Brevet FR2683091A1 — publié le 19930430

* 1 DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT AMELIORE POUR TUBE HYPERFREQUENCE. La présente invention est relative aux tubes hyperfréquences et plus particulièrement aux tubes à interaction longitudinale tels que les tubes à ondes progressives ou les klystrons Elle peut même s'appliquer aux gyrotrons Leur fonctionnement est basé sur un échange d'énergie entre un faisceau d'électrons et une onde électromagnétique hyperfréquence Le faisceau d'électrons est émis dans un canon, par une cathode Le canon est placé en entrée d'un espace d'interaction tubulaire Le faisceau d'électrons est long et fin, il parcourt l'espace d'interaction Un dispositif de focalisation entoure l'espace d'interaction et confine les électrons du faisceau sur des trajectoires désirées. Dans l'espace d'interaction, on injecte une onde électromagnétique hyperfréquence, elle interagit avec le faisceau d'électrons et est amplifiée L'onde électromagnétique hyperfréquence amplifiée est extraite par un dispositif approprié en sortie de l'espace d'interaction Le faisceau d'électrons termine sa course dans un collecteur placé en sortie de l'espace d'interaction. L'espace d'interaction comporte un circuit hyperfréquence qui est généralement, soit une ligne à retard en hélice dans le cas d'un tube à ondes progressives, soit une succession de cavités résonantes dans le cas d'un klystron L'espace d'interaction est porté à un potentiel qui est généralement une masse. Après avoir cédé une partie de son énergie à l'onde électromagnétique hyperfréquence, le faisceau d'électrons possède encore une énergie cinétique importante en pénétrant dans le collecteur Le collecteur dissipe cette énergie sous forme de chaleur Le collecteur, le canon et l'espace d'interaction sont réunis dans une enveloppe à vide qui repose sur une semelle La semelle réalise un chemin thermique entre l'enveloppe et une pièce refroidie par convection naturelle ou forcée, par circulation d'un fluide ou par rayonnement Le refroidissement se fait par conduction thermique grâce à la semelle Le collecteur étant la partie dissipant le plus de chaleur, il doit être particulièrement bien refroidi. L'enveloppe, au niveau du collecteur, est maintenue dans une pince généralement monobloc avec la semelle. Le rendement de ces tubes est relativement faible et l'énergie des électrons penétrant dans le collecteur est supérieure à celle de l'onde hyperfréquence recueillie en sortie du tube Pour augmenter ce rendement, on a été amené à utiliser un collecteur dit "déprimé" On essaie de récupérer une partie de l'énergie des électrons du faisceau en les freinant. Un collecteur déprimé est porté à uin potentiel intermédiaire entre celui de la cathode et celui de l'espace d'interaction Le collecteur peut comporter une électrodes ou plusieurs électrodes successives; lorsqu'il y en a plusieurs, elles sont portées à des potentiels décroissants plus on s'éloigne de l'espace d'interaction Le collecteur a alors plusieurs étages. L'utilisation d'un collecteur déprimé con tribue à augmenter le rendement du tube hyperfréquence et à réduire les difficultés rencontrées pour évacuer la chaleur On arrive à réduire la puissance dissipée en chaleur sur le collecteur à une valeur voisine de la puissance hyperfréquence à la sortie du tube. Cette puissance reste encore bien souvent importante et son évacuation nécessite une grande surface d'échange entre la semelle et la pièce froide Cela peut poser problème si on cherche à limiter l'encombrement du tube. Le collecteur est formé d'une ou plusieurs électrodes, en forme de coupelles, percées dans leur partie centrale, isolées de l'enveloppe conductrice par des bâtonnets diélectriques Une différence de température de quelques degrés centigrades peut exister entre les parois intérieures et extérieures des électrodes Une différence de quelques dizaines de degrés peut exister entre la face des bâtonnets en contact avec les électrodes et celle en contact avec l'enveloppe Une différence de quelques centaines de degrés peut exister entre la face de la semelle en contact avec l'enveloppe et celle en contact avec la