Устройство электрического соединения улучшенной проводимости

Изобретение относится к устройству электрического соединения, содержащему два проводника (12) и (14), по меньшей мере, один из которых выполнен из алюминия. Каждый из проводников имеет контактную поверхность. Между контактными поверхностями проводников располагается промежуточный проводящий элемент, который содержит каркас из губчатого металла с открытыми порами, выбираемого из группы металлов, в которую входят железо, кобальт, никель и их сплавы. На каркас непосредственно нанесено, по меньшей мере, одно покрытие из меди, олова, индия или одного из их сплавов. Технический результат - улучшение электрической проводимости соединения и замедление деградации контактирующих поверхностей проводников. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к улучшению проводимости электрических соединений. В частности, оно относится к устройству электрического соединения между двумя металлическими проводниками.

Во всех областях, где используют металлические электрические соединения и, в частности, в области силовой электротехники, электрические соединения, в которых два металла находятся во взаимном контакте, со временем деградируют. В результате происходят большие электрические потери. Основной вытекающей из этого проблемой является снижение эффективности. Деградация этих соединений является необратимой. Действительно, деградация контактирующих поверхностей приводит к изменениям плотности тока, проходящего через эту поверхность. В результате появляются электрические потери по причине эффекта Джоуля и, следовательно, повышение температуры, что ускоряет деградацию соединений, а также проводников и даже может привести к их расплавлению.

Обслуживание соединений предполагает их демонтаж, чтобы произвести поверхностную обработку контактных зон. Как правило, для поверхностной обработки используют вращающиеся дисковые инструменты. Они нарушают общую плоскостность контактирующих поверхностей, следствием чего становится уменьшение контактных зон и точек на поверхности. Поскольку контактные зоны уменьшаются, на соединения действуют электрические напряжения, сконцентрированные в этих зонах, отчего их деградация происходит еще быстрее.

В документе FR 2847391 описано контактное устройство, содержащее проводящий элемент из губчатого серебра, расположенный между двумя контактными поверхностями двух проводников электрического соединения. Однако губчатое серебро является очень дорогим материалом.

Кроме того, в основном, из соображений стоимости во всех соединениях медные проводники заменены проводниками из алюминия, который имеет электрическую проводимость, очень близкую к электрической проводимости меди, будучи при этом гораздо менее дорогим. Основным недостатком алюминия является образование слоя оксида алюминия, который создает проблему установления связи между этими соединениями.

Одна из задач изобретения состоит в создании устройства электрического соединения, позволяющего улучшить электрическую проводимость соединения и замедлить деградацию контактирующих поверхностей.

Таким образом, первым объектом изобретения является устройство электрического соединения, содержащее два проводника, каждый из которых имеет контактную поверхность, и промежуточный проводящий элемент, расположенный между контактными поверхностями проводников. Промежуточный проводящий элемент содержит каркас из губчатого металла с открытыми порами, выбираемого из группы, в которую входят железо, кобальт, никель и их сплавы, на который непосредственно наносят, по меньшей мере, одно покрытие из меди, олова, индия или одного из их сплавов.

В вариантах осуществления покрытие является медным покрытием, на которое опять же наносят покрытие из олова, индия или одного из их сплавов.

Вторым объектом изобретения является устройство электрического соединения, содержащее два проводника, каждый из которых имеет контактную поверхность, и промежуточный проводящий элемент, расположенный между контактными поверхностями указанных проводников, при этом промежуточный проводящий элемент содержит каркас из губчатого металла с открытыми порами, в котором губчатый металл, образующий каркас промежуточного проводящего элемента, пропитан смазкой.

Третьим объектом изобретения является устройство электрического соединения, содержащее два проводника, каждый из которых имеет контактную поверхность, и промежуточный проводящий элемент, расположенный между контактными поверхностями указанных проводников, при этом промежуточный проводящий элемент содержит каркас из губчатого металла с открытыми порами, в котором губчатый металл каркаса промежуточного проводящего элемента образует уплотнительную прокладку на периферии контактных поверхностей.

