Brevet FR2669464A1 — publié le 19920522

Electrode Pour chambre à arc et chambre à arc aui en est équipée. La présente invention concerne le domaine des chambres à arc électrique et, plus précisément, elle concerne des perfectionnements apportés aux électrodes équipant de telles chambres ainsi que des perfectionnements concomitants apportés aux chambres à arc lorsqu'elles sont équipées de telles électrodes perfec tisonnées. I1 est connu qu'un arc électrique provoque un endommagement des électrodes entre lesquelles il jaillit en raison de l'érosion du métal de l'électrode qui se produit à l'emplacement du pied de l'arc (formation d'un cratère). I1 est également connu de pallier cet inconvénients en provoquant le déplacement (en principe un déplacement en boucle fermée, généralement circulaire) du pied de l'arc sous l'action de forces de Laplace. Le champ magnétique nécessaire à la création de ces forces est, dans les agencements actuellement connus, engendré par des bobinages entourant l'électrode et pouvant être connectés en série avec l'électrode elle-même. De tels bobinages sont encombrants et coûteux. En outre, un tel montage rend l'assemblage très sensible aux effets thermiques, ce qui implique de mettre en oeuvre un refroidissement des électrodes. La structure de l'ensemble devient donc complexe et fragile. De plus, le champ magnétique est produit sur le bobinage, c'est-à-dire dans la profondeur de l'électrode alors que le pied de l'arc qu'il s'agit de déplacer réside en surface de l'électrode ; l'effet moteur est donc atténué, et en tout cas ne s'exerce pas dans des conditions optimales. Par ailleurs on a intérêt à ce que la vitesse de déplacement (notamment de rotation) de l'arc soit aussi élevée que possible de manière à réduire au maximum la durée pendant laquelle le pied de l'arc reste en contact avec chaque parcelle élémentaire de la surface de l'é- lectrode, afin de réduire ainsi l'usure de l'électrode les structures connues ne semblent pas être optimales de ce point de vue. L'invention a donc essentiellement pour but de remédier aux inconvénients présentés par les électrodes connues et de proposer un agencement perfectionné d'électrode, conduisant également à une structure de chambre à arc procurant elle-même d'autres avantages, qui donne mieux satisfaction aux diverses exigences de la pratique. A ces fins, une électrode pour chambre à arc agencée conformément à l'invention se caractérise essentiellement en ce qu'elle est en forme générale approximative d'une spirale et comprend - une portion centrale conductrice enroulée en une spirale proprement dite à l'extrémité intérieure de laquelle est connectable un conducteur d'alimentation électrique, - et une portion périphérique conductrice enroulée en une boucle ouverte prolongeant la portion centrale1 cette portion périphérique constituant la piste de déplacement rotatif de l'arc électrique. Grâce à cet agencement, l'électrode engendre elle-même, par sa partie en spirale, le champ magnétique nécessaire à la création des forces de Laplace provoquant le déplacement du pied de l'arc électrique ; il en résulte une simplification structurelle considérable par rapport aux dispositions antérieures avec bobinage extérieur. En outre le courant circule essentiellement en surface de l'électrode et de ce fait le champ magnétique est engendré là même où se trouve le pied de l'arc l'effort moteur s exerçant sur le pied de l'arc est alors maximal. Dans un mode de réalisation intéressant, l'électrode comporte un plot conducteur situé en position centrale formant l'extrémité intérieure de la spirale, lequel plot est agencé pour constituer une borne de raccordement d'un conducteur électrique. Pour obtenir un champ magnétique suffisant, il est jugé souhaitable que la portion centrale en spirale s'étende sur au moins un tour d'enroulement ; un bon compromis entre un résultat de qualité suffisante et un encombrement non excessif de l'électrode conduit à ce que la portion centrale en spirale s'étende sur sensiblement un tour et demi d'enroulement. Dans un exemple pratique de réalisation suffisamment robuste pour supporter les intensités de courant très élevées qui traversent les organes conducteurs, il est prévu que le plot soit massif, que la portion centrale en spirale soit une bande métallique disposée sur chant et que la portion périphérique en boucle ouverte soit une bande métallique également disposée sur chant. Dans un exemple de réalisation, le plot est massif, la