Brevet FR2508268A1 — publié le 19821224

Réchauffeur à arc présentant une caractéristinue d'auto-amorçage perfectionnéeet destiné à un gaz s'écoulant à un débit élevé La présente invention concerne les réchauffeurs à arc et elle a trait, en particulier, à un réchauffeur à arc comportant un dispositif d'auto-amorçage d'arc permettant des débits d'écoulement de gaz plus élevés sans exiger de pressions de source élevées ou sans affecter le mouvement de vortex du gaz. De nombreux procédés industriels exigent des courants de plasma gazeux qui représentent des volumes importants et qui doivent être chauffés à des températures élevées pour répondre aux demandes thermiques de procédés particuliers. On trouve la description de rechauffeurs à arc de ce type dans les brevets U.S. 4 214 736 et 3 705 975. Dans une conception de réchauffeur à arc, les dimensions de l'intervalle entre les électrodes par rapport au débit du gaz présentent une importance particulière. D'une façon générale, il est souhaitable que le gaz traverse cet intervalle à des vitesses élevées et lorsque l'on recherche un fonctionnement stable et plus efficace du rechauffeur à arc, on injecte le gaz tangentiellement de manière à créer ainsi un vortex ou mouvement tourbillonnaire à l'intérieur de la chambre à arc. Toutefois, lorsque l'intervalle entre les électrodes a des dimensions appropriées pour satisfaire aux conditions requises pour un claquage électrique, il peut entre trop petit pour l'admission du gaz à la pression d'alimentation. Les sources de gaz présentant une pression plus élevée exigent des composante plus coûteux pour le système fournissant le gaz, particulièrement le compresseur.En outre, aux débits élevés du gaz à travers un intervalle de petite dimension, la vitesse voulue du gaz de la composante tangentielle à travers cet intervalle diminue en affectant ainsi le fonctionnement du réchauffeur à arc. C'est pourquoi, il est souhaitable de réaliser un réchauffeur à arc qui permet des débits de gaz élevés sans exiger de pressions de source plus importantes ou sans affecter le mouvement de vortex du gaz. En outre, il est souhaitable de disposer d'un moyen grâce auquel on peut augmenter l'espace entre les extrémités adjacentes des électrodes sans nuire aux caractéristiques d'auto-amorçage d'arc souhaitables pour une conception dans laquelle l'intervalle est plus petit. Il est également désirable de pouvoir régler les dimensions de l'intervalle de claquage du réchauffeur à arc afin que celui-ci s'adapte à des gaz différents ayant des propriétés diélectriques différentes. En outre, il est également souhaitable de pouvoir régler les dimensions de l'intervalle sans utiliser de plaques isolantes ayant des épaisseurs différentes. Selon la présente invention, un réchauffeur à arc pour un gaz dont le débit est élevé comprend une chambre, une première électrode disposée à l'intérieur de ladite chambre, une seconde électrode disposée à l'intérieur de ladite chambre, ladite seconde électrode étant espacée axialement de ladite première électrode de manière à former un intervalle pour que le gaz puisse traverser cet intervalle avec un débit important, et un moyen formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc disposé entre lesdites première et seconde électrodes pour amorcer un arc électrique entre ledit moyen formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc et ladite seconde électrode ou ladite première électrode, respectivement, de manière à engendrer un arc électrique entre lesdites première et seconde électrodes. De façon appropriée, le réchauffeur k arc comporte une première électrode sensiblement cylindrique espacée axialement d'une seconde électrode sensiblement cylindrique de manière qu'un débit important de plasma gazeux puisse passer entre ces électrodes. Un moyen formant pointe de dispositif d'amorçage et dont une pluralité peut être prévue est disposé dans l'espace compris entre les première et seconde électrodes de manière à assurer ainsi la présence d'un intervalle pour l'amorçage