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CA 02506788 2005-05-20
WO 2004/049515 PCT/FR2003/003440
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Dispositif de contact pour améliorer
la durée de vie des connexions électriques
Domaine technique
La présente invention concerne les dispositifs
d'amélioration et d'augmentation de la conductance des
connexions électriques et concerne en particulier un
dispositif de contact pour améliorer la durée de vie des
connexions électriques.
Etat de la technique
Dans le domaine de l'électrotechnique de puissance,
les connexions électriques des cuves d'électrolyse ou des
fours d'aciérie sont soumises à des courants de haute
intensité (I > 1000 A) et à des températures élevées. Il en
résulte des pertes électriques importantes pouvant
atteindre plusieurs KW par connexion et la perte de
rendement qui en découle est un problème majeur. La
dégradation de ces connexions est irréversible. En effet,
la dégradation des surfaces en contact induit des
variations de la densité du courant à travers cette
surface. Il s'ensuit des pertes électriques par effet Joule
et par la même une augmentation des températures ce qui
accélère la dégradation des connexions mais également des
conducteurs et peut même entraîner leur fusion.
La maintenance des connexions nécessite de les
démonter afin de pratiquer un re-surfaçage des zones en
contact. Les outils employés pour ces re-surfaçages sont en
général des disqueuses rotatives. Elles dégradent la
planéité totale des surfaces en contact ce qui a pour
conséquence de limiter les zones et les points de contact.
Les zones de contact étant réduites, les connexions
subissent alors des contraintes électriques concentrées sur
ces zones et leur dégradation est encore plus rapide.
Pour retrouver les surfaces de contact des connexions
d'origine, le démontage total des connexions est nécessaire
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afin de ré-usiner sur machine les surfaces de contact. Mais
cette opération est lourde et coûteuse.
Exposé de l'invention
C'est pourquoi une première caractéristique de
l'invention est de fournir un dispositif de contact pour
connexions électriques afin d'améliorer la conductance
électrique de ces connexions et de ralentir la dégradation des
surfaces en contact.
Une autre caractéristique de l'invention est de
fournir un dispositif de contact pour améliorer les connexions
électriques afin d'augmenter les performances électriques de
ces connexions lorsqu'elles sont dans un état de dégradation
avancée.
Une troisième caractéristique de l'invention est de
fournir un dispositif de contact pour améliorer les connexions
électriques soumises à des courants de haute intensité
supérieur à 1000 A, afin d'augmenter les performances
électriques de ces connexions.
Selon un aspect, l'invention vise un dispositif de
contact comprenant un élément conducteur adapté pour être
intercalé entre deux surfaces de contact de deux conducteurs
d'une connexion électrique, l'élément conducteur intercalaire
étant constitué de mousse de métal de porosité et de
déformabilité élevées afin de réduire la résistance électrique
de la connexion électrique, où l'élément conducteur
intercalaire est en mousse d'argent dans laquelle circule un
courant d'une intensité supérieure à 1000 A et où l'élément
conducteur intercalaire comprend au moins un joint d'étanchéité
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périphérique créant une barrière étanche aux agents extérieurs
dégradants à la périphérie de l'élément conducteur
intercalaire.
Description brève des figures
Les buts, objets et caractéristiques de l'invention
apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui
suit faite en références aux dessins dans lesquels :
La figure la représente de façon microscopique une
coupe transversale de la mousse de cuivre,
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La figure lb représente une plaque de la mousse de
cuivre selon un mode de réalisation de l'invention,
La figure 2a représente une coupe de la connexion
électrique selon l'invention avant le serrage,
La figure 2b représente une coupe de la connexion
électrique selon l'invention.
Description détaillée de l'invention
En référence à la figure 1, l'élément conducteur
intercalaire utilisé dans le dispositif selon l'invention
est une mousse métallique 10 fabriquée de préférence selon
la méthode décrite dans la demande de brevet WO 02/059396,
étant entendu que le dispositif selon 'l'invention ne se
limite pas aux mousses métalliques obtenues par le procédé
décrit dans ce document. La mousse métallique est
préférentiellement une mousse de cuivre. Sa structure est
alvéolaire et ses propriétés physiques sont principalement
une porosité et une déformabilité élevées et une faible
densité de l'ordre de 400g/m2. En comparaison la densité
d'une feuille de cuivre de même épaisseur est de l'ordre de
15kg/m2 .
Selon la figure la qui illustre de façon
microscopique, schématique et non limitative une coupe
d'une plaque de mousse de cuivre 10 selon l'invention, la
structure alvéolaire de la mousse de cuivre est telle
qu'elle est constituée en majeure partie de vide. De ce
fait, sa surface comporte une multitude de pointes de
contact 11 de l'ordre du micron dont le nombre atteint 30
pointes par mm2. L'épaisseur de la mousse de cuivre est de
l'ordre de 2 mm.
