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La présente invention est relative à des perfectionnements aux dispositifs électriques utilisant des conducteurs électriques en une matière fragile et,plus particulièrement,aux dispositifs électriques com- portant une monture résistante aux chocs pour ces éléments.
Pour perfectionner des dispositifs électriques,on a trouvé inté- ressant d'utiliser des constituants en matière conductrice de l'électricité de nature fragile ; Parexemple, on a trouvé que des compositions ou allia- ges semi-métalliques convenaient particulièrement bien pour être utilisés dans des dispositifs thermoélectriques pour la conversion ou le transfert de chaleur et d'énergie électrique.Les générateurs thermoélectrique sont des exemples de l'une de ces applications des éléments semi-métalliques.L' utilisation d'alliages semi-métalliques comme conducteurs électriques pose des problèmes que l'on ne rencontre pas d'habitude lorsqu'on utilise,par exemple,des conducteurs électriques métalliques,
ces problèmes tenant aux différences des caractéristiques physiques etchimiques entre les éléments métalliques et les éléments semi-métalliques.Par exemple,des conducteurs électriques utilisés comme éléments de thermocouple sont nécessairement soumis à des températures élevées et à de grands changements de températures, et si l'on utilisait des conducteurs semi-métalliques comme éléments de ther- mocouple de la même manière queues éléments métalliques,ils se détruiraient rapidement puisque,à des températures élevées,les éléments semi-métalliques s'oxydent rapidement et présentent des modifications indésirables de leurs propriétés électriques.En outre,la résistance mécanique ou physique des éléments semi-métalli,ques est telle qu'ils ne peuvent résister qu'à des for- ces de traction ou de cisaillement faibles,
bien qu'ils puissent supporter indéfiniment'de faibles charges de compression.
Dans le cas de l'utilisation de matières semi-métalliques dans des thermocouples,par exemple,le problème présenté par la faible résistance phy- sique de l'élément semi-métallique se complique par le fait que,pour obte - nir le maximum de rendement thermique ou électrique,ces éléments sont plus longs que leur dimension en section transversale ayant par exemple la forme de lingots cylindriques allongés.Lorsqu'un élément de ce genre est porté à un bout ou aux deux et que cet élément est soumis à une accélération ou un choc agissant transversalement à son axe longitudinal, il se produit dans l'élément des efforts de traction relativement forts qui tendent à le briser.
Pour empêcher cette'rupture ,les efforts nets, en particulier les efforts de traction, auxquels l'élément semi-métalliques est soumis,ne doivent pas dépasser la résistance physique de cet élément.Pour obtenir ce résultat , la monture d'un élément semi-métallique doit non seulement protéger cet élément contre les efforts qui peuvent s'y produire du fait d'une accéléra- tion ou d'un choc transversal tel que ci-dessus,mais elle doit également être faite de telle sorte que lors d'une dilatation thermique,tout désaccord entre l'élément semi-métallique et les pièces l'environnant,tendant à exer- cer des efforts dans cet élément,applique sur lui une force de compression plutôt qu'une force de traction.
En conséquence,la présente invention se propose entre autres de réaliser un dispositif électrique perfectionné,par exemple un générateur thermoélectrique, comportant une monture résistant aux chocs pour un con- ducteur électrique en matière fragile,par exemple semi-métalliqueo
L'invention est encore relative à un dispositif électrique du genre ci-dessus comportant un conducteur fragile,dans lequel :
1. L'élément comporte une enceinte fermée électriquement,permet- tant de le placer dans une atmosphère inerte et empêchant,pendant la durée du dispositif,que cet élément soit exposé à l'action de l'oxygène ou autres gaz nuisibles.
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2. L'élément est supporté dans l'enceinte de manière à permettre le déplacement d'au moins une partie de cet élément afin de dissiper le changement d'énergie cinétique de l'élément pendant une accélération ou un choc transversal,sans permettre que l'élément vienne frapper l'enceinte et/ ou l'élément es mis sous compression de manière à réduire les efforts de traction nets exercés sur lui pendant une accélération transversale,ce qui permet un plus grand déplacement par flexion de l'élément dans les limites de ses caractéristiques physiques et plus particulièrement de sa résistance à la traction.
La différence de dilatation thermique entre l'élément et sa mon- ture est telle que des efforts résiduels provenant d'une différence de dila- tation thermique entre ces deux organes provoquent une compression de l'élé- ment dans la limite de sa résistance de la compression.
4. Les connexions électriques de l'élément sont de nature à assu- rer la continuité du circuit électrique pendant le déplacement dû à un choc mécanique et/ou à une dilatation ou une contraction thermique.
5. Les connexions électriques de l'élément sont de nature telle qu'elles sont chimiquement stables par rapport à cet élément.
6. On obtient un transfert de chaleur efficace dans l'ensemble en exposant les jonctions thermiques de l'élément dans l'enceinte,en permettant un transfert de chaleur par radiation et/où conduction vers ces jonctions ou en partant de celles-ci, à travers l'enceinte,en donnant ainsi un maxi- mum d'efficacité de conversion.
Le dispositif du genre ci-dessus comporte selon l'invention un câ- ble du type coaxial faisant corps avec lui, des dispositifs de fermeture her- métique étant prévus sur l'extrémité de connexion de ce câble de sorte que ce dernier et l'enceinte de l'élément forment une seule enveloppe fermée hermétiquement.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-dessous,faite en se référant aux dessins annexés qui représentent différentes formes de réalisation de l'invention.Ces formes de réalisation représentent des dispositifs électriques utilisant des éléments conducteurs fragiles,chacun d'eux étant sous la forme d'un thermocoùple com- portant un élément thermoélectrique semi-métallique.Sur les dessins:
La fig.1 est une vue en élévation partielle,avec parties en coupe longitudinale, représentant un thermocouple et un conducteur faits selon l'invention.
La fig.2 est une coupe à plus grande échelle faite suivant la ligne 2-2 de la fig.l.
Les figs.3 à 8 sont des coupes longitudinales partielles représen- tant des variantes des systèmes de thermocouples et d'assemblages de conduc- teurs faits selon l'invention,certaines parties des conducteurs de ces systè- mes étant supprimées.
La fig. 9 est un graphique de compositions semi-métalliques de plomb-sélénium-tellure que l'on peut utiliser comme élément conducteur élec- triquement dans les générateurs thermoélectriques des figs.1 à 8.
La fig.10 est un graphique de compositions semi-métalliques de plomb-sélénium-soufre que l'on peut utiliser comme élément conducteur élec- triquement dans les générateurs thermoélectroques des figs. 1 à 8.
Sur la fig.1, le dispositif électrique représenté à titre d'exem- ple comporte un générateur thermoélectrique 10 contenant deux éléments de
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thermocouple 11 et 12 disposés dans une enceinte fermée hermétiquement,con-
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1Ittt:riêe.: par:- une gaine 13 en lne. 7e.c .a 4lc,e.cle., :prê:teB&nce:
en wier. irmWdal2e ¯et pcésen- tmturb partie tubulaire'14 et une partie, de bout 15 qui peut servir de son- de thermique pour ls système.Le bout opposé de la gaine 13 pénètre coaxia- lement dans un contre-alésage ménagé à un bout d'un tube 16 en laiton ou autre matière appropriée.L'autre bout de ce tube est fermé par une coiffe métallique 17 présentant un alésage central dans lequel s'emmanche à force un bout d'un câble 18 du type coaxial, comportant un conducteur extérieur tubulaire métallique 19 et un conducteur intérieur coaxial isolé 20.La gaine 13 et la coiffe 17 sont reliées électriquement et de façon herméti- que au tube 16, par exemple à l'aide d'une soudure ou d'une brasure en argent et le câble 18 est relié de même à la coiffe 17.