d'un arc entre les première et seconde électrodes sensiblement cylindrique#. Une source de potentiel électrique est appliquée à la pointe d'électrode du dispositif d'amorçage de manière k engendrer ainsi un arc dans l'intervalle compris entre les première et seconde électrodes cylindriques en chauffant ainsi le gaz qui passe dans cet intervalle. On va maintenant décrire à titre d'exemple la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels s la figure 1 est une vue en coupe verticale d'un réchauffeur B arc, cette vue montrant l'emplacement des électrodes ; la figure 2 est un schéma agrandi de la partie "À" représenté sur la figure 1 et dans laquelle est utilisée une pointe d'électrode intégrée fi la figure 3 est une vue de dessus de l'électrode inférieure représentée sur la figure 2 t la figure 4 est une vue en coupe d'une électrode pour la formation de la pointe de laquelle on utilise un procédé d'usinage g la figure 5 est une vue de dessus ae 1 électrode représentée sur la figure 4;;; la figure 6 est une vue isométrique montrant une partie de l'électrode représentée sur les figures 4 et 5 3 la figure 7 est un schéma agranai de la partie "A" représentée sur la figure i et utilisant une pointe fixée de dispositif d'amorçage t la figure 8 est un schéma agrandi de la partie A" représentée sur la figure 1 et utilisant une pointe de dispositif d'amorçage disposée centralement ; et la figure 9 est un schéma modifié agrandi de la partie "À" représentée sur la figure 1 et utilisant une pointe de dispositif d'amorçage comportant une source d'alimentation distincte. La figure 1 est une vue en coupe verticale. On peut trouver dans le brevet U.S. 4 214 736 une description de la structure et du fonctionnement d'un réchauffeur 12 à arc. Le réchauffeur 12 à arc comporte une électrode d'amont 14 et une électrode 16 à pointe. Les électrodes 14 et 16 sont espacées l'une de l'autre en 18 d'une distance de 1 millimètre par exemple dans l'intervalle d'amorçage d'arc, de manière que l'on puisse utiliser une source d'alimentation électrique (non représentée) d'environ 4 KV, par exemple, cette source pouvant, dans la présente invention, être soit une source de courant alternatif, soit une source de courant continu.Un arc 20 est engendré dans l'espace d'intervalle 18 où le gaz d'alimentation entrant 22 déplace l'arc de l'espace t8 jusqu'à l'intérieur de la chambre 24 k arc. L'arc 20 peut tourner à une vitesse d'environ 1000 tours par seconde par suite de l'interaction entre le courant de l'arc (plusieurs milliers d'ampères) et un champ magnétique établi par des bobines de champ 26, 28 montées intérieurement. Ces vitesses procurent un rendement très élevé avec pour résultat que l'arc 20 de forme allongée est finalement dirigé par le gaz vers le bas en direction d'une chambre de fusion (non représentée) et éventuellement jusque dans cette chambre. L'énergie électrique est fournie au réchauffeur 12 k arc par des cibles d'alimentation 30, 32. De plus, le réchauffeur 12 k arc comprend une bride de montage indiquée en 36 et est désigné d'une façon générale par la référence 34. La bride 38 est fixée à la surface métallique extérieure 40 d'une chambre de fusion (non représentée). Les brides 36, 38 sont fixées par des boulons 42 espacés radialement. La bride 36 comprend une entrée 44 d'eau et une sortie 46 d'eau grâce auxquelles l'eau de refroidissement circule dans le réchauffeur à arc pour refroidir les électrodes 14, 16. De façon similaire, une entrée 23 de gaz est prévue pour amener le gaz d'alimentation 22 jusqu'à l'espace ou intervalle 18 et jusqu' l'extrémité d'amont du réchauffeur à arc. En se référant maintenant à la figure 2, on voit que lton y a représenté une vue agrandie de la section iota" de la figure t, dans laquelle une pointe d'électrode est utilisée. Dans cette figure 2 est représentée une partie des composants de la section "b" de la figure 1, les composants déjà représenté sur cette figure 1 portant les memes références sur la figure 2. L'électrode d'amont 14 comportant une