Dispositifs de contact électrique à liquide conducteur

Abstract

 Le dispositif de contact est enfermé dans une enceinte étanche dont au moins une paroi (2) est en matériau diélectrique non mouillable par le liquide conducteur (1 ). comporte encore des moyens de commande (4) de pression du liquide. Une connexion électrique (9) est en contact permanent avec le liquide. La paroi diélectrique (2) esttraversée parau moins, un conduit (6) d'une largeur telle qu'à l'état de repos l'effet de capillarité y empêche toute pénétration du liquide dans le conduit (6), tandis qu'à l'état de travail, la pression du liquide est suffisante pour le faire entrer dans le conduit (6) ce qui établit ainsi une liaison électrique entre le liquide (1) et un matériau conducteur placé de l'autre côté de la paroi (2). Lors du retour à l'état de repos, le liquide (1 ) ressort du conduit (6) en rompant la liaison électrique.
L'ensemble constitué par la paroi en matériau diélectrique et le matériau conducteur de la paroi (2) forme un matériau composite diélectrique-conducteur, le conduit (6) étant percé dans la partie diélectrique jusqu'à la partie conductrice. Le matériau composite diélectrique-conducteur peut être un métal émaillé, ou un métal sur lequel on a déposé un diélectrique par shoopage, ou une plaque diélectrique sur laquelle on a déposé du métal par shoopage, ou encore un cermet dont on a éliminé superficiellement la phase métallique. Le conduit est constitué par une fente, ou des fentes se croisant à angle droit. Il peut aussi être cylindrique.

Description

[0001] La présente invention concerne des dispositifs de contacts électriques à liquide conducteur utilisables dans des commutateurs électriques manuels, tels que des commutateurs à boutons-poussoirs, ou automatiques, tels que des relais électromagnétiques, ou encore des matrices de commutation, telles que celles qui sont utilisées en commutation téléphonique, etc.

[0002] Dans les commutateurs électriques les plus souvent utilisés, les dispositifs de contact électriques sont constitués par deux pièces métalliques, bonnes conductrices de l'électricité, dont l'une est fixe et l'autre mobile, la pièce mobile étant déplacée jusqu'à venir toucher la pièce fixe pour établir la continuité électrique entre les deux pièces, ou séparée de la pièce fixe pour interrompre la continuité électrique. Dans le cas d'un relais électromagnétique, la pièce mobile est reliée à l'armature du relais qui provoque ses mouvements de fermeture et d'ouverture du contact. Pour pouvoir être utilisé dans les systèmes de commutation téléphonique, un dispositif de contact doit répondre à un certain nombre d'exigences. Il doit pouvoir interrompre ou établir un courant d'une façon nette, rapide, avec une résistance très élevée entre les deux éléments de contact quand celui-ci est ouvert, mais une résistance très faible et repro- ducctible entre ces éléments quand le contact est fermé. Ces propriétés doivent se maintenir pendant longtemps, de l'ordre de 20 ans. Il doit pouvoir subir un grand nombre de manoeuvres, de l'ordre de 10 8

[0003] Or, on observe fréquemment, dans ces dispositifs de contact à deux pièces métalliques, une dégradation accélérée des performances causée par un accroissement de la résistance entre les pièces quand le contact est fermé, la destruction partielle des surfaces de contact des pièces par érosion électrique et la tendance des pièces à se coller. En effet, quand ces dispositifs de contact sont à l'air libre, l'atmosphère environnante renferme, par exemple, des composés du soufre ayant une action néfaste sur les surfaces de contact. D'autre part, à l'ouverture du contact, des arcs brefs, mais intenses, se produisent d'une manière bien connue et entraînent une érosion. Pour tenter de réduire ces défauts, on utilise, pour constituer les surfaces de contact, des métaux précieux, tels que l'argent, le palladium ou leurs alliages. Par ailleurs, on prévoit, quand cela est possible, des circuits de protection contre les décharges trop intenses. Toutefois, ces solutions sont coûteuses et ne sont que partiellement efficaces. ,

