Brevet FR2199632A1 — publié le 19740412

L'invention est relative à un dispositif pour produire un rayonnement électromagnétique, notamment de grande intensité, et à fonctionnement continu, lequel dispositif comprend deux dlectrodes, à savoir une anode et une cathode, et des moyens pour établir entre ces électrodes un arc électrique produisant la chaleur qui fournit le rayonnement électromagnétlque, L'invention concerne plus particulièrement, parce que c'est dans ce cas que son application semble devoir présenter le plus d'intérêt, mais non exclusivement, un dispositif pour produire de la lumière visible. On connait, actuellement, deux types de sources lumineuses de grande intensité à fonctionnement continu : les lampes à arc intensif à électrode de graphite et les lampes à xénon haute pression. Ces sources sont utilises notamment dans les fours à image, les projecteurs de cinéma et de défense contre avions, et les dispositifs de séchage. Les lampes à xénon sont très stables et ont une durée de vie dépassant 1000 heures alors que les lampes à arc intensif ont une durée de fonctionnement continu de 1 1ordre de 30 minutes et leur rayonnement présente d'importantes fluctuations. Par contre, les lampes à arc sont robustes, économiques et surtout donnent une source de grande dimension (plus de 15 mm de diamètre) avec un profil de luminance ayant un faible gradient alors que les lampes à xénon donnent une source très inhomogène et de plus faible dimension. Les puissances rayonnées par les deux types de source sont du même ordre : 800 watts dans un faisceau dont l'ouverture est caractérisée par un angle solide de 2s6 stéradians (qui correspond å une ouverture numérique 2f pour une optique classique) pour une puissance consommée de 9,5 kW par l'arc intensif et de 6,5 kW par la lampe à xénon. L'invention a pour but de fournir un dispositif producteur de rayonnement électromagnétique, notamment en lumière visible, qui répond mieux que jusqu'à présent aux diverses exigences de la pratique et notamment tel que, par rapport aux lampes à xénon, il donne une source de grande dimension avec un faible gradient de luminance et que, par rapport à l'arc intensif ordinaire, il présente une très bonne stabilité dans le temps et une usure très lente de l'anode. Selon l'invention, un dispositif pour produire un rayonnement électromagnétique, notamment pour produire de la lumière visible, comprend deux électrodes, à savoir une anode et une cathode, et des moyens pour établir entre ces électrodes un arc électrique produisant la chaleur qui fournit le rayonnement électromagnétique et est caractérisé par le fait que la cathode est constituée par un générateur de jet de plasma propre à diriger ce jet de plasma sur l'anode. De préférence cette anode est en graphite ; des moyens pour faire avancer l'anode de graphite, de manière à compenser son usure et à maintenir dans un plan fixe le cratère anodique, sont prévus; des moyens de mise en rotation de cette anode sont également prévus. Le générateur de plasma comprend une enveloppe extérieure en forme de buse à nez tronconique et une électrode centrale disposée à l'intérieur de la buse, des moyens étant prévus pour faire passer entre l'électrode centrale et la buse un courant de gaz, notamment de gaz rare tel que l'argon ; le dispositif conforme à l'invention est alors avantageusement agencé de ma nière qu'en fonctionnement l'arc Xlec t trique iq u e s ' é t ab lit entre e l'électrode centrale du générateur de plasma et l'anode.De préférence, des moyens de branchement électrique sont prévus et agencés pour qu'au début du fonctionnement la buse du générateur de plasma et l'anode soient portées au même potentiel alors que l'électrode centrale du générateur de plasma est à un potentiel inférieur et, en fonctionnement normal, la buse du générateur de plasma est coupée de la source de tension de telle sorte qu'un arc s'établisse entre l'électrode centrale et l'anode. Des moyens de réglage permettent de faire varier la distance entre l'électrode centrale du générateur de plasma et l'anode du dispositif. Des moyens de refroidissement sont prévus pour le générateur du jet de plasma et pour le support d'anode. