Brevet FR2627898A1 — publié le 19890901

TUBE ELECTRONIQUE REFROIDI PAR CIRCULATION D'UN FLUIDE La présente invention concerne un tube électronique du type par exemple triode, tétrode ou pentode, refroidi par la circulation d'un fluide, et concerne particulièrement des moyens permettant d'améliorer le refroidissement de la surface interne d'anode, notamment quand le tube est du type destiné à fonctionner à des fréquences élevées. Dans de tels tubes électroniques, un flux d' électrons est émis par une cathode en direction d'une anode. Ce flux d'électrons est modulé par une ou plusieurs grilles avant de parvenir à l'anode. L'énergie cinétique des électrons est transformée en chaleur sur l'anode. Pour les tubes électroniques de puissance, I'énergie à dissiper est importante au point qu'il est nécessaire d'utillser des dispositifs de refroidissement fonctionnant avec un fluide de refroidissement dont la circulation est forcée ; ce fluide est souvent de l'air pour les faibles puissances et un liquide, de l'eau notamment, pour les puissances plus importantes. Les tubes de puissance refroidis par eau ont généralement la configuration suivante, dans le cas d'une triode avec cathode à chauffage direct par exemple : la cathode à la forme d'un cylindre de longueur donnée et ayant pour axe l'axe longitudinal du tube. On trouve ensuite une grille qui entoure la cathode sur sensiblement une même longueur que cette dernière, et enfin une anode qui entoure la grille sur sensiblement une même longueur que celle de la grille. La partie chauffée de la cathode constitue, le long de l'axe longitudinal, une longueur active émettrice d'électrons : les électrons traversent la grille selon des directions radiales et sont captés par l'anode.L'anode comporte ainsi, autour de l'axe longitudinal et le long de ce dernier, une partie dite partie active, L'anode et la grille ont chacune la forme d'un cylindre creux, et elles sont fermées chacune par une paroi de fond, à une extrémité opposée à celle où sont situés des éléments de connexion, c'est-à-dire à une extrémité opposée au pied du tube ; l'anode constituant une partie d'enveloppe étanche, à l'intérieur de Isquelle est réalisé le vide nécessaire au fonctionnement du tube. Le refroidissement du tube est obtenu à l'aide d'un refroidisseur qui est souvent constitué par deux enveloppes cylindriques coaxiales, montées autour de l'anode, une extrémité de l'enveloppe extérieure étant fixée de manière étanche à une bride du tube située du côté du pied de ce dernier. L'envelopppe extérieure est munie d'un embout d'entrée par lequel arrive dans le refroidisseur un fluide de refroidissement, de l'eau par exemple. La circulation de l'eau est forcée, et l'eau circule entre I'enveloppe extérieure et l'enveloppe intérieure, jusqu'à la base de l'enveloppe intérieure où l'eau est injectée et progresse entre l'espace formé entre l'enveloppe intérieure et I'anode. Le transfert des calories de l'anode, ou plus précisément de la partie active de cette dernière, vers l'eau, se fait principalement dans la zone de la partie active d'anode. L'eau est ensuite évacuée par un second embout dont est munie l'enveloppe intérieure ; le second embout traversant la première enveloppe pour communiquer avec un circuit de circulation extérieur dans lequel, par exemple, l'eau est refroidie avant d'être réinfectée sous pression dans le refroidisseur.L'efficacité du refroidissement de l'anode est liée, d'une manière en elle-même connue, aux caractéristiques d'écoulement du fluide de refroidissement, notamment à la pression avec laquelle l'eau est injectée dans le refroidisseur et à la distance entre la paroi formant la partie active de l'anode et l'enveloppe intérieure du refroidisseur. La partie active d'anode peut comporter en outre sur sa surface extérieure, c'est-à-dire en vis-à-vis de l'enveloppe intérieure du refroidisseur, une succession de gorges. Une telle disposition est connue, notamment par un brevet français au nom de