L'élément 11du thermocouple est en une matière fragile et il peut être en un alliage ou une composition semi-métallique et avoir la
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forme d'une baguette ou d'un lingot semi-cylindriqueaL'élément 12 du thermo- couple est fait de manière à constituer une monture élastique pour l'élé- ment 11,en étant en prise sur lui sur toute sa longueur et en le maintenant élastiquement et coaxialement dans la gaine 13.Comme on le voit plus clai-
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rement sur la figo2,l élément 12 consiste en au moins trois bandes plates relativement minces en un métal déformable,de préférence élastique ,dispo- sées à des distances angulaires égales sur le pourtour de l'élément 11et s'étendant sur toute sa longueur et au-delà d'une de ses extrémités,
en assurant une liaison électrique avec le conducteur extérieur 19 du câble 18.
Les bords latéraux des bandes 12 viennent porter sur la surface intérieure de la gaine 13 et du tube 16;et la surface extérieure cylindrique de l'élé- ment 11porte contre la partie longitudinale centrale de la surface intéri- eure des bandes métalliques 12.
Afin de permettre aux bandes métalliques 12 de fonctionner comme deuxième cément de thermocouple bien qu'elles soient en contact physique avec l'élément 11, les surfaces intérieures de chacune des ces bandes sont munies d'une pellicule ou d'une couche 21 isolant électriquement les sur-
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faces intérieures des bandes de l'élément 11 du thermoooupa900n a trouvé que des résines et des vernis de silicone fonctionnent de façon satisfai- sante comme pellicules isolantes 21, lesquelles peuvent être très minces étant donné les faibles tensions électriques produites.Du faut que les pelli- cules 21 sont minces,les bandes 12 sont faites en un métal ayant un coef- ficient de dilatation thermique se conformant à celui de l'élément 11,ce qui évite des déplacements relatifs des bandes sur cet élément,
tendant à enlever la pellicule isolante 21 de cet élément par frottementoComme exemple d'une concordance de ce genre, un élément 11 en une composition en plomb et un
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aluc-êp cb sélénium et # 'tèllim6 a:.uft 'coefficientude..èi1a-eàtiont thermique d'envi- ron 18 x 10-6 par degré centigrade, ce qui'concorde avec le coefficient de dilatation thermique de l'acier inoxydable austénitique (qui est également d'environ 18 x 10-6 par degré centigrade) qui est une des matières préférées pour les bandes 12 et la gaine 13.Une autre matière satisfaisante utilisable pour les bandes 12 et ayant un coefficient de dilatation thermique analogue est un alliage de glucinium et de cuivre.
Les extrémités extérieures des bandes 12 sont retournées radiale- ment vers l'intérieur et ces extrémités et l'extrémité extérieure de l'élé- ment 11 sont réunies mécaniquement et électriquement,par exemple par l'inter- médiaire d'une électrode de contact 22 que l'on décrira plus loin9 de façon à constituer une jonction chaude pour le thermocouple 10.L'élément 11 est un élément du thermocouple,tandis que les bandes 12 servent à la fois de sup- port élastique pour l'élément 11 et comme autre élément du thermocouple 10.
Les tensions thermiques produites dans les éléments 11 et 12 sont de pré- férence de signes contraires (par rapport au platine) en ce qui concerne
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le gradient de température,de sorte qu'elles s'ajoutent dans un circuit en série formé entre une pointe 24 de jonction froide,formant partie d'une électrode de contact 23, et les extrémités froides des bandes 12.Dans la forme de réalisation représentée,dans laquelle l'élément 11 engendre une force électromotrice négative,les bandes 12 devraient engendrer une force électromotrice positive.L'acier inoxydable austénitique et les alliages de glucinium et de cuivre sont des exemples de métaux engendrant une force électromotrice positive et pouvant être utilisés pour les bandes 12.Lors- qu'on utilise un élément positif 11,
les bandes 12 sont de préférence en un métal engendrant une force électromotrice négative,par exemple l'alumel ou le constantan.La pointe 24 de jonction froide est branchée dans le circuit sur le conducteur intérieur 20 du câble flexible 18 à l'aide d'un condua- teur flexible 25 afin de permettre une différence de dilatation thermique entre les éléments 11 et 12.
L'élément 11 est un élément semi-métallique et il peut être fait, par exemple, en un alliage contenant du plomb et au moins un des éléments du groupe tellure,sélénium et soufre.La fig.9 représente graphiquement des alliages en plomb, sélénium et tellure que l'on peut utiliser pour l'élément thermoélectrique 11,les abscisses représentant, en proportions atomiques %, les différentes proportions de sélénium dans le constituant tellure- sélénium et àllant depuis du tellure ne contenant que des traces de sélé- nium à gauche, jusqu'au sélénium ne contenant que des traces de tellure à droite.Les ordonnées de gauche représentent,en % en poids, la quantité de plomb que l'on peut allier avec leconstituant sélénium-tellure pour n' importe quelles proportions de ce dernier,
tandis que les ordonnées de droi- te représentent inversement le poids % du constituant sélénium-tellure pour n'importe quelle proportion de ce dernier dans la composition finale,le restant étant du plomb.
Par exemple,un élément thermoélectrique 11 en une composition de plomb-sélénium-tellure- pourrait contenir un constituant tellure-sélénium dans lequel le sélénium ne se trouverait qu'à l'état de traces.En ce cas, ce constituant devrait constituer de 35 à 38,05 % en poids de la composi- tion, le restant (61,95 à 65% en poids) étant du plomb.A l'autre extrémité, où le constituant sélénium-tellure consiste presqu'entièrement en sélénium.
avec seulement une trace de tellure,ce constituant doit contenir de 25 à 27,55 % en poids de la composition finale,le restant (de 72,45 à 75% en poids) étant du plomb.Comme autre exemple, dans lequel le sélénium et le tellure sont en parties égales (en poids atomiques %) dans le constituant tellure-sélénium, ce dernier doit représenter 30 à 32,8 % en poids de la composition le restant (67,2 à 70% en poids) étant du plomb.Les composi- tions représentées graphiquement aux extrémités de droite et de gauche des deux figures 9 et 10 seront désignées ci-dessous,pour la commodité,sous le nom de compositions "terminales".
L'élément thermoélectrique 11 peut aussi être fait en un alliage de plomb, sélénium et soufre du genre représenté graphiquement sur la fig.
10.Sur la fig.10, on remarquera que les abscisses représentent, en atomes %, les différentes proportions de soufre dans le constituant soufre-sélé- nium, en allant du sélénium ne contenant que des traces de soufre à gauche jusqu'au soufre ne contenant que des traces de sélénium à droite.Les ordon- nées de gauche indiquent la quantité de plomb (en % en poids)que l'on peut allier avec le constituant sélénium-soufre pour n'importe quelles proportions de ce dernier,tandis que les ordonnées de droite indiquent in- versement le % en poids du constituant sélénium-soufre pour n'importe quelles proportions de de dernier dans la composition finale,le restant étant du plomb.
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Par exemple, un élément thermoélectrique 11en plomb, sélénium et soufre pourrait comporter un constituant sélénium-soufre dans lequel le soufre ne se trouve qu'à l'état de traces.En ce cas, ce constituant re- présenterait de 25 à 27,55 % en poids de la composition,le reste (75 à 72,45 % en poids) étant du plomb.A l'autre bout, qù le constituant sélé- nium-soufre consiste presqu'entièrement en soufre avec seulement une trace de sélénium,'ce constituant doit contenir 12,8 à 13,37% en poids de la com- position finale,le reste (87,2 à 86,63 % en poids) étant du plomboComme autre exemple,dans lequel le sélénium et le soufre sont en parties égales (en atomes %) dans le constituant sélénium-soufre,ce dernier représente'
18,9 à 20,
46 % en poids de la composition, lé restant (81,15 à 79,54 % en poids) étant du plomb.