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en certaines autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un mode de réalisation préféré de l'invention qui va être décrit en détail avec référence aux dessins ci-annexés, mais qui n'est nullement limitatif. La figure 1 de ces dessins montre, en élévation et schématiquement, un dispositif conforme à l'invention, les circuits électriques étant également représentés. La figure 2 est une vue en plan du dispositif de la figure 1. Les figures 3 et 4 montrent respectivement en coupe axiale et en plan, avec parties arrachées, le générateur de jet de plasma. La figure 5 montre schématiquement les courbes d'isoluminance du cratère anodique. La figure 6 montre des profils de température sur une plaquette chauffée dans un four à image utilisant un dispositif conforme à l'invention. La figure 7 montre, d'une part, la température d'une plaquette réfractaire chauffée avec un dispositif conforme à l'invention dans un four à image, d'autre part, l'usure de l'anode, d'autre part enfin, le débit de gaz, en fonction de l'intensité du courant électrique de l'arc portée en abscisses et exprimée en ampères. La figure 8, enfin, représente les variations d'intensité lumineuse en fonction de la puissance électrique En se reportant à la figure 1, on peut voir un dispositif 1 pour produire un rayonnement électromagnétique, notamment de la lumière visible, comprenant deux électrodes à savoir, une anode 2 et une cathode 3. Des moyens 4 sont prévus pour établir entre ces électrodes un arc électrique 5, le rayonnement électromagnétique provint de l'anode 2 chauffée par l'arc 5. L'anode 2 est constituée de préférence par une baguette cylindrique en graphite méché dont l'axe est disposé horizontalement. A titre indicatif, le diamètre de cette électrode est de l'ordre de 16 mm et sa longueur initiale est de 600 mm. Des moyens 6 pour faire avancer l'anode de manière à compenser son usure et à maintenir dans un plan fixe le cratère anodique sont prévus. Ces moyens 6 comprennent un support mobile 7 (fig. 2) comportant deux écrous propres à coopérer respectivement avec deux vis sans fin parallèles 8, situées de part et d'autre de l'anode 2. Ces vis 8 sont mises en rotation, à la même vitesse, par une boîte d'entraînement 9, à engrenages, entraînée par un moteur 10 à variateur de vitesse. Le support 7 comporteunpalier 11 (fig. 2) coaxial à l'anode 2, propre à porter ladite anode et à 1 'entraîner en translation tout en la laissant libre en rotation. Le support 7 se compose de deux pièces respectivement situées au-dessus et au-dessous du plan horizontal passant par l'axe de l'anode 2. Ces deux pièces peuvent être séparées de manière à dégager les écrous du support 7 des vis sans fin 8, ce qui permet de ramener le support 7 vers la boîte d'entraînement 9 pour une nouvelle course vers l'avant. Un support d'anode 12 est prévu au voisinage du cratère anodique. Des moyens 13 d'entraînement en rotation de l'anode 2 sont logés dans le support 12. Ces moyens 13 comprennent une tête rotative 14 propre à entraîner l'anode en rotation tout en autorisant un déplacement en translation de cette anode. Le serrage exercé par la tête rotative 14 sur l'anode 2 est un serrage à frottement doux et peut être obtenu par des ressorts 15. Un train d'engrenages 16 (fig. 1) est prévu entre la tête rotative 14 et le moteur d'entraînement 10. Le support d'anode 12 est fermé extérieurement par un boîtier tronconique 17 visible sur le dessin dont le diamètre diminue quand on se rapproche du cratère anodique. Un circuit de refroidissement dont l'entrée 18 est visible sur la fig. 1 est prévu dans le support 12 de manière à empêcher une élévation de température importante des mécanismes logés dans ce support 12. Une telle élévation de température provoquerait un mauvais fonctionnement, voire une détérioration des mécanismes. L'alimentation de l'anode 2 en courant électrique est assurée par un contact frottant (non montré) porté par le support 12 et situé le