Brevet FR2556168A1 — publié le 19850607

La présente invention concerne de façon générale les chalumeaux à arc de plasma et leur procédé de fonctionnement. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un chalumeau à arc de plasma que l'on peut sélectivement faire fonctionner dans le mode non transféré ou dans le mode transféré en échangeant un ensemble d'électrode et un ensemble de buse collimatrice. L'ensemble d'électrode. est destiné à servir de point de fixation pour l'arc électrique dans le mode non transféré, et l'ensemble de buse collimatrice est destiné à servir de buse collimatrice se laissant traverser par un are électrique en direction d'un point de fixation externe dans le mode transféré. Les chalumeaux à arc de plasma sont connus dans la technique et constituent des dispositifs qui peuvent efficacement transformer l'énergie électrique en énergie thermique. Le chalumeau produit une flamme de plasma 2 l'aide d'un débit gazeux relativement petit. La chaleur venant de la flamme de plasma présente des avan- tages sur la chaleur venant d'une flamme de combustion, parmi les- quels une haute température de flamme, des atmosphères ajustées variables qui sont compatibles avec de nombreux processus chimiques et métallurgiques, et des rendements thermiques élevés. Normalement, il faut environ 9 kg (à une pression de 9 x 10 Pa) d'air pour libérer, par l'intermédiaire de la flamme de combustion, les il 000 kilocalories se trouvant dans un kiiogramme d'essence ou un lilogranmme de gaz naturel. La flamme de plasma d'un chalumeau nécessite, quant à elle, moins de 0,1 kg d'air pour libérer un niveau thermique comparable. La haute température de la flamme, les faibles besoins en gaz et les rendements thermiques élevés font du chalumeau à arc de plasma un instrument idéalement adapté à diverses applications dans des techniques en rapide développement comme l'aérospatiale, le nucléaire et les domaines énergétiques, et dans des technologies plus classiques comme- l'élimination des déchets, la fabrication de l'acier et son affinage, la production d'ozone, etc. Les générateurs d'arc de plasma, ou chalumeaux à arc de plasma, sont comnunéement de deux types différents. Le premier type utilise le mode de fonctionnement plus classique dit à arc non transféré. Le générateur de plasma destiné à fonctionner dans le mode à arc non transféré comprend une électrode postérieure, une électrode antérieure et un générateur de tourbillons gazeux qui est coaxialement aligné avec les deux électrodes. L'ensemble complet est naturellement contenu à l'intérieur d'un boîtier appro- prié qui peut être refroidi par eau et qui possède les éléments d'alimentation auxiliaire nécessaires servant à la production d'un arc électrique, lequel boîtier s'étend de l'électrode postérieure jusqu'en un point de fixation se trouvant sur l'électrode antérieure, en passant par le générateur de tourbillons gazeux. Le deuxième mode de fonctionnement est du type dit à arc transféré. Dans un générateur de plasma du type à arc transféré, une buse collimatrice est montée en alignement coaxial avec l'électrode postérieure et le générateur de tourbillons. Dans ce type de fonctionnement, l'arc électrique se fixe entre l'électrode postérieure et une pièce externe, sur laquelle on travaille, après avoir traversé la buse collimatrice. Des générateurs à arc transféré sont décrits par exemple dans les brevets des Etats-Unis.d'Amérique n0 3 194 941 et 3 818 174. Les deux modes de fonctionnement ont des avantages dans leurs domaines sélectifs d'application. Dans la demande de brevet français n0 8400851 déposée le 20 janvier 1984 par la demanderesse sous le titre "Géné- rateur de plasma et son procédé de fonctionnement", divers per- fectionnements sont décrits relativement aux chalumeaux à arc de plasma, y compris un chalumeau pouvant fonctionner dans le mode à arc transféré aussi bien que dans le mode à arc non transféré (voir les figures 71 à 77) . La demande décrit également, sur sa figure 72, une électrode antérieure perfectionnée qui peut être montée sur l'ensemble général du chalumeau décrit. Le chalumeau est parfois désigné comme étant du type convertible. La présente invention se rapporte à un chalumeau convertible du type défini dans la demande citée ci-dessus. Un but principal de l'invention