Четвертым объектом изобретения является стяжная система, содержащая стяжное средство, выполненное с возможностью прижатия двух проводников вокруг промежуточного проводящего элемента, содержащего каркас из губчатого металла с открытыми порами, предназначенного для уменьшения электрического сопротивления соединения, при этом губчатый металл выбирают из группы, в которую входят железо, кобальт, никель и их сплавы, на который непосредственно наносят, по меньшей мере, одно покрытие из меди, олова, индия или одного из их сплавов.

Пятым объектом изобретения является электрический счетчик, который содержит устройство электрического соединения, являющееся одним из первых трех объектов настоящего изобретения, или стяжную систему, являющуюся четвертым объектом изобретения.

Шестым объектом изобретения является накладка обжимного наконечника, содержащая проводящий элемент, образованный каркасом из губчатого металла с открытыми порами, предназначенным для уменьшения электрического сопротивления соединения, при этом губчатый металл выбирают из группы, в которую входят железо, кобальт, никель и их сплавы, на который непосредственно наносят, по меньшей мере, одно покрытие из меди, олова, индия или одного из их сплавов.

Действительно, обжатие характеризуется теми же указанными ранее проблемами, что и другие соединения.

Седьмым объектом изобретения является способ электрического соединения двух проводников, каждый из которых имеет контактную поверхность, содержащий этап позиционирования указанных контактных поверхностей друг напротив друга и согласно изобретению включающий этап позиционирования между указанными контактными поверхностями промежуточного проводящего элемента, образованного каркасом из губчатого металла с открытыми порами, выбираемого из группы, в которую входят железо, кобальт, никель и их сплавы, на который непосредственно наносят, по меньшей мере, одно покрытие из меди, олова, индия или одного из их сплавов.

Другие задачи, объекты и отличительные признаки изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показано устройство электрического соединения согласно изобретению в его частном варианте осуществления, вид в разрезе;

на фиг.2 показан промежуточный проводящий элемент устройства, изображенного на фиг.1, содержащего периферическую уплотнительную прокладку;

на фиг.3A и 3B показан обжимной наконечник, являющийся шестым объектом настоящего изобретения в его частном варианте осуществления, перед обжатием, вид сверху и вид сбоку соответственно;

на фиг.4 показан обжимной наконечник, изображенный на фиг.3A и 3B, перед обжатием и закреплением на проводнике, вид сбоку.

Далее со ссылками на фиг.1 и 2 следует описание первого объекта настоящего изобретения. Устройство электрического соединения в соответствии с изобретением может быть устройством, показанным на фиг.1. Два проводника 12 и 14 разделены промежуточным проводящим элементом 10 из губчатого металла таким образом, чтобы их соответствующие поверхности входили в контакт с губчатым металлом. Электрическое соединение между проводниками 12 и 14 осуществляют за счет плотного контакта, обеспечиваемого стяжным средством, таким как стяжной болт 16, проходящий через оба проводника, а также через промежуточный проводящий элемент 10.

В вариантах осуществления, таких как показанный на фиг.1 и 2, по меньшей мере, один из проводников выполнен из алюминия. Однако данное изобретение не ограничивается этим случаем, и его можно применять для всех проводников, например, из меди.

Губчатый металл промежуточного элемента 10 является губкой с открытыми ячейками или порами, образованной каркасом из губчатого металла, выбранного из группы, в которую входят железо, кобальт, никель и их сплавы, на который непосредственно наносят, по меньшей мере, одно покрытие из меди, олова, индия или одного из их сплавов.

Губчатый каркас можно получить посредством электролиза. В этом случае пластину из пластического пеноматериала, такого как пенополиуретан, делают электропроводящей и используют в качестве катода в электролитической ванне, что позволяет покрыть слоем металла все поверхности ячеек или пор пеноматериала.

Второй способ получения пластины губчатого металла состоит в нанесении металла с применением технологии осаждения в вакууме.

Третий способ содержит первый этап активации пластического пеноматериала посредством химического осаждения металлического слоя небольшой толщины, за которым следует второй этап электролиза, в ходе которого посредством электролиза наносят слой из этого же металла соответствующей толщины.

