Brevet FR2135309A1 — publié le 19721215

La présente invention concerne des sources de rayonnement électromagnétique utilisant une décharge électrique entre deux électrodes. Les sources de rayonnement de l'état de la technique de 5 ce genre comportent, une source de rayonnement à l'arc au charbon dans laquelle les électrodes de charbon sont d'abord rapprochées ensemble puis, relâchées pour se séparer lorsque l'arc s'amorce entre les électrodes. L'arc est normalement branché en série avec une résistance de charge sur une source d'alimentation, et la 10 séparation de l'arc et la valeur de la résistance chutrice sont choisies pour donner des tensions et intensités d'arc qui fournissent un rayonnement de lumière maximum. Cet arc conventionnel est connu par arc d'intensité élevée. La présente invention a pour objet l'augmentation de la production de chaleur. 15 En recherchant â modifier la décharge de l'arc au charbon pour fournir de grandes quantités de rayonnement de chaleur, pas nécessairement accompagnées de grandes quantités de rayonnement de lumière tel que précédemment, on a fourni un appareil de contrôle pour la décharge de l'arc qui permet une séparation plus faible 20 des électrodes que celle utilisée précédemment sous des conditions semblables (tel que les dimensions des électrodes) pour l'arc à intensité élevée. On obtient ainsi une production de chaleur plus efficace. Un objet de l'invention est donc de fournir une source de 25 raypnnement électromagnétique comprenant deux électrodes, des moyens pour brancher une tension par-dessus les électrodes suffisante pour maintenir entre elles une décharge d'arc, et des moyens sensibles à une propriété de la décharge entre les électrodes pour régler la séparation des électrodes à une valeur inférieure à celle 30 ou se présente un minimum mathématique sur la courbe tension/ séparation. Un autre objet de l'invention est de fournir une méthode de production d'un rayonnement électromagnétique comprenant à brancher une tension entre deux électrodes suffisante pour main-35 tenir une décharge d'arc entre elles et à régler la séparation des électrodes en réponse à une propriété de la décharge à une valeur inférieure à celle ou se présente un minimum mathématique sur la courbe tension/séparation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 40 seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre 72 16002 2 2135309 de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: La Figure 1 représente un arc conventionnel avec une ré-présentation d'un arc produit selon l'invention; 5 La Figure 2 représente la caractéristique de séparation tension/électrode d'un arc; La Figure 3 est une représentation schématique d'un four à image incorporant 1'invention; La Figure 4 est un circuit d'un composant du four à image 10 de la Figure 3. L'arc conventionnel à courant continu de haute intensité à une forme tel que montré sur la Figure 1 avec une flamme de queue allongée 1 qui s'étend par-dessus l'anode 2 en s'éloignant de la cathode 3. Dans la flamme de queue 1 se trouvent deux zones 15 brillantes ou colonnes 4 et 5 qui émanent des électrodes 2 et 3 et sont connus respectivement par colonne d'anode et colonne de cathode. On a trouvé maintenant que si la séparation d'électrodes est réduite, on atteint un point ou la flamme de queue 1 ensemble 20 avec les colonnes d'anode et de cathode 4 et 5 respectivement disparaissent et sont remplacés par une flamme conique brillante 6 se prolongenant de l'anode 2 vers la cathode 3 tel que montré sur la Figure 1. La Figure 2 représente la relation de la tension de l'arc 25 en fonction de la séparation entre les électrodes. L'arc à haute intensité fonctionne sur la partie montante de droite de la courbe. Lorsque la séparation augmente dans cette région, la tension aug mente passant par un coude, puis montant plus doucement jusqu'à ce que l'arc est éteint lorsque la séparation devient trop grande. 