Brevet FR2634078A1 — publié le 19900112

I 2634078 MAGNETRON AGILE AVEC MOTEUR D'ACCORD A REFROIDISSEMENT AMELIORE L'invention concerne les magnétrons, et plus spécialement les magnétrons agiles, c'est-à-dire des magnétrons dont la fré- quence est accordable très rapidement. De tels magnétrons sont réalisés généralement selon deux sortes de techniques. La première technique consiste à faire tourner à l'extrémi- té du circuit hyperfréquence du magnétron un système d'ailettes dont la présence modifie la fréquence d'accord. La fréquence du magnétron varie alors en fonction de la périodicité, régulière ou non, de passage des ailettes entraînées par un moteur rotatif. Ces magnétrons sont appelés en anglais "Spin-tuned magnetrons" La deuxième technique consiste à modifier l'accord par un piston qui se déplace linéairement dans une cavité d'accord. Le piston est mû par un moteur linéaire constitué comme une bobine de haut-parleur; ces magnétrons sont appelés en anglais "voice- coil magnetrons". Une bobine parcourue par un courant variable est placée dans l'entrefer d'un aimant produisant un champ radial par rapport à la bobine. Dans les deux techniques, le moteur (linéaire ou rotatif) comporte des bobinages parcourus par des courants relativement importants; ces bobinages chauffent et le moteur est refroidi par conduction thermique à travers les supports mécaniques et par convexion thermique à travers l'atmosphère environnant les bobina- ges du moteur. Pour résoudre le problème de la dissipation thermique, on a cherché à optimiser des paramètres tels que le nombre de spires des bobinages et la section des fils constituant les bobinages. Pour bénéficier d'une bonne agilité de fréquence, il faut utiliser une masse faible de bobinages; cela permet de réduire l'énergie cinétique de l'ensemble mobile, donc la puissance néces- saire pour le mouvoir. Il faut donc réduire la longueur des spires de bobinage et/ou leur section, c'est-à-dire qu'on peut jouer sur trois para- mètres: nombre de spires, section du bobinage, diamètre des spires. Mals si on réduit le nombre de spires, on réduit la force électromagnétique qui s'exerce sur le bobinage; si on réduit le diamètre des spires c'est la même chose. Et si on réduit la sec- tion des fils du bobinage, on augmente la résistance électrique du bobinage, donc on augmente la quantité de chaleur. On est donc très limité sur les possibilités de choix de nombre de spires, de section des fils et de diamètre, et on s'aperçoit que pour obtenir un magnétron véritablement agile, il faut un moteur dissipant une quantité de chaleur élevée dans un faible volume. Des valeurs typiques calculées sont par exemple un diamè- tre de 48 millimètres, une résistance de 0,02 ohms, une densité de courant de 30 ampères par millimètre carré de section de con- ducteur, une dissipation thermique de 50 watts, une surface de bobine d'environ 15 centimètres carrés pour dissiper la puis- sance, et par conséquent une densité de puissance à évacuer de l'ordre de 3 watts par centimètre carré de surface extérieure de bobine. Selon l'invention, on joue sur le fait que le bobinage du moteur est très proche des pièces polaires (espacement inférieur à 1 millimètre environ), de sorte que la transmission de chaleur à travers cet espace peut se faire de manière prépondérante par conduction thermique à travers cet espace s'il est rempli d'un gaz, alors que la transmission de chaleur se ferait d'une manière prépondérante par convexion si l'épaisseur était notablement plus importante. C'est pourquoi, selon l'invention, on propose de remplir l'espace dans lequel se déplacent les bobinages avec un gaz à haute conductivité thermique tel que de l'hydrogène ou de l'hé- lium. Par haute conductivité thermique on entendra ici une con- ductivité thermique qui est égale à plusieurs fois celle, de l'air, de préférence au moins trois à quatre fois celle de l'air. A titre d'exemple, l'hélium a une conductivité thermique d'environ six fois celle de l'air et l'hydrogène environ sept fois celle de l'air. Le refroidissement ainsi obtenu par conduction thermique à travers une lame gazeuse très mince, inférieure de préférence à 1 millimètre, entre le bobinage dissipant de la chaleur et les pièces polaires du moteur servant de radiateur de dissipation, peut être beaucoup plus efficace; on estime qu'en présence d'air on