EP0020262B1 - Ensemble collecteur isolé pour tubes de puissance et tube comportant un tel collecteur - Google Patents
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Classifications
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- H01J23/033—Collector cooling devices
Definitions
- the subject of the invention is an insulated collector assembly and a tube fitted with such a collector.
- a collector To increase the efficiency of electronic tubes and particularly of traveling wave tubes, electrons are collected at the end of their journey by an electrode, the collector brought to a potential between that of the cathode and ground (potential of the anode).
- the collector is massive and has the shape of a cone dug in a metal cylinder, to distribute the temperature in the collector as well as possible.
- it is difficult to braze the copper mass inside an insulating cylinder, this because of the differences in coefficient of thermal expansion between the metal and the insulator, in general copper and a ceramic.
- the subject of the invention is an insulated collector for a power tube which makes it possible to solve this problem.
- the collector is provided on its surface with flexible metal fins of elongated shape, obtained by machining, in the mass of the collector and along generatrices of the cylinder forming its outer surface, equidistant grooves.
- the insulated collector according to the invention is of the type comprising an insulating sleeve and assembly means between the insulating sleeve and the metal part constituting the collecting electrode.
- FIGS. 1 and 3 we can see the collector 1, made of solid copper for example, receiving the electrons of a beam generated by an assembly not shown. These electrons impact on the various parts of the interior surface of the collector which has the shape of a truncated cone of revolution.
- This collector can be connected to a fixed potential by a connection 2.
- the external collector surface carries elastic parts in the form of fins, an example of which will be seen below. These fins are brazed onto a thin copper tube 4 coaxial with the tube.
- This thin cylinder 4 is itself brazed inside a tube 5 of insulating material, such as ceramic, surrounding the assembly and ensuring its isolation.
- the ceramic tube 5 is itself surrounded by a tube 6 ensuring the cooling.
- This last cylinder supports an insulating part 7 which supports the connection range 8, through which the connection 2 passes.
- these grooves reproduce with a pitch of the order of 2 mm in both directions.
- the assembly forms the fins inclined at an angle of the order of 45 ° on the axis, in one direction for the fins 30 and in the other for the fins 31.
- the grooves have a depth of 3 mm and a width and 0.5 mm for example.
- Figures 4 and 5 show in longitudinal couple and in cross section, how the fins deform when the collector temperature varies significantly, that is to say for example, when allowed to cool after operation, or during soldering and after cooling.
- the coefficient of expansion of copper being stronger than that of ceramic, it contracts more quickly, and we see in dotted lines that the fins pivot in the plane of cross section, as well as in the transverse plane .
- FIG. 6 there are, as shown in FIG. 2, fins 30 and 31 having different inclinations, a central cross section delimiting the border between the zone of the fins 30 and 31.
- the inner cylinder 4 of copper has the advantage of distributing the heat more evenly on the one hand; on the other hand, the brazing of the grooved collector is more delicate than the brazing of a smooth cylinder.
- the collector body is made of copper, since this metal has both a high thermal conductivity and a fairly high melting point.
- this metal has both a high thermal conductivity and a fairly high melting point.
- the expansion coefficient of the collector may be lower than that of the insulation; the same geometry could be preserved, except that: the angle of inclination of the grooves would be quite small at the start, just enough so that, during cooling, these grooves tilt in the same direction.
- a copper crown must be brazed so that the grooves can be machined there.
- the collector is made up of several isolated electrodes (collector with two or more stages).
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Description
- L'invention a pour objet un ensemble collecteur isolé et un tube équipé d'un tel collecteur. Pour augmenter le rendement des tubes électroniques et particulièrement des tubes à ondes progressives, les électrons sont recueillis en fin de parcours par une électrode, le collecteur porté à un potentiel compris entre celui de la cathode et la masse (potentiel de l'anode).
- Pour les tubes de grande puissance cette électrode dissipe plusieurs kilowatts. Son refroidissement pose de délicats problèmes. En effet, quel que soit le système de refroidissement, il y a intérêt à ce que le fluide de refroidissement ne soit en contact qu'avec des matériaux au potentiel de la masse. Ceci est particulièrement le cas quand le tube est refroidi par conduction.
- Quand la puissance dissipée atteint plusieurs kilowatts, il y a intérêt à ce que le collecteur soit massif et ait la forme d'un cône creusé dans un cylindre métallique, pour répartir au mieux la température dans le collecteur. Dans ce cas, il est difficile de braser la masse de cuivre à l'intérieur d'un cylindre isolant, ceci à cause des différences de coefficient de dilatation thermique entre le métal et l'isolant, en général le cuivre et une céramique.
- L'invention a pour objet un collecteur isolé pour tube de puissance qui permet de résoudre ce problème.
- Le brevet us. 3.666.9.80 décrit un ensemble collecteur d'électrons isolé pour tube électronique de type comportant un manchon réalisé en céramique et un collecteur.
- Le collecteur est muni à sa surface d'ailettes métalliques souples de forme allongée, obtenues en usinant, dans la masse du collecteur et le long de génératrices du cylindre formant sa surface extérieure, des rainures équidistantes.
- Le collecteur isolé selon l'invention est du type comportant un manchon isolant et des moyens d'assemblage entre le manchon isolant et la pièce métallique constituant l'électrode collectrice.
- Il se caractérise essentiellement en ce que sur la surface extérieure de la pièce collectrice sont disposées des pièces de métal souples de forme allongée, et pouvant supporter des efforts de flexion et de compression.
