Brevet FR2838235A1 — publié le 20031010

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D'UN TUBE ELECTRONIQUE L' invention se rap porte à un dispositif de refroidissement d' un tube électronique destiné à amplifier un signal haute fréquence. L'invention est particulièrement adaptée pour le refroidissement de tubes él ectroniques ampl ifi ant d es signaux radiofréq uences util isés pour la télévision ou la radio. L'invention sera décrite en rapport à un tube à sortie inductive bien connu dans la littérature anglo-saxonne sous le nom d'lOT (Inductive Output Tube). Il est bien entendu qu'elle peut être mise en _uvre pour d'autre type de tube électronique tel qu e par exemp le un tobe à on de progressive ou un o klystron. - Les tubes à sortie inductive sont notamment utilisés comme dernier étage d'amplification d'un signal radiofréquence, la sortie du tube étant connectée à une antenne d'émission. Ces tubes véhiculent de fortes puissances électriques et leur rendement est typiquement de l'ordre de 50 %. Ce rendement entrane une émission importante de chaleur qu'il est nécessaire d'évacuer. La chaleur est notamment émise dans un collecteur du tube. Le collecteur forme une des extrémités du tube et reçoit des électrons émis par un canon à électrons situé à l'autre extrémité du tube. Les électrons, durant ieur parcours entre le canon à électrons et le collecteur, interagissent avec des cavités. Cette interaction permet l'ampl ifi cation d' un signal radiofréquence. Lorsque les électrons bombardent le collecteur, ils possèdent encore une énergie importante qui échauffe le collecteur. Pour refroidir le collecteur on peut, au moyen d'un circuit hydraulique, faire circuler dans le collecteur un fluide caloporteur comportant par exemple de 1'eau. Le circuit hydraulique comporte, par exemple, un échangeur fluide - air situé à l 'extérieur d' un bâtiment dans l equel le tube est situé. La chal eur véhi cu lée par le fluide caloporteur est al ors évacuée à l' extérieur du bâtiment dans l' air amblant. Afin de fonctionner en toute circonstance, notamment lorsque la température ambiante est inférieure à zéro degré Celsius, on ajoute à l'eau du fluide caloporteur un produit antigel comportant par exemple du glycol. Certains collecteurs utilisés notamment dans les tubes à sortie inductive sont dits déprimés. Plus précisément, ce type de collecteur 2 2838235 comporte plusieurs électrodes dont les potentiels respectifs sont différents et peuvent être portés jusqu'à plusieurs kilovolts. Ce type de collecteur permet d'augmenter le rendement du tube électronique dans lequel il est installé. Il reste néanmoins nécessaire de refroidir le collecteur. En utilisant les moyens de refroidissement décrits pl us haut, on est tenu d' uti li ser un produit antigel particulier dont la résistivité est forte afin de ne pas devenir le média d'un courant électrique circulant entre les différentes électrodes du collecteur. Ce produit antig el particul ier est beauco up plus onéreux qu e des produ its pl us classiques utilisés par exemple dans le circuit de refroidissement d'un lo véhicule automobile. L'invention a pour but de pallier ce problème et, à cet effet, elle a pour objet un dispositif de refroidissement d'un tube électronique destiné à amplifier un signal haute fréquence, le tube électronique étant disposé sur un portique destinée à le recevoir, le dispositif comportant un premier circuit hydraulique dans lequel circule un premier fluide assurant le refroidissement d'au moins une partie du tube, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un échangeur fluide-fluide assurant un transfert thermique de la chaleur véhiculée par le premier fluide vers un second circuit hydraulique, et en ce que l'échangeur est situé sur le portique. Grâce à l'invention, il est notamment possible de remplacer un tube à collecteur relié complètement à la masse électrique par un tube à collecteur déprimé sans modifier ie circuit de refroidissement existant dans le bâtiment qui devi ent alors le second circuit hydraul ique de l' inventi on. C e remplacement permet d'augmenter notablement le rendement de I'amplification du signal radiofréquence réalisée par le tube sans modifier l'infrastructure existant dans le bâtiment. Il sufffit pour cela de remplacer un tube à collecteur à la masse par un tube à collecteur déprimé, tube auquel est adjoint le premier circuit hydraulique. On raccordera alors le circuit hydraulique existant dans le bâtiment à l'échangeur fluide - fluide de I'invention sans modifier la composition du fluide caloporteur. En effet, le circuit hydraulique existant dans le bâtiment, devenu second circuit hydraulique dans l'invention, ne sera soumis à aucune tension électrique et on pourra y conserver un produit antigel classique, sans risquer la présence d'un courant électrique. 