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Générateur électrostatique de haute tension La présente invention concerne un générateur électrostatique de haute tension de volume et poids réduits.
Dans les générateurs du type connu, dit van d.er Graaf, une bande est utilisée comme porteuse de charge avec un champ tangentiel produit par une série d'électrodes placées à proximité de la bande, dans un plan parallèle au plan de celle-ci, et à angle droit avec la direction du mouvement de la bande. Ces électrodes sont reliées à une chaîne de rhéostats, de sorte qu'en commençant par le bout de moindre tension de la chaîne, chaque élément successif a un potentiel plus élevé que le précédent. Cet arrangement des électrodes ne peut pas produire un champ tangentiel uniforme. En plus, aux vitesses requises pour les résultats envisagés, la bande longue porteuse de charge est susceptible de vibrations.
Afin d'assurer un fonctionnement sûr et d'éviter des décharges Co- rona, il est donc nécessaire de maintenir la charge de la bande à un niveau bas.
Dans un autre type de générateur électrostatique, on emploie un rotor au lieu de la bande, ce qui évite les vibrations caractéristiques du générateur van der Graaf. Dans cet arrangement, l'uniformité du champ est réalisée par l'emploi de semi-conducteurs convenablement profilés, par exemple sous forme de couche placée à l'extérieur ou à l'intérieur du rotor. On a eu toutefois des ennuis avec les générateurs de ce genre, par suite de l'impossibilité de réaliser des couches semi-conductrices uniformes sur n'importe quelle surface. Des variations de l'épaisseur de la couche produisent des variations du champ, ce qui entraine une réduction du gradient de tension admissible.
En plus, ces couches semi-conductrices tout comme leurs supports sont sujettes à des pénétrations électriques locales, entraînant des distorsions du champ.
Le verre et les couches semi-conductrices sont sujettes à l'influence de la température et deviennent bon conducteurs à des températures de l'ordre de 80-l00 C, ce qui peut fausser le générateur. En plus, la grande différence entre les coefficients de dilatation du verre et des matières plastiques utilisées courramment dans la construction, entraîne des difficultés mécaniques. Enfin, l'interface entre un inducteur métallique et un semi-conducteur solide ou appliqué en couche, ou bien entre un inducteur semiconducteur et un diélectrique solide peuvent produire un champ tangentiel non uniforme ce qui réduit le courant débité et sa tension.
On a pu constater et confirmer par le calcul l'existence d'un arrangement optimum, assurant un débit maximum de tension avec un encombrement minimum pour une pression donnée de l'hydrogène sous pression utilisé par exemple comme diélectrique, pour un certain rapport entre la section transversale des électrodes et leurs intervalles axiaux. Cette condition optimum produit une densité homogène et minimum du champ entre les électrodes de haute et de basse tension, assurant ainsi un débit maximum de tension pour une valeur donnée de la rigidité diélectrique correspondant à la pression de l'hydrogène dans l'enveloppe. Dans les formes de réalisation .décrites plus loin, les électrodes sont de section circulaire, la grandeur de leur ,section étant déterminée par leur diamètre.
Dans ce cas le rapport optimum s'est avéré être
EMI1.18
Intervalle axial des électrodes diamètres des électrodes - 125-5, 8
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De préférence cette valeur du rapport est de 2,44. Ainsi il est possible de choisir le rapport entre la distance entre les axes des électrodes de haute et de basse tension, et leurs diamètres en vue de l'obtention d'une intensité de champ minimum. En travaillant d'après ce principe,
on peut également utiliser une pluralité de paires d'électrodes de haute et de basse tension et concevoir les électrodes et les éléments diélectriques de manière à assurer une intensité de champ minimum entre les électrodes et/ou les points de polarités opposées. Cela permet enfin de con- struire un générateur qui, pour une tension donnée, peut fonctionner avec un champ électrique minimum dans le milieu diélectrique autour des parties actives du générateur, afin d'obtenir une tension maximum de débit.
C'est le but de l'invention de créer un générateur électrostatique pouvant produire une tension extrêmement haute avec un volume et un poids minimum, et dont le fonctionnement est stable dans un large intervalle de températures en évitant les inconvénients des réalisations antérieures mentionnées au-dessus. Des formes de réalisation de l'invention sont représentées aux dessins annexés qui ne sont donnés qu'à titre d'exemple.
La fig. 1 représente une section longitudinale selon le tracé 1-1 de la fi,-. 2 d'un générateur électrostatique.
Les fig. 2 et 3 représentent des sections transversales selon les tracés 2-2 et 3-3 de la fig. 1.
La fig. 4 est une vue schématique d'une forme modifiée de réalisation de l'invention.
