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L'invention concerne les montages de scellement du type 'comportant une soudure étanche aux gaz entre un élément matal- lique et un élément vitreux ou céramique et elle a pour but principal d'établir un tel montage de scellement dans lequel il est possible de réduire les contraintes développées dans l'élément céramique ou vitreux relativement faible sous l'effet (par exemple) d'une différence entre les dilatations thermiques des parties du montage de scellement ou de la structure qui le comporte ou sous l'effet de variations, pendant la fabrication, des dimensions des éléments du montage de scellement.
Selon l'invention, un montage de scellement comprend un élément vitreux ou céramique, ayant une face d'extrémité annulaire disposée pour porter contre une face correspondante d'un organe de terminaison du montage du scellement, et une bague de métal ayant
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des collerettes périphériques continues soudées de manière étanche aux gaz au dit élément vitreux ou céramique et à l'organe de terminaison respectivement et ayant aussi une partie intermé- diaire qui a une forme générale en U en coupe axiale, l'élasticité de la dite partie intermédiaire de la bague de métal permettant le mouvement de l'organe de terminaison et de l'élément vitreux ou céramique à la fois en direction axiale et en direction radiale.
Selon la nature de la structure dans laquelle doit être incorporé le-dit montage de scellement, le dit organe de terminaison peut prendre diverses formes et peut être un organe composite. De plus, dans une structure assemblée comportant le dit montage de scellement, le dit organe de terminaison peut ne pas être un organe séparé, mais être formé totalement ou en partie par les éléments de la dite structure : une telle construction peut être adoptée par exemple dans le montage de scellement pour un dispositif à décharge en arc qui constitue une forme d'exécution préférée de l'invention décrite en détails ci-après. L'expression "organe de-terminaison" utilisée dans le présent exposé englobe toutes ces formes. La matière de cet organe de terminaison dépend encore de l'appli- cation du montage de scellement mais sera habituellement un métal.
Un montage de scellement comportant application de .l'invention est adapté pour résister à la pression axiale et peut donc faire partie d'un récipient sous vide, particulièrement pour des appareils électriques. Ainsi, un autre aspect de l'invention consiste dans un récipient sous vide ayant un joint d'électrode ou de borne comportant application de l'invention définie ci-dessus. une application d'importance particulière se présente dans les dispositifs à décharge en arc comportant une cathode liquide ;
ainsi, un autre aspect de l'invention consiste en un dispositif à décharge en arc ayant
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une cathode liquide, dans lequel une plaque de cathode pour supporter la cathode liquide forme un organe de terminaison d'un montage de scellement selon l'invention, tel qu'on l'a défini ci-dessus, l'élément vitreux ou céramique du montage de scellement faisant partie de l'enveloppe du dispositif.
Dans l'application de cet aspect de l'invention. aux dispositifs à décharge en arc avec enveloppe de métal, le dit élément céramique ou vitreux peut être une bague dont la face d'extrémité annulaire éloignée de la plaque de cathode s'appuie contre une face correspondante d'une partie métallique de la dite enveloppe, une autre bague en métal élastique étant utilisée pour joindre l'élément céramique ou vitreux à la dite partie métallique de l'enveloppe qui forme un second organe de terminaison du montage de scellement.
L'invention consiste ainsi de façon générale en un montage de scellement perfectionné convenant particulièrement, bien que non exclusivement, aux dispositifs à décharge en arc et capable dans de telles applications de donner certains avantages constructifs qui seront exposés au cours de la description.
Selon la forme préférée de l'invention dans l'un quelconque de ses aspects exposés ci-dessus, l'axe de la partie en U de la coupe axiale de la bague de métal se trouve dans un plan parallèle au plan radial de la bague. La collerette de la bague qui est soudée à l'élément vitreux ou céramique peut être une coullerette annulaire dont le plan est parallèle au plan radial de la bague, cette collerette étant soudée à une face annulaire correspondante de l'élément vitreux ou céramique.
