Machine électrostatique La présente invention a pour objet une ma chine électrostatique à transporteur ,isolant.
On a déjà réalisé un certain nombre de ces machines, mais jusqu'à maintenant leur faible puissance et leur médiocre rendement se sont opposés à leur exploitation industrielle.
La machine selon la présente invention peut en revanche être exécutée de façon à avoir les qualités suivantes - Grande puissance par unité de surface, per mettant la disposition cylindrique pour des puissances relativement élevées.
- Grande simplicité constructive et, par con séquent, prix de revient très bas.
- Absence de contacts frottants sujets à usure et donnant lieu à la production de poussières conductrices qui provoquent des courts-cir cuits. - Tension élevée par organe rotatif. - Réduction considérable des pertes par frot tement d'es organes tournants sur le fluide diélectrique et par turbulance dudit fluide. La machine électrostatique à transporteur isolant selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un transporteur de charges électriques,
constitué en une matière isolante rigide capable de supporter une den- sité de flux élevée et présentant deux faces pa rallèles dont l'une se déplace en regard d'au moins un inducteur constitué, d'une part, par deux pièces polaires allongées s'étendant sen siblement parallèlement à l'une d'es faces du transporteur et sensiblement perpendiculaire ment à la direction de déplacement de ce der nier, l'une de ces pièces polaires étant connec tée à l'une des bornes d'une source auxiliaire de potentiel, tandis que l'autre pièce polaire est reliée électriquement à la borne isolée de la machine, et,
d'autre part, par un organe réunis sant les deux pièces polaires et constitué, du moins en partie, en une matière présentant une très haute résistivité et dont une face est paral lèle à et aussi rapprochée que possible de la dite face du transporteur se déplaçant en re gard de l'inducteur, au moins deux électrodes d'ionisation ayant pour fonctions respectives de produire le dépôt et l'enlèvement des charges sur le transporteur et constituées par des élé ments minces allongés, disposés perpendiculai rement à la direction de mouvement du trans porteur et à une distance aussi faible que pos sible de l'autre face du transporteur, ainsi qu'au droit respectivement des deux pièces polaires,
l'électrode disposée en regard de la pièce po laire reliée à la source auxiliaire étant connec tée à l'autre borne de cette source tandis que l'électrode disposée en regard de la pièce po laire reliée à la borne isolée de la machine est également connectée à ladite borne isolée, l'es pace compris entre le transporteur et les élec trodes d'ionisation étant rempli d'un milieu fluide ayant une rigidité diélectrique et une constante de mobilité ionique élevées.
Les électrodes d'ionisation peuvent être constituées par un ou plusieurs fils métalliques ou par une ou plusieurs lames minces métalli ques placées de champ par rapport à la face correspondante du transporteur isolant.
L'organe reliant les pièces polaires recou vre de préférence ces dernières pour assurer une surface continue en regard du transporteur. Sa résistivité est, par exemple, de l'ordre die 101 à 1013 ohms par centimètre carré. Il évite les concentrations de champ et répartit unifor mément la différence de potentiel existant entre les pièces polaires. Un tel organe peut être cons titué par une pièce en une matière telle qu'un semi-conducteur de haute résistivité ou par une couche de matière de résistivité élevée déposée sur un support isolant portant les pièces polai res.
Le milieu fluide remplissant l'espace com pris entre le transporteur et les électrodes d'ioni sation peut être constitué par un gaz sous une pression élevée, par exemple de l'ordre de 10 à 15 kg/cm' tel que, par exemple, de l'azote très pur ou de l'hydrogène, de préférence éga lement très pur, notamment exempt d'impuretés électronégatives capables de fixer des électrons, telles que l'oxygène et le chlore. L'hydrogène est particulièrement avantageux du fait de sa très grande mobilité ionique.
L'espace entre les inducteurs et le transporteur, dans lequel règne également un champ électrique intense est de préférence également rempli d'un milieu dsélec- trique fluide de grande rigidité diélectrique et, si possible, de grand pouvoir inducteur spéci fique, tel qu'un gaz comprimé, par exemple de l'azote, de l'-oxygène, du freon ou d'autres gaz analogues seuls ou en mélange, ou encore un li quide isolant.
Il est donc intéressant que dës milieux fluides différents puissent baigner les faces respectives du transporteur, par exemple hydrogène du côté des électrodes d'ionisation et mélange d'azote et d'oxygène du côté de l'in ducteur. Toutefois pour des raisons de simpli fication constructive, il peut y avoir avantage à enfermer l'ensemble de la machine dans une enveloppe étanche remplie d'un milieu répon dant à l'ensemble des conditions susmention nées, l'arbre portant le ou les transporteurs tra versant cette enveloppe au moyen d'un presse étoupe.
