Brevet FR2672727A1 — publié le 19920814

4- DISPOSITIF INTERRUPTEUR HAUTE TENSION ET COMMUTATEUR HAUTE TENSION L'invention concerne les commutateurs haute tension et, plus particulièrement, ceux qui sont utilisés pour alimenter alternativement au moins deux tubes à rayons X à partir d'un générateur haute tension unique. Les tubes à rayons X, pour diagnostic médical par exemple, sont généralement constitués (figure 1) comme une diode, c'est-à-dire avec une cathode 11 et une anode 12 ou anti-cathode, ces deux électrodes étant enfermées dans une enveloppe 14 étanche au vide et qui permet de réaliser l'isolement électrique entre ces deux électrodes La cathode 11 produit un faisceau d'électrons 13 et l'anode reçoit ces électrons sur une petite surface qui constitue un foyer d'o sont émis les rayons X. Quand la haute tension d'alimentation est appliquée par un générateur 15 aux bornes de la cathode 11 et de l'anode 12 de façon que la cathode soit au potentiel négatif -HT et l'anode au potentiel +HT, un courant dit courant anodique s'établit dans le circuit au travers du générateur 15 produisant la haute tension; le courant anodique traverse l'espace entre le cathode et l'anode sous la forme du faisceau d'électrons 13 qui bombardent le foyer. Une faible proportion de l'énergie dépensée à produire le faisceau d'électrons 13 est transformée en rayons X, le reste de cette énergie étant transformé en chaleur. Aussi, compte tenu également des puissances instantanées importantes mises en jeu (de l'ordre de 100 KW) et des petites dimensions du foyer (de l'ordre du millimètre), les constructeurs ont depuis longtemps réalisé des tubes à rayons X à anode tournante o l'anode est mise en rotation pour répartir le flux thermique sur une couronne appelée couronne focale, d'aire beaucoup plus grande que le foyer, l'intérêt étant d'autant plus grand que la vitesse de rotation est élevée (en général entre 3.000 et 12 000 tours par minute). L'anode tournante de type classique a la forme générale d'un disque ayant un axe de symétrie 16 autour duquel elle est mise en rotation à l'aide d'un moteur électrique 17; le moteur électrique a un stator 18 situé à l'extérieur de l'enveloppe 14 et un rotor 19 monté dans l'enveloppe 14 du tube à rayons X et disposé selon l'axe de symétrie 16, le rotor étant mécaniquement solidarisé à l'anode par l'intermédiaire d'un arbre support 20. Le générateur haute tension 15, qui fournit entre les bornes -HT et +HT une tension comprise entre 50 et 160 kilovolts, est un élément important, volumineux et coûteux d'un appareil radiologique Aussi, dans les installations de radiologie comportant plusieurs tubes à rayons X, il est prévu de n'utiliser qu'un seul générateur haute tension que l'on connecte aux différents tubes à rayons X par l'intermédiaire d'un commutateur haute tension dont le schéma de principe est donné par la figure 2 dans le cas d'un commutateur 21 d'alimentation de deux tubes A et B Il comprend deux bornes d'entrée 22 et 23 connectées respectivement aux bornes +HT et -HT du générateur haute tension et deux paires de bornes de sortie 24, 25 et 26, 27 connectées respectivement aux tubes A et B La commutation est réalisée grâce à deux bras rotatifs 28 et 29 connectés d'un côté (plots 22 ' et 23 ')respectivement aux bornes d'entrée 22 et 23 et de l'autre soit aux bornes de sortie 24 et 25 (plots 24 ' et 25 ') pour une première position des bras (alimentation du tube A), soit aux bornes de sortie 26 et 27 (plots 26 ' et 27 ')pour une deuxième position des bras (alimentation du tube B). Avec un tel mécanisme, il est nécessaire que les distances séparant les différents plots soient suffisamment grandes pour éviter une conduction par arc électrique Ainsi, dans l'air sec, les distances devront être de l'ordre de plusieurs centimètres, par exemple 15 centimètres pour 150 kilovolts, ce qui conduit à des commutateurs de grandes dimensions et donc très encombrants Aussi, pour réduire cet encombrement, il est habituel de disposer le ou les commutateurs dans une enceinte remplie d'huile isolante dont la tension de claquage est égale ou supérieure à 10 kilovolts par millimètre au lieu d'un kilovolt par millimètre dans l'air sec Ceci conduit, bien entendu, à un encombrement réduit mais