THOMSON HOUSTON-HOTCHKISS BRANDT, publié sous le nO 1.502.797, et qui décrit en détail la configuration à adopter pour obtenir une efficacité maximum du refroidissement par eau (et vapeur). La configuration ci-dessus décrite des tubes de puissance a un inconvénient, qui réside dans la capacité électrique présentée entre l'anode et la grille la plus proche de cette dernière, et particulièrement entre la paroi de fond d'anode et la paroi de fond de grille ; cette capacité constitue une limite au fonctionnement à des fréquences élevées (à partir d'environ 400 MHz). En vue de diminuer cette capacité, d'une part, on augmente la longueur de l'anode au-delà de la partie active, de sorte à écarter les deux parois de fond l'une de l'autre ; on réalise ainsi un espace ou cavité à l'intérieur de l'anode entre la paroi de fond de cette dernière et la paroi de fond de la grille ; et d'autre part, on augmente le diamètre intérieur de cette cavité d'anode par rapport au diamètre intérieur que comporte l'anode dans sa partie active. Ces modifications de géométrie de l'anode ont conduit à augmenter le diamètre extérieur de cette dernière, et par suite à augmenter l'épaisseur de la paroi de la partie active d'anode, de sorte à pouvoir monter le refroidisseur autour de l'anode d'une même manière que dans le cas précédent l'enveloppe intérieure du refroidisseur ayant le diamètre intérieur convenable pour que la section de passage de l'eau entre l'enveloppe intérieure et la partie active de l'anode détermine, comme il a été précédemment mentionné, en référence au brevet français n 1.502.797. les caractéristiques d'écoulement de l'eau utiles à optimiser le refroidissement du tube. A la suite de ces modifications de géométrie de l'anode, il a été constaté une augmentation du nombre de tubes présentant des défauts dus à un dégazage du matériau d'anode ( notamment baisse de densité d'émission thermo-électronique ; claquages électriques inter-électrodes diminution de la durée de vie du tube) ; ce matériau d'anode étant souvent du cuivre. L'auteur de l'invention a imputé ces dégazages du matériau d'anode à une température trop élevée de la surface Interne de la partie active d'anode, par suite d'une mauvaise efficacité du refroidissement. Aussi, un des buts de l'invention est de diminuer la température de la surface Interne de partie active d'anode, dans le cas des tubes électroniques de puissance présentant une faible capacité anode-grille et comportant un refroidisseur du type précédemment cité, dans lequel circule un fluide de refroidissement sous pression, de l'eau par exemple, dont les caractéristiques d'écoulement le long de l'anode conditionnent l'efficacité de l'échange thermique entre le fluide et la partie active de l'anode. Selon l'invention, un tube électronique de puissance, comportant une anode de section creuse sensiblement centrée autour d'un axe longitudinal du tube, un refroidisseur du type permettant la circulation forcée d'un fluide de refroidissement , l'anode comportant une partie active et une partie de fond formées successivement le long de l'axe longitudinal, la partie active ayant un premier diamètre intérieur et la partie de fond ayant un second diamètre intérieur plus grand que le premier diamètre intérieur, le refroidisseur ayant une enveloppe intérieure entourant la partie active , est caractérisé en ce que la partie active a un diamètre extérieur plus petit qu'un diamètre extérieur de la partie de fond, et en ce que l'enveloppe intérieure du refroidisseur comporte, en vis-a-vis de la partie active, un diamètre intérieur inférieur au diamètre extérieur de la partie de fond. Il résulte de cette disposition, par rapport à l'art antérieur, que la paroi dont est constituée la partie active de l'anode a une épaisseur plus faible, ce qui permet de diminuer la différence de température entre sa surface interne et sa surface externe qui est en contact avec le fluide de refroidissement ; ceci étant obtenu sans compromettre l'efficacité de l'échange thermique entre l'anode et le fluide de refroidissement. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif, et à la figure unique annexée qui montre schématiquement, par une vue en coupe, un tube électronique de puissance conforme à l'invention. La figure montre à titre d'exemple non limitatif, un tube électronique 1 de puissance conforme à l'invention. Dans l'exemple non limitatif décrit, le tube 1 est du type triode et comporte une cathode 5 à chauffage direct de forme cylindrique ayant pour axe un axe longitudinal 3 du tube 1. La cathode 5 est montée de manière conventionnelle comme montré par la figure : elle est fixée, d'une part à une tige centrale 2 et, d'autre part à un support tubulaire 19, par lesquels elle est électriquement reliée à un premier et à un second élements de connexion 12, 6 ; lesquels éléments de connexion 12, 6 sont mécaniquement solidarisés l'un à l'autre par une entretoise isolante 7. Une grille 8 entoure la cathode 5.La grille 8 a la forme générale d'un cylindre creux ayant pour axe l'axe longitudinal 3, et dont une extrémité 9, opposée au pied de tube 4, et fermée par une paroi de fond 10. La seconde extrémité 11 de la grille 8, opposée à la plaque de fond 10, s'étend Jusqu'au pied de tube 4 où elle est montée sur un troisième élément de connexion 13 qui. lui-meme est solidaire du second élément de connexion 6 par une entretoise isolante 14. On trouve ensuite, autour de la grille 8, une anode 15. L'anode 15 comporte une première partie 16 appelée partie active et, une seconde partie 17 appelée partie de fond et qui suit la partie active 16 le long de l'axe longitudinal 3.La partie active 16 d'anode est disposée en vis-à-vis de la cathode 5, c'est-à-dire que c est la partie active 16 qui capte les électrons (non représentés) émis par la cathode 5. En conséquence, c'est sur une surface interne 18 de la partie active 16, que l'impact des électrons engendre la température la plus élevée. La partie active 16 a la forme générale d'un cylindre creux ayant pour axe l'axe longitudinal 3, et dont une première extrémité située vers le pied de tube 4 et solidarisée, de manière en elle-même classique, d'une part à une bride 22, et d'autre part à un quatrième élément de connexion 23 lui-même solidarisé par une entretoise isolante 25 à la connexion de grille 13.Une parol 27 qui constitue la partie active 16 , s'étend depuis la bride 22 sur une longueur L1 qui correspond sensiblement à la longueur de la cathode 5 le long de l'axe longitudinal 3. En vue de réaliser la partie de fond 17, la paroi 27 se continue par une paroi repérée 27a qui s'écarte de l'axe longitudinal 3 et reste ensuite parallèle à ce dernier, jusqu'à atteindre une seconde plaque de fond 30 qui ferme l'anode du côté opposé au pied de tube 4. La partie active 16 comporte ainsi un premier diamètre intérieur dl imposé par les caractéristiques de fonctionnement du tube 1, alors que, en vue d'obtenir une capacité réduite entre les deux plaques de fond 10, 30, d'une part la partie de fond 17 a un second diamètre intérieur d2 plus grand que le diamètre intérieur dl de la partie active 16, et d'autre part, la face intérieure 31 de la seconde plaque de fond 30 d'anode est séparée de la première plaque de fond 10 de grille par une hauteur h relativement importante. Le tube 1 comporte en outre un refroidisseur 35 monté autour de l'anode 15. Dans l'exemple non limitatif décrit, le refroidisseur 35 comporte deux enveloppes 36,37 de forme générale cylindrique, coaxiales, et ayant chacune une première extrémité 38,39 fermée et une seconde extrémité 40,41 ouverte. L'enveloppe extérieure 36 est fixée par son extrémité ouverte 40 en appui sur la bride 22, de manière étanche, à l'aide par exemple de vis 43 et d'un Joint d'étanchéité 44 serré entre la bride 22 et l'enveloppe extérieure 36. L'extrémité ouverte 41 de l'enveloppe intérieure 37 n'est pas jointive avec la face de la bride 22, de sorte à former une ouverture 47 