Les proportions ci-dessus mentionnées des différents constituants et celles représentées sur les figs.9 et 10 doivent être considérées comme critiques pour que la composition possède les propriétés électriques et physiques désirées.Le minimum de la proportion du plomb dans les composi- tions de l'invention (représenté graphiquement par les courbes inférieures des figs.9 et 10) doit être considéré comme critique, étant donné que si la @ teneur en plomb est inférieure de manière significative à cette valeur pour n'importe quelle proportion particulière de sélénium-tellure ou sélé- nium-soufre,la polarité de la force électromotrice Seebeck change et les propriétés électriques et mécaniques désirées ne peuvent être reproduites.
- D'autre part,si la teneur en plomb d'une composition quelconque dépasse beaucoup le maximum représenté graphiquement par les courbes supérieures des figso9 et 10, la composition résultante est de nature trop métallique pour donner des conversions d'énergie avec un rendement satisfaisant.
Non seulement les proportions ci-dessus mentionnées doivent être considérées comme critiques,mais il en est de même de la pureté.Plus particulièrement ,on a trouvé 'que la limite de l'impureté métallique admissible dans la composition finale est de l'ordre de 0,01% de la composition ne doit pas contenir sensiblement d'oxygène si l'on veut o btenir et reproduire les propriétés mécaniques et électriques désirées.
On peut obtenir cette pureté en utilisant du plomb,du sélénium et du tellure ou du soufre ne contenant pas d'impuretés métalliques dépassant 0,01%o0u bien on peut utiliser des matières premières moins pures,en faisant passer la composition formée dans un,stade de recristallisation de manière à obte- nir une composition finale ayant l'ordre de pureté indiqué ci-dessuso
Les compositions ou alliages semi-métalliques ci-dessus peuvent être caractérisés pomme étant des composés métalliques binaires de composi- tion légèrement imparfaite,
c'est-à-dire contenant des impuretés avantageu- ses s'écartant des proportions stoechiométriques parfaites par suite d'un excès de l'un des métaux sur l'autre et/ou de l'addition d'impuretés avan- tageuses que l'on appellera ci-dessous des "promoteurs"oCes compositions semi-métalliques ont une conductibilité analogue à un semi-conducteur, à la fois électrique et thermiqueoComme le montrent les figs,9 et 10,ces composi- tions ou alliages semi-métalliques contiennent également des mélanges de ces composés métalliques binaires,que l'on peut appeler compositions ou allia- ges métalliques ternaires.Certains de ces alliages présentent des caractéris- tiquesélectriques négatives et d'autres des caractéristiques positives.
En ce qui concerne les gammes indiquées pour les différentes compositions représentées graphiquement sur les figso9 et 10, on remarquera que dans chaque cas il y a un excès de plomb par rapport à la quantité de celui-ci qui est nécessaire pour donner les proportions stoechiométriques du composé fait avec le ou les deuxièmes constituants,c'est-à-dire le tellure, le sélénium ou le soufre.En prenant comme exemple les compositions termina- les ci-dessus mentionnées,)n remarquera que la première composition terminale
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consistant sensiblement en plomb e tellure (voir fig.
9) contient de 61,95 à 65 % en poids de plomb ou de 0,16 à 8,9 % de plomb en poids de la composi- tion totale au-dessus des 61,89 % de plomb qui est stoechiométriquement né- cessaire pour se combiner avec le tellure.De même, la composition terminale consistant sensiblement en plomb et sélénium (voir fig.9) contient de 0,15 à 10,4 % en poids de plomb de la composition totale au-dessus des 72,41 % en poids de plomb qui est stoechiométriquement nécessaire pour se com- biner avec le sélénium.Il en est de même évidemment en ce qui concerne la composition terminale consistant sensiblement en plomb et soufre,dans'laquel- le la quantité de plomb indiquée sur la fig.10 est de 0,23 à 4,7 % de plomb en poids de la composition totale,
en excès par rapport à ce qui est néces-
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saire pour se eombinercstoeehiomêtriquement avec le soufre présent,c'est-à- dire 86,60% en poids de plomb.De même que,pour n'importe quelle composition intermédiaire entre les compositions terminales, il existe dans les gammes de compositions indiquées sur les figs.9 et 10 un excès de plomb par rapport à celui qui est stoechiométriquement nécessaire pour se combiner avec le constituant tellure-sélénium ou sélénium-soufre, en % en poids variant sui- vant la relation de cette composition intermédiaire par rapport aux composi- tions terminales.
On peut modifier nettement et avantageusement les caractéristiques électriques des alliages semi-métalliques ci-dessus,par exemple dansdes éléments thermoélectriques.de manière reproductible, en y ajoutant des quan- tités réglées d'une matière autre que les constituants de la composition de base (figs.9 et 10).On peut appeler ces additions : "impuretés avantageu- ses" pour les distinguer des impuretés indésirables ci-dessus mentionnées.
Pour la commodité,on appellera ci-dessous ces additions des "promoteurs" étant donné quelles tendent à renforcer les caractéristiques désirées pour l'application particulière de la composition de base.Etant donné que les quantités de ces promoteurs en pourcentages en poids de la composition de base sont très faibles pour que ces promoteurs soient efficaces au maximum et qu'ils puissent reproduire les propriétés électriques,la composition de base à laquelle on les ajoute doit être extrêmement pure,c'est-à-dire qu' elle ne doit pas contenir plus de 0,001% en poids des impuretés indésirables et non réglées,par comparaison avec les 0,01% de cette impureté que l'on peut tolérer dans les alliages sans promoteurs décrits plus haut.De même, lorsqu'on ajoute ces promoteurs,
la teneur en plomb de la composition de base doit être un peu moindre ; parexemple au maximum 63,0-73,5 et 87,10 % en poids respectivement pour les différentes compositions terminales par comparaison avec les maxima correspondants de 65,75 et 87,2 % respectivement, représentés sur les figs. 9 et 10.
Toutes les compositions de baseci-dessus décrites présentent une puissance thermoélectrique négative et une conductibilité négative.En ajoutant les promoteurs qui seront décrits plus loin, on peut renforcer ces propriétés négatives par l'addition de certains promoteurs,tandis que l'on peut inverser la polarité des propriétés électriques de la composi- tion de base par l'addition de certains autres promoteurs.En conséquence, certains promoteurs seront appelés ,"promoteurs positifs" et certains au- tres seront appelés "promoteurs négatifs" et l'alliage résultant peut être "positif" ou "négatif".
Par alliage "négatif" il faut entendre un alliage qui présente une conductibilité négative comme le montrent les mesures de l'effet Hall ou les mesures de l'effet thermo-électrique,les unes et les autres prises à la température ambiante,tandis que,par alliage "positif" il faut entren- dre un alliage qui présente une conductibilité positive comme le montrent les mesures de l'effet Hall ou les mesures de l'effet thermoélectrique,les unes et les autres prises à la température ambiante.
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Les "promoteurs négatifs" sont ceux qui,lorsqu'on les ajoute aux alliages de base ci-dessus décrits,modifient leur conductibilité électri- que sans changer la polarité de la conductibilité ou de la puissance ther- moélectrique des alliages de base (qui est négative selon la définition précédente).Les "promoteurs positifs" sont ceux qui, lorsqu'on les ajoute aux alliages de base ci-dessus décrits provoquent d'abord,avec de très fai- bles additions,une réduction de la conductibilité de l'alliage d'un minimum jusqu'à une valeur au delà de laquelle une nouvelle augmentation de la con- centration des "promoteurs positifs" provoque une augmentation de la conduc- tibilité de 1'alliage,accompagnée d'une inversion de la polarité de la con- ductibilité et de la puissance thermoélectrique,
c'est-à-dire passant du néga- tif au positif.
