EP2953203B1 - Dispositif de transmission d'energie d'un milieu a un autre - Google Patents

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EP2953203B1
EP2953203B1 EP15170626.4A EP15170626A EP2953203B1 EP 2953203 B1 EP2953203 B1 EP 2953203B1 EP 15170626 A EP15170626 A EP 15170626A EP 2953203 B1 EP2953203 B1 EP 2953203B1
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Jean-Claude RACAMIER
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Thales SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/08—Dielectric windows
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/04—Fixed joints
    • H01P1/045—Coaxial joints

Definitions

  • the invention relates to a device for transmitting energy from one medium to another, such as for example US 3,172,944 .
  • the invention relates to a device for the passage of energy, such as a microwave window, for example, which can in particular be used at the output of an electronic power tube for the transmission of a microwave electromagnetic wave between the inside a tube, possibly under vacuum, and outside the tube at atmospheric pressure, the tube may be an amplifier such as a traveling wave tube.
  • a device for the passage of energy such as a microwave window, for example, which can in particular be used at the output of an electronic power tube for the transmission of a microwave electromagnetic wave between the inside a tube, possibly under vacuum, and outside the tube at atmospheric pressure
  • the tube may be an amplifier such as a traveling wave tube.
  • the figure 1 is a classic representation of a microwave window.
  • the microwave window 1 comprises a wall 2, typically the wall 2 comprises a ceramic material such as alumina.
  • the microwave window 1 further comprises a core 3 passing through the wall 2, the core 3 extending in a longitudinal direction d Long .
  • a sheath 4 comprising a material allowing microwave and thermomechanical adaptation is arranged coaxially around the wall 2.
  • the core 3 is made in a sufficiently small dimension so that the differences in expansion can guarantee sufficient mechanical strength.
  • the diameter d1 of the core 3 is of the order of 0.5 mm.
  • Another solution is to use a core 3 comprising controlled expansion materials.
  • the low thermal expansion materials generally used are fenico (registered trademark) having a low coefficient of thermal elongation, of the order of 0.0121 mm per mm at 1010 ° C. or molybdenum exhibiting an elongation coefficient of about 0.0057 mm per mm at 1010 ° C.
  • a disadvantage of a microwave window using controlled expansion materials is that these materials are highly resistive which limits the power transfer capabilities.
  • Another possible solution is to use a material such as moly-copper combining the properties of low thermal expansion of molybdenum and the properties of good energy conductor of copper.
  • An object of the invention is the development of an alternative device for transferring energy from one medium to another in a sealed manner or not.
  • the conductive element being fixed on the wall and further comprises a hole passing through the wall and extending in a direction substantially parallel to the longitudinal direction on either side of the wall surfaces at respective lengths greater than or equal to the largest dimension of a section of the conductive element, the section of the conductive element being considered at the of the wall, and the ratio of the cross-sectional area of the conductive element to the hole and the cross-sectional area of the conductive element without the hole, the sections St and Sc being considered at the wall, etan , t greater than or equal to a threshold between 0.85 and 0.95.
  • the threshold is greater than 0.9.
  • the invention makes it possible to assemble high energy conduction materials such as copper, gold or silver to thin dielectric or thermal insulating materials such as alumina, for example.
  • This embodiment is a good compromise between the faculties of the conductive element to release mechanical stresses and the transfer of high power level.
  • the section Sc of the conductive element in the thickness of the wall is circular, constant which facilitates the implementation.
  • the section Sc of the conductive element has a first diameter less than or equal to 3 mm.
  • the output powers can be in the range 100-300 W because the transmission of power through the window remains high (related to this small section of diameter 3mm) because the recessed part of the window has a weak section (10% section of a "full" window).
  • the section of the hole is circular and constant.
  • the thickness of the wall in the longitudinal direction is less than or equal to 1 mm depending on the flexibility required to adapt to the different thermomechanical stresses created during the various phases of assembly and during stresses due to transfers of electric or microwave energy.
  • the energy transmission device as described above is a microwave window
  • a device as described above comprising a plurality of conductive elements disposed substantially parallel to the longitudinal direction, the distance between two successive conductive elements being greater than or equal to 0.5 mm.