[0004] Afin d'améliorer les résultats des dispositifs de contact à deux pièces métalliques, on enferme les surfaces de contact des pièces dans des enceintes étanches à l'intérieur desquelles règne une atmosphère à composition contrôlée, le plus souvent à base d'azote et d'hydrogène, et débarassée des composés corrosifs. Dans certains dispositifs de contact de ce type, une partie de l'enveloppe constituant l'enceinte est déformable et joue le rôle d'une membrane permettant, à partir d'un moyen extérieur à l'enceinte, d'actionner la pièce mobile du contact, à l'intérieur de l'enceinte. Dans d'autres dispositifs du même type, l'enveloppe est indéformable, par exemple en verre, ce qui implique que les pièces soient, au moins partiellement constituées par un matériau magnétique et élastique. De plus, leurs surfaces de contact sont revêtues d'or, puis de rhodium ou de rhuténium. Ces pièces de contact sont donc chères et exigent d'être manipulées dans des salles dites "blanches". Enfin, le scellement des pièces dans les enceintes nécessite des réglages très précis et des contrôles de fabrication rigoureux qui augmentent encore le coût de ces dispositifs de contact sous ampoule ou CSA. Pour améliorer les performances de ces dispositifs CSA fonctionnant à sec, on a développé des dispositifs où la surface de contact de l'une des pièces est recouverte de mercure liquide par capillarité ce qui, à la fermeture, assure un très bon contact électrique reproductible. Toutefois, ces dispositifs CSA à surface de contact mouillée sont encore plus chers que les dispositifs CSA secs et, surtout, ne peuvent fonctionner que dans une position déterminée car le mercure doit se rassembler à un emplacement convenable prédéterminé.

[0005] D'autre, part, les contacts actuellement utilisés et, particulièrement, les contacts CSA doivent être fabriqués, vérifiés et mis en place un par un. Or, dans beaucoup d'applications, ils sont utilisés sous forme d'ensembles. Par exemple, dans les centraux de commutation téléphonique, on utilise des matrices de commutation qui regroupent des centaines de contacts sur une carte enfichable. Le temps d'assemblage des dispositifs de contact unitaires est important ce qui augmente le coût de ces matrices.

[0006] On connaît des dispositifs de contact à mercure ne présentant pas ces inconvénients. Il s'agit de structures comportant un espace étroit dont les parois ne sont pas mouillables par le mercure. Le contact électrique s'établit entre le mercure et une électrode placée au fond de l'espace. Etant donné l'étroitesse de l'espace, qui entraîne des effets de capillarité, le mercure ne pénètre dans cet espace que s'il est soumis à une pression, et lors de la disparition de cette pression, le mercure ressort interrompant ainsi la continuité électrique. Cet espace étroit a jusqu'ici été réalisé sous la forme d'un intervalle ménagé entre des plaques parallèles ou un tube capillaire. Des exemples de tels dispositifs sont décrits dans les brevets français 1 505 976 et 1 506 067, allemands 1 185 724 et 1 218 062 et américain 2 695 938. La fabrication de contact de ce type est très délicate et, encore, d'un prix de revient élevé.

[0007] Dans le brevet français 2 385 208, on a décrit une structure de contact comportant une paroi poreuse, une augmentation de pression faisant pénétrer dans les pores un liquide conducteur ne mouillant pas cette paroi et établissant ainsi la continuité électrique entre les deux côtés de la paroi. Il apparaît que l'espace étroit est alors réalisé facilement étant donné la structure même du matériau utilisé comme paroi, à savoir du tissu, un matériau fritté, un matériau en fibres minérales, etc.

