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ÉCLATEUR DE COMMUTATION COAXIAL
L'invention concerne un éclateur de commutation capable de
transférer en une fraction de seconde un courant de très haute intensité sous
très
haute tension entre ses électrodes, et plus particulièrement un tel éclateur
comportant deux électrodes coaxiales traversant l'éclateur de bout en bout.
Les éclateurs de commutation sont en général employés dans
des applications telles que le générateur de Marx ou autre montage de très
haute
tension, par exemple en association avec des condensateurs permettant de
stocker
l'énergie électrique, et de la restituer sous la forme d'un courant de très
haute
intensité sous très haute tension.
On connaît par exemple du document EP 1 629 577 un tel
éclateur comportant deux électrodes allongées en vis-à-vis entre lesquelles se
développe un arc électrique, le déclenchement de l'arc électrique pouvant
s'effectuer
par le dépassement d'un seuil de tension entre les électrodes ou par
l'application
d'une tension sur une électrode de déclenchement.
On a cependant constaté que dans des applications telles que
le générateur de Marx, de nombreux éclateurs devaient être mis en association,
par
exemple en montage parallèle, avec de nombreux condensateurs, et qu'il en
résultait
une grande complexité de câblage notamment pour reprendre l'anode de
l'éclateur
vers l'anode des condensateurs voisins.
Par ailleurs, les éclateurs tels que celui précité sont d'une
organisation interne complexe du fait de la troisième électrode de
déclenchement.
Lorsqu'ils sont utilisés avec un déclenchement par dépassement d'un seuil
d'auto-amorçage de l'éclateur, ils sont difficilement réglables.
La présente invention vise à fournir un éclateur de
commutation qui soit simple à réaliser.
L'invention vise également à fournir un tel éclateur qui soit
simple à associer avec des condensateurs montés en parallèle.
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L'invention vise en outre à fournir un tel éclateur dans lequel
l'usure des électrodes est minimisée.
L'invention vise encore à fournir un tel éclateur dont
l'encombrement est réduit pour une même puissance de commutation.
Pour ce faire, l'invention concerne un éclateur de
commutation comportant au moins une première électrode et une deuxième
électrode électriquement conductrices comportant chacune une zone d'arc placée
en
regard de la zone d'arc de l'autre électrode, les électrodes étant adaptées
pour être
reliées aux bornes d'une source de potentiel, caractérisé en ce que l'éclateur
présente une forme générale tubulaire, ladite première électrode formant un
corps
cylindrique de l'éclateur, ouvert à ses deux extrémités et ladite deuxième
électrode,
dite électrode centrale, cylindrique et coaxiale à la première présentant une
continuité électrique sur toute sa longueur et s'étendant dans l'axe de
l'éclateur au
moins d'une extrémité à l'autre du corps cylindrique.
Grâce à cette forme cylindrique à électrode centrale, il est
possible d'accéder aux deux électrodes à chaque extrémité de l'éclateur. De
plus, en
utilisant des condensateurs de forme analogue c'est-à-dire comportant une
anode
centrale et une cathode externe, il devient très facile de réaliser un montage
dans
lequel l'éclateur de commutation et les condensateurs sont en parallèle par
simple
emboîtement.
Dans l'ensemble de la présente description, on considère que
l'éclateur est branché de telle sorte que le pôle positif du générateur de
tension
alimentant le montage soit connecté à l'électrode centrale de l'éclateur et on
se
réfère à cette électrode ainsi qu'à ses éléments connectés sous le terme
d'anode ou
anodique. Par opposition, le corps cylindrique de l'éclateur est connecté au
pôle
négatif du générateur de tension et on se réfère à cette électrode ainsi qu'à
ses
éléments connectés sous le terme de cathode ou cathodique. Bien entendu, ceci
ne
préjuge pas du branchement réel de l'éclateur, les pôles de celui-ci pouvant
être
inversés sans pour autant sortir de l'invention.
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Avantageusement et selon l'invention, l'électrode centrale est
maintenue à distance du corps de l'éclateur par au moins un manchon comportant
un isolateur traversé par l'électrode centrale. Ainsi, un manchon de diamètre
extérieur sensiblement égal au diamètre intérieur du corps permet de centrer
par
rapport à celui-ci un isolateur en matériau diélectrique, lui-même traversé
par
l'électrode centrale. D'autres manchons peuvent être prévus, en fonction de la
longueur de l'électrode centrale, pour maintenir celle-ci coaxialement au
corps.
