FR2950114A1 - Moteur a effet hall avec refroidissement de la ceramique interne - Google Patents

Abstract

L'invention concerne le domaine des moteurs à effet Hall. L'invention concerne un moteur à effet Hall (1) comportant un canal de décharge (50) de forme annulaire s'étendant selon un axe A, ce canal de décharge (50) étant délimité par une paroi externe (40) de forme annulaire et une paroi interne (20) de forme annulaire située à l'intérieur de l'espace délimité par la paroi externe (40), une cathode (100) située à l'extérieur du canal de décharge (50), et un système d'injection (30) situé à l'extrémité amont du canal de décharge (50) et formant également anode, l'extrémité aval (52) du canal de décharge (50) étant ouverte, le moteur (1) étant caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'évacuation thermique (80) qui comprend un évacuateur thermique (81) en contact avec la paroi interne (20) et dont la conductivité thermique est supérieure à celle de la paroi interne (20), le dispositif d'évacuation thermique (80) étant apte à évacuer des calories de la paroi interne (20) vers l'extérieur du moteur (1) de façon à diminuer la différence de température entre la paroi interne (20) et la paroi externe (40).

Description

La présente invention concerne un moteur à effet Hall comportant un canal de décharge de forme annulaire s'étendant selon un axe A, ce canal de décharge étant délimité par une paroi externe de forme annulaire et une paroi interne de forme annulaire située à l'intérieur de l'espace délimité par cette paroi externe, une cathode située à l'extérieur du canal de décharge, et un système d'injection situé à l'extrémité amont du canal de décharge et formant également anode, l'extrémité aval du canal de décharge étant ouverte. Un moteur à effet Hall est un moteur utilisé par exemple dans le domaine de la propulsion spatiale, car il permet de propulser des objets dans le vide spatial en utilisant une masse de combustible plus faible que dans le cas de moteurs thermiques, et présente une durée de vie importante, de plusieurs milliers d'heures. Le moteur à effet Hall étant connu, sa structure et son principe de fonctionnement sont rappelés ci-après brièvement. La figure 2 montre un moteur à effet Hall 1 en perspective et en coupe partielle. Autour d'un noyau central 10 s'étendant selon un axe longitudinal A, est situé un bobinage magnétique central 12. Une paroi interne 20, de forme annulaire, entoure le bobinage magnétique central 12 et le noyau central 10. Cette paroi interne 20 est entourée par une paroi externe 40, de forme annulaire, de telle sorte que ces deux parois délimitent un canal annulaire s'étendant selon l'axe A, appelé canal de décharge 50. Dans la description qui suit, le terme "interne" désigne une partie plus proche de l'axe A, et le terme "externe" une partie plus éloignée de l'axe A. L'extrémité amont du canal de décharge 50 est fermée par un système d'injection 30 qui injecte des atomes dans ce canal de décharge 50, et qui constitue également une anode. L'extrémité aval 52 du canal de décharge 50 est ouverte. Plusieurs bobinages magnétiques périphériques 14 sont situés sur le pourtour de la paroi externe 40. Le bobinage magnétique central 12 et les bobinages magnétiques périphériques 14 servent à générer un champ magnétique radial B dont l'intensité est maximale vers l'extrémité aval 52 du canal de décharge 50.