plus en avant possible, dans la partie cylindrique 19 du boitier 17, au voisinage du cratère anodique, de telle sorte que la longueur d'anode dans laquelle circule le courant électrique soit réduite au minimum (de l'ordre de 20 mm). Les pertes d'énergie électrique par effet Joule dans l'anode sont ainsi réduites. A titre d'indication, la vitesse d'avance de l'anode 2 peut être réglée de façon continue dans une plage allant de 30 mm par heure à 120 mm par heure, la vitesse d'avance employée étant liée à l'usure de l'anode, cette usure dépendant de la qualité de l'anode et de la puissance électrique. La vitesse de rotation de l'anode est liée à la vitesse d'avance. La vitesse préférentielle de rotation est supérieure à 10 tours par minute Ces vitesses peuvent être asservies à la position de l'anode qui donne l'intensité lumineuse maximale, toutes choses égales par ailleurs. La cathode 3 est constituée par un générateur de jet de plasma à courant continu. Ce générateur de plasma comprend une enveloppe extérieure 20 en fqrme de buse à nez 21 tronconique et une électrode centrale 22, de préférence en tungstène, disposée à l'intérieur de la buse 20. Des moyens comprenant une canalisation (non visible) sont prévus dans la buse pour introduire dans cette dernière un courant de gaz, notamment de gaz rare tel que 1'argon et le faire passer par une ouverture annulaire 23 (fig. 3) prévue autour d'une gaine isolante g entourant l'électrode centrale. L'ouverture 23 débouche dans un canal 24 convergent communiquant avec l'extérieur (fig. 3). Les moyens 4 permettent d'établir un arc électrique entre l'électrode centrale 22 et la partie 20a de la buse 20 (fig. 3). Comme visible sur la figure 1, les moyens 4 sont constitués par une source de tension continue, par exemple un redresseur alimenté en courant alternatif et fournissant, à la sortie, un courant continu. Le pôle positif, marqué du signe + , est relié d'une part à la buse 20 par l'intermédiaire d'un contact du relais 25 et, d'autre part, directement à 1 'anode 2. Le pôle négatif marqué du signe - est relié à l'électrode centrale 22. Ainsi, lorsque le contact du relais 25 est fermé, un arc électrique peut se produire entre l'électrode 22 et la partie 20a de l'enveloppe 20 propre à ioniser le gaz passant dans le canal 24. On obtient ainsi un jet de plasma. D'une manière classique, on peut prévoir une alimentation auxiliaire haute fréquence, appartenant aux moyens 4, propre d être mise en action par une commande 26. Cette tension haute fréquence est appliquée aux électrodes entre lesquelles on veut amorcer l'arc électrique. Un circuit de refroidissement est prévu pour l'électrode centrale 22. Ce circuit comprend un canal central 27 prévu dans cette électrode et des orifices d'entrée et de sortie 28, 29 (fig. 1) pour le fluide de refroidissement, généralement de l'eau. Ces orifices 28 et 29 sont prévus vers l'arrière du générateur de jet de plasma, dé manière à dégager au maximum l'avant comportant la pointe de l'électrode centrale 22 et le nez 21. Un circuit de refroidissement est également prévu dans la buse 20, ce circuit comprenant une chambre 30 (fig. 3) prévue dans le nez tronconique 21. Dans cette chambre débouchent deux canalisations 31, 32 (fig. 1) parallèles à l'axe longitudinal de la buse 20, pour l'entrée et la sortie de l'eau de refroidissement. Le générateur de plasma est monté sur une crémaillère 33 schématiquement représentée sur la figure 1, permettant de ré gler la distance entre ce générateur et l'anode 2. La distance optimale entre l'extrémité du nez 21 du générateur et le centre du cratère anodique est d'environ 20 mm en fonctionnement normal. La plage de réglage s'étend de 15 à 30 mm. La distan ce est ajustée suivant la puissance consommée et le débit d'ar gon dans le générateur de jet de plasma.La distance optimale correspond à la tension entre anode 2 et électrode 22 minimale compatible avec l'usure correcte de l'anode de graphite pour obtenir la forme du cratère et la stabilité de l'intensité lumineuse, La crémaillère 33 est portée par un support 34 orientable pouvant tourner