Brevet FR2649252A1 — publié le 19910104

*1 L'invention concerne essentiellement un procédé et un dispositif pour améliorer notamment la reproductibilité du régime de décharge d'un arc électrique produit entre deux électrodes, par interposition d'un liquide électriquement conducteur au moins entre les électrodes, et un appareil de génération d'ondes de choc utilisant un tel procédé ou dispositif, notamment pour la lithotrypsie hydraulique. Il est connu par le document RIEBER US-A-2 559 227 un appareil de génération d'ondes de choc de fréquence élevée, comprenant un réflecteur ellipsoidal tronqué 80 dans lequel sont générées des ondes de choc par décharge ou arc électrique entre deux électrodes concourantes au premier foyer de l'ellipsoide, de manière à détruire une cible disposée au deuxième foyer de l'ellipsoide, se trouvant à l'extérieur du réflecteur tronqué 80 (voir figure 3 et colonne 7, ligne 51, colonne 9, ligne 30). Des électrodes 12 et 13 sont réalisées en matériau haute- ment conducteur tel que du cuivre ou du laiton et sont montées sur un isolateur 26 qui est supporté de manière pivotante à l'aide d'un dispositif lia, lib, de manière à régler l'espacement entre celles- ci (voir colonne 4, lignes 42 à 53 et colonne 8, lignes 40 à 47). Lors de l'emploi de l'appareil RIEBER ou appareil simi- laire, on produit la décharge ou arc électrique entre les électro- des et grâce à la brusque décharge d'un condensateur 11, par la fermeture d'un interrupteur haute tension (voir figure 2b). Selon l'appareil RIEBER, le circuit entre les électrodes, comprend un condensateur, ainsi qu'une self-inductance associée. On a pu obser- ver que la décharge du condensateur est de type oscillatoire amor- ti. Autrement dit, le condensateur va se décharger puis se recharger en sens inverse à une tension plus basse que la tension initiale, qui est très élevée et de l'ordre de 15 000 à 20 000 V, puis de nouveau se recharger en sens direct jusqu'à épuisement des charges contenues dans le condensateur. Simultanément, il s'établit un arc électrique entre les deux électrodes dont le courant sera aussi, par voie de conséquen- ce, de type oscillatoire amorti comme cela se conçoit bien en réfé- rence à la figure la, lb et lc. Ainsi, la figure la représente le chronogramme des tensions, tandis que la figure lb représente le chronogramme des courants s'établissant dans le circuit de décharge du type RIEBER. On constate qu'à la fermeture du circuit au temps tl, la tension aux bornes des électrodes monte brusquement à la valeur de la tension aux bornes du condensateur (voir figure la). Un faible courant s'installe entre les deux électrodes (figure lb) car d'une part, le liquide dans lequel baignent les électrodes, habituellement de l'eau, est toujours légèrement électriquement conducteur, et d'autre part, pour des raisons de sécurité et d'a- morçage de l'arc, une résistance élevée est disposée en parallèle au condensateur d'alimentation des électrodes. Au bout d'un certain temps, c'est-à-dire au temps t2, qui est appelé temps de latence, l'arc s'établit entre les électrodes. A cet instant, le courant croit brusquement de plusieurs KA comme cela est clairement visible à la figure lb. On sait que l'arc est constitué par un plasma dont la résistance est extrêmement faible (de l'ordre du 1/100 ou 1/1000 d'ohm) et c'est la faible valeur de cette résistance qui explique l'importance des oscillations de cou- rant (figure lb) et de tension (figure la) lors de la décharge d'un condensateur dans un circuit de type RL. L'énergie contenue et dissipée par l'arc contribue à la vaporisation du liquide dans lequel baignent les électrodes, habi- tuellement de l'eau, à la création d'une bulle de vapeur et par conséquent à la formation de l'onde de choc. Plus cette énergie sera dissipée rapidement, plus l'onde de choc sera efficace. On constate ainsi que, du fait du caractère oscillatoire du courant, comme représenté figure lb, l'énergie fournit au milieu extérieur se fait progressivement comme cela est clairement illus- tré à la figure lc. On comprend ainsi que plus la vaporisation du liquide, en particulier de l'eau, sera rapide, plus l'onde de pression sera forte et plus son temps de montée sera bref. Ainsi, pour qu'une quantité importante de liquide, en particulier d'eau, soit vaporisée, il sera nécessaire de délivrer soudainement une énergie importante. Or, pratiquement la totalité des dispositifs actuellement connus aboutissent à des décharges qui sont toutes de type oscilla- toire amorti, comme représenté aux figures la et lb, aboutissant à une dissipation progressive de l'énergie au cours du temps (figure lc). Dans le document EP-A-O 296 912 antérieur des déposants, on a proposé une première solution pour délivrer soudainement