pièce froide. Une autre solution connue pour améliorer le refroidissement du tube et notamment du collecteur est d'intégrer des caloducs entre les électrodes et l'enveloppe du collecteur Mais cette solution conduit à un tube lourd et encombrant, dont le fonctionnement peut être critique. La présente invention vise à améliorer le refroidissement des tubes à faisceau d'électrons, en particulier de leur collecteur, sans augmenter sensiblement leur encombrement. La présente invention propose un dispositif de refroidissement pour tube hyperfréquence comportant une pièce froide et un chemin thermique ayant une première surface en contact avec une surface de la pièce froide et une seconde surface en contact avec une enveloppe du tube La surface de la pièce froide et la première surface du chemin thermique sont respectivement concave et convexe, en vue d'augmenter les dimensions du contact sans augmenter l'encombrement du dispositif de refroidissement. Les surfaces concave et convexe peuvent être des dièdres respectivement en creux et en saillie, les dièdres ayant respectivement le même angle. Le dièdre en creux peut comporter uine rainure disposée à l'intersection de ses deux plans. Dans d'autres variantes, les surfaces concave et convexe peuvent être polyédriques, au moins partiellement superposables, avec au moins trois faces Dans d'autres variantes encore, les surfaces concave et convexe peuvent comporter chacune au moins une portion de surface cylindrique et être, au moins partiellement superposables. Pour améliorer le refroidissement, l'enveloppe peut être partiellement ou totalement encastrée dans le chemin thermique. La pièce froide peut être refroidie par circulation d'un fluide ou par convection ou par rayonnement. Le tube hyperfréquence peut être un tube de la famille des klystrons, des tubes à ondes progressives, des gyrotrons La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description illustrée par les figures suivantes qui représentent: les figures la et lb, une vue d'ensemble et une coupe transversale d'un tube hyperfréquence comportant un dispositif de refroidissement de type connu; les figures 2 a et 2 b, une vue d'ensemble et une coupe transversale d'un tube hyperfréquence muni d'un dispositif de refroidissement selon l'invention; les figures 3, 4, 5, en coupe transversale, différentes variantes du dispositif de refroidissement selon l'invention; les figures Ga et Gb, une vue d'ensemble et une coupe transversale d'un tube hyperfréquence muni d'une autre variante d'un dispositif de refroidissement selon l'invention. Toutes les vues d'ensemble sont sensiblement à une même échelle Toutes les coupes transversales sont à une autre même échelle, dans un souci de clarté Sur ces figures, les mêmes éléments portent les mêmes références. La figure la est une vue d'ensemble d'un tube à ondes progressives selon l'art connu. La figure lb est une vue de côté, vers le collecteur du même tube Le tube comporte un canon 1 émettant des électrons, un espace d'interaction 2 à l'intérieur duquel interagissent les électrons et une onde hyperfréquence, et un collecteur 3 recueillant les électrons; L'onde hyperfréquence est injectée au niveau d'une connexion d'entrée 4 et extraite au niveau d'une connexion de sortie 5 Le canon 1, l'espace d'interaction 2 et le canon 3 sont réunis dans une enveloppe 6 conductrice en forme de cylindre de révolution L'enveloppe 6 repose sur une semelle 7 qui sert de chemin thermique entre le tube et une pièce froide 8 La semelle 7 et la pièce froide 8 contribuent à former un dispositif de refroidissement du tube La semelle 7 comporte un élément 9, en forme de pince, qui enserre l'enveloppe 6 au niveau du collecteur 3 Le collecteur 3 est la partie du tube qui dissipe la plus grande quantité de chaleur. Cette chaleur doit être particulièrement bien évacuée La chaleur produite par le reste du tube est moindre mais elle doit quand même être évacuée, pour réduire les risques de déformation dus aux dilatations thermiques L'élément 9 en forme de pince est fendu selon une génératrice de l'enveloppe 6 pour permettre l'introduction de cette dernière Le serrage peut être réalisé grâce