[0008] Dans le brevet américain 3 114 811, on décrit un relais à contact mouillé au mercure dans lequel le mercure monte par capillarité le long d'une armature 12 pour venir mouiller en permanence les surfaces conductrices des contacts. Le fait de revêtir les surfaces conductrices de contacts de "spacers" isolants n'empêche pas le mercure de mouiller en permanence les barres et les fonds conducteurs des fentes entre ces barres. L'épaisseur des barres doit être limitée à l'épaisseur du film de mercure entre les barres (soit 25 microns), et l'intervalle entre les barres doit être de plusieurs mils, soit de l'ordre de 100 microns ou plus, si bien que le mercure mouillant la surface de contact entre les barres forme une couche de mercure liquide d'épaisseur égale ou supérieure à celle des barres.

[0009] Dans le brevet français, 2 312 847, on a également décrit un contre-contact dont le métal sous-jacent est humecté par le mercure. Il s'agit donc d'un contact du type de celui décrit dans le brevet américain 3 114 811 mentionné ci-dessus. Les dimensions de l'ouverture prévue sont, à ce sujet, édifiantes.

[0010] Un objet de la présente invention consiste à prévoir une structure à espace étroit fonctionnant par effet de capillarité sur un liquide conducteur non mouillant, qui soit plus simple que les structures connues antérieurement.

[0011] Suivant une caractéristique de l'invention, il est prévu une structure dans laquelle la paroi isolante et la couche électriquement conductrice qu'atteint le liquide conducteur à travers les espaces étroits de la paroi isolante forment un matériau composite diélectrique-conducteur.

[0012] Suivant une autre caractéristique, ladite structure est formée d'une tôle émaillée dont l'émail est percé de trous ou bien traversé par une ou plusieurs fentes, les trous ou les fentes traversant entièrement la couche diélectrique.

[0013] Suivant une autre caractéristique, ladite structure est formée d'une plaque de métal sur laquelle a été déposée, par shoopage, une couche de matériau diélectrique que l'on perce d'un ou plusieurs trous ou d'une ou plusieurs fentes.

[0014] Suivant une autre caractéristique, ladite structure est formée d'une plaque de matériau diélectrique traversée d'un ou plusieurs trous ou d'une ou plusieurs fentes, sur laquelle a été déposée, par shoopage, une couche de métal.

[0015] Suivant une autre caractéristique, ladite structure est formée d'un cermet dont le métal a été éliminé sur une face du squelette céramique sur une profondeur appropriée.

[0016] Ainsi, suivant l'invention, le conduit dans la paroi isolante est assez étroit pour qu'à la pression de repos, le mercure n'atteigne pas le fond conducteur du conduit. Le fonctionnement du contact est donc complètement différent de celui du relais du brevet américain 3 114 811.

[0017] Les caractéristiques de la présente invention mentionnée ci-dessus, ainsi que d'autres apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels:

la Fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un premier exemple de réalisation d'un contact électrique suivant l'invention,

les Figs. 2 à 5 sont des vues de dessus de diverses structures suivant l'invention,

la Fig. 6 est une vue en coupe d'un second exemple de réalisation d'une structure suivant l'invention,

la Fig. 7 est une vue en coupe d'un ensemble de contacts suivant l'invention, et

la Fig. 8 est une vue en coupe d'une variante de l'ensemble de la Fig. 7.

[0018] La coupe de la Fig. 1 montre un compartiment 1, rempli de mercure, qui est défini, d'une part, par un fond en tôle émaillé 2, d'autre part, par une paroi cylindrique 3 en matériau non conducteur de l'électricité, et, enfin, par une membrane souple 4 fermant transversalement la cavité définie par la paroi cylindrique 3. En pratique, dans la partie haute de la cavité le diamètre de la paroi est diminué et la membrane 4 est maintenue en place par un bouchon creux 5, par exemple vissé au bout de la cavité. La membrane 4 permet de transmettre à l'intérieur de la cavité, c'est à dire au mercure, les variations de pression à l'extérieur. La tôle émaillée 2, dont la partie émail est tournée vers l'intérieur de la cavité, c'est à dire le mercure, comporte une fente 6 traversant la couche d'émail et ouverte vers le mercure. La pièce en tôle émaillée 2 a une forme générale circulaire, avec une partie centrale repoussée pour présenter une surface convexe vers l'intérieur de la cavité 1. Les bords de la pièce 2 sont maintenus contre la face inférieure de la pièce 3 par des moyens de serrage adéquats, soit par exemple, le noyau d'un écrou 7 qui se visse sur la pièce 3. Un fil d'amenée de courant 8 est relié à la partie métallique de la pièce 2 tandis qu'un fil d'amenée de courant 9 est relié à la surface interne de la cavité, c'est à dire au mercure conducteur,à travers un trou de la paroi 3.