avec la sujétion de l'utilisation d'une enceinte remplie d'huile. Le but de la présente invention est donc de réaliser un commutateur haute tension d'encombrement réduit, avec ou sans utilisation d'huile isolante, en mettant en oeuvre une barrière de potentiel en matériau à haute rigidité, tel qu'un polymère du type polypropylène ou polyéthylène dont la tension de claquage est égale ou supérieure à 80 kilovolts par millimètre. L'invention concerne un dispositif interrupteur haute tension, caractérisé en ce qu'il comprend un plot fixe et un plot mobile qui sont disposés en regard l'un de l'autre, le plot mobile étant monté à une extrémité d'une lame courbe élastique qui est mobile longitudinalement en direction du plot fixe tandis que l'autre extrémité est fixe, et des moyens d'isolation et de déplacement longitudinal de l'extrémité mobile de la lame de manière que, dans une première position, le plot mobile vienne en contact avec le plot fixe tandis que, dans une deuxième position, le plot mobile soit éloigné du plot fixe et soit séparé de ce dernier par un matériau isolant. Les moyens d'isolation et de déplacement longitudinal comprennent un manchon en matériau isolant qui est monté tournant autour d'un élément circulaire fixe de manière à entourer la lame flexible et qui est relié à la lame flexible par un bras articulé dont l'extrémité est guidée par une fente dudit élément circulaire disposée parallèlement à la lame flexible, de sorte que la rotation du manchon dans un sens déplace le plot mobile pour venir en contact avec le plot fixe en traversant la paroi du manchon par un orifice de la paroi tandis que la rotation dans le sens inverse éloigne le contact mobile du contact fixe et interpose la paroi du manchon entre les deux plots. Un commutateur haute tension pour appliquer ou non une haute tension (+ HT ou -HT) à un appareil d'utilisation tel qu'un tube à rayons X est caractérisé en ce qu'il comprend deux dispositifs interrupteurs décrits ci-dessus dont les plots de même type sont connectés l'un à la haute tension +HT et l'autre à la haute tension -HT tandis que les plots de l'autre type sont connectés à l'appareil d'utilisation et un dispositif de commande de la rotation en synchronisme des moyens d'isolation et de déplacement. Un commutateur haute tension pour appliquer une haute tension (+HT,-HT) soit à un premier dispositif d'utilisation tel qu'un premier tube à rayons X, soit à un deuxième dispositif d'utilisation tel qu'un deuxième tube à rayons X est caractérisé en ce qu'il comprend quatre dispositifs interrupteurs dont les plots fixes sont connectés deux à deux à la haute tension +HT et à la haute tension -HT et dont les plots mobiles sont connectés deux à deux aux premier et deuxième dispositifs d'utilisation et un dispositif de commande de la rotation en synchronisme des moyens d'isolation et de déplacement pour, dans une première position, établir le contact entre les plots des dispositifs interrupteurs associés au premier dispositif d'utilisation tandis que les plots des dispositifs interrupteurs associés au deuxième dispositif d'utilisation sont ouverts et, dans une deuxième position, établir le contact entre les plots des dispositifs interrupteurs associés au deuxième dispositif d'utilisation tandis que les plots des dispositifs interrupteurs associés au premier dispositif d'utilisation sont ouverts. D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe d'un tube à rayons X à anode tournante alimenté par un générateur haute tension, la figure 2 est un schéma de principe d'un commutateur haute tension du type à bras rotatifs selon l'art antérieur, la figure 3 est une vue en perspective, en partie -écorchée, du commutateur haute tension selon l'invention tel qu'il est monté dans son boîtier, la figure 4 est une vue de côté du commutateur de la figure 3, boîtier enlevé, les figures 5-a et 5-b sont des vues en coupe montrant deux positions du dispositif de contact selon l'invention, les figures 6-a et 6-b sont des vues de face du dispositif de contact selon l'invention correspondant respectivement aux figures 5-a et 5-b tandis que la figure 6-c est une vue montrant les deux positions du contact, et la figure 7 est une vue de face schématique montrant un commutateur