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REDRESSEURS A VAPEUR DE MERCURE.
L'invention se rapporte à des perfectionnements apportés aux dispositifs à décharge électrique tels que les redresseurs à vapeur de mercure et appareils similaires destinés à transformer le courant alternatif en courant conti- nu ou inversement. Elle peut être également employée dans des dispositifs à décharge électrique destinés à contrôler la valeur d'un courant alternatif ou continu ; peut encore s'en servir pour le contrôle et la stabilisation du courant continu dans des amplificateurs à haute fréquence, etc...
Un objet de l'invention est de perfectionner les redresseurs à va- peur de mercure de manière à réduire les probabilités de formation d'ares en retour, ,,-ou le passage du courant en sens inverse.
Un autre objet est d'augmenter les limites du courant et de la
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tension dans des redresseurs de dimensions données ou de réduire les dimensions des redresseurs établis pour une tension et un courant donnés.
Un autre objet est de faire passer un jet violent de vapeur de mercure sur le passade de l'arc dans un redresseur ou appareil similaire de manièrs à stabiliser l'arc et à augmenter sa capacité de transport de courant en éliminant la possibilité de l'existence d'une densité de vapeur trop réduite près de l'anode.
Un autre objet est de désioniser le trajet de l'arc près de l'anode au moyen d'un jet rapide de vapeur empêchant la décharge de se produire en sens inverse.
Un autre objet est de chauffer l'anode, la grille de contrôle, les écrans, etc... avec de la vapeur surchauffée, évitant ainsi la condensation du nercure en ces endroits, mais en prévoyant un refroidissement lorsque, en fonctionnement, la température tend à s'élever au-dessus de celle de la vapeur.
Les redresseurs à vapeur de mercure connus de l'art antérieur sont sujets aux arcs en retour, ou passade du courant dans le sens inverse.
Les arcs en retour sont causés principalement par l'ionisation qui-se produit dans le redresseur pendant que la tension de l'anode est inversée,
Pendant le fonctionnement, lorsqu'une tension positive fait passer un courant dans la direction normale, l'espace actif est rempli de va- peur partiellement ionisée. Si la tension est momentanément renversée, les mo- lécules de mercure ionisées positivement seront attirées vers l'anode. Si la tension inverse est suffisamment élevée, les ions de mercure frapperont llianode avec une vitesse assez grande pour causer l'émission d'électrons secondaires.
Les électrons émis par l'anode, par suite du bombardement des ions, seront atti- rés vers la cathode et, chemin faisant, créeront une ionisation supplémentaire en rencontrant des molécules neutres. En outre, les ions restés dans le redres- seur au moment de l'inversion de la tension entreront en collision avec les mo- lécules neutres et augmenteront l'ionisation.
Si l'augmentation de l'ionisation due au bombardement de l'anode et des molécules neutres devient plus importante que la désionisation naturelle du tube, il en résultera une condition instable due au fait que la vapeur devient fortement ionisée et livrera passage au courant dans le sens inverse, Telle est la condition de formation des arcs en retour qui limite la tension maxima de tous les redresseurs à vapeur de mercure ou à gaz et sont la source de nombreux déboires rencontrés dans le fonctionnement des redresseurs.
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Si l'on peut faire en sorte que la vapeur soit complètement désio- nisée avant l'inversion de la tension, le redresseur résistera à des tension in- verses beaucoup.plus élevées avant d'être sujet aux arcs en retour.
Conformément à l'invention, on accélère la désionisation au moment où la tension appliquée au redresseur est inversée et que le courant passe par @é- ro. De.cette manière, le redresseur peut fonctionner avec des courants et des ten- sions plus élevés. De plus, l'invention prévoit des moyens pour désioniser l'espa- ce voisin de ltanode et réduire ou empêcher le passage de courant en sens inverse même si l'anode est renfermée dans une enceinte commune à un certain nombre d'ano- des et dans laquelle se produit une ionisation continue. C'est le cas qui se pré- sente dans les redresseurs polyphasés qui comprennent une cathode pour deux ou plusieurs anodes.
Dans Part antérieur, on a fai@t usage de l'action de "pompage" accompagnant une décharge électrique dans la vapeur ou dans le gaz. C'est à ce pompage qu'est probablement due, en grande partie, l'efficacité des écrans d9anode pour la réduction des arcs en retour dans certains redresseurs à vapeur de mercure du commerce; C'est également à ce pompage qu'est dû, dans une certaine mesure, le bon fonctionnement de certains redresseurs à vapeur de mercure de type ancien dans lesquels les anodes étaient placées à l'extrémité de bras en verre recourbés et d'une certaine longueur.