  • FIG. 2 An embodiment of the invention is shown on the figure 2 .
  • the device comprises a wall 2 comprising a thermal and electrical insulating material such as a ceramic, alumina being particularly well suited.
  • the wall 2 is fixed to the connecting pieces 7 using solder 6 for example.
  • the transmission device allows the assembly of a conductive element 3 with an electrically insulating wall 2 and / or thermally.
  • the thickness e of the wall 2 may be arbitrary, however, the device described finds a particular application for the devices comprising in particular a wall thickness e 2 low, typically less than about 1 mm.
  • the conductive element 3 extends in a longitudinal direction d Long and passes through the wall 2.
  • the conductive element 3 comprises a material having good energetic conduction properties, such as copper.
  • the transmitted energy may be in the form of thermal energy, electric current or electromagnetic waves.
  • the section Sc of the conductive element 3 considered at the wall 2 is arbitrary, preferably the section Sc of the conductive element 3 is circular and constant in the thickness e of the wall 2 and has a first diameter d1.
  • the conductive element 3 is fixed to the wall 2 in a vacuum-tight manner or not, depending on the applications for which the energy transmission device is intended.
  • the attachment may for example be achieved by means of glue, solder or solder. In this case, the fixing is carried out using solder 6.
  • the conductive element 3 further comprises a hole 8 extending in a direction substantially parallel to the Long longitudinal direction and protruding on both sides of the wall surfaces 2 over lengths L greater than or equal to the greatest dimension of the section Sc of the conductive element 3, the section Sc of the conductive element 3 being considered at the level of the wall 2.
  • the hole 8 extends on either side of the surfaces of the wall 2 or, in other words, protrudes on both sides of the wall surfaces 2 over respective lengths greater than or equal to the first diameter d1 thus limiting the mechanical stresses of expansion and compression generated by the temperature variations during the passage of the energy.
  • the position of the hole 8 can be any, but advantageously the hole 8 is centered.
  • the hole 8 can be open or blind on one or the other end.
  • the hole 8 is opening on at least one of the ends of the conductive element 3.
  • the section St of the hole 8 may be arbitrary, and preferably the section St of the hole 8 is circular and constant in the thickness e of the wall 2 which allows formation of the hole 8 by drilling.
  • the hole 8 has a second diameter d2.
  • the ratio between the area of the section Sc of the conductive element 3 after the drilling of the hole 8 and the surface of the section Sc of the conductive element 3 before the drilling of the hole 8 is between 0.85 and 0.95 , and preferably, greater than or equal to 0.9.
  • the section Sc of the conductive element 3 after drilling is greater than 90% of the section Sc of the conductive element 3 before drilling.
  • the effective surface losses for the transfer of energy are very low.
  • the ratio between the second diameter d2 of the hole 8 and the first diameter d1 of the conductive element 3 is then at least 0.3.
  • the drilling diameter can be made as small as possible, typically 0.2 mm.
  • Another aspect of the invention consists in arranging in a substantially parallel manner to the Long longitudinal direction a plurality of microwave devices enabling the transmission of high power energy.
  • This aspect of the invention is represented on the figure 3 .
  • the distance between two successive energy transmission devices is greater than or equal to 0.5 mm.

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  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Waveguides (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Description

  • L'invention concerne un dispositif permettant la transmission d'énergie d'un milieu à un autre, comme par exemple US 3,172,944 .
  • Plus précisément, l'invention concerne un dispositif permettant le passage d'énergie, comme une fenêtre hyperfréquence, par exemple, pouvant notamment être utilisée à la sortie d'un tube électronique de puissance pour la transmission d'une onde électromagnétique hyperfréquence entre l'intérieur d'un tube, éventuellement sous vide, et l'extérieur du tube à la pression atmosphérique, le tube pouvant être un amplificateur tel qu'un tube à onde progressive.
  • La figure 1 est une représentation classique d'une fenêtre hyperfréquence. La fenêtre hyperfréquence 1 comprend une paroi 2, typiquement la paroi 2 comprend un matériau céramique tel que l'alumine.