Pour plus de clarté, on fera ressortir ci-dessous les rôles de ces promoteurs négatifs et positifs:
1. Une augmentation de la concentration des promoteurs négatifs augmente la conductibilité et réduit la puissance thermoélectrique de l'alliage résultant par comparaison avec l'alliage de base,tout en conser- vant la polarité négative de la conductibilité et de la puissance thermo- électrique.
2. Une augmentation de la concentration des promoteurs positifs réduit d'abord la conductibilité et augmente la force électromotrice Seebeck de l'alliage de base jusqu'à obtenir un minimum de conductibilité,après quoi la puissance thermoélectrique et la conductibilité changent de polari- té pour venir dans le sens positif et une nouvelle augmentation de la concentration des promoteurs positifs augmente la conductibilité et réduit la puissance thermoélectrique de l'alliage résultant.
On a déjà décrit antérieurement des promoteurs améliorant effica- cement les propriétés électriques de ces éléments semi-métalliques lorsqu'on les ajoute aux compositions de base ci-dessus en petite quantitéoEn ce cas, les promoteurs ont été étudiés en fonction des compositions terminales et de la pureté, ces promoteurs pouvant être ajoutés à n'importe laquelle des com- positions intermédiaires en obtenant des résultats avantageux. Les promoteurs ajoutés doivent être proportionnés, à la fois en espèce et en quantité, sui- vant les concentrations relatives des compositions terminales dans la compo- sition intermédiaire consistant en un mélange de ces compositions terminales.
Le tableau 1 ci-dessous indiquer dans la première colonne,certains éléments qui sont efficaces comme promoteurs négatifs lorsqu'on les ajoute aux compositions ou alliages de base plomb-tellure ci-dessus mentionnés.La deuxième colonne du tableau I indique l'ordre du maximum effectif de limite de la concentration en poids % de ces promoteurs p a r r a p p o r t à l'alliage de base.Il est entendu que ces limites de concentration sont les maxima qui modifient effectivement les propriétés électriques de l'alliage de base.
Tableau 1
Alliages de base Plomb-Tellure.
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<tb>
Promoteurs <SEP> Ordre <SEP> du <SEP> maximum <SEP> effectif <SEP> des
<tb>
<tb> négatifs <SEP> limites <SEP> de <SEP> concentration <SEP> % <SEP> en <SEP> poids
<tb>
<tb>
<tb> Bismuth <SEP> 0,60-1,20
<tb>
<tb>
<tb> Tantale <SEP> 0,50
<tb>
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,25
<tb>
<tb>
<tb> Zirconium <SEP> 0,25
<tb>
<tb>
<tb> Titane <SEP> 0,15
<tb>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 0,10
<tb>
<tb>
<tb> Gallium <SEP> 0,25
<tb>
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Tableau I Alliages de base Plomb-Tellure .
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<tb>
Promoteurs <SEP> Ordre <SEP> du <SEP> maximum <SEP> effectif <SEP> des
<tb>
<tb> négatifs <SEP> limites <SEP> de <SEP> concentration <SEP> % <SEP> en
<tb>
<tb> poids
<tb>
<tb> Chlore <SEP> 0,10
<tb>
<tb> Brome <SEP> 0,20
<tb>
<tb> Iode <SEP> 0,25
<tb>
<tb> Uranium <SEP> 0,80
<tb>
Comme on l'a dit précédemment,certains promoteurs positifs peuvent également être alliés avec les alliages- plomb-tellure ci-dessus mentionnés et ces promoteurs sont indiqués dans la colonne I du tableau II ci-dessous.La colonne 2 du tableau II indique la concentration en poids % de ces promoteurs positifs pour laquelle la polarité de la conductibilité et la puissance thermoélectrique de l'alliage contenant le promoteur sont inversées.La colonne 3 du tableau II,
comme la colonne 2 du Tableau I indique l'ordre du maximum effectif des limites de concentration en poids % de ces promoteurs dans l'alliage de base.
Tableau II
Alliages de base Plomb-Tellure.
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<tb>
Promoteurs <SEP> ¯ <SEP> Concentration <SEP> en <SEP> poids <SEP> Ordre <SEP> du <SEP> maximum <SEP> effectif
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> positifs <SEP> % <SEP> à <SEP> laquelle <SEP> la <SEP> polarité <SEP> des <SEP> limites <SEP> de <SEP> concentra-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> s'inverse <SEP> tion <SEP> % <SEP> en <SEP> poids
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Sodium <SEP> 0,0002 <SEP> 0,06
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Potassium <SEP> 0,0004 <SEP> 0,10
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Thallium <SEP> 0,005 <SEP> à <SEP> 0,02 <SEP> 0,25 <SEP> à <SEP> 1,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Arsenic <SEP> 0,0008 <SEP> à <SEP> 0,002 <SEP> 0,07 <SEP> à <SEP> 0,
25
<tb>
La Tableau III ci-dessous énumère dans la première colonne cer- tains éléments qui sont efficaces comme promoteurs négatifs lorsqu'on les ajoute aux alliages de base plomb-sélénium ci-dessus mentionnés .La deuxième colonne de ce tableau donne l'ordre du maximum effectif des limites de con- centration en poids % de ces promoteurs par rapport à l'alliage de base.
Ici également,il est bien entendu que ces concentrations limites sont le ma- ximum qui modifie efficacement les propriétés électriques de l'alliage de base.
Tableau III
Alliages ce base Plomb-Sélénium
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<tb> Promoteurs <SEP> Ordre <SEP> du <SEP> maximum <SEP> effectif <SEP> des <SEP> con-
<tb>
<tb> négatifs <SEP> centrations <SEP> limites <SEP> en <SEP> .poids <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Iode <SEP> 0,50
<tb>
<tb>
<tb> Chlore <SEP> 0,20
<tb>
<tb>
<tb> Brome <SEP> 0,60
<tb>
<tb>
<tb> Zirconium <SEP> 0,60
<tb>
<tb>
<tb> Silicium.
<SEP> 0,10
<tb>
<tb>
<tb> Titane <SEP> 0,10
<tb>
<tb>
<tb> Indium <SEP> 0,20
<tb>
<tb>
<tb> Tantale <SEP> 0,60
<tb>
<tb>
<tb> Gallium <SEP> 0,15
<tb>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 0,03
<tb>
<tb>
<tb> Cuivre <SEP> 0,30
<tb>
<tb>
<tb> Or <SEP> 0,35
<tb>
<tb>
<tb> Bismuth <SEP> 0,40 <SEP> à <SEP> 2,5
<tb>
<Desc/Clms Page number 9>
Tableau III Alliages de base Plomb-Sélénium
EMI9.1
<tb> Promoteurs <SEP> Ordre <SEP> du <SEP> maximum <SEP> effectif <SEP> des <SEP> con-
<tb>
<tb> négatifs <SEP> centrations <SEP> limites <SEP> en <SEP> poids <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Antimoine <SEP> 0, <SEP> 20 <SEP> à <SEP> 1,5
<tb>
<tb> Fluor <SEP> 0,02
<tb>
<tb> Columbium <SEP> 0,
035
<tb>
La colonne 1 du tableau IV ci-dessous indique certains promoteurs positifs que l'on peut allier aux alliages plomb-sélénium ci-dessusoLa colonne 2 de ce tableau donne la concentration en poids des promoteurs posi- tifs pour laquelle la polarité de la conductibilité et le pouvoir thermoé- lectrique de l'alliage auquel le promoteur a été ajouté sont inversésoLa colonne 3 du tableau IV donne les mêmes indications que la colonne corres- pondante du tableau II.