destinée au passage d'un fluide de refroidissement (non représenté). L'extrémité fermée 38 de l'enveloppe extérieure 36 comporte un ajutage d'entrée 49 par lequel est injecté, de manière classique, un fluide de refroidissement (non représenté) sous pression, de l'eau par exemple. Le fluide circule entre les deux parois 36,37 et pénètre, au niveau de la bride 22, dans une enceinte 50 formée entre l'enveloppe intérieure 37 et l'anode 15 ; le fluide sort ensuite de l'enceinte 50 par un ajutage de sortie 51 dont est munie l'enveloppe intérieure 37. En pénétrant dans l'enceinte 50, le fluide est mis au contact d'une surface extérieure 52 de la partie active 16, et emmagasine des calories cédées par cette dernière. Selon une caractéristique de l'invention, la paroi 27 de la partie active 16 a une épaisseur El aussi faible que possible, compte-tenu des impératifs de résistance mécanique du matériau et de l'étanchéité au vide, de sorte que le diamètre extérieur d3 de la partie active 16 est également minimum, c'est-à-dire plus petit que le diamètre extérieur d4 de la partie de fond 17 d'anode. Dans ces conditions1 la température de la surface interne 18 de la partie active 16 est aussi voisine que possible de la température de la surface externe 52 ; la surface externe 52 constituant la zone principale de transfert thermique. Dans l'art antérieur, le diamètre extérieur de la partie active 16 est le même que le diamètre exterieur de la partie de fond 17, ce qui confère une épaisseur El plus importante à la paroi 27. de la partie active 16, que l'épaisseur E4 de la paroi 27a de la partie de fond 17. Dans l'invention, comme expliqué ci-dessus, en réduisant le diamètre extérieur dl de la partie active 16, on va dans un sens favorable puisqu'on réduit ainsi l'épaisseur El de la paroi 27 ce qui tend à diminuer la différence de température entre les surface interne et surface externe, 18,52 de la partie active 16.Par contre, cette réduction du diamètre extérieur de la partie active 16 peut avoir un effet néfaste sur la qualité de l'échange athermique, entre le fluide et la surface externe 52 de la partie active 16, en modifiant localement la géométrie et par suite les caractéristiques d'écoulement du fluide. Aussi, selon une autre caractéristique de l'invention, la seconde enveloppe ou enveloppe intérieure 39 du refroidisseur 35 épouse sensiblement la forme de l'anode 15, c'est-à-dire que le long de l'axe longitudinal 3 et en partant de la bride 22, la paroi intérieure 37 comporte successivement une première et une seconde partie 60,61 ; la première partie 60 étant située en vis-à-vis de la partie active 16 et ayant un diamètre intérieur d5 plus petit que le diamètre intérieur d6 de la seconde partie 61.Ceci a pour effet de rapprocher l'une de l'autre la partie active 16 et la première partie 60 de ltenveloppe intérieure 39, qui peuvent alors être séparées par une distance D permettant de conférer au fluide de refroidissement la vitesse d'écoulement désirée au regard de la partie active 16, de sorte à optimiser dans cette zone le transfert thermique, comme enseigné notamment par le brevet ci-dessus cité. En effet, comme expliqué dans ce brevet, le meilleur échange thermique avec le fluide est obtenu quand la vitesse de ce dernier détermine des turbulences telles que le fluide est alors dérivé vers l'intérieur d'une succession de gorges 70, formées sur la surface extérieure 52 de la partie active 16, le long de l'axe longitudinal 3 ; une vaporisation du fluide se produisant dans ces gorges 70. Il peut être indiqué à titre d'exemple non limitatif, que les gorges 70 ont couramment une profondeur (non illustrée sur la figure) comprise entre 2 mm et 5 mm ; la distance D entre le sommet des gorges 70 et la première partie 60 de l'enveloppe intérieure 37 est de l'ordre de 1 mm ; l'épaisseur El de la paroi 27 de la partie active 16 est de l'ordre 5 mm et la différence entre les diamètres intérieurs dl, d2 de l'anode 15 est couramment de