  • La fenêtre hyperfréquence 1 comprend en outre une âme 3 traversant la paroi 2, l'âme 3 s'étendant selon une direction longitudinale dLong.
  • Une gaine 4 comprenant un matériau permettant l'adaptation hyperfréquence et thermomécanique est disposée de manière coaxiale autour de la paroi 2.
  • Un corps 5 réalisé dans un matériau métallique, l'acier inoxydable par exemple, permet de créer un ensemble adapté pouvant être assemblé sur un tube électronique.
  • L'ensemble de ces pièces est assemblé par brasage, l'âme 3 étant réalisée dans une dimension suffisamment petite pour que les différences de dilatation permettent de garantir une tenue mécanique suffisante. Typiquement, le diamètre d1 de l'âme 3 est de l'ordre de 0,5 mm.
  • La mise en oeuvre de cette première solution est complexe, elle requiert plusieurs étapes d'assemblage et de brasage.
  • Une autre solution consiste à utiliser une âme 3 comprenant des matériaux à dilatation contrôlée.
  • Les matériaux à faible dilatation thermique généralement utilisés sont le fénico (marque déposée) présentant un coefficient d'élongation thermique faible, de l'ordre de 0,0121 mm par mm à 1010°C ou le molybdène présentant un coefficient d'élongation d'environ 0,0057 mm par mm à 1010°C.
  • Un inconvénient d'une fenêtre hyperfréquence utilisant des matériaux à dilatation contrôlée est que ces matériaux sont fortement résistifs ce qui limite les capacités de transfert de puissance.
  • Une autre solution possible consiste à utiliser un matériau tel que le moly-cuivre associant les propriétés de faible dilatation thermique du molybdène et les propriétés de bon conducteur d'énergie du cuivre.
  • Un but de l'invention consiste en l'élaboration d'un dispositif alternatif de transfert d'énergie d'un milieu à un autre de manière étanche ou non.
  • Selon un aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de transmission d'énergie comprenant :
    • une paroi séparant deux milieux,
    • au moins un élément conducteur traversant la paroi, l'élément conducteur comprenant un matériau conducteur d'énergie s'étendant selon une direction longitudinale,
  • l'élément conducteur étant fixé sur la paroi et comprend en outre un trou traversant la paroi et s'étendant selon une direction sensiblement parallèle à la direction longitudinale de part et d'autre des surfaces de la paroi sur des longueurs respectives supérieures ou égales à la plus grande dimension d'une section de l'élément conducteur, la section de l'élément conducteur étant considérée au niveau de la paroi, et le rapport entre la surface de la section de l'élément conducteur avec le trou et la surface de la section de l'élément conducteur sans le trou, les sections St et Sc étant considérées au niveau de la paroi, étan,t supérieur ou égal à un seuil compris entre 0,85 et 0,95. Avantageusement, le seuil est supérieur à 0,9.
  • L'invention permet d'assembler des matériaux de forte conduction énergétique comme le cuivre, l'or ou l'argent à des matériaux de type diélectrique ou isolant thermique de faible épaisseur comme l'alumine, par exemple.
  • Ce mode de réalisation est un bon compromis entre les facultés de l'élément conducteur à libérer des contraintes mécaniques et le transfert de fort niveau de puissance.
  • Avantageusement, la section Sc de l'élément conducteur dans l'épaisseur de la paroi est circulaire, constante ce qui facilite la mise en oeuvre. La section Sc de l'élément conducteur présente un premier diamètre inférieur ou égal à 3 mm.
  • Lorsque l'invention est appliquée à des tubes hyperfréquences, avec fenêtre de sortie coaxiale d'une telle dimension, inférieure ou égale à 3mm (comme exemple de tubes, on peut citer les TOP/ ou TWT en acronyme anglais). Les puissances de sortie peuvent être dans la gamme 100-300 W car la transmission de puissance à travers la fenêtre reste élevée (rapportée à cette petite section de diamètre 3mm) du fait que la partie évidée de la fenêtre a une section faible (10% de la section d'une fenêtre « pleine »).