30 II y a un minimum mathématique sur la courbe pour la plus petite séparation dans la région de haute intensité, et pour une séparation en dessous de ce point la tension monte avec une réduction de séparation à un maximum (qui est inférieur à la tension maximum dans la région d'intensité élevée), après quoi la tension décroît 35 de nouveau avec une réduction de séparation. L'arc est éteint de nouveau lorsque la séparation entre les électrodes devient trop petite pour supporter une décharge d'arc. Au moyen de techniques photographiques à vitesse élevée on a pu se rendre compte, que la flamme 6 est constituée de particules de matériau qui ont été ar-40 rachëes de l'anode et qui sont transférées à la cathode. Par 72 16002 3 2135309 conséquent, cette forme d'arc est connue sous le nom "d'arc transféré". Les particules de matières arrachées de l'anode sont chauffées par l'action de l'arc et émettent un rayonnement thermique. Le rayonnement de chaleur de l'arc est mesuré au moyen 5 d'un colorimètre de rayonnement de corps noir dans lequel le rayonnement est absorbé par l'intérieur noirci d'une cavité sphé-rique refroidie à l'eau. Le rayonnement de l'arc est focalisé sur un petit trou dans le logement de cavité. Des thermocouples mesurent la montée de température de l'eau de refroidissement 10 passant à travers un tube soudé à l'extérieur du logement de cavité. Les mesures prises des mêmes électrodes fonctionnant aux parties descendantes et ascendantes de la courbe tension/séparation ont montré que l'efficacité monte à un maximum plus haut lorsque l'arc fonctionne dans la région descendante de la courbe. 15 Une application des sources de rayonnement à arc de ce type est le four à images d'arc dans lequel une image de l'arc est focalisée sur un échantillon qui doit être chauffé. La décharge de la Figure 1 avec une grande flamme de queue et avec des colonnes d'anode et de cathode qui peuvent être instables en posi-20 tion n'est pas adapté pour ces besoins puisque, la source de rayonnement n'est pas concentrée, et qu'elle n'est pas fixe en position. La décharge selon l'invention montrée à la partie inférieure de la Fig.l est mieux adaptée pour le four à image d'arc. Il a été proposé de concentrer la source de rayonnement sur la 25 zone entre les électrodes au moyen de jets d'air déchargés autour de l'électrode-anode vers la cathode, de façon que les sources de rayonnement illustrées dans l'arc conventionnel à haute intensité de la Fig.l soient empêchées de monter au-dessus de la région immédiate entre les électrodes. En faisant fonctionner l'arc 30 tel que montré sur la partie inférieure de la Fig.l, la source est maintenue sans avoir besoin des jets d'air en fonctionnant dans la région descendante de la courbe tension/séparation de la Figure 2. Se référant à la Figure 3, les deux électrodes à charbon 35 31 et 32 sont montées coaxiallement dans les supports 33 et 34 de façon à être séparées d'une distance £. Des tensions sont appliquées aux électrodes 31 et 32 pour fournir respectivement une anode et une cathode d'un arc électrique amorcé entre elles. La tension opérationnelle est appliquée aux électrodes 31 et 32 au 40 moyen d'une alimentation conventionnelle en courant continu (non 72 16002 4 2135309 montré). L'anode 31 est positionnée avec une extrémité 35 à un foyer F-^ d'un miroir ellipsoïdal 36. La cathode 32 se prolonge par le miroir 36 au voisinage de l'extrémité 35 de l'anode 31. L'anode 31 est maintenue dans sa position au moyen d'une unité 37 5 de capteur de rayons infrarouges qui sera décrit en détail plus loin, qui capte la position de la partie la plus intense de l'arc entre les électrodes 31 et 32 et fonctionne pour maintenir cette partie de l'arc au premier foyer du miroir 36 au moyen d'un servo moteur 38 et d'une vis 39 sur laquelle se déplace le support 33. 10 Le système 37 de localisation de l'anode comporte une lentille 46 qui est positionnée entre les filtres infrarouges 47 et 48 et qui est arrangée de façon à former une image de la région d'anode de l'arc à un point entre deux photo-transistors sensibles aux rayons infrarouges- 49 et 50. Les photo-transistors 49 et 50 18 sont branchés dans un réseau de pont 51 à courant continu dont le schéma est représenté sur la Figure 4. Tout déplacement de l'extrémité 35 de l'anode 31 du premier foyer F^ du miroir 36 provoquera un changement de la position de l'image formée par la lentille 46 et a pour résultat une tension déséquilibrée dévelop-20 pêe par le pont 51 qui est amplifié par l'amplificateur 52 à courant continu et met en mouvement le servomoteur 38 et la vis mère 39 de façon, à maintenir l'éxtrëmitê 35 de l'anode 31 dans la bonne position. Le réglage initial du système 37 de placement de l'anode est fait au moyen d'une manivelle 53 et par une. commande 25 de réglage à zéro (non montré) du pont 51, référence étant faite à un système de visée de véhicules (non montré) entraîné sur la position connue du foyer F^ du miroir 36. Une