Brevet FR2539942A1 — publié le 19840727

L'invention concerne des appareils à arc de plasma et des procédés pour leur fonctionnement. Il semble que l'on puisse trouver un arrière- plan suffisant pour comprendre le type de structure et de fonctionnement de générateur de plasma selon l'invention en consultant les brevets US 3 194941, 3 673 375 et 3 818 174 et la publication "Plasma Jet Technology", National Àezonautics and Space Administration Publica- tion NASA-5033, éditée en octobre 1965. La publication est intéressante en ce sens qu'elle fournit un arrière-plan général sur la technolo- gie du plasma et qu'elle indique la distinction entre les modes de fonctionnement transféré et non transféré. Le premier brevet cité est intéressant en ce sens qu'il décrit un générateur de plasma à arc transféré, parfois appelé chalumeau à plasma, utilisant une électrode pos- térieure, un collimateur aussi appelé buse, espacé de l'électrode postérieure vers l'avant, un générateur de tourbillon et une structure d'enveloppe ledit brevet indique une gamme de rapports longueur/diamètre intérieur du collimateur qui détermine la façon dont fonctionne le générateur de plasma Il reconnatt aussi l'importance du fait que la vitesse d'entrée au générateur de tourbil- lon soit supérieure à Mach 0,25, Un autre point intéres- sant pour la présente invention est que le brevet cité indique une entrée et une sortie et un parcours d'agent de refroidissement destiné à un fluide servant à refroi- dir l'enveloppe et le collimateur et une autre entrée et une autre sortie et un autre parcours d'agent de refroi- dissement destiné à un agent de refroidissement servant à refroidir l'électrode postérieure Ledit brevet dé- crit aussi comment l'érosion de l'électrode postérieure est liée au fait que l'on utilise comme source d'énergie une source de courant alternatif ou continu A ce propos, ledit brevet décrit aussi comment on peut étaler cette érosion sur une grande surface à l'intérieur de l'élec- trode postérieure soit en utilisant une source de courant alternatif comme source d'énergie pour l'actionnement du générateur de plasma ou en ajoutant à la source d'éner- gie un champ magnétique tournant appliqué extérieurement pour faire tourner et étaler le point d'attache de l'arc au sein de l'électrode postérieure de manière à distri- buer l'usure par érosion Il est remarquable que le bre- vet cité n'indique par si l'enveloppe extérieure est reliée à la masse, ni comment. Le brevet antérieur US 3 673 375 déjà cité, comme le brevet US 3 194 941 déjà cité, concerne un géné- rateur de plasma du type à arc à transfert généralement tubulaire Toutefois, en tant que perfectionnement à ce dernier brevet, le brevet antérieur US 3 673 375 in- dique que l'espacement entre le collimateur et l'élec - trode postérieure, à la différence de la relation entre la longueur et le diamètre intérieur du collimateur, a aussi une importance déterminante dans une gamme indi- quée, pour que l'on puisse obtenir un arc transféré rela- tivement long et stable qui ne peut pas être obtenu avec le générateur selon le brevet US 3 194 941 Dans le brevet US 3 673 375, on parle aussi de refroidir l'électrode postérieure à l'air et le collimateur à l'eau L'électrode postérieure est indiquée comme étant formée d'un tube de cuivre monté à l'intérieur d'un tube en acier inoxydable. L'utilisation d'une source de courant alternatif et la possibilité de faire fonctionner le générateur en un mode non transféré ou transféré sont mentionnées dans le brevet US 3 673 375 le collimateur et l'enveloppe exté- rieure sont aussi indiqués comme reliés mécaniquement et il faudrait donc qu'ils fonctionnent au même potentiel électrique. Dans le brevet US 3 818 174, on s'attache spécialement à empêcher la situation d'arc double On s'occupe aussi de la façon de relier électriquement l'en- veloppe extérieure à la terre et de l'importance de cette liaison Des systèmes de refroidissement séparés sont prévus pour l'enveloppe extérieure, l'électrode posté- rieure et le collimateur Un tube est indiqué comme élec- trode postérieure L'avantage d'accélérer -le fluide de refroidissement dans un parcours entourant une partie de l'électrode postérieure qui reçoit le plus de chaleur est aussi mentionné Toutefois, on ne-décrit pasles caractéristiques électriques de ce parcours relativement à d'autres parcours de refroidissement. Sous un autre aspect de la technique antérieure, il est connu que l'arc a moins de tendance à s'attacher à une surface froide qu'à une surface chaude Ainsi, on peut conclure de toute la technique antérieure mentionnée ci-dessus que la façon dont on refroidit le générateur de plasma et l'efficacité avec laquelle on le refroidit ont une importance critique et extrême En outre, on peut conclure des références ci-dessus que toute économie sur la quantité d'eau consommée dans le refroidissement a son importance Les références citées indiquent aussi pourquoi la liaison à la masse est importante, à la fois pour surmonter l'inconvénient de l'arc double et du "gra- phite" décrit dans le brevet US 3 818 174 ainsi que pour la sécurité de l'opérateur et pour un fonctionnement appro- prié du générateur de plasma. Une autre conclusion que l'on peut tirer est que tout système de refroidissement qui amène le fluide de refroidissement en contact effectif avec une électrode peut établir un parcours électrique retournant, par ce fluide, typiquement l'eau, à la source qui est typiquement un tuyau métallique servant de conduite d'eau ou un tuyau métallique servant à l'évacuation des déchets En outre, on peut voir aussi que tout système de refroidissement qui amène le fluide de refroidissement en contact à la fois avec l'électrode postérieure et le collimateur tend aussi à établir un court-circuit et à endommager vimtuel- lement un parcours électrique entre ces deux composants métalliques du générateur de plasma Aussi, la solution typique pour refroidir l'électrode postérieure, le col- limateur et l'enveloppe est d'établir un circuit de re- 1. froidissement pour l'électrode et un ou plusieurs cir- cuits de refroidissement séparés pour le collimateur et -l'enveloppe Autant que l'on sache, il n'est pas encore connu de pirévoir un système de refroidissement dans lequel le même fluide de refroidissement serve à refroidir l'élec- trode postérieure, le collimateur et une enveloppe succes- sivement, l'isolation électrique à travers l'eau étant réalisée au moyen de longueurs réglées de parcours d'eau logées par une matière non conductrice de l'électricité, par exemple un tuyau non conducteur, entre les circuits de refroidissement séparés et entre ces circuits et la conduite principale d'eau entrante La réalisation d'un système de refroidissement perfectionné dans lequel l'é- lectrode postérieure, le collimateur, une enveloppe intérieure et une enveloppe extérieure sont tous refroidis successivement par le même fluide est l'un des buts de l'in- vention. les références antérieures citées conduisent aussi à cette conclusion que, même si certains généra- teurs d' arc de plasma sont indiqués comme adaptables aux modes de fonctionnement transféré a Ussi bien que non trans- féré, ces générateurs sont habituellement conçu pour l'un ou l'autre mode et fonctionnent le mieux dans celui-éi. Ainsi, il serait avantageux de prévoir un générateur à arc de plasma dans lequel un collimateur principalement conçu pour un mode de fonctionnement transféré puisse être facilement remplacé par un élément d'électrode antérieure conçu pour être utile soit comme électrode soit comme col- limateur pour un mode de fonctionnement non transféré sou- tenu ou un fonctionnement à arc transféré soutenu rela- tivement long, bien qu'il ne puisse pas nécessairement fonctionner de façon optimale dans les deux modes, La fusion de matières non conductrices de l'électricité, (par exemple de réfractaires: phosphates, silicates, aluminates, etc) placées-dans un four muni d'une sole conductrice reliée à la masse, par exemple en graphite ou en fonte, représente une application d'un tel générateur 2539942 ' dans lequel on pourrait amorcer la fusion dans un mode non transféré et alors la poursuivre dans un mode trans- féré en reliant l'arc au réfractaire fondu conducteur de l'électricité qui est en contact avec la sole du four. Sous un aspect apparenté, il est connu de don- ner à l'électrode postérieure ce que l'on pourrait appeler de façon réaliste une forme de cuvette profonde Toutefois, l'électrode antérieure typique pour un générateur d'arc non transféré présente un alésage tubulaire de diamètre uniforme et la zone frontale de cet alésage s'érode rapi- dement Aussi, un autre but de l'invention est de fournir un générateur de plasma perfectionné, c'est-à-dire un générateur "hybride" qui se prote au fonctionnement dans l'un ou l'autre mode sur une base soutenue et dans lequel l'électrode antérieure soit conçue de manière à mattriser l'usure par érosion dans la région frontale. Une autre conclusion à tirer de la technique antérieure citée est l'avantage de distribuer l'usure par érosion de l'électrode postérieure sur une large surface au sein de celle-ci, au lieu de permettre à l'arc de s'at- tacher à un seul point et d'user celui-ci, ou d'user le long d'un seul parcours cireulaire fermé au sein de l'é- lectrode postérieure Il est connu que la pression du gaz influe sur l'endroit oà l'arc tend à s'attacher et il est connu de régler manuellement une valve pour faire varier le point d'attache axial Les références antérieures citées reconnaissent