Selon un des modes de réalisation de l'invention,
cette mousse de cuivre constituant l'élément conducteur
intercalaire selon l'invention est découpée à la taille de
la surface de contact de la connexion électrique décrite
dans la figure 2 et comporte une ouverture 18 pour le
passage du boulon de serrage. La mousse de cuivre ainsi
découpée comporte deux joints périphériques d'étanchéité 14
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et 16. Les joints périphériques d'étanchéité 14 et 16
peuvent être réalisés de différentes façons. Ils peuvent
être imprégnés dans la mousse ou bien réalisés par la
dépose d'un produit d'étanchéité de type élastomère sur la
périphérie. Mais il est également possible de réaliser des
joints en repliant les bords de la plaque de mousse au
moins une fois sur elle-même ou bien en roulant les bords
de la plaque de mousse.
Les figures 2a et 2b représentent une connexion
électrique selon l'invention. Selon la figure 2a, les
conducteurs 21 et 23 sont situés de part et d'autre de la
mousse de cuivre 10 de façon à ce que leurs surfaces 22 et
24 entrent en contact avec la mousse de cuivre. Ainsi, la
mousse de cuivre constitue un élément intercalaire entre
les deux conducteurs de la connexion électrique. Selon la
figure 2b, la connexion électrique entre les conducteurs 21
et 23 est réalisée par contact serré grâce à un moyen de
serrage tel qu'un boulon de serrage 25 traversant les deux
conducteurs par un orifice prévu à cet effet et à travers
l'ouverture 18 de la mousse de cuivre 10.
Le dispositif selon l'invention peut être utilisé
pour un contact d'une connexion électrique neuve. Dans ce
cas, il améliore 'l'homogénéité du passage du courant à
travers la surface en contact. En effet, dans une connexion
électrique représentée par exemple par les deux conducteurs
21 et 23 en contact l'un avec l'autre, le contact est
d'autant plus important qu'il se situe à proximité du moyen
de serrage ou boulon de serrage 25. Par conséquent, la
résistance et donc les pertes électriques de la connexion
électrique constituée des conducteurs 21 et 23 en contact
est minimale près du moyen de serrage 25 et augmente plus
on s'en éloigne. Cette répartition inhomogène du courant
favorise une zone de concentration de courant plus élevé et
donc une zone davantage sollicitée et donc dégradée plus
rapidement. L'apport de l'élément conducteur intercalaire
constitué de mousse de cuivre augmente les points de
contacts entre les deux conducteurs 21 et 23 et permet donc
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une répartition homogène du courant sur toute la surface de
contact. Grâce à cette répartition homogène, il n'existe
pas de zones de concentration de courant donc pas de zones
davantage sollicitées et propices à une dégradation plus
5 rapide.
Le dispositif selon l'invention peut également être
avantageusement utilisé pour un contact d'une connexion
électrique dégradée ou déformée. Dans le domaine des cuves
d'électrolyse et des fours d'aciérie, les conducteurs et
les connexions électriques sont soumis à des courants de
haute intensité et à des températures élevées. L'usure des
connexions se concrétise principalement par une déformation
des surfaces de contact des connexions électriques. Il en
résulte des pertes électriques importantes pouvant
atteindre plusieurs KW par connexion et des variations du
passage de courant à travers ces surfaces en contact. Le
ré-usinage des surfaces de contact déformées n'est plus
nécessaire grâce à l'apport de mousse de cuivre. On obtient
ainsi une amélioration importante des connexions
électriques présentant des surfaces de contact 22 et 24
dégradées et déformées, même lorsqu'il s'agit de
déformations de l'ordre du millimètre. En effet, la
déformabilité de la mousse de cuivre permet à l'ensemble de
la mousse 10 d'épouser les contours dégradés des surfaces
en contact 22 et 24, tel qu'il est décrit sur
l'agrandissement de la figure 2b et ainsi d'augmenter la
surface de contact et de répartir la pression exercée grâce
au moyen de serrage 25. De plus, les pointes 11 situées à
la surface de la mousse de cuivre multiplient les points de
contacts. Il en résulte une amélioration des conditions de
passage du courant par diminution des pertes électriques.
En outre, les pointes 11 situées à la surface de la mousse
de cuivre percent également les couches d'oxyde qui
apparaissent à la surface des métaux et donc des
conducteurs 21 et 23, tels que l'oxyde de cuivre ou
l'alumine pour l'aluminium. Ces couches ont un effet
isolant et agissent comme des résistances et induisent donc
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des pertes électriques. De ce fait, le dispositif selon
l'invention permet d'améliorer la conductance électrique
d'une connexion usagée et cela même sans la nettoyer au
préalable.