  • Avantageusement, la section du trou est circulaire et constante.
  • Avantageusement, l'épaisseur de la paroi selon la direction longitudinale est inférieure ou égale à 1 mm en fonction de la souplesse nécessaire pour s'adapter aux différentes sollicitations thermomécaniques créé lors des différentes phases d'assemblage et lors des sollicitations dues aux transferts d'énergies électriques ou hyperfréquences.
  • Avantageusement, le dispositif de transmission d'énergie tel que décrit précédemment est une fenêtre hyperfréquence
  • Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif tel que décrit précédemment comprenant une pluralité d'éléments conducteurs disposés de manière sensiblement parallèle à la direction longitudinale, la distance entre deux éléments conducteurs successifs étant supérieure ou égale à 0,5 mm.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif, et, grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
    • la figure 1, déjà décrite représente une première fenêtre hyperfréquence, selon l'art antérieur connu,
    • la figure 2 représente un dispositif de transmission d'énergie d'un milieu à un autre, selon un aspect de l'invention, et
    • la figure 3 représente un dispositif de passage multiple d'énergie d'un milieu à un autre, selon un autre aspect de l'invention.
  • Un mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 2.
  • En l'espèce, le dispositif comprend une paroi 2 comprenant un matériau isolant thermique et électrique telle qu'une céramique, l'alumine étant particulièrement bien adapté. La paroi 2 est fixée aux pièces de raccord 7 à l'aide de brasures 6 par exemple.
  • Le dispositif de transmission selon un aspect de l'invention permet l'assemblage d'un élément conducteur 3 avec une paroi 2 isolante électriquement et/ou thermiquement.
  • L'épaisseur e de la paroi 2 peut être quelconque, cependant, le dispositif décrit trouve une application particulière pour les dispositifs comprenant notamment une épaisseur e de paroi 2 faible, typiquement inférieure à environ 1 mm.
  • Les contraintes mécaniques pour ce type de dispositif dues aux variations de températures étant d'autant plus critiques pour l'intégrité du dispositif de transmission d'énergie.
  • L'élément conducteur 3 s'étend selon une direction longitudinale dLong et traverse la paroi 2.
  • L'élément conducteur 3 comprend un matériau ayant de bonnes propriétés de conduction énergétique, tel que le cuivre. L'énergie transmise pouvant être sous la forme d'énergie thermique, de courant électrique ou d'ondes électromagnétiques.
  • La section Sc de l'élément conducteur 3 considérée au niveau de la paroi 2 est quelconque, préférentiellement la section Sc de l'élément conducteur 3 est circulaire et constante dans l'épaisseur e de la paroi 2 et présente un premier diamètre d1.
  • L'élément conducteur 3 est fixé à la paroi 2 de manière étanche au vide ou non, selon les applications pour lesquelles le dispositif de transmission d'énergie est destiné. La fixation peut par exemple être réalisée au moyen de colle, de brasures ou de soudures. En l'espèce, la fixation est réalisée à l'aide de brasures 6.
  • L'élément conducteur 3 comprend en outre un trou 8 s'étendant selon une direction sensiblement parallèle à la direction longitudinale dLong et débordant de part et d'autre des surfaces de la paroi 2 sur des longueurs L supérieures ou égales à la plus grande dimension de la section Sc de l'élément conducteur 3, la section Sc de l'élément conducteur 3 étant considérée au niveau de la paroi 2.
  • Autrement dit, si la section Sc de l'élément conducteur 3 est circulaire et constante dans l'épaisseur e de la paroi 2, le trou 8 s'étend de part et d'autre des surfaces de la paroi 2 ou, en d'autres termes, déborde de part et d'autre des surfaces de la paroi 2 sur des longueurs respectives supérieures ou égales au premier diamètre d1 limitant ainsi les contraintes mécaniques de dilatation et de compression générées par les variations de températures lors du passage de l'énergie.