3 2838235 L' invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparalitront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel: Ia figure 1 représente un tube à sortie inductive; À Ia figure 2 représente le tube de la figure 1 ainsi que son dispositif de refroidissement; Ia figure 3 représente schématiquement le tube électronique et deux circuits hydrauliques permettant son refroidissement. o Le tube électronique 100 représenté figure 1 possède un faisceau électronique axial et utilise en entrse le principe de la modulation d'arplitude comme dans les tubes classiques à grille et en sortie la structure axiale des tubes à modulation de vitesse comme dans les klystrons. Plus précisément, le tube comporte successivement un canon à électrons 1 construit autour d'un axe de révolution XX' et, le long de l'axe, une anode 5 formant un premier tube de glissement qui débouche dans un espace d ' interacti on 6 d' u ne cavi té ré so n n ante 7 d e sortie, I ' e sp ace d' interaction 6 étant délimité par un second tube de glissement dénom mé bec d'interaction 8 qui fait face au premier, puis un collecteur 15. Les deux becs des tubes de glissement sont en vis à vis. Le canon 1 comporte une cathode 2, son filament de chauffage 3 et une grille 4. L'espace cathode 2/grille 4 forme le circuit d'entrée du tube et l'acheminement du signal d'entrée E au circuit d'entrée du tube se fait généraiement par une cavité ccaxiale résonnante d'entrée 9 couplée à l'espace cathode/grille. Le signal d'entrée E à amplifier est introduit dans la cavité 9 à l'aide de moyens de couplage inductifs en boucle dans l'exemple décrit. Ce signal d'entrée E est fourni par des moyens extérieurs au tube incluant généralement un préamplificateur (non représenté sur la figure 1). La grilie 4 et la cathode 2 sont portées à des hautes tensions continues négatives et les électrons émis par la cathode émergent de la grille 4 sous forme d'un faisceau 10 en paquets déjà moduié en densité par le signal d'entrée E. Le faisceau 10 est longitudinal d'axe XX'. Les électrons du faisceau 10 attirés et focalisés par l'anode 5 pénètrent dans la cavité de sortie 7 et traversent l 'espace d' interaction 6 o ils se coupl ent au champ électromagnétique de la cavité résonnante 7. De cette cavité de sortie 7 un 4 2838235 signal de sortie S. de puissance bien supérieure à celle du signal d'entrée E, peut être extrait. Les électrons ayant cèdé une grande partie de leur énergie sont ensuite recueillis par les parois du collecteur 15. L'anode 5 est généralement portée à la masse. Lorsque le tube électronique est destiné à fonctionner avec une puissance de sortie modulée comme dans les émetteurs de télévision, le signal d'entrée E est porteur de la modulation. La cavité coaxiale d'entrée 9, formée de deux cylindres 90, 91 conducteurs coaxiaux, est généralement pourvue d'un dispositif 11 de réglage de sa fréquence de résonance, par o exemple de type piston dont la position est réglable. Pour des raisons de sécurité et pour découpler le préamplificateur de la haute tension, cette cavité coaxial e d' entrée 9 est portée à l a masse él ectriq u e. U n condensateur de découplage C1 assure un isolement électrique, du point de vue continu, entre le cylindre intérieur 90 et la cathode 2 et un autre condensateur de découplage C2 assure un isolement électrique entre le cylindre extérieur 91 et la grille de modulation 4. Ces condensateurs C1, C2 peuvent être réalisés par des feuilles isolantes serrées entre respectivement un cylindre 90, 91 de cavité et une pièce cylindrique 13, 16 connectée à l'électrode respective 2, 