- L'invention sera mieux comprise au moyen de la description suivante en se référant aux dessins annexés parmi lesquels:
- La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation de collecteur selon l'invention.
- La figure 2 montre en perspective le collecteur avant montage de la céramique.
- La figure 3 est une vue en coupe transversale de l'exemple de la figure 1.
- Les figures 4 et 5 montrent les effets de la dilatation sur le dispositif de la figure 1.
- La figure 6 montre en coupe un exemple de répartition des éléments de couplage.
- Sur les figures 1 et 3, on voit le collecteur 1, en cuivre massif par exemple, recevant les électrons d'un faisceau engendré par un ensemble non représenté. Ces électrons font impact sur les diverses parties de la surface intérieure du collecteur qui a une forme de tronc de cône de révolution.
- Ce collecteur peut être relié à un potentiel fixe par une connexion 2. La surface extérieure de collecteur porte des pièces élastiques en forme d'ailettes dont on verra plus loin un exemple de réalisation. Ces ailettes sont brasées surn un tube de cuivre mince 4 coaxial avec le tube.
- Ce cylindre mince 4 est lui-même brasé à l'intérieur d'un tube 5 de matériau isolant, tel que la céramique, entourant l'ensemble et a assurant son isolement. Le tube de céramique 5 est lui-même entouré d'un tube 6 assurant le refroidissement.
- Ce dernier cylindre supporte une pièce isolante 7 qui supporte la gamme de connexion 8, à travers laquelle passe la connexion 2.
- Sur la figure 2, on voit clairement en perspective, le collecteur 2 muni de ses ailettes 30 et 31. Celles-ci résultent de la formation de rainures le long de sections droites successives et de génératrices du cylindre.
- Dans le cas d'un collecteur de diamètre 40 mm, ces rainures se reproduisent avec un pas de l'ordre de 2 mm dans les deux directions. L'ensemble forme les ailettes inclinées d'un angle de l'ordre de 45° sur l'axe, dans une direction pour les ailettes 30 et dans l'autre pour les ailettes 31. Les rainures ont une profondeur de 3 mm et une largeur et 0,5 mm par exemple..
- Les figures 4 et 5 montrent en couple longitudinale et en coupe transversale, comment se déforment les ailettes quand la température du collecteur varie de façon notable, c'est-à-dire par exemple, quand on le laisse se refroidir après fonctionnement, ou encore au moment du brasage et après refroidissement.
- Au cours du refroidissement le coefficient de dilatation du cuivre étant plus fort que celui de la céramique, il se contracte plus vite, et l'on voit en pointillés que les ailettes pivotent dans le plan de section droite, de même que dans le plan transversal.
- Figure 6, on a, comme représenté figure 2, des ailettes 30 et 31 présentant des inclinaisons différentes, une section droite centrale délimitant la frontière entre la zone des ailettes 30 et 31.
- Le cylindre intérieur 4 de cuivre présente l'avantage de répartir la chaleur plus uniformément d'une part; d'autre part, le brasage du collecteur rainuré est plus délicat que le brasage d'un cylindre lisse.
- Lors du refroidissement, l'ensemble ne restant pas parfaitement isotherme, les efforts dus aux différences de dilatation sont plus grands aux endroits les plus froids; le cylindre de cuivre répartit alors les contraintes grâce à sa bonne malléabilité.
- Le sous-ensemble peut, par exemple, être réalisé comme suit:
- Le cylindre de cuivre 1 ayant la forme intérieure du collecteur avec ses rainures inclinées d'un angle voisin de 45°, est préalablement brasé à l'aide d'une brasure à haut point de fusion, vers 900°C, par exemple, à l'intérieur du cylindre de cuivre 4. Ensuite l'ensemble est brasé, avec de la brasure eutectique argent-cuivre fondant à 780°C, à la céramique 5 préalablement métallisée, en même temps, par exemple, que le cylindre extérieur de cuivre mince 4.
- Généralement, le corps du collecteur est en cuivre, car ce métal possède à la fois une conductivité thermique élevée et un point de fusion assez haut. Néanmoins, pour certaines applications, pour des tubes opérant en régime d'impulsions, il peut être avantageux de réaliser un collectuer entièrement ou en partie avec un métal plus réfractaire, le molybdène par exemple. Dans ce cas, le coefficient de dilatation du collecteur peut être plus faible que celui de l'isolant; la même géométrie pourrait être conservée, à ceci près: l'angle d'inclinaison des rainures serait au départ assez faible, juste ce qu'il faut pour que, lors du refroidissement, ces rainures s'inclinent dans le même sens. De toute façon, sur le collecteur en métal réfractaire, une couronne de cuivre devra être brasée de façon à pouvoir y usiner les rainures.
- Dans le cas où, à l'extérieur du cylindre isolant un cylindre massif devrait être brasé à la place du cylindre de cuivre mince, le même procédé pourrait être appliqué; dans ce cas, les rainures seraient très légèrement inclinées au départ, de façon à ce qu'elles s'inclinent dans le même sens lors du refroidissement après brasage.
- Il est évident que cette invention s'applique également au cas où le collecteur serait constitué de plusieurs électrodes isolées (collecteur à deux étages ou plus).
- D'autre part, si le cuivre s'impose dans la plupart des cas comme matériau malléable, d'autres métaux pourraient éventuellement être utilisés, comme l'aluminium par exemple.
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