saillie 50 d'espacement d'électrode et l'électrode 16 à pointe comportant une saillie 52 d'espacement d'électrode sont espacées l'une de l'autre par une plaque isolante 54 et des bagues de contact 51 et 53. La plaque isolante 54 et les bagues de contact 51, 53 assurent une séparation précise entre les électrodes 14 et 16 sans que des opérations de mesure ou d'ajustement compliquées soient néces saires. Le gaz d'alimentation entrant 22 est introduit par l'intermédiaire de l'entrée 23 de gaz et est chauffé par l'arc 20 dans l'espace entourant les électrodes 14 et 16. La pointe 48 d'électrode peut être en la meme matière que l'électrode 16 ou en une matière différente comme, par exemple, du cuivretungstène ou de l'argent-tungtène.La pointe 48 d'électrode permet à l'espace 18 d'avoir une grande dimension telle que, par exemple, 2 millimètres à 4 millimètres en donnant ainsi au gaz d'alimentation 22 la possibilité de pénétrer dans cet espace avec un débit élevé tout en assurant la présence d'un intervalle de claquage relativement faible qui peut, par exemple, store de 1 millimètre. Par conséquent, on augmente l'aire d'écoulement du gaz en augmentant l'espace entre les extrémités adjacentes des électrodes 14, 16 tout en obtenant un intervalle de claquage relativement faible. Ceci contribue à une adaptation aux propriétés diélectriques du gaz d'alimentation 22 aux tensions de l'are que l'on peut envisager ainsi qu'aux conditions d'alimentation en énergie.Bien que la pointe 48 d'électrode soit représentée vissée dans l'électrode 16 à pointe, on comprendra que la pointe 48 peut être montée à la presse, par brasage, par soudage ou être usinée. De plus, la forme de l'extrémité de la pointe 48 d'électrode peut avoir une forme autre que la forme arrondie générale représentée et être, par exemple, carrée ou hexagonale. Par ailleurs, du fait que des gaz différents ont des propriétés diélectriques différentes, on peut modifier les dimensions 56 de l'intervalle de claquage simplement en modifiant la taille de la pointe 48 d' électrode, ce qui supprime le besoin d'utiliser des plaques isolantes 54 d'épaisseur différente. On comprendra que,bien qu'une seule pointe 48 d'électrode ait été représentée, il est possible de placer habituellement des pointes supplémentaires d'électrodes sur l'extrémité d'une électrode. Plusieurs pointes 48 d'électrodes peuvent être mises en place, par exem pleJsoit sur l'électrode 16 à pointe (comme représenté) soit sur les deux électrodes 14, 16. En se référant à la figure 3, on voit que l'on y a représenté une vue en coupe de dessus de l'électrode 16 représentée sur la figure 2. Dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, deux pointes 48 d'électrodes espacées en étant disposées de façon diamétralement opposée sont utilisées. En se référant maintenant à la figure 4, on voit que l'on y a représenté une vue en coupe d'une pointe usinée 58 d'électrode. L'électrode usinée 58 comporte une saillie 52' d'espacement d'électrode similaire k celle représentée sur la figure 2. De plus, une pointe usinée 60 d'électrode est disposée sur le dessus de l'électrode usinée 58 et, contrairement à celle décrite à propos de la figure 2, la pointe usinée 60 d'électrode fait partie de l'électrodê 58. On peut voir une vue de dessus de l'électrode usinée 58 sur la figure 5 où l'on a représenté deux pointes usines 60 et 60' d'électrodes qui sont diamétralement opposées l'une à l'autre. Une vue isométrique de l'électrode usinée 58 représentée sur les figures 4 et 5 est illustrée S la figure 6. En se référant maintenant à la figure 7, on voit qu l'on y a représenté une vue agrandie de la partie "À" reprda sentée sur la figure t modifiée pour utiliser une pointe adjau cente 62 de dispositif d'amorçage. L'électrode d'amont 14 comportant une saillie 50' d'espacement d'électrode et l'électrode d'aval 63 comportant une saillie 52' d'espacement d'électrode sont espacées l'une de l'autre par une plaque isolante 54' et des bagues de contact 51' et 53'. L'isolant 54' et les bagues de contact 