После нанесения слоя металла полиуретан удаляют соответствующим способом, например, посредством сжигания в печи. Полиуретан сгорает и исчезает, оставляя после себя только каркас, состоящий исключительно из металла.

Полученная структура губки 10 является ячеистой, и ее основными свойствами являются высокая пористость и высокая деформируемость, что позволяет уменьшить электрическое сопротивление соединения, а также низкая плотность порядка 400 г/м. Следует отметить, что пористость характеризует отношение пустот к общему объему. Предпочтительно это отношение превышает 50% и еще предпочтительнее - 70%. Деформируемость характеризует отношение минимальной толщины губки под действием давления к толщине губки до приложения давления. Предпочтительно это отношение меньше 50% и еще предпочтительнее - меньше 10%.

В представленном варианте осуществления губка 10 в основном состоит из пустот по причине своей ячеистой структуры. Поэтому поверхность губки 10 содержит множество контактных выступов размером порядка микрона, число которых достигает 30 выступов на мм². Толщина губки 10 примерно составляет 2 мм. Благодаря этим выступам, промежуточный элемент 10 содержит множество контактов, имеет высокую проводимость и, следовательно, низкое сопротивление. Выбор железа, кобальта, никеля или одного из их сплавов, являющихся металлами, имеющими высокую твердость, позволяет получать твердые выступы, которые могут проникать в поверхность проводников под действием стягивания этих проводников.

Отличительным признаком изобретения является то, что на каркас из губчатого металла напрямую наносят покрытие из другого металла посредством электролиза или любого другого способа (напыление, погружение в ванну…) таким образом, чтобы вся поверхность ячеек была покрыта этим другим металлом. В отличие от металла, образующего каркас, металл покрытия предпочтительно является пластичным, что позволяет увеличить контактную поверхность каждого выступа из металла, образующего каркас, проникнуть в бороздки поверхности проводника и повысить электрохимическую совместимость между губчатым каркасом и металлом проводника, например алюминием или медью, с целью создания микросварки. Так, предпочтительно металлом наружного покрытия каркаса является олово, индий или один из их сплавов.

Следует отметить, что на первое покрытие может быть также нанесено другое покрытие из металла, отличного от металла первого покрытия, и так далее. Например, если первое покрытие выполнено из олова, второе покрытие может быть из индия, или если первое покрытие выполнено из меди, второе может быть из олова.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения промежуточный проводящий элемент 10 образован каркасом из губчатого никеля с нанесенным на него оловянным покрытием.

Как показано на фиг.2, предпочтительно промежуточный элемент 10 содержит периферическую уплотнительную прокладку 20. Эту периферическую уплотнительную прокладку 20 можно выполнить разными способами. Ее можно выполнить посредством пропитки губки или нанесения герметика типа эластомера на периферию. Прокладку 20 можно также выполнить, по меньшей мере, один раз согнув края губчатой пластины 10 или свернув края губчатой пластины 10. Под действием давления толщина губчатой пластины становится равномерной, а плотность, по меньшей мере, удваивается в зонах сгибания губки, за счет чего и получают вышеуказанную прокладку на периферии промежуточного проводящего элемента 10.

Периферическая уплотнительная прокладка 20 позволяет уменьшить проникновение агрессивных внешних веществ за счет создания герметичного барьера на периферии контакта. Действительно, например, в случае электролизеров агрессивными веществами в основном являются жидкости, такие как сода или промывочная вода, или любой другой загрязняющий продукт, переносимый водой.

Устройство в соответствии с изобретением можно использовать для нового электрического соединения. В этом случае оно улучшает равномерность прохождения тока через контактирующие поверхности. Действительно, в электрическом соединении контакт тем сильнее, чем ближе он находится к стяжному средству или болту 16. Следовательно, сопротивление и электрические потери электрического соединения, образованного входящими друг с другом в контакт проводниками 12 и 14, являются минимальными вблизи стяжного средства 16 и увеличиваются по мере удаления от него. Это неравномерное распределение тока способствует появлению зоны концентрации более сильного тока, то есть зоны, повергающейся более сильному воздействию и, следовательно, деградирующей быстрее. Добавление промежуточного проводящего элемента 10 из губчатого материала увеличивает число точек контакта между двумя проводниками 12 и 14 и обеспечивает равномерное распределение тока по всей контактной поверхности. Это равномерное распределение позволяет устранить зоны концентрации тока и, следовательно, зону, подверженную более значительным воздействиям и более быстрой деградации.