L'autre collerette de la bague est soudée de préférence à une collerette rigide faisant partie de l'organe de terminaison, la construction étant telle que l'assemblage final du montage de
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scellement est effectué par fixation de la collerette rigide aux autres parties de l'organe de terminaison.
. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dit élément vitreux ou céramique est un élément composite comprenant, d'une part, un organe principal céramique ou vitreux ayant une face annulaire à laquelle est soudée une face d'une collerette annulaire correspondante de la dite bague de métal pour former un joint en disque et, d'autre part, une bague de la même matière céramique ou vitreuse soudée à la face restante de la dite col- lerette. La dite bague céramique ou vitreuse constitue une "bague de compensation" puisqu'un de ses rôles est de compenser les contraintes dans le joint soudé,, La face annulaire libre de la dite bague de .compensation constitue la face annulaire d'extrémité de l'élément vitreux ou céramique, qui supporte la charge.
Une rondelle élastique peut être insérée entre la dite face annulaire d'extrémité et la surface contre laquelle elle est destinée à s'appuyer, afin de réduire la concentration d'efforts en des points hauts localisés sur les deux surfaces.
Selon une -caractéristique complémentaire de l'invention, dans un montage de scellement comportant l'élément céramique ou vitreux décrit au paragraphe précédent, la collerette de la dite bague de métal qui est soudée aux deux organes céramiques ou vitreux est en direction radiale de largeur moindre que les dits organes, l'intervalle entre les dits organes étant rempli de matière isolante qui peut être la matière de soudure du joint.
Une face du dit montage de scellement présente ainsi une surface ' isolante ininterrompue relativement longue.
Pour l'exécution de l'invention, on peut réaliser des jonctions étanches'aux gaz entre des surfaces de métal par soudure ou brasure. Des jonctions directes peuvent être effectuées entre une--surface de métal oxydé et une matière vitreuse telle que le verre qui mouille le métal quand elle est liquide, tandis
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que d'autres matières vitreuses et céramiques peuvent être soudées aux surfaces de métal par l'utilisation d'un agent de' soudage intermédiaire tel que le verre ou un métal de soudure.
On décrira ci-après des montages de scellement selon l'invention appliqués à un dispositif à dé. charge en arc à vapeur de mercure, en référence au dessin annexé dans lequel : la figure 1 est une vue extérieure de la partie inférieure du dispositif à décharge ; la figure 2 est une coupe suivant un plan axial d'une partie du système cathodique du dispositif à décharge ; et la figure 3 montre l'application de l'invention au montage d'une borne d'électrode pour un dispositif à décharge.
La figure 1 du dessin montre la partie inférieure du réservoir d'acier 10 du dispositif à décharge et le système cathodique qui est fixé au fond du réservoir. Le système cathodique comprend une plaque de cathode 11 supportant la cathode liquide de mercure (représentée en 30 à la figure 2), la plaque de cathode étant isolée du réservoir 10 au moyen d'un montage de scellement en disque 12 qui comporte un isolateur céramique 13. Le système cathodique comprend aussi un dispo- sitif d'allumage 14 et des ailettes de refroidissement 15 soudées à la plaque de cathode 11. On comprendra que, pour la clarté du dessin, on a supprimé à la figure 1 la plupart des ailettes 15.
La construction détaillée du système cathodique apparaît sur la figure 2 qui est une coupe transversale d'un côté du système cathodique, selon un plan axial. Sur la plaque de fond 17 du réservoir sont soudées une bague de pression
18, disposée pour absorber la poussée de compression du montage de scellement, et une bague de connexion 16 portant une col- lerette 19. Une collerette 20 de la bague d'étanchéité 21 du montage de scellement, en alliage élastique de fer-nickel-cobalt, est jointe par un cordon de soudure et.brasure au cuivre à la
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collerette 19.
La monture de la plaque de cathode comprend, de plus de la plaque de cathode 11, une bague de. pression semblage 22 et une collerette 23. L'élément composite céramique du montage de scellement en disque, qui est interposé entre les faces annulaires des bagues de pression 18 et 22, comprend la bague 13 formant isolateur céramique et les bagues de compensation 24 et 25. Chacune des bagues d'étanchéité en métal élastique 21 comporte une collerette annulaire 26 dont une face est soudée à une face annulaire de l'isolateur 13 ; l'autre face de la collerette 26 est soudée à une face annulaire de la bague de compensation correspondance 24 ou 25.