est de proposer un chalumeau à arc de plasma que l'on peut facilement transformer 2 556168 entre le mode de fonctionnement transféré et le mode de fonction- nement non transféré, et cela, sur place, c'est-à-dire au lieu o- le chalumeau est utilisé. Le chalumeau à plasma qui satisfait aux buts cidessus énoncés comprend un boîtier externe fabriqué en sections. A l'intérieur du boîtier, sont montés, dans cet ordre, une électrode postérieure reliée à une alimentation électrique appropriée, un générateur de tourbillons gazeux et, selon le mode de fonctionnement, soit un ensemble d'électrode pouvant fonctionner dans le mode à arc non transféré, soit un ensemble de buse collima- trice pouvant fonctionner dans le mode à arc transféré. Des cana- lisations de refroidissement par eau et d'alimentation en gaz sont placées de manière appropriée dans le boîtier. La section postérieure du boîtier comporte un moyen de montage permettant de retenir de manière amovible l'ensemble d'électrode permettant le fonctionnement en mode non transféré ou l'ensemble collimateur permettant le fonction- nement du chalumeau dans le mode transféré. Lorsque, par exemple, on souhaite le transformer du mode transféré au mode non transféré, on retire l'ensemble collimateur et on le remplace par l'ensemble d'électrode, qui contient une section antérieure de boîtier. Une extrémité de la section antérieure de boîtier est congue pour s'ajuster, de manière amovible, sur la partie restante de l'ensemble d'électrode, et son autre extrémité s'ajuste sur la section posté- rieure de bottier. L'ensemble collimateur, l'ensemble d'électrode antérieure et la section antérieure de boîtier sont conçus de manière à ménager des passages pour le refroidissement des divers éléments du chalumeau, indépendamment du fait que l'ensemble d'électrode antérieure ou l'ensemble de buse collimatrice soit utilisé. La description suivante, conçue à titre d'illustra- tion de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages. Elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure la est une vue en perspective d'un chalumeau à arc de plasma constituant un mode de réalisation de l'invention et configuré de façon à fonctionner dans le mode à arc non transféré; - la figure lb est une vue en coupe agrandie du chalumeau de la figure la; - la figure 2 est une vue en coupe d'une partie de l'ensemble d'électrode, comportant l'électrode antérieure et le manchon externe d'ajustement; - la figure 3 est une vue en coupe de l'ensemble de buse collimatrice, comportant le collimateur et le manchon externe d'ajustement; - la figure 4 est une vue en coupe de l'électrode postérieure et du générateur de tourbillons gazeux, reliés ensemble par vissage; et - la figure 5 est une vue en coupe, suivant la ligne 5-5, du générateur de tourbillons, montrant les angles des ouvertures destinées au gaz ménagées dans le générateur. On se reporte d'abord aux figures la et lb. Il y est représenté un chalumeau à arc de plasma 10 qui constitue un mode de réalisation de l'invention et qui est configuré pour fonc- tionner-dans le mode à arc non transféré. Le chalumeau comprend une section de boîtier postérieure tubulaire 24 et une électrode posté- rieure cylindrique 30 montée coaxialement à l'intérieur de la section de boîtier postérieure24. L'électrode 30 comprend un élément métal- lique tubulaire possédant une extrémité intérieure fermée et une extrémité extérieure ouverte. Un générateur de tourbillons gazeux annulaire 28 est vissé sur l'extrémité extérieure de l'électrode 30 (voir figure 4), et, ainsi, le générateur est également monté à l'intérieur de la section de boîtier postérieure24. Le générateur de tourbillons 28 comporte plusieurs ouvertures orientées tangen- tiellement (voir figure 5), et il est conçu pour recevoir du gaz souspression via un passage de délivrance de gaz qui traverse le chalumeau et qui comporte le tube 34 de délivrance de gaz. Lors du passage dans les ouvertures du générateur en direction de l'intérieur, il se produit un écoulement tourbillonnaire de gaz du fait de l'orien- tation tangentielle des ouvertures, l'écoulement étant en alignement coaxial avec l'électrode postérieure 30. La section de boîtier postérieure 24 contient égale- ment un manchon tubulaire 26 monté coaxialement, et celui-ci comporte une