l'intérêt inhérent de l'utilisation d'une source de courant alternatif au lieu d'une source de courant continu comme moyen de réaliser l'érosion sur une surface relativement large et reconnaissent aussi, à cet effet, l'utilisation d'un champ magnétique pour faire tourner l'arc Toutefois, l'utilisation d'une source de courant continu pour le générateur de plasma a aussi des avantages connus et il serait désirable de réaliser un générateur de plasfmia que l'on puisse faire fonctionner en utilisant soit une source de courant alternatif, soit une source de courant alternatif redressé, mais qui, 2539942 1 lorsqu'on le fait fonctionner sur courant continu, com- porterait des moyens permettant de distribuer l'usure par érosion en fonction du réglage de la pression de gaz au lieu d'utiliser des moyens électriques à cet ef- fet La réalisation d'une structure perfectionnée de générateur de plasma et d'un procédé centré sur le fonc- tionnement du générateur perfectionné de l'invention avec réglage programmé de pression de gaz pour distri- buer de façon optimale l'érosion des électrodes est un autre but de l'invention. Dans un autre aspect de la technique antérieure concernant le type de générateur tubulaire de plasma incorporé à l'invention, l'enveloppe refroidie montée autour de l'électrode postérieure et du collimateur n'est pas elle-même montée, autant que l'on sache, dans une autre enveloppe extérieure refroidie par fluide, reliée électriquement à la masse et isolée électriquement de l'enveloppe intérieure sur laquelle est montée le colli- mateur Ainsi, lorsque le collimateur est relié mécani- quement à une seule enveloppe métallique et supporté paz celle-ci, le collimateur ne peut pas flotter électri- quement relativement à une telle enveloppe Le dessin du brevet US 3 194 941 ainsi que la figure 1 du brevet US 3 675 375 illustrent cette configuration La figure 5 du brevet US 3 818 174 montre encore une autre configu- ration dans laquelle le collimateur est supporté par une enveloppe refroidie par fluide qui est isolée électrique- ment du collimateur à l'avant et, à l'arrière, d'une autre enveloppe refroidie par fluide et reliée électri- quement à la masse Ainsi, dans cette dernière configu- ration mentionnée, le collimateur aussi bien que l'enve- loppe antérieure flottent électriquement La réalisation d'une enveloppe extérieure refroidie par fluide reliée électriquement à la masse et en même temps isolée électri- quement d'une enveloppe intérieure refroidie par fluide qui est reliée mécaniquement et électriquement au col- limateur de sorte que l'enveloppe intérieure peut flotter 2539942) électriquement avec le collimateur mais peut servir dans le circuit de démarrage devient un autre but de l'inven- tion. Sous un autre aspect à noter de l'invention, on sait que le collimateur est exposé à des conditions de chaleur extrême Donc, tout isolant électrique qui touche le collimateur est aussi soumis nécessairement à ne chaleur extrême et il est sujet à la fois à des va- riations dimensionnelles et dans une certaine mesure, à un effet de fluage au bout d'un temps de rodage Un tel isolant peut aussi être en contact avec un parcours de refroidissement par fluide et par suite, l'introduction de fuites de fluide est à prévoir quant les surfaces com- plémentaires d'isolant et autres, telles que les sur- faces chauffées du collimateur, ne sont pas en contact étroit Un autre but de l'invention est donc de fournir des moyens permettant de remettre mécaniquement en posi- tion certaines surfaces d'isolant associées à des parcours d'eau, pour surmonter cet inconvénient et aussi pour main- tenir la largeur d'espacement. Un but plus général de l'invention est de four- nir une disposition d'ensemble perfectionnée-d'isolation de système de refroidissement, une configuration électri- que, une disposition d'enveloppe intérieure-extérieure refroidie par fluide de manière à améliorer les modes de fonctionnement aussi bien transféré que non transféré, mais particulièrement le type transféré Dans le cadre de ce perfectionnement d'ensemble, le but est aussi de prolonger notablement la longévité de l'électrode pos- térieure aussi bien que du collimateur de façon que, dans la mesure o c'est praticable, l'électrode postérieure aussi bien que le collimateur aient une longévité pra- tiquement égale, suffisante pour justifier le remplace- ment de tous les deux en même temps lorsque c'est néces- saire, au lieu de devoir les remplacer à différents mo- ments pendant des opérations d'entretien. L'invention fournit un générateur de plasma 2539942 1 constitué par un ensemble extérieur et un ensemble inté- rieur L'ensemble intérieur lui-même est un générateur de plas ma pratiquement complet et 1 'Lensemble extérieur com- porte un ensemble de montage refroidi par fluide qui est isolé électriquement de l'ensemble intérieur Un système de refroidissement par fluide, conçu de façon originale hydrauliquement et électriquement, permet au même fluide de refroidir l'électrode postérieure, le collimateur, l'enveloppe intérieure et une enveloppe extérieure Dans une variante, on réalise la conversion d'un générateur du type à mode transféré en un générateur de type à mode hybride conçu pour fonctionner soit dans un mode transféré soit dans un mode non transféré A cet effet, une électrode antérieure refroidie par fluide pouvant fonctionner aussi bien dans le mode transféré que dans le mode non transféré est rendue interchangeable, le col- limateur étant conçu principalement pour le mode trans- féré Des dimensions originales en longueur et en diamètre intérieur et une forme originale à cuvette frontale sont réalisées dans l'électrode convenant aux deux modes de fonctionnement et avec une érosion réduite de la région frontale de l'électrode antérieure lorsqu'on la fait fonctionner, particulièrement, dans le mode non transféré. Dans une autre variante, la pression de gaz est réglée par programme de façon que l'attachement de l'-arc, dans le générateur de plasma perfectionné de l'invention, s'étale sur une région relativement large au sein de l'é- lectrode postérieure et ainsi, conjointement avec le sys- tème de refroidissement perfectionné, diminue notablement l'érosion de l'électrode postérieure lorsqu'on la fait fonctionner sur une source de courant continu dd manière à-prolonger et aussi à rendre plus approximativement égale la longévité prévue du collimateur et de l'électro- de postérieure entre remplacements le générateur de plas- ma perfectionné de l'invention utilise aussi une pièce principale d'isolation qui s'appuie contre le collimateur et qui, outre qu'elle sert d'isolateur électrique, sert 2539942 l à la fois de dispositif de conduit à fluide et à gaz. Des moyens sont prévus pour régler mécaniquement cette pièce d'isolation de manière à tenir compte de l'usure, du fluage, etc, et à éviter ainsi qune fuite entre les surfaces de contact du collimateur et de cette pièce d'i- solation et à maintenir la largeur d'espacement. On tire parti de l'enseignement des brevets US 3 673 575 et 3 818 174 déjà cité, conjointement avec la structure perfectionnée portant sur la relation entre le diamètre intérieur du collimateur d'une part, et la longueur du collimateur et son espacement vis-à-vis de l'électrode postérieure d'autre part; établissant la cham- bre de tourbillon En outre, on introduit dans le système de refroidissement d'autres caractéristiques électriques et hydrauliques pour éviter que des circuits électriques ou des conditions d'écoulement indésirables ne s'établis- sent, bien qu'il existe, dans le système de refroidisse- ment de l'invention, un parcours continu de fluide en contact électrique avec l'électrode postérieure, le col- limateur, l'enveloppe intérieure et l'enveloppe extérieure. La figure 1 est une coupe décalée partiellement schématique d'un générateur de plasma construit selon l'invention; - de plasma intérieur la figure La figure 2 une coupe partielle du générateur de la figure 1; La figure 3 une vue éclatée du sous-ensemble destiné au générateur de plasma représenté sur t; La figure 4 une perspective du sous-ensemble de porte-électrode faisant partie du sous-ensemble in- térieur; La figure 5 une coupe partielle illustrant le mécanisme de réglage de l'isolateur de collimateur; La figure 6 une vue éclatée du sous-ensemble extérieur du générateur de plasma de la figure 1; La figure 7 une perspective d'un sous-ensemble de transfert de chaleur faisant partie du sous-ensemble extérieur et associé au refroidissement de l'enveloppe la plus extérieure; La figure 8 une perspective du sousensemble de transfert de chaleur représenté sur la figure 7, as- semblé à d'autres composants; La figure 9 une vue frontale du collimateur La figure 10 une coupe suivant la ligne 10-10 de la figure 9; La figure 11 une vue par l'arrière ducllimateur, La figure 12 une vue par l'avant du collier support de collimateur et du guide d'eau du collimateur,; La figure 13 une coupe suivant la ligne 13- 13 de la figure 12; La figure 14 une vue par l'arrière du collier support de collimateur et du guide d'eau du collimateur La figure 15 une coupe montrant ltensemble du collimateur de la figure 10 et du collier support et du guide d'eau du collimateur représentés par la figure 13 La figure 16 est une vue par l'arrière du géné- 21 rateur de tourbillon; - La figure 17 une élévation latérale du géné- rateur de tourbillon; La figure 18 une vue par l'avant du générateur de tourbillon; La figure 19 une coupe suivant la ligne 19-19 de la figure 17; La figure 20 une