Устройство в соответствии с изобретением можно также использовать для контакта деградированного или деформированного электрического соединения. Так, в случае проводников из алюминия кислород воздуха способствует образованию слоя оксида алюминия, который повышает сопротивление соединения. Чтобы избежать образования слоя оксида алюминия, в известных решениях два проводника соединяли сваркой, применяя способ сварки взрывом. Однако эта технология является очень дорогой и сложной в применении. Применение губчатого промежуточного элемента 10 после удаления оксида алюминия или без такого удаления является быстрым и недорогим.

В области электролизеров и сталеплавильных печей проводники и электрические соединения подвергаются действию сильных токов и высоких температур. Износ соединений в основном выражается деформацией контактных поверхностей электрических соединений. В результате появляются большие электрические потери, которые могут доходить до нескольких кВт на каждое соединение, и колебания прохождения тока через эти контактные поверхности. При использовании заявленного промежуточного проводящего элемента 10 нет необходимости в повторной механической обработке контактных поверхностей.

Таким образом, получают существенное улучшение электрических соединений с деградированными и деформированными контактными поверхностями, даже если речь идет о деформациях порядка миллиметра. Действительно, деформируемость губки 10 позволяет ей охватывать деформированные контуры входящих в контакт поверхностей проводников 12 и 14 и увеличить, таким образом, поверхность контакта и распределить давление, прикладываемое со стороны стяжного средства 16.

Кроме того, выступы, находящиеся на поверхности губки 10, пробивают также слои оксида, такого как оксид алюминия, постоянно образующиеся на поверхности проводников 12 и 14, что позволяет улучшить электрическую проводимость изношенного соединения, причем даже без его предварительной очистки.

Согласно версии осуществления губку, образующую промежуточный проводящий элемент 10, пропитывают (заполняют) смазкой, которая полностью заполняет ячейки губки, что препятствует проникновению загрязнений или веществ, способных окислить или повредить поверхности. Следует отметить, что смазка может быть проводящей, что позволяет повысить электрическую проводимость губки. Такая смазка известна, например, под зарегистрированным товарным знаком "Penetrox". Кроме того, эта смазка может включать в себя антиоксиданты и металлические частицы размером в несколько микрон, увеличивающие срок ее службы. Частицами могут быть частицы серебра, золота или любого другого металла, являющегося хорошим электрическим проводником. В варианте, губку, образующую промежуточный проводящий элемент 10, пропитывают или заполняют, например, щелочным компонентом, который позволяет снизить образование слоя с повышенным удельным сопротивлением на поверхности, по меньшей мере, одного из проводников 12 и 14, например, оксида алюминия на алюминиевом проводнике и/или может протравливать поверхность, по меньшей мере, одного из проводников 12 и 14.

Устройство в соответствии с изобретением представляет особый интерес, так как его эффективность повышается вместе с повышением температуры. Действительно, снижение потенциала соединения на 1 дм², в котором применяют заявленное устройство с никелевой губкой 10, покрытой оловом, составляет около мВ при токе силой 5000 A и при температуре 80°. Эта особенность связана с тем, что выступы губки 10 свариваются под действием температуры с проводниками 12 и 14, с которыми они входят в контакт.

Как уже было указано выше, устройство в соответствии с изобретением представляет интерес для улучшения проводимости электрических соединений, в которых оба проводника выполнены из алюминия, а также когда один из двух проводников выполнен из меди, а другой из алюминия или когда оба проводника выполнены из меди.

Наконец, благодаря снижению электрических потерь устройство в соответствии с изобретением представляет особый интерес при токах большой силы более 1000 A.