Lorsque la machine est conçue pour four nir une tension élevée, la matière isolante cons tituant le ou les transporteurs doit être capable de supporter sans dommage une induction élec trique (produit du pouvoir inducteur spécifique par l'intensité du champ électrique) aussi grande que possible. Le pouvoir inducteur spé cifique de cette matière, qui peut être de la céramique ou une résine synthétique, est avan tageusement de 4 à 10 fois plus grand que ce lui du fluide compris entre le transporteur et l'inducteur.
Deux formes de réalisation de la machine selon l'invention sont décrites ci-après, avec ré férence au dessin annexé dans lequel La fig. 1 est une coupe longitudinale de la première forme d'exécution par la ligne<I>I-1</I> de la fig. 2 ; la fig. 2 en est une coupe transversale par II-II de la fia. 1 ; lia fig. 3 est un schéma montrant la façon dont s'effectue le déplacement des charges élec triques dans la machine représentée aux fig. 1 et 2 ;
la fig. 4 est un schéma des connexions élec triques de cette machine la fig. 5 est une coupe longitudinale de lia seconde forme de réalisation par V-V de la fig. 6 ; la fig. 6 est une coupe transversale de cette machine par<I>VI-VI</I> de la fig. 5.
La machine représentée aux fig. 1 et 2 com porte une enveloppe cylindrique étanche 1, cal culée pour pouvoir supporter une pression in terne de plusieurs dizaines d'atmosphères, et qui est remplie d'hydrogène pur sous une près- Sion de 15 kg/cm . Dans un but de simplifica tion, seule la partie de cette enveloppe qui en toure les organes essentiels de la machine a été représentée.
Sur l'un des fonds de cette enveloppe, non représenté, est fixé, au moyen d'isolateurs 2, un support métallique 3 en forme de coquille et présentant un appendice 4 sur lequel est as sujetti un flasque isolant 5. Sur une partie frai sée 6 de ce flasque est emmanchée une pièce tu bulaire cylindrique 7 en matière isolante, dans la face interne de laquelle sont ménagées qua tre rainures longitudinales 8 situées deux à deux sur deux diamètres perpendiculaires.
Dans deux de ces rainures diamétralement opposées sont fixées deux pièces polaires métalliques longitu dinales 9, tandis que des pièces polaires 10, ana logues aux pièces 9, sont fixées dans les deux autres rainures 8 situées sur le diamètre per pendiculaire.
A l'intérieur de la pièce tubulaire 7 et en contact avec les pièces polaires 9 et 10, est emmanché un manchon cylindrique 11 consti tué en une matière de haute résistivité, de l'or dre de 10"' à 1011 ohms par centimètre, par exemple une résine synthétique, un verre ou une céramique semi-conducteurs.
Les organes inducteurs de la machine sont chacun formés par deux pièces polaires 9 et 10 et par la partie du manchon 11 comprise entre ces deux pièces.
Une seconde pièce creuse 12, de forme gé nérale cylindrique est assujettie coaxialement à la pièce tubulaire 7, par le moyen de portées usinées coopérantes 13. Cette pièce 12 com porte également, sur sa face extérieure, des rai nures longitudinales 14, qui font face aux rai nures 8 de la pièce 7. Au fond de ces rainures sont fixées respectivement des lames métalli ques 15, faisant face aux pièces polaires 9, et des lames métalliques 16, faisant face aux piè ces polaires 10. A chaque extrémité des lames 15 sont disposés des tendeurs élastiques 17 sup portant, dans chaque rainure correspondante et sensiblement au niveau de la périphérie de la pièce 12, deux fils métalliques 18 qui s'étendent parallèlement à l'axe de la machine.
Des pai res de fils métalliques 19 sont tendus de façon identique dans les rainures 14 faisant face aux écrans 10.
Les paires de fils 18 et 19 constituent des électrodes d'ionisation ayant pour fonction de produire respectivement le dépôt et l'enlève ment des charges sur le transporteur. Grâce à la concentration du champ électrique que pro voquent ces électrodes, il se produit une ioni sation qui permet une liaison électrique entre chacune desdites électrodes et le transporteur. Cette liaison électrique est sensiblement équi valente à un contact frottant, mais ne présente pas les inconvénients de ce dernier, puisqu'elle ne donne pas lieu à un frottement mécanique entraînant une usure des contacts et une dété rioration éventuelle du transporteur.