Les pressions relativement basses créées près de l'anode par suite du pompage donnent une mobilité élevée aux ions qui se trouvent dans l'espace avo sinant, ce qui amène une collision plus rapide entre un ion et une paroi ou une autre partie du redresseur; de cette manière, un électron peut être donné à cet ion et le neutraliser, ou bien l'ion peut être arrêté dans son mouvement. On dimi- nue également, de cette manière, la probabilité de rencontre d'un ion ou d'un électron avec une molécule neutre, cette rencontre augmentant l'ionisation totale.
La difficulté que l'on rencontre dans l'application de cet effet de pompage est que le vide dans l'espace entourant l'anode n'est pas assez bas pour des courants faibles et est trop bas pour des courants élevés. En d'autres mots, pour des conditions de fonctionnement stable il n'existe qu'une valeur opti- ma du courant réalisant le meilleur compromis entre la chuta de tension dans l'arc et la tension correspondant à l'arc en retour. La pression de la vapeur autour de l'anode variera également avec la durée du passage du courant. En outre, pour les courants élevés, le pompage peut également être accompagné de fluctuations impor- tantes et rapides de la chute dans l'arc.
Cette circonstance, due la formation
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d'ondes dans la vapeur, cause la formation de tensions oscillantes excessives qui peuvent empêcher le fonctionnement aussi bien dans le redresseur que dans l'appa- reillage associé.
La présente invention prévoit des moyens pour chasser les ions de l'espace entourant l'anode ou compris entre l'anode et la cathode et cela sans faire varier la pression de la vapeur ou du gaz. On supprimera ainsi la formation d'ondes dans la vapeur et on évitera des tensions excessives ; lefonctionnement en général en sera donc amélioré. La chute dans l'arc pourra toujours rester fai- ble tout en empêchant la formation d'arcs en retour.
On comprendra mieux les caractéristiques nouvelles et les avan- tages de l'invention en se référant à la description suivante ainsi qu'aux des- sins qui l'accompagnent, donnés simplement à titre d'exemple et dans lesquels :
La figure 1 représente une coupe d'un redresseur à arc à mercure du type "ignitron" à cathode liquide; ce redresseur comprend un dispositif exté- rieur assurant la production et la circulation de vapeur de mercure.
La figure 2 montre une variante comprenant un dispositif extérieur assurant la circulation de la vapeur de mercure, et
La figure 3 est une coupe d'un redresseur à vapeur de mercure dans lequel on a réalisé une circulation interne du mercure basée uniquement sur l'ef- fet de pompage électrique.
Se rapportant à la fig.l, on a représenté un redresseur à vapeur de mercure à cathode liquide dans lequel une cuve métallique 1 renferme la catho- de 2 constituée par du mercure liquide, Une anode 3 est enfermée partiellement dans un écran 4 ; l'anode est constituée par un tube conducteur à extrémité évasée et muni d'un certain nombre d'ouvertures 5 du côté correspondant à l'extrémité ouverte de l'écran 4.
C'est par ces ouvertures que l'on fera passer de la vapeur de mercure de manière à enendrer un jet rapide de vapeur partant de l'anode, passant par l'extrémité de l'écran, vers la cathode à mercure 2 (voir les flèches) Ce jet de vapeur tend à balayer l'espace compris entre l'anode et l'extrémité de l'écran, ce qui aur-mente la rapidité de la désionisation autour de l'anode, Grâce à la durée réduite de l'ionisation, la probabilité de formation d'arcs en retour est diminuée. Cet effet est semblable à celui qui se présente lorsqu'on souffle de l'air entre les contacts de relais soumis à des courants alternatifs de tension relativement élevée.
Dans le but d'engendrer un courant de vapeur de mercure à partir de l'anode 2, on prévoit une tubulure 6 de préférence en un matériau isolant et @
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et réunissant, extérieurement à l'enceinte 1, la tige creuse de l'anode à une tubulure métallique 7 réunie elle-même à l'enceinte en un point 8 inférieur au niveau du mercure. On remarquera que la tubulure 7 est remplie partiellement de mercure liquide et partiellement de vapeur.
La tubulure 7 est chauffée au moyen d'un conducteur isolé 9 par- couru par un courant électrique et alimenté par une source quelconque, de manière à garder la vapeur et le mercure liquide, présents dans la tubulure, à une tempé- rature supérieure à celle de l'enceinte principale. Il en résultera une pression de vapeur plus élevée dans la tubulure que dans l'enceinte, et la différence de pression engendre le courant de vapeur de mercure issu de l'anode.
Pour éviter la condensation de la vapeur dans la tubulure et à l'anode, le dispositif de chauffage sera prévu de manière à surchauffer la vapeur.
