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BERYLLIUM
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2510300A1
Family ID 1996263
Probable Assignee Arbiser Uri
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title CAPSULE THERMOSENSIBLE, METHODES DE REGLAGE DE SES
TEMPERATURES DE CHANGEMENT D'ETAT, ET COMMUTATEUR ELECTRIQUE UTILISANT
CETTE CAPSULE
Abstract
_________________________________________________________________
CAPSULE THERMOSENSIBLE 1 A ENCEINTE SCELLEE 14 CONTENANT UN FLUIDE
DONT LA PRESSION DE VAPEUR A UNE TEMPERATURE DEFINIE ENTRAINE LA
FLEXION VERS L'EXTERIEUR D'UN DISQUE METALLIQUE SOUPLE 2 NORMALEMENT
COURBE VERS L'INTERIEUR. CE DISQUE EST REALISE EN ACIER INOXYDABLE OU
EN copper AU BERYLLIUM A DURCISSEMENT STRUCTURAL. LA CAPSULE CONTIENT
UNE QUANTITE MINIMALE DE FLUIDE POUR QUE LA VARIATION DE PRESSION EN
FONCTION DE LA TEMPERATURE, LOGARITHMIQUE JUSQU'A SATURATION DE LA
VAPEUR, DEVIENNE ENSUITE LINEAIRE, D'OU UNE MEILLEURE SECURITE A
TEMPERATURE ELEVEE. LA TEMPERATURE DE DECLENCHEMENT PEUT ETRE REGLEE
PAR DIMINUTION DU VOLUME DE L'ENCEINTE 14, NOTAMMENT PAR ENFONCEMENT
D'UNE BOULE 13 DANS LA PAROI OPPOSEE AU DISQUE, ALORS QUE LA CAPSULE
EST MONTEE SUR UN SUPPORT 15 MAINTENU A LA TEMPERATURE SOUHAITEE. LA
TEMPERATURE DE RETOUR A L'ETAT INITIAL PEUT ETRE REGLEE INDEPENDAMMENT
EN RABATTANT LA COLLERETTE 16 DE FIXATION DU DISQUE 2 DANS L'UN OU
L'AUTRE SENS.
APPLICATIONS AUX COMMUTATEURS ELECTRIQUES THERMOSENSIBLES.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention concerne les capsules thermosensibles, plus
particulierement, mais non exclusivement, les capsules thermosensibles
destinees a etre utilisees comme elements de reponse a la temperature
dans des commutateurs electriques thermosensibles, c'est-a-dire des
commutateurs changeant d'etat ou de position des que la temperature a
laquelle ils sont
soumis atteint ou excede une valeur predeterminee.
Ce type de commutateurs a ete decrit dans les brevets britanniques
deposes sous les numeros 1 509 772 et 1 571 754 Ces commutateurs sont
essentiellement constitues par une capsule, fermee a l'une de ses
extremites par un disque en dome ou cintre susceptible de basculer en
position inverse, et contenant une certaine quantite de gaz ou de
liquide appropries qui, en se dilatant par suite d'une montee en
temperature, commande l'inflechissement du disque qui actionne de ce
fait un
jeu de contacts electriques.
Dans le but d'ameliorer les performances et les caracteristiques de
ces commutateurs connus ou d'autres commutateurs analogues utilisant
de telles capsules, il est maintenant propose d'apporter a ces
capsules diverses modifications.
La presente invention prevoit une capsule destinee a servir d'element
de reponse a la temperature, constituee par une enceinte scellee
contenant un liquide ou un gaz et dont une paroi est formee par un
disque cintre Selon une caracteristique de l'invention, lorsque la
temperature a laquelle est soumise la capsule passe par une valeur
determinee, la pression de la vapeur contenue dans l'enceinte change
de telle sorte qu'elle fait passer le disque de l'etat concavea l'etat
convexe, ou l'inverse Le disque utilise est fabrique a partir d'acier
inoxydable ou de copper au beryllium tous
deux ayant subi un traitement de durcissement structurel.