Tableau IV
Alliages de base plomb-sélénium
EMI9.2
<tb> Promoteurs <SEP> Concentration <SEP> en <SEP> poids <SEP> Ordre <SEP> du <SEP> maximum <SEP> effectif
<tb>
<tb>
<tb> positifs <SEP> % <SEP> pour <SEP> laquelle <SEP> la <SEP> de <SEP> la <SEP> limite <SEP> de <SEP> concen-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> polarité <SEP> s'inverse <SEP> tration <SEP> en <SEP> poids <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Sodium <SEP> 0,002 <SEP> 0,8
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Thallium <SEP> 0,04 <SEP> à <SEP> 0,08 <SEP> 0,72 <SEP> à <SEP> 1,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Potassium <SEP> 0,003 <SEP> 0,15
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Lithium <SEP> 0,002 <SEP> 0,03
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Arsenic <SEP> 0,02 <SEP> à <SEP> 0,06 <SEP> 0,10 <SEP> à <SEP> 0,
30
<tb>
Certains éléments qui sont efficaces comme promoteurs négatifs lorsqu'on les ajoute à des alliages de base plomb-soufre sont donnés dans la première colonne du tableau V ci-dessus.La deuxième colonne donne la même indication que précédemment.Il est bien entendu que ces limites de concentrations sont le maximum qui modifie efficacement les propriétés électriques de l'alliage de base.
Tableau V
Alliages de base Plomb-Soufre
EMI9.3
<tb> Promoteurs <SEP> Ordre <SEP> du <SEP> maximum <SEP> effectif <SEP> de <SEP> la <SEP> limite
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> négatifs <SEP> de <SEP> concentration <SEP> en <SEP> poids <SEP> %¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Zirconium <SEP> 0,40
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Indium <SEP> 0,50
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Brome <SEP> 0,35
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Chlore <SEP> 0,15
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Titane <SEP> 0,20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Iode <SEP> 0,55
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Tantale <SEP> 0,70
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Bismuth <SEP> 1,0 <SEP> à <SEP> 3,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Antimoine <SEP> 0,50 <SEP> à <SEP> 3,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Gallium <SEP> 0,30
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Columbium <SEP> 0,
40
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Uranium <SEP> 1,0
<tb>
Le tableau VI ci-dessous indique,dans la colonne 1, certains promoteurs positifs qui peuvent aussi former un alliage avec les alli- ages de base plomb-soufre ci-dessus mentionnés Les deuxième et troisième colonnes correspondent à celles du tableau IV.
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Tableau VI Alliages de base Plomb-Soufre
EMI10.1
<tb> Promoteurs <SEP> Concentration <SEP> en <SEP> poids <SEP> Ordre <SEP> du <SEP> maximum <SEP> effec-
<tb>
<tb>
<tb> positifs <SEP> % <SEP> pour <SEP> laquelle <SEP> la <SEP> polarité <SEP> tif <SEP> de <SEP> la <SEP> limite <SEP> de <SEP> con-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> s'inverse <SEP> centration <SEP> en <SEP> poids <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Sodium <SEP> 0,02 <SEP> 0,20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Potassium <SEP> 0,04 <SEP> 0,30
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rubidium <SEP> 0,20 <SEP> 0,70
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Argent <SEP> 0,30 <SEP> 2,0
<tb>
D'après la description ci-dessus,on voit que le maximum de con- centration d'une impureté avantageuse pour des compositions therminales varie de 4,22 % en poids (c'est-à-dire 3,
02 % en excès de plomb plus 1,20 % maximum pour n'importe quel promoteur ) dans le cas d'une composition ter- minale plomb-tellure, à 6,6% en poids (c'est-à-dire 4,1 % de plomb en excès plus 2,5 % au maximum pour n'importe quel promoteur) dans le cas de la com- position terminale plomb-sélénium, à 6,9 % en poids(c'est-à-dire 3,9 % de plomb en excès plus 3,0% au maximum pour n'importe quel promoteur) dans le cas de la composition terminale plomb-soufre.Ainsi, le maximum de l'impu- reté avantageuse pour n'importe quelle composition est de 6,9 % en poids.
Afin d'utiliser n'importe lequel des alliages de base ci-dessus mentionnés ou des compositions améliorées par l'addition d'un troisième élément dans des dispositifs électriques,par exemple comme éléments généra- teurs thermo électriques,il doivent nécessairement être mis électriquement en contact .L'obstacle principal à ce point de vue a été la difficulté d'établir un contact électrique avec ces éléments sans qu'il se produise d'alliage ou de solution de l'électrode en contact avec lesdits éléments.
Cet alliage ou cette solution entre un élément thermoélectrique ayant la composition ci-dessus et une électrode de contact entraîne un changement dans la composition de cet élément se traduisant en général par une réduc- tion de sa puissance thermoélectrique.Il faut donc réduire de manière ré- glable cet alliage ou cette solution si l'on veut obtenir une uniformité des propriétés électriques et un maximum de longévité de l'élément thermo- électrique.
En se reportant encore à la fig.1 on établit un contact mécanique et électrique entre les bandes métalliques 12 et l'élément 11 semi-métal- lique du thermocouple sur une surface sensible dé ce dernier à l'aide de l'électrode de contact 22.On établit un contact analogue avec le bout opposé de l'élément 11 sur une surface sensible de celui-ci à l'aide de l'électro- de de contact 23.Ces électrodes de contact constituent le contact de faible résistance thermique et électrique et ils sont chimiquement stables par rapport à l'élément 11.
Comme on le sait, le fer convient particulièrement comme matière d'électrodes de contact avec des compositions en plomb-tellure- sélénium du fait qu'il ne s'allie pas ou ne se dissout pas dans ces élé- ments à des'températures inférieures à 700 , ce qui est bien au-dessus de la limite supérieure ordinaire des températures de fonctionnement pour des éléments en plomb-tellure-sélénium.Pour un élément semi-métallique en l'une des compositions ci-dessus,y compris celles consistant en plomb et soufre, des 'électrodes de contact en carbone,présentant un contact du type à pres- sion avec l'élément donnent satisfaction.
Les électrodes de contact 22 et 23 peuvent être du type à pression ou du type à liaison. Dans ce dernier cas,l'interface entre l'élément et 1' électrode doivent avoir une résistance mécanique au Brins comparable àcelle De1' alliage dont l'élément 11est fait.Plus particulièrement,les électrodes de contact 22 et 23 peuvent être assemblées à l'élément 11 soit par "coulée
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directe", soit par "fusion, procédés qui seront décrits plus en détail ci- dessous.Les électrodes de contact,étant chimiquement stables par rapport à l'élément 1'!,permettent de brancher cet élément dans son circuit électri- que, tout en isolant en même temps chimiquement cet élément des autres 5 conducteurs constituant ce circuit.
Si l'on utilise le procédé par "coulée directe", le fer de 1' électrode est de préférence stabilisé en phase alpha par l'addition d'un ou de plusieurs stabilisants connus de la phase alpha, afin d'éviter le cisaillement de la liaison solide établie entre l'élément et l'électrode pendant le refroidissement.Un stabilisant préféré dans ce but est le mo- lybdène en quantité de 2,70 à 7% en poids du fer.Si l'on utilise le pro- oédé par "fusion" de contact de l'élément 11,on peut stabiliser le fer de l'électrode en phase gamma ou alpha ou ne pas le stabiliser.Que l'on uti- lise l'un ou l'autre procédé, il est cependant .important que le fer ne se diffuse pas dans l'élément actif 11 pendant l'opération de mise en contact en quantité dépassant 0, 5% en poids de l'élément,
afin que la puissance 'thermoélectrique et la résistance électrique de l'élément 11ne soient pas réduites de plus de 10 %.