extrémité antérieure intérieurment filetée. Comme cela apparaîtra 2556 1 68 clairement, cette extrémité antérieure taraudée constitue un moyen de montage amovible permettant de monter sélectivement l'ensemble d'électrode 12 ou l'ensemble de buse collimatrice 31. Selon la configuration des figures la et lb, le chalumeau 10 porte l'ensemble d'électrode 12, lequel comporte une électrode antérieure métallique tubulaire 14 traversée par un alé- sage, et un manchon extérieur 16 qui est fixé à l'électrode anté- rieure par soudage, ou par un moyen équivalent, au niveau de l'extré- mité gauche, comme indiqué sur la figure 2. Le manchon 16 s'étend axialement sur au moins la plus grande partie de la longueur axiale de l'électrode antérieure 14, l'existence d'un léger écartement définissant entre eux un intervalle 22 L'ensemble d'électrode comprend en outre un filetage externe porté par le manchon 16 qui est conçu pour se visser sur le filetage. interne du man- ]5 chon 26, de manière à assurer un montage amovible de l'ensemble d'électrode sur la section de boîtier postérieuredans la position de fonctionnement présentée sur la figure la et lb. En particulier, l'électrode antérieure 14 est en alignement coaxial avec l'électrode postérieure 30 et le générateur de tourbillons 28, de sorte que l'alésage de l'électrode antérieure 14 peut servir de point de fixation pour un arc électrique s'étendant ainsi entre l'électrode postérieure 30 et l'alésage de l'électrode antérieure 14, en passant dans le générateur de tourbillons 28. L'ensemble d'électrode comporte en outre unesection de boîtier tubulaire antérieure 20 qui est conçue pour concorder coaxialement avec la section de boîtier posté- rieure et avec un rebord formé sur l'extrémité antérieure de l'électrode 14 dans la position de fonctionnement de l'ensemble d'électrode. Le chalumeau 10 comprend en outre un ensemble de 3G buse collimatrice 31, qui peut être mieux vu sur la figure 3, et qui comprend une buse tubulaire 32 dans laquelle est ménagé un alé- sage, et un manchon extérieur 34 qui est fixé sur la buse par soudage, ou par un moyen équivalent, au niveau de l'extrémité gauche, comme le montre la figure 3, et par des goujons 18 au niveau de l'autre extrémité. Le manchon 34 s'étend axialement sur au moins la plus grande partie de la longueur axiale de la buse 32, un léger écarte- ment définissant entre eux un intervalle. Le manchon extérieur 34 comporte un filetage externe qui est destiné à se visser, de manière amovible, sur le filetage du manchon 26 de manière à permettre le montage amovible de l'ensemble de buse collimatrice sur la section de boîtier postérieure après enlèvement de l'ensemble d'électrode 12. Dans sa position de fonctionnement, l'ensemble de buse collimatrice est en alignement coaxial avec l'électrode postérieure et le généra- teur de tourbillorn si bien que l'ensemble de buse collimatrice peut servir de buse collimatrice pour un arc électrique s'étendant entre l'électrode postérieure 30 et un point de fixation externe, en pas- sant dans le générateur de toubillons 28 ainsi que dans l'alésage de la buse 32. A partir de la description ci-dessus donnée, on voit que l'ensemble d'électrode 12 ou l'ensemble de buse collimatrice 31 peuvent être montés par vissage entre le manchon 26 et le manchon extérieur de l'ensemble respectif, de sorte que le chalumeau peut fonctionner dans un mode à arc non transféré lorsque l'ensemble d'électrode est monté sur la section de boîtier postérieure, ou bien dans le mode à arc transféré lorsque l'ensemble de buse col- limatrice est monté sur la section de boîtier postérieure. Le chalumeau selon l'invention comprend en outre des passages destinés à conduire un fluide de refroidissement, de préférence de l'eau, le long de l'électrode postérieure et de l'électrode antérieure, afin d'en retirer la chaleur. Comme représenté, ce passage pour agent de refroidissement comporte le tube 44 d'entrée d'eau, par lequel l'eau arrive le long de la surface externe de l'électrode postérieure 30 via le passage 40, puis le long de l'intervalle 22 formé entre l'électrode antérieure 14 et la manchon extérieur 16. Le fluide passe ensuite au tube de sortie 36 en direction de l'arrière. Le tube d'entrée 44 est de préférence en métal et sert à conduire la puissance électrique nécessaire