Dans l'espace compris entre le manchon 11 et la pièce 12, est engagée la jupe d'une pièce cylindrique 20, en forme de cloche qui consti tue le transporteur. Ce transporteur 20 est soli- daire d'un arbre rotatif 21 s'étendant d'ans l'axe de la machine et supporté, d'une part, par un roulement à billes 22 logé dans l'appendice 4 du support 3 et, d'autre part, par des roule mients analogues 23 logés dans une gaine 24, elle-même maintenue dans un support 25 relié à la pièce 12 par des voiles 25a.
L'arbre 21 est relié, par l'intermédiaire d'un accouplement iso lant 21a, à un second arbre, non représenté, qui traverse l'enveloppe étanche 1 au moyen d'un presse-étoupe et qui peut être entraîné .en rota tion par tout moyen connu :en soi.
Les pièces polaires 9 sont reliées par des conducteurs 26, à l'une des bornes d'une source de potentiel, telle qu'une génératrice électrosta tique auxiliaire 27 (fig. 3 et 4) capable de les porter à un potentiel prédéterminé, l'autre borne de cette source étant mise à la masse. Les électrodes d'ionisation 18 sont reliées à la masse par des conducteurs 28. D'autre part, les pièces polaires 10 et les électrodes d'ionisation 19 sont reliées, par des conducteurs 29, à la borne iso lée 30 de la machine (fig. 3 et 4).
Les conduc teurs 26, 28 et 29 traversent de façon isolée l'enveloppe 1, celle-ci pouvant également servir de masse si elle est métallique, auquel cas les conducteurs 28 lui sont reliés directement. Le fonctionnement de la machine ainsi cons tituée est expliqué ci-après, avec référence au schéma de la fig. 3 qui représente, sous une forme développée, un inducteur comprenant deux pièces polaires 9 et 10 et une partie du manchon semi-conducteur 11, ainsi que deux électrodes d'ionisation 18 et 19 successives avec les connexions correspondantes et une partie du transporteur 20.
La pièce polaire 9 étant portée, par l'exci- tatrice 27, au potentiel<I>-</I> Ve par rapport à la masse, il règne au droit de l'électrode d'ionisa tion 18, qui est relié à la masse et qui fait face à la pièce polaire 9, un champ électrique in tense. Il en résulte que des charges positives sont déposées sur la face 20' du transporteur isolant 20, qui se trouve devant l'électrode 18. Dans l'espace compris entre la pièce polaire 9 et la face 20" du transporteur 20, qui est en regard de cette pièce, l'ionisation est beaucoup moins intense, mais elle est suffisante pour que des charges négatives se déposent sur cette face.
Au cours du déplacement d'une tranche du transporteur isolant 20 entre les pièces polaires 9 et 10, dans la direction de la flèche f, le po tentiel des charges portées par ladite tranche augmente. Au droit de l'électrode d'ionisation 19, ces charges s'écoulent par cette dernière et vien nent charger la borne isolée 30 de la machine et la pièce polaire 10, qui se trouvent ainsi por tées au potentiel +Vd. On remarquera que le mouvement dies charges est, du fait de la pré sence de charges négatives sur la face externe 20" du transporteur isolant 20, plus important que si ces charges n'existaient pas.
Il en., résulte qu'après un certain temps de fonctionnement, il s'établit un équilibre entre l'apport et la dé perdition de ces charges négatives et la machine fonctionne de telle sorte que le transporteur emprunts des charges négatives au circuit exté rieur et fonctionne donc en double transports>,
bien que les pièces polaires 9 soient au seul po tentiel d'excitation - Ve. La condition pour que ce fonctionnement puisse être réalisé est que la matière isolante constituant le transporteur 20 puisse supporter une contrainte diélectrique double de celle à la- quelle il serait soumis si les pièces polaires étaient portées aux potentiels
EMI0004.0015
Le manchon semi-conducteur 11 a pour but d'éviter des concentrations die champ sur les bords des pièces polaires et de répartir unifor mément la différence de potentiel existant en tre les pièces polaires voisines, de façon que les charges déposées sur le transporteur se dépla cent dans un champ longitudinal bien réparti,
apparaissant et disparaissant progressivement au voisinage des pièces polaires. Au lieu d'être constitué par une matière semi-conductrice, ce manchon peut être constitué en une matière iso lante, la face extérieure de ce manchon, qui est en contact avec les pièces polaires, étant recou verte d'une couche mince de matière semi-con ductrice telle qu'un verre semi-conducteur. On peut même envisager de supprimer complète ment ce manchon<B>11,</B> la face interne de la pièce 7 étant alors recouverte d'une couche mince de matière semi-conductrice, assurant la liaison électrique entre les pièces polaires 9 et 10.