Dans le procédé par "coulée directe", une des électrodes de con- tact est mise à un bout de la cavité d'un moule,de préférence en graphite et on place dans le mouler contre le fer de l'électrode, la composition ou alli- age ci-dessus mentionné choisi sous forme granulaire ou en morceaux.On chauffe alors le moule,de préférence en atmosphère réductrice,au point de fusion de l'alliage, c'est-à-dire à une température de 920 à 1100 ,pendant un temps suffisant pour former un alliage limite entre le fer de l'électrode et l'alliage semi-métallique.On refroidit alors le moule,ce qui solidifie l'alliage semi-métallique fondu sous la forme d'un lingot au bout duquel le fer de l'électrode est solidement assemblé.
On peut alors assembler l'autre bout du lingot à l'autre électro- de de contact par le procédé par "fusion". Dans ce procédé,le bout du lin- got à mettre en contact est serré qontre la surface de la deuxième élec- trode que l'on chauffe alors,de préférence par induction,jusqu'à ce qu'une couche très mince du lingot fonde et s'unisse à la surface de l'électrode.
En chauffant le fer de l'électrode de contact à une température de 730 à 905 ,le fer peut pénétrer dans l'élément semi-métallique pour former avec lui une couche mince d'un alliage à point de fusion inférieur à la tempé- rature de changement de phase du fer.Du fait de cette section mince,la couche fondue se rapproche rapidement des compositions qui se solidifient à des températures inférieures aux températures de changement de phase du fer pour former la liaison.En conséquence,le temps de chauffage n'est que de quelques secondes,après quoi on laisse l'ensemble se refroidir.Comme on l'a dit plus haut, dans ce procédé le fer de l'électrode de contact n'a pas besoin d'être stabilisé sous la forme alpha ; peut ne pas être sta- bilisé ou même être stabilisé sous la forme gamma.
L'ensemble constitué par l'élément 11 avec les électrodes de con- tact 22 et 23 fixées sur lui est, de préférence, réchauffé à 540 - 680 pen- dant 10 à 20 heures en atmosphère inerte ou réductrice pour rendre la com- position plus homogène.
Pour monter le générateur représenté sur la fig.1 après l'opéra- tion de réchauffage ci-dessus,on fixe la pièce de liaison 25 sur la pointe
24 de l'électrode de contact 23,par exemple par soudure à l'argent,après quoi on fixe les extrémités recourbées des bandes métalliques élastiques
12 sur l'électrode 22,par exemple par brasure ou soudure à l'argent.L'en- semble comportant l'élément'11 avec les électrodes de contact 22 et 23 et
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les bandes 12 fixées sur eux est alors introduit dans l'extrémité ouverte de là gaine en acier inoxydable 13'.On enfile alors le tube 16, sur lequel on a préalablement fixé la coiffe 17,
sur l'extrémité du câble 18 à fixer sur le générateur 10 et on fixe la pièce de liaison 25 sur le conducteur in- térieur 20 de ce câble,par exemple par soudure à l'argent.On fixe alors les bouts en saillie des bandes 12,par exemple par soudure à l'argent,sur la surface extérieure du conducteur extérieur 19.On rapproche alors le tube 16 et la coiffe 17 de la gaine 13 pour les amener dans la position de la fig.1, dans laquelle l'extrémité extérieure du tube 16 est enfilée sur l'extrémité ouverte de la gaine 13,après quoi on assemble par brasure ou soudure à l'argent la gaine et le tube et on fixe de même la coiffe 17 sur le conducteur extérieur 19 pour compléter l'ensemble.
Le câble coaxial 18 permet de. brancher le générateur thermoélec- trique 10 dans un circuit extérieur.Le bout du câble 18 opposé au généra- teur 10 porte un écrou de liaison 26 et le conducteur tubulaire extérieur 19 est évasé extérieurement en 27 pour être pris par le bout de cet écrou.
Le conducteur intérieur 20 est relié,avec une faible résistance électrique à la borne 28 et une pièce d'espacement annulaire,relativement rigide,29, entoure ce conducteur: 20 et est interposée entre la borne 28 et la bride 17 pour les isoler l'un de l'autre tout en maintenant entre eux un minimum déterminé d'espacement.Cette pièce d'espacement est de préférence en verre, mélamine ou autre matière appropriée.
L'isolement 30 entre les deux conducteurs 20 et 19 se termine un peu avant la bride 27 en 31.Autour du conducteur 20, à l'intérieur du con- ducteur extérieur 19 et entre la rondelle isolante 29 et le bout 31 de l'iso- lement 30,se trouve une garniture isolante 32 en une matière souple,par exem- ple en caoutchouc ou silicone, qui est directement au contact des deux con- ducteurs.Avant de brancher le câble 18 sur le générateur 10 et après que la borne 28 a été fixée sur le bout du conducteur 20 et que la garniture 32 et la pièce d'espacement 29 ont été placées sur ce conducteur;
on tire sur ce dernier pour amener la pièce 29 et la borne 34 vers la bride 27 et pousser ainsi la garniture souple 32 dans l'extrémité voisine du conducteur extéri- eur 19, et la mettant ainsi en prise hermétique contre les deux conducteurs.
Pendant que le conducteur intérieur est ainsi sous tension,le conducteur extérieur est serti en 9 de manière à bloquer à friction le conducteur in- térieur 20 par l'intermédiaire de l'isolement 30.Cette mise en prise par serrage maintient continuellement sous tension la partie du conducteur 20 comprise entre le sertissage 9 et la borne 34, de sorte que la garniture 32 est constamment comprimée par la pièce 29 et que le joint hermétique ci- dessus est continuellement maintenu entre les conducteurs 19 et 20.
Du fait du joint 32 et des liaisons ci-dessus décrites entre le câble 18 et la coiffe 17,entre le tube 16 et cette coiffe et entre ce tube et la gaine 13,on a une enveloppe fermée hermétiquement dans laquelle se trouvent les éléments 11 et 12 du générateur thermoélectrique et comportant le conducteur tubulaire 19)la. coiffe 17,le tube 16 et la gaine 13.Cette enveloppe contient de préférence une atmosphère inerte destinée à empêcher l'oxydation de l'élément 11.
Du fait que le conducteur extérieur 19 fait partie de l'enveloppe hermétiquement fermée, le joint 32 est de manière commode placé loin du couple 10 et de la chaleur que supporte ce couple.Par suite ,ce joint n'a pas besoin d'être tel qu'il puisse résister à une température élevée.On branche le câble 18 sur un circuit en vissant l'écrou de liaison 26 dans une douille 33 présentant une borne 34 montée,avec isolement,dans cette douille et venant toucher la borne 28 de manière bien connue dans la partie.En ser- rant l'écrou 26 dans la douille 33,on comprime la garniture du joint 32
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dans le tube19, entre l'isolant 30 et la rondelle 29,ce qui met cette gar- niture intime avec toutes surfaces environnantes et assure un Joint herméti- que entre les conducteurs 19 et 20.Bien que le câble coaxial 18 et son joint soient représentés:
en détail dans lé cas de la forme de réalisation de l'invention représentée sur la fig.1, il est bien entendu qu'il est possi- ble,selon l'invention,d'utiliser ce câble avec les différentes variantes de l'invention représentées et décrites ci-desspus.