4. Dans cette application en tant qu'émetteur dans la bande UHF, les hautes tensions sont de l'ordre de quelques dizaines de kilovolts, la cathode étant moins négative que la grille. Le signal de sortie S amplifié en puissance par rapport au signal d'entrée E est extrait de la cavité de sortie 7 par couplage par exemple capacitif ou selfique. Sur la figure c'est un couplage inductif qui est 26 représenté sous la forme d'un conducteur 12 qui définit une boucle dans la cavité de sortie 7. Il est transmis à un dispositif utilisateur tel qu'une antenne (non représentée). L' intéri eur du tube est cl assiquement soumis au vide. L' étanchéité est assurée au niveau de la cavité de sortie 7 par un manchon diélectrique 14 qui laisse passer l'énergie à extraire. Une partie de la cavité de sortie 7 est externe. Elle est délimitée par des parois qui viennent s'appuyer sur des collets contigus au manchon du côté o il n'est pas soumis au vide. Lorsque le collecteur 15 est complètement relié à la masse, le rendement d'un tube électronique est de l'ordre de 50 %. Plus précisément, I'énergie contenue dans le signal de sortie S est de l'ordre de la moitié. de 2838235 I'énergie reçue par le tube électronique 100, essentieilement par les sources de tension contenues l'alimentant. L'essentiel de l'énergie dissipée par le tube électronique l'est au niveau du collecteur 15 à l'intérieur duquei sont prévus des canaux dans lesquels circule un fluide permettant également le refroi dissement du bec d' interaction 8. Une partie pl us fa ib le de l'énergie est dissipée au niveau du bec d'interaction 8. Avantageusement, le collecteur 15 comporte plusieurs électrodes portées à différents potentiels. Sur la figure 1, trois électrodes 20, 21 et 22 sont représentées, elles sont séparses par des isolants 30 et 31. It est bien o entendu que le nombre d'électrodes n'est donné qu'à titre d'exemple. Cette structure de collecteur 15 comportant plusieurs électrodes est appelée collecteur déprimé. Ces différentes électrodes ont pour but de ralentir les électrons avant qu'ils ne frappent les parois des électrodes. Ainsi la chaleur dissipée dans le collecteur 15 est moindre et le rendement du tube électronique 100 augmente. Sur la figure 1, on a représenté un agencement particulier d'un collecteur déprimé, agencement donné à titre d'exemple. Une source de tension continue 23 est raccordée entre la première électrode 20 et la cathode 12. Une source de tension continue 24 est raccordée entre la seconde électrode 21 et la cathode 12. Une dernière source de tension 25 est raccordée entre la troisième électrode 22 et la cathode 16. Les trois électrodes 20, 21 et 22, appartenant au collecteur 15, sont disposées de telle sorte que l'électrode 20, soumise à la tension la plus élevée par rapport à la cathode 12, soit la,olus proche de la cathode 12 et l'électrode 22, soumise à la tension la plus faible par rapport à la cathode 12 soit la plus éloignée de la cathode 12. Malgré la structure particulière collecteur déprimé 15, I'énergie cinétique des électrons qui bombarde les trois électrodes 20, 21 et 22 est encore importante et crée de la chaleur qu'il est nécessaire d'évacuer. Sur la figure 2, le tube électronique 100 est avantageusement situé dans une armoire 102. Les parois de l'armoire 102 servent notamment d'écran contre d'éventuels rayonnements électromagnétiques émis par le tube 100 ou susceptibles d'être reçus par lui et pouvant altérer son fonctionnement ou le fonctionnement d'appareils électroniques situés hors de 6 2838235 I'armoire 102. Parmi ces appareils, on trouve par exemple des dispositifs permettant la formation du signal d'entrée E. Sur la hgure 2, apparat également un dispositif de refroidissement du tube électronique 100. Le dispositif de refroidissement comporte un premier circuit hydraulique 103 dans lequel circule un premier fluide assurant le refroidissement d'au moins une partie du tube électronique 100. Il est notamment important de refroidir le collecteur 15 et, dans une moindre mesure, le bec d'interaction 8. Le dispositif de refroidissement comporte, à l'intérieur de l'armoire 102, un échangeur 104 fluide-fluide assurant un o transfert thermique de la chaleur véhiculée