Les faces annulaires libres des bagues de compensation 24 et 25 constituent les faces d'extrémités annulaires de l'élément céramique composite et sont disposées pour s'appuyer, par l'intermédiaire de rondelles annulaires en fibre de verre 27, contre les faces annulaires correspondantes des bagues de pression 18 et 22.
Selon les termes utilisés précédemment pour décrire le montage de scellement, l'organe de terminaison supérieur du montage de scellement est un organe composite comprenant la bague de connexion 16, la bague de pression 18 et la collerette 19. De manière analogue, l'organe de terminaison inférieur est formé par la monture de la plaque de cathode comprenant la plaque de cathode 11, la bague de pression 22 et la collerette 23. Pendant la fabrication, les joints soudés entre les collerettes 20 des bagues d'étanchéité 21 et les collerettes fixes 19 et 23 sont réalisés par soudure et brasure avant que les collerettes 19 et 23 soient soudées à leurs éléments associés.
L'élément 31 de la figure 2 est un écran thermique cylindrique en matière isolante céramique ou vitreuse.
Chacune des bagues d'étanchéité en métal 21 est repliée pour former, en coupe axiale, une partie de forme générale en U à axe horizontal, analogue à un repli unique de souffiet,
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ce qui donner à la bague une élasticité suffisante pour permettre . un déplacement limité de l'élément céramique composite à la fois en direction radiale et en direction axiale. Ces bagues 21 sont en un alliage à faible dilatation dont le coefficient de dilatation thermique est très voisin de celui de la matière céramique de l'isolateur 13 et des bagues de compensation 24 et
25 pour toutes les températures auxquelles le montage de scellement peut être soumis quand le dispositif à décharge en arc est en fonctionnement. Dans cette construction, on utilise le verre comme agent de soudage intermédiaire entre le métal et les éléments céramiques.
On voit que la collerette annulaire
26 de chaque bague de métal 21 est de largeur moindre que l'isolateur 13 ou que les bagues de compensation. On ferme l'intervalle entre chaque bague de compensation et l'isolateur
13 sur la face interne du montage de scellement en permettant au verre de soudage de couler, comme indiqué en 28, dans l'intervalle quand on effectue la jonction entre la bague de métal 21 et les éléments céramiques. La surface interne du montage de scellement présente ainsi une surface isolante ininterrompue.
Afin de faciliter le montage du joint 12, chacune. des bagues 21 a une forme offrant un épaulement de mise en place qui, lors du montage, permet de la placer positivement par rapport à la bague de compensation correspondante. Un épaulement semblable pour la mise en place de l'isolateur 13 est assuré par une bague de positionnement 29 sertie sur chacune des bagues de métal 21
Quand le dispositif à décharge en arc est en service, la pression à l'intérieur du réservoir 10 est réduite à une valeur très faible.
La charge résultante de la pression atmosphérique sur la plaque de cathode 11, qui dans le cas de grands dispositifs peut être de l'ordre d'une tonne ou plus, est transmise . directement par les bagues de pression 18 et 22 à l'élément
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céramique composite comprenant l'isolateur 13 et les bagues de compensation 24 et 25. Ces parties présentent des résistances à la compression convenables pour résister à la charge. Un échauffement local des différentes parties du réservoir 10 et de la plaque de cathode 11 pendant le fonctionnement du dispositif entraîne des dilatations irrégulières et inégales des différentes parties du dispositif et il est nécessaire d'empêcher que les contraintes ainsidéveloppées soient transmises à l'isolateur 13.
Comme dans la construction représentée les bagues d'étanchéité en métal 21 ne supportent que les charges de compression dues à la différence des pressions à travers leurs surfaces, elles peuvent être en métal de faible épaisseur et recevoir une forme permettant un mouvement relatif limité, soit en direction radiale, soit en direction axiale, entre les bagues de pression et l'isolateur céramique composite sans transmettre de contraintes appréciables à celui-ci.