de la figure 17; La figure 21 une lateur à cuvette antérieure La figure 22 une vette antérieure suivant la La figure 23 une teur à cuvette antérieure; La figure 24 une trode postérieure; La figure 25 une coupe suivant la ligne 20-20 vue par l'arrière de l'iso- coupe de l'isolateur à cu- ligne 22-22 de la figure 23; vue par l'avant de l'isola- élévation latérale de l'élec- vue axiale par l'arrière de 2539942 l l'électrode postérieure La figure 26 une vue axiale par l'avant de l'é- lectrode postérieure; La figure 27 une coupe suivant la ligne 27-27 de la figure 26; La figure 28 un détail agrandi de la structure du bord antérieur de l'électrode postérieure; La figure 29 une vue par l'arrière du guide d'eau; La figure 30 une coupe suivant la ligne 30-30 de la figure 29; La figure 31 une vue par l'avant du guide d'eau; La figure 32 une coupe agrandie du détail in- diqué sur la figure 30; La figure 33 un détail combinant les détails des figures 28 et 32 La figure 34 une vue par l'arrière du collec- teur à gaz; La figure 35 une coupe suivant la ligne 35-35 de la figure 34; La figure 36 une vue par l'arrière du porte- électrode postérieur; La figure 37 une coupe suivant la ligne 37-37 de la figure 36; La figure 38 une vue par l'avant du porte- électrode postérieur; - La figure 40 une coupe suivant la ligne 40-40 de la figure 39; La figure 41 une vue par l'avant de l'isola- teur de collimateur; La fîgure 41 une vue par l'arrière du manchon d'isolateur postérieur; La figure 42 une vue axiale par l'arrière du manchon d'isolateur postérieur; La figure 43 une vue axiale par l'avant du manchon d'isolateur postérieur; La figure 44 une coupe suivant la ligne 44-44 5359942 t de la figure 43; La figure 45 une vue axiale par l'arrière de l'anneau antérieur; La figure 46 une vue axiale par l'avant de l'anneau antérieur; La figure 47 une coupe suivant la ligne 47-47 de la figure 46; La figure 48 une élévation latérale de l'en- veloppe la plus intérieure; La figure 49 une vue axiale par l'avant de l'isolateur antérieur; la figure 50 une coupe suivant la ligne 50-50 de la figure 49; La figure 51 une vue axiale par l'avant de l'i- solateur postérieur; La figure 52 une coupe suivant la ligne 52-52 de la figure 51; - la figure 53 une vue axiale par l'arrière de l'anneau à épaulement de l'enveloppe extérieure; La figure 54 une coupe suivant la ligne 54-54 de la figure 53; la figure 55 une vue axiale par l'arrière du collecteur postérieur à eau de sortie; La figure 56 une coupe suivant la ligne 56-56 de la figure 55; La figure 57 une vue axiale par l'arrière du collecteur postérieur à eau d'entrée; La figure 58 une coupe suivant la ligne 58-58 de la figure 57; La figure 59 une vue axiale par l'arrière du collecteur d'eau; La figure 60 une vue axiale par l'avant du collecteur d'eau; La figure 61 une coupe suivant la ligne 61-61 de la figure 60; La figure 62 une vue axiale par l'avant de l'i- solateur de câble d'alimentation; ma figure 63 une coupe suivant la ligne 63-63 de la figure 62; 2539942 ' La figure 64 une vue axiale par l'arrière de la plaque de recouvrement postérieure; La figure 65 une coupe suivant la ligne 65-65 de la figure 64; La figure 66 un schéma d'un système de refroi- dissement de la technique antérieure; La figure 67 un schéma du système de refroi- dissement perfectionné de l'invention; La figure 68 un schéma de diverses caracté- ristiques électriques et hydrauliques du système de re- froidissement de l'invention; La figure 69 est un schéma illustrant un sys- tème et un procédé perfectionnés associés au générateur de plasma de l'invention pour la distribution de l'atta- chement d'arc; La figure 70 un schéma d'un circuit d'amor- çage utilisé avec l'invention; - La figure 71 une vue axiale par l'avant d'une variante de collimateur et d'électrode pouvant fonction- ner soit comme électrode antérieure soit comme collima- teur et interchangeable avec l'ensemble de collimateur représenté par la figure 15; La figure 72 est une coupe du collimateur/ électrode suivant la ligne 72-72 de la figure 71; La figure 73 une vue axiale par l'arrière du collimateur/électrode représenté par la figure 72; La figure 74 est une vue axiale par l'avant du collier support de collimateur/électrode associé à la variante d'ensemble collimateur/électrode de la figure 77 La figure 75 une coupe suivant la ligne 75-75 de la figure 74 La figure 76 une vue axiale par l'arrière du collier support de collimateur/électrode; La figure 77 une coupe représentant l'ensemble du collimateur/électrode de la figure 72 et du collier support de collimateur/électrode de la figure 75. 2539942 ' Un générateur de plasma 50 conçu selon le pre- mier mode d'exécution de l'invention, tel qu'il est re- présenté sur les figures 1 à 30, comporte trois systèmes fondamentaux, à savoir un système à gaz, un système élec- trique et un système de refroidissement et une structure physique est prévue pour chaque système le générateur de plasma 50 peut en outre être divisé en un sous-ensemble intérieur 55 représenté en vue éclatée par la figure 3 et un sous-ensemble extérieur 60 représenté en vue éclatée par la figure 6 et qui reçoit le sous-ensemble intérieur 55 pour compléter le générateur de plasma 50. On décrira ci-après les composants qui constituent le sous-ensemble intérieur 55, puis ceux qui constituent le sous-ensemble extérieur 60 et ensuite, on parlera du fonctionnement amélioré, particulièrement à propos des figures 66 à 70 Ensuite on se référera aux figures 73 à 77 et à une variante comportant un type "hybride" de générateur de plasma conçu pour fonctionner dans un mode transféré ou non transféré avec certaines limitations qui seront indiquées. Comme le montrent encore les figures 1 à 70, l'ensemble de collimateur 70 (figures 3 et 15) est formé d'un collimateur 71 (figures 9 à 11) réuni à un collier support de collimateur 72 (figures 12 à 14) au moyen de goupilles 73 (figure 15), les dimensions X et D (figure 10) étant choisies selon les indications du brevet US 3 673 375 déjà cité Le collier support de collimateur 72, qui sert aussi de guide d'eau de collimateur, présente une bride 76 munie d'un filetage 77 permettant à l'ensemble de col- limateur 70 de se visser dans le filetage 78 de l'élé- ment antérieur d'anneau 79 (figures 1, 3, 5 et 45 à 47) faisant partie d'un ensemble d'enveloppe intérieure refroidi par fluide comme décrit plus en détail ci-après. Une partie du système de refroidissement ori- ginal et du procédé de refroidissement associé à l'invention est établie au sein de l'ensemble de collimateur 70 A cet égard, on comprendra que la surface intérieure in- *Y 9942 ' quée sur la figure 10 est exposée à une chaleur extrême et doit être refroidie, aussi bien pour inhiber l'érosion de la surface 80 que pour inhiber la tendance de l'arc à s'attacher à une surface chaude Le collier support de collimateur 72 est donc aussi conçu pour jouer le rôle de guide d'eau du collimateur Plusieurs trous-81 (figures 1 et 13) prévus dans lecollier support de collimateur 72 s'adaptent à d'autres trous de passage de fluide 84 de l'anneau antérieur (figures 3 et 47) et permettent au fluide de refroidissement, indiqué par des flèches sur les figures 13 et 15, d'entrer et alors d'accélérer à une vitesse notablement élevée à l'intérieur du passage annulaire étroit 82 (figure 15) après quoi l'eau chauffée est déchargée à travers la chambre annulaire 83 comme le montre encore la figure 15 Un aspect important du fonctionnement du géné- rateur de plasma est d'emp&cher le fluide de refroidis- sement, typiquement l'eau, de fuir en particulier dans le générateur de plasma ou dans d'autres régions o des courts- circuits électriques risqueraient de s'établir Ainsi, on utilise des joints toriques pour empocher ces fuites, les sièges d'anneau torique 85, 86 indiqués sur les figures et 13 représentant deux de-ces emplacements de joint torique. Toujours au sujet du sous-ensemble intérieur 55, diverses vues du générateur de tourbillon 90 sont repré- sentées par les figures 16 à 20 Le générateur de tour- billon 9 o est monté à l'intérieur de Ilisolateur de col- limateur 120 décrit plus loin (figures 1, 3, 5 et 39 a 41) et comprend deux bordures doubles 91, 92 adaptées de fa- çon étanche au moyen de joints toriques dans des sièges 93, 94 Les bordures 91, 92 sont logées à l'intérieur de l'isolateur de collimateur 120 de manière à adapter les passages de gaz 121 (figures l et 39, 40), au collecteur annulaire formé par l'isolateur du collimateur 120 entre les bordures 91, 92 Quatre de ces passages de gaz 121 sont représentés sur la figure 39 Le gaz est introduit 2539942 ' 1 ú dans l'espacement 95 (figure 1) entre l'ensemble de col- limateur 70 et l'électrode postérieure 100, la largeur w de l'espacement 95 étant choisie conformément aux indi- cations du brevet US 3 673 375 Pour renforcer l'effet de tourbillon, un jeu d'ouvertures de décharge 96 faisant un angle sont formées dans un plan appelé X sur la figure 19, tandis qu'un autre jeu d'ouvertures faisant un angle 97 sont formées dans un plan espacé axialement appelé Y sur la figure 19 Les ouvertures de décharge de gaz dans les plans X et X sont également espacées autour du géné- rateur de tourbillon 90. Une cuvette antérieure d'isolateur 110 (fi- gures 5 et 21 à 33) est montée contre la surface posté- rieure 98 (figure 3) du générateur de tourbillon 90 de manière à entourer l'avant de l'électrode postérieure (figures 1, 3 et 24 à 28) L'électrode postérieure est sous la forme d'une seule pièce de cuivre à pa- roi relativement