Une cathode creuse 100 se situe à l'extérieur de la paroi externe 40, et il est établit une différence de potentiel entre la cathode 100 et l'anode (système d'injection 30). Cette cathode creuse 100 est positionnée de telle sorte qu'elle éjecte des électrons au voisinage de l'extrémité aval 52 du canal de décharge 50. Ces électrons se dirigent, dans le canal de décharge 50, vers le système d'injection 30 sous l'influence du champ électrique généré par la différence de potentiel entre la cathode 100 et l'anode, mais ils se retrouvent en partie piégés par le champ magnétique B au voisinage de l'ouverture aval 52 du canal de décharge 50. Les électrons sont ainsi amenés à décrire des trajectoires circonférentielles dans le canal de décharge 50, au niveau de son ouverture aval 52. Ces électrons ionisent alors via des chocs les atomes de gaz neutre (en général du xénon Xe) circulant de l'amont vers l'aval dans le canal de décharge 50, créant ainsi des ions. De plus, ces électrons créent un champ électrique E axial, qui accélère ces ions depuis l'anode (système d'injection 30 au fond du canal 80) vers l'ouverture aval 52, de telle sorte que ces ions sont éjectés à grande vitesse du canal de décharge 50 par son extrémité aval 52, ce qui engendre la propulsion du moteur. Lors des phases de démarrage du moteur à effet Hall, après un nombre répété de ces démarrages, on observe une instabilité de fonctionnement du moteur à effet Hall, c'est-à-dire que l'éjection des ions du canal de décharge ne se produit pas de façon stable dans le temps.

Cette instabilité génère des émissions magnétiques qui entrainent une performance insuffisante du moteur à effet Hall. Cette instabilité peut être minimisée en diminuant la tension entre la cathode et l'anode lors des phases de démarrage. Cependant cette solution diminue globalement la performance du moteur à effet Hall.

Il est également possible de corriger cette instabilité en modifiant le champ magnétique B. Cependant cette correction nécessite la mise en place et l'utilisation d'un dispositif électronique supplémentaire, qui est nécessairement consommateur d'énergie, et donc rend le moteur à effet Hall plus coûteux en fabrication et avec une durée de vie moindre.

La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.

L'invention vise à proposer un moteur à effet Hall qui ne présente pas ou peu d'instabilité lors de ses phases de démarrage et dont les performances ne soient pas diminuées, même sur le long terme, et dont la durée de vie ne soit pas diminuée.

Ce but est atteint grâce au fait que le moteur à effet Hall comporte un dispositif d'évacuation thermique qui comprend un évacuateur thermique en contact avec ladite paroi interne et dont la conductivité thermique est supérieure à celle de ladite paroi interne, ledit dispositif d'évacuation thermique étant apte à évacuer des calories de ladite paroi interne vers l'extérieur dudit moteur de façon à diminuer la différence de température entre ladite paroi interne et ladite paroi externe. Grâce à ces dispositions, la différence de température entre la paroi interne et la paroi externe est réduite. Des simulations réalisés par les inventeurs ont montré que cette réduction contribuait à une stabilisation de l'éjection des ions hors du canal de décharge. Ce phénomène est dû au fait que la dispersion d'énergie de la population d'électrons qui ionise les atomes de gaz est alors réduite, ainsi qu'au fait que les atomes de gaz non-ionisés qui impactent la paroi interne, moins chaude, présentent une énergie moins dispersée.

L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : û la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un moteur à effet Hall selon l'invention, - la figure 2, déjà décrite, est une vue en perspective et en coupe partielle d'un moteur à effet Hall selon l'art antérieur. La figure 1 montre un moteur à effet Hall selon l'invention en coupe longitudinale. Pour des raisons de symétrie, seule la moitié du moteur d'un coté de l'axe longitudinal A, est représentée, la cathode 100 étant également représentée. Les pièces communes avec un moteur à effet Hall selon l'art antérieur représenté sur la figure 2 ont des références identiques, et ne sont donc pas décrites à nouveau. Lors du fonctionnement du moteur à effet Hall 1, les électrons pénètrent dans le canal de décharge 50 par son extrémité aval 52 et sont forcés par le champ magnétique radial B à suivre des trajectoires

sensiblement circonférentielles au niveau de cette extrémité aval 52. Certains de ces électrons percutent la paroi interne 20 et la paroi externe 40 du canal de décharge 50. De plus, certains des ions accélérés de l'amont vers l'extrémité aval 52 du canal de décharge, et certains des atomes non-ionisés percutent ces parois (ces ions proviennent de l'ionisation des atomes injectés par le système d'injection 30 dans le canal de décharge). Ces chocs électrons/parois, ions/parois, et atomes/parois provoquent l'échauffement de ces parois. En outre, ces parois sont également échauffées par le rayonnement du plasma.