  • La position du trou 8 peut être quelconque, mais avantageusement le trou 8 est centré. Le trou 8 peut être débouchant ou borgne sur l'une ou l'autre des extrémités. Préférentiellement, le trou 8 est débouchant sur au moins une des extrémités de l'élément conducteur 3. La section St du trou 8 peut être quelconque, préférentiellement, la section St du trou 8 est circulaire et constante dans l'épaisseur e de la paroi 2 ce qui permet une formation du trou 8 par perçage. Le trou 8 présente un deuxième diamètre d2.
  • Le rapport entre la surface de la section Sc de l'élément conducteur 3 après le perçage du trou 8 et la surface de la section Sc de l'élément conducteur 3 avant le perçage du trou 8 est compris entre 0,85 et 0,95, et préférentiellement, supérieure ou égale à 0,9.
  • En d'autres termes, la section Sc de l'élément conducteur 3 après perçage est supérieure à 90% de la section Sc de l'élément conducteur 3 avant perçage. Ainsi les pertes de surface efficace permettant le transfert d'énergie sont très faibles.
  • Par voie de conséquence, si la section Sc de l'élément conducteur 3 et la section St du trou 8 sont circulaires dans l'épaisseur de la paroi 2, le rapport entre le deuxième diamètre d2 du trou 8 et le premier diamètre d1 de l'élément conducteur 3 est alors de 0,3 au minimum. Le diamètre de perçage peut être réalisé aussi petit qu'il est possible de le réaliser, typiquement 0,2 mm.
  • Un autre aspect de l'invention consiste à disposer de manière sensiblement parallèle à la direction longitudinale dLong une pluralité de dispositifs hyperfréquences permettant la transmission d'énergie de forte puissance. Cet aspect de l'invention est représenté sur la figure 3.
  • Avantageusement, la distance entre deux dispositifs de transmission d'énergie successifs est supérieure ou égale à 0,5 mm.

Claims (8)

  1. Dispositif de transmission d'énergie comprenant :
    - une paroi (2) séparant deux milieux,
    - au moins un élément conducteur (3) traversant la paroi (2), l'élément conducteur (3) comprenant un matériau conducteur d'énergie s'étendant selon une direction longitudinale (dLong),
    l'élément conducteur (3) est fixé à la paroi (2) et comprend un trou (8) traversant la paroi (2) et s'étendant selon une direction sensiblement parallèle à la direction longitudinale (dLong) de part et d'autre des surfaces de la paroi (2), sur des longueurs respectives supérieures ou égales à la plus grande dimension d'une section (Sc) de l'élément conducteur (3) considérée au niveau de la paroi (2),
    caractérisé en ce que
    le rapport maximal entre la surface de la section (Sc) de l'élément conducteur (3) avec le trou (8) et la surface de la section (St) de l'élément conducteur (3) sans le trou (8) au niveau de la paroi est supérieur ou égal à un seuil compris entre 0,85 et 0,95.
  2. Dispositif de transmission d'énergie selon la revendication 1 dans lequel le seuil est supérieur à 0,9.
  3. Dispositif de transmission d'énergie selon l'une des revendications précédentes dans lequel la section (Sc) de l'élément conducteur (3) dans l'épaisseur (e)de la paroi est circulaire, constante et présente un premier diamètre (d1).
  4. Dispositif de transmission d'énergie selon la revendication 3 dans lequel le premier diamètre (d1) est inférieur ou égal à 3 mm.
  5. Dispositif de transmission d'énergie selon l'une des revendications précédentes dans lequel une section (St) du trou (8) considéré au niveau de la paroi (2) est circulaire et constante.
  6. Dispositif de transmission d'énergie selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'épaisseur (e)de la paroi (2) selon la direction longitudinale (dLong) est inférieure ou égale à 1 mm.
  7. Dispositif de transmission d'énergie selon l'une des revendications précédentes comprenant une pluralité d'éléments conducteurs (3) disposés sensiblement parallèlement à la direction longitudinale (dLong), la distance (d) entre deux éléments conducteurs (3) successifs étant supérieure ou égale à 0,5 mm.
  8. Dispositif de transmission d'énergie selon l'une des revendications précédentes étant une fenêtre hyperfréquence.
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