Brevet FR2989851A1 — publié le 20131025

La présente invention concerne le domaine des condensateurs notamment en vue de leur application dans un générateur haute tension d'impulsions, de type MARX comprenant un grand nombre de condensateurs connectés électriquement en parallèle, des résistances ou inductances de charge connectées en série et des s éclateurs, de telle sorte que la tension d'entrée charge en parallèle les condensateurs et que ceux-ci se déchargent en série via les éclateurs. La figure 1 représente le schéma électrique d'un générateur de type MARX. Sur cette figure C désigne des condensateurs, R des résistances de charge et E des éclateurs comportant chacun deux demi-éclateurs. 10 Les condensateurs C, chargés en parallèle à la tension d'entrée V1 sont mis en série à l'aide d'éclateurs E. Si n est le nombre d'étages ou le nombre de condensateurs C, l'amplitude de l'impulsion de la tension V2 appliquée à la charge est égale à : 15 V2=nV1 Si on désigne par C la capacité d'un condensateur (ou d'un étage), la capacité équivalente de l'ensemble du générateur de MARX est égale à C/n. L'énergie stockée est égale à 20 W= n (1/2 C V12) Après l'impulsion de déclenchement, les condensateurs C sont déchargés en série via les éclateurs E. 25 L'impulsion de déclenchement est appliquée sur une électrode auxiliaire uniquement présente sur le premier éclateur. Les tensions aux bornes de chaque condensateur C sont mises en série, donc s'additionnent. On connaît les générateurs de MARX et la figure 2 montre un schéma de seulement 30 deux étages successifs d'un tel générateur, étages aussi appelés galettes dans la suite. Ce schéma comporte une première galette 10i interconnectée sur sa face supérieure 22 à une seconde galette 102 du générateur identique à la première, ces galettes étant connectées respectivement à une troisième et à une quatrième galettes non représentées pour un souci de simplicité. Ces galettes sont contenues dans une structure tubulaire rigide 40 réalisée dans un matériau non conducteur et sont constituées par un certain nombre d'éléments enrobés dans une résine 17 en forme de cylindre aplati avec un canal axial 35. La première galette 101 est composée d'un bloc en résine 17 de forme cylindrique et aplatie et comportant une face supérieure transversale comportant un premier et un second borniers de connexion 13 et 15 et une face inférieure transversale 23 comportant un troisième et un quatrième borniers de connexion 14 et 16. Le premier bornier 13 est connecté électriquement au troisième bornier 14 via 10 respectivement une première connexion 24, une première inductance ou résistance de charge 11 et une seconde connexion 25. Le second bornier 15 est connecté au quatrième bornier 16 via respectivement une troisième connexion 26, une seconde inductance ou résistance de charge 12 et une quatrième connexion 27. 15 Le troisième bornier 14 est aussi connecté à chacune des premières bornes de deux condensateurs 18 et 19 disposés en parallèle ainsi qu'à un premier demi éclateur 21 disposé au niveau de la surface transversale inférieure 23 de la galette 101 et à proximité de son centre tandis que le second bornier 15 est aussi connecté à chacune des secondes bornes des dits condensateurs 18 et 19 disposés en 20 parallèle ainsi qu'à un second demi éclateur 20 disposé au niveau de la surface transversale supérieure 22 de cette galette et à proximité de son centre. Ainsi, les premier et second borniers de la galette 10i peuvent être connectés respectivement aux troisième et quatrième borniers de la galette 102 tandis que le second demi éclateur 20 de la galette 101 est en regard du premier demi éclateur 21 25 de la galette 102. Ainsi, ce générateur comporte ou moins un condensateur par galette connectés électriquement en parallèle, les inductances ou résistances de charge étant connectées en série de telle sorte que la tension d'entrée charge en parallèle les condensateurs et que ceux-ci se déchargent en série via les éclateurs. 