à un système à vis 15, par exemple. La pièce froide 8 est refroidie par circulation d'un fluide Elle comporte deux canaux 10 de circulation du fluide. Elle pourrait être refroidie par d'autres moyens, par exemple par convexion naturelle ou forcée ou bien par rayonnement. Des fils 11 d'alimentation en courant sont reliés au canon 1 et au collecteur 3 Des étriers 16 servent à maintenir mécaniquement l'enveloppe 6 sur la semelle 7, ils sont placés au niveau de l'espace d'interaction 2 Ils servent aussi pour l'évacuation de la chaleur vers la plaque froide 8. La semelle 7 est une plaque avec des faces planes, sensiblement parallèles, la pièce froide 8 aussi La semelle 7 a une première face 12 en contact avec l'enveloppe 6 du tube et une seconde face 13, opposée à la première 12, en contact avec une des faces 14 de la pièce froide 8. La figure 2 a représente un tube hyperfréquence et son dispositif de refroidissement selon l'invention Le tube représenté est un tube à ondes progressives comme sur les figures la et lb. La figure 2 b est une coupe transversale du tubes à ondes progressives faite au niveau du collecteur. On retrouve comme précédemment le canon 1, l'espace d'interaction 2 et le collecteur 3 réunis dans l'enveloppe 6 à vide conductrice La connexion d'entrée porte la référence 4 et celle de sortie la référence 5 Les fils d'alimentation en courant du canon 1 et du collecteur 3 portent la référence Il. On retrouve aussi un dispositif de refroidissement comportant essentiellement un chemin thermique 20 et une pièce froide 22. L'enveloppe 6 repose sur le chemin thermique 20, en forme de semelle, ayant une première surface 21 en contact avec l'enveloppe 6 du tube et une deuxième surface 23 en contact avec une surface 24 de la pièce froide 22 Mais maintenant les surfaces 23,24 de contact entre le chemin thermique 20 et la pièce froide 22 sont respectivement convexe et concave. Sans augmenter l'encombrement du tube, on a augmenté les dimensions des surfaces en contact et on a amélioré l'efficacité du dispositif de refroidissement. Sur les figures 2 a et 2 b, la surface convexe 23 du chemin thermique 20 est un dièdre en saillie et la surface concave 24 de la pièce froide 22 est un dièdre en creux La pièce froide 22 est munie de canaux 10 de circulation d'un fluide Les deux dièdres ont sensiblement le même angle au sommet et cet angle peut avantageusement être compris entre 60 et 1300 selon les dimensions du tube et l'espace disponible. De préférence, l'enveloppe 6 du tube, au niveau du collecteur 3 est enserrée dans un élément 9 en forme de pince. Cet élément 9 est comparable à celui représenté sur les figures la et lb Cet élément 9 est de préference monobloc avec le chemin thermique 20 pour éviter d'augmenter la résistance thermique du dit chemin On pourrait bien sur envisager que l'élément 9 soit rapporté sur le chemin thermique 20 par tout moyen approprié. Pour que le contact entre les deux dièdres soit aussi bon que possible, compte tenu des imprécisions de fabrication, on aura avantage à aménager une rainure 25 dans la pièce froide 22, à l'intersection entre les deux plans du dièdre en creux. Les dimensions de la rainure 25 sont typiquement de l'ordre de grandeur du millimètre. Les surfaces en contact au lieu d'être en dièdre peuvent être polyédriques avec au moins trois faces Elles peuvent aussi comporter chacune au moins une portion de surface cylindrique. Elles sont au moins partiellement superposables. C'est ce qui est illustré sur les figures 3, 4, 5. Sur la figure 3, la surface concave 24 de la pièce froide 22 et la surface convexe 23 du chemin thermique 20 ont chacune trois faces en contact, sur la figure 4 elles en ont cinq Sur la figure 5, ces deux surfaces sont meilleure interface, compte tenu des imprécisions de fabrication. Des essais comparatifs ont montré que la résistance thermique d'un dispositif de refroidissement selon l'invention pouvait être réduite de 20 à 50 % par rapport aux dispositifs classiques Avec un collecteur de diamètre interne voisin de 10 mm, une densité de puissance thermique de plusieurs dizaines de Watts par centimètre carré peut être évacuée sans que la