Avantageusement et selon l'invention, au moins un desdits
manchons est mobile par rapport au corps de l'éclateur selon l'axe de celui-
ci. Le
déplacement du manchon permet, le cas échéant, de déplacer l'électrode
centrale
selon l'axe de l'éclateur.
Avantageusement et selon l'invention, un desdits manchons
comporte une garniture électriquement reliée au corps de l'éclateur pour
former la
zone d'arc du corps. En rapportant une garniture par exemple en matériau tel
qu'un
alliage de cuivre et de tungstène sur un des manchons en contact électrique
avec le
corps de l'éclateur, on obtient une zone d'arc sur laquelle l'arc électrique
peut se
former en minimisant l'érosion de l'électrode.
Avantageusement et selon l'invention, l'électrode centrale
comporte une garniture adaptée pour former la zone d'arc de l'électrode
centrale.
De même, une garniture en alliage de cuivre et de tungstène peut être montée
sur
l'électrode centrale, en regard de la garniture connectée au corps, pour
former la
zone d'arc de l'électrode centrale.
Avantageusement et selon l'invention, les zones d'arc sont des
surfaces de révolution coaxiales entre elles et d'axe confondu avec l'axe de
l'éclateur. De cette manière, un arc électrique se formant entre les zones
d'arc
présente une direction essentiellement radiale par rapport à l'axe de
l'éclateur et le
champ magnétique lié au courant d'arc entraîne celui-ci dans un mouvement de
rotation autour de l'axe de l'éclateur, évitant ainsi une usure prématurée
d'un point
particulier de la zone d'arc.
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Avantageusement et selon l'invention, la forme des zones
d'arc est adaptée pour qu'un entrefer entre les zones d'arc soit variable en
fonction
de la position respective de chaque manchon mobile. En conformant les
garnitures
respectives de l'électrode centrale et du manchon connecté au corps de manière
à ce
que celles-ci présentent des formes sensiblement cylindriques coaxiales avec
des
arêtes arrondies en regard et écartées l'une de l'autre, l'entrefer ménagé
entre ces
arêtes présente une valeur minimale lorsque ces arêtes sont dans un même plan
transversal et s'accroît lorsque la distance axiale entre le plan de chaque
arête
s ' accroit.
Avantageusement et selon l'invention, l'éclateur comporte
deux manchons définissant entre eux un espace, dit espace de tir, à
l'intérieur
duquel se situent les zones d'arc des deux électrodes. Dans ce mode de
réalisation
préférentielle, l'électrode centrale et maintenue par deux manchons placés
sensiblement à chaque extrémité du corps cylindrique. La garniture formant la
zone
d'arc de l'électrode centrale est placée entre les deux manchons, et l'un des
deux
manchons porte la garniture connectée au corps de l'éclateur, en regard de la
garniture de l'électrode centrale. Ainsi tout arc électrique déclenché entre
les deux
zones d'arc des garnitures respectives de l'électrode centrale et du corps est
confiné
dans l'espace délimité par les deux manchons.
Avantageusement et selon l'invention, les manchons sont
munis de moyens d'étanchéité permettant de remplir l'espace de tir avec un gaz
sous pression. En plaçant par exemple des joints toriques entre la face
externe des
manchons et la face interne du cylindre du corps de l'éclateur, des douilles
collées
autour des tiges formant l'électrode centrale, etc. on délimite une zone
étanche entre
les deux manchons qu'il est possible de remplir avec un gaz inerte à forte
constante
diélectrique adapté pour la stabilisation d'un arc électrique comme par
exemple
l'hexafluorure de soufre, ou encore de l'air sec sous pression. Le réglage de
la
pression régnant dans la zone étanche permet également d'ajuster le seuil de
déclenchement de l'éclateur.
Avantageusement et selon l'invention, l'électrode centrale est
montée fixe par rapport à l'un des manchons et coulissante par rapport à
l'autre.
Pour permettre une grande plage de réglage de l'entrefer, les deux manchons
sont
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coulissants par rapport au corps de l'éclateur. L'un des manchons porte la
garniture
en contact avec le corps de l'éclateur et l'électrode centrale est montée fixe
par
rapport à l'autre manchon. Ainsi en déplaçant chacun des deux manchons, on
peut
agir sur l'écartement de l'entrefer en minimisant le déplacement des
extrémités de
5 l'électrode centrale. L'écartement variable de l'entrefer permet
également un réglage
de la tension de déclenchement de l'éclateur.