par le premier fluide vers un second fluide circulant dans un second circuit hydraulique. Le tube électronique 100 est disposé sur un portique 101 située dans l'armoire 102. L'échangeur 104 est alors monté sur le portique. Avantageusement, le premier circuit hydraulique 103 est disposé sur le portique (101). Le premier circuit hydraulique 103 comporte une pompe de circulation 105 permettant au premier fluide de circuler dans un premier compartiment 106 de l'échangeur 104 et dans la ou les parties à refroidir du tube électronique 100. Le premier circuit hydraulique 103 comporte également des premiers moyens 107 pour maintenir la résistivité du fluide circulant le premier circuit hydraulique 103 au-dessus d'une valeur limite. Avantageusement, ies moyens 107 peuvent comporter une résine réalisant un échange d'ions. Plus précisément, le passage du fluide hydraulique sur la résine permet le remplacement d'ions tendant à diminuer la résistivité du fluide hydraulique par d'autres ions ne diminuant pas la résistivité du fluid e. O n remp lace par exemp le d es s els minéraux par des ions hydroxyles ou hydronium. La résine comporte par exemple des composés organiques obtenus par polymérisation d'un monomère et sur lequel on greffe des groupes fonctionnels qui définiront les ions captables lors de la phase d'échange d'ions. Dans le mode de réalisation ici décrit, le premier circuit hydraulique 103 comporte en série la pompe de circulation 105, le premier compartiment 106 de l'échangeur 104, un hitre 107 comportant les premiers moyens pour maintenir la résistivité du fluide circulant le premier circuit hydraulique 103 auessus de la valeur limite et la ou les parties à refroidir du tube 7 2838235 électronique 100. Le premier circuit hydraulique peut également comporter un vase d'expansion 108, par exemple relié à la pompe de circulation 105, et permettant une dilatation éventuelle du premier fluide. A titre d'alternative au vase d'expansion et afin de faciliter le remplissage et la purge du premier circuit hydraulique, il est possible de prévoir une bâche dans laquelle se déverse le fluide issu des parties à refroidir du tube 100 et dans laquelle puise la pompe de circulation 105. La bâche est sensiblement maintenue à la pression atmosphérique. Elle peut être formée d'un récipient fermé par une soupape double permettant à de l'air extérieur de rentrer ou de sortir de la o bâche. Avantageusement, les premiers moyens 107 pour maintenir la résistivité du fluide comportent des seconds moyens pour empêcher le fonctionnement des premiers moyens lorsque la résistivité du fluide est au- dessus de la valeur limite. Plus précisément, on peut mesurer la résistivité du fluide circulant dans le premier circuit hydraulique et ne faire fonctionner les premiers moyens 107 pour maintenir la résistivité du fluide circulant le premier circuit hydraulique 103 au-dessus d'une valeur limite que lorsque cela est nécessaire, c'est-à-dire lorsque la résistivité décrot en dessous de la valeur limite. A contrario, on peut aussi prévoir qu'une partie du fluide circule en permanence dans les premiers moyens 107. Plus précisément, en sortie du compartiment 106, une partie seulement du fluide circule dans le filtre 107 et le reste du fluide ne le traverse pas. On définit la proportion du fluide traversant le filtre afin que la résistivité du fluide soit maintenue au-delà de la valeur iimite. Avantageusement, le fluide contenu dans le premier circuit hydraulique comporte un produit antigel dont la résistivité peut être maintenue au-dessus d'une valeur limite. Avantageusement, le premier circuit hydraulique comporte au moins une électrode saaificielle. Plus précisément, on place dans le circuit hydraulique au moins une pièce susceptible de se détériorer en priorité par rapport au reste du circuit hydraulique. Cette pièce peut être réalisée dans un matériau dont le potentiel électrochimique est tel qu'elle s'oxydera en priorité ou réalisée avec une forme particulière permettant d'obtenir le même effet. Cette électrode sera changée périodiquement. On peut, par exemple, prévoir 8 2838235 deux raccords 109 et 110 permettant de raccorder le collecteur 15 au reste du premier circuit hydraulique. Chacun