épaisse, en forme de cuvette profonde. La cuvette antérieure 110 est montée à son tour à l'inté- rieur de l'isolateur de collimateur 120 mentionné plus haut (figures 3 et 39 à 41), l'étanchéité étant assurée par un anneau torique dans le siège 111 Oomme on l'in- diquera plus loin, la cuvette dlisolateur antérieur 110 comporte plusieurs trous 115 à travers lesquels le fluide de refroidissement est admis après avoir été chauffé par l'électrode postérieure 100 et est déchargé, comme indi- qué par les flèches sur la figure-22 et comme décrit ci- après plus en détail à propos de la description du par- cours d'écoulement continu associé au système de refroi- -dissement original de l'invention et comme schématisé par la ligne de marques de flèche appelée "parcours d'eau" sur la figure 1. L'isolateur de-collimateur 120 mentionné plus haut joue plusieurs rôles L'un des rôles consiste à éta- blir l'isolation entre l'électrode postérieure 100 et un ensemble d'enveloppeintérieure refroidie par fluide com- portant une coquille intérieure formée d'un élément an- 2539942 ' nulaire 79 aligné à l'enveloppe 87 (figures 1, 5 et 48) et soudée à celleci par la soudure 88 et à une coquille extérieure formée par l'enveloppe extérieure 89 L'eau s'écoule, comme décrit plus loin, de l'ensemble de col- limateur 70, à travers des fentes fraisées 99 que l'on voit le mieux sur la figure 3, dans l'anneau antérieur 79 et jusqu'à un collecteur d'eau 75 (figures 1 è t 59 à 61). Une autre fonction du collimateur 120 est de former des passages 121 pour l'admission du gaz au générateur de tourbillon 90 mentionné plus haut Une autre fonction est de constituer une partie du parcours d'eau utilisant les trous 124 et les passages 125, comme on le voit le mieux sur la figure 40 Comme on le-,voit sur la figure 1 et quelque peu schématiquement sur la figure 5, on notera que la surface antérieure 126 (figures 3 et 40) de l'i- solateur de collimateur 120 s'appuie contre la surface de bride 76 ' (figure 13) du collier support de collima- teur 72 Etant donné que l'isolateur de collimateur'120 est soumis par nature à une chaleur extrême, il existe une tendance inhérente à la formation de fuites entre la surface de contact mentionnée 76 ' du collier support de collimateur 72 et la surface 126 de l'isolateur de col- limateur 120 Aussi, des mesures sont prises pour régler la pression appliquée par l'isolateur de collimateur 120 contre la bride 76 du collier support de collimateur 72, au moyen du mécanisme de réglage 130 (figures 1 et 5) Le mécanisme de réglage 130 comprend un élément support fixe 131 monté dans la fente 138 (figure 4 W) de l'enveloppe intérieure 87 et soudée à cel 12 e-Oc, un bloc fileté 132 et un élément de vis 133 Ainsi, en réglant la vis 133, on peut-pousser le bloc 132 contre la surface postérieure 129 (figure 5) de l'isolateur de collimateur de manière à amener les surfaces respectives 126 (figure 3) et 76 ' (figure 15) en contact plus forcé pour éviter le problème de fuites mentionné et pour régler la largeur de l'espacement Une étanchéité supplémentaire est assurée par un anneau torique dans le siège 128 2539942 ' (figure 40). L'électrode postérieure 100 est vissée et supportée dans un filetage 139 du porte-électrode métal- lique 140 représenté par les figures 1, 3 et 56 à 38 Le porte-électrode 140, outre qu'il sert à retenir l'élec- trode postérieure 100, constitue aussi un moyen de li- aison entre un certain nombre de càbles d'alimentation 141, au moyen des attaches 142 indiquées sur la figure 1, pour fournir à l'électrode postérieure de l'énergie élec- 1 o trique venant d'une source extérieure Le porte-électrode joue aussi un autre rôle qui est celui de conduit à fluide Le fluide de refroidissement entrant, typique- ment de l'eau sous pression, est amené, par un tuyau souple non conducteur de l'électricité 145, à travers une entrée filetée 146 du porte-électrode 140 et est alors déchargé avec tourbillonnement à travers plusieurs trous 147 faisant un angle (figures 37 et 38), dans une cavité annulaire 150 entourant la partie antérieure du porte-élec- trode 140 et espacée radialement à l'extérieur de la douille filetée 139 dans laquelle est vissée l'électrode postérieure 100 Le porte-électrode 140 est ainsi refroidi lui-même par l'agent de refroidissement avant que celui-ci ne serve à refroidir l'électrode postérieure 100. L'eau sous pression, typiquement à une pression relative de 1,4 à 2,1 M Pa, est amenée entre l'électrode postérieure 100 et un guide d Veau métallique 170 (figures 1 et 29 à 35) qui est fiié au porte-électrode 140 au moyen des boulons 155 passant à travers des trous 156 que l'on voit sur les figures 1 et 30 Le guide d'eau 170 est sous la forme d'un tube en métal réfractaire à la corrosion, fabriqué avec une haute précision, de manière à offrir un parcours d'écoulement fortement restreint. de sorte que le fluide de refroidissement s'écoule à une grande vitesse entre la surface extérieure de l'électrode postérieure 100 et la surface intérieure du guide d'eau , ce parcours restreint étant indiqué par la référence sur la figure 1 La partie marginale antérieure du guide d'eau 170 a une forme spéciale comme l'illustre le détail agrandi (figure 28) de manière à former des pattes espacées périphériquement 152, auprès d'un évidement an- nulaire dont le rÈle est expliqué plus loin En général, on peut dire que le fluide de refroidissement subit une accélération pratiquement sur toute la longueur de l'élec- trode postérieure de manière à atteindre une vitesse re- lativement grande dans le passage resserré 175 la pres- sion élevée du fluide de refroidissement agit de manière à empocher une ébullition du fluide par nucléation Cette disposition assure aussi un transfert maximal de chaleur au fluide de refroidissement de manière à maintenir la surface intérieure 101 (figure 1) de l'électrode posté- rieure 100 aussi froide que possible Toutefois, il faut comprendre que le fluide de refroidissement, en passant par le passage resserré 135, est en contact effectif avec l'électrode postérieure 100 et tend donc à prendre la même tension que l'électrode postérieure 100 Une étanché- it é supplémentaire est assurée par des anneaux toriques dans le siège 158 (figure 2 _) et le siège 159 (figure 3 o) La façon dont on tient compte des caractéristiques hydrauliques du parcours d'écoulement et de cet état électrique dans l'ensemble du système de refroidissement de manière à éviter des tensions et des courants indési- rables dans le système de refroidissement est décrite plus loin. Un manchon d'isolateur 105 (figure 1,3 et 42, 43) présente des trous de boulon 106 et est fixé par des boulons 155 au porte-électrode 140 (figure 1) Le manchon d'isolateur 105 agit comme un prolongement de l'isolant du collecteur postérieur d'eau de sortie 185. Comme le montre la description, le sous- ensemble intérieur 55, lorsqu'il est relié à des sources appropriées d'énergie, de gaz et dl-agent de refroidisse- ment est pratiquement un générateur de plasma complet comportant une électrode postérieure refroidie par fluide et un collimateur refroidi par fluide contenus dans une enveloppe refroidie par fluide, l'électrode postérieure, le collimateur et l'enveloppe étant refroidis par le même fluide de refroidissement, à un taux élevé de transfert de chaleur et sans qu'il s'établisse de courts-circuits électriques nuisibles ni de conditions hydrauliques indé- sirables dans le parcours d'écoulement d'agent de refroi- dissement La description ci-après explique comment le sous ensemble extérieur 60 est constitué pour former une enveloppe supplémentaire refroidie par fluide concen- trique à la partie postérieure de la première enveloppe refroidie par fluide, isolée de celle-ci et l'entourant, de manière à permettre à la partie antérieure du sous- ensemble intérieur 55 et à son enveloppe refroidie par fluide de faire saillie vers l'extérieur relativement au sous-ensemble extérieur et à son enveloppe séparée re- froidie par fluide Ainsi, deux enveloppes métalliques concentriquesrefroidies par fluide, isolées l'une de l'autre comme le représente le mieux la figure 2, en- tourent pratiquement toute la longueur de la région d'at- tachement d'arc, appelée AT sur la figure 1, une région minimale, d'enveloppe étant exposée à la zone la plus chaude du four La longueur axiale de la zone AT est liée au diamètre intérieur de l'électrode postérieure et généralement, sa distance à l'extrémité postérieure comme à l'extrémité antérieure de l'électrode doit - être au moins égale à environ 2 diamètres. Le sous-ensemble extérieur 60, représenté en vue éclatée sur la figure 6, comprend un isolateur anté- rieur 170, représenté en détail sur les figures 49 et 50, qui est formé d'une matière isolante pour hautes tempé- ratures et qui est partiellement monté à l'intérieur d'une bague métallique de blocage 171 et fixé à celle-ci L'i- solateur antérieur 170 est aussi fixé à un isolateur pos- térieur 175, représenté en détail sur les figures 51 et 52, au moyen de boulons 176 que l'on voit sur la figure 1. autres boulons 172 (figure 1) passent à travers des trous 173 (figure 521 pour assurer une fixation supplémentaire. L'isolateur postérieur 175 bute à son tour sur l'anneau à épaulement 178, métallique et relié électriquement à la masse, indiqué en détail sur les figures 53 et 54. L'anneau à épaulement 178 est soudé comme indiqué en 179, 180 sur la figure 1 aux extrémités antérieures d'un élé- ment intérieur métallique d'enveloppe 181 et d'un élé- ment extérieur métallique