Brevet FR2649850A1 — publié le 19910118

La présente invention se rapporte à une torche à plasma à haute fréquence. et plus particulièrement à l'amorçage des plasmas à haute fréquence par décharge électrique interne. Il est connu des torches à plasma comportant une enceinte en silice dans laquelle sont introduits des gaz plasmagènes, un dispositif d'amorçage du plasma comportant une électrode et un inducteur haute frequence. Un arc électrique est créé à l'intérieur de la torche en approchant l'électrode sous tension élevée vers la surface externe du tube de silice. Il se créé ainsi sur la surface du tube de silice des décharges électriques aboutissant à l'amorce du plasma. Cependant, une telle méthode n'est pas applicable aux torches à plasma à forte puissance parce que les tubes de silice ne résistent pas aux températures très élevées produites dans ces torches à plasma. La présente invention a donc pour objet une torche à plasma à haute fréquence qui comporte une enceinte résistant à des températures très élevées, dans laquelle sont introduits des gaz plasmagènes, un dispositif d'amorçage du plasma comportant une électrode métallique pour la création d'un arc électrique à l'intérieur de l'enceinte, cet arc électrique servant à l'amorçage du plasma, et un inducteur haute fréquence situé en aval de la zone de formation de l'arc électrique. Selon l'invention l'électrode d'amorçage métallique s'étend à l'intérieur de l'enceinte, la paroi de l'enceinte entourant la partie active de l'électrode est en métal et est recouverte sur sa surface interne d'une couche d'un matériau électriquement isolant, l'électrode métallique étant reliée électriquement à un dispositif générateur d'une tension électrique d'amorçage de l'arc électrique entre l'électrode et la paroi métallique de 1 1enceinte. Selon une caractéristique de la présente invention, l'électrode métallique est pourvue d'une couche de protection thermique munie d'une fente axiale traversant radialement la couche protection thermique pour permettre la création de l'arc électrique. selon une autre caractéristique de la présente invention, un tube en un matériau isolant, tel que de la silice, est disposé à l'intérieur de l'enceinte avantageusement sensiblement coaxialement et délimite l'enceinte en deux espaces annulaires respectivement entre l'électrode et le tube isolant et entre ce dernier et la paroi métallique de l'enceinte recouverte de la couche en un matériau électriquement isolant : les espaces précités étant ouverts à leur extrémité inférieure adjacente à l'inducteur haute fréquence et fermés à l'extrémité opposée et étant pourvus au niveau de leur extrémité fermée respectivement d'une conduite d'amenée des gaz plasmagènes. Selon encore une caractéristique de la présente invention, l'enceinte comprend un corps tubulaire métallique comprenant deux parties cylindriques axialement alignées de diamètre interne différent, une partie supérieure de plus faible diamètre dans laquelle est emmanché le tube isolant et une partie de plus grand diamètre délimitant avec le tube l'espace externe ; la partie supérieure du corps tubulaire étant obturée par un noyau isolant en un matériau tel que du Téflon. Selon toujours une caractéristique de la présente invention, la paroi métallique de l'enceinte délimitant l'espace externe présente une chambre interne de refroidissement reliée àdes conduites respectivement d'amenée et d'évacuation d'un fluide de refroidissement, tel que de l'eau. Selon une particularité de la présente invention, l'électrode métallique en tungstène'ou inox est sous la forme d'une tige s'étendant dans l'axe de l'enceinte et est supportée par le noyau isolant ou traverse celui-ci. Selon une autre particularité de la présente invention, la couche en un matériau électriquement isolant est un tubé de silice Selon encore une autre caractéristique de la présente invention, le dispositif générateur de la tension électrique est un générateur à bobine de Ruhmkorff. La torche à plasma de la présente invention, comporte de plus un dispositif de contrôle automatique de fonctionnement par comparaison de la température du fluide de refroidissement à l'entrée et à la sortie de la chambre de refroidissement et coupure de la liaison entre l'électrode métallique et le générateur de tension électrique, lorsque la température à la sortie est supérieure à la température à l'entrée, le cas échéant au-delà d'un seuil prédéterminé. Selon une particularité de la présente invention, le contrôle automatique de fonctionnement est effectué par comparaison de la température de la paroi de l'enceinte par rapport à une température