Dans ces dessins on voit la carcasse 10 du générateur exécutée en aluminium ou tout autre matériau adéquat. La carcasse 10 est pourvue aux deux bouts de fermetures étanches constituées par deux couvercles 11 et 12. Une paroi séparatrice 13 de préférence en matériau diélectrique tel qu'une matière plastique (résine époxy) est montée à l'intérieur de la carcasse 10, la séparant en deux compartiments 14 et 15 qui sont toutefois en communication, comme il sera expliqué plus bas.
Un moteur électrique 17 est disposé entre la plaque 11 et la paroi séparatrice 13, convenablement suspendu et dont l'arbre 18 passe à travers l'ouverture 19 aménagée dans la pièce de fermeture 20. Celle-ci est scellée en place afin .d'éviter tout écoulement vers le moteur 17. L'arbre 18 du moteur 17 porte un rotor 21,à parois de faible épaisseur, construit en un matériau diélectrique tel qu'une matière plastique.
Dans la fig. 1 le rotor est représenté comme ayant une forme cylindrique creuse ouverte d'un côté, mais il peut adopter toute autre fome creuse, telle que hyperboloïdique, conique ou tronconique. La fixation du rotor 21 sur l'arbre 18 est faite - à titre d'exemple - à l'aide de la vis 22 usais peut être assurée de toute autre façon.
Pour accroître la longueur des lignes de force du champ électrique entre l'intérieur de la chambre 15 et l'arbre métallique 18 et la vis de fixation 22, on a prévu une sorte de labyrinthe entre la pièce de fermeture 20 et la base du rotor 21. Ce labyrinthe est constitué par des rainures concentriques 23 et 24 dans la pièce 20 et le rotor 21 disposées de manière que les crêtes et les cannelures soient réciproquement en regard. Il est évident que des rayons de raccordement sont prévus pour les crêtes et le fond des cannelures afin de réduire au minimum toute tendance de formation d'effets Corona.
L'élément 25 sert comme soutien pour les électrodes et les inducteurs et est constitué par un certain nombre de corps cylindriques creux 26 en résine époxy, matériau céramique, ou tout autre matériau équivalent. Les éléments 26 présentent des épaulements 27 et 28 auquels sont adaptées les plaques 29 et 30 dont l'orifice central vient buter contre lesdits épaulement 27 et 28, le tout étant solidement attaché aux éléments 26 pour former la base 25.
Une électrode de basse tension 31 est représentée comme une pièce cylindrique massive, en aluminium, acier inoxydable, acier au carbone ou en tout autre matériau, bon conducteur d'électricité ou bien semiconducteur. Cette électrode est montée à l'intérieur d'un des éléments 26 à l'aide d'une vis 32. La surface extérieure de l'électrode 31 est hautement polie et s'étend le long de la paroi 33 du rotor 21, à son intérieur et à .très grande proximité. L'électrode 31 peut être munie d'une pièce effilée en tranchant 34 de manière que ce tranchant soit rapproché au maximum de da paroi 33 du rotor.
Une électrode de haute tension 35 de construction similaire à l'électrode 31 et également munie d'un tranchant 36 est montée dans un autre élément 26 en immédiate proximité de la périphérie intérieure de la paroi 33 du rotor 21.
Les électrodes 31 et 35 sont montées dans des poches 37 des éléments 26, les surfaces intérieures de ces poches en immédiate proximité .des électrodes peuvent être profilées afin d'accroître la longueur -des lignes de force du champ électrique entre les deux électrodes. Par l'entremise d'un bras 38, un inducteur 39 parallèle et aligné radialement avec l'électrode 35 est relié électriquement à celle-ci, en immédiate proximité de la surface extérieure de la paroi 33 du rotor 21. L'inducteur 39 est de construction similaire à l'électrode 35.
Un inducteur 40, mis au sol, représenté en tout qu'élément cylindrique creux, exécuté dans le même matériau que l'électrode 31 est disposé parallèlement et aligné radialement avec l'électrode 31 en immédiate proximité de la surface extérieure de la paroi 33 du rotor 21.
Dans la fig. 2 on a représenté d'autres électrodes et inducteurs 31, 35, 39 et 40 placés autour de la paroi 33 du rotor, la réalisation selon les fig. 1, 2 et 3 comprenant deux paires d'électrodes et d'inducteurs de haute et de basse tension respectivement. Les tiges 41 s'étendent dans le sens longitudinal à travers les inducteurs creux 41 et le couvercle 11 ainsi qu'à travers la pièce de base 25. Ces tiges sont isolées électri-
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quement par rapport aux éléments 40 et au moteur 17 à l'aide d'une manchette isolante 41.