Selon une autre caracteristique de l'invention, la capsule est remplie
d'une quantite minimale de liquide de facon qu'elle fonctionne
normalement dans le mode logarithmique jusqu'a la limite de saturation
de la vapeur, mais egalement de facon que dans l'eventualite d'une
temperature excessive, le liquide de remplissage se comporte comme un
gaz et obeisse aux lois des gaz, reduisant en cela le taux
d'augmentation de la pression
en fonction de la temperature a l'interieur de la capsule.
Selon une autre caracteristique, l'invention prevoit une methode
d'ajustement, a une valeur donnee, de la temperature de fonctionnement
de la capsule Cette methode prevoit de reduire le volume interieur de
l'enceinte en deformant definitivement une autre de ses parois, pour
amener l'enceinte a la valeur volumetrique a laquelle le disque cintre
passera de l'etat concave a l'etat convexe des que la temperature
determinee sera
atteinte.
Selon une autre caracteristique, la presente invention prevoit une
methode pour ajuster a une valeur determinee la temperature de
liberation d'une capsule, c'est-a-dire sa temperature de retour a
l'etat initial concave Le disque cintre formant une paroi de
l'enceinte est relie a un reservoir cylindrique, ferme a l'une de ses
extremites et constituant les autres parois de l'enceinte, par le
moyen d'une collerette situee du
cote oppose a l'extremite fermee du reservoir et initiale-
ment orientee radialement vers l'exterieur par rapport a l'axe du
cylindre Cette methode prevoit de deformer definitivement la
collerette pour l'amener a un angle
par rapport a la direction radiale qui permet le bascule-
ment du disque de l'etat convexe a l'etat concave, lorsque la capsule
se trouve chauffee a la valeur de temperature
determinee pour la liberation.
L'invention sera mieux comprise a la lecture
de la description detaillee qui va suivre, faite a titre
d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexees qui
representent: la figure 1, une vue en coupe schematique d'un
commutateur electrique thermosensible de type connu la figure 2, une
vue analogue en coupe d'un autre coimimutateur electrique
thermosensible de type connu la figure S, une vue schematique de
l'ecrasement de la capsule conformement a l'une des realisations de
l'invention; la figure 4, une vue schematique de l'ajustement de la
collerette de la capsule conformement a une autre realisation de
l'invention; les figures 5 a et 5 b, le schema de deux possiblites
d'ajustement de la collerette de la capsule,
conformement a l'invention.
Le commutateur de type connu represente par la figure 1 comprend une
capsule cylindrique 1 contenant un liquide volatile tel que du
di-chlorodi-fluoromethane (C C 12 F 2) vendu sous la marque "FREON",
la paroi inferieure de la capsule etant formee par un mince disque
metallique 2, cintre vers l'interieur Cette capsule est montee dans un
element 3 en materiau isolant electrique approprie Sur sa face externe
le disque presente une colonne 4 en relation de commande mecanique
avec la partie centrale d'un disque metallique a fentes 5 Le bord de
ce disque est fixe dans la structure du commutateur
comme represente.
Au-dessous du disque 5, mais sans contact avec lui, il est prevu un
autre disque 6, tel qu'une rondelle Belleville dont le bord est fixe
sur la structure du commutateur Il est egalement prevu deux contacts
electriques comprenant deux broches 7 et 8 de branchement sur un
dispositif electrique Le premier contact est constitue par le disque 5
qui est electriquement relie a la broche 8 par l'intermediaire de la
partie 9 tandis que le deuxieme contact est constitue par le disque 6,
electriquement relie a la broche 7.
Quand la temperature atteint le niveau pour lequel le commutateur est
regle, la pression de la vapeur a l'interieur de la capsule fait
basculer le disque cintre de sa position concave a sa position convexe
Sous l'effet de cette poussee, la colonne 4 amene la partie centrale
du
10300
disque a fentes 5 en prise avec le disque 6, completant
ainsi le circuit electrique.