Le joint d'étanchéité périphérique 14 et 16 permet de
réduire la pénétration d'agents extérieurs dégradants dans
la connexion en créant une barrière étanche à la périphérie
de la connexion. En effet, et en particulier dans le cas
des cuves d'électrolyse chlore-soude, les agents dégradants
sont généralement des liquides tels que de la soude ou de
l'eau de lavage ou bien tout autre produit polluant
transporté par l'eau.
La mousse de cuivre peut être améliorée par la dépose
d'un produit améliorant le transfert thermique et la
conductivité électrique. Ainsi, l'utilisation d'une mousse
de cuivre argenté comme élément conducteur intercalaire
améliore l'efficacité du dispositif selon l'invention. En
effet, la chute de potentiel d'une connexion de 1 dm2 formée
de deux conducteurs en cuivre est de l'ordre de 50 mV pour
un courant d'une intensité de 5000 A. Avec une mousse de
cuivre, la chute de potentiel diminue à 26 mV et avec une
mousse de cuivre argentée, la chute de potentiel n'est plus
que 5 mV pour des conditions de température et de pression
identiques dans les trois cas. L'argent est déposé sur la
mousse de cuivre par un procédé électrochimique classique
ou sous vide.
L'utilisation d'un élément conducteur intercalaire
composé d'une mousse d'argent est également possible sans
sortir du cadre de l'invention.
Le dispositif selon l'invention est d'autant plus
avantageux, qu'il voit son efficacité augmenter avec la
température. En effet, la chute de potentiel d'une
connexion de 1 dm2 utilisant le dispositif selon l'invention
avec une mousse de cuivre argentée est de l'ordre de
quelques mV pour un courant d'une intensité de 5000 A et à
la température de 300 C. Cette particularité est due au
fait que les pointes 11 de la mousse métallique (de cuivre,
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de cuivre argenté ou d'argent) se soudent sous l'effet de
la température aux conducteurs 21 et 23 avec lesquels elles
sont en contact.
Bien que la mousse de métal soit utilisée de
préférence pour la mise en oeuvre de l'invention, tout autre
mousse conductrice composée d'un ou plusieurs matériaux
pourrait être utilisée.
Le dispositif selon l'invention présente de nombreux
autres avantages. Sa mise en oeuvre est rapide, facile et
propre. Il est particulièrement avantageux pour améliorer
la conductance des connexions électriques cuivre/cuivre
mais également des connexions entre deux conducteurs
électriques différents tels que les couples
aluminium/cuivre ou acier/aluminium ou acier/cuivre.
Par la diminution des pertes électriques qu'il
induit, le dispositif selon la présente invention, permet
de ralentir la dégradation de l'état de surface des
connexions électriques soumises à des courants de haute
intensité.
Les intérêts économiques de ce dispositif sont la
réduction des coûts dus à la diminution des pertes
électriques et dus à la réduction de la maintenance et de
L'entretien. De plus, ces intérêts s'inscrivent dans une
politique d'économie d'énergie dictée par des normes
environnementales.
L'utilisation de la mousse de cuivre selon
l'invention est envisageable également pour améliorer la
conductance thermique de contact et éviter ainsi des pertes
thermiques dus au passage de la chaleur d'un matériau à un
autre.
En outre, d'autres applications sont envisageables et
généralisables aux connexions électriques et au transfert
thermique des composants électriques tels que diodes,
thyristors, etc.... De même pour améliorer le sertissage des
cosses sur les conducteurs aluminium dans le domaine de
l'automobile. Par conséquent, l'utilisation de l'invention
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peut être généralisée aux connexions électriques de faible
intensité.
Des essais ont été effectués afin de mettre en
évidence les performances de la mousse métallique selon
l'invention baptisée mousse conductrice écocontact. Les
essais ont été effectués sur une connexion de 100
mm par 100 mm dégradée c'est à dire dont les surfaces de
contact ne sont pas parfaitement planes. Quatre types de
connexion ont été utilisés avec du cuivre, de l'aluminium,
et de l'accier pour un courant allant de 1000 à 10000 A.
Les résultats rapportés sur le tableau ci-après montrent
que la chute de tension mesurée à la connexion est
améliorée , grâce à la mousse conductrice écocontact de 82
à 91
Tableau comparatif des chutes de tension entre une connexion nue 100 nm x 100
mn
dégradée et la mê ne connexion équipée de mousse conductrice EcoconbctD
Chutes de tension indiquées en mV (nili Vdts)
Intensité
1000A 2000A 5000A 10000 A
Connexion nue 20 80 145 280
Cuivre / Cuivre
Avec mousse conductrice 5 10 26 55
Eoocontacty
Connexion nue 13 25 54 115
Cuivre / AJuninium
Avec mousse conductrice 1.3 25 47 11
Emmitady
Connexiatnue 47 100 210 405
W ivre / Acier
Avec rrcusse conductrice 11 23 58 118
Y
Ccnriejcn nue 26 54 145 310
AJuninium / AJuninium
Avec mousse conductrice 7 14 37 80
Eooca-itack ,