de ces raccords 109 et 110 pourra comporter une électrode sacrificielle respectivement 111 et 112. Dans le premier circuit hydraulique, tel que représenté sur la figure 2, le bac d'interaction 8 est raccordé en parallèle du collecteur 15. En effet, le bec d'interaction 8 s'échauffant moins que le collecteur 15, on peut prévoir d'y faire circuler qu'une faible partie du détit total du fluide circulant dans le premier circuit hydraulique. Néanmoins, on peut aussi prévoir un raccordement en série du collecteur 15 et du bec d'interaction 8. L'échangeur 104 comporte un second compartiment 113 dans lequel circule un second fluide circulant dans un second circuit hydraulique. Le transfert thermique entre le premier et le second circuit hydraulique s'effectue au travers d'une plaque 114 séparant les deux compartiments 106 et 113 de l'échangeur 104. La figure 3 permettra de mieux comprendre la structure du second circuit hydraulique 120. Sur cette figure, le premier circuit hydraulique a été simplifié et ne comporte que le tube 100, la pompe de circulation 105 et le premier compartiment 106 de l'échangeur 104. Le tube 100, la pompe 105 et l'échangeur 104 sont disposés sur le portique 101 et sont contenus dans I'armoire 102. L'armoire 102 est elle-même contenue dans un bâtiment 121. Le second circuit hydraulique comporte le second compartiment 113 de l'échangeur 104, une pompe de circulation 125, ainsi qu'un échangeur fluide-air 122 situé à l'extérieur du bâtiment 121 et permettant d'évacuer la chaleur véhiculée par le fluide contenu dans le second circuit hydraulique 120 vers l'air ambiant extérieur au bâtiment 122. L'échangeur 122 comporte par exemple un compartiment 123 dans lequel circule le fluide du second circuit hydraulique 120 ainsi qu'un ventilateur 124 forçant la convection de l'air ambiant pour refroidir le compartiment 123. 9 2838235 REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement d'un tube électronique (100) destiné à amplifier un signal haute fréquence (E), le tube électronique (100) étant disposé sur un portique (101) destiné à la recevoir, le dispositif comportant un premier circuit hydraulique (103) dans lequel circule un premier fluide assurant le refroidissement d'au moins une partie (8, 15) du tube (100), caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un échangeur fluide-fluide (104) assurant un transfert thermique de la chaleur véhiculée par le premier fluide vers un second circuit hydraulique (120), et en ce que l'échangeur (104) est situé sur le portique (101). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier circuit hydraulique (103) est disposé sur le portique (101). 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie du tube (100) comporte un collecteur déprimé (15). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second circuit hydraulique (120) évacue la chaleur prélevée dans l'échangeur (104) vers l'extérieur d'un bâtiment (121) dans lequel le portique (101) est situé. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second circuit hydraulique (120) comporte un échangeur fluide-air (122) situé à l'extérieur du bâtiment (121), échangeur (122) dans lequel le second fluide transfère la chaleur qu'il véhicule vers l'air ambiant extérieur au bâtiment (121) 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'ii comporte des premiers moyens (107) pour maintenir la résistivité du fluide circulant le premier circuit hydraulique (103) audessus d'une valeur limite. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les premiers moyens (107) pour maintenir ia résistivité du fluide comportent des 1 0 2838235 seconds moyens pour empêcher le fonctionnement des premiers moyens lorsque la résistivité du fluide est au-dessus de la valeur limite. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une partie du fluide circule en permanence dans les premiers moyens (107). 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier fluide comporte un produit antigel dont la résistivité peut être maintenue au-dessus d'une valeur limite. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, carâctérisé en ce que le premier circuit hydraulique (103) comporte au moins une électrode sacrificielle (1 1 1, 112).