commande plus sensible des moteurs 38 et 40 peut être réalisée par modulation de fréquences des sorties des amplificateurs 44 et 52, et par appli-30 cation de signaux de fréquences variables pour arrêter les mcteurs De tels moteurs avancent d'une quantité prédéterminée pour chaque cycle de leur entrée de fréquence variable. La position de la cathode 32 est contrôlée pour maintenir la séparation s^ de l'anode 31 et de la cathode 32 à une valeur 35 désirée de façon que l'arc fonctionnera à un régime de ses caractéristiques tension/séparation en-dessous de celles auxquelles se présente un minimum mathématique la région préférée étant montrée par I sur la Figure 2, au moyen d'un servomoteur 40 et vis mère 41 semblables au servomoteur 38 et vis mère 39. Le servomé-40 canisme de réglage de la cathode fonctionne au moyen d'une erreur 72 16002 5 2135309 de tension V qui est développée au moyen d'un circuit 42 qui 6 compare la tension Va de l-'.arc à une tension de référence vre£ produite par une source 43 de tension de référence, la tension d'erreur Vg est amplifiée par un amplificateur à courant continu 5 44. La disposition est telle que la direction et valeur de la rotation du servomoteur 40 dépendent de la pente de la caractéristique tension/séparation et tendent à maintenir l'arc dans la région I de la Figure 2 ayant une pente négative. Un interrupteur d'inversion 45 est ajusté à l'entrée du servomoteur 40 dans le 10 cas ou il serait souhaitable de faire fonctionner l'arc hors de la région à pente négative. La position de la cathode peut, cependant, être contrôlée d'une façon semblable à celle utilisée pour l'anode. En service, l'arc est d'abord amorcé manuellement et la 15 séparation des électrodes 31 et 32 est réglée à la main jusqu'à ce qu'on obtienne les conditions de fonctionnement désirées. Si les conditions de fonctionnement désirées correspondent à un point de la région à pente négative sur la courbe de la Figure 2, l'interrupteur d'inversion reste inactif, et les servomécanismes 20 sont mis en action pour maintenir les conditions désirées à ce point de la courbe. Si les conditions désirées se rapportent à un point sur la partie à pente positive de la courbe de la Figure 2 à des séparations en-dessous de celles de la région à pente négative, l'interrupteur d'inversion 45 est mis en action et les 25 servomécanismes sont mis en action pour maintenir le fonctionnement de l'arc dans cette région à pente positive . Il est aussi possible de faire fonctionner l'arc dans la région à pente positive de la courbe de la Figure 2 à des séparations au-dessus de la région I par un réglage à la main de la séparation des électro-30 des à une distance appropriée, de faire fonctionner l'interrupteur d'inversion est de mettre en action les servomécanismes. Cette région est cependant en dehors du but de la présente invention. Il faut faire attention lors du fonctionnement des servomécanismes à une condition proche du point de tension maximum 35 se présentant à la moindre séparation dans la région I, parce qu'un régime transitoire peut causer des conditions de déplacements au delà du sommet de la courbe ce qui donne un circuit de commande instable. Comme alternative à la méthode manuelle de formation d'arc 40 on peut utiliser un dispositif mécanique automatique dans lequel 72 16002 6 2135309 le courant élevé circulant entre les électrodes en contact est utilisé pour actionner un relais qui met en mouvement un moteur pour séparer les électrodes à la distance requise. Une autre méthode de formation de l'arc consiste à appliquer un champ élec-5 trique de haute fréquence à la région entre les électrodes séparées. Une autre méthode de formation pour l'arc consiste à placer un corps résistif entre les électrodes ajustées approximativement à leur séparation de travail et d'appliquer le courant de façon que le courant passant à travers le corps résistif permet sa 10 fonte et son ëvaporation les vapeurs aidant ainsi à l'amorçage de l'arc. Une bille de papier d'argent est un corps résistif approprié. Les rayons infrarouges continuant du miroir 36, passent par le deuxième foyer F^ du miroir 36, lequel est arrangé de façon 15 conventionnelle pour être le deuxième foyer d'un deuxième miroir ellipsoïdal 36'. Une pièce 54 devant être chauffée est positionnée au premier foyer F * du miroir 36'. Les miroirs sont de vrais ëllipsoïdes car la source a sa position contrôlée avec précision par les circuits décrits ci-dessus et il n'y a pas 20 besoin de permettre des variations de la" position de l'arc par une construction non ellipsodale des miroirs. La pièce 54 est entourée par un écran 55 sphérique creux en verre avec une couche en or 56 à sa surface extérieure. La pièce 54 est disposée au centre géométrique de l'écran de radiation 55 et l'ouverture 57 25 de l'écran 55 est telle qu'elle accepte tout rayonnement réfléchi par le miroir 36' vers la pièce 54. Comme la pièce 54 est au centre de l'écran 55, le rayonnement de la pièce 54 sera réfléchi de retour à la pièce 54. Le revêtement en or est pourvu d'un revêtement protecteur, par exemple du protoxyde de silicium. 