Un mouvement relatif de ces parties peut aussi être provoqué par des variations de l'effort de compression appliqué au montage de scellement, par exemple quand la différence de pression à travers la plaque de cathode 11 varie ; de telles variations de pression modifient l'épaisseur des rondel- les compressibles 27 en fibre de verre, dont le rôle est d'empêcher des concentrations locales de l'effort de compression sur des points hauts des surfaces portant la charge. L'élasticité.des bagues d'étanohéité 21 est suffisante pour absorber ces mouvements.
L'élasticité des bagues 21 est importante aussi pour absorber les tolérances de dimensions dans les éléments du montage de scellement pendant l'assemblage, puisque sans cette élasticité il serait impossible de combiner la soudure étanche au vide des divers joints avec un bon appui des bagues céramiques sur les bagues de pression en métal.
@ La monture de cathode représentée au dessin est peu profonde par rapport à son diamètre, ce qui établit un court trajet d'arc avec une chute de voltage corrélativement
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faible dans l'arc quand le dispositif à décharge est en fonctionnement. L'utilisation d'une simple plaque de cathode plate 11 économise la quantité de mercure 30 nécessaire pour constituer la cathode liquide et établit un chemin direct de transmission de chaleur de la cathode liquide 30 aux ailettes de refroidissement 15.
Le scellement en disque représenté à la figure 2 est destiné à résister à des forces axiales de compression. Dans les cas où il peut y avoir inversion de ces forces, par exemple dans les applications où la pression à l'intérieur du récipient peut s'élever au-dessus de la pression extérieure, ou bien quand le joint est disposé pour pénétrer vers l'intérieur dans le cas d'un récipient sous vide, on peut utiliser une construction de joint identique avec adjonction de moyens de serrage extérieurs pour que le montage de scellement ne soit jamais soumis à un effort de tension. Un exemple particulier de cette construction est représenté à la figure 3 qui montre la coupe d'un joint utilisé pour supporter une électrode à l'intérieur d'un récipient sous vide ou sous pression.
La comparaison de cette figure avec la figure 2 montre que les montages de scellement sont en fait identiques et on a donné aux parties correspondantes les mêmes chiffres de référence ; cependant, dans cette forme d'exécution de l'invention, l'organe de terminaison supérieur du montage de scellement comporte une collerette 32 d'un support d'électrode
33 avec borne extérieure 34 et à cette collerette sont soudées la bague de pression 22 et la collerette 23. Le joint est ,maintenu en compression dans toutes les circonstances par une plaque de pression 35 retenue vers le bas par des boulons 36 munis d'un isolement électrique 37.
La force de compression appliquée doit être suffisante non seulement pour surmonter toutes forces dues à la pression à l'intérieur du récipient, mais encore pour surmonter toutes forces dues aux moments déflexion sur l'or-
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gane 33 qui sans cela pourrait soumettre le montage à des forces locales de tension.
Bien qu'on ait décrit l'invention en référence au dessin annexé sous une forme dans laquelle on utilise des organes isolants céramiques pour former des joints en disque, on comprendra que dans certaines applications l'invention peut être appliquée à des scellements utilisant des isolateurs vitreux tels que le verre ou à des scellements dans lesquels des dispositions de joints en disque ne sont pas employées.
REVENDICATIONS
1. Un montage de scellement comprenant un élément vitreux ou céramique, ayant une face d'extrémité annulaire disposée pour porter directement ou indirectement contre une face correspondante d'un organe de terminaison du montage de scelle- ment, et une bague de métal ayant des collerettes périphériques continues soudées de manière étanche aux gaz au dit élément vitreux ou céramique et à l'organe de terminaison respectivement et ayant aussi une partie intermédiaire qui a une forme générale en U en coupe axiale, l'élasticité de la dite partie intermédiaire de la bague de métal permettant un mouvement relatif de l'organe de terminaison et de l'élément vitreux ou céramique à la fois en direction axiale et en direction radiale.