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Dispositif permettant d'agir à volonté sur des circuits électriques.
Pour pouvoir agir sur des circuits électriques, on emploie généra- lement des appareils ou dispositifs de couplage, le mot appareil 'étant pris dans le sens le plus général du mot, ces appareils ou dispositifs de couplage possédant des barrettes de couplage actionnées mécaniquement, ou bien certaines parties du circuit étant modifiées par une action thermique, comme c'est le cas par exemple pour les coupe-circuits et les variomètres.
Dans des cas isolés on agit aussi sur le circuit par la commande de déchar- ges dans un gaz. Les interrupteurs ou commutateurs ont encore généralement besoin de ce qu'on appelle des relais ou déclancheurs, pour pouvoir entrer
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en action en fonction d'une valeur électrique, tandis que les fusibles ou coupe-circuits entrent en action d'eux-mêmes par l'effet de leur propre chaleur, de sorte qu'ils n'exigent pas de dispositifs complé- mentaires. Le type actuel de coupe-circuits a toutefois le grand incon- vénient qu'il est inutilisable lorsqu'il a fonctionne, ou tout au moins qu'il ne peut pas fonctionner de nouveau directement.
La présente invention concerne un type nouveau de dispositifs de ce genre permettant d'agir sur des circuits électriques, ce type de dispositif étant cara.ctérisé par au moins deux chambres, entre lesquelles un chemin au moins est ménagé pour le courant dans une paroi isolante et calculé de façon que des courants ne dépassant pas une intensité déterminée (intensité nominale) puissent passer en permanence sans subir d'influence, tandis que, lorsque l'intensité est plus forte (surtension), des modifications telles que le passage du courant soit réduit se produisent en un point au moins du chemin suivi par le courant, ces modifications étant dues à une plus grande concentration du courant.
Les deux caractéristiques essentielles du dispositif qui fait l'objet de l'invention sont donc les suivantes: premièrement, le dispositif permet à un courant ne dépassant pas l'intensif, nominale, prévue pour ce dispositif, de passer indéfiniment sans que ce passage du courant soit influencé par exemple par un échauffement intolérable ou des décomposi- tions chimiques, et, deuxièmement,des modifications quelconques réduisant le passage du courant se produisent dans le dispositif lorsque l'intensité du courant devient plus grande ( surtension ). Ces modifications peuvent consister par exemple en ce que des vapeurs ou des gaz se dégagent l'endroit de cette augmentation, ou qu'un arc jaillit, ou que des modi- fiions chimiques du chemin suivi par le courant ou des surfaces adjacentes des électrodes sont provoquées.
De nombreuses solutions, dont quelques-unes vont être décrites séparément suivant les éléments de construction intéressés, sont également possibles dans le cadre de l'invention en ce qui concerne la construction des chambres, la nature du milieu conducteur contenu dans les chambres, la construction, la disposition et le nombre des chemins suivis par le courant, etc..,
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Pour différentes raisons, en particulier pour assurer de plus grandes capacités de passage, le choix du mercure pour servir de milieu conducteur est avantageux. Il peut parfois être utile d'employer, au lieu de mercure, une poudre très fine d'une matière plus ou moins bonne conductrice, par exemple une poudre de métal ou de charbon.
Lorsque le dispositif est employé pour des courants alternatifs, le milieu conduc- teur peut. être constitué aussi par des électrolytes, en particulier des électrolytes bons conducteurs, tels que l'acide sulfurique ou une lessi- ve de potasse. Enfin on pourrait utiliser aussi des bains de fusion salins bons conducteurs.
Une forme appropriée du chemin suivi par le courant entre les deux chambres est constituée par un trou ou un canal percé dans la cloison, qui est en matière isolante, le canal étant rempli d'agent conducteur. Toutefois, le chemin suivi par le courant peut aussi être rempli d'une autre matière qui peut être par exemple meilleure conduc- trice que le milieu contenu dans les chambres, par exemple de l'argent ou du cuivre protégés contre l'action du mercure par un revêtement approprié, en nickel par exemple, ou qui peut être moins bonne conduc- trice, par exemple en graphite pour les applications électriques, en graphite ordinaire ou en charbon.