La tubulure et l'anode seront donc maintenues à une température supérieure à celle correspondant à la pression de la vapeur en n'importe quel point de la tubulure et de l'anode, Lorsqu'il se produit à l'anode des pertes dues au passage du courant par le redresseur et que la température de l'anode s'élève, un échange de chaleur prendra naissance entre l'anode et la vapeur de mercure qui la traverse. En d'au tres mots, l'anode est refroidie par la vapeur et peut donc résister à une dissi- pation d'énergie importante sans recquérir une réfrigération au moyen d'eau. En outre, si la température de l'anode s'élève, celle de la vapeur s'élève également, le volume de la valeur augmente et sa vitesse augmente.
Il y a donc tendance à augmenter la charge du redresseur de manière à obtenir une meilleure vitesse de la vapeur et une plus grande vitesse de désionisation.
Le déplacement des ions de mercure et des molécules qu'ils entrai- nent du voisinage de l'anode vers la cathode, crée évidemment un effet de pompage. additionnel dont l'importance varie avec la charge du redresseur@ Si on règle convenablement le rapport entre le pompage électrique et la transmission de chais: leur de l'anode à la vapeur d'une part, et le pompage dû à l'évaporation dans la tubulure d'autre part, on peut faire varier la vitesse du courant de vapeur dans des proportions convenables pour compenser les fluctuations de la charge.
On peut encore perfectionner le contrôle automatique de la vitesse de la vapeur en faisant agir le courant de charge sur l'énergie d'entrée du dis- positif de chauffage 9 ou sur la dissipation d'énergie dans un autre dispositif de chauffage associé au système 9.
Dans un redresseur semblable à celui représenté à la fig.l, l'arc se produit à travers un courant de vapeur qui peut avoir une température et une
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pression considérablement supérieures à celles existant dans le corps de l'en- ceinte. Aussi, la chute dans l'arc peut-elle être faible même si la température de l'enceinte est basse.
Le redresseur représenté à la fleure 1 comprend un conducteur d'a- morae 10, muni d'une pointe 11 d'un matériau résistif, de préférence un composé de carborundum tel que la "Thyrite", en contact atec le mercure. Des douilles iso- lantes 12 et 13 sont fixées au couvercle 14 au moyen d'un anneau de serrage et de scellement 15. Pour éviter les pertes de chaleur autour des tubulures 6 et 7, on peut utiliser un manchon 16 constitué par n'importe quel matériau thermiquement isolant tel que l'asbeste, la laine de verre, etc..
Bien qu'on ait montré à la figure 1 une seule anode, il est enten- du que l'on peut se servir d'un nombre quelconque d'anodes recevant de la vapeur de mercure surchauffée à partir de sources Individuelles ou d'une source commune à travers des tubes isolants.
Dans la variante de la Fig.2, on a également un système extérieur de circulation de vapeur de mercure. La partie active du redresseur est réduite à l'intérieur du tube isolant 18; l'effet du jet de vapeur se fait donc sentir dans tout l'espace actif. Le courant de vapeur dans la partie active du redres- seur peut avoir une densité correspondant X environ à une pression de 0,1 mm. à 80 . (La température et la pression effectives semblent être de faible importan- ce à côté de la densité ; le facteur important est le nombre de molécules de gaz par cm3).
Le corps du redresseur peut être maintenu à une température qui ne doit pas dépasser 60 C. Lorsque la vapeur passe par l'anode, on peut avoir une détente importante de cette vapeur ; onpeut donc l'évaporer à une température et à une pression correspondante sensiblement supérieure à 80 . De cette façon les variations de température dans l'enceinte principale auront moins d'effet sur le courant de vapeur traversant l'anode.
En pratique, l'expérience déterminera, dans chaque cas et dans les diverses conditions de fonctionnement, la puissance nécessaire pour obtenir la dissipation d'énergie optima dans le dispositif de chauffage 9.
Dans le système représenté à la fig.2, on a connecté à la cathode liquide un écran métallique désionisant 19. Cet écran permet à la vapeur de mer-- cure de s'échapper par un grand nombre de trous ou de fentes 20 dont la longueur est suffissament frande par rapuort à la largeur pour assurer une désionisation complète du gaz avant qu'il atteint l'enceinte principale. Une telle disposition
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permet le fonctionnement de plusieurs anodes polyphasées dans une enceinte unique sans risquer de.voir une anode amorcée par suite de l'ionisation créée par une autre anode. L'appareil peut également fonctionner pour des pressions de la va- peur et une densité sur le trajet de l'arc supérieures à celles existant dans le / corps de l'enceinte.