30 Une méthode alternative pour focaliser le rayonnement de l'arc comporte l'emploi d'un système de lentilles formées d'un matériau ayant une très faible absorpotion des rayons infrarouges. Un tel matériau est du quartz qui est substantiellement exempt d'eau et de radicaux hydroxyl. Le système de lentilles peut être 35 à une seule lentille, ou plusieurs lentilles minces à travers lesquelles le rayonnement passe successivement. Les lentilles sont recouvertes convenablement pour empêcher une perte d'efficacité par de fausses reflexions à leurs surfaces. Bien que le système de lentilles absorbe une partie des rayons infrarouges, il est 40 possible de les utiliser continuellement jusqu'à vingt minutes 72 16002 7 2135309 avec un faisceau d'environ 1KW sans destruction des lentilles. Lorsqu'il est nécessaire que l'axe optique du système de lentilles doit être parallèle aux électrodes de l'arc, l'anode est disposée pour être alimentée à travers un trou se prolongeant le long de 5 l'axe optique du système de lentilles afin, de fournir une disposition optique compacte. L'invention peut être appliquée aux procédés métallurgiques conventionnels tel que le soudage, le découpage, le forgeage et autres tel que le dépôt de revêtements métalliques, la formation 10 des cristaux et la recherche aux températures élevées en général. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. 15 72 16002 2135309 REVENDICATIONS 1. Source de rayonnement électromagnétique, caractérisée en ce qu'elle comporte deux électrodes, des moyens pour brancher une tension aux électrodes suffisante pour maintenir une décharge 5 d'arc entre elles et des moyens sensibles à une propriété de la décharge entre les électrodes pour régler la séparation des électrodes à une valeur inférieure à celle ou se présente un minimum mathématique sur la courbe tension/séparation. 2. Source selon la revendication 1, caractérisée en ce que 10 les moyens sensibles sont sensibles aux rayons infrarouges de la décharge. 3. Source selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens sensibles comportent des moyens sensibles à la tension de l'arc. 15 4. Source selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour focaliser la décharge de l'arc à un point éloigné, les moyens comprenant une lentille faite d'un matériau exempt d'eau et exempt de radicaux hydroxyl. 20 5. Source selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour focaliser line image d'une décharge d'arc à un point éloigné, les moyens comprenant un réflecteur en or déposé sous forme de revêtement sur un substrat de support. 25 6. Méthode pour produire un rayonnement électromagnétique caractérisée en ce qu'elle consiste à brancher une tension aux deux électrodes suffisante pour maintenir entre elles une décharge d'arc et à ajuster la séparation des électrodes en réponse à une propriété de la décharge à une distance inférieure à celle 30 ou se présente un minimum mathématique sur la courbe tension/ séparation. 7. Méthode selon la revendication 6, caractérisée en ce que la propriété de la décharge est un rayonnement infrarouge de la décharge. 35 8. Méthode selon la revendication 6, caractérisée en ce que la propriété de la décharge est la tension entre les électrodes. 9. Méthode selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte à focaliser une image de la décharge d'air sur un point éloigné pour réflexion du rayonnement 40 de la décharge d'arc sur ce point au moyen d'un réflecteur en or 72 16002 9 2135309 sous forme de revêtement sur un substrat. 10. Méthode selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte à focaliser une image d'une décharge d'arc à un point éloigné par refraction du rayonnement de la décharge à travers une lentille faite d'un matériau exempt d'eau et de radicaux hydroxyl.