de référence. Selon une autre particularité de la présente invention, le dispositif de contrôle automatique comprend un thermocouple dont les soudures chaude et froide sont placées au niveau des endroits de prise des températures à comparer, et un comparateur des signaux électriques produits par le thermocouple. Selon toujours une particularité de la présente invention, le signal de sortie du comparateur est utilisé comme signal de commande d'un organe interrupteur monté dans le circuit d'alimentation du générateur de la tension électrique. D'autres buts, détails et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative quiva suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement une coupe longitudinale d'une torche à plasma selon la présente invention ; et - la figure 2 représente schématiquement un dispositif de contrôle automatique du fonctionnement d'une torche à plasma selon la présente invention. La figure l représente une torche à plasma du type comprenant une enceinte 1 comportant une paroi métallique 2 fermée à sa partie supérieure par un noyau étanche 3, par exemple en Téflon, ouverte à sa partie inférieure, et dans laquelle sont introduits des gaz de plasmagènes, un inducteur haute fréquence 4 situé dans la partie inférieure de l'enceinte l et une électrode métallique d'amorçage 6 introduite à l'intérieur de l'enceinte l par exemple à la partie supérieure de celle-ci et s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal de l'enceinte jusqu'à une distance prédéterminée de par exemple 5 à 7 cm de l'inducteur haute fréquence 4. L'enceinte cylindrique l présente une structure interne étagée comprenant une première zone A de plus faible diamètre recevant le noyau étanche 3, une deuxième zone B dont le diamètre interne est quelque peu plus grand de façon à recevoir coaxialement un tube isolant 7, par exemple un tube de silice, et une troisième zone C d'un diamètre interne plus important de façon à délimiter un espace annulaire 9 entre le tube isolant 7 et l'enceinte l. La deuxième zone B présente une longueur relativement faible pour assurer le maintien du tube isolant 7. Le diamètre interne du tube isolant 7 correspondant au diamètre interne de la première zone, on constate que le noyau 3 pénètre dans le tube isolant 7. Le tube isolant 7 s'étend jusqu'à une distance prédéterminée de l'inducteur haute fréquence 4 en dessous de l'extrémité inférieure de l'électrode 6. La troisième zone C qui occupe la plus grande partie de la longueur de la torche est recouverte d'une couche d'un matériau électriquement isolant 5, tel qu'un tube de silice, se terminant à proximité de l'inducteur haute fréquence 4, au-dessus d,e celui-ci. Il ressort de la figure que le tube isolant 7 -délimite deux espaces annulaires coaxiaux, un espace interne 8 entre l'électrode métallique 6 et le tube isolant 7 et un espace externe 9 entre le tube isolant 7 et la surface interne de la paroi métallique 2 recouverte de la couche de l'isolant électrique 5, chaque espace étant fermé en haut et puvert en bas. L'espace interne 8 est fermé en haut par le.noyau 3 et l'espace externe 9 par l'épaulement interne de l'enceinte. En haut de chaque espace sont prévues des conduites d'amenée des gaz plasmagène, respectivement '10 et iota. L'électrode 6 est reliée à un dispositif générateur de tension électrique d'amorçage 16 par exemple à bobine de Ruhmkorff. Le dispositif générateur de tension électrique 16 peut être relié électriquement à l'extrémité supérieure de l'électrode métallique 6 débouchant du noyau étanche 3 ou à l'intérieur de l'enceinte à l'aide d'un organe de contact 11 traversant la paroi de l'enceinte, comme cela est indiqué en traits interrompus sur la figure 1. L'alimentation peut être réalisée par courant continu ou alternatif. Il est encore prévu un dispositif de refroidissement 14 dans la paroi entourant la troisième zone annulaire externe de enceinte. A cette fin, la paroi métallique 2 comporte une chambre annulaire 15 s'étendant avantageusement axialement jusqu'a proximité de l'extrémité inférieure de l'enceintre 1 et communiquant en haut respectivement avec des conduites d'amenée 1? et d'évacuation 13 d'un fluide de refroidissement, de préférence de l'eau. L'électrode métallique 6, avantageusement en tungstène ou inox, est pourvue d'une protection thermique appliquée sur la surface externe de l'électrode sous la forme d'un film (non représenté), par exemple de silice. Le film présente une fente axiale (non représentée) traversant entièrement radialement de façon à permettre la création de l'arc électrique entre électrode métallique 6 et la paroi métallique 2 