Le commutateur represente par la figure 2 est analogue a celui de la
figure 1, dont il differe par certains aspects afin de constituer un
contact de repos Un disque a fentes 10, mecaniquement commande par la
capsule 1, est indirectement relie a la broche de connexion electrique
8 par l'intermediaire d'un element metallique de support 12 Cependant,
sa partie centrale est en contact avec un element 11 qui est relie par
une soudure 7 a a la broche de connexion 7 On voit donc que les
contacts du commutateur
sont normalement fermes.
Quand la temperature atteint le niveau auquel on desire que le
commutateur fonctionne, le disque 2 fait descendre le disque 10, ce
qui rompt le contact entre
les elements 10 et 11.
Dans les deux commutateurs qui viennent d'etre decrits, des que la
temperature tombe au-dessous de la valeur pre-reglee, la condensation
de la vapeur fait revenir le disque cintre 2 dans sa position
representee sur
les figures.
Differentes autres variantes de tels commutateurs ou dispositifs
electriques utilisant une capsule telle que la capsule 1 sont
possibles Il est aussi possible de realiser un contact inverseur en
combinant de maniere appropriee les dispositions des figures 1 et 2 Un
commutateur peut etre rendu reglable au moyen d'un dispositif de
chauffage contenu dans la capsule Il peut etre prevu un ressort dans
la capsule pour aider a definir
la temperature de reponse du commutateur.
Les elements de la structure de base de la capsule sont soudes
ensemble On a decrit precedemmeet le remplissage de la capsule comme
etant du C C 12 F 2, mais F il rie s'agit la que de l'un des nombreux
halocarbures au fluorine ou autres liquides ou gaz susceptibles de
convenir Par un
choix approprie du remplissage, la temperature de fonction-
nement du commutateur peut etre fixee en un point quelconque d'une
large gamme de temperatures, entre par exemple + 300 C
2 ? 10300
et + 20)0 C, bien que les limites theoriques determinees par le
fluoride disponible sur le marche se situent autour de -200 'C ?, +
20100 C Les caracteristiques dont depend le fonctionnement sont les
courbes de la relation temperature-pression de la vapeur, et ces
courbes, contrairement a celles de la loi des gaz, presentent un
caractere logarithmique.
Plusieurs modifications apportees par l'invention aux capsules connues
decrites dans ce qui precede vont maintenant etre exposees, le but de
ces modifications etant d'ameliorer les performances des commutateurs
ou autres dispositifs dans lesquels sont
incorporees les capsules thermosensibles.
Le disque cintre 2, concu pour basculer lorsque la pression qui s'
exerce sur lui atteint une valeur donnee, peut etre fabrique a partir
d'un materiau quelconque possedant une grande elasticite et des
possibilites d'elongation suffisantes pour lui permettre de prendre la
forme requise Trois materiaux ont ete habituellement utilises: le
copper au beryllium, le bronze au phosphorus et l'acier inoxydable
lamine a froid Des trois, l'acier inoxydable lamine a froid a recu la
preference par suite de son faible prix de revient compare aux autres
solutions a base de copper Malheureusement, les disques fabriques en
acier inoxydable lamine a froid ont le defaut de presenter une
relaxation des contraintes lorsqu'ils sont exposes a une temperature
elevee, ce qui entraine des derives de la reponse thermique dans le
commutateur
finalement obtenu.
Pour resoudre ce probleme il a ete trouve interessant de fabriquer les
disques 2 a partir d'acier inoxydable a durcissement stuctural, tel
que l'acier Armco 17-7 PH Les disques sont formes dans ce materiau a
l'etat de recuit, donc exempt de contraintes Apres formage, les
disques sont durcis par traitement thermique
afin d'obtenir les proprietes d'elasticite requises.
Ce traitement comporte, par exemple, les phases suivantes a) chauffage
a 760 %C + 140 C et maintien a cette temperature pendant 90 minutes b)
refroidissement a 151 C 6 %C dans le delai d'une heure et maintien a
cette temperature pendant une heure c) chauffage a 5600 C 60 C et
maintien a cette temperature pendant 90 minutes, enfin, d)
refroidissement a l'air libre a temperature
ambiante (c'est la methode recommande par les fournisseurs).