complet selon l'invention. Un commutateur selon l'invention comprend (figure 3) un boîtier 31 qui sert de support aux différents éléments de commutation proprement dits et aux différents connecteurs électriques d'entrée et de sortie de la haute tension Les connecteurs électriques 32 à 37 comportent deux connecteurs d'entrée 32 et 33 qui sont connectés respectivement aux deux pôles +HT et -HT du générateur haute tension 15 (figure 1) et quatre connecteurs de sortie 34 à 37 qui sont connectés aux bornes d'entrée haute tension des tubes A et B à rayons X De manière connue, chaque connecteur est constitué par une partie femelle, montrée sur les figures 3 et 4, dans laquelle s'emboîte une partie mâle, non représentée, qui est connectée par un câble soit au générateur haute tension, soit aux tubes à rayons X. Chaque partie femelle 32 ' à 37 ' a la forme d'un manchon à section circulaire, réalisé en matériau isolant, comportant une extrémité ouverte pour l'emboîtement de la partie mâle et une extrémité fermée qui porte des plots électriques 39 Au niveau de l'extrémité ouverte, chaque manchon présente une collerette externe, référencée 33 c et 37 c pour les connecteurs 33 et 37, qui vient s'appuyer sur le bord d'un orifice circulaire percé dans le couvercle 38 du boîtier 31 de sorte que les plots électriques sont situés à l'intérieur du boîtier. Un plot électrique 39 du connecteur d'entrée 32 est connecté, par exemple, à deux contacts fixes 34 f et 35 f (Figure 7) associés respectivement aux connecteurs de sortie 34 et 35 tandis qu'un plot électrique 39 du connecteur d'entrée 33 est connecté aux deux autres contacts fixes 36 f et 37 f (Figure 7) associés respectivement aux connecteurs de sortie 36 et 37 Les contacts fixes 34 f, 35 f, 36 f et 37 f sont portés par une barrette rigide 40 solidaire d'une des parois du boîtier 31. Chaque contact fixe 34 f à 37 f est disposé respectivement en regard d'un contact mobile 34 m à 37 m porté par un dispositif de contact 34 d à 37 d qui est monté sur les plots électriques 39 de chaque partie femelle 34 ' à 37 'd'un connecteur de sortie 34 à 37. Comme le montrent les figures 5, 6 et 7, chaque dispositif de contact mobile 34 d à 37 d comprend un manchon 41, en matériau isolant, à section transversale circulaire dont la paroi intérieure présente deux épaulements 50 et 51 séparés par une distance b contre lesquels s'appuient deux pastilles circulaires en matériau isolant 42 et 43 La pastille 42 est fixée à la partie femelle par des écrous 44 et 45 vissés sur les extrémités filetées des plots électriques 46 et 47, respectivement La pastille 43 est fixée à la pastille 42 par l'intermédiaire d'entretoises et de vis telles que celles référencées 48 et 49 sur la figure 5-a La longueur des entretoises est égale à la distance b entre les épaulements 50 et 51, ce qui permet au manchon 41 de tourner autour des pastilles 42 et 43. Le contact mobile m est disposé entre les deux pastilles 42 et 43 et est porté par une lame 52 à une extrémité, l'autre extrémité de ladite lame étant fixée au plot électrique 47 qui doit appliquer la haute tension au tube Cette lame 52, réalisée en métal conducteur, présente une partie rectiligne 53 qui longe la pastille 43 et une partie courbe 54, à proximité du plot 47, qui est flexible en direction du contact mobile m et inversement. Le déplacement du contact mobile m est obtenu par un bras 55 dont une extrémité est fixée à la lame 52 et dont l'autre extrémité est fixée au manchon 41 La fixation à la lame 52 est réalisée par l'intermédiaire d'une encoche 56 qui est parallèle à la lame de manière à servir de guide et la fixation au manchon 41 est réalisée par une vis 57 traversant une encoche pratiquée dans la paroi du manchon. Ainsi, par ce montage, lorsque le manchon est dans la position des figures 5-a et 6-a, le bras 54 est parallèle à la lame 52 et éloigne le contact mobile m du contact fixe f; par contre, lorsque le manchon a une position différente de celle des figures 5-a et 6-a, le bras 54 est disposé obliquement par rapport à la lame 52 et déplace le contact mobile m en direction du contact fixe f. Pour que le contact mobile m vienne en contact avec le contact fixe f, la paroi du manchon 41 présente une encoche 58 au niveau de l'espace