30 On connaît aussi la demande FR2823033 qui décrit un générateur haute tension d'impulsions, de type MARX comprenant un grand nombre de condensateurs connectés électriquement en parallèle, des résistances de charge connectées en série et des éclateurs, de telle sorte que la tension d'entrée charge en parallèle les condensateurs et que ceux-ci se déchargent en série via les éclateurs. Ce générateur est constitué par un bloc compact cylindrique comprenant des galettes superposées, chaque galette, aussi appelée étage, comportant plusieurs condensateurs connectés électriquement avec des résistances de charge et avec deux demi-éclateurs, l'ensemble étant noyé dans une résine isolante d'enrobage. De plus, chaque galette comprend au moins une série de condensateurs juxtaposés de façon à former une couronne, chaque condensateur formant un secteur de ladite couronne, les condensateurs étant reliés de chaque coté à une plaque conductrice ou à des circuits imprimés haute tension. Chacun des deux demi-éclateurs d'un même étage forme un éclateur avec un demi éclateur de l'étage adjacent aval pour lo l'un, et avec un demi-éclateur de l'étage adjacent amont pour l'autre. Ce concept de galette permet de réaliser un générateur de Marx modulaire dont la tension de sortie maximale est définie par le nombre d'étages, donc de galettes superposées. En outre, la conception spécifique de ces étages est telle que les éclateurs sont disposés dans un canal central contenant un gaz sous pression et 15 permettant leur déclenchement simultané. Ce phénomène d'avalanche est amélioré par effet photoélectrique lié à la forte production de rayonnement ultraviolet au moment de la décharge électrique au niveau des éclateurs. L'énergie stockée dans un tel générateur dépend d'une part des caractéristiques physiques des condensateurs et du nombre d'étages du générateur 20 et, d'autre part de la tension de charge appliquée à chacun des étages. Or augmenter la taille des condensateurs ou du nombre d'étages accroît l'encombrement du générateur tandis que l'augmentation de la tension de charge provoque un phénomène de claquage en surface par contournement mettant en court circuit l'étage correspondant. 25 Un générateur selon la demande de brevet FR2823033 présente aussi l'inconvénient de ne pas pouvoir être réalisé lorsqu'on ne dispose pas d'installation d'enrobage. De plus, ce type de galettes en résine nécessite l'usage de condensateurs non enrobés, la résine de la galette devant être coulée en une seule fois. Or, les condensateurs 30 sont particulièrement sensibles aux contraintes mécaniques et s'oxydent très rapidement si bien que l'enrobage dans la résine doit absolument être réalisé sans délai par le même fabricant. De plus, la résine, en se solidifiant, se rétracte et crée des contraintes mécaniques, en particulier sur les condensateurs particulièrement sensibles aux tensions mécaniques. Or l'adoption de nouvelles normes peut parfois conduire à une fragilisation des condensateurs, cette fragilisation étant pénalisante avant l'enrobage mais aussi pendant le fonctionnement de la galette. Le but de l'invention est aussi de résoudre les inconvénients précités en proposant une nouvelle conception d'étage de générateur de MARX aux spécifications de tenues mécanique et diélectrique ainsi que de fiabilité supérieures à celles des produits développés auparavant. La solution apportée est une galette apte à être utilisée dans un générateur de tension et comportant au moins un condensateur et deux résistances de charge ou deux inductances de charge connectés électriquement, caractérisée en ce qu'elle comporte une enveloppe rigide renfermant lesdits au moins un condensateur et une résistance de charge ou une inductance de charge connectés électriquement et enrobés dans une résine ou un gel et en ce qu'au moins quatre borniers de connexion affleurent ou dépassent de cette enveloppe. Selon une caractéristique particulière, l'enveloppe comporte une première partie creuse avec une première portion tubulaire extérieure et une seconde portion tubulaire intérieure, ces portions tubulaires étant coaxiales et solidarisées par une plaque annulaire à leurs bases et une seconde partie en forme de plaque circulaire, cette enveloppe étant par exemple isolante et en PVC. Pour en faciliter, la fabrication, une galette selon l'invention comporte au moins l'une des caractéristiques suivantes : - lesdits au moins un condensateur (118, 119) et deux résistances de charge ou deux inductances de charge (111, 112) connectés électriquement sont enrobés dans un gel, par exemple un gel silicone (117), - lesdits au moins un condensateur (118, 119) et deux résistances de charge ou deux inductances de charge (111, 112) connectés électriquement sont disposés entre une première structure annulaire supérieure (103) et une seconde structure annulaire inférieure (104) comportant chacune un demi-anneau électriquement conducteur (128, 130) et un demi-anneau non électriquement conducteur (129, 131), - le premier demi anneau conducteur (128) est placé au dessus du quatrième 30 demi anneau non conducteur (131) et le second demi anneau non conducteur (129) est placé au dessus du troisième demi anneau conducteur (130), - la première structure annulaire supérieure (103) et la seconde structure annulaire inférieure (104) sont séparées par au moins deux entretoises (132, 133), - elle comporte un premier et un second taquets (134, 136) de connexion à un demi-éclateur (120, 121), connectés respectivement au premier et au troisième demi-anneaux conducteurs (130, 128), - elle comporte un premier et un second condensateur (118,119), une s première et une seconde inductance de charge (111, 112), une première et une seconde entretoise (132, 133), des premier second, troisième et quatrièmes borniers (113, 114, 115, 116) de connexion, des premier et second éclateurs (120, 121). L'invention concerne aussi un générateur de tension comportant au moins une 10 galette selon l'invention. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront dans la description de différentes variantes de réalisation de l'invention, en regard des figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 est un schéma électrique d'un générateur de MARX ; 15 - la figure 2 est un schéma électrique d'une partie d'un générateur de Marx; - la figure 3 est un schéma électrique d'une partie d'un générateur de Marx de type 18L comportant des galettes selon l'invention ; - la figure 4 montre un exemple d'agencement des éléments d'une 20 galette un mode de réalisation particulier de l'invention ; la figure 5 présente un mode de réalisation d'une enveloppe rigide d'une galette selon l'invention. La figure 3 montre un schéma de seulement deux étages successifs d'un générateur 25 de Marx comportant des galettes selon l'invention. Ce schéma comporte une première galette 1001 interconnectée sur sa face supérieure 122 à une seconde galette 1002 du générateur, ces galettes étant connectées respectivement à une troisième et à une quatrième galettes non représentées pour un souci de simplicité. Ces galettes sont contenues dans une structure tubulaire rigide 140 réalisée dans un 30 matériau non conducteur. Chacune de ces galettes comporte une enveloppe rigide électriquement isolante 101 de forme cylindrique et aplatie et comportant un canal axial 135. Cette enveloppe renferme un certain nombre d'éléments enrobés dans du gel diélectrique 117, par exemple du gel silicone Cette enveloppe 101 comporte deux ouvertures sur sa face supérieure transversale 122 dans chacune desquelles est inséré un bornier ainsi que deux ouvertures sur sa face inférieure transversale 123 dans chacune desquelles est inséré un bornier. La première galette 1001 est composée de l'enveloppe 101 comportant un premier et un second borniers de connexion 113 et 115 sur sa face supérieure transversale 122 avec et un troisième et un quatrième borniers de connexion 114 et 116 sur sa face inférieure transversale 123. 10 Le premier bornier 113 est connecté électriquement au troisième bornier 114 via respectivement une première connexion 124, une première inductance ou résistance de charge 111 et une seconde connexion 125. Le second bornier 115 est connecté au quatrième bornier 116 via respectivement une troisième connexion 126, une seconde inductance ou résistance de charge 112 15 et une quatrième connexion 127. Le troisième bornier 114 est aussi connecté à chacune des premières bornes de deux condensateurs 118 et 119 disposés en parallèle ainsi qu'à un premier demi éclateur 121 disposé au niveau de la surface transversale inférieure 123 de la galette 1001 et à proximité de son centre tandis que le second bornier 115 est aussi 20 connecté à chacune des secondes bornes des dits condensateurs 118 et 119 disposés en parallèle ainsi qu'à un second demi éclateur 120 disposé au niveau de la surface transversale supérieure 122 de cette galette et à proximité de son centre. Ainsi, les premier et second borniers de la galette 1001 peuvent être connectés respectivement aux troisièrne et quatrième borniers de la galette 1002 tandis que le 25 second demi éclateur 120 de la galette 1001 est en regard du premier demi éclateur 121 de la galette 1002. Ainsi, ce