Dans le système de la Fig.2, on a représenté un étranglement 21 placé entre ltanode et la cathode liquide. Cet étranglement peut être réalisé au moyen d'un matériau isolant ou d'un métal (de préférence un métal) et sert à ren- dre plus étroit le passage de l'arc et à augmenter l'effet de pompage électrique.
Convenablement dimensionné, l'étranglement, en même temps que l'effet de pompage électrique, combat les variations de la vitesse d'évaporation à la cathode ; variations, de même que celles qui se produisent dans la charge pourraient, sinon faire varier la pression du gaz aux environs de l'anode en sens opposé à celui des variations de charge. L'étranglement favorise également la désionisation de la vapeur qui la traverse et tend ainsi à diminuer les chances de production d'arcs en retour.
La pièce constituant l'étranglement sera, de préférence, connectée à l'anode par l'intermédiaire d'une résistance élevée constituée à l'intérieur du cylindre isolant. De cette manière on permet à la pièce d'étranglement de servir d'anode pour amorcer l'arc, mais la valeur de la résistance limite le courant qui y arrive. Dès que l'arc aura été amorcé, l'anode principale supportera presque tout le courant. Par conséquence la température de l'étranglement ne s'élèvera pas comme celle de l'anode.
Lorsque la tension s'inverse, l'étranglement relati- vement froid, qui fonctionne momentanément comme anode, est beaucoup moins exposé à laisser passer un arcs dans le sens inverse à cause de sa température faible et à.cause de la limitation du courant inverse due à la résistance élevée qui réunit la pièce d'étranglement à l'anode principale.
En faisant usage, comme électrode d'amorçage, d'une tige de Thy- rite dont une extrémité pénètre dans la cathode liquide et dont l'autre est con- nectée à une source de courant d'amorçage, la résistance de la tige produit une forte concentration de courant à la surface du mercure. Avec la Thyrite employée comme matériau résistif, la diminution de résistance que produit une augmentation de la densité de courant rendra plus importante la concentration de courant au point où la tige de Thyrite pénètre la surface du mercure; ce qui est une con- dition favorable,
On a trouvé également qu'il n'est pas essentiel de placer la tige de Th
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de Thyrite de manière à pénétrer dans le mercure de la cathode.
On s'est déjà servi de pointes en Thyrite, ou en acier, se terminant près de la surface du mercure de faqon à créer des étincelles d'une manière semblable à celle qui se produit dans les moteurs à explosion. Les étincelles amorcent l'arc sans diffi- culté.
La fil-.3 représente une autre disposition de redresseur dans la- quelle la circulation de la vapeur de mercure de l'anode à la cathode n'est due qu'au pompage électrique. Dans ce système, l'effet de pompage augmente lorsque le courant augmente; donc, la tendance normale à la formation d'arcs en retour (ten- dence qui au-mente avec la charge) est combattue par une circulation de vapeur et un effet de soufflage plus importants. Dans ce cas, pour avir un fonctionnement satisfaisant, la section du passage de l'anode à la cathode doit être rétrécie afin de diminuer la diffusion à l'encontre de l'effet de pompage électrique, Pour réaliser le pompage, on prévoit un étranglement 25 entre l'anode et la cathode.
La section des ouvertures de l'étranglement sera de l'ordre de 0,25 cm2 par ampè- re pour le courant continu maximum pouvant passer entre l'anode et la cathode.
On a également représenté un écran et une pièce d'étranglement 26 S'étendant depuis un point inférieur à la surface du mercure jusqu'en un point extérieur à l'isolateur d'anode et près du sommet du réservoir. Cet écran et cette pièce d'étranglement sont munis d'un grand nombre de fentes 27 et 28, de section étroite. Celles-ci permettent le passage de la vapeur dans l'isolateur d'anode (fentes 28) et la laisse entrer dans le corps du réservoir (fentes 27). Le gaz est désionisé au passage et on évite ainsi l'amorçage de l'arc entre le sommet de la tige d'anode, à travers la vapeur et le réservoir principal, vers la catho- de liquide. Par conséquent, l'arc et le gaz ionisé sont renfermés dans un volume étroit compris entre l'anode et la cathode.
On peut ainsi faire fonctionner d'au- tres anodes, de phases différentes, dans la même enceinte sans augmenter les chan- ces de formation d'arcs en retour. En même temps on diminue la durée de la désio- niation.