Les disques ainsi obtenus ont une bonne stabilite jusqu'a environ 2001
C Les essais ont montre que les commutateurs thermiques de types
classiques utilises sur un dispositif de chauffage a ventilation
presentaient des ecarts considerables de temperatures de
fonctionnement et d'arret lorsqu'on les soumettait a une temperature
de 1001 C (equivalant a un depassement de 20 %C de la temperature
permise) pendant 48 heures Or, l'ecart pour des commuta-
teurs utilisant des capsules a disque en acier inoxydable a
durcissement structural et placesdans les memes conditions, etait
negligeable, ce qui montre que ce 2 G materiau procure une meilleure
stabilite aux temperatures elevees Il est encore possible d'utiliser
du copper au beryllium a durcissement structural pour la fabrication
de ces disques.
Il est souhaitable que les commutateurs ou autres dispositifs
commandes par pression de vapeur soient proteges contre les
temperatures excessives Il suffit pour cela de veiller a n'introduire
dans la capsule que le volume minimum de liquide De cette maniere, la
capsule fonctionnera normalement dans le mode logarithmique jusqu'aux
limites de saturation de la vapeur; toutefois, dans l'eventualite
d'une temperature excessive, le fonctionnement s'etend au-dela de la
limite de saturation de la vapeur et le remplissage se comporte comme
un gaz et obeit a la loi des gaz Le taux d'augmentation de la pression
en fonction de la montee en temperature a l'interieur de la capsule se
trouve de ce fait reduit, protegeant ainsi la capsule A titre
d'exemple, on remplit une capsule, realisee sur la base d'un reservoir
analogue a
IS 1 OR O O
un boitier de transistor T 03 de 7 mm de haut, de 30 Jlitres de
liquide, ce qui lui permet de resister a une surchauffe de 500 C. Dans
certaines applications, des commutateurs ou autres dispositifs
electriques thermosensibles, il est souhaitable que la temperature de
fonctionnement ait une tolerance plus etroite que la tolerance de 30 C
realisee avec les techniques de fabrication courantes.
Il faut donc pouvoir ajuster la temperature de fonction-
nement en consequence au cours du processus de fabrication de la
capsule Ceci peut etre realise en reduisant le volume interne de la
capsule, par deformation du
reservoir L'ajustement de la temperature de fonctionne-
ment peut ainsi etre effectue de maniere totalement
automatique.
Une methode possible pour la reduction du
volume de la capsule est representee par la figure 3.
Elle prevoit simplement d'enfoncer une boule 13 sur l'extremite d'un
reservoir 14 constituant une partie de la capsule 1 La capsule 1 est
maintenue sur un montage, represente schematiquement et maintenu a la
temperature souhaitee de fonctionnement La boule 13 est descendue
lentement, dans le sens de la fleche A, contre la face terminale du
reservoir 14 de facon a la deformer,
jusqu'au point de fonctionnement de la capsule, c'est-a-
dire jusqu'a ce que le disque 2 bascule dans sa position inverse Cette
methode convient particulierement pour
l'ajustement automatique de la temperature de fonctionne-
ment des capsules Un tel ajustement automatique se fera
essentiellement a l'aide d'un montage chauffe, de moyens pour la mise
en place successive sur ce montage des capsules a regler, d'un moyen
de deformation du reservoir, pousse lentement en direction du
reservoir jusqu'a ce que le disque bascule de la position concave a la
position convexe l'action de basculement pouvant etre utilisee pour
commander un commutateur empechant le moyen de deformation de
continuer a progresser en direction du reservoir ainsi que d'un moyen
destine a enlever les
10300
capsules du montage une fois ajustees Cette methode d'ecrasement du
reservoir permet d'ajuster la temperature de fonctionnement a 10 C
pres La possibilite maximale d'ajustement d'une capsule basee sur les
dimensions d'un boitier de transistor 103 est de l'ordre de 90 C.