séparant les deux pastilles 42 et 43 La position de cette encoche 58 sur le pourtour du manchon et sa longueur sont telles qu'elles permettent le passage de la lame 52 pour que le contact m vienne abuter sur le contact fixe f pour la position du manchon et du bras 55 représentée sur les figures 5-b et 6-b; dans cette position, l'extrémité de la lame 52, côté contact mobile m, vient en butée sur le bord de l'encoche, ce qui arrête la rotation du manchon 41 et, par voie de conséquence le mouvement du contact mobile en direction du contact fixe. La position de l'autre bord de l'encoche est déterminée par la longueur du déplacement effectué par le contact mobile dans son mouvement de retrait vis-à-vis de la longueur de la distance qui sépare diamétralement le contact fixe de l'intérieur de la paroi du manchon: lorsque ces deux longueurs sont égales, la paroi du manchon peut s'interposer entre le contact mobile et le contact fixe et constitue une isolation très efficace. Dans la position du contact mobile la plus éloignée du contact fixe (figures 5-a et 6-a), la paroi du manchon doit séparer les deux contacts; si l'on continue le mouvement de rotation du manchon au-delà, le contact mobile se rapproche du contact fixe et vient en butée contre la paroi interne du manchon, ce qui arrête son mouvement. Cette position en butée n'est pas souhaitable car la partie métallique du contact mobile pourrait se polluer, ce qui nuirait à l'obtention d'un bon contact électrique entre les deux plots en regard Pour cette raison le dispositif de commande de rotation présente un débattement limité pour éviter que les contacts ne touchent les parois des manchons D'une manière générale, l'insertion du manchon isolant 41 entre les contacts doit se faire sans frottement. La figure 7 montre les positions respectives des manchons et des contacts du commutateur selon l'invention dans le cas de l'alimentation alternative de deux tubes A et B à rayons X ainsi que la position du dispositif de commande de la rotation des manchons Les dispositifs de contact 35 d et 37 d sont représentés en position fermée tandis que les dispositifs de contact 34 d et 36 d sont représentés en position ouverte telle que la paroi du manchon 41 s'interpose entre les deux contacts. Le dispositif de commande de la rotation des quatre manchons est constitué par une barrette rigide 60 en matériau isolant qui est prévue pour se déplacer longitudinalement de gauche à droite (flèche 61) et de droite à gauche sous l'action d'une tige 62 en matériau isolant à mouvement rotatif qui porte un ergot 64 coopérant avec une rainure 63 de la barrette 60 La barrette 60 présente des rainures ou encoches 65 à 68 de direction parallèle aux lames flexibles 52 qui coopèrent respectivement avec des ergots 69 à 71 portés respectivement par le pourtour des manchons 34 d à 37 d. La rotation de la tige 62 dans le sens de la flèche 73 provoque le déplacement linéaire de la barrette 60 dans le sens de la flèche 61; ce déplacement entraîne la rotation des quatre manchons 41 dans le sens des flèches 74 de sorte que les bras 55 prennent les positions indiquées en pointillés à l'extrémité des flèches 74. Dans cette deuxième position, les contacts 34 m et 36 m abutent respectivement sur les contacts 34 f et 36 f tandis que les contacts 35 m et 37 m sont séparés respectivement des contacts 35 f et 37 f par la paroi des manchons 41. On comprend que la rotation inverse de la tige 62 provoque le retour des dispositifs de contact aux positions indiquées sur la figure 7. La description qui vient d'être faite du commutateur haute tension montre qu'il est constitué de quatre dispositifs interrupteurs haute tension qui réalisent chacun de manière indépendante la fermeture ou l'ouverture des contacts en regard, l'espace séparant les contacts en position d'ouverture étant occupé par la paroi isolante du manchon. On peut alors réaliser un commutateur bipolaire en utilisant deux dispositifs interrupteurs, un dispositif interrupteur par pâle. Comme on l'a indiqué dans la description, tous les il éléments, à l'exception de ceux participant à la conduction électrique sont en matériau isolant à grande rigidité électrique, rigidité qui correspond à une tension de claquage de plusieurs dizaines