d'enveloppe 182 Entre les élé- ments intérieur et extérieur d'enveloppe 181, 182 est installée la structure de tubes de collecteur 183 de re- froidissement d'enveloppe extérieure, représentée en tant que sousensemble par la figure 7 et représentée, sur la figure 8, assemblée à d'autres composants. La structure de tubes de collecteur 183 est formée du collecteur métallique postérieur d'eau de sor- tie 185 représenté sur les figures 55 et 56, de plusieurs tubes métalliques 186 et d'un anneau de retenue de tubes 189 les tubes 186 passent à travers les brides 187, 188 du collecteur 185 et à travers l'anneau de retenue 189, comme on le voit par la figure 7, pour établir une struc- ture appropriée pour le parcours d'écoulement d'eau décrit plus loin L'écoulement du fluide de refroidissement dans les tubes 186 se fait dans le sens de la flèche de la fi- gure 6 et l'eau ou autre fluide de refroidissement entre dans les tubes métalliques 186 en venant du collecteur métallique postérieur d'eau d'entrée 190, représenté en détail sur les figures 57 et 58, et reflue ensuite par les trous 198 (figure 7) de l'anneau de retenue 189, au- tour de l'enveloppe métallique 181 et à l'intérieur de l'enveloppe 102, puis à travers les trous 199 du collec- teur postérieur d'eau de sortie 185. L'eau de-refroidissement est reçue par le col- lecteur postérieur d'eau d'entrée 190, par les raccorde- ments de tuyau 191 et 192 (figure 1) à chaque extrémité des tuyaux en boucle non conducteurs de l'électricité 193 (figure 1) L'eau passe par les trous 194 (figure 58) du collecteur 190 Les tuyaux 193 ont une longueur prédéterminée et sont bouclés de manière à établir une résistance électrique prédéterminée dans le parcours d'eau isolé confiné dans ces tuyaux et s'étendant entre le collecteur métallique d'eau 75, que l'on voit sur la figure 1 et plus en détail sur les figures 59 à 61 et le collecteur métallique postérieur d'eau entrante 190. me parcours d'eau mène au collecteur d'eau 75, depuis l'ensemble d'enveloppe intérieure décrit précédemment, par. des passages 64 (figure 1) formés par les gorges 65 pra- tiquées dans le collecteur 75 comme indiqué sur la figure 1 On peut noter ici que le collecteur métallique 75 est relié mécaniquement et donc électriquement à l'ensemble de collimateur 70 Le ceble d'amorçage 130, indiqué sur les figures 1, 2,'68 et 70 est donc relié en pratique au collecteur métallique 75 qui établit une connexion de circuit d'amorçage avec l'ensemble de collimateur 70 quand c'est nécessaire L'eau recueillie dans le collec- teur postérieur d'eau sortante 185 est déchargée par un seul tuyau de sortie 195 monté dans l'enveloppe la plus extérieure 182 qui est reliée électriquement à la masse au moyen de l'oreille de masse 196 L'eau-ou autre fluide de refroidissement entre ainsi par un seul tuyau d'entrée et se décharge par un seul tuyau de sortie 195, tous deux représentés sur la figure 1 Le tuyau de sortie 195 est de préférence relié par l'intermédiaire d'un tuyau conducteur de l'électricité à la conduite de rejet. Pour compléter la description des composants du sous-ensemble 60 qui soint représentés sur la figure 6 et en ce qui concerne le système de gaz, il est prévu un collecteur d'entrée de gaz 200 représenté en détail sur les figures 34 et 35 Le collecteur d'entrée de gaz 200 est monté de manière à recevoir le gaz sous pression entrant par un tuyau d'entrée de gaz 201, indiqué sur la figure 1 Plusieurs tuyaux de transfert de gaz 202 sont reliés au collecteur 200 par des raccordements 203 montés dans des trous 205 pour transmettre le gaz sous pression en- trant à des raccordements 204, indiqués sur la figure 1. Des raccordements 204, le gaz est amené par les passages 2539942- 121 et 122 de l'isolateur de collimateur 120, indiqués en détail sur les figures 39 à 41 et que l'on voit aussi sur la figure 1 Les passages 122 communiquent avec le générateur de tourbillon 90, indiqué en détail sur les figures 16 à 20 et que l'on voit aussi sur les figures 1 et 3 Le gaz entre dans la chambre de tourbillon for- mée à l'intérieur du générateur de tourbillon 90 et en- tourant l'espacement 95 entre le collimateur 71 et l'é- lectrode postérieure 100. Une isolation électrique supplémentaire autour des câbles d'alimentation 141 et du porte-électrode 140 est assurée au moyen de l'isolateur de câble d'alimenta- tion 160 mentionné plus haut, indiqué sur la figure 1 et plus enclétail sur les figures 62 et 63 La plaque posté- rieure de recouvrement 161, que l'on voit sur la figure 1 et plus en détail sur les figures 64 et 65, est fixée à l'enveloppe la plus extérieure 182 au moyen de boulons 225 L'isolateur 160 est fixé à la plaque de recouvrement 161 au moyen de boulons 157 comme indiqué aussi sur la figure 1 Les câbles d'alimentation 141 et le tuyau d'en- trée d'agent de refroidissement 145 sont logés efficace- ment par l'isolateur 160 et un câble d'amorçage 230 (figures 1 et 70) passe à travers un trou 231 prévu dans la plaque de recouvrement postérieure 161 et est relié au collecteur d'eau 75 comme indiqué plus haut et à l'en- semble de collimateur 70 Une matière isolante appropriée 240, flexible et de grande résistance à la chaleur est insérée autour de l'enveloppe 89 comme on le voit sur la figure 1, Comme on l'a indiqué plus haut, le procédé et l'efficacité de-refroidissement d'un générateur de plas- ma et particulièrement des-composants exposés au flux maximal de chaleur a une importance critique L'érosion de l'électrode postérieure et du collimateur, l'intégrité de l'isolateur, la fiabilité, les attachements indésirables de l'arc, la consommation de fluide et le maintien de- joints à fluide entre les surfaces des composants sont quelques-uns des nombreux aspects pratiques de l'opération de production de plasma qui sont influencés nettement par le système de refroidissement et son efficacité et son mo- de de fonctionnement. La figure 66 représente un procédé et un systè- me antérieurs connus et acceptés pour le refroidissement d'un chalumeau à arc transféré avec utilisation d'un col- limateur et d'une seule enveloppe dans laquelle le fluide de refroidissement typiquement l'eau, est introduit depuis une conduite d'amenée d'eau reliée électriquement à la masse et alors amené à l'électrode postérieure et ensuite ramené à la conduite de rejet ou d'égout Un deuxième par- cours d'eau séparé est établi entre la conduite d'eau, le collimateur et la conduite d'égout Un troisième parcours d'eau, séparé, est établi entre la conduite d'eau, l'en- veloppe et la conduite de rejet Tous les parcours d'eau mentionnés sont relativement longs et ont par conséquent une résistance électrique relativement grande Le système de refroidissement antérieur représenté par la figure 66 a l'avantage d'empêcher l'eau ou un autre agent de refroi- dissement entrant en contact avec l'électrode postérieure d'entrer aussi en contact avec le collimateur avant de retourner à la conduite de rejet et élimine ainsi le risque de court-circuit dans le parcours d'eau lui-même entre l'é- lectrode postérieure et le collimateur ou entre le col- limateur et l'enveloppe ou entre l'enveloppe et la masse quand l'enveloppe et le collimateur sont reliés Toutefois, l'expérience montre que le système à parcours parallèles oblige à accélérer l'agent de refroidissement dans tous les circuits de refroidissement, ce qui crée de grands besoins d'eau-ou autre agent de refroidissement; l'invention reconnaît donc que l'on pourrait réaliser des économies notables d'eau en prévoyant un système comme celui de l'invention dans lequel les parcours d'eau sont conçus, électriquement et hydrauliquement, de manière à permettre à l'eau ou autre fluide de refroidissement de s'écouler dans ce que l'on peut appeler un parcours en série, avec 2539942- une accélération réglée de l'agent de refroidissement, seulement dans des parties prédéterminées du parcours, par exemple dans le système selon l'invention représenté par la figure 67, plutÈt que dans des parcours parallèles comme indiqué dans le système antérieur de la figure 66. On se réfère aux figures 1, 67 et 68; le par- cours effectif de l'eau à travers le générateur de plasma de l'invention est indiqué par une ligne de flèches appelée "parcours d'eau" sur la figure 1, il est repré- sente schématiquement par la figure 67 et encore représen- té par la figure 68, en ce qui concerne les caractéris- tiques électriques du système de l'invention qui permet- tent pratiquement le parcours d'écoulement du type en sé- rie illustré par la figure 67 On se réfère initialement à la figure 67; à supposer que l'agent de refroidisse- ment soit l'eau, le parcours d'écoulement d'eau de l'inven- tion est illustré par le fait que l'eau est retirée ini- tialement de la conduite d'eau, transférée à l'électrode postérieure de l'invention, puis au collimateur de l'in- vention, du collimateur à l'enveloppe intérieure, de l'en- veloppe intérieure à l'enveloppe extérieure et à nouveau, de l'enveloppe extérieure, à la conduite d'eau reliée électriquement à la masse Dans le système d'eau de re- froidissement de la figure 67, qui est un exemple du sys- tème de l'invention, on comprend que la même eau qui sert à refroidir l'électrode postérieure sert aussi à refroi- dir le collimateur, l'enveloppe intérieure et l'enve Lop- pe extérieure avant d'être ramenée g la conduite de rejet reliée électriquement à la masse Ainsi, des économies très notables de consommation de fluide de refroidissement appara tront immédiatement à l'homme de l'art en compa- raison de