Deux cas ont une importance particu- lière en pratique : Le diamètre du trou est petit par rapport à la longueur du canal, ou bien la longueur du canal ou, en d'autres termes, l'épaisseur de'la cloison, est petite par rapport au diamètre du trou.
Dans le premier cas on a, pour le courant, un chemin ayant essentielle- ment les caractéristiques d'un conducteur linéaire avec, aux extrémités, des résistances de rétrécissement plus ou moins prononcées suivant la forme du trou. Dans le deuxième cas il s'agit d'une résistance de rétré- cissement nettement marquée, dont la valeur de résistance n'est que proportionnelle 1 et non proportionnelle 1, r étant le diamètre du trou. r r2
On donnera la préférence à l'une ou l'autre forme suivant l'application envisagée. Il est évident que l'on peut employer aussi des dispositifs dans lesquels le diamètre du trou et la longueur du canai ont par exemple la même longueur.
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On obtient une disposition foncièrement différente lorsque la cloison en matière isolante contient par exemple des organes disposes perpendiculairement sa surface, chevilles, pointes, franches, etc..., affleurant la surface sur les deux faces de la cloison ou la dépassant légèrement sur une face ou sur les deux. Ces chevilles peuvent être en matière ayant une résistance spécifique plus petite ou à peu près égale ou plus grande que celle du milieu qui les entoure.
Dans ce cas également, lechoix du diamètre des chevilles, de 'leur longueur ou de la matière dont elles se composent, permet de provoquer une grande modification de ce qu'on appelle la résistance de rétrécissement ou la résistance de passage.
Une troisième possibilité, qui a des avantages particuliers pour certains consiste en ce que la cloison est faite en matière bonne conductrice de l'électricité, par exemple en forme de plaque ou de disque portent, au moins sur une de ses fsces, un revêtement de préférence très mince, isolant et bon conducteur de la choeur, et dans lequel on pratique ou l'on trace, après coup ou immédiatement au moment de son application, de petits trous, des points, des lignes ou des trames en forme de grilles, dégageant à chaque endroit la matière de la plaque qui se trouve au- dessous.
De cette façon, le milieu ambiant ne vient en contact avec la matière de la plaque qu'à ces endroits dégagés, qui constituent les points de concentration du courant. Pour faire les plaques on peut employer les métaux les plus divers, en particulier aussi l'aluminium en tenant compte de la: formation d'oxyde d'aluminium comme celle qui se produit dans les soupapes en aluminium, on peut toutefois -ployer aussi des Plaques en charbon ou matière analogue. Il peut être utile, dans certains cas, d'enfoncer des pointes dans des plaques bonnes conductrices de l'électricité et de la chaleur, par exemple des plaques de cuivre.
Ceci a l'avantage qu'il se produit, en particulier lorsqu'il s'agit de pointes mauvaises conductrices, par exemple de pointes en charbon, un transfert radial de le chaleur aux plaques bonnes conductrices de la chaleur, de sorte que les pointes peuvent supporter des densités de courant relati- vement élevées maigre leur propre mauvaise conductibilité. On peut toutefois aussi, inversement, enfoncer des pointes bonnes conductrices @
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(pointes en cuivre) dans un disque mauvais conducteur (disque en charbon).
Il a déjà été dit plus haut qu'il peut bien, dans certains cas, n'y avoir qu'un seul chemin pour le courant entre deux chambres, mais qu'il convient généralement de ménager plusieurs chemins, dans certains cas même un grand nombre de chemins pour le courant entre deux chambres.