obtiendrait un écart de température de plusieurs centaines de degrés entre les bobinages et la paroi froide des pièces polal- res, alors qu'on doit pouvoir descendre dans les mêmes conditions au dessous de cent degrés avec de l'hélium, et encore moins avec de l'hydrogène. La mince lame gazeuse dans l'entrefer joue le rôle d'un shunt thermique très efficace entre le bobinage (source de cha- leur) et les pièces polaires (drain thermique). De préférence, le gaz est enfermé dans une enceinte étan- che. La pression de ce gaz peut être la pression atmosphérique, mais l'évacuation de chaleur est encore améliorée si la pression est plus élevée; on choisira donc de préférence une pression de l'ordre de une à trois fois la pression atmosphérique. La figure unique représente la structure générale d'un moteur linéaire de magnétron agile selon l'invention. L'inventlon est décrite et représentée en détail à propos d'un moteur de type linéaire du type à bobine de haut-parleur car c'est là qu'elle trouve son application la plus intéressante. Le moteur selon l'invention comprend un aimant ou un ensem- ble d'aimants 10 produisant un champ radial par rapport à l'axe de la bobine, qui est un axe vertical sur la figure. Le champ de l'aimant se referme radialement grâce à deux pièces polaires 12 et 13 définissant entre elles un entrefer cylindrique étroit 14. La bobine 16 constituant l'élément actif du moteur est une bobine cylindrique pouvant se déplacer vertica- lement dans cet entrefer. La bobine 16 fait partie d'un équipage mobile 18 constitué d'une part par un support pour la bobine et d'autre part un pis- ton 20 qui entraîne un élément d'accord du magnétron. Cet élé- ment d'accord n'est pas représenté; Il peut être constitué par l'extrémité du piston ou tout autre élément entraîné par le pis- ton. Le déplacement de l'équipage mobile ne peut se faire qu'axi- alement, le mouvement étant guidé par un arbre 22 solidaire de l'équipage mobile, l'arbre 22 pénétrant dans un alésage axial 24 de l'une des pièces polaires. Une enceinte étanche 26 entoure la zone dans laquelle peut se déplacer la bobine 16, c'est-à-dire principalement l'entrefer 14. Cette enceinte est remplie d'un gaz à haute conductivité thermique 28, de préférence de l'hydrogène, ou de l'hélium dont la conductivité thermique est légèrement plus faible mais qui est moins dangereux. L'encelnte est de préférence fermée et étanche bien qu'on puisse Imaginer aussi des réalisations dans lesquelles il y a une circulation du gaz 28 à haute conductivité thermique. La pression dans l'enceinte est soit la pression atmosphérique soit, comme on l'a dit plus haut une pression plus élevée, par exemple entre une et trois fois la pression atmosphérique. La fermeture de l'enceinte 26 est par exemple assurée par une membrane souple 30 fixée d'une part à la paroi de l'enceinte et d'autre part -l'équipage mobile 18. Pour bénéficier au maximum des avantages de l'invention, il est nécessaire que l'intervalle entre la bobine 18 et les pièces polaires qui lui servent de paroi froide et qui sont directement en vis-à-vis d'elles soit aussi réduit que possible, et de préfé- rence inférieur à un millimètre (par exemple 0,5 millimètre). C'est dans ces conditions que la conduction thermique de- vient prépondérante par rapport à la convexion et qu'on bénéficie donc efficacement du fait qu'on a placé un gaz de haute conducti- vité thermique dans l'entrefer 14. REVENDICATIONS 1. Magnétron agile comprenant un moteur d'accord de fréquence, ce moteur comportant un bobinage (16) se déplaçant dans un entrefer très étroit (14) en regard d'une pièce polaire (13), caractérisé en ce que, en vue d'améliorer le refroidisse- ment du moteur, on remplit l'espace entre le bobinage et la pièce polaire avec un gaz à haute conductivité thermique (28) tel que de l'hydrogène ou de l'hélium. 2. Magnétron selon la revendication 1, caractérisé en ce I0 qu'il comporte une enceinte fermée (26) entourant l'entrefer (14) et contenant le gaz (28) à haute conductivité thermique. 3. Magnétron selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz est à une pression comprise entre une et trois fois la pression atmosphérique. 4. Magnétron selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il possède un moteur linéaire constitué par une bobine cylindrique se déplaçant axialement dans un entrefer cylindrique.