Par les écrous 42 et 43 aux deux bouts des tiges 41, on assure la solidarisation de la pièce de base 25 à la paroi interne 13, les inducteurs 40 servant de pièces d'écartement. Les tiges de fixation 41 sont reliés électriquement à un câble d'amenée 44 pour l'alimentation du générateur en courant continu de basse tension, d'environ 20-30 KV, la polarité pouvant être choisie, selon les nécessités. Dans un passage aménagé à travers les pièces 26 servant pour le soutien des électrodes 31, un ressort 45 a été prévu entre les tiges 41 et les électrodes 31 pour alimenter ces dernières en basse tension d'excitation. Une connexion de haute tension 46 est prévu aux électrodes 35 pour l'alimentation en haute tension.
La carcasse 10 est préférablement remplie d'hydrogène comprimé à env. 17 atu. de manière à assurer une rigidité diélectrique d'env. 20-24 KV/mm. D'autres gaz, vapeurs et/ou liquides, comprimés ou non peuvent également être utilisés, ou bien encore la carcasse 10 peut être évacuée à vide.
Le rotor 21 .tournant à grande vitesse, de l'ordre de 12 000 tours/minute, la charge électrique appliquée aux tranchants 34 produit un puissant champ électrostatique entre lesdits tranchants et les inducteurs 41 mis à la terre et ayant une polarité opposée à celle des électrodes 31. En conséquence, la charge des électrodes 31 tend à se déplacer vers les inducteurs 40 mais est interceptée par la paroi diélectrique 33 du rotor 21. Par la suite, cette charge est amenée dans l'immédiate proximité des tranchants 36 et puisque les inducteurs 39 ont la même polarité que les électrodes 35, la charge électrique est amenée à travers les tranchants 36 âux électrodes 35, et d e là à là borne de sortie 46.
En vue d'assurer un volume suffisant d'hydrogène sous pression entre les électrodes 31, 35 et la .surface intérieure 47 .du rotor 21, il a été trouvé que, entre les bouts supérieurs des électrodes et la surface 47, un intervalle égal à au moins le rayon de ces électrodes doit être préférablement prévu. En plus, en vue de réduire au minimum la tendance de la charge à s'accumuler depuis l'inducteur de haute tension 39 sur la portion inactive du rotor, le bout supérieur !de l'inducteur 39 doit être situé beaucoup plus bas ou bien plus près de la base 25 que le bout supérieur de l'électrode 35.
Afin de réduire le champ électrostatique entre les électrodes 31 et 35, leurs bouts supérieurs sont profilés en surfaces de révolution selon une génératrice en anse de panier avec un arc central à grand rayon et deux arcs de raccordement à petit rayon. Le rayon de l'arc central s'est avéré devoir être plus grand que le rayon des électrodes 31 et 35, les rayons de raccordement pouvant être plus petits. Par cet arrangement on réduit à un minimum l'intensité du champ entre les bouts supérieurs des électrodes 31 et 35.
L'exemple d'exécution représenté dans la Fig. 4 possède une seule paire d'électrodes de haute et de basse tension 47 et 48 à l'intérieur d'un rotor 49. Des électrodes doivent être préférablement distancées l'une de l'autre de la même manière que les électrodes 31 et 35. Un inducteur de haute tension 50 est relié électriquement à l'électrode 47 de la même manière que l'inducteur 39 à l'électrode 35. Dans l'arrangement selon la Fig. 4, l'inducteur de basse tension mis à la terre est constitué par la carcasse 51 du générateur.
En vue d'obtenir des conditions optima pour le champ, le rapport entre l'intervalle D entre les points les plus rapprochés des inducteurs 50 et 51 et le rayon RE de l'inducteur 50 doit être de l'ordre numérique de 0,25 à 5,8, préférablement env. 1,60.
Dans ce qui précède on a présenté dans tous les détails une réalisation possible du générateur électrostatique de haute tension selon l'invention. Il est évident que des modifications de détails sont possibles. Par exemple, contrairement à l'admission faite que les électrodes de basse et de haute tension 31 et 35 sont placées à l'intérieur du rotor 21 et que les inducteurs 40 mis à terre se trouvent à l'extérieur du rotor 21, un arrangement inversé peut être adopté facilement, en montant les tranchants 34 sur les inducteurs 39 et 40 à l'extérieur des rotors 21 et 49 avec une autre forme des pièces d'écartement entre l'élément de base 25 et la paroi 13.
En plus, par différence de la forme cylindrique circulaire admise pour les inducteurs de haute et de basse tension, ils peuvent également être profilés de manière à présenter une surface concave ou convexe dans les régions d'immédiate proximité avec la paroi 33 du rotor 21.