusqu'à ce que la distance "'Id" devienne égale à

zéro pour la force de réaction la plus grande F4 exercée lors de la ferme-

ture des contacts. Ainsi, la force de réaction sera représentée par une ligneentraits d'axe 11. A condition que le ressort 73 de séparation des contacts soit absent, d'autre part, la force de réaction sera représentée

par une ligne en traits d'axe 12 qui est le prolongement de la ligne joi-

gnant le point F4 et le point kl correspondant à la force F3, la force ma-

gnétique nécessaire dans ce Gas sera représentée par une ligne en traits d'axe 10 passant par le point k2 de la ligne 12, de sorte que l'énergie magnétique représentée par la zone triangulaire doublement hachurée S3

peut être omise dans le stade initial de l'opération de fermeture des con-

tacts. La force électromagnétique nécessaire pour le fonctionnement complet du dispositif 50 est représentée par une ligne en traits d'axe 13 passant par le point kl et parallèle à la ligne O10. Dans l'ensemble, on peut faire l'économie de la force électromagnétique correspondant à la

zone hachurée 52 et, en conséquence, on peut réduire au minimum les dimen-

sions du moyen 80 de commnande.

On considérera maintenant d'un point de vue différent le fonc-

tionnement du dispositif 50 suivant la- présente invention, en supposant que la pression du gaz enfermé à la température TO ( K) est égale à P (kg/cm2, lorsque P > 1, dans le cas présent P = 1 puisqu'il s'agit de la pression atmosphérique), la force nécessaire pour ouvrir les contacts

est égale à F (kgf), la surface soumise à pression du soufflet 67 en l'ab-

sence du ressort de séparation des contacts est égale à S1 (cm2), la surface soumise à pression du soufflet 67 dans le dispositif 50 est égale à S21 (cm2), la force de poussée du ressort 73 de séparation des contacts est égale à f. et une force égale Fde séparation des contacts doit être obtenue dans les deux cas, que le ressort 73 soit présent ou absent, de sorte que la formule suivante soit satisfaite: F = (P - 1) Sl (P - 1) S21 + f (1) formule dans laquelle (P - 1) est la différence entre la pression du gaz

dans le bac hermétique et la pression atmosphérique, et représente la pres-

sion de gaz appliquée au soufflet 67.

Par conséquent, pour obtenir la même force F de séparation des contacts, la surface S21 soumise à pression du soufflet 67 utilisé dans le dispositif étanche 50 à contacts du présent exemple de réalisation peut

être réduite d'une composante correspondant à la force f du ressort de sé-

paration des contacts, par rapport à la surface Si en l'absence du ressort 73, et les dimensions du soufflet 67 ainsi que de l'ensemble du dispositif peuvent être réduites au minimum, de sorte que les coûts de fabrication

du dispositif peuvent être abaissés, comme on le comprendra facilement.

En supposant ensuite que la force de séparation des contacts

se produisant à la température T1 ( K) est égale à F1 en l'absence du res-

sort 73 de séparation des contacts, et est égale à F21 dans le dispositif , la force F1 en l'absence du ressort 73 sera alors:

F1 = {(T1/TO) (P - 1)} S1 (2)

et la variation à'F1 de la force F1 de séparation pour une variation de température (TO à T1) sera, en partant des formules précédentes (1) et (2) : F1 = F1 - F = {(Tl/TO) - 1} (P - 1) S1 (3) D'autre part, dans le dispositif 50: F21 = {(T1/TO) (P - 1) S21} + f (4) De même, ii F21 = F21 F = (T1/T0) - 1} (P - 1) S21 (5) Par conséquent,en supposant que la même variation de température existe, la variation de la force de séparation dans le dispositif 50, comparée au cas de l'absence du ressort 73, sera inférieure de {(T1/TO) - 1} f (6)

En introduisant des valeurs concrètes dans les formules ci-

dessus, pour une température de 293 K (= 20 C), une pression P = 2 kgf/cm2 du gaz enfermé, une force nécessaire de séparation F = 0,2 kgf, une force élastique f = 0,1 kgf du ressort 73, la surface S1 soumise à pression du soufflet en l'absence du ressort 73 sera égale à 0,2 cm2, tandis que la surface S21 soumise à pression du soufflet 67 dans le dispositif 50 sera égale à 0,2 cm2 et cela suffit pour l'objet qu'on a

en vue même si on fixe à 1/2 la surface soumise à pression.