générateur comporte deux condensateurs par galette connectés électriquement en parallèle, les inductances de charge étant connectées en série de telle sorte que la tension d'entrée charge en parallèle les condensateurs et que ceux- 30 ci se déchargent en série via les éclateurs. La figure 4 montre un exemple d'agencement des éléments d'une galette 1001 exceptés l'enveloppe 101 et les demi-éclateurs pour une question de simplification de la figure, ces demi-éclateurs pouvant être agencés comme dans le cadre de la figure 3 de la demande de brevet FR2823033. Lesdits éléments sont constitués par une structure rigide annulaire supérieure 103, une structure rigide annulaire inférieure 104 et, insérés entre ces deux structures - une première et une seconde entretoise 132, 133 - un premier et un second condensateurs 118, 119 - une première et une seconde inductance de charge 111, 112 une première partie des dits premier, second, troisième et quatrième borniers 10 113, 115, 114 et 116, ces borniers étant emmanchés dans des ouvertures pratiquées dans lesdites structures et comportant une seconde partie, de diamètre supérieur à celui de la première partie et disposée au dessus de la structure annulaire supérieure 103 pour les premier et second borniers 113, 115 et au dessous de la structure annulaire inférieure 104 pour les troisième et 15 quatrième borniers de connexion 114, 116, - un premier et un second taquet de connexion 134, 136. Les premier et second condensateurs peuvent être, ou pas, enrobés par exemple avec une matière isolante et sont disposés de façon diamétralement opposée et il en est de même pour les première et seconde entretoises, les première et seconde 20 inductances de charge, les premier et second taquets , les premier et seconds borniers et les troisième et quatrième borniers de connexion. En outre, les borniers de connexion et les taquets sont disposés selon le même plan. On trouve ainsi, dans le sens horaire, la succession d'éléments suivants : 25 Le premier condensateur 118, la première entretoise 132, les premier et troisième borniers 113, 114 et le premier taquet 134, la première inductance de charge 111, le second condensateur 119, la seconde entretoise 133, les deuxième et quatrième borniers 115, 116 et le second taquet 136, la second inductance de charge 112. Les condensateurs, les entretoises et les inductances de charge sont fixées auxdites 30 structures annulaires inférieure et supérieure par des vis 137. La structure supérieure est composée d'un premier demi-anneau conducteur 128 et d'un second demi anneau non conducteur 129 solidarisés entre eux à leurs extrémités par des vis 137. De même, la structure inférieure est composée d'un troisième demi-anneau conducteur 130 et d'un quatrième demi anneau non conducteur 131 solidarisés entre eux à leurs extrémités par des vis 137. De plus, le premier demi anneau conducteur 128 est placé au dessus du quatrième demi anneau non conducteur 131 et le second demi anneau non conducteur 129 est placé au dessus du troisième demi anneau conducteur 130. En outre, le premier demi anneau conducteur 128 comporte au niveau de chacune de ses extrémités un alésage taraudé 106. La première inductance de charge 111 est connectée aux premier et troisième borniers 113, 114 par des liaisons électriques filaires 124 et 125 et le premier bornier 113 est connecté électriquement à une première borne des condensateurs 118 et 10 119 par le premier demi-anneau conducteur 128. La seconde inductance de charge 112 est connectées aux second et quatrième borniers 115, 116 par des liaisons électriques filaires 126 et 127 et le quatrième bornier 116 est connecté électriquement à une seconde borne des condensateurs 118 et 119 par le troisième demi-anneau conducteur 130. De plus, le premier taquet 15 134 est fixé, grâce à deux vis non représentées sur la figure, et connecté électriquement audit premier demi-anneau conducteur 128 et comporte une borne 102 de connexion pour le premier demi-éclateur 120 tandis que le second taquet 136 est connecté électriquement audit troisième demi-anneau conducteur 130 et comporte une borne de connexion pour le second demi-éclateur 121. 