51' et 53' assurent une séparation précise entre les électrodes 14' et 63 sans nécessiter d'opérations de mesure ou d'ajustement compliquées.Le gaz d'alimentation entrant 22 est introduit par l'intermédiaire de l'entrée 23 de gaz et est chauffé par un arc 20 dans l'espace autour des électrodes 14 et 63. La pointe adjacente 62 de dispositif d'amorçage peut etre formée de la même matière que l'électrode d'aval 63 ou d'une matière différente telle que, par exemple, du cuivre-tungstène ou de l'argent-tungstène. La pointe adjacente 62 du dispositif d'amorçage est reliée électriquement à la bague de contact 53' de manière que cette pointe 62 soit portée au m & e potentiel que l'électrode d'aval 63. La pointe adjacente 62 de dispositif d'amorçage fait saillie dans l'espace 18' en donnant ainsi un intervalle de claquage 56' similaire à celui du mode de réalisation des figures 2 et 4.On comprendra que la pointe adjacente 62 de dispositif d'amorçage peut être coudée ou courbée de manière B occuper la position voulue pour former l'intervalle de claquage désiré 56'. De plus, la pointe adjacente 62 de dispositif d'amorçage peut être placée avec l'élec- trode d'amont 14' en utilisant ainsi la bague de contact 51'. En outre, plusieurs pointes adjacentes 62 de dispositif d'amor çage peuvent être placées, par exemple, de façon adjacente à l'électrode d'amont 14 ou k l'électrode d'aval 63 (comme représenté) ou sur les deux électrodes 14', 63. Ceci permet par conséquent d'obtenir des caractéristiques d'écoulement du gaz similaires à celles que l'on obtient en utilisant les électrodes des figures 2 et 4. En se référant maintenant à la figure 8, on voit que l'on y a représenté un schéma agrandi de la partie "À" représentée sur la figure i et modifié pour utiliser une pointe 64 de dispositif d'amorçage espacée centralement. La structure et le fonctionnement de cette configuration sont similaires à celles représentées sur les figures 2 et 7 à 11 exception de la pointe 64 de dispositif d'amorçage espacée centralement.La pointe 64 espacée centralement peut être isolée complètement vis-à-vis du potentiel électrique présent aux électrodes 14' ou 63'. La pointe 64 espacée centralement est électriquement sous tension grâce à l'utilisation d'une bague de recouvrement 66 disposée à l'endroit où les plaques isolantes 54, 54' (représentées sur les figures 2 et 7) seraient placées, ce qui assure un contact électrique avec l'une et l'autre des bagues de contact 51', 53'. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 8, la bague de recouvrement 66 établirait un contact électrique avec la bague de contact 532 en plaçant ainsi la pointe 64 espacée centralement au même potentiel que l'électrode d'aval 63'.La pointe 64 espacée centralement est par conséquent disposée près de l'électrode ayant un potentiel différent, cette dernière étant l'électrode d'amont 14'. On peut obtenir un ajustement fin de la pointe 64 espacée centralement en formant dans cette pointe 64 un coude ou une courbe. De plus, la pointe 64 espacée centralement peut avoir d'autres formes et être, par exemple, ronde ou hexagonale. Par ailleurs, plusieurs pointes 64 espacées centralement pourraient être portées, par exemple, au même potentiel que l'électrode d'amont 14( eu que l'électrode d'aval 63' (comme représenté) ou on pourrait avoir recours à une combinaison grâce B laquelle différentes pointes espacées centralement se trouveraient au potentiel soit de l'électrode d'amont 14' soit de l'électrode d'aval 63'. En se référant maintenant à la figure 9, on voit que l'on y a représenté un schéma agrandi de la partie "À" représentée sur la figure 1 et modifié grâce à l'utilisation d'une pointe 68 de dispositif d'amorçage, isolée électriquement. La façon de procéder dans ce cas est similaire à la façon de procéder des cas des figures 1, 2, 7 et 8 sauf qu'une énergie distincte est fournie k la pointe isolée 68 du dispositif d'amor çage. La pointe isolée 68 de dispositif d'amorçage peut être alimentée à partir d'une source d'alimentation