Ceci a, notamment lorsque le chemin suivi par le courant est constitué essentiellement par une résistance de rétrécissement, le grand avantage que dix petits chemins montés en parallèle ont une résistance totale égale à 1/10 de la résistance de l'un de ces chemins, tandis qu'en augmentant simplement le diamètre de l'un des chemins suivis par le courant, l'on serait obligé d'augmenter le diamètre de 10 fois et la section par conséquent de 100 fois. Or il est évident qu'une trop grande section a une inertie thermique beaucoup trop grande, car dans cet exemple, la densité du courant passant par ce chemin épais n'est que de 1/10 de celle ducourant passant dans les dix chemins de petite section. On choisira'donc, pour le courant, de nombreux chemins montés en parallèle lorsque le dispositif doit entrer rapidement en action.
Inversement, on choisira des chemins de grande section lorsqu'on attache de l'importance à une grande inertie. Un autre moyen pour réduire l'iner- tie peut consister à donner une longueur relativement grande aux chemins suivis par le courant, en faisant en sorte, par le choix d'une cloison appropriée, que le transfert radial de la chaleur soit petit. Tout le flux de chaleur doit alors passer axialement par le même chemin que le courant, ce qui provoque une forte accumulation de chaleur.
Il peut être utile d'employer, pour chaque cloison, des chemins de courant ayant des caractéristiques différentes, de façon que ces différents chemins entrent en action graduellement suivant un plan déterminé d'avance.
Pour de très nombreuses applications il sera avantageux de monter en série les chemins suivis par le courant et en particulier les points de concentration du courant, c'est-à-dire d'employer un dispositif à plus de deux chambres et par conséquent plus d'une cloison, les chemins ainsi montés en série pouvant entrer en action simultanément ou successivement
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suivant un plan déterminé. Il est évident que, les chemins étant disposés en parallèle dans une cloison ou en série dans plusieurs cloisons, ces chemins peuvent être des genres les plus divers, comme on en a décrit quelques-uns sous le chiffre 2.
En général, on peut se représenter de la fanon suivante la façon dont le passage du courant est réduit: en service stationnaire avec l'intensité nominale, la chute de tension par chemin ou par point de concentration du courant sera de l'ordre de grandeur de fractions d'un volt, par exemple de 0,1 volt. Ceci résulte du rapport entre la tension existant dans le chemin suivi par le courant et la température de ce chemin. Le mode le plus simple pour provoquer une réduction du courant serait de remplacer la conduction galvanique par une décharge dans un gaz, décharge exigeant, pour un arc, une tension d'au moins 10 à 30 volts. La chute de tension dans chaque chemin passerait' donc par exemple de 0,1 volt à au moins 10 volts, c'est-à-dire qu'elle serait augmentée de 100 fois.
Alors qu'un tel arc peut continuer à jaillir lorsqu'il s'agit de courant continu, il s'éteindra généralement au passage par zéro dans le cas de courant alternatif, à condition que le nombre des points de rétrécissement montés en série pour le passage du courant soit dans un rapport approprié avec la hauteur de la tension qui agit.
Un fait dont l'importance est toutefois sensiblement plus grande, c'est qu'il se produit, au point de rétrécissement du passage du courant, par suite de la formation de vapeur ou de gaz, une séparation de la cohésion galvanique, sans que cela donne naissance à une décharge stable dans un gaz. On peut obtenir ce résultat par exemple en faisant en sorte que la tension existant à chaque point de rétrécissement du passage du courant soit plus petite que la tension à laquelle une décharge dans un gaz, en particulier un arc, puisse se produire et persister dans les conditions données. Un fait qui joue aussi un certain rôle, c'est la nature de la vapeur ou du gaz qui se produit au point de concentration du courant. La vapeur d'eau et l'hydrogène, par exemple, produisent des conditions très défavorables pour la persistance d'un arc.