la consommation de fluide associée à un système parallèle comme celui que représente la figure 66 le parcours effectif de l'eau est indiquée par la ligne de flèches sur la figure 1 Dans ce parcours, en notera que l'eau entre par l'entrée 145, passe à travers le porte- électrode postérieur 140 conduisant le courant et donc le refroidit, est alors accélérée entre le guide d'eau 170 et l'électrode 100, puis guidée à travers la cuvette an- térieure 110, à travers les passages de l'ensemble de collimateur 70, puis à travers l'anneau antérieur 79 et l'enveloppe intérieure formée des éléments d'enveloppe 87 et 89 jusqu'au collecteur 75, puis, par les boucles de tuyaux souples non conducteurs de l'électricité 193, au conducteur postérieur d'eau d'entrée 190, puis, par les tubes 186 et ramenée au collecteur d'eau de sortie 185 pour être déchargée par le tuyau-de sortie 195 et ensuite amenée à la conduite de rejet par un tuyau formé de ma- tière conductrice de l'électricité On peut donc voir par le schéma de la figure 67 et la trace effective du par- cours d'eau tel qu'on vient de le décrire à propos de la figure 1, que l'invention réalise un système de refroidis- sement par eau du type en série et un procédé de refroi- dissement, même si la même eau qui refroidit l'électrode sert aussi à refroidir le collimateur ainsi qu'une en- veloppe intérieure métallique et une enveloppe extérieure métallique On expliquera ensuite comment on y parvient, à propos de la figure 68 qui représente à nouveau sché- matiquement le système d'eau mais en soulignant les carac- téristiques hydrauliques et électriques originales du sys- tème de refroidissement de l'invention. Sut les figures 1 et 68, on a fait figurer les lettres de référence A, BS À, D, E, F, et G pour illus- trer la comparaison entre'le dessin schématique de la figure 68 et la construction réelle représentée par la figure 1 Ainsi, en considérant les figures 1 et 68, on notera que le fluide de refroidissement, que l'on suppose être de l'eau potable sous pression, est amené de la conduite d'eau désignée par A, par un tuyau souple non conducteur 145, à l'emplacement B On notera qu'en passant de B à G sur les figures en question, le fluide de refroidissement, c'est-à-dire l'eau, est refoulé par un parcours ressérré limité par du métal et immédiatement adjacent à la surface extérieure de l'électrode posté- rieure, formée par le guide d'eau 170 Ainsi, entre l'endroit B et l'endroit C, l'eau de refroidissement est effectivement en contact physique direct avec du métal à la tension de l'électrode postérieure 100 Toutefois, en parcourant le parcours isolé qui est à dessein relativement resserré et relativement long et qui passe par la cuvette antérieure 110 et l'isolateur de collima- teur 120, c'est-à-dire entre les points C et D, l'eau est refoulée par un parcours de longueur prédéterminée et de résistanceéLectrique prédéterminée avant d'entrer à nouveau en contact avec le métal du collimateur à l'en- droit D la grandeur et la longueur du parcours d'eau entre les endroits C et D sont donc déterminées de manière à établir une résistance électrique relativement élevée et ainsi à minimiser toute tendance à l'établissement d'un court-circuit entre les endroits C et D En outre, on no- tera que le parcours d'eau entre les endroits C et D est pratiquement isolé électriquement de l'électrode posté- rieure 100, ce qui limite encore toute tendance à un court-circuit indésirable entre les endroits C et D Il est indiqué que de l'endroit D, le fluide de refroidis- sement passe par l'ensemble de collimateur 70 pour arri- ver à l'enveloppe intérieure formée de l'anneau antérieur 79, de l'enveloppe intérieure 87 et de l'enveloppe extérieure 79 Ainsi, entre les endroits D et E, comme représenté dans la structure réelle suir la figure 1 et schématiquement sur la figure 68, on notera que l'eau est maintenue en contact physique avec du métal et étant donné que l'ensemble de collimateur 70 et l'enveloppe inté- rieure formée des éléments mentionnés sont dans un état électriquement flottant, l'eau qui se trouve dans les pas- sages entre les endroits D et E est aussi dominée en fait par un état électriquement flottant, Entre les endroits E et B, l'eau est amenée à passer par une boucle de tuyau non Conducteur de l'électricité, 193, delongueur et de grandeur intérieure prédéterminée, de manière à établir à nouveau une résistance hydraulique et électrique pré- déterminée entre les endroits E et i' au sein du système de refroidissement De l'endroit ô, le fluide est envoyé à travers l'ensemble d'enveloppe extérieure métallique (figure 7), à travers le collecteur métallique d'eau de sortie 185 et au tuyau de sortie d'eau 195 à l'endroit G Entre les endroits J et G, on notera à nouveau que l'eau est essentiellement en contact avec du métal et que, puisque l'enveloppe extérieure est reliée électriquement a la masse par l'oreille de mise à la masse 196 indiquée sur la figure 2, cela signifie aussi que le parcours d'eau entre les endroits F et G est aussi pratiquement relié à la masse De l'endroit G, l'eau chauffée est alors ramenée à la conduite de rejet en passant par le tuyau * souple conducteur de l'électricité, ou encore à un méca- nisme de refroidissement servant à refroidir l'eau avant qu'elle ne soit réutilisée dans le système de refroidisse- ment On peut donc voir que l'on peut réaliser une dimi- nution notable de la consommation d'eau en utilisant un parcours d'eau en série et un parcours dans lequel se trouve une résistance électrique relativement élevée entre les endroits A et B, les endroits C et D et les endroits E et F et une vitesse d'eau relativement grande entre les endroits B et C et entre les endroits D et ID Ces aspects originaux du système et du procédé de refroidissement de l'invention assurent donc dans l'ensemble un fonctionne- ment nettement amélioré du générateur'de plasma. Dans un autre aspect de l'invention, on tient compte du fait que la fusion de la matière de l'électrode postérieure se produit toujours et que si l'on fait tour- ner l'arc et s'il est attaché de façon continue à une seule ligne au sein de l'électrode postérieure, cette ligne fond et dérode excessivement, ce qui conduit à la nécessité d'un remplacement précoce de l'électrode postérieure et à une durée de service relativement courte On a aussi parlé d'utiliser-une source de courant alternatif comme moyen de causer une certaine rotation de l'attachement de l'arc pour distribuer l'usure due à la fusion il est connu que la pression de gaz dans l'espacement 95 doit être maintenue de manière à donner une vitesse de gaz d'au moins 0, 25 iv Iach, mais on sait aussi que,si cette pression minimale est maintenue de façon continue, une variation de pression tend à causer un changement de la position d'attachement del'arc insi, certains opérateurs de générateur de plasma, comme on l'a dit plus haut, ins- tallent une valve manuelle de pression et ces opérateurs règlent périodiquement la valve manuellement pour modifier la position d'attachement de l'arc Ce que reconnaît l'in- vention, comme l'illustre schématiquement la figure 69, c'est que l'on peut encore améliorer le fonctionnement du générateur de plasma 50 de l'invention en utilisant une commande de pression du type programmé entre la source de gaz sous pression et le générateur de tourbillon au lieu d'une valve manuelle Des commandes de pression programmées sont bien connues en elles-mêmes et sont uti- lisées pour diverses applications Ainsi, en utilisant une commande de pression programmée, on peut maintenir la pression de gaz au-dessus du minimum nécessaire pour main- tenir la vitesse du gaz à 0,25 Mach ou au-dessus et on peut la programmer pour causer un mouvement hélicoïdal prédé- terminé de va-et-vient au sein de l'électrode postérieure et ainsi distribuer, l'usure de façon continue au sein de l'électrode postérieure et donc distribuer de façon continue le degré-d'érosion sur toute la surface utilisable à laquelle l'arc est attaché au lieu de con- finer l'érosion à un point déterminé ou à une ligne déter- minée d'attachement Le système programmé de commande de pression représenté par la figure 69 permet ainsi d'obte- nir un attachement distribué de l'arc-dans le générateur de plasma perfectionné 50 de l'invention en utilisant une source de courant continu comme source d'énergie Cela est particulièrement avantageux dans l'invention parce qu'on peut déplacer les points de transfert de chaleur voulu dans la région du courant d'agent de refroidisse- ment à grande vitesse qui entoure l'électrode postérieure et qui est définie par le guide d'eau 170 Ainsi, le générateur de plasma perfectionné 50 de l'invention tire spécialement partie de ce système programmé de pression de gaz pour déplacer l'attachement de l'arc. Le programme qui règle la pression commle décrit ci-dessus doit (a) toujours maintenir une pression sufli- sante pour maintenir une vitesse du générateur de tour- billon d'au moins 0,25 Mach; (b) régler la pression dans une gamme de pression conçtue pour maintenir l'atta- chement de l'arc au sein de la longueur axiale la plus désirable AT; et (c) régler la pression de manière à faire tourner l'arc en un mouvement de va-et-vient plus ou moins hélicoïdal au sein de la longueur axiale AT de manière à éroder notablement la surface intérieure dans cette longueur axiale AT, à une vitesse pratiquement uni- forme sur toutes les parties de celle-ci. La figure 70 montre comment on fait démarrer le générateur de plasma de l'invention et comment on