de l'enceinte 1 tout en empêchant la fusion de l'électrode. En référence à-la figure 2, la torche à plasma de l'invention est pourvue d'un dispositif de contrôle automatique du fonctionnement de la torche. A cette fin, le dispositif de contrôle automatique comprend un thermocouple dont les soudures froide et chaude sont indiquées symboliquement en 17 et.18 et sont placées respectivement à l'entrée et à la sortie du fluide de refroidissement, comme cela est indiqué schématiquement sur la figure 2. Les deux soudures sont reliées aux deux entrées 19 et 20 d'un comparateur 21 dont la sortie est reliée à un amplificateur opérationnel 22. La sortie de l'amplificateur 22 est reliée à une borne de commande d'exitation d'un dispositif à relai 23. Le relais est pourvu d'un contact électrique 24 monté comme contact interrupteur dans le circuit d'allumage de la bobine de Ruhmkorff. On décrira ci-après le fonctionnement de la torche à plasma selon l'invention. L'électrode métallique 6 ayant été introduite à l'intérieur de l'enceinte 1 et les gaz plasmagènes étant amenés dans l'enceinte 1 via les conduites 10 et 10a, une tension électrique élevée, produite par la bobine de Ruhmkorff est appliquée à l'électrode métallique 6. Ceci permet la création d'un arc électrique entre l'électrode métallique 6 et la paroi métallique 2 de l'enceinte 1. -L'arc ainsi créé au sein des gaz plasmagènes permet l'amorce du plasma. L'inhibition rapide des électrons libérés par l'électrode métallique 6, au niveau de la fente axiale dans la protection thermique de l'électrode, est évitée grâce au revêtement de silice 5 qui tapisse la surface interne de la paroi métallique 2. La protection thermique de l'électrode métallique 6 permet d'éviter la fusion de l'électrode et en conséquence la pollution du plasma. Le dispositif de contrôle automatique permet de vérifier le bon fonctionnement de la torche à plasma à distance. En effet, en absence de plasma, le signal électrique délivré par le thermocouple sera nul puisque la température du liquide de refroidissement à l'entrée 12 sera égale à celle à la sortie 13. Le couple ne délivre plus de courant. En présence de plasma,. la température du liquide de refroidissement à l'entrée 12 de la torche sera différente de la température du liquide de refroidissement à la sortie 13 de la torche. Dans ce cas, le thermocouple délivre un signal de quelques millivolts. Ce signal est alors amplifié par l'amplificateur opérationnel 22, lequel excitera le relais électrique.23 qui commandera l'ouverture de son contact 24 et coupera ainsi le courant nécessaire à l'allumage de la bobine de'Ruhmkorff. La torche à plasma de l'invention ci-dessus décrite présente de nombreux avantages. Elle permet tout d'abord l'amorçage de plasmas haute fréquence dans une enceinte métallique refroidie qui peut résister à des -températures très élevées. De plus, comme expliqué ci-dessus, grâce au revêtement de silice 5 situé dans la zone d'amorçage il est possible d'éviter l'inhibition des électrons contre la paroi métallique 2, ce qui permet l'amorçage du plasma à l'aide de l'électrode métallique 6. D'autre part, la protection thermique de l'électrode 6 permet d'éviter sa fusion et donc la pollution du plasma, ce qui est très avantageux lorsque l'on désire un plasma très pur. Enfin, il est possible de contrôler le fonctionnement de l'électrode d'amorçage grâce au dispositif de contrôle automatique ci-dessus décrit, et ceci à distance, évitant ainsi tout risque d'exposition d'un opérateur à la haute tension. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation ci-dessus décrits qui ne sont donnés qu'à titre d'exemple. On pourrait ainsi concevoir dans une torche à plasma du type de la présente invention d'utiliser une électrode métallique dont la partie inférieure serait courbée en direction de la paroi métallique 2 de l'enceinte -1. Ceci favoriserait la création d'un arc électrique préférentiellement entre 1a partie recourbée de l'électrode métallique et la partie de la paroi métallique 2 de l'enceinte qui serait la plus proche de l'extrémité courbée de l'électrode métallique 6. I1 serait également possible de concevoir des modifications qui pourraient être apportées au dispositif de contrôle automatique ci-dessus décrit. En effet, dans un autre mode de réalisation on pourrait disposer le termocouple à proximité de la paroi de l'enceinte, à l'extérieur de celle-ci, de façon à prendre en considération la température de la paroi par rapport à une température de référence. REVENDICATIONS 1. Torche à plasma comprenant une enceinte (1) dans laquelle sont introduits des gaz plasmagènes, un