Dans le cas du mercure, en particulier, une haute pression de la vapeur de mercure qui
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se produit peut rendre plus difficile la persistance d'un arc. Les gaz
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ou les vapeurs peuvent être produits par la vaporisation ou la gazéifi- cation du milieu ambiant lui-même ou par une action calorique ou chimique provenant de la cloison, des chevilles ou pointes, etc. Une paroi en fibre conviendrait bien par exemple pour donner naissance à de la vapeur. d'eau et notamment à de l'hydrogène sans provoquer la formation de chemins suivis par un courant rampant. Il peut être particulièrement utile de faire en sorte que la cloison soit au moins partiellement. hygroscopique et humectée en'permanence, par l'action d'une ou plusieurs mèches, avec un liquide, en particulier de l'eau.
Lorsque la température augmente au point de rétrécissement du passage du courant, ce liquide se vaporise 'alors. Un autre moyen consiste à faire dissoudre dans le milieu ambiant un gaz qui est libéré par réchauffement. On sait par exemple que l'eau est capable de dissoudre des quantités considérables de gaz sous une pression augmentée. Enfin, comme on l'a déjà dit, des transformations chimiques peuvent se produire, en particulier la formation de revêtements non conducteurs, comme ceux qui sont- connus et qui se produisent dans le cas de l'aluminium, le rapport de dépendance de la polarité pouvant encore être utilisé en supplément.
Comme la formation de vapeur et de gaz ne dure que très peu de temps, en particulier lorsqu'il s'agit de grandes densités de courant, des coussins élastiques des types les plus divers peuvent être utilisés pour éviter les a-coups de pression dans le voisinage immédiat des points de rétrécissement du passage du courant.
La production des bulles de vapeur et de gaz et, respectivement, des transformations chimiques est essentiellement une conséquence de la densité du courant aux points de rétrécissement du passage de celui-ci.
Il en est toutefois sensiblement autrement en ce qui concerne la dispa- rition de ces petites bulles de vapeur ou de gaz. Si l'on emploie par exemple du mercure ne contenant pas de gaz et des électrodes qui ne produisent pas de gaz non plus, la remise en circuit a lieu aussitôt que la vapeur produite se condense, ce que l'on peut faire varier dans une grande mesure par la forme donnée aux points de rétrécissement du passage du courant. La disposition peut parfois être telle que les petites bulles de vapeur montent avant de se condenser complètement,ce @
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qui permet d'assurer ainsi une remise en circuit rapide.
Lorsqu'un gaz est libéré, on se trouve en présence des possibilités suivantes: a) la bulle de gaz persiste, par exemple dans un canal horizontal; ce cas est alors celui d'une interruption permanente, b) la bulle de gaz monte et c) le gaz de la bulle rentre en solution où il estfixé chimiquement (par exem- ple H2 + 0 - H2O); dans ce cas également les degrés les plus divers sont possibles.
Quelques exemples de réalisation du dispositif qui fait l'objet de l'invention sont représentés dans le dessin ci-joint.
La fig, 1 est une vue d'un dispositif conforme à l'invention et servant de coupe-circuit. Un corps isolant 1 ; cylindrique par exemple, est divisé intérieurement, par des cloisons 2, qui peuvent également être en matière isolante, en différentes chambres 3. Le corps isolant i est fermé de façon étanche au moyen de coiffes en métal 4a, 4b aux extrémités d'arrivée du courant. L'intérieur des chambres 3 est rempli d'un liquide bon conducteur, de mercure par exemple, relié électriquement aux coiffes en métal et 4b dans les chambres extrêmes et 3b respectivement.
Les cloison. 2 sont percées d'ouvertures 5 Par lesquelles le courant passe et qui sont calculées de façon que leur conductibilité ne subisse aucune modification notable pour des courants dont l'intensité ne dépasse pas la valeur nominale, de sorte que le dispositif peut porter, d'une façon pratiquement illimitée, des courants ne dépassant pas cette intensité nominale, mais qu'il se produise, lorsque l'intensité devient excessive, un échauffement tellement intense que le mercure se vaporise d'une façon croissante, réduisant ainsi le passage du courant et l'interrompant parfois complètement. Ainsi qu'on l'a déjà dit plus haut, le milieu con- ducteur employé dans les chambres peut être constitué par les matières les plus différentes, on peut aussi, en particulier, employer un électrolyte pour le courant alternatif.