l'ordre de 20 mm. Avec l'invention, pour optimiser l'écoulement du fluide, le diamètre intérieur d5 de la première partie 60 de la paroi intérieure 37 est égal ou plus petit que le second diamètre extérieur d4 de le partie de fond 17 de l'anode. Il résulte de ceci une difficulté de montage, du fait que l'anode 15 ne peut être enfoncée dans l'enveloppe intérieure 37 à cause du trop grand diamètre extérieur d4 de la partie de fond 17 d'anode. Aussi, selon une version préférée de l'invention, en vue de résoudre ce problème, l'enveloppe intérieure 37 est munie d'une pièce intermédiaire 75, rapportée, disposée contre la partie active 16 et l'enveloppe intérieure 37, en appui contre cette dernière, et ayant une épaisseur E2 qui s'ajoute à l'épaisseur E3 de l'enveloppe intérieure 37. La pièce intermédiaire 75 constitue une pièce annulaire dont la mise en place, autour de la partie active 16 d'anode, peut être facilitée en réalisant la pièce intermédiaire en au moins deux pièces 75a, 75b séparables l'une de l'autre, et qui sont assemblées autour de la partie active 16 afin de constituer la pièce intermédiaire 75. Le montage peut consister ensuite à placer l'enveloppe intérieure 37 autour de l'anode 15, puis à fixer les pièces séparables 75a, 75b à l'enveloppe intérieure 37 par des vis 76, comme représenté sur la figure 1. Puis à placer ensuite l'enveloppe extérieure 36 autour de l'enveloppe intérieure 37, et à fixer l'enveloppe extérieure 36 sur la bride 22 ; les deux enveloppes 36, 37 du refroidisseur 35 étant solidarisées l'une à l'autre au niveau de l'ajutage de sortie 51 par une liaison mécanique étanche, comportant par exemple un joint 80 comme montré à la figure. Cette description constitue un exemple non limitatif, montrant comment conserver une efficacité maximum à un dispositif de refroidissement en lui-même connu, quand ce dispositif de refroidissement s'applique à un tube électronique de puissance ayant une forme particulière qui améliore son fonctionnement aux fréquences élevées. REVENDICATIONS 1 - Tube électronique comportånt, une anode (15)de section creuse disposée autour d'un axe longitudinal (3) du tube (1), un refroidisseur (35) du type permettant la circulation d'un fluide de refroidissement, l'anode (15) comportant une partie active (16) et une partie de fond (17) formées successivement le long de l'axe longitudinal (3), la partie active (16) ayant un premier diamètre intérieur (dl) et la partie de fond (17) ayant un second diamètre intérieur (d2) plus grand que le premier diamètre intérieur (dl), le refroidisseur (35) ayant une enveloppe intérieure (37) entourant la partie active (16), caractérisé en ce que la partie active (16) a un diamètre extérieur (d3) plus petit qu'un diamètre extérieur (d4) de la partie de fond (17), et en ce que l'enveloppe intérieure (37) du refroidisseur comporte, en vis-å-vis de la partie active (16), un diamètre intérieur (d5) inférieur au diamètre extérieur (d4) que comporte la partie de fond (17) d'anode. 2 ~ Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe intérieure (37) du refroidisseur (35) comporte une pièce intermédiaire (75) rapportée et disposée entre la partie active (16) d'anode et l'enveloppe intérieure (37), la pièce intermédiaire (75) étant en appui contre l'enveloppe intérieure (37) de manière à ajouter son épaisseur (E2) à l'épaisseur (E3) de l'enveloppe intérieure (37). 3 - Tube électronique selon la revendication 2 > caractérisé en ce que la pièce Intermédiaire (75) est fixée à l'enveloppe intérieure (37) par des vis (76) traversant l'épaisseur (E3) de l'enveloppe intérieure (37). 4 - Tube électronique selon l'une des revendicatlons 2 ou 3, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire (75) est constituée en au moins deux pièces (75a, 75b) séparables. 5 - Tube électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie active (16) a une épaisseur de paroi (El) égale ou inférieure à une épaisseur de paroi (E4) que comporte la partie de fond (17).