Dans la forme de réalisation des figs.1 et 2, les bandes élasti- ques 12 fonctionnent non seulement comme un'des éléments de thermocouple du générateur 10,mais encore elles constituent une monture déformable,de préférence élastique et résistant aux chocs pour l'élément 11 qui est fragile.Les bandes 12 sont en prise sur l'élément semi-métallique 11 sur tou- te sa longueur et forment coussin sur lequel flotte cet élément,de sorte que lorsque le thermocouple est soumis à une accélération ou un choc agissant tranversalement à sa longueur,il ne se produit pas de forces de flexion ou de tension dans l'élément 11, car l'énergie cinétique de celui-ci se dissipe dans ce coussin sans qu'il y ait choc de cet élément sur la gaine 13.On empê- che ainsi l'élément 11 de se briser.
Selon l'invention,on utilise pour les bandes 12 un métal que le choc ci-dessus ne soumet pas à des efforts dépassant sa limite élastique ainsi qu'un métal qui peut être mis par ce choc sous tension et qui dissipe l'énergie cinétique de l'élément, en travaillant le métal à froid,c'est-à- dire en le déformant au delà de sa limite élastique, en amenant ainsi le métal à se déformer de manière permanente.On peut utiliser ce dernier type de bande lorsqu'il n'y a pas de risques qu'il se produise des chocs violents ou répétés.Comme exemples de ce dernier type,on a le fer et le cuivre douxo
On remarquera que lorsque l'on chauffe le bout 15 de la gaine 13, l'élément 11 est libre de se dilater et le conducteur flexible 15 assure la continuité du circuit électrique entre l'électrode 23 et le conducteur 20,
tout en permettant en même temps d'isoler cette électrode et l'élément 11 des forces extérieures susceptibles d'être appliquées sur le câble 18.
Etant donné que,comme cela est bien connu dans la partie,les résistances électriques et thermique d'un générateur thermoélectrique dé- pendent de sa forme ainsi que des conductibilités thermique et électrique des éléments 11 et 12,il est possible d'avoir antre les dimensions des éléments une relation assurant le maximum de conversion de chaleur dans un montage de ce genre.Dans les formes de réalisation décrites!, la conducti- bilité thermique de l'élément ff est faible par comparaison avec celles de l'élément 12 et de la gaine 13 (par exemple 0,02 w/cm# au lieu de 0,261 w/cm/o).
Pour des éléments de conductibilités thermique et électrique données,le rendement de la conversion dépend beaucoup du rapport de l'é- paisseur de la gaine 13 au rayon de l'élément 11 'ou, plus spécialement,de la surface en section transversale des deux éléments.Dans les formes de réalisation représentées,ce rapport du rayon de l'élément 11 à l'épaisseur de la gaine 13 est de préférence d'environ 6 à 1 ou plus.
Evidemment,le rendement de la conversion du thermocouple dépend aussi de la différence ettre les températures des jonctions chaude et froi- de.Pour des thermocouples utilisant un élément intérieur semi-métallique à faible conductibilité thermique,on peut obtenir des différences de tempé- ratures élevées en choississant pour l'élément semi-métallique un rapport de la longueur au diamètre qui,dans les exemples représentés ici, est d'environ 4 à 1, tel que le transfert de chaleur par radiation de la surface de l'élé- ment intérieur à la gaine établisse des gradients de température sensibles
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dans l'élément intérieur,en particulier près de la jonction chaude.Dans ce cas,
le flux de chaleur pénétrant dans l'élément intérieur par la jonction chaude s'évacue vers le boîtier sur toute la surface de l'élément intéri- eur, en permettant à l'extrémité froide de l'élément semi-métallique,ou jonction froide intérieure,de prendre une température qui n'est que fai- blement supérieure à celle de la jonction froide extérieure.Une autre con- séquence de ce refroidissement par radiation est la moindre résistance électrique de l'élément intérieur semi-métallique dont la résistance à un coefficient de température positif.
La radiation assurant l'évacuation de la chaleur transmise dans la jonction chaude s'effectue entre l'élément 11,son électrode de jonction froide 23 et les parois métalliques de la gaine 13 et du tube 16 la prolon- geant.Etant donné que dans ces conditions la température de Injonction froide dépend de la température de ses alentours, il convient par suite de maintenir faible la température ambiante.Le prolongement de la gaine jusqu'à une zone plus froide,par exemple au moyen du tube 16,assure une chute de chaleur qui aide à refroidir le boîtier autour des jonctions froides.De plus, de la chaleur peut être évacuée de la jonction froide à l'endroit de la jonction des éléments 12 avec le conducteur extérieur 19, par conduction dans ce conducteur,la coiffe 17,le tube 16 et une console 52 serrée autour du tube 16,
cette console étant fixée sur un support (non représenté) à plus basse température.Bien que la console 52 ne soit repré- sentée que dans la forme de réalisation de la fig.1, il est possible de l'utiliser dans chacun des variantes que l'on va maintenant décrire.La ra- diation de la gaine 13 vers les alentours aide aussi à dissiper la chaleur passant à travers cette gaine et les éléments 12.
La fig.3 représente une variante du générateur thermoélectrique selon l'invention.Elle comporte une monture résistant au choc pour un élément 11 fragile, qui peut être semi-métallique.Sur la fig.3,les élé- ments portant des numéros de référence avec le suffixe "a" correspondent aux éléments analogues de la fig.1 portant ces mêmes numéros sans le suffixe.
Dans la forme de l'invention représentée sur la fig.3, les bandes élasti- ques 12a se terminent à une petite distance de l'extrémité voisine du câble coaxial 18a et elles servent surtout d'amortisseurs pour l'élément 11a, comme le font les bandes 12 pour l'élément 11 de la fig.1.Le bout 15a de la gaine 13a est alésé en 35a et un conducteur métallique flexible 36 est fixé à un bout sur l'électrode de contact 22a et à l'autre bout,opposé à la pointe 15a, sur la base de l'alésage 35a,les deux liaisons étant de préférence fai- tes par soudure ou brasure à l'argent, la chaleur étant fournie à cet effet par induction.Sur la fig.3,la gaine 13a en acier inoxydable constitue un élément du thermocouple'et l'élément 11a constitue l'autre élément,
la gaine 13a étant en circuit avec le conducteur extérieur 19 par le tube 16a et la coiffe 17a.La nature souple de la pièce de liaison 36 lui permet d'assurer une liaison électrique continue entre l'électrode 22a et laigaine 13a sans gêner le déplacement latéral amorti de l'élément 11¯a sous une accélération ou un choc transversal.
Dans la forme de réalisation de l'invention représentée sur la fig.4, les bandes métalliques et élastiques 12b sont fixées matériellement et électriquement sur l'électrode de contact 22b à un bout et les extré- mités opposées de ces bandes sont recourbées en sens inverse et sont inter- calées entre le manchon 16b et la gaine 13b., cette gaine, ces bandes et ce tube étant tous réunis électriquement et hermétiquement,par exemple par sou- dure ou brasure à l'argent.Le manchon 16b comporte une bride annulaire 37 dirigée vers l'intérieur,
faisant corps avec lui et contre un côté de la- quelle se trouve une rondelle isolante 38.L'électrode 23b présente un épau- lement 40 et la pointe de liaison 24b de cette électrode est emmanchée
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étroitement dans l'ouverture de la rondelle 38.Un ressort 39 travaillant à la compression,consistant en une rondelle élastique concavo-convexe avec ouverture centrale,entoure la pointe 24b et porte contre la rondelle iso- lante 38, ce ressort exercant des forces de compression sur l'élément 11b par l'intermédiaire de l'électrode de contact 23b.