La surface externe de la paroi interne 20, soumise à cet échauffement, étant moindre que la surface interne de la paroi externe 40, également soumise à cet échauffement, la paroi interne 20 est chauffée à une température Ti bien supérieure à la température Te à laquelle la paroi externe 40 est chauffée. Dans certains cas, cet écart de température {Ti û Te} est supérieur à 100°C, par exemple 160°C. Selon l'invention, on ajoute au moteur à effet Hall un dispositif d'évacuation thermique 80. Ce dispositif d'évacuation thermique 80 comporte un évacuateur thermique 81 qui est fixé à la paroi interne 20 du canal de décharge 50 de telle sorte qu'il puisse évacuer des calories au moins de l'extrémité aval 22 de cette paroi interne 20. En effet, c'est l'extrémité aval 22 de la paroi interne 20 qui est la partie la plus chaude de la paroi interne 22, puisque c'est à cet endroit que la majorité des électrons, piégés par le champ magnétique B, circulent, et que les ions accélérés présentent une vitesse maximale. Ainsi, on diminue la différence de température entre la paroi interne 20 et la paroi externe 40, ce qui contribue à diminuer l'instabilité du moteur à effet Hall 1 lors des phases de fonctionnement de ce moteur. La conductivité thermique de l'évacuateur thermique 81 est supérieure à la conductivité thermique de la paroi interne 20. Ainsi, l'évacuation thermique par l'évacuateur thermique 81 est plus efficace. Avantageusement, l'évacuateur thermique 81 est donc un manchon qui est en contact avec la face interne de l'extrémité aval 22 de la paroi interne 20, et qui est entouré par la paroi interne 20. Avantageusement, l'extrémité aval 82 de l'évacuateur thermique 81 est en contact avec la face interne de l'extrémité aval 22 de la paroi interne 20.

Afin d'évacuer les calories de la paroi interne 22 vers l'extérieur du moteur à effet Hall 1, l'évacuateur thermique s'étend vers l'amont du moteur à effet Hall 1, et le dispositif d'évacuation thermique 80 comprend en outre un élément de liaison 85 et un radiateur 86 externe, l'extrémité amont de l'évacuateur thermique 81 étant reliée par l'élément de liaison 85 au radiateur 86. Avantageusement, les conductivités thermiques de l'élément de liaison 85 et/ou du radiateur 86 externe sont supérieures à la conductivité thermique de la paroi interne 20. Ainsi, l'évacuation thermique par le dispositif d'évacuation thermique 80 est plus efficace. Etant donné que l'évacuateur thermique 81 est fixé directement sur l'extrémité aval 22 de la face interne de la paroi interne 20, il peut évacuer les calories par conduction. Avantageusement l'évacuateur thermique ne touche pas d'autres parties de la paroi interne 20, de telle sorte que les calories évacuées ne sont pas retransmises à cette paroi interne 20. Avantageusement, le radiateur 86 externe s'étend radialement à l'extérieur de l'ensemble formé par la majorité des autres éléments du moteur à effet Hall 1, en particulier à l'extérieur des bobinages 14. Le fait que cet évacuateur thermique 81 soit relié par l'élément de liaison 85 au radiateur 86 qui s'étend jusqu'à l'extérieur du moteur à effet Hall 1 permet une évacuation plus efficace des calories. Par exemple, l'élément de liaison 85 est une plaque annulaire qui prolonge radialement l'extrémité amont 83 de l'évacuateur thermique 81, l'extrémité radialement externe de cette plaque se prolongeant par le radiateur 86 qui est conformé pour offrir une surface d'évacuation de la chaleur la plus grande possible. Des calculs réalisés par les inventeurs montrent que la différence de température entre la paroi interne 20 et la paroi externe 40 est inférieure à 100°C pour un moteur à effet Hall 1 muni d'un évacuateur thermique, alors que cette différence est de plus de 160°C pour un moteur à effet Hall selon l'art antérieur. L'évacuateur thermique 81 est fixé sur la paroi interne 20 de façon à être en contact avec cette paroi interne sur une surface de contact 90. Cette fixation est conçue pour avoir la plus grande durée de vie possible, afin de permettre l'évacuation des calories au travers de l'évacuateur thermique 81 de façon pérenne.