dispositif d'amorçage du plasma comportant une électrode métallique (6) pour la création d'un arc électrique à l'intérieur, de l'enceinte (1) au sein des gaz plasmagènes, et un inducteur haute fréquence (4) situé en aval de la zone de formation de l'arc électrique, caractérisée en ce que l'électrode d'amorçage métallique (6) s'étend à l'intérieur de l'enceinte (1), en ce que la paroi de l'enceinte (1) entourant la partie active de l'électrode (6)'est en métal et est recouverte sur sa surface interne d'une couche (5) d'un matériau électriquement isolant, ladite électrode métallique (6) étant reliée électriquement à un dispositif générateur d'une tension électrique d'amorçage (16) de l'arc électrique entre l'électrode et la paroi métallique de l'enceïnte. 2. Torche à plasma selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'électrode métallique (6) est pourvue d'une couche de protection thermique munie d'une fente axiale traversant radialement la couche de protection thermique pour permettre la création de l'arc électrique. 3. Torche à plasma selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'un tube (7) en un matériau isolant, tel que de la silice, est disposé à l'intérieur de l'enceinte avantageusement sensiblement coaxialement et délimite l'enceinte en deux espaces annulaires, un espace interne (8) entre l'é.lectrode et le tube isolant (7) et un espace externe (9) entre ce dernier et la paroi métallique (2) de l'enceinte recouverte dela couche (5) d'un matériau électriquement isolant, lesdits espaces (8 et 9) étant ouverts à leur extrémité inférieure. adjacente à l'inducteur haute fréquence (4) et fermés à l'extrémité opposée et étant pourvus au niveau de leur extrémité- fermée d'une conduite d'amenée des gaz plasmagène respectivement (10 et 10a). 4. Torche à plasma selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'enceinte (1) comprend un corps tubulaire métallique comprenant deux parties cylindriques axialement alignées de diamètre interne différent, une partie supérieure de plus faible diamètre dans laquelle est emmanché le tube isolant (7) et une partie de plus grand diamètre délimitant avec ledit tube (7) l'espace externe (9) et en ce que la partie supérieure du corps tubulaire est obturée par un noyau isolant (3) en un matériau tel que du Téflon. 5. Torche à plasma selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la paroi métallique (2) de l'enceinte (1) délimitant l'espace externe (9) présente une chambre interne e refroidissement (14) reliée à des conduites respectivement d'amenée et d'évacuation (12 et 13) d'un fluide de refroidissement, tel que de l'eau. 6. Torche à plasma selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'électrode métallique (6) est sous la forme d'une tige s'étendant dans l'axe de l'enceinte (1) et est supportée par le noyau isolant (3) ou traverse celui-ci. 7. Torche à plasma selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'électrode métallique (6) est en tungstène ou en inox. 8. Torche à plasma selon l'une des revendications précedentes, caractérisée en ce que la couche (5) en un matériau électriquement isolant est un tube de silice. 9. Torche à plasma selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif générateur de la tension électrique (16) est un générateur à bobine de Ruhmkorff. 10. Torche à plasma selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de contrôle automatique de son fonctionnement par comparaison de la température du fluide de refroidissement à l'entrée et à la sortie de la chambre de refroidissement (15) et coupure de la liaison entre 'l'électrode métallique (6) et le générateur de tension électrique (16) lorsque la température à la sortie est supérieure à la température à l'entrée, le cas échéant au-delà d'un seuil prédéterminé. 11. Torche à plasma selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de contrôle automatique de fonctionnement par comparaison de la température de la paroi de l'enceinte par rapport à une température de référence. 12. Torche à plasma selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisée en ce que le dispositif de contrôle automatique comprend un thermocouple dont les soudures chaude et froide (18 et 17) sont placées au niveau des endroits de prise des températures à comparer, et un comparateur (21) des signaux électriques produits par le thermocouple. 13. Torche à plasma selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que le signal de sortie du comparateur (21) est utilisé comme signal de commande d'un organe interrupteur (24) monté dans le circuit d'alimeAtation du générateur de la tension électrique (16).