de kilovolts par millimètre Ce matériau isolant est, de préférence un polymère tel qu'un polyéthylène ou un polypropylène. Sur les figures 5-a et 5-b, les éléments référencés 80 et 81 sont des conducteurs électriques qui servent à l'alimentation électrique du filament de la cathode du tube à rayons X. REVENDICATIONS 1 Dispositif interrupteur haute tension, caractérisé en ce qu'il comprend un plot fixe (f) et un plot mobile (m) qui sont disposés en regard l'un de l'autre, le plot mobile (m) étant monté à une extrémité d'une lame courbe conductrice et élastique ( 52) qui est mobile longitudinalement en direction du plot fixe (f) tandis que l'autre extrémité est fixe, et des moyens ( 41, 42, 43, 55) d'isolation et de déplacement longitudinal de l'extrémité mobile de la lame ( 52) de manière que, dans une première position, le plot mobile (m) vienne en contact avec le plot fixe (f) tandis que, dans une deuxième position, le plot mobile (m) soit éloigné du plot fixe (f) et soit séparé de ce dernier par un matériau isolant. 2 Dispositif interrupteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'isolation et de déplacement longitudinal comprennent un manchon ( 41) en matériau isolant qui est monté tournant autour d'un élément circulaire fixe ( 42, 43) de manière à entourer la lame flexible ( 52) et qui est relié à la lame conductrice et élastique ( 52) par un bras ( 55) articulé dont l'extrémité est guidée par une fente ( 56) dudit élément circulaire disposée parallèlement à la lame conductrice et élastique ( 52), de sorte que la rotation du manchon ( 41) dans un sens déplace le plot mobile (m) pour venir en contact avec le plot fixe (f) en traversant la paroi du manchon ( 41) par un orifice ( 58) de la paroi tandis que la rotation dans le sens inverse éloigne le contact mobile (m) du contact fixe (f) et interpose la paroi du manchon entre les deux plots. 3 Dispositif interrupteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que tous les éléments, à l'exception de ceux participant à la conduction électrique, sont en matériau isolant à grande rigidité diélectrique. 4 Dispositif interrupteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau isolant est un polymère. Dispositif interrupteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le polymère est un polyéthylène ou un polypropylène. 6 Commutateur haute tension pour appliquer ou non une haute tension (+ HT,-HT)) à un appareil d'utilisation tel qu'un tube à rayons X, caractérisé en ce qu'il comprend deux dispositifs interrupteurs selon l'une des revendications 1 à 5 dont les plots de même type (m ou f) sont connectés l'un à la haute tension +HT et l'autre à la haute tension -HT tandis que les plots de l'autre type (f ou m) sont connectés à l'appareil d'utilisation et un dispositif ( 60, 62) de commande de la rotation en synchronisme des moyens d'isolation et de déplacement. 7 Commutateur haute tension pour appliquer une haute tension (+HT, -HT) soit à un premier dispositif d'utilisation tel qu'un premier tube à rayons X, soit à un deuxième dispositif d'utilisation tel qu'un deuxième tube à rayons X, caractérisé en ce qu'il comprend quatre dispositifs interrupteurs selon l'une des revendications 1 à 5 dont les plots fixes (f) sont connectés deux à deux à la haute tension +HT et à la haute tension - HT et dont les plots mobiles (m) sont connectés deux à deux aux premier et deuxième dispositifs d'utilisation et un dispositif ( 60, 62) de commande de la rotation en synchronisme des moyens d'isolation et de déplacement pour, dans une première position, établir le contact entre les plots des dispositifs interrupteurs associés au premier dispositif d'utilisation tandis que les plots des dispositifs interrupteurs associés au deuxième dispositif d'utilisation sont ouverts et, dans une deuxième position, établir le contact entre les plots des dispositifs interrupteurs associés au deuxième dispositif d'utilisation tandis que les plots des dispositifs interrupteurs associés au premier dispositif d'utilisation sont ouverts. 8 Commutateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque plot mobile (m) est connecté à une borne de sortie reliée à l'appareil d'utilisation sur laquelle est monté le dispositif d'isolation et de déplacement.