portion centrale en spirale est sous forme de bandes métalliques minces accolées disposées sur chant et la portion périphérique en boucle ouverte est également sous forme de bandes métalliques minces accolées disposées sur chant : avantageusement, les bandes métalliques sont enroulées à spires jointives, l'isolement entre spires successives étant obtenu par la résistance de contact des spires. Ces plot et bandes métalliques peuvent être noyés dans un matériau diélectrique. Dans un mode de réalisation préféré r la hauteur de la boucle ouverte constituant la piste périphérique est supérieure à celles de la spirale et du plot central, ce qui délimite ainsi une cuvette entourée par la piste périphérique et dans laquelle sont disposés une plaque de fond en un matériau diélectrique et une plaque frontale métallique qui recouvrent et protègent le chant frontal de la spirale et la face frontale du plot ainsi que l'isolant dans lequel ces organes sont inclus. Bien que toutes formes puissent être envisagées pour la partie centrale enroulée en spirale et pour la partie périphérique en boucle ouverte, il est toutefois plus avantageux, pour des raisons de facilité de fabrication et de régularité de rotation du pied de L'arcs que la spirale soit sensiblement circulaire et que la boucle ouverte soit, elle aussi, sensiblement circulaire. L'électrode peut présenter alors une forme générale discoidale, qui est particulièrement avantageuse dans une application mentionnée ci-après. Selon un second aspect de l'invention, il est également proposé une chambre à arc perfectionnée comportant deux électrodes raccordées respectivement à deux conducteurs électriques, l'une au moins de ces électrodes étant agencée pour que le pied de l'arc s'appuyant sur elle soit animé d'un mouvement de rotation sous l'action de forces de Laplace, laquelle chambre à arc se caractérise essentiellement en ce qu'elle est pourvue d'au moins une électrode agencée conformément à l'invention comme expliqué ci-dessus. On peut en outre prévoir que les deux électrodes dont la chambre est équipée soient disposées face à face, ces électrodes pouvant alors avantageusement être toutes deux agencées conformément à l'invention. Dans un mode de réalisation intéressant, les deux électrodes occupent au moins la majeure partie de la surface des deux parois d'extrémité de la chambre. Ainsi les deux boucles ouvertes servant de piste de rotation pour les pieds respectifs de l'arc électrique sont situées à proximité immédiate de la paroi latérale de la chambre zen particulier lorsque les boucles ouvertes sont circulaires -c'est-à-dire qu'alors les électrodes sont sensiblement discoidales et la chambre est approximativement cylindrique-, on est assuré que l'arc électrique mis en rotation balaye tout le volume intérieur de la chambre ; l'échauffement du gaz remplissant la chambre s'effectue alors de façon homogène et rapide. Une chambre à arc ainsi agencée peut trouver une application tout particulièrement intéressante dans la constitution d'une soufflerie aérodynamique pour des essais d'écoulements en rafale sur des maquettes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation préféré et de certains modes d'application donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels - les figures 1 et 2 sont des vues en coupe, respectivement de côté et de dessus, d'une électrode agencée conformément à l'invention ; - la figure 3 est un schéma illustrant le mode de fonctionnement de l'électrode des figures 1 et 2 ; et - la figure 4 est une vue très schématique, en coupe, représentant un exemple de réalisation d'une chambre à arc équipée selon l'invention. En se reportant tout d'abord aux figures 1 et 2, une électrode pour arc électrique agencée conformément à l'invention se présente sous la forme générale d'un organe discoidal, désigné dans son ensemble par la référence 1. L'électrode comprend essentiellement une partie conductrice centrale enroulée en spirale 2 et une partie conductrice périphérique en boucle ouverte 3 à une extrémité de laquelle se raccorde l'extrémité externe de la spirale. Plus précisément1 la partie conductrice centrale en spirale 2 comprend un plot central massif 4 métallique (par exemple en cuivre), sur la face arrière duquel sont prévus des moyens de connexion (perçage taraudé 5) pour le raccordement d'un conducteur électrique (non représenté). A partir du plot 4 s'étend une bande métallique 6 (par exemple en cuivre) disposée sur chant et qui