Une caractéristique intéressante des redresseurs à circulation de vapeur de mercure est que l'arc se produit dans de la vapeur de mercure pure indépendamment des fuites dans l'enceinte. La distillation continue du mercure chasse tous les gaz étrangers de la partie active du redresseur. Ce fait est un facteur important qui évite les arcs en retour et diminue la détérioration de l'anode et des pièces d'étranglement. De même, le jet de vapeur enlève de l'anode toutes les molécules qui peuvent s'en être détachées et qui pourraient créer sur
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l'anode une tache cathodique.
Quoiqu'on niait montré qu'une anode dans chacun des redresseurs représentés aux Fig. 1, 2 et 3, l'invention n'est évidemment pas limitée aux re- dresseurs à anode unique. On peut se servir d'un nombre quelconque d'anodes dans une enceinte unique où l'on fait le vide. Pour un redressement complet de courant monophasé on peut se servir de deux anodes; pour du courant triphasé, on peut se servir de six anodes, etc...
Le présenta système de suppression des arcs en retour au moyen de soufflage à vapeur de mercure peut également être appliqué dans les redresseurs ayant une cathode unique servant à un certain nombre d'anodes. Il n'est pas es- sentiel que les redresseurs aient des électrodes d'amorçage du type décrit : on peut prévoir n'importe quel procédé d'amorçage des. arcs, y compris l'usage de ca- thodes chaudes. En d'autres mots, l'invention comprend l'application de la sup- pression des arcs en retour au moyen de jets de vapeur à n'importe quel type de à vapeur redresseur ou inverter ou à gaz.
Les redresseurs ou inverters peuvent évidemment être munis d'électrodes de contrôle permmttant de régler le courant de décharge dans les différents cas d'utilisation :conversion de courant alternatif en cou- rant continu ou de courant continu en courant alternatif, contrôle de la puissan- ce à intensité élevée, soudure électrique, etc...
Bien entendu, les dispositifs faisant usage de l'invention peu- vent également être munis de tous les auxiliaires et les équipements associés couramment aux appareils de ce type : pompes à vide, indicateurs de vide, systè- mes de refroidissement à l'eau, systèmes de protection à relais, etc..
Dans le système de la fig.l, on peut se passer du conducteur de chauffage 9 en se servant de la tubulure elle-même comme oonducteur; on fait, pour cela, passer des courants relativemente importants dans une portion de la tubulure 7. De plus, le courant de chauffage peut être obtenu partiellement à partir d'un transformateur dont l'enroulement primaire est en série avec le cir- cuit d'entrée d'un redresseur ou le circuit de sortie d'un inverter dans le but - de faire varier le chauffage avec la charge.
Dans les figures .on a représenté la cathode liquide dans la partie inférieure du réservoir prineipal. En pratique, on préfère cependant isoler la cathode liquide de l'enceinte principale pour éviter les arcs vers les parois et pour les @ localiser sur la cathode liquide. A la fig.l, on a également re- présenté un isplateur 30 servant à localiser le spot cathodique sur la surface du mercure à l'intérieur de cet isolateur. Sinon le spot cathodique ou l'extrémité
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négative de l'arc pourrait se déplacer jusqu'à l'enceinte métallique ou à d'au- tres parties intérieures à l'enveloppe où l'arc pourrait causer des dommages ou être suffisamment refroidi pour s'éteindre.
Ceux qui sont versés dans la technique pourront aisément détermina' les dimensions à donner aux différentes parties de l'appareil, les pressions de vapeur nécessaires, les vitesses de la vapeur, etc...
Pour donner un exemple numérique, supposons que l'espace séparant l'anode de la cathode, par lequel peut passer l'arc, ait un diamètre de 10 cm., ce qui donne une gection de 78,6 cm2; supposons, en outre, que la longueur soit de 20 cm. On peut montrer qu'à une pression d'unebarye et une température de 20 0. le débit de l'air passant dans le tube serait de 370.000 cm3 par seconde, Bour les mêmes conditions de température de pression, le débit de vapeur de mer- cure serait approximativement 370.000 28,9 =140.000cm3 par seconde, ce V200,61 qui donne une vitesse d'entrée de = ###### %par seconde et une vitesse 78,6 de sortie d'autant plus grande que la variation de volume de la vapeur due à la différence de pression est plus grande.
On peut donc constater qu'une différence de pression d'une barye entre les extrémités du tube produira une expulsion des ions de l'espace entier en moins de 0,0005 seconde. En pratique, la vitesse au centre du tube sera plus Élevée que la vitesse moyenne, tandis que les parois du tube désioniseront l'ex- térieur de l'arc. Cette action, combinée avec la vitesse croissante due à la dé- tente de la vapeur, donnera probablement en pratique un temps de liordre de 0,0001@ seconde pour la désionisation complète. On peut obtenir des vitesses de désionisation plus élevées avec des différence de pression plus élevées.