[0019] En ce qui concerne la réalisation mécanique montrée, la pièce cylindrique 3 est filetée à l'extérieur de manière à pouvoir visser l'écrou 7. Le fond de ce dernier est évidé pour le passage du fil 8 qui est soudé à la surface inférieure de la pastille de tôle 2. A l'autre extrémité de la pièce 3, il est prévu un trou taraudé coaxial dans lequel se visse le bouchon 5 qui coince les bords de la membrane 4. Pour la connexion du fil 9, on peut prévoir dans 3 un trou, non montré, dans lequel est enfoncé un noyau métallique conducteur dont l'extrémité vient en contact avec le mercure de la cavité. En ce qui concerne le montage du contact, on fixe d'abord la pastille 2 à l'aide du corps 3 et de l'écrou 7, puis on remplit la cavité de mercure et, enfin, on place la membrane 4 que l'on fixe à l'aide du bouchon 5. Les connexions électriques sont supposées montées avant ces opérations.

[0020] La fente 6 dans la partie émaillée de 2 est assez profonde pour mettre la tôle à nu. Sa largeur peut être, par exemple, de 75 millièmes de millimètre. Quand aucune pression, autre que la pression atmosphérique, ne s'exerce sur la membrane, les forces capillaires-au niveau de la fente 6 empêchent le mercure de pénétrer dans la fente et donc de venir en contact avec le fond conducteur de celle-ci. Il en résulte que le courant électrique ne peut passer entre les fils 8 et 9, à travers la pastille 2. Quand une pression supérieure à une quantité déterminée par la largeur de la fente est exercée sur la membrane 4, le mercure entre dans la fente et atteint le fond conducteur en créant un chemin électrique entre les fils 8 et 9. Dès que cette pression sur la membrane 4 est supprimée, les forces capillaires forcent le mercure à sortir de la fente 6 rompant le chemin électrique.

[0021] Comme la partie de la pastille 2 est convexe vers l'intérieur de la cavité, on comprendra que la fente peut être obtenue par un simple trait de scie.

[0022] La Fig. 2 montre une pastille 2 vue de dessus sur laquelle a été tracée une fente unique 6. La Fig. 3 montre une pastille analogue en tôle émaillée dont la partie émaillée a reçu deux traits de scie formant deux fentes parallèles 10, de préférence symétriques par rapport au centre de la pastille. La Fig. 4 montre une autre pastille analogue sur laquelle on a prévu deux fentes en croix 11 passant par le centre de la pastille. La Fig. 5 montre une autre pastille analogue sur laquelle on a prévu quatre fentes formant un carré 12. Bien entendu, on peut substituer l'une quelconque des pastilles des Figs. 3 à 5 à la pastille 2 de la Fig. 1. La multiplicité des fentes qui est soudé à la surface inférieure de la pastille de tôle 2. A l'autre extrémité de la pièce 3, il est prévu un trou taraudé coaxial dans lequel se visse le bouchon 5 qui coince les bords de la membrane ₄. Pour la connexion du fil 9, on peut prévoir dans 3 un trou, non montré, dans lequel est enfoncé un noyau métallique conducteur dont l'extrémité vient en contact avec le mercure de la cavité. En ce qui concerne le montage du contact, on fixe d'abord la pastille 2 à l'aide du corps 3 et de l'écrou 7, puis on remplit la cavité de mercure et, enfin, on place la membrane 4 que l'on fixe à l'aide du bouchon 5. Les connexions électriques sont supposées montées avant ces opérations.