Par exemple, l'évacuateur thermique 81 est fixé directement sur la paroi interne 20 par brasage, les coefficients d'expansion thermique de l'évacuateur thermique 81 et de la paroi interne 20 étant sensiblement égaux.

La surface de contact 90 est ainsi la surface de brasage. Le fait que ces coefficients d'expansion thermique soient sensiblement égaux permet de minimiser le risque d'un décollement de l'évacuateur thermique 81 de la paroi interne 20 au niveau du brasage. Avantageusement, l'évacuateur thermique 81 est en carbone.

Avantageusement, l'élément de liaison 85 et/ou le radiateur 86 externe sont en carbone. Le carbone présente une bonne conductivité thermique, et possède en outre un coefficient d'expansion thermique proche de celui du nitrure de bore avec silice BNSiO2, le matériau qui est utilisé pour réaliser la paroi en céramique interne 20. Alternativement, la paroi en céramique interne 20 peut être réalisée en une autre céramique, ou un matériau autre qu'une céramique. Avantageusement, l'évacuateur thermique 81 est revêtu au moins partiellement d'un matériau de revêtement dont la conductivité thermique est au moins égale à celle du carbone. De préférence, la conductivité thermique de ce revêtement est supérieure à celle du carbone. Ainsi, la conductivité thermique de l'évacuateur thermique 81 est améliorée par rapport à une pièce en carbone sans revêtement.

Par exemple, le matériau de revêtement est choisi dans un groupe comprenant le cuivre, le carbone cubique polycristallin, et le nickel. Ce revêtement peut recouvrir tout ou partie de l'évacuateur thermique, en particulier il peut revêtir l'ensemble de l'évacuateur thermique sauf la surface de contact 90.

Avantageusement, la surface de contact 90 de l'évacuateur thermique 81 est, avant liaison avec la paroi interne 20, revêtue de nickel (Ni), ce qui permet d'améliorer la liaison thermique entre le carbone de l'évacuateur thermique 81 et la céramique de la paroi interne 20. Avantageusement, le moteur à effet Hall 1 selon l'invention comprend en outre un ensemble 70 de barrières thermiques qui sont positionnées le long d'au moins une partie du dispositif d'évacuation thermique 80 de telle sorte qu'elles contribuent à empêcher une dissipation au sein dudit moteur 1 des calories véhiculées par le dispositif d'évacuation thermique 80. Par exemple, cet ensemble 70 comprend une première barrière thermique 71 qui est un manchon s'étendant axialement selon l'axe A le long de la face interne de l'évacuateur thermique 81 de telle sorte que l'évacuateur thermique 81 se situe dans l'espace annulaire délimité par la paroi thermique interne 20 et la première barrière thermique 71. Ainsi, la proportion de calories véhiculées par l'évacuateur thermique 81 qui sont dissipées en direction du noyau central 10 est moindre. Par exemple, cet ensemble 70 comprend en outre une deuxième barrière thermique 72 qui s'étend radialement le long d'une partie de l'élément de liaison 85. Cette deuxième barrière thermique 72 s'étend sensiblement depuis l'extrémité amont 83 de l'évacuateur thermique 81, et est située en amont de l'élément de liaison 85. Ainsi, la proportion de calories véhiculées par l'élément de liaison 85 qui sont dissipées durant leur transport est moindre. En outre, le moteur à effet Hall 1 comprend une troisième barrière thermique 60 qui s'étend axialement le long de la face externe de la paroi externe 40. La troisième barrière thermique 60 contribue à freiner une dissipation de chaleur de la paroi externe 40 vers l'extérieur du moteur à effet Hall 1. Ainsi, la différence de température entre la paroi externe 40 et la paroi interne 20, plus chaude, est moindre. Par exemple, les barrières thermiques 71, 72, et 60 sont en métal.