Les chemins suivis par le courant peuvent aussi avoir des formes très variées. Les fig. 2 à5 sont des vues de types particuliers de cloisons et de chemins ménagés pour le courant. La fig. 2 représente une cloison isolante 2 comprenant, pour le passage du courant, plusieurs chemins
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constitués par de petites tiges minces de métal, nickel par exemple, calculées de façon à s'échauffer, au moins à leurs extrémités 7, lorsque l'intensité devient excessive, de fagon à dégager des vapeurs ou des gaz du milieu 8, ces vapeurs ou gaz ne déposant sous la forme de petites bulles 9 sur les extrémités 7 des petites tiges, de façon à réduire le passage du courant et parfois même à l'interrompre complètement.
La fige 3 représente une cloison 2 en matière isolante dans laquelle les passages du courant sont constitués par des tiges de charbon 5 affleurant la surface de la cloison. Lorsque ces tiges s'échauffent, de petites bulles de gaz ou de vapeur 9 se forment alors que ces sufaces de contact entre le milieu conducteur 8 et les tiges de charbon 5.
La fige 4 représente une cloison 2 constituée par une plaque métallique isolante 10 désigne la garniture isolante, qui est par exemple une couche d'émail. Des chemins 5, constitués par exemple aussi par de minces tiges de charbon, sont ménagés dans' cette cloison pour le courant.
La réduction du passage du courant a lieu de la même façon que celle qu'on a décrite pour la fige 2. Il peut être avantageux d'éliminer aussi rapidement que possible la chaleur dégagée dans les chemins suivis par le courant, pour que le dispositif puisse fonctionner de nouveau le plus tôt possible. Dans ce cas on choisit pour la cloison une matière très bonne conductrice, du cuivre par exemple. Il convient en même temps de donner à la cloison, comme le montre la fig. 4, une forme telle que la chaleur soit évacuée très rapidement, sans que ni les dimensions des chemins suivis par le courant ni par conséquent aussi la caractéristique d'entrée en action du dispositif ne soient modifiées.
La cloison représentée dans la fige 5 est constituée par exemple par une plaque de fer 11 portant un revêtement isolant 12 en émail par exemple. De petits trous 13 percés dans ce revêtement jouent le rôle de résistances de rétrécissement. De petites bulles de vapeur ou de gaz 9 qui réduisent le passage du courant se forment alors également dans le voisinage de ces trous lorsque la concentration du courant est haute
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et lorsque le milieu est choisi d'une façon appropriée.
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Ainsi que cela résulte des fig. 1 à 5, le nombre des chemins de courant ménagés dans chaque cloison peut varier, même à l'intérieur d'un seul et même dispositif. La nature, la disposition et les dimensions des chemins de courant peuvent varier aussi d'une cloison à l'autre suivant la fanon dont on veut agir sur le passée du courut lorsque l'intensité devient excessive. La fig. 4 montre également qu'il n'est pas nécessaire, par exemple pour des raisons d'ordre technique touchant les conditions caloriques, que la, cloison ait partout la même épaisseur . Ainsi qu'on l'a déjà dit également à propos des fig. 1 à 5, les cloisons peuvent être.de ne+ures très différentes, lles n'ont pas besoin non plus d'être faites Partout avec la même matière.
C'est ainsi par exemple qu'il pourrait être utile d'en faire une partie en matière poreuse, ainsi qu'on l'a déjà décrit plus haut. Des expériences ont montré que le fonctionnement du dispositif est particulièrement avantageux lorsque la longueur de l'espace rempli par le milieu ambiant dans le chemin parcouru par le courant est au maximum de 0,1 mm. On a constaté en outre que l'on obtient des résultats particulièrement favorables lorsque le diamètre du point de rétrécissent du passage du courant est inférieur à 0,3 mm.