[0023] La fente 6 dans la partie émaillée de 2 est assez profonde pour mettre la tôle à nu. Sa largeur peut être, par exemple, de 75 millièmes de millimètre. Quand aucune pression, autre que la pression atmosphérique, ne s'exerce sur la membrane, les forces capillaires au niveau de la fente 6 empêchent le mercure de pénétrer dans la fente et donc de venir en contact avec le fond conducteur de celle-ci. Il en résulte que le courant électrique ne peut passer entre les fils 8 et 9, à travers la pastille 2. Quand une pression supérieure à une quantité déterminée par la largeur de la fente est exercée sur la membrane 4, le mercure entre dans la fente et atteint le fond conducteur en créant un chemin électrique entre les fils 8 et 9. Dès que cette pression sur la membrane 4 est supprimée, les forces capillaires forcent le mercure à sortir de la fente 6 rompant le chemin électrique.

[0024] Comme la partie de la pastille 2 est convexe vers l'intérieur de la cavité, on comprendra que la fente peut être obtenue par un simple trait de scie.

[0025] La Fig. 2 montre une pastille 2 vue de dessus sur laquelle a été tracée une fente unique 6. La Fig. 3 montre une pastille analogue en tôle émaillée dont la partie émaillée a reçu deux traits de scie formant deux fentes parallèles 10, de préférence symétriques par rapport au centre de la pastille. La Fig. 4 montre une autre pastille analogue sur laquelle on a prévu deux fentes en croix 11 passant par le centre de la pastille. La Fig. 5 montre une autre pastille analogue sur laquelle on a prévu quatre fentes formant un carré 12. -Bien entendu, on peut substituer l'une quelconque des pastilles des Figs. 3 à 5 à la pastille 2 de la Fig. 1. La multiplicité des fentes diminue la résistance du contact en position de fermeture.

[0026] Il faut encore noter que la forme bombée des pastilles permet d'utiliser pour fabriquer les fentes des scies à fil, sans que les fentes ne soient trop longues.

[0027] Au lieu d'une tôle émaillée pour constituer le matériau de la pastille 2, on peut également utiliser une plaque de fer sur lequel on a déposé de l'alumine par shoopage. Les fentes sont alors fabriquées dans les mêmes conditions que précédemment.

[0028] Dans une autre variante de pastille, la plaque de tôle émaillée peut être remplacée par une plaque d'alumine d'une épaisseur de 0,5 mm, par exemple, laquelle a été préalablement percée d'un trou de 0,5 mm environ de diamètre et sur une face de laquelle on a déposé du fer par shoopage. Le dépôt ainsi réalisé bouche le fond du trou. Le mercure baigne la face en alumine seule et ne pénètre pas dans le trou, tant qu'une pression prédéterminée ne lui est pas appliquée. Bien entendu, les dimensions indiquées ci-dessus ne sont données qu'à titre indicatif.

[0029] Dans un autre exemple de réalisation de pastille, on utilise comme matériau de base un cermet magnésie-nickel. Il s'agit d'un matériau composite formé de deux squelettes, l'un céramique et l'autre métallique, imbriqués l'un dans l'autre. Dans un exemple préféré, le diamètre moyen des grains de magnésie est de 10 microns environ. La phase métallique a été retirée sur une face de la pastille sur une épaisseur de 200 microns environ par dissolution anodique classique du nickel.

[0030] La Fig. 6 montre une coupe d'une telle pastille à base de cermet. et fait apparaître, en 13, la phase métallique formée de nickel, imbriquée dans le squelette 14, formé de magnésie. Les vides 15, sur une des faces, ont été formés par attaque électro-chimique du métal. Lors du fonctionnement, le mercure pénètre dans les vides 15, quand il est soumis à une pression prédéterminée, en établissant ainsi une continuité électrique entre lui-même et le nickel du cermet. Quand on supprime cette pression, le mercure ressort des vides sous l'effet des forces capillaires, en rompant la liaison électrique. La pastille de la Fig. 6 peut être utilisée à la place de celle de la Fig. 1.