Следует отметить, что использование деформируемой губки из упругого материала позволяет также уменьшить влияние ослабления стяжных средств, так как в этом случае губка расширяется и продолжает прилегать к контактным поверхностям, хотя при этом на эти контактные поверхности действует меньшее давление.

В вариантах осуществления промежуточный проводящий элемент 10 образован каркасом из губчатого металла с открытыми порами, обладающего повышенной деформируемостью, который выбирают из группы, в которую входят железо, кобальт, никель и их сплавы, и на который напрямую наносят, по меньшей мере, одно покрытие из меди или из одного из ее сплавов.

Предпочтительно на медное покрытие тоже наносят покрытие из олова, индия или одного из их сплавов. В частности, автор изобретения определил, что губчатый никель, покрытый медью, которая, в свою очередь, покрыта оловом, имеет очень хорошие характеристики электрического соединения.

Вторым объектом изобретения является устройство электрического соединения, содержащее два проводника 12 и 14, каждый из которых имеет контактную поверхность, и промежуточный проводящий элемент 10, расположенный между контактными поверхностями указанных проводников, при этом промежуточный проводящий элемент 10 содержит каркас из губчатого металла с открытыми порами, причем губчатый металл, образующий каркас промежуточного проводящего элемента 10, пропитан смазкой.

Как было указано выше, эти отличительные признаки позволяют улучшить электрическое соединение.

Третьим объектом изобретения является устройство электрического соединения, содержащее два проводника 12 и 14, каждый из которых имеет контактную поверхность, и промежуточный проводящий элемент 10, расположенный между контактными поверхностями указанных проводников, при этом промежуточный проводящий элемент 10 содержит каркас из губчатого металла с открытыми порами, при этом губчатый металл, образующий каркас промежуточного проводящего элемента 10, образует уплотнительную прокладку на периферии контактных поверхностей.

Как было указано выше, эти отличительные признаки позволяют улучшить электрическое соединение.

Четвертым объектом изобретения является стяжная система, которая содержит стяжное средство, такое как стяжной болт 16, предназначенный для стягивания двух проводников и промежуточного проводящего элемента 10. Электромонтажнику достаточно расположить проводники вокруг промежуточного проводящего элемента, затем затянуть стяжное средство, чтобы получить эффект, обеспечиваемый настоящим изобретением.

Другие отличительные признаки этого второго, третьего или четвертого объектов изобретения являются предпочтительными существенными признаками первого объекта изобретения, описанного со ссылками на фиг.1 и 2.

Пятым объектом изобретения является электрический счетчик, который содержит устройство электрического соединения, являющееся одним из первых трех объектов настоящего изобретения, или стяжную систему, являющуюся четвертым объектом изобретения. Автор изобретения установил, что одно бытовое возгорание из двух происходит из-за электрических счетчиков. Поэтому особый интерес представляет применение настоящего изобретения в устройстве электрического соединения, связанном с электрическим счетчиком. Действительно, несмотря на термические циклы упругая деформация губки 10 обеспечивает удержание электрического контакта и позволяет избежать или, по крайней мере, задержать нагрев, связанный с эффектом Джоуля. Данное изобретение можно применять как для сильных токов, так и для слабых токов.

Шестым объектом изобретения, представленным на фиг.4A, 3B и 4, является накладка обжимного наконечника и обжимной наконечник, оборудованный такой накладкой, которая содержит проводящий элемент 10, образованный каркасом из губчатого металла с открытыми порами, предназначенным для уменьшения электрического сопротивления соединения, при этом губчатый металл выбирают из группы, в которую входят железо, кобальт, никель и их сплавы, на который непосредственно наносят, по меньшей мере, одно покрытие из меди, олова, индия или одного из их сплавов.

Как показано на фиг.3A и 3B, в варианте осуществления заявленный обжимной наконечник 28 до обжатия представляет собой плоскую пластину 10 из губчатого материала, содержащую

- зону 30, предназначенную для сгибания с целью обжатия кабеля 40, и

- контактную зону 32, предназначенную для прижатия к проводнику 42 при помощи стяжного средства 44.

Например, проводник 42 является клеммой батареи автотранспортного средства.