ou en un temps relativement bref la plus grande partie de l'énergie emma- gasinée par la charge du condensateur du circuit de décharge entre deux électrodes. Pour se faire, on a proposé d'augmenter la résis- tance électrique au passage de l'arc électrique au moins entre les électrodes par interposition d'un élément isolant (32) à résistance élevée, entre les électrodes 12, 14 génératrices de l'arc. Cette solution donne entièrement satisfaction pour générer des ondes de choc dont l'onde de pression initiale est sensiblement sphérique. Cependant, cette solution antérieure est difficilement réalisable mécaniquement à cause de la faible dimension des électrodes et de la résistance mécanique aux ondes de choc. En outre, le problème du temps de latence n'est pas résolu étant donné qu'elle ne vise qu'à améliorer le régime de décharge une fois que l'arc électrique est établi ce qui n'améliore pas la reproductibilité de la décharge et donc de l'onde de choc. Ainsi, la présente invention a pour but principal de résoudre le nouveau problème technique consistant en la fourniture d'une solution permettant de délivrer soudainement en un temps relativement bref la plus grande partie de l'énergie emmagasinée par la charge du condensateur du circuit de décharge entre deux électrodes, en éliminant complètement ou sensiblement complètement le temps de latence habituellement nécessaire pour générer un arc électrique entre les électrodes. La présente invention a encore pour but de résoudre le nouveau problème technique consistant en la fourniture d'une solu- tion permettant de supprimer complètement ou sensiblement complète- ment le temps de latence de génération d'un arc électrique entre deux électrodes tout en améliorant de manière considérable la reproductibilité de l'onde de choc grâce à une amélioration impor- tante de la localisation de la génération de l'arc électrique. La présente invention a encore pour but de résoudre le nouveau problème technique consistant en la fourniture d'une solu- tion permettant de supprimer complètement ou sensiblement complète- ment le temps de latence de génération de l'arc entre les électro- des, tout en réalisant un arc électrique de type amorti critique aboutissant à une délivrance soudaine ou en un temps relativement bref de la plus grande partie de l'énergie emmagasinée par la char- ge du condensateur de circuit de décharge entre les électrodes. La présente invention a encore pour but de résoudre les nouveaux problèmes techniques précités tout en fournissant une solution permettant de réduire l'usure des électrodes. La présente invention a encore pour but de résoudre les nouveaux problèmes techniques énoncés ci-dessus d'une manière extrêmement simple, utilisable à l'échelle industrielle. Tous ces nouveaux problèmes techniques sont résolus pour la première fois par la présente invention de manière satisfaisan- te, peu couteuse, utilisable à l'échelle industrielle. Ainsi, selon la présente invention, on fournit, selon un premier aspect, un procédé pour améliorer le régime de décharge d'un arc électrique produit dans un milieu liquide tel que l'eau, entre au moins deux électrodes génératrices d'un tel arc, caractérisé en ce qu'on réduit considérablement la résistance au passage de l'arc électrique au moins entre les électrodes pour l'amener à une valeur de résistance voisine ou même inférieure à la résistance critique. Selon un mode de réalisation particulièrement préféré du procédé selon l'invention, pour diminuer cette résistance électri- que, on utilise un milieu liquide électriquement conducteur que l'on interpose au moins entre les électrodes. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, on utilise un milieu liquide électriquement conducteur dont la résistance électrique est au moins le 1/10, de préférence au moins le 1/100, de la valeur de résistance électrique de l'eau normalement ionisée servant de référence. Encore de préférence, la résistance électrique du milieu électriquement conducteur selon l'invention, exprimée enconductivité linéaire, est inférieure à environ 15 Ohm.cm. Des milieux liquides électriquement conducteurs peuvent être constitués par un électrolyte aqueux ou non aqueux. Comme électrolyte aqueux, on peut citer de l'eau chargée de composés ionisables notamment des sels,telsque des sels d'halogénures par exemple NaCl, NH4Cl, des sulfates ou des nitrates avec des métaux alcalins ou alcalino-terreux ou des métaux de transition tels que le cuivre. Un milieu liquide aqueux électriquement conducteur actuellement préféré est constitué par de l'eau salée à 100 ou 200 g/l ayant respectivement une valeur de conductivité linéaire de 10 et 5 Ohm.cm. Comme milieu liquide conducteur non aqueux, on peut citer des huiles conductrices, rendues conductrices par addition de particules conductrices, telles que des particules métalliques, qui sont bien connues à l'homme de l'art. Selon un deuxième aspect, la présente invention fournit également un dispositif pour améliorer le régime de décharge d'un arc électrique produit dans un milieu liquide tel que l'eau, entre au moins deux électrodes génératrices d'un tel arc, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour diminuer la résistance au passage de l'arc électrique au moins entre les électrodes pour l'amener à une valeur de résistance voisine ou inférieure à la résistance critique. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, ces moyens pour diminuer la résistance électrique au passage de l'arc électrique comprennent un milieu liquide électriquement conducteur interposé au moins entre les électrodes. Cette interpo- sition peut être réalisée en faisant baigner les électrodes dans ce milieu électriquement conducteur ou en injectant un milieu électri- quement conducteur au niveau des électrodes. D'autres caractérisques du milieu électriquement conduc- teur selon l'invention ont été décrites en relation avec le procé- dé et sont évidemment applicables au dispositif. Grâce à l'invention, la décharge se fait à travers un milieu électriquement conducteur ce qui supprime complètement ou sensiblement complètement le temps de latence. On aboutit également à une augmentation considérable de la reproductibilité de l'onde de choc générée entre les électrodes. Ceci est principalement dO au fait que dans le cas classique, l'arc s'amorce de façon aléatoire dans le temps et dans l'espace, induisant une bulle de vapeur non parfaitement localisée, ce qui n'est pas le cas selon la présente invention. Egalement, selon l'invention, on supprime la présence d'un courant oscillant, de sorte que la décharge est de type amorti critique, ce qui apparaîtra clairement à partir de la description faite en référence au dessin annexé. On comprend ainsi que selon l'invention, on obtient tous les avantages techniques inatendus, non évidents pour un homme de l'art, précédemment énoncés. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront également à l'homme de l'art au vu de la des- cription explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés, en particulier représentant un mode de réalisation actuel- lement préféré de l'invention, donné simplement à titre d'illus- tration et qui ne saurait donc en aucune façon limiter la portée de l'invention. Dans les dessins: - Les figures la, lb et lc représentent respectivement les courbes de tension, de courant et d'énergie lor de la décharge classique d'un arc électrique généré entre deux électrodes selon un circuit de décharge type RIEBER du brevet US-A- 2 559 227, représenté schématiquement en figure 2. - Le figure 2 représente donc schématiquement, en coupe partielle, un réflecteur ellipsoidal tronqué du type décrit dans le brevet US RIEBER 2 559 227, selon un plan de coupe transversal passant par les électrodes et le foyer interne du réflecteur tronqué ellipso!dal, avec le circuit de charge du condensateur et de décharge de celui-ci entre les électrodes, avec présence d'une résistance R disposée parallèlement au condensateur; et - Les figures 3a, 3b, 3c représentent respectivement comme les figures la, lb, lc les courbes de tension, de courant et d'énergie obtenues selon la présente invention avec utilisation d'un milieu liquide électriquement conducteur interposé au moins entre les électrodes. En référence à la figure 2, on a représenté schématique- ment un réflecteur ellipsoidal tronqué référencé de manière géné- rale 10, du type de celui décrit dans le brevet US RIEBER 2 559 227 pourvu de deux électrodes de décharge 12, 14 diamétralement oppo- sées, concourantes au foyer interne symbolisé par la référence F. Le deuxième foyer de l'ellipsoide est disposé à l'extérieur du réflecteur ellipsoidal tronqué 10 et c'est à ce second foyer que l'on fera coincider une cible qui est à détruire, comme cela est longuement décrit dans le brevet US RIEBER. Evidemment, cette cible peut également être constituée par une concrétion. L'électrode 12 est par exemple reliée à la terre ou la masse comme représenté à la figure 2 et à un côté d'un condensateur C. L'autre électrode 14 est reliée au condensateur C par l'intermédiaire d'un dispositif interrupteur I, par exemple un éclateur à gaz, qui est fermé par intermitence par une commande référencée 20 symboliquement. En parallèle au condensateur C, est disposée une résistance R de valeur élevée. Le condensateur est mis sous tension élevée de l'ordre de 10 000 à 20 000 V par une source de puissance comme cela est par exemple décrit à la figure 1 du document EP-A-O 296 912 des déposants, ce circuit n'étant pas représenté