20 Afin d'éviter des renforcements de champ à l'origine de claquages électriques, toutes les arêtes des borniers de connexion, des demi-éclateurs, des inductances, des entretoises, ainsi que des condensateurs sont arrondies. Comme montré sur la figure 5, l'enveloppe rigide 101 de forme cylindrique et aplatie, 25 réalisée en matériau isolant, par exemple en PVC, comporte deux parties dont : une première partie creuse 107 en forme de moule à savarin avec une première portion tubulaire extérieure 141 et une seconde portion tubulaire intérieure 142 formant le canal 135, ces portions tubulaires étant coaxiales solidarisées par une plaque annulaire 143 à leurs base 30 - une seconde partie 108 en forme de plaque annulaire destinée à être placée au dessus de la cavité de la première partie et fixée par vis audit premier semianneau conducteur 128 via les alésages taraudés 106, 150 et de sorte à former l'enveloppe. Cette deuxième partie, ainsi que la plaque annulaire 143 comportent des ouvertures 109 permettant le passage des premier et second borniers 113 et 115, respectivement des troisième et quatrième borniers de connexion 114, 116 et une ouverture centrale prolongeant le canal 135. La seconde portion tubulaire 142 comporte deux ouvertures 144, l'une située dans sa partie supérieure et l'autre dans sa partie inférieure, ces ouvertures reliant l'intérieur de la première partie de l'enveloppe avec le canal 135, chacune de ces ouvertures permettant le passage d'un demi éclateur. - La première partie creuse 107 de l'enveloppe est aussi fixée par des vis au dit troisième semi-anneau conducteur 130 via des alésages taraudés 106 pratiqués dans ce dernier. Comme le diélectrique utilisé, à savoir le gel silicone 117 ne possède pas une bonne tenue mécanique, l'enveloppe 101 assure la rigidité du système et le protège des contraintes mécaniques extérieures notamment lors du montage du générateur. Elle garantit en outre, une bonne précision de l'assemblage des différents étages, rendant ainsi possible une grande précision de réglage des éclateurs. Contrairement aux galettes selon l'état de la technique, ce nouveau type de galette permet l'utilisation de condensateurs pré-enrobés disponibles dans le commerce. Les impédances de charge des condensateurs intégrés à la galette peuvent être des résistances carbone disponibles dans le commerce, ou bien des inductances spécialement conçues. Ces dernières permettent de faire fonctionner le générateur en régime répétitif. Le procédé de fabrication d'une galette selon les figures précédentes peut être le 25 suivant. Le premier demi-anneau conducteur 128 et le second demi-anneau non conducteur 129 sont solidarisés à l'un des premier et second condensateurs 118, 119 puis à l'autre par des vis 137 puis les inductances, les entretoises les premier et second bornier et le premier taquet 134 sont fixés à la structure annulaire 30 supérieure 103. Le troisième demi-anneau conducteur 130 et le quatrième demi-anneau non conducteur 131 sont ensuite solidarisés sur les faces libres des premier et second condensateurs 118, 119, des entretoises 132, 133, des inductances 111, 112 puis les troisième et quatrième borniers 114, 116 et le second taquet 136 y sont fixés. Les extrémités filaires de la première inductance 111 sont ensuite connectées aux premier et troisième borniers 113, 114 tandis que celles de la deuxième inductance 112 sont connectées aux second et au quatrième borniers 115, 116. - L'ensemble ainsi réalisé est placé dans la partie creuse de l'enveloppe de sorte que les connexions des taquets destinées chacune à recevoir un demi-éclateur se trouvent en regard des ouvertures 144 de ladite seconde portion tubulaire intérieure 142 de l'enveloppe. - Les premier et second demi-éclateurs sont ensuite connectés respectivement aux premier et second taquets. - La partie creuse 107 de l'enveloppe est ensuite remplie de gel silicone de façon à enrober ledit ensemble. Une fois que la partie creuse 107 est remplie, un couvercle isolant à savoir la seconde partie 108 en forme de plaque annulaire est fixée par vis au premier demi-anneau conducteur 128 permettant ainsi d'assurer une protection mécanique à l'ensemble. Seuls les quatre borniers de connexion et les deux supports pour les éclateurs restent accessibles. - L'empilement des galettes selon l'invention pour former par exemple un générateur de Marx est ensuite réalisé suivant l'état de la technique connu. Pour le fonctionnement, un circuit d'alimentation en courant charge, en parallèle, les condensateurs via les borniers de connexion, les inductances ou résistances de charges, et les premier et troisième