Предпочтительно форма губчатой пластины 10 соответствует форме металлической пластины 34, с которой связана губчатая пластина. Таким образом, губчатая пластина 10 образует накладку обжимного наконечника, которая после соединения с металлической пластиной 34 образует обжимной наконечник.

Как показано на фиг.4, после обжатия зоны 30 вокруг кабеля 40 и позиционирования стяжного средства наконечник обеспечивает электрический контакт между кабелем 40 и проводником 42. Этот электрический контакт имеет очень слабое сопротивление по сравнению с известными решениями в данной области. Другие отличительные признаки и преимущества изобретения, представленного со ссылками на фиг.1 и 2, являются также признаками и преимуществами обжимного наконечника, являющегося шестым объектом изобретения.

1. Устройство электрического соединения, содержащее два проводника (12) и (14), каждый из которых имеет контактную поверхность, и промежуточный проводящий элемент (10), расположенный между контактными поверхностями проводников, при этом промежуточный проводящий элемент содержит каркас из губчатого металла с открытыми порами, выполненный с возможностью уменьшения электрического сопротивления соединения, отличающееся тем, что промежуточный проводящий элемент содержит каркас из губчатого металла, выбранного из группы, в которую входят железо, кобальт, никель и их сплавы, на который непосредственно нанесено, по меньшей мере, одно покрытие из меди, олова, индия или одного из их сплавов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что покрытие выполнено из меди или одного из ее сплавов, и на него тоже нанесено покрытие из олова, индия или одного из их сплавов.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из двух проводников (12, 14) выполнен из алюминия.

4. Устройство по одному из пп. 1-3, отличающееся тем, что промежуточный проводящий элемент (10) содержит каркас из губчатого никеля.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что на каркас из губчатого никеля нанесено покрытие из олова.

6. Устройство по одному из пп. 1-3, 5, отличающееся тем, что в нем циркулирует ток силой более 1000 ампер.

7. Устройство по одному из пп. 1-3, 5, отличающееся тем, что промежуточный проводящий элемент (10) содержит на своей периферии, по меньшей мере, одну уплотнительную прокладку (20), образующую герметичный барьер для агрессивных внешних веществ.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что уплотнительная прокладка (20) выполнена посредством нанесения герметика типа эластомера на периферию промежуточного проводящего элемента (10).

9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что уплотнительная прокладка (20) выполнена посредством, по меньшей мере, одного сгибания края промежуточного проводящего элемента (10).

10. Устройство по одному из пп. 1-3, 5, 8, 9, отличающееся тем, что губчатый металл, образующий каркас промежуточного проводящего элемента (10), пропитан смазкой.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что смазка является проводящей смазкой.

12. Устройство по одному из пп. 1-3, 5, 8, 9, 11, отличающееся тем, что губчатый металл, образующий каркас промежуточного проводящего элемента (10), пропитан компонентом, обладающим свойством уменьшения образования слоя с повышенным удельным сопротивлением на поверхности, по меньшей мере, одного из проводников (12, 14) и/или протравливания поверхности, по меньшей мере, одного из проводников.

13. Электрический счетчик, отличающийся тем, что содержит устройство электрического соединения по одному из пп. 1-12.

14. Накладка обжимного наконечника, отличающаяся тем, что содержит проводящий элемент (10), образованный каркасом из губчатого металла с открытыми порами, выполненным с возможностью уменьшения электрического сопротивления соединения, при этом губчатый металл выбран из группы, в которую входят железо, кобальт, никель и их сплавов, и на него непосредственно нанесено, по меньшей мере, одно покрытие из меди, олова, индия или одного из их сплавов.

15. Способ электрического соединения двух проводников (12) и (14), каждый из которых имеет контактную поверхность, содержащий этап позиционирования друг против друга указанных контактных поверхностей, отличающийся тем, что включает этап позиционирования между указанными контактными поверхностями промежуточного проводящего элемента (10), образованного каркасом из губчатого металла с открытыми порами, выбранного из группы, в которую входят железо, кобальт, никель и их сплавы, на который непосредственно нанесено, по меньшей мере, одно покрытие из меди, олова, индия или одного из их сплавов.