ici. Habituellement, le réflecteur ellipso!dal 10 est rempli d'un liquide de transmission d'ondes de choc habituellement constitué par de l'eau, dont la résistance au passage d'un courant 26492 52 électrique n'est pas négligeable. Cette valeur de résistance électrique, de l'eau normalement ionisée, exprimée en valeur de conductance linéaire, en moyenne, est de l'ordre de 1 500 Ohm.cm. Dans le cas d'huiles, qui sont très isolantes, comme dans le cas du brevet US RIEBER 2 559 227, la valeur de conductivité linéaire est de l'ordre de 3 à 5 M.Ohm.cm. Si l'on réalise une décharge électrique dans un tel cir- cuit tel que représenté à la figure 2, o le milieu liquide entre les électrodes 12, 14 est constitué par de l'eau normalement ioni- sée, on obtient un chronogramme de décharge tel que représenté aux figures la, lb et lc pour lequel il existe un temps de latence non négligeable tandis que le régime de décharge est du type oscilla- toire, ce qui délivre progressivement l'énergie au milieu exté- rieur. Selon la présente invention, on utilise des moyens rédui- sant considérablement la résistance au passage de l'arc au moins entre les électrodes pour l'amener au voisinage ou même en dessous de la résistance critique, ce qui constitue une solution qui va à l'encontre de celle qui a été préconisée dans le document EP-A-O 296 912 des déposants qui préconisait au contraire d'augmen- ter considérablement la résistance électrique entre les électrodes en interposant un élément isolant entre les électrodes. Selon l'invention, ces moyens de réductions de la résis- tance électrique comprennent de préférence un milieu liquide élec- triquement conducteur que l'on interpose au moins en partie entre les électrodes. Ceci peut être réalisé en pratique très aisément en faisant baigner les électrodes dans ce milieu électriquement conducteur, c'est-à-dire dans le cas de la lithotrypsie hydrauli- que, en remplissant le réflecteur ellipsoidal 10 de ce milieu liquide électriquement conducteur. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, les milieux liquides électriquement conducteurs présentent une résistance électrique qui est au moins 1/10 et de préférence au moins 1/100, la valeur de résistance électrique de l'eau normale- ment ionisée, servant de référence et qui est habituellement de l'ordre, exprimée en conductivité linéaire, de 1 500 Ohm.cm. De préférence, la résistance électrique du milieu électriquement con- ducteur selon l'invention, exprimée en conductance linéaire, est inférieure à environ 15 Ohm.cm. Comme milieu liquide électriquement conducteur selon l'invention, on peut utiliser tout liquide électriquement conduc- teur aqueux ou non aqueux. Comme liquide électriquement conducteur aqueux, on peut utiliser un électrolyte aqueux constitué à partir de l'eau pure auquel on ajoute des composés solubles ionisables comme des sels tels que les halogénures, en particulier les chlorures, les sulfates, les nitrates. Un électrolyte. aqueux particulièrement préféré est de l'eau à laquelle on a ajouté du NaCl ou du NH4Cl. Le milieu davantage préféré est de l'eau salée à 100 ou 200 g/l dont la conductivité linéaire respective est de 10 et 5 Ohm.cm. Comme électrolyte non aqueux, on peut citer des huiles électriquement conductrices, c'est-à-dire qui ont été rendues conductrices par l'ajout de particules électriquement conductrices, telles que des particules métalliques. Avec l'invention, utilisant un milieu liquide électrique- ment conducteur, on obtient un chronogramme de décharge tel que représenté aux figures 3a, 3b, 3c. On constate que, dès la mise sous tension au temps t1 des électrodes, la génération de l'arc est quasi- instantanée. En outre, cette décharge est du type amorti critique, et n'est plus du type sinusoïdal. L'énergie est également délivrée au milieu extérieur pendant un temps beaucoup plus court que dans le cas d'un régime oscillant, ou dans le cas des régimes antérieurs avec temps de latence. On aboutit à une augmentation considérable de la repro- ductibilité de l'onde de choc grâce au fait que l'arc ne s'amorce plus de façon aléatoire dans le temps et dans l'espace, mais au contraire au temps t1 et induit une bulle de vapeur parfaitement localisée. Le chronogramme de la figure 3 a été obtenu avec l'uti- lisation d'une eau salée à 200 g/l comme milieu liquide électrique- ment conducteur baignant les électrodes 12, 14, en utilisant un condensateur ayant une capacitance de 100 nF, un écartement des électrodes de 0,4 mm, le circuit de décharge de la figure 2 ayant au total une self interne L de 80 nH. Dans la description et les revendications, on rappelera que la résistance critique est la valeur de la résistance inter- électrodes pour laquelle la relation: Rc = - est sensiblement satisfaite. formule