Pour une variation de la température de TO = 293 K (= 20 OC) à T1 = 373 K (= 100 C), la force F de séparation variera de 0,2 kgf à 0,255 kgf en l'absence du ressort 73, mais elle passera de 0,2 kgf à 0,227 kgf dans le dispositif 50. Ceci revient à dire que, avec le dispositif 50,

la variation de 28 gf est faible et on peut réaliser un fonctionnement sta-

ble par rapport à toute variation de la température. Ce qui signifie que, même en présence d'une augmentation anormale de la force de séparation du fait d'une augmentation de la température, les contacts pourront se fermer

fiablement.

Dans le dispositif étanche 50 à contacts suivant la présente invention, la force F de séparation des contacts ne deviendra pas nulle même lorsque la pression P du gaz enfermé sera égale à 1, c'est-à-dire même en cas de fuite totale du gaz enfermé, car la force f de poussée du ressort 73 de séparation sera toujours présente, de sorte que le dispositf

continuera à fonctionner et sa fiabilité sera notablement améliorée.

Dans la description qui précède, le gaz électriquement isolant

a été mentionné comme étant de préférence l'hydrogène gazeux ou son mélange avec de l'azote gazeux en quantité inférieure à 40 % en volume, et sa pression d'incorporation até décrite comme étant de manière optimale égale

à 1 à 10 atmosphères (pression absolue). En ce qui concerne le gaz élec-

triquement isolant, comme le montre clairement la figure 12 sur laquelle le dosage d'azote dans le mélange est porté en abscisse tandis qẻ la durée

d'arc est portée en ordonnée afin de représenter par une courbe W la varia-

tion de la durée d'arc en fonction du dosage d'azote du mélange, un mélange

d'azote deplus de 40 % provoque une augmentation brutale de la durée d'arc.

Plus celle-ci est longue, plus la consommation des contacts est grande, bien entendu, et les caractéristiques de tension de tenue des contacts sont amenées à s'altérer considérablement. En ce qui concerne la pression du gaz enfermé, plus la pression est supérieure à 1 atmosphère, plus le trans- fert d'arc est facilité, mais une pression supérieure à 10 atmosphères

provoque des difficultés relatives aux propriétés de résistance à la pres-

sion du soufflet 67 ou de son environnement, comme on l'a appris empirique-

*ment.

Bien qu'on ait observé, en outre, que les contacts fixe et mo-

bile constitués sensiblement en forme de disque ont pour effet d'agir comme une électrode dite de coupure avec le pourtour circulaire de la forme en disque, de sorte que l'arc peut être transféré en douceur afin de réduire

l'usure des contacts, on a également constaté empiriquement que l'utilisa-

tion de tungstène W comme matière constituant les contacts a un effet pra-

tique. Pour cette expérience, on a utilisé un circuit représenté à la fi-

gure 13, dans lequel une résistance R de protection, une source de courant continu DC, un moyen A de mesure de l'intensité et les électrodes fixe et

mobile comprenant les contacts fixe et mobile 14, 21 du dispositif 10 sui-

vant la présente invention sont connectés en série à un circuit en parallèle formé d'une charge L et d'un circuit Z absorbeur de surtensions, et un moyen VM de mesure de la tension est connecté aux deux électrodes. Dans ce montage de circuits, on a fait fonctionner le dispositif 10 de manière à effectuer les opérations de fermeture et d'ouverture des contacts, et les corrélationsentre l'intensité et la tension lors de la fermeture et de l'ouverture des contacts,et la durée d'arc ont été mesurées.La charge L utilisée était, en particulier, constituée par un moteur à courant continu de 200 V et 20A,et la valeur de la limite inférieure de la diminution de

la tension de tenue des contacts a été fixée à celle d'une tension alter-

native de 2 kV. Les résultats de ces mesures expérimentales sont représen-

tés respectivement par les courbes Y et Z sur les figures 14 et 15, sur lesquelles on a porté l'intensité en ordonnée à la figure 14 et la tension