Un autre mode de réalisation du dispositif qui fait l'objet de l'invention est représenté schématiquement dans la fig. 6. Dans cette figure, les numéros de référence désignent, comme dans la fig. l :ll' enveloppe en matière isolante entourant les chambres 3, 2 les cloisons qui séparent les chambres 3, et 4a, 4b les coiffes de fermeture. Des impédances 14 formant des ponts sont montées entre les chambres 3 et constituées avantageusement par des résistances purement chimiques ou par des résistances à capacité, ou par une combinaison des deux, comme cela est indiqué par exemple dans la fig. 5. Les cloisons 2 sont des cloisons doubles dont l'intervalle 15 est rempli d'un milieu constitué par un gaz ou une vapeur, de l'air de préférence, forment -un coussin destiné à compenser les a-coups de pression dans les chambres.
Les cloisons peuvent être par exemple semblables à celles qui ont été décrites à propos de la fig. 5, le revêtement isolant 12 n'étant appliqué que sur une face, comme cela est indiqué. Les cloisons sont reliées électriquement entre elles en 16. 9 désigne encore les bulles de gaz ou de électriquement entre elles en 16. désigne encore les bulles de gaz ou de
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vapeur qui se forment aux points de rétrécissement lorsque l'intensité devient excessive.
Le fonctionnement des impédances de pont 14 est le suivant, Lorsque le dispositif entre en action, c'est-à-dire lorsque le passage du courant à travers les cloisons est réduit par suite de la formation de gaz ou de vapeur aux points de rétrécissement de ce passage dès que l'intensité devient excessive, le courant passe en totalité ou en partie par les impédances 14 qui, par suite de leurs dimensions, limitent ce courant à une valeur dé- terminée.
Il convient de choisir les impédances de façon que la chute de tension soit plus petite que la tension qui donne naissance à un arc et que la tension de rupture qui s'établit ensuite dans les petites bulles de gaz ou de vapeur, c'est-à-dire inférieure à 10 volts environ, de façon qu'il ne se produise ni arcs ni décharges disruptives au début du phénomène aux points de rétrécissement du passage du courant. Lorsque les cloisons sont simples, comme dans la fig, 1 par exemple, les impédances de pont sont montées directement entre les chambres, comme cela est indiqué en tireté pour les deux chambres 3 centrales.
Une disposition comprenant des impédances de pont a une importance particulière pour les limiteurs de courent destinés à empêcher les courants de court-circuit et notamment ceux qui sont dûs à des a-coups et qui se' produisent dans les installations à basse et à haute tension. Il peut être utile de monter un interrupteur de pont 17 en parallèle avec le dispositif, sans impédance parallèle ou avec une impédance parallèle pour réduire la chute de tension en service normal. Lorsque l'intensité devient excessive, l'appareil de pont s'ouvre dtabord. Le dispositif entre ensuite en action aux points de rétrécissement du passage du courant. Les impédances sont ensuite mises en circuit.
Dans bien des cas il peut être utile de monter en série avec le dispositif un autre interrupteur (18) qui coupe le courant résiduel et qui introduit dans le circuit un intervalle d'air isolant formant séparateur et ayant une tension de rupture suffisamment haute, cette coupure pouvant avantageusement être provoquée, dans le cas de courant alternatif, dans le voisinage du passage du courant par zéro.
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Le dispositif qui fait l'objet de l'invention peut être utilisé pour des applications très diverses et servir par exemple de coupe¯circuit régénération, d'interrupteur ou de commutateur automatique, de régulateur,
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de limiteur de courant, ainsi que .'client de couplage pour les redresseurs, les appareils directeurs alternatifs, les hacheurs, ainsi que pour les interrupteurs et commutateurs temporisés, etc...