[0031] La Fig. 7 montre une matrice de contacts, en coupe suivant une coordonnée, formée de contacts analogues à celui de la Fig. 1. Le corps cylindrique 3 est remplacé par une plaque 16 isolante et percée de trous 17 remplaçant les cavités 1. Chaque trou 17 comprend une partie cylindrique d'un premier diamètre formant la cavité proprement dite et, en bas de celle-ci, une autre partie cylindrique moins haute de diamètre plus grand de manière à former un. épaulement contre lequel sont appliqués les bords des pastilles 18, analogues à 2. Les pastilles 18 sont bloquées en position par une plaque 19, parallèle à la plaque 16, et jouant le rôle de l'écrou 7. Sur la face adéquate de 16 ou de 19 , sont déposées, par la technique classique des circuits imprimés, des connexions électriques 20 donnant accès séparément ou par groupes aux pastilles 18. Sur la plaque 16, une fois le mercure versé dans les trous 17, on applique une couche élastique 21 qui est prise en sandwich entre 16 et une autre plaque 22 jouant le rôle des bouchons 5. La plaque 22 présente des trous 23 en face des trous 17, la couche 21 formant ainsi des membranes individuelles entre chaque trou 23 et le trou 17 correspondant. Sur la face supérieure de la plaque 16 sont, de plus, prévues des connexions électriques 24, analogues à 20, ces connexions 24 venant en contact avec le mercure des trous 17. Ainsi, les membranes de chaque trou 17 peuvent être actionnées individuellement permettant des fermetures ou des ouvertures sélectives de circuits électriques entre' les connexions 20 et 24.

[0032] Dans un autre exemple de réalisation, on a prévu une électrode commune à tous les contacts et formée d'une plaque de tôle émaillée, bombée de place en place. L'émail est percé d'autant de conduits qu'il y a de contacts. On enserre cette plaque entre d'autres plaques d'une manière analogue à l'exemple de réalisation de la Fig. 7. Au lieu-d'une plaque unique, on peut évidemment prévoir des bandes de contacts. Un tel exemple de réalisation est schématiquement montré à la Fig. 8, avec une tôle 25, analogue à 2, 'la tôle 25 étant bombée par endroits avec des trous ou fentes 27, analogues à 6, au sommet des parties.

Revendications

1) Dispositif de contact électrique à liquide électriquement conducteur enfermé dans une enceinte étanche dont au moins une paroi est en matériau diélectrique non mouillable par ledit liquide, le dispositif comportant encore des moyens de commande de pression dudit liquide, une connexion électrique en contact permanent avec ledit " liquide, ladite paroi en matériau diélectrique étant traversée par au moins, un conduit d'une largeur telle qu'à l'état de repos l'effet de capillarité dans ledit conduit empêche toute pénétration dudit liquide dans ledit conduit, tandis qu'à l'état de travail, la pression dudit liquide est suffisante pour faire entrer ledit liquide dans ledit conduit établissant ainsi une liaison électrique entre ledit liquide et un matériau électriquement conducteur placé de l'autre côté de ladite paroi en matériau diélectrique, et que lors du retour à l'état de repos, ledit liquide ressorte dudit conduit en rompant la liaison électrique précédemment établie, caractérisé en ce que l'ensemble constitué par ladite paroi en matériau diélectrique et ledit matériau conducteur forme un matériau composite diélectrique-conducteur, ledit conduit étant percé dans la partie diélectrique jusqu'à la partie conductrice.

2) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau composite diélectrique-conducteur est un métal émaillé.

3) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau diélectrique-conducteur est un métal sur lequel on a déposé un diélectrique par shoopage.

4) Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit conduit est constitué par une fente.

5) Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit conduit est constitué par des fentes se croisant à angle droit.

6) Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit conduit est cylindrique.

7) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau composite est constitué par une plaque diélectrique sur laquelle on a déposé du métal par shoopage.

8) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau composite est un cermet dont on a éliminé superficiellement la phase métallique.

Dessins