Avantageusement et selon l'invention, les extrémités de
l'électrode centrale sont munies de moyens de connexion adaptés pour coopérer
avec des moyens de connexion conjugués porté par d'autres composants coaxiaux.
En prévoyant une douille à l'une des extrémités de l'électrode centrale et une
broche
à l'autre extrémité, il est possible de connecter par exemple un ou plusieurs
condensateurs présentant une forme coaxiale analogue, de même muni d'une
broche
ou d'une douille en fonction des extrémités à laquelle ils doivent être
connectés.
L'invention concerne également un éclateur de commutation
caractérisé en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées
ci-
dessus ou ci-après.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront au vu de la description qui va suivre et des dessins annexés dans
lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe d'un éclateur selon l'invention,
- la figure 2 représente un détail de l'espace de tir d'un éclateur
selon l'invention.
La figure 1 représente une vue en coupe de l'éclateur 1 selon
l'invention. L'éclateur 1 comporte une première électrode 2 formant un corps 3
cylindrique en matériau conducteur. Le choix du matériau dépend des conditions
d'utilisation de l'éclateur 1 et peut être laissé à l'appréciation de l'homme
du métier
parmi la plupart des métaux tels que le cuivre, l'aluminium, l'acier inox ou
non,
éventuellement revêtus de couches de protection (nickel, etc.).
Une deuxième électrode ou électrode centrale 4 s'étend
coaxialement et au centre du corps 3. L'électrode centrale 4 comprend, en
partant de
la droite de la figure 1, une broche de connexion 14 vissée ou montée en force
à
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l'intérieur d'une pièce de connexion 20 cylindrique insérée dans un isolateur
10, par
exemple en céramique, en verre, en résine ou en tout autre matériau présentant
des
caractéristiques diélectriques adaptées. L'isolateur 10 présente une forme
sensiblement cylindrique comportant sur sa face extérieure une série
d'ondulations
radiales permettant d'augmenter le cheminement électrique, comme connu dans la
technique des isolateurs. L'isolateur 10 est traversé par une tige 21 vissée
d'une part
dans la pièce de connexion 20 et d'autre part dans un support d'électrode 22
cylindrique. La pièce de connexion 20 comporte un joint à l'interface avec
l'isolateur 10 de manière à réaliser une traversée étanche de celui-ci.
Le support d'électrode 22 porte une garniture 5 de forme au
moins en partie cylindrique de révolution. La garniture 5 est réalisée dans un
matériau particulièrement adapté à supporter les arcs électriques, par exemple
un
alliage de cuivre et de tungstène.
Une seconde tige 16 conductrice traverse un second
isolateur 12, de forme analogue à celle de l'isolateur 10, et relie le support
d'électrode 22 à une douille de contact 17 vissée ou montée en force dans une
seconde pièce de connexion 23 cylindrique insérée de manière étanche à
l'extrémité
de l'isolateur 12. La seconde pièce de connexion 23 comporte également un
alésage
à l'intérieur duquel est fixée une douille de connexion 15. Le diamètre
intérieur de
la douille de connexion 15 est adapté pour coopérer avec le diamètre extérieur
d'une
broche de connexion semblable à la broche 14 de manière à réaliser une
connexion
par emboîtement avec un condensateur coaxial (non représenté) comportant une
telle broche.
La tige 16 est montée coulissante à l'intérieur de l'isolateur 12
et de la douille de contact 17 de manière à permettre un mouvement
longitudinal
relatif entre l'isolateur 10 à l'intérieur de laquelle l'électrode centrale 4
est montée
de manière fixe et l'isolateur 12. Ce montage coulissant permet également de
découpler en rotation les deux isolateurs.
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L'électrode centrale 4 présente ainsi une continuité électrique
de la douille de connexion 15 à l'une des extrémités du corps 3 cylindrique
jusqu'à
la broche de connexion 14 à l'autre extrémité.