s'enroule en une spirale circulaire sur au moins un tour. La longueur de cette bande enroulée en spirale peut être aussi grande que voulu ; toutefois, un bon compromis entre l'efficacité et l'encombrement conduit à retenir environ un tour et demi d'enroulement. A son extrémité externe, la bande en spirale 6 se raccorde à une extrémité 7a d'une bande métallique (par exemple en cuivre), elle aussi disposée sur chant, et conformé en boucle ouverte sensiblement circulaire qui constitue la partie conductrice périphérique 3 précitée. L'extrémité libre 7b de la boucle ouverte 3 est située à proximité de l'extrémité 7a dont elle reste cependant écartée par un intervalle 8. Compte tenu du fait que l'arc électrique s'appuie sur la boucle ouverte 3, la bande métallique constitutive de cette boucle ouverte présente une section très supérieure à celle de la bande métallique constitutive de la spirale 6 (par exemple son épaisseur est de 3 à 4 fois supérieure à celle de cette dernière). Avantageusement, le plot central 4, la spirale 6 et la boucle ouverte 3 peuvent constituer ensemble une unique pièce métallique massive obtenue par un usinage par électro-érosion. L'ensemble des pièces métalliques 4, 6 et 3 est noyé dans un diélectrique 9 qui, dans la partie centrale entourée par la boucle ouverte, affleure la face supérieure de la spirale 6 et du plot 4, tandis que la bande métallique constituant la boucle ouverte 3 présente une hauteur supérieure à celle de la spirale 6 et du plot 4, sa partie supérieure étant dégagée et en saillie sur le corps de l'électrode. La bande métallique 3 délimite ainsi une cuvette dans laquelle est disposée une plaque de fond 10 en un matériau diélectrique recouvert extérieurement d'une plaque frontale 11, métallique (en cuivre par exemple), isolée de la partie conductrice périphérique 3 par une couronne diélectrique 12, ces plaques 10 et 11 étant fixées par tous moyens appropriés (collage et/ou vissage notamment). Les plaques 10 et 11 constituent une protection de la bande métallique en spirale 6, du plot 4 et de l'isolant 9 contre l'action destructrice de l'arc électrique. En variante, les pièces métalliques 4, 6 et 3 sont constituées de bandes minces accolées. En variante encore, le diélectrique 9 séparant les spires est supprimé, l'enroulement est à spires jointives et l'isolement requis est obtenu par la résistance de contact des spires entre elles. Au départ, un fil fusible F' est mis en place entre la partie périphérique de l'électrode qui vient d'être décrite et une autre électrode placée en vis-à-vis. Lors de la fermeture du circuit, le courant circule en parcourant la partie en spirale 6 de l'électrode, l'arc électrique s'amorce le long du fil avec un de ses pieds situé sur la partie conductrice externe 3. Si l'on considère un tronçon élémentaire MiMi+1 de la spirale suffisamment court pour pouvoir être supposé rectiligne (voir fig. 3), ce tronçon parcouru par un courant I engendre en un point P de l'arc un champ inductif B, qui donne naissance en ce point P de l'arc (parcouru par le même courant I) à une force de Laplace F. Les données sont les suivantes (le trièdre de référence étant direct) vecteurs longueurs induction engendrée par le tronçon de courant d'intensité I et de longueur MiMi+1 = t vecteur unitaire de courant I dans l'arc force exercée sur l'arc par unité de longueur x = produit vectoriel = = produit scalaire. Pour un tronçon de longueur définie Ainsi, le champ magnétique nécessaire à la mise en mouvement de l'arc électrique est engendré par l'électrode elle-même, et il n'est plus besoin d'avoir recours aux bobines additionnelles encombrantes et onéreuses, présentes dans certains dispositifs antérieurs. Après l'amorçage, le pied de l'arc suit la bande ouverte circulaire 3 sur laquelle il s'appuie physiquement et en franchissant sans difficulté l'intervalle 8 à chaque tour. Une électrode conforme à l'invention peut être utilisée dans une chambre à arc du type représenté à la fig. 4. Une chambre 12 est définie par une carcasse massive 13. Deux parois opposées, ou parois d'extrémité 14, de la chambre 12 supportent respectivement deux électrodes 15 et 16 disposées face à face, entre lesquelles doit s'établir un arc électrique (non représenté). L'une au moins de ces électrodes, voire les deux, sont agencées conformément au mode de réalisation des fig. 1 et 2 décrit plus haut. Un conducteur électrique 17 est connecté à l'électrode 15 et un conducteur électrique 18 est connecté à