maintient la production de l'arc une fois que l'opéra- tion de démarrage est achevée Sur la figure 70, l'élec- trode postérieure et le collimateur, représentés schéma- tiquement, sont indiqués comme reliés à une source de cou- rant continu 250, en parallèle avec un condensateur d'em- magasinage 252 et en série avec une résistance chutrice 252, l'interrupteur S-2 et le secondaire 255 d'un trans- formateur élévateur 256 et avec un interrupteur S-1 con- çu pour éviter le secondaire 255 Le primaire 258 est re- lié à une source d'impulsions 260 par l'intermédiaire d'un troisième interrupteur S-3 Au démarrage, on commen- ce par appliquer l'énergie principaè,l'interrupteur S-1 étant ouvert et l'interrupteur S-2 fermé, ce qui établit un circuit menant à la source de courant continu 250 par le c Able de démarrage 230 et la résistance chutrice 252, de manière à engendrer une tension à l'espacement électrode-côllimateur 95 par l'intermédiaire du condensa- teur de dérivation 251 Ensuite on ferme l'interrupteur S-3 de manière à établir une énergie de plasma de 10 à J à l'espacement électrodecollimateur pour amorcer l'arc Ensuite, on ferme l'interrupteur 3-1 pour éviter le secondaire 255 Enfin, on ouvre l'interrupteur S-2 pour retirer du circuit le câble de démarrage 230 et la résistance chutrice 252 et le générateur de plasma fonc- tionne alors dans son m Qde normal pour le fonctionnement avec arc transféré. Comme on l'a mentionné aussi, il est parfois désirable de pouvoir amorcer la fusion d'une matière dans un four avec un arc non transféré à cause du caractére non conducteur de la matière Toutefois, une fois que cette matière a fondu dans une zone choisie, l'invention reconnaît qu'il est alors souvent possible d'attacher un arc de plasma transféré, par l'intermédiaire de la matière fondue, à un four à sole relié électriquement à la masse par exemple en graphite, de manière à maintenir le proces- sus de fusion avec une source de chauffage à arc trans- féré Dans le générateur de plasma 50 de l'invention, il est facile de dévisser et de retirer l'ensemble de col- limateur 70 et l'électrode postérieure 100 en utilisant une clé à tubes intérieure Ainsi, ces deux composants princi- paux qui sont le plus sujets à l'érosion thermique et par arc électrique sont faciles à remplacer quand il le-faut. En tirant parti de cet aspect de la construction incorpo- rée au générateur de plasma de l'invention, -l'invention fournit aussi un autre ensemble qui peut être utilisé à la place de l'ensemble de collimateur 70 pour servir de collimateur/électrode combiné permettant le fonctionnement aussi bien avec arc non transféré qu'avec arc transféré pour des applications comportant la fusion de matières non conductrices comme indiqué ci-dessus, Les figures 71 à 77 illustrent cette variante d'ensemble collimateur/élec- trode et la structure de ses composants Ces mêmes figures illustrent aussi une autre particularité directement liée à l'utilisation d'un type d'électrode antérieure pré- sentant une perforation en cuvette à l'extrémité de dé- charge de l'électrode antérieure, avec une perforation de diamètre notablement moindre sur le même axe et sur le reste de la longueur de la structure d'électrode. Les figures 71 à 73 illustrent la variante de collimateur/électrode 300 présentant une perforation in- térieure de diamètre D' et de longueur L' associée à une perforation frontale communicante en forme de cuvette ayant un diamètre Dl' et une longueur L'' le collimateur/ électrode 300 reçoit des anneaux toriques dans des sièges 301, 302 et est muni d'un accouplement fileté 303 entou- rant une fente annulaire 304 Plusieurs trous 305 sont for- més comme indiqué sur la figure 73 et servent à recevoir des vis de fixation 310 comme on le voit sur la figure 77. Le composant collimateur/électrode 300 est en- touré par l'enveloppe d'électrode 320 représentée sur la figure 75 et équipé pour recevoir des anneaux toriques dans des sièges 321, 322 Des passages de refroidissement 325 sont dirigés longitudinalement et munis d'entrées 326 et de sorties 327 Une partie filetée intérieurement 330 est conçue pour recevoir la partie filetée 303 du collimateur/électrode 300 représenté sur la figure 72 pour former l'ensemble collimateur/électrode 340 repré- senté sur la figure 77 En service, la bride 341 est vissée par la partie filetée 342 pour supporter l'ensemble col- limateur/électrode 340 dans l'anneau antérieur 79, de la même façon que la bride filetée 76 munie du filetage 77 et indiquée sur la figure 13 sert à supporter l'ensemble de collimateur 70 de la figure 15 'dans l'anneau antérieur' 79. En service, le mode de fonctionnement transfé- ré ou non transféré de l'ensemble collimateur/électrode 340 est déterminé par le fait qu'une masse électrique soit ou non raisonnablement proche de la surface antérieure 345 de l'ensemble collimateur/électrode 340 Ainsi, si la masse électrique est extrêmement proche, un arc transféré s'établira Toutefais, l'arc reviendra à un mode non transféré si on l'allonge d'une distance no- table La façon exacte dont fonctionne ce générateur de plasma de type hybride dépend principalement du rapport de la dimension L' à la dimension D' indiquées sur lu figure 72 Si L'/D' est inférieur à 4, le générateur de plasma utilisant l'ensemble collimateur/électrode 340 de la figure 77 tend à transférer et donc à fonctionner dans un mode transféré Par contre, si ce rapport LI/D' est supérieur à 4, -l'arc ne peut transférer que si l'on amène la masse électrique extrêmement près de la surface frontale 345 (figure 77) et il revient à un mode non trans- féré si l'on allonge l'arc, par exemple de 5 à 7,5 cm, Ou encore, si ce rapport L'/D' est pratiquement égal à 4, l'arc tend à transférer si la masse électrique est ame- née à une distance maximale d'environ 7,5 cm de la sur- face 345 (figure 77) et dans ce cas on peut allonger l'arc jusqu'à environ 15 cm avant qu'il ne revienne au mode non transféré. Un avantage notable de l'invention réside dans le fait que le mécanisme de réglage d'isolateur 130 (figure 1) peut servir aussi bien avec-l'ensemble de col- limateur 70 (figure 15) qu'avec l'ensemble collimateur/ électrode 340 (figure 77) Ainsi, chaque fois que l'espa- cement 95 (figure 11) tend à s'élargir par suite d'une déformation de l'isolant, d'un fluage ou autrement, on peut utiliser le mécanisme de réglage pour rétrécir l'es- pacement 95 à la largeur précise W qui est nécessaire et aussi pour empêcher l'apparition d'une fuite, parti- culièrement quand l'anneau torique est monté dans le siège 86 (figure 13) A cet égard, il faut observer que bien que la distance de déplacement soit extrêmement petite, tout le mécanisme logé à l'intérieur de l'isolateur 160 (fi- gure 1) se meut en fait à l'intérieur du générateur 50 relativement à cette structure fixe Ainsi, l'isolateur postérieur 105 peut glisser de façon limitée relativement à l'isolateur 160, tous deux étant représentés sur la figure 1 D'autre part, que l'on utilise l'ensemble 70 ou l'ensemble 340, les écoulements de gaz et d'agent de refroidissement sont pratiquement les mêmes A cet égard, une dernière caractéristique originale que l'on observe est que le collecteur annulaire à gaz établi autour du générateur de tourbillon est effectivement concentrique au parcours d'eau isolé reliant l'électrode postérieur et l'ensemble antérieur, que ce soit l'ensemble 70 ou l'en- semble 340 et que ce collecteur est confiné à l'intérieur de ce parcours. Le procédé de distribution de l'érosion de l'é- lectrode, décrit ci-dessus, peut servir avec l'ensemble ou l'ensemble 340 Avec l'un comme avec l'autre, on décrira maintenant un procédé préférentiel de détermina- tion de l'écoulement de gaz nécessaire Après avoir déter- miné l'écoulement de gaz nécessaire au générateur, on donne aux orifices du générateur de tourbillon la grandeur voulue pour assurer le débit prévu à une certaine pression relative, par exemple 0,41 à 0,55 ii Pa A la pression pré- vue, le point d'attachement de l'arc se trouvera appro- ximativement au milieu de la surface utilisable de l'élec- trode 100 Si l'on modifie la pression de 34 k Pa (pour un étalement de pression de 69 k Pa), le point d'attache- ment de l'arc peut être déplacé vers l'avant, vers le collimateur, et vers l'arrière, vers le porte-électrode. On calcule la variation de pression de manière à déplacer le point d'attachement dans les limites d'une bonne con- ception d'électrode Le point d'attachement postérieur ne doit pas de préférence, être éloigné de plus d'environ 2 diamètres de la surface postérieure de la cavité d'é- lectrode ni être éloigné de plus d'environ 2 diamètres de l'anneau torique à l'avant de l'électrode Le point d'attachement est alors positionné par la commande à pro- gramme de la variation de pression de gaz, comme l'illu- stre schématiquement la figure 69. En résumé-, on peut voir que l'invention fournit ainsi une structure de générateur de plasma notablement améliorée dans son ensemble, un système de refroidisse- ment et un procédé de refroidissement notablement amé- liorés, un système de double enveloppe refroidi par fluide et perfectionné, la possibilité de fonctionner en mai- trisant l'érosion notablement mieux qu'il n'était possi- ble antérieurement avec une source de courant continu, et enfin la possibilité d'opérer avec une variante d'en- semble collimateur/électrode conçue pour fonctionner soit dans le mode transféré soit dans le mode non transféré, VEVENDI JATI ONS 1 Générateur de plasma servant à engendrer un plasma à haute