Sur la fig.4,les bandes métalliques 12b jouent deux rôles;elles amortissent l'élément 11b et elles servent comme deuxième élément du thermocouple,ces bandes étant branchées en circuit avec le conducteur extérieur du câble 18b par l'intermédiaire du tube 16b et de la coiffe 17b
Le maintien de l'électrode de contact 23b par la rondelle isolante 38 permet d'utiliser une pièce de liaison 25b plus robuste et/ou moins flexible.Les efforts de compression exercés sur l'élément 11b par le ressort 39 réduisent l'amplitude de la force de traction susceptible de se produire dans l'élément
11b du fait d'un déplacement latéral de l'extrémité avant pendant que le couple 10b est soumis à une accélération transversale ou un choc.L'élément
11b est libre de se dilater sous l'action de la chaleur en antagonisme à la
poussée du ressort 39,et cette poussée a une grandeur telle que les forces de compression agissant sur l'élément 11b restent constamment dans la limite de sa résistance à la compression.Les bandes métalliques 12b amortissent l'extrémité avant de l'élément 11b pendant une accélération transversale et elles empêchent cet élément de venir frapper contre la gaine
13b.
La forme de réalisation de l'invention représentée sur la figo5 est sensiblement identique à celle de la fig.3, sauf que les bandes métalli- ques 12a de la fig. 3 sont remplacées sur la fig.5 par une douille tubulaire 41 en une matière résistant à la chaleur,isolant et servant d'amortissement par exemple, de la fibre de verre.
Une partie de la surface de l'élément 11c est découverte dans son enceinte constituée par la gaine 13c et le tube 16c le prolongeant,de manière à permettre un transfert direct de chaleur par radiation vers les jonctions thermiques ou en provenance de celles-ci, à travers l'enceinte.En général,la dimension la plus fav iorable de la surface découverte des bouts de l'élément 11c est déterminée par le rapport de la surface de la section transversale à sa longueur.La douille 41 amortit 1' élément 11c de la même manière que le faisaient les bandes métalliques des figso 1à 4?la douille 41 sert d'isolant entre l'élément 11c et la gaine 13c.
Dans la forme de réalisation de l'invention représentée sur la fig.6, l'élément 11d comporte un support amortisseur constitué par une douille 41d analogue à la douille 41 de la figo5 et cet élément est en outre protégé contre une rupture en le soumettant à des efforts de compres- sion.Sur la fig.5, l'élément 11d et ses électrodes de contact 22d et 23d sont percés au centre et une tige métallique,constituant le deuxième élément du thermocouple,passe dans l'axe de ces trous,à distance de l'élément 11d et de son électrode de contact 23d.
L'élément 43 est fixé matériellement et électriquement sur l'électrode de contact 22d,par exemple par soudure ou brasure à l'argent.Sur un bout de la tige 43 et à distance de l'électrode 23d se trouve une butée 44 qui peut avoir la forme d'une rondelleoAutpur de la tige 43 et entre la butée 44 et l'électrode 23d. se trouvent une ron- delle isolante 38d touchant cette électrode et un ressort 39d travaillant à la compression et qui peut être une rondelle élastique concavo-convexe a- vec ouverture centrale.Le ressort 39d place la tige métallique 43 sous tension et exerce en même temps sur l'élément 11d une force de compression.
Un conducteur flexible 25d réunit l'électrode 23d au conducteur tubulaire extérieur du câble 18d et un conducteur souple 42 relie la tige 43 au con- ducteur intérieur du câble 18d. Comme on l'a dit,la douille 41d sert à
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l'amortissement en constituant un support flottant pour l'ensemble consti- tué par leséléments 11d et 43 et ce dispositif constitue en outre un axe neu- tre pour les efforts de compression et de tension dans l'élément tubulaire 11d, provenant des forces de flexion ou de cisaillement qui peuvent se produire pendant une accélération transversale ou un choc.La compression de l'élément 11d, effectuée par le ressort 39d, réduit les efforts de traction nets auxquels cet élément est soumis et par suite confère à cet élément une résistance sensible aux chocs,
en plus de celle qui est constituée par l'amortissement assuré par la douille 41!.Comme dans la variante de la fig.
4,les efforts de compression exercés sur l'élément 11d par le ressort 39d restent à tout instant dans les limites de la résistance à la compression de cet élément.
Dans la variante de l'invention représentée sur les figs.7 et 8, la résistance à la rupture de l'élément fragile est assurée à peu près entiè- rement par le fait que cet élément est soumis à des efforts de compression.
Sur la fig.7, le tube de prolongement 16a est allongé et il comporte un épaulement annulaire interne 37e. La gaine 13e en acier inoxydable comporte une pointe allongée 15a de diamètre réduit qui est alésée en 35a. L'élec- trode de contact 22e comporte une partie de pointe 46 qui pénètre dans l'alésage 35a et qui y est fixée,par exemple par soudure ou brasure à 1' argent.L'électrode 23e comporte un épaulement 40e et sur la partie de tige 24e de cette électrode est enfilée une rondelle isolante 38e venant porter contre l'épaulement 37e.
Entre la rondelle isolante 38e et l'épaule- ment 40e se trouve un ressort 39e travaillant à la compression, qui petut être un disque élastique concavo-convexe avec ouverture centrale,entourant également la tige 24e de l'électrode.Le ressort 39. exerce des efforts de compression sur l'élément 11e en réduisant sensiblement les efforts nets de traction auxquels cet élément est soumis lors d'une accélération transversa- le ou d'un choc,mais ces efforts ne sont pas élevés au point de dépasser la résistance à la compression de cet élément.
Un tube 45 en une matière isolante entoure de préférence la tige 24e de l'électrode et le conducteur flexible 25e assurant la liaison électri- que entre cette tige et le conducteur intérieur 20e du câble coaxial 18e.
Le bout du tube 16e opposé à la gaine 13e comporte une partie de diamètre intérieur réduit 47 s'adaptant étroitement sur le câble coaxial 18e,et le manchon comporte une partie 48 de diamètre intérieur plus grand servant à recevoir une certaine quantité d'une matière 49 de soudure ou de brasure à l'argent,fixant hermétiquement le câble 18e sur le manchon 16e. Sur la fig.7, la gaine 13e,en acier inoxydable,sert de deuxième élément du thermo- couple, comme les gaines des fige..3 et 5.
La variante de la fig.8, est sensiblement identique à celle de la fig.7, sauf que la liaison entre l'élément 11f et la gaine 13f en acier inoxydable ne se fait pas par l'intermédiaire d'une électrode à union.Comme on le voit sur la fig.8,la gaine 13f présente une paroi d'extrémité intérieu- re conique 50 et l'élément semi-métallique 11f présente une extrémité coni- que complémentaire 51 qui s'appuie contre la paroi 50.Sur la fig.8,la pous- sée du ressort de compression 39f sert non seulement à exercer sur l'élé- ment 11f une force de compression axiale,mais encore elle donne la pression nécessaire pour obtenir un contact satisfaisant entre l'élément 11f et la gaine 13f,
sur les surfaces 50 et 51.Le contact du type à pression n'est pas affecté par une déformation de l'élément 11f, par exemple une flexion sous l'action d'un choc transversal,lequel,avec un contact du type à union,impose des efforts de traction tendant à rompre l'union entre l'élé- ment et l'électrode qui lui est unie.La nature conique des surfaces 50 et 51 tend à maintenir l'élément 11f poussé centré dans la gaine 13f.Comme
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dans la figo7, le ressort exerce sur l'élément fragile un effort de compres- sion suffisant pour réduire sensiblement les efforts de traction nets sus- ceptibles de se produire dans cet élément sans dépasser la résistance de celui-ci à la compression,
en augmentant ainsi la grandeur de la déformation à laquelle cet élément peut résister sans se briser et en donnant au ther- mocouple 11f une résistance aux chocs sensible.
Bien que les éléments conducteurs de l'électricité en une matière fragile,pour lesquels un système de monture perfectionnée résistant aux chocs a été réalisé peuvent prendre la forme d'éléments de thermocouple semi-métalliques,il est bien entendu que les exemples spécifiques donnés ne l'ont été qu'à titre explicatif et non limitatif.