autour d'un axe perpendiculaire au plan passant par l'axe de l'anode 2 et l'axe de 1'électrode centrale 22. On peut ainsi régler la position angulaire du générateur de plasma par rapport à l'anode 2, la position optimale correspondant à un angle formé entre l'axe de l'électrode 22 et celui de l'anode 2 de l'ordre de 75". Un dispositif 35 (fig. 4) comprend une vis 36 dont la partiecentrale est isolante, qui coopère avec un trou fileté prévu dans un manchon 20b vissé dans la buse 20. Ce dispositif 35 permet de régler la position de l'électrode centrale 22 par rapport à la buse 20. La vis 36 est liée en translation au support 22a de l'électrode 22. La partie isolante de la vis 36 un court-circuit entre le manchon 20b et le support 22a. Le réglage entre la buse 20 et l'électrode 22 du généra teur de plasma est fait une fois pour toutes, la pointe de l'électrode 22 étant avantageusement à 8 mm de la face plane d'extrémité du nez 21. Les différents circuits de refroidissement sont alimen tés en eau de refroidissement par une pompe centrifuge à amor çage automatique propre à faire circuler l'eau en circuit fermé. Les enroulements triphasés 37 de la pompe ont été schématiquement montrés sur la fig. 1. Le refroidissement de l'eau est assuré par un radiateur avec ventilation forcée assurée par un ventilateur 39. Un réservoir d'expansion (non montré) est avantageusement prévu. A titre indicatif, lors des essais réalisés, la pompe assurait un débit d'eau de 300 litres par heure pour une surpression de 29 cm d'eau, la puissance de la pompe étant de 0,15 kW. L'alimentation du générateur de jet de plasma en argon est assurée par une bouteille d'argon. comprimé (non montrée) munie d'un détendeur et d'un débitmètre gradué de O à 15 litres par minute. Le débit d'argon est supérieur à 1 1/mon ; il atteint 4 1/mon au moment de l'allumage puis il doit être réduit à 1,4 1/mon en fonctionnement normal. Comme visible sur la figure 1, l'installation électrique comporte un interrupteur 40 pour la commande du relais 25 et un dispositif 41 propre à assurer l'alimentation du moteur 10 en courant continu sous une tension qui peut être commandée par manoeuvre d'un volant 42. Ce dispositif 41 constitue le variateur de vitesse du moteur 10 à courant continu. Un voltmètre 43 est prévu pour mesurer la tension entre l'électrode centrale 22 et l'anode 2, tandis qu'un ampèremètre 44 branché aux bornes d'un shunt 44a permet de mesurer l'intensité consommée par l'arc électrique. Les moyens d'alimentation électrique 4, à titre d'exemple, permettaient d'atteindre une intensité maximale de 200 a m res. Ceci étant, le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention est le suivant. En début de fonctionnement, le relais 25 est dans une position telle que le contact visible sur la figure 1 est fermé et la buse 20 se trouve au même potentiel que l'anode 2. Le débit d'argon dans le canal 24 étant établi, on assure, à l'aide de la commande 26, l'amorçage d'un arc électrique entre l'électrode 22 et la partie 20a de la buse 20 en appliquant une tension haute fréquence entre ces électrodes. L'arc amorcé se maintient grâce à la différence de potentiel établie par la fermeture du relais 25. Le générateur de plasma produit donc un jet d'argon fortement ionisé constituant le jet de plasma. Ce jet de plasma est dirigé vers l'anode 2 et la chauffe. Lorsque ce chauffage est suffisant, on commande l'ouvertu- re du relais 25 et l'arc électrique qui s'était formé entre la buse 20 et l'électrode centrale 22 s'établit maintenant entre cette électrode et l'anode 2. On obtient alors une production intense de lumière. Il faut noter que, en cours de fonctionnement normal, la buse 20 n'est plus sous tension et ne subit qu'un faible échauffement qui ne nécessite pas un refroidissement énergique. Les fluctuations du rayonnement de l'arc du dispositif conforme à l'invention sont très inférieures à celles qui existent dans un arc intensif classique. En effet, les fluctuations d'un arc classique sont dues essentiellement à l'usure de la cathode. Or, dans le cas présent, l'électrode centrale 22 de