température d'une longueur d'arc pré- déterminée entre une électrode et un conducteur électri- que dans un circuit d'arc, caractérisé par le fait qu'il comprend, en combinaison; (a) une électrode métallique cylindrique formée d'une seule pièce et présentant une perforation définie par une extrémité fermée disposée à l'arrière et une extré- mité ouverte disposée à l'avant; (b) un collimateur métallique directeur de gaz, aligné axialement sur l'électrode, séparé de celle-ci par un espacement prédéterminé vers l'avant, isolé de celle-ci et présentant une perforation cylindrique (c) un générateur de tourbillon formant avec l'électrode et le collimateur une chambre à gaz de formation de tour- billon; (d) des moyens d'amenée de gaz sous pression servant à introduire un gaz d'arc dans la chambre pour engendrer un écoulement tourbillonnant dans la chambre et le colli- mateur; (e) des premiers moyens structuraux isolés électriquement de l'électrode et associés au collimateur de manière à établir un parcours d'écoulement de fluide de refroidis- sèment parallèle à l'axe de la perforation du collimateur, entourant celle-ci et espacé radialement de celle-ci, vers l'extérieur et s'étendant sur une partie prédéterminée de sa longueur; (I) des deuxièmes moyens structuraux associés à l'électro- de de manière à établir un parcours d'écoulement de fluide de refroidissement parallèle à l'axe de l'électrode, entourant celle-ci et espacé radialement de la perfora- tion de l'électrode vers l'extérieur et s'étendant sur une partie prédéterminée de sa longueur; (g) un premier ensemble d'enveloppe métallique conçu pour être refroidi par fluide, monté concentriqueinent à l'électrode et isolée de celle-ci, ce premier ensemble d'enveloppe étant conçu pour entourer une partie posté- rieure du collimateur et une partie antérieure de l'élec- trode; (h) des moyens faisant communiquer des parcours d'écou- lement respectifs des premiers moyens structuraux, des deuxièmes moyens structuraux et du premier ensemble d'en- veloppe en un parcours continu de refroidissement de fluide dont des parties mettent le fluide de refroidissement en contact direct avec l'électrode et le collimateur et dont d'autres parties passent par des parcours isolés de longueur prédéterminée de manière à établir une résis- tance électrique prédéterminée dans les longueurs res- pectives de ces parcours et (i) une source de fluide de refroidissement sous pression servant à introduire un fluide de refroidissement sous pression tel que de l'eau dans une extrémité d'entrée du parcours dontinu de refroidissement de fluide de manière à causer un écoulement par ce parcours vers une sortie et à assurer ainsi la dissipation de chaleur dans des parcours entourant aussi bien l'électrode que le colli- mateur et à permettre au même fluide de refroidissement d'effectuer le refroidissement de l'électrode, du colli- mateur et du premier ensemble d'enveloppe et sans établir de courtscircuits électriques entre l'électrode et le collimateur. 2 Procédé de refroidissement d'un générateur de plasma du type qui comporte: (a) une électrode métallique cylindrique formée d'une seule pièce et présentant une perforation définie par une extrémité fermée disposée à l'arrière et une extrémité ouverte disposée à l'avant; (b) un collimateur métallique directeur de gaz, aligné axialement sur l'électrode, séparé de celle-ci par un espacement prédéterminé vers l'avant, isolé de celle-ci et présentant une perforation cylindrique; (c) un générateur de tourbillon formant avec l'électrode et le collimateur une chambre a gaz de formation de tour- billon (d) des moyens d'amenée de gaz sous pression servant à introduire un gaz d'arc dans la chambre pour engendrer un écoulement tourbillonnant dans la chambre et le coali- mateur (e) des premiers moyens structuraux isolés électriquement de l'électrode et associés au collimateur de manière à établir un parcours d'écoulement de fluide de refroidisse- ment parallèle à l'axe de la perforation du collimateur, entourant celleci et espacé radialement de celle-ci vers l'extérieur et s'étendant sur une partie prédéterminée de sa longueur; (f) des deuxièmes moyens structuraux associés à l'élec- trode de manière à établir un parcours d'écoulement de fluide de refroidissement parallèle à l'axe de l'électrode, entourant celle-ci et espacé radialement de la perforation de l'électrode vers l'extérieur et s'étendant sur une partie prédéterminée de sa longueur; (g) un premier ensemble d'enveloppe métallique conçu pour être refroidi par fluide, monté concentriquement à l'élec- trode et isolée de celle-ci, ce premier ensemble d'en- veloppe étant conçu pour entourer une partie postérieure du collimateur et une partie antérieure de l'électrode Procédé caractérisé par les étapes suivantes ( 1) établir des parcours découlement reliés en série à travers l'électrode, le collimateur, les premiers et deu- xièmes moyens structuraux,et le premier ensemble d'en- veloppe pour établir un parcours continu d'écoulement de fluide dont des parties mettent le fluide de refroidis- sement en contact direct avec l'électrode et le collima- teur et dont d' autres parties passent par des parcours isolés de longueur prédéterminée de manière à établir une résistance électrique prédéterminée dans la longueur res- pective de ces parcours et ( 2) introduire un fluide de refroidissement sous pres- sion tel que l'eau dans une extrémité d'entrée du par- cours continu de refroidissement de fluide pour causer un 253994 t écoulement par ce parcours vers une sortie de manière à assurer la dissipation de chaleur dans des parcours en- tourant aussi bien l'électrode que le collimateur et pour permettre au même fluide de refroidissement d'effectuer le refroidissement de l'électrode, du collimateur et du premier ensemble d'enveloppe, et sans établir de courts- circuits entre l'électrode et le collimateur. 3 Générateur de plasma-servant à engendrer un plasma à haute température de longueur d'arc prédéterminée entre l'appareil et un conducteur électrique d'un cir- cuit d'arc, caractérisé par le fait qu'il comprend, en combinaison (a) une première électrode; (b) une deuxième électrode isolée électriquement de la première électrode et pouvant servir,-au moins, soit de collimateur pour un arc transféré soit d'électrode pour un arc non transféré et alignée axialement sur la première électrode et espacée de celle-ci vers l'avant avec un espacement prédéterminé entre elles; (c) un générateur de tourbillon formant avec les premières et deuxième électrodes une chambre de formation de;tour- billon (d) des moyens d'amenée de gaz sous pression servant à introduire un gaz d'arc dans la chambre pour engendrer un écoulement tourbillonnant partant de celle-ci, (e) au moins un ensemble d'enveloppe métallique concentri- que à la première et à la deuxième électrodes, entourant au moins une partie de celles-ci et isolé électriquement au moins de la première électrode; (f) des moyens structuraux associés fonctionnellement aux première et deuxième électrodes et r l'ensemble d'enve- loppe de manière à établir un parcours continu de refroi- dissement de fluide et (g (g) une source de fluide de refroidissement sous pression servant à introduire un fluide de refroidissement sous pression tel que de l'eau dans une extrémité d'entrée du parcours continu de-refroidisseiûent de fluide pour en- gendrer un écoulement par ce parcours la deuxième électrode étant unie, dans la région frontale et autour de son axe longitudinal, d'une perforation en forme de cuvette et à la suite de celle-ci, une perfora- tion cylindrique allongée comn"uniquant avec elle et ayant une longueur notablement supérieure à la profondeur de la perforation en cuvette. 4 Générateur de plasma servant à engendrer un plasma à haute température et caractérisé par le fait qu'il comprend, à l'intérieur d'une enveloppe appropriée; une électrode postérieure, un élément antérieur qui est une électrode antérieure ou un collimateur, un générateur de tourbillon entre l'électrode et l'élément antérieur et un moyen de commande à programme servant à faire varier la pression du gaz d'arc amené à la chambre de tourbil- lon selon un programme prédéterminé pour distribuer l'at- tachement de l'arc au sein de l'électrode postérieure et ainsi distribuer l'érosion de celle-ci. Générateur de plasma servant à engendrer un plasma à haute température et caractérisé par le fait qu'il comprend une électrode postérieureune électrode antérieure, un générateur de tourbillon formant avec les électrodes une chambre à gaz de formation de tourbillon, l'électrode antérieure étant munie, dans la région fron- ta Ie et autour de son axe longitudinal, d'une perforation en cuvette et à la suite de celle-ci, une perforation cylindrique allongée communiquant avec elle et ayant une longueur notablement supérieure à la profondeur de la perforation en cuvette. 6 Procédé de fonctionnement d'un générateur de plasma servant à engendrer un plasma à haute tempé- rature et comprenant une électrode postérieure, un élé- ment antérieur qui est une électrode antérieure ou un col- limateur et un générateur de tourbillon situé entre l'élec- trode et l'élément antérieur et formant avec eux une cham- bre à gaz de formation de tourbillon, procédé caractérisé par les étapes suivantes: laire démarrer initialement une opération de fusion avec le plasma à haute tempéra- ture en utilisant un mécanisme à arc -non transféré et, une fois que l'opération de fusion est en cours, passer à l'utilisation d'un mécanisme à arc transféré.