L'espace compris entre la pièce 7 et la face externe du transporteur 20 est aussi réduit que possible, pour diminuer les risques d'ionisation en marche normale. Il peut être, par exemple, de l'ordre de 0,1à 0,5 mm, compte tenu de la rigidité diélectrique du milieu fluide occupant cet espace, rigidité qui doit être suffisamment élevée pour éviter les décharges entre transpor teur et inducteur. De même, la distance entre les électrodes d'ionisation 18 et 19 et la face interne du transporteur 20 doit être aussi faible que possible, par exemple également de l'ordre de 0,1 a 0,5 mm.
La forme cylindrique adoptée dans l'exem ple qui vient d'être décrit permet de réaliser une construction compacte, simple et économique. Du fait que les surfaces cylindriques sont les plus faciles à usiner de façon précise, on évite tous risques de fluctuation de distance entre transporteur et pièces polaires, fluctuations dont il a été reconnu qu'elles influencent défavora blement le fonctionnement de la machine.
Dans la machine représentée aux fig. 1 et 2, les pièces polaires et écrans sont disposés extérieurement au transporteur tandis que les électrodes d'ionisation sont placées à l'intérieur. On conçoit que la disposition inverse est égale ment possible, et les figures 5 et 6 représen tent une machine ainsi réalisée.
Dans ces figures on a désigné par les mêmes chiffres de référence, augmentés de 100, les piè ces identiques ou analogues à celles de la ma chine des fig. 1 et 2. C'est ainsi que l'on recon- nait l'enveloppe étanche 101, les isolateurs 102 fixant la pièce 103 sur l'appendice 104 duquel est emmanché le flasque 105 qui, par la por tée 106, supporte la pièce cylindrique 107. Le transporteur isolant 120 est calé sur l'arbre 121, monté en rotation dans les roulements 122 et 123, ces derniers logés dans la bague 124, por tée dans le support<B>125,</B> relié à la pièce cylin drique intérieure 112 par les voiles 125a.
La pièce cylindrique extérieure 107, dont la partie centrale comporte des méplats latéraux, porte les électrodes d'ionisation. Celles-ci sont constituées par des lames métalliques minces <B>118</B> et 119, situées respectivement, de champ, dans deux plans diamétraux perpendiculaires de la machine. Ces lames sont supportées par des baguettes isolantes 131, maintenues par leurs extrémités dans la pièce 107.
La pièce cylindrique interne 112, sur la quelle s'emmanche le manchon semi-conduc teur 111, porte les pièces polaires 109 et 110. Pour faciliter le montage, et alléger l'ensemble de la pièce 112 et des éléments qu'elle supporte, la face externe de la pièce 112 est évidée et comporte simplement des bossages usinés tels que 112' et 112" sur lesquels s'appuient respec tivement les pièces polaires 109, 110 et le man chon semi-conducteur 111, les interstices libres étant remplis d'un compound coulé, constitué par un brai, une résine synthétique isolante, ou même un liquide isolant.
Le centrage de la pièce 112 et des orga nes qu'elle porte est assuré par l'intermédiaire de l'arbre 121, dont l'extrémité est supportée par un roulement 132 logé dans un flasque 133 emboîté dans la pièce 107, une ou plusieurs nervures longitudinales 134 étant ménagées sur ce flasque et s'engageant dans des rainures correspondantes de la pièce 112 pour empêcher celle-ci de tourner.
La construction de cette machine dont le fonctionnement est identique à celui de la ma chine des figures 1 et 2, permet de réaliser plus facilement les isolements nécessaires. De plus, le réglage- de la position des électrodes, d'ioni sation 118 et 119 est rendu plus aisé, du fait qu'elles sont situées à l'extérieur et sont donc plus facilement accessibles.
Les deux exemples décrits ci-dessus concer nent des machines cylindriques, mais on con çoit que l'on pourrait réaliser des formes d'exé cution de l'objet de l'invention comportant un ou plusieurs transporteurs isolants en forme de disque, les pièces polaires d'une part, et les élec trodes d'ionisation, d'autre part, étant disposées radialement en regard les unes des autres, de part et d'autre de chacun des disques.
De même lesdites machines ont été décri tes comme fonctionnant en génératrices, mais on conçoit qu'elles peuvent également fonction ner comme moteurs, un potentiel Vd étant ap pliqué aux pièces polaires 10, 19 respective ment 110, 119 et un potentiel d'excitation Ve étant appliqué aux électrodes d'ionisation 9 ou 109.