tungstène jouant le rôle de cathode ne s'use pratique ment pas. L'usure de l'anode graphite 2 est beaucoup plus faible dans le dispositif conforme à l'invention que dans un arc intensif, car le gaz rare, notamment l'argon utilisé dans le générateur de plasma, limite l'oxydation du graphite. L'usure est de l'ordre de 3 cm par heure, ce qui donne une durée de fonctionnement continue de 10 heures bien supérieure aux durées de fonctionnement des arcs intensifs, pour une longueur d'anode 2 de 60 cm. La figure 5 est une vue de gauche, par rapport à la figure 1, de l'anode 2 et du cratère anodique montrant la répartition des points de ce cratère anodique qui ont même luminance. Les courbes d'isoluminance i déterminent des zones graduées dans une échelle arbitraire de luminance, la zone centrale portant le coefficient 100. Cette zone, en forme de poire, correspond sensiblement à la zone d'impact du jet de plasma sur l'anode et est relativement étalée. On peut constater une bonne symétrie de ces courbes par rapport au plan P passant par l'axe de l'anode 2 et de l'électrode centrale 22. On peut constater également que les gradients de luminance sont faibles par rapport à ceux rencontrés dans les lampes classiques à xénon. Lorsqu'on utilise un dispositif conforme à l'invention dans un four à image, de manière à chauffer une plaquette réfractaire à partir de l'énergie lumineuse fournie par le dispositif, on obtient une répartition de température relativement plate. La figure 6 représente les distributions radiales de températures d'une plaquette réfractaire de 2 mm environ d'épaisseur chauffée par la face opposée, le maximum des courbes correspondant à la zone centrale de la plaquette réfractaire sur laquelle est formée l'image du cratère anodique. Les trois courbes B1 , B2 , B3 correspondent à trois intensités différentes du courant alimentant 1 'arc électrique (la puissance électrique consommée étant de 3,5 kW pour la courbe B2).En ordonnées, sur la figure 6, on a porté la température absolue et en abscisses, les distances radiales sur la plaquette, l'ori- gine O des distances correspondait au centre de la plaquette. Sur la figure 7, les courbes C1 , C2 représentent les variations de la température en un point d'une plaquette réfractaire chauffée dans un four à image utilisant le dispositif conforme à 1'invention, en fonction de 1 intensité du courant alimentant l'arc électrique. Cette intensité est portée en abscisses, en ampères, tandis que la température est portée en ordonnées en degrés absolus, sur l'échelle de gauche de la figure 7. Les courbes C1 et C2 correspondent à deux types d'anode de graphite. Les courbes U1 et U2 de cette même figure 7 représentent les variations de la vitesse d'usure de l'anode en fonction de l'intensité du courant alimentant l'arc électrique, ces deux courbes correspondant respectivement aux deux types d'anodes de graphite des courbes C1 et C2 . L'échelle des vitesses d'usure est portée en ordonnées, sur la droite, en millimètres par heure (mm/h). La courbe D de cette figure 7 représente les variations du débit d'argon exprimé en litres par minute en fonction de l'intensité de l'arc portée en abscisses. Le débit d'argon est porté en ordonnées sur l'échelle située légèrement à gauche de celle indiquant les vitesses d'usure. L'échelle du débit d'argon est graduée enl/mn. La figure 8 montre des courbes permettant d'établir une comparaison entre les intensités lumineuses obtenues avec un dispositif conforme à l'invention et l'intensité maximale d'une lampe à xénon. En ordonnées, on a porté les intensités lumineuses exprimées en candelas. En abscisses, on a porté les puissances électriques consommées. Le point M d'abscisse 6,5 kW et d'ordonnée 32.000 candelas correspond à la performance maximale d'une lampe à xénon. Les deux courbes I1 , I2 résultent de deux séries de mesures effectuées, à l'aide d'un luxmètre commercial, sur un dispositif conforme à l'invention. Ces courbes permettent de constater immédiatement que les intensités lumineuses maximales qu'il est possible d'obtenir, avec un dispositif conforme à