Certaines autres applications de commutateurs ou autres dispositifs
electriques thermosensibles necessitent de pouvoir controler
etroitement la temperature de liberation Il a ete trouve qu'il est
possible de regler la temperature de liberation sans influencer
sensiblement la temperature de fonctionnement Ceci est obtenu en
deformant deliberement la collerette 16 (figure 3) de la capsule 1 de
facon a faciliter le basculement du disque cintre soit vers
l'interieur, soit vers l'exterieur, par rapport au reservoir 14 de la
capsule Comme on le voit sur les figures 5 a et 5 b, il est possible
d'utiliser un angle de distorsion 9 negatif ou positif Lorsqu'on
utilise un angle O negatif, il est possible de reduire l'hysteresis de
la capsule A titre d'exemple on a represente un angle de l'ordre de
100, bien qu'un angle se situant entre 5 et 200 puisse etre utilise.
La figure 4 represente un montage pour ajustement de la collerette de
la capsule Ce montage est constitue simplement par deux elements creux
17 et 18 entre lesquels peut etre disposee une capsule 1 Les surfaces
paralleles en vis-a-vis 19 et 20 sont orientees sous un angle
approprie 6 par rapport a l'horizontale, grace a quoi, lorsqu'on amene
graduellement les deux elements l'un vers l'autre par l'application
d'une force F, la collerette 16 se trouve graduellement et
definitivement deformee selon le meme angle H La collerette de la
capsule peut etre deformee dans le sens negatif en disposant la
capsule dans le sens inverse dans le montage, ou bien en placant
l'element 18 par-dessus l'element 17 et en appliquant la force F a
l'element 18 a la place de
l'appliquer a l'element 17.
Tout comme sa temperature de fonctionnement, la
10300
temperature de liberation d'une capsule peut etre ajustee en deformant
progressivement la collerette 16 pendant que l'on chauffe la capsule a
la temperature de liberation requise, jusqu'a ce que le disque bascule
de l'etat convexe a l'etat concave L'ajustement de la collerette peut
ainsi, dans ce cas egalement, etre
rendu automatique.
Il est bien evident que la description qui
precede n'a ete donnee qu'a titre d'exemple non limitatif et que
d'autres variantes peuvent etre envisagees sans
sortir pour autant du cadre de l'invention.
2 510300
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1 Capsule destinee a servir d'element thermo-
sensible, constituee par une enceinte scellee contenant un liquide ou
un gaz et dont l'une des parois est formee par un disque cintre,
ladite capsule etant caracterisee par le fait que lorsque la
temperature a laquelle elle est soumise passe par une valeur
determinee, la pression de la vapeur contenue dans l'enceinte ( 1) se
trouve ainsi modifiee qu'elle fait passer le disque cintre ( 2) de sa
position concave a sa position convexe, ou l'inverse, et par le fait
que le disque ( 2) est realise en acier inoxydable a durcissement
structural ou en
copper au beryllium a durcissement structural.
2 Capsule conforme a la revendication 1,
caracterisee par le fait que l'acier inoxydable a durcis-
sement structural est de l'acier Armco 17 7 PH.
3 Capsule conforme a l'une ou l'autre des
revendications 1 et 2, caracterisee par le fait que le
disque ( 2) est realise en acier inxoydable a durcissement structural
a l'etat de recuit, et par le fait que le disque obtenu par formage
est ensuite durci par traitement
a la chaleur.
4 Capsule destinee a servir d'element thermosensible, constituee par
une enceinte scellee contenant un liquide et dont une paroi est formee
par un disque cintre, caracterisee par le fait que lorsque la
temperature a laquelle elle est soumise passe par une valeur
determinee, la pression de la vapeur contenue dans l'enceinte ( 1) se
trouve ainsi modifiee qu'elle fait passer le disque cintre ( 2) de sa
position concave a sa position convexe, ou l'inverse, et par le fait
que la capsule est remplie d'une quantite minimale de liquide de telle
sorte qu'elle fonctionne normalement dans le mode logarithmique
jusqu'a la limite de saturation de la vapeur, mais que dans
l'eventualite d'une temperature excessive le remplissage se comporte
comme un gaz, obeissant a la loi
10300
des gaz, permettant ainsi de reduire le taux d'augmenta-
tion de la pression en fonction de l'augmentation de la
temperature a l'interieur de la capsule.