complètement séparée autre que la source alimentant les électrodes 14' et 36'. Cette source d'alimentation secondaire (non représentée) peut être mise en fonction, par exemple, uniquement pendant le démarrage grâce à quoi il n'est pas nécessaire que la source d'alimentation du réchauffeur à arc présente des caractéristiques de tension élevées en circuit ouvert. De plus, le matériel utilisé pour la correction du facteur de puissance, comme par exemple des condensateurs, peut être moins important en raison des exigences de tension plus faibles de la source d'alimentation du réchauffeur à arc et des transformateurs associés à cette source.La pointe isolée 68 de dispositif d'amorçage est fixée à la tige de support 70 qui est maintenue fermement en place en étant isolée électriquement du matériel environnant par la plaque isolante 542. La tige de support 70 qui est formée par une matière conductrice de l'électricité s'détend jusqu'au contact 72 qui est lui-même relié à la borne 78 et, de 1à, à une source d'alimentation secondaire (non représentée) par l'intermédiaire du cible d'alimentation 80 des dispositifs d'amorçage d'arc. On peut déplacer la tige de support 70 à l'aide du mécanisme de réglage 73 de manière à changer ainsi sa position dans l'espace 18' afin de modifier la distance ou intervalle d'allumage entre la pointe isolée 68 du dispositif d'amorçage et l'une ou l'autre des électrodes 14' et 63'.La borne 78 et le contact 72 sont supportés par les isolants 76, 77 disposés de part et d'autre du couvercle 74 de réchauffeur à arc. On comprendra que l'extrémité isolée 68 peut avoir des formes et des dimensions différentes de manière à s'adapter à des gaz différents présentant des rigidités diélectriques différentes ainsi qu'à des tensions d'alimentation différentes appliquées aux électrodes 14', 63'. De plus, l'extrémité isolée 68 du dispositif d'amorçage peut être courbée ou coudée de manière à former un intervalle d'allumage de petite dimension qui favorise l'une ou l'autre des électrodes. En outre, on peut placer plusieurs extrémités isolées 68 de dispositif d'amorçage dans l'espace 18' du réchauffeur à arc.Par ailleurs, la tension fournie à la pointe isolée 68 du dispositif d'amorçage peut avoir une valeur qui est égale à celle de la tension de l'une des électrodes 14X, 63' ou bien avoir une valeur qui est supérieure ou inférieure à la valeur des tensions des électrodes 14', 63' ou encore une valeur qui est comprise entre les valeurs des tensions des électrodes 14', 63'.En outre, une fois que le réchauffeur à arc a été mis en route à l'aide de la pointe isolée 68 de dispositif d'amorçage d'arc en utilisant la source d'alimentation secondaire (non représentée), cette source fournissant le courant, par l'intermédiaire du câble d'alimentation 80 de dispositif d'amorçage d'arc,à la pointe isolée 68 de ce dispositif peut être reliée à la source d'alimentation du réchauffeur à arc pour assurer un réallumage si l'arc venait à s'éteindre en cas, par exemple, de chute de tension dans le système. On comprendra que l'on peut apporter de nombreuses modifications à la présente invention sans sortir du cadre de cette dernière. Par exemple, on peut utiliser un espacement différent des pointes d'électrodes ainsi que des pointes d'électrodes supplémentaires. En outre, on peut avoir recours à des intervalles de claquage différents de ceux illustrés pour permettre des débits plus élevés ou des débits plus faibles du plasma, une rotation différente de l'arc, des tensions d'alimentation différentes ainsi que des propriétés diélectriques différentes en ce qui concerne le gaz. On peut modifier avantageusement l'intervalle sans changement notable. En outre, la présente invention permet d'utiliser des systèmes d'alimentation moins compliqués ou des possibilités d'auto-amorçage plus optimales. La présente invention constitue donc un moyen moins compliqué et moins coûteux de réaliser et de faire fonctionner un réchauffeur à arc pour des débits d'écoulement de plasma élevés. REVENDICATIONS