en ordonnée à la figure 15, tandis qu'on a porté la durée d'arc en abscis-

se sur les deux dessins. Comme on peut le voir à la figure 14, l'intensité est immédiatement réduite à OA au point tl de la durée d'arc tandis que, comme on peut le voir à la figure 15, la tension d'arc atteint environ V pendant une durée d'arc (X1 et ensuite la tension maximale d'arc (par exemple 400 V) au point tl du temps de coupure, et la tension entre les contacts diminue jusqu'au niveau de la source de tension apres une autre durée d'arc 62 (par exemple 2 millisecondes). Sur la figure 15, la partie de la courbe Z jusqu'au point tl de la durée d'arc représente

la tension d'arc, la partie de tl à t2 (ce dernier étant le point de dé-

but de la diminution de la tension) représente une tension désignée par

Znr, et la partie restante qui suit t2 représente la tension de la sour-

ce. Une autre expérience a été faite en vue de déterminer, comme le représente la figure 16, la corrélation entre le nombre de fermetures et d'ouvertures des contacts (en abscisse) et la tension de tenue des contacts (en ordonnée) du dispositif suivant la présente invention. On a observé que, comme le montre la courbe X, la fermeture et l'ouverture des contacts ont pu s'effectuer plus de 500 000 fois avant que la valeur de la limite inférieure, fixée à 2 kV, de la diminution de la tension de

tenue des contacts ait été atteinte.

La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réali-

sation qui viennent d'être décrits. Elle est au contraire susceptible de

variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Dispositif étanche (10, 50) à contacts dans lequel un gaz électriquement isolant est enfermé dans un espace (18, 58) étanche à l'air formé à l'intérieur d'un bac hermétique, une électrode fixe (15, 55) est fixée dans l'espace (18, 58) étanche à l'air et est pourvue d'un contact

fixe (14, 54), une électrode mobile (23, 63) disposée au moins partielle-

ment dans l'espace (18, 58) étanche à l'air pour se déplacer vers l'avant et vers l'arrière de manière étanche à l'air est pourvue d'un contact mobile (21, 61) pouvant se fermer sur le contact fixe (14, 54) et s'en écarter, un aimant permanent (29, 30; 69, 70) est disposé dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction dans laquelle se ferment et s'ouvrent les contacts (14, 21; 54, 61), et une culasse (31, 71) entoure extérieurement l'aimant permanent (29, 30; 69, 70), ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (32, 73) au moins partiellement expansible et accouplé à l'électrode mobile (23, 63) pour lui permettre de

se déplacer de manière sûre et étanche à l'air.

2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce quece moyen (32, 73) permettant à l'électrode mobile (23, 63) de se déplacer de manière sûre se compose d'un moyen disposé par rapport à l'électrode mobile (23, 63) pour la pousser dans le sens de la séparation du contact

mobile (21, 61) et du contact fixe (14, 54).

3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ce moyen (32, 73) de poussée est un ressort hélicoïdal de compression monté sur une partie d'extrémité de l'électrode mobile (23, 63) qui fait

saillie hors du bac hermétique.

4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que

le gaz électriquement isolant contient au moins de l'hydrogène gazeux.

5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le gaz électriquement isolant est un mélange d'hydrogène gazeux et d'azote

gazeux.

6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que

la proportion d'azote gazeux est inférieure à 40 % en volume.

7. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz électriquement isolant est enfermé hermétiquement dans le bac à une

pression de l'ordre de 1 à 10 atmosphères en valeur absolue.

8. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen (74) pour limiter la distance dont le moyen de poussée pousse l'électrode mobile dans le sens de la séparation

afin que cette distance soit inférieure à la course de fermeture et d'ou-

verture des contacts de l'électrode mobile.

9. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que

les contacts mobile et fixe (21, 14; 61, 54) sont formés de tungstène.

10. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce

que les contacts mobile et fixe (21, 14; 61, 54) sont en forme de disque.

11. Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins un des contacts mobile et fixe (14, 21; 54, 61) est pourvu d'une partie aplatie afin de réaliser un contact linéaire entre les deux contacts.