demi-anneaux conducteurs, tandis qu'une fois chargés à la tension disruptive des éclateurs, les condensateurs se déchargent en série via les premier et troisième demi-anneaux conducteurs, les taquets, et les demi-éclateurs. Ce type de galette permet de construire des générateurs de MARX compacts qui peuvent être utilisés dans différents domaines tels que l'émission d'ondes électromagnétiques, la radiographie-éclair, tests de compatibilités électromagnétiques, applications médicales et toutes autres applications nécessitant l'utilisation de tels générateurs Bien entendu, de nombreuses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation précédemment décrits sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, des galettes à huit condensateurs permettant, pour un nombre d'étage donné, une intensité de décharge plus importante, ont été réalisées, les éléments situés entre les structures supérieure et inférieure étant placés plus proche les uns des autres. Ce type de générateur est à même de fournir- la quantité d'énergie nécessaire à l'émission de rayons-X. Par ailleurs, une résine pourrait être utilisée à la place du gel silicone, voire un autre gel diélectrique. De plus, les demi-éclateurs peuvent être connectés aux condensateurs sans les taquets de connexion par exemple en étant connectés directement aux demi- 10 anneaux conducteurs correspondants par une connexion filaire. REVENDICATIONS1 Galette pour générateur de tension comportant au moins un condensateur (118, 119) et deux résistances de charge ou deux inductances de charge (111, 112) connectés électriquement, caractérisée en ce qu'elle comporte une enveloppe rigide (101) renfermant lesdits au moins un condensateur (118, 119) et une résistance de charge ou une inductance de charge (111, 112) connectés électriquement et enrobés dans une résine ou un gel et en ce qu'au moins quatre borniers de connexion (113, 114, 115, 116) affleurent ou dépassent de cette enveloppe. 2 Galette selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enveloppe comporte une première partie creuse (107) avec une première portion tubulaire extérieure 141 et une seconde portion tubulaire intérieure (142), ces portions tubulaires étant coaxiales et solidarisées par une plaque annulaire (143) à leurs bases et une seconde partie (108) en forme de plaque circulaire. 3 Galette selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ladite enveloppe (101) est par exemple en PVC. 4 Galette selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce lesdits au moins un condensateur (118, 119) et deux résistances de charge ou deux inductances de charge (111, 112) connectés électriquement sont enrobés dans un gel, par exemple un gel silicone (117). 5 Galette selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits au moins un condensateur (118, 119) et deux résistances de charge ou deux inductances de charge (111, 112) connectés électriquement sont disposés entre une première structure annulaire supérieure (103) et une seconde structure annulaire inférieure (104) comportant chacune un demi-anneau électriquement conducteur (128, 130) et un demi-anneau non électriquement conducteur (129, 131). 6 Galette selon la revendication 5, caractérisée en ce que le premier demi anneau conducteur (128) est placé au dessus du quatrième demi anneau non conducteur (131) et le second demi anneau non conducteur (129) est placé au 30 dessus du troisième demi anneau conducteur (130). 7 Galette selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que la première structure annulaire supérieure (103) et la seconde structure annulaire inférieure (104) sont séparées par au moins deux entretoises (132, 133).8 Galette selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un premier et un second taquets (134, 136) de connexion à un demi-éclateur (120, 121), connectés respectivement au premier et au troisième demi-anneaux conducteurs (128, 130). 9 Galette selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'elle comporte un premier et un second condensateur (118,119), une première et une seconde inductance de charge (111, 112), une première et une seconde entretoise (132, 133), des premier second, troisième et quatrièmes borniers (113, 114, 115, 116) de connexion, des premier et second éclateurs (120, 121). 10 10 Générateur de tension comportant au moins une galette selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.