dans laquelle L est la valeur de self interne du circuit de décharge du condensateur C, et C est la valeur de capacitance du condensateur. On observera qu'avec l'invention, utilisant un milieu liquide électriquement conducteur, on obtient une excellente repro- ductibilité des ondes de choc, l'écart type étant inférieur à 5%, en particulier dans le cas de l'utilisation d'eau salée, tandis que cet écart type est de l'ordre de 30% dans le cas d'utilisation d'eau normalement ionisée. L'invention permet donc d'aboutir à tous les avantages techniques innatendus, non évidents précédemment énoncés et permet donc bien de résoudre les problèmes techniques précédemment énoncés. L'invention permet également de mettre oeuvre le procédé précédemment énoncé. Enfin, la présente invention couvre également un appareil de génération d'ondes de choc par génération d'un arc électrique entre deux électrodes, caractérisé en ce qu'il utilise un procédé ou un dispositif d'amélioration du régime de décharge tel que pré- cédemment décrit. En particulier, cet appareil de génération d'ondes de choc est caractérisé en ce qu'il comprend un réflecteur ellipsoidal tronqué rempli d'un milieu liquide électriquement con- ducteur selon l'invention. 26492S2 Il REVENDICATIONS 1. Procédé pour améliorer notamment la reproductibilité du régime de décharge d'un arc électrique produit dans un milieu liquide, tel que l'eau, entre au moins deux électrodes génératrices d'un tel arc, caractérisé en ce qu'on réduit considérablement la résistance au passage de l'arc électrique au moins entre les électrodes pour l'amener à une valeur de résistance voisine même inférieure à la résistance critique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un milieu liquide électriquement conducteur que l'on inter- pose au moins entre les électrodes. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la résistance du milieu liquide électriquement conducteur pré- cité, est au moinsle 1/10, de préférence au moins le 1/100 de la valeur de résistance de l'eau normalement ionisée, servant de référence. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la résistance électrique du milieu liquide électriquement conduc- teur précité, exprimée en conductivité linéaire, est inférieure à environ 15 Ohm.cm. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le milieu liquide électriquement conducteur est constitué par un électrolyte aqueux ou non aqueux, avantageusement par de l'eau salée. 6. Dispositif pour améliorer le régime de décharge d'un arc électrique produit dans un milieu liquide, tel que de l'eau entre au moins deux électrodes génératrices d'un tel arc, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens réduisant considérablement la résistance de passage de l'arc électrique au moins entre les électrodes pour l'amener au voisinage ou même en dessous de la résistance critique. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ces moyens comprennent un milieu liquide électriquement conduc- teur interposé au moins entre les électrodes-ou en injectant un mi- lieu électriquement conducteur au niveau des électrodes. 8. Dispositif selon les revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que ce milieu liquide électriquement conducteur présente une résistance électrique, mesurée en conductivité linéaire, qui est au moins le 1/10, de préférence au moins le 1/100, de la valeur de résistance de l'eau normalement ionisée, servant de référence. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le milieu liquide électriquement conducteur est constitué par un électrolyte aqueux ou non aqueux. 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caracté- risé en ce que le milieu liquide électriquement conducteur est constitué par un électrolyte aqueux formé à partir d'eau pure dans laquelle on a ajouté des composés ionisàbles et notamment des sels tels que des sels d'halogénure, des sulfates ou des nitrates. 11. - Dispositif selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le milieu électriquement conducteur présente une résistance électrique, exprimée en conductivité linéaire inférieure à environ 15 Ohm.cm, par exemple de l'eau salée à 100 ou 200 g/l. 12. Appareil de génération d'ondes de choc par génération d'un arc électrique entre deux électrodes, caractérisé en ce qu'il- comprend un dispositif tel que décrit selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, ou en ce qu'il utilise le procédé tel que défini selon l'une quelconque des revencations 1 à 5. 13. Apareil de génération d'ondes de choc selon la revendi- cation 12, caractérisé en ce qu'il comprend un réflecteur ellipsoi- dal tronqué (O10), rempli d'un liquide électriquement conducteur tel que précédemment défini selon l'une quelconque des revendications 2 à 11.