l'invention, dépassent 60.000 candelas, c'est-à-dire sensiblement le double de ce qu'il est possible d'obtenir avec une lampe à xénon. Pour ces mesures d'intensité lumineuse le luxmètre était placé à 4 mètres en face de la lampe. En ce qui concerne le rendement lumineux, qui peut se traduire par le rapport de l'intensité lumineuse à la puissance électrique consommée, on notera qu'il est sensiblement égal ou supérieur, dans un dispositif conforme à l'invention, à celui d'une lampe à xénon. Une étude des prix de revient a montré que celui d'un dispositif conforme à l'invention était sensiblement égal à la moitié de celui d'une lampe classique à xénon. L'application du dispositif conforme à l'invention aux sources lumineuses, notamment pour le cinéma, est donc particulièrement intéressante. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour produire un rayonnement électromagnétique, notamment pour produire de la lumière visible, comprenant deux électrodes, à savoir une anode et une cathode, et des moyens ur établir entre ces électrodes un arc électrique chaleur i fournit produisanV le rayonnement ei ectromagnétique, caractérisé par le fait que la cathode est constituée par un générateur de jet de plasma propre à diriger ce jet de plasma sur l'anode. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'anode est en graphite. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour faire avancer l'anode de manière à compenser son usure et à maintenir dans un plan fixe le cratère anodique, et des moyens de mise en rotation de ladite anode. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les moyens pour faire avancer l'anode sont propres à communiquer à cette dernière une vitesse d'avance comprise entre 30 et 120 mm par heure, tandis que les moyens de mise en rotation sont propres à faire tourner l'anode à une vitesse supérieure à 10 tours par minute. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le générateur de plasma comprend une enveloppe extérieure en forme de buse à nez tronconique et une électrode centrale disposée à l'intérieur de la buse, des moyens étant prévus pour faire passer entre l'électrode centrale et la buse un courant de gaz, notamment de gaz rare tel que l'argon, caractérisé par le fait qu'il est agencé de manière qu'en fonctionnement l'arc é 1 e c t r i q u e s' é t ab I i t e ntre l'électrode centrale du générateur de plasma et l'anode. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que des moyens de branchement électrique sont prévus et agencés pour qu'au début du fonctionnement la buse du générateur de plasma et l'anode soient portées au même potentiel alors que l'électrode centrale du générateur de plasma est à un potentiel inférieur et, en fonctionnement normal, la buse du générateur de plasma est coupée de la source de tension de telle sorte que l'arc s'établisse entre l'électrode centrale et l'anode. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de réglage, constitués notamment par une crémaillère, permettant de faire varier la distance entre le générateur de plasma et l'anode. 8. Dispositif selon ltensemble des revendications 5 et 7, caractérisé par le fait que les moyens de réglage permettent de faire varier la distance entre le centre du cratère de l'anode et le plan d'extrémité du nez de la buse dans une plage s'étendant de 15 à 30 mm environ, la distance optimale de réglage étant de 20 mm. 9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de réglage dela distance entre l'électrode centrale du générateur de plasma et la buse de ce générateur, la distance optimale entre la pointe de 1 'élec- trode centrale et le plan d'extrémité de la buse étant de 8 mm. 10. Dispositif selon la revendication 5 ou selon l'ensem- ble de la revendication 5 et de l'une quelconque des revendications 6 à 9, comprenant des contacts frottants propres à assurer l'alimentation en courant électrique de l'anode, caractérisé par le fait que ces contacts sont logés dans une partie cylindrique située en avant d'un bloc support anodique, au voisinage du cratère anodique, à une distance de ce dernier de l'ordre de 20 mm.