température du collecteur ne dépasse les 100 degrés Celsius. Pour améliorer encore l'efficacité du dispositif de refroidissement selon l'invention, on petit encastrer au moins partiellement l'enveloppe du tube dans le chemin thermique On réduit alors de façon sensible la distance entre l'enveloppe du tube et la pièce froide et l'on augmente la surface de contact entre l'enveloppe et le chemin thermique Cette variante est représentée sur les figures 3, 4, 5 L'enveloppe 6 est encastrée partiellement dans le chemin thermique 20. Au lieu d'être partiel, l'encastrement peut être pratiquement total Les figures Ga et Gb illustrent ce mode de réalisation L'enveloppe 6 du tube est totalement encastrée dans un chemin thermique 30 Ce chemin thermique 30 comporte une surface 31 convexe, en forme de dièdre, en contact avec la surface concave 34 de la pièce froide 32 Le chemin thermique 30 a globalement la forme d'un fourreau fendu le long de l'une de ses génératrices La fente permet l'introduction de l'enveloppe 6 Des moyens de serrage (non représentés) sont prévus pour que l'enveloppe 6 soit serrée dans le chemin thermique 30 Cette variante permet d'une part, d'augmenter considérablement les surfaces de contact entre le chemin thermique 30 et l'enveloppe et d'autre part de réduire la distance entre l'enveloppe 6 et la pièce froide 32, si l'on dispose convenablement l'enveloppe 6 à l'intérieur du chemin thermique 30 Sur cette réalisation, on suppose que la pièce froide 32 est refroidie par convection naturelle ou bien par rayonnement. L'enveloppe du tube sera avantageusement réalisée entièrement ou par parties en cuivre ou en acier ou en alliage de ces métaux tandis que le chemin thermique et la pièce froide seront dans un matériau bon conducteur de la chaleur et de l'électricité, en aluminium ou en alliage d'aluminium par exemple. Le dispositif de refroidissement selon l'invention peut être utilisé dans les tubes de la famille des tubes à ondes progressives, de la famille des klystrons et même de la famille des gyrotrons. REVENDICATIONS 1 Dispositif de refroidissement pour tube hyperfréquence comportant une pièce froide ( 22) et un chemin thermique ( 20) ayant une première surface ( 23) en contact avec une surface ( 24) de la pièce froide ( 22) et une seconde surface ( 21) en contact avec une enveloppe ( 6) du tube, caractérisé en ce que la surface ( 24) de la pièce froide ( 22) et la première surface ( 23) du chemin thermique ( 20) sont respectivement concave et convexe en vue d'augmenter les dimensions du contact sans augmenter l'encombrement du dispositif de refroidissement. 2 Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface convexe ( 23) est un dièdre en saillie et la surface concave ( 24) un dièdre en creux, les deux dièdres ayant sensiblement le même angle. 3 Dispositif de refroidissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dièdre en creux comporte une rainure ( 25) disposée à l'intersection des deux plans du dièdre. 4 Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les surfaces convexe ( 23) et concave ( 24) sont polyédriques avec au moins trois faces et sont, au moins partiellement, superposables. 5 Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les surfaces convexe ( 23) et concave ( 24) comportent chacune au moins une portion de surface cylindrique et sont, au moins partiellement, superposables. 6 Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 6) du tube est au moins partiellement encastrée dans le chemin thermique ( 30). 7 Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pièce froide ( 22) est refroidie par circulation d'un fluide. 8 Dispositif de refroidissemen t selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le pièce froide ( 32) est refroidie par convection ou par rayonnement. 9 Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le tube hyperfréquence est un tube de la famille des tubes à ondes progressives. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le tube hyperfréquence est un tube de la famille des klystrons. 11 Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le tube hyperfréquence est un tube de la famille des gyrotrons.