l'électrode opposée 16. Transversalement à l'axe des deux électrodes face à face, la carcasse est traversée radialement par un conduit divergent formant tuyère 19 fermée à l'origine au niveau du col par un bouchon non réprésenté, et par laquelle est éjecté un gaz d'essai sous très haute pression (par exemple plusieurs milliers de bar), à très haute température (par exemple 4 000 à 10 000 K), à des nombres de Mach de l'ordre de 7 à 18, pendant un temps très bref de quelques fractions de secondes (rafales). En regard et à l'opposé de la tuyère 19 est prévu un conduit 20, fermé par un diaphragme 21, permettant une élimination du gaz chaud résiduel sous pression moindre à la fin de l'émission d'une rafale. On notera ici que chaque électrode 15 et 16 occupe la majeure partie de la surface des parois respectives 14 qui les portent et que la chambre 12 est sensiblement cylindrique de révolution. De la sorte, l'arc électrique établi entre les deux électrodes et mis en rotation comme expliqué plus haut balaie approximativement la totalité du volume de la chambre 12 : il en résulte une montée en température rapide et homogène du gaz contenu dans la chambre. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Electrode pour chambre à arc, caractérisée en ce qu'elle est en forme générale approximative d'une spirale et comprend - une portion centrale (2) conductrice enroulée en une spirale proprement dite à l'extrémité intérieure de laquelle est connectable un conducteur d'alimentation électrique, - et une portion périphérique (3) conductrice enroulée en une boucle ouverte (en 8), prolongeant la portion centrale (2), cette portion périphérique constituant la piste de déplacement rotatif du pied de l'arc électrique. 2. Electrode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un plot conducteur (4) situé en position centrale formant l'extrémité intérieure de la spirale, lequel plot est agencé pour constituer une borne de raccordement d'un conducteur électrique. 3. Electrode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la portion centrale en spirale (2) s'étend sur au moins un tour d'enroulement. 4. Electrode selon la revendication 3, caractérisée en ce que la portion centrale en spirale (2) s'étend sur sensiblement un tour et demi d'enroulement. 5. Electrode selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le plot (4) est massif, en ce que la portion centrale en spirale (2) est une bande métallique (6) disposée sur chant et en ce que la portion périphérique en boucle ouverte (3) est une bande métallique épaisse disposée également sur chant. 6. Electrode selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le plot (4) est massif, en ce que la portion centrale en spirale (2) est sous la forme de bandes métalliques minces accolées disposées sur chant et en ce que la portion périphérique en boucle ouverte (3) est également sous la forme de bandes métalliques minces accolées disposées sur chant. 7. Electrode selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que les bandes métalliques (2, 3) sont enroulées à spires jointives, l'isolement entre spires successives étant obtenu par la résistance de contact des spires. 8. Electrode selon la revendication 6 ou 7, ca ractérisée en ce que ces plots (4) ou bandes métalliques sont noyées dans un diélectrique. 9. Electrode selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que la hauteur de la boucle ouverte (3) constituant la piste périphérique est supérieure à celles de la spirale et du plot central1 en délimitant ainsi une cuvette entourée par la piste périphérique en boucle ouverte, et en ce que, dans ladite cuvette, sont disposés une plaque de fond (10) en un matériau diélectrique et une plaque frontale métallique (11) qui recouvrent et protègent le chant frontal de la spirale et la face frontale du plot. 10. Electrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la boucle ouverte formée par la portion de piste périphérique est sensiblement circulaire. 11. Electrode selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle est de forme générale discoidale. 12. Chambre à arc comportant deux électrodes (15, 16) raccordées respectivement à deux conducteurs électriques (17, 18), l'une au moins de ces électrodes étant agencée pour que le pied de l'arc s'appuyant sur elle soit animé d'un mouvement de rotation sous l'action de forces de Laplace, caractérisée en ce que cette électrode est agencée selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.