L'isolateur 10 est fixé sur un manchon 11 qui le maintient
dans une position coaxiale centrée par rapport au corps 3 cylindrique. Le
manchon 11 est adapté pour être mobile par rapport au corps 3, par exemple au
moyen d'un filetage externe coopérant avec un filetage correspondant interne
au
corps 3. Des joints d'étanchéité 18 entre le corps 3 et le manchon 11 et un
joint
d'étanchéité 19 entre l'isolateur 10 et le manchon 11 permettent de réaliser
une
barrière étanche à l'intérieur du corps 3. De façon analogue, l'isolateur 12
est monté
sur un manchon 13 adapté pour être mobile par rapport au corps 3 et pour
former
une barrière étanche de part et d'autre du manchon 13. Les deux manchons et
leurs
isolateurs respectifs déterminent ainsi entre eux un espace étanche, dit
espace de
tir 24, à l'intérieur duquel se situe la garniture 5 de l'électrode centrale
4. Les
manchons 11 et 13 sont préférentiellement métalliques, donc électriquement
conducteurs, pour des raisons de tenue mécanique mais peuvent être prévus dans
tout autre matériau, conducteur ou non, présentant une tenue mécanique
appropriée.
Le manchon 13 comporte en outre une extension cylindrique
parallèle au corps 3 s'étendant à l'intérieur de l'espace de tir 24, en
direction du
manchon 11. Une garniture 8, dans un matériau analogue à celui de la garniture
5, et
de forme sensiblement cylindrique est fixée à l'extrémité de cette extension
du
manchon 13. Cette garniture 8 est en contact électrique avec le corps 3 d'une
part
par l'intermédiaire du manchon 13 si celui-ci est métallique mais également
par des
languettes de contact 9 fixées sur la garniture 8 et frottant sur l'intérieur
du corps 3,
réalisant ainsi une continuité électrique de résistance plus faible et de
meilleure
fiabilité.
On se réfère à la figure 2 qui représente une vue de détail
d'une portion de l'espace de tir 24 à l'intérieur de laquelle sont figurées
les
garnitures 5 et 8 reliées respectivement à l'électrode centrale 4 et au corps
3.
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La surface extérieure de la garniture 5 est placée en regard de
la surface intérieure de la garniture 8 et à l'extérieur de celle-ci. La
portion arrondie
de la surface extérieure de la garniture 5 située à l'intersection entre sa
face
orthogonale à l'axe de l'éclateur et sa périphérie cylindrique est la partie
de
l'électrode centrale 4 la plus proche de la garniture 8 et forme ainsi une
zone d'arc 6
de l'électrode centrale 4. De même, la partie arrondie de la surface de la
garniture 8
en regard de la zone d'arc 6 de l'électrode centrale 4 forme la zone d'arc 7
du
corps 3. La distance minimale entre les zones d'arc 6 et 7 forme un entrefer
e. Les
zones d'arc 6 et 7 sont des surfaces de révolution, coaxiales entre elles et
d'axe
confondu avec celui de l'éclateur, donc l'entrefer e est constant quelle que
soit la
direction radiale considérée.
La longueur de cet entrefer, la pression et la nature du gaz
occupant l'espace de tir 24 déterminent la tension d'amorçage de l'éclateur.
Lorsque la tension aux bornes de l'éclateur, c'est-à-dire entre le corps 3 et
l'électrode centrale 4 excède cette tension d'amorçage, un arc électrique se
forme
entre les zones d'arc et transfère une charge électrique accumulée dans un ou
plusieurs dispositifs de charge tels que des condensateurs (non représentés)
montés
en parallèle avec l'éclateur. De manière connue en elle-même, l'entrefer e
étant
constant quelle que soit la direction radiale, le point d'amorçage de l'arc
est
aléatoire sur le périmètre des zones d'arc et le champ magnétique généré par
l'arc
électrique force celui-ci à circuler autour de l'axe de l'éclateur. De cette
façon,
l'usure des garnitures est homogène et réduite.
La tension d'amorçage de l'éclateur selon l'invention est
avantageusement réglable en agissant sur la longueur de l'entrefer e, par
exemple en
déplaçant longitudinalement l'un ou l'autre des deux manchons selon l'axe de
l'éclateur. De préférence, les deux manchons seront déplacés concomitamment
pour
minimiser le déplacement de la broche 14 et de la douille 15 de connexion.
La connexion du corps 3 de l'éclateur avec le corps de
dispositifs de charge montés coaxialement avec l'éclateur 1 peut être réalisée
par
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tout moyen connu de l'homme du métier, par exemple par des brides, des
douilles,
etc.
Bien entendu, cette description est donnée à titre d'exemple
illustratif uniquement et l'homme du métier pourra y apporter de nombreuses
modifications sans sortir de la portée de l'invention, comme par exemple munir
le
corps 3 d'une valve de pressurisation de l'espace de tir ou encore ménager un
canal
de pressurisation à l'intérieur de l'électrode centrale.