jusqu'à l'électrode postérieure 30. Lorsque l'ensemble de buse collimatrice est assemblée sur la section de boîtier postérieure, le fluide refroidissant passe dans l'intervalle ménagé entre la buse 32 et le manchon extérieur 14, d'une manière identique. L'alésage antérieur de l'électrode antérieure 14 peut comporter une partie terminale antérieure en forme de cuvette agrandie 14a, comme on peut mieux le voir sur la figure 2. Il a été découvert que cette partie terminale antérieure en forme de cuvette était souhaitable du fait que, par une coordination appropriée du niveau de puissance et du volume du gaz entrant dans le générateur de tourbillons, on pouvait amener l'arc partant de l'électrode posté- rieure 30 à se fixer sur l'épaulement, orienté vers l'avant, de la partie agrandie 14a d'alésage. En résultat, l'érosion provoquée par le point de fixation s'étend axialement vers la gauche, comme indiqué sur la figure 2, au lieu de s'étendre radialement au travers de la paroi d'électrode. En résultat, il est possible d'accroître la durée de vie utile de l'électrode. On peut également voir sur les dessins que l'ensemble d'électrode 12 présente une longueur axiale sensiblement plus grande que celle de l'ensemble de buse collimatrice 31, ce qui rend compte de l'utilisation de la section de boîtier antérieure tubulaire 20 avec l'ensemble d'électrode, mais non avec l'ensemble de buse collimatrice. Le chalumeau selon l'invention peut être dimensionné de façon à satisfaire diverses exigences énergétiques. Par exemple, le chalumeau de l'invention peut typiquement avoir une efficacité de puissance allant de 60 kilowatts à 150 kilowatts. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'ima- giner, à partir du chalumeau dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. 25561-68 REVENDICATIONS 1. Chalumeau à arc de plasma offrant la possibilité d'être configuré pour fonctionner dans le mode à arc transféré ou dans le mode à arc non transféré, et caractérisé en ce qu'il com- prend: une section de bottier postérieure tubulaire (24), - une électrode postérieure cylindrique (30) montée coaxialement à la section de boîtier postérieur et comprenant un élément métallique tubulaire présentant une extrémité interne fermée et une extrémité externe ouverte, un moyen (28) générateur de tourbillons annulaire monté coaxialement à la section de boîtier postérieure et voisin de ladite extrémité extérieure de l'électrode postérieure de manière à produire un écoulement tourbillonnaire d'un gaz, un moyen de montage amovible (26) monté à demeure sur la section de boîtier postérieure, un ensemble d'électrode (12) dans lequel il existe un alésage tubulaire et comportant un moyen permettant la fixation amovible dudit moyen de montage de manière à permettre le montage amovible de l'ensemble d'électrode sur la section de boîtier postérieure en une position de fonctionnement en alignement coaxial avec l'électrode postérieure et le moyen générateur de tourbillons, de sorte que l'alésage de l'ensemble d'électrode peut servir de point de fixation pour un arc électrique allant de l'électrode postérieure audit alésage en passant pas le moyen générateur de tourbillons, et un ensemble de buse collimatrice (31) dans lequel est ménagé un alésage tubulaire et comportant un moyen permettant la fixation amovible dudit moyen de montage afin de monter de manière amovible l'ensemble de buse collimatrice sur la section de boîtier postérieure dans une position de fonctionnement en alignement coaxial avec l'électrode postérieure et le moyen géné- rateur de tourbillons, de sorte que l'ensemble de buse collimatrice peut servir de buse collimatrice pour un arc électrique allant de l'électrode postérieure à un point de fixation extérieur en passant par le moyen générateur de tourbillons et ledit alésage de l'ensemble 2556 1 68 de buse collimatrice, si bien que ledit ensemble d'électrode ou ledit ensemble de buse collimatrice peuvent être montés par l'intermé- diaire dudit moyen de montage sur ladite section de boîtier posté- rieure de façon que le chalumeau puisse fonctionner dans un mode à arc non transféré lorsque l'ensemble d'électrode est monté sur la section de boîtier postérieure ou dans le mode à arc transféré lorsque l'ensemble de buse collimatrice est monté sur la section de boîtier postérieure. 