Methode d'ajustement a une valeur determinee de la temperature de
fonctionnement d'une capsule destinee a servir d'element
thermosensible, ladite capsule (J) etant constituee par une enceinte
scellee ( 14) contenant un liquide ou un gaz, concue de telle sorte
que lorsque la temperature a laquelle est soumise la capsule passe par
une certaine valeur,constituant la temperature de fonctionnement, la
pression de la vapeur a l'interieur de l'enceinte ( 14) se trouve
ainsi modifiee qu'elle fait passer le disque cintre ( 2) formant l'une
des parois de l'enceinte de sa position concave a sa position convexe,
ladite methode etant caracterisee par le fait de reduire le volume
interne de l'enceinte ( 14) en deformant definitivement une autre de
ses parois, pour l'amener a une valeur volumetrique entrainant le
basculement du disque d'une position dans l'autre chaque fois que la
temperature a l'interieur de l'enceinte est portee
a ladite valeur determinee.
6 Methode conforme a la revendication 5, caracterisee par le fait que
le volume interne de la capsule ( 1) est progressivement reduit par
deformation graduelle d'une paroi autre que celle formee par le disque
( 2) tout en chauffant la capsule a la temperature de fonctionnement
predeterminee, jusqu'a ce que le disque cintre ( 2) passe de sa
position concave a sa position convexe. 31 7 Methode conforme a la
revendication 6, caracterisee par le fait que la deformation
progressive est realisee en enfoncant graduellement une boule ( 13)
dans la paroi de l'enceinte ( 14) qui est situee a
l'oppose du disque cintre ( 2).
8 Methode pour ajuster a une valeur determinee la temperature de
liberation d'une capsule destinee a servir d'element thermosensible,
ladite capsule ( 1) etant constituee par une enceinte scellee ( 14)
contenant
10300
un liquide ou un gaz, concue de telle sorte que lorsque la temperature
a laquelle est soumise la capsule ( 1) passe par une certaine-valeur,
constituant la temperature de liberation, la pression de la vapeur a
l'interieur de l'enceinte se trouve ainsi modifiee qu'elle fait passer
le disque cintre ( 2) formant l'une des parois de l'enceinte ( 14) de
sa position convexe a sa position concave, le disque etant relie a un
reservoir cylindrique, par le moyen d'une collerette ( 16)
initialement orientee radialement vers l'exterieur par rapport a l'axe
du cylindre, ladite methode etant caracterisee par le fait qu'elle
prevoit une deformation definitive de la collerette. 9 Methode
conforme a la revendication 8, caracterisee-par le fait que le
reservoir cylindrique ( 14) est ferme a l'une de ses extremites et
constitue les autres parois de l'enceinte, le disque cintre ( 2) etant
connecte a l'extremite opposee du reservoir par ladite collerette (
16), et que cette collerette est deformee
de maniere definitive pour l'ecarter du plan perpendi-
culaire a l'axe du reservoir cylindrique d'un angle ( 6) tel que le
disque se trouve entraine a basculer de l'etat convexe a l'etat
concave lorsque la capsule est chauffee
a la temperature determinee de liberation.
10 Methode conforme a la revendication 8 au 9, caracterisee par le
fait que la collerette ( 16) est progressivement deformee de maniere
definitive tout en chauffant la capsule ( 1) a la temperature de
liberation determinee, jusqu'a ce que le disque cintre
( 2) bascule de l'etat convexe a l'etat concave.
11 Methode conforme a l'une quelconque des
revendications 8 a 10, caracterisee par le fait que la
collerette ( 16) est deformee dans la direction opposee
a l'extremite fermee du reservoir.
l 2 Commutateur electrique thermosensible, caracterise par le fait
qu'il comprend une capsule ( 1) fabriquee ou ajustee conformement a
l'une quelconque des
revendications 1 a 11.
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