Brevet FR2721790A3 — publié le 19951229

FR 2721790 A3 19951229 FR 9407735 A 19940623 La présente invention concerne les torches à plasma et, plus particulièrement, les torches à plasma à arc soufflé modulaires aptes à fonctionner indifféremment avec une cathode froide ou avec une cathode chaude. Les torches à plasma ou chalumeaux à plasma d'arc sont connus dans la technique. Ce type de torches est constitué essentiellement de deux électrodes, une anode et une cathode, creuses et coaxiales. On établit un arc entre les électrodes et simultanément on injecte un gaz plasmagène dans une chambre située entre les deux électrodes. L'arc qui éclate entre les électrodes est entretenu et porte le gaz à très haute température et l'ionise. A la sortie de l'une des électrodes, ce gaz est animé d'une grande vitesse et le plasma qu'il constitue forme un agent caloporteur. L'arc qui jaillit entre les deux électrodes est par exemple amorcé par contact à l'aide d'une électrode auxiliaire de démarrage, puis est ensuite transféré entre les deux électrodes creuses sous l'action de l'injection tourbillonnaire d'un gaz dans la chambre située entre les électrodes. Ceci assure aussi la rotation sur lui-même du pied de l'arc pour éviter la fusion de l'électrode correspondante. Habituellement, le déplacement sur lui-même du pied amont d'arc est obtenu par un champ magnétique auxiliaire engendré par une bobine qui entoure l'électrode amont qui, le plus souvent, se présente à la manière d'un doigt de gant avec un fond. Les termes "amont" et "aval" sont repérés par rapport au sens d'écoulement du plasma. L'alimentation électrique de la torche est assurée par un circuit d'arc et, s'il y a lieu, un circuit bobine. On utilise habituellement un courant alternatif redressé pour produire l'arc. En outre, un système de refroidissement utilisant le plus souvent de l'eau en circulation sert à maintenir les électrodes à la température requise. Une telle torche à plasma comprend des éléments consommables : les électrodes. La longévité des électrodes est fonction de nombreux paramètres par exemple la puissance de la torche plus particulièrement la valeur du courant d'arc, la nature du gaz plasmagène injectée du fait de sa décomposition et des réactions qu'il peut avoir sur les matériaux constitutifs des électrodes. La longévité des électrodes est fonction aussi du service de la torche suivant que celui-ci est continu ou discontinu. Il est classique que la longévité des électrodes varie de quelques dizaines d'heures pour les torches de relativement petites puissances à plusieurs centaines d'heures pour celles de grandes puissances. On comprend donc qu il est nécessaire de remplacer périodiquement les électrodes lorsque leur degré d'usure atteint un seuil préfixé. Pour procéder ati remplacement des électrodes, il est nécessaire de se livrer à des opérations souvent complexes et longues, de démontage, échange et remontage. L'arc électrique qui jaillit entre les électrodes communique une importante quantité d'énergie au jet de gaz plasmagène partiellement ou totalement ionisé. Cet arc peut être du type dit à arc transféré ou à arc soufflé. Lorsqu'une torche à plasma est du type à arc soufflé que concerne plus particulièrement l'invention, elle fait appel à une cathode chaude ou à une cathode froide. Les cathodes chaudes habituellement utilisées sont faites en tungstène ou de ses alliages et ont une configuration du type "pointe" ou du type "bouton". Les cathodes froides habituellement utilisées sont faites en cuivre et ont une configuration en puits. Outre la nécessité de pouvoir procéder facilement aux échanges périodiques des électrodes, on comprend aussi tout l'intérêt qu'il y a à pouvoir utiliser indifféremment une cathode chaude ou une cathode froide. Le but de l'invention est de satisfaire à l'essentiel de ces desiderata à l'aide d'une torche à plasma perfectionnée qui permet un passage rapide d'un type de cathode à l'autre et qui ne nécessite qu'un seul changement de pièce mécanique. L'invention a pour objet une torche à plasma constituée, entre autres, de deux électrodes métalliques creuses coaxiales, aval et amont repérées dans le sens d'écoulement du plasma, entre lesquelles peut s'établir un arc, d'un corps intermédiaire avec une chambre intercalaire qui sépare ces électrodes et qui est apte à recevoir un gaz plasmagène injecté, d'un agencement de montage pour réunir assemblés ces électrodes et corps, et d'un système de refroidissement notamment de ces électrodes apte à recevoir un liquide de refroidissement circulant.Cette torche est remarquable en ce que l'électrode aval a la configuration d'un tube cylindrique qui possède une surface extérieure et une surface intérieure et qui est transpercé d'un canal longitudinal avec une entrée et une sortie axiales, en ce que l'électrode amont a la configuration d'un tube cylindrique qui possède une surface extérieure et une surface intérieure et qui est percé d'un puits longitudinal avec une ouverture et un fond axiaux, en ce que le corps intermédiaire est fait d'une bride extérieure isolante, d'une virole entretoise isolante et d'un manchon conducteur où est ménagée la chambre dans laquelle débouche au moins un orifice latéral d'injection du gaz plasmagène, et en ce que le système de refroidissement comprend entourant localement au moins l'une des deux électrodes, d'une part, une chemise métallique avec une cloison intérieure qui présente un dégagement en regard d'une surface extérieure afin de ménager avec celle-ci un anneau creux, avec une cloison extérieure qui avec la cloison