2. Chalumeau à arc de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble d'électrode comprend une électrode antérieure métallique tubulaire (14) définissant ledit alésage et un manchon extérieur (16) fixé à l'électrode antérieure et s'éten- dant axialement sur au moins la plus grande partie de sa longueur axiale de façon qu'il subsiste entre eux un petit intervalle. 3. Chalumeau à arc de plasma selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble d'électrode comprend en outre une section de boîtier tubulaire antérieure destinée à s'ajuster coaxialement avec ladite section de boîtier postérieure dans ladite position de fonctionnement de l'ensemble d'électrode. 4. Chalumeau à arc de plasma selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit alésage de l'électrode antérieure possède une partie terminale antérieure en forme de cuvette agrandie (14a). 5. Chalumeau à arc de plasma selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen de montage amovible comprend un élément tubulaire (26) présentant une partie terminale filetée, et ledit moyen de montage amovible de l'ensemble d'électrode sur ladite section de boîtier postérieure comprend un filetage concor- ) dant qui est formé sur ledit manchon extérieur (16). 6. Chalumeau à arc de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble de buse collimatrice comprend une buse tubulaire (32) définissant ledit alésage et un manchon extérieur (34) fixé sur ladite buse et s'étendant axialement sur au moins la plus grande partie de sa longueur axiale de manière à laisser entre eux un petit intervalle. 7. Chalumeau à arc de plasma selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit moyen de montage amovible comprend un élément tubulaire (26) possédant une partie terminale filetée et ledit moyen de montage amovible de l'ensemble de buse collimatrice comprend un filetage concordant formé sur ledit manchon extérieur (34). 8. Chalumeau à arc de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble d'électrode a une longueur axiale sensiblement plus grande que la longueur axiale de l'ensemble de buse collimatrice. 9. Chalumeau à arc de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section de boîtier postérieure comprend en outre des passages servant à délivrer un gaz sous pression audit moyen générateur de tourbillons. 10. Chalumeau à arc de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section de bottier postérieure comprend en outre des passages pour agent de refroidissement, tandis que l'en- semble d'électrode et l'ensemble de buse collimatrice comportent chacun des passages pour agent de refroidissement qui sont construits et placés de manière à communiquer avec les passages ménagés dans la section de boîtier postérieure lorsque l'ensemble respectif est monté sur cette section postérieure. 11. Chalumeau à arc de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble d'électrode comprend une électrode antérieure métallique tubulaire (14) définissant ledit alésage et un manchon extérieur (16) fixé à ladite électrode antérieure et s'étendant axialement sur au moins la plus grande partie de sa longueur axiale de manière à laisser entre eux un petit intervalle, en ce que l'ensemble de buse collimatrice comprend une buse tubu- laire (32) définissant ledit alésage et un manchon extérieur (34) fixé à la buse et s'étendant axialement sur au moins la plus grande partie de sa longueur axiale de manière à laisser entre eux un petit intervalle, et en ce que la section de boîtier postérieure comprend en outre des passages pour agent de refroidissement, l'ensemble d'électrode et l'ensemble de buse collimatrice comportent chacun des passages pour agent de refroidissement qui sont construits et disposés de manière à communiquer avec les passages ménagés dans il 2556 16 8 la section de boîtier postérieure lorsque l'ensemble respectif est monté sur ladite section postérieure, un agent de refroidissement étant destiné à circuler axialement le long de l'espace ménagé entre l'électrode antérieure (14) et le manchon (16) lorsque l'ensemble d'électrode est monté sur la section de boîtier postérieure, ou bien axialement le long de l'espace ménagé entre la buse (32) et le manchon (34) lorsque l'ensemble de buse collimatrice est monté sur la section de boîtier postérieure.