t. Réchauffeur k arc pour un gaz s'écoulant à grand débit, caractérisé par le fait qu'il comprend : une chambre (24), une première électrode (14 ; 14') disposée à l'intérieur de ladite chambre, une seconde électrode (16 ; 63') disposée à l'intérieur de ladite chambre, ladite seconde électrode étant espacée axialement de ladite première électrode de manière à former un intervalle (18 ; 18') pour permettre le passage d'un débit important d'un gaz entre ces électrodes, et un moyen (48 ; 62 t 64 ; 68) formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc disposé entre lesdites première et seconde électrodes pour amorcer un arc électrique (20) entre ledit moyen formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc et ladite seconde électrode ou ladite première électrode, respectivement, de manière qu'un arc électrique soit engendré entre lesdites première et seconde électrodes. 2. Réchauffeur à arc suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites première et seconde électrodes sont sensiblement cylindriques. 3. Réchauffeur k arc suivant les revendications t ou 2, caractérisé par le fait que ledit moyen formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc est fixé à ladite première électrode et à ladite seconde électrode, ladite pointe de dispositif d'amorçage d'arc s'étendant jusque dans ledit intervalle (18) de manière à assurer la présence d'un espace relativement faible entre ledit moyen formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc et ladite seconde électrode ou ladite première électrode, respectivement, par rapport aux dimensions dudit intervalle. 4. Réchauffeur à arc suivant la revendication 3, caractérisé par le fait qu'une pluralité de moyens formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc est fixée auxdites première et/ou seconde électrodes. 5. Réchauffeur k arc suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit moyen formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc est parallèle à ladite première électrode ou ladite seconde électrode. 6. Réchauffeur à arc suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit moyen formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc est disposé perpendiculairement entre lesdites première et seconde électrodes. 7. Réchauffeur à arc suivant les revendications 5 ou 6, caractérisé par le fait que ledit moyen formant pointe de dispositif d'amorçage est fixé électriquement à ladite première électrode ou à ladite seconde électrode. 8. Réchauffeur X arc suivant la revendication 72 caractérisé par le fait que ledit moyen formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc est disposé plus près de ladite seconde électrode que de ladite première électrode cylindrique. 9. Réchauffeur à arc suivant la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit moyen formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc est disposé plus près de ladite première électrode cylindrique que de ladite seconde électrode cylindrique. 10. Réchauffeur à arc suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que ledit moyen constituant une pointe de dispositif d'amorçage d'arc a une forme courbée. il. Réchauffeur à arc suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que ledit moyen formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc se trouve B un potentiel électrique ayant une valeur comprise entre celles des potentiels électriques des première et seconde électrodes précitées pendant l'amorçage dudit arc électrique, ou à un potentiel électrique différent de celui desdites première ou seconde électrodes précitées. 12. Réchauffeur à arc suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une pluralité desdits moyens formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc est disposée entre lesdites première et seconde électrodes. 13. Réchauffeur à arc suivant l'une quelconque des revendications t à i2, caractérisé par le fait que ledit moyen formant pointe de dispositif d'amorçage d'arc a la configuration d'un hexagone ou d'un carré ou est sensiblement rond.