Par exemple, les barrières thermiques 71, 72, et 60 sont chacune constituées d'éléments métalliques séparés par un vide.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Moteur à effet Hall (1) comportant un canal de décharge (50) de forme annulaire s'étendant selon un axe (A), ledit canal de décharge (50) étant délimité par une paroi externe 40 de forme annulaire et une paroi interne (20) de forme annulaire située à l'intérieur de l'espace délimité par ladite paroi externe (40), une cathode (100) située à l'extérieur dudit canal de décharge (50), et un système d'injection (30) situé à l'extrémité amont dudit canal de décharge (50) et formant également anode, l'extrémité aval (52) dudit canal de décharge (50) étant ouverte, ledit moteur (1) étant caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'évacuation thermique (80) qui comprend un évacuateur thermique (81) en contact avec ladite paroi interne (20) et dont la conductivité thermique est supérieure à celle de ladite paroi interne (20), ledit dispositif d'évacuation thermique (80) étant apte à évacuer des calories de ladite paroi interne (20) vers l'extérieur dudit moteur (1) de façon à diminuer la différence de température entre ladite paroi interne (20) et ladite paroi externe (40).
2. 2. Moteur à effet Hall 1 selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit évacuateur thermique (81) est un manchon qui est en contact avec la face interne de l'extrémité aval (22) de ladite paroi interne (20) et qui est entouré par ladite paroi interne (20).
3. 3. Moteur à effet Hall 1 selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'extrémité aval (82) dudit évacuateur thermique (81) est en contact avec la face interne de l'extrémité aval (22) de ladite paroi interne (20).
4. 4. Moteur à effet Hall 1 selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit évacuateur thermique (81) s'étend vers l'amont dudit moteur 1, et en ce que ledit dispositif d'évacuation thermique (80) comporte en outre un élément de liaison (85) et un radiateur (86) externe, l'extrémité amont (83) dudit évacuateur thermique (81) étant reliée par ledit élément de liaison (85) audit radiateur (86).
5. 5. Moteur à effet Hall 1 selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit évacuateur thermique (81) est fixé directement sur ladite paroi interne (20) par brasage, les coefficientsd'expansion thermique dudit évacuateur thermique (81) et de ladite paroi interne (20) étant sensiblement égaux.
6. 6. Moteur à effet Hall 1 selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit évacuateur thermique (81) est en carbone.
7. 7. Moteur à effet Hall 1 selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit évacuateur thermique (81) est revêtu au moins partiellement d'un matériau de revêtement dont la conductivité thermique est au moins égale à celle du carbone.
8. 8. Moteur à effet Hall 1 selon la revendication 7 caractérisé en ce que ledit matériau de revêtement est choisi dans un groupe comprenant le cuivre, le carbone cubique polycristallin, et le nickel.
9. 9. Moteur à effet Hall 1 selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau de ladite paroi interne (20) est une céramique.
10. 10. Moteur à effet Hall 1 selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite céramique est un nitrure de bore avec silice BNSiO2.
11. 11. Moteur à effet Hall 1 selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ensemble (70) de barrières thermiques qui sont positionnées le long d'au moins une partie du dispositif d'évacuation thermique (80) de telle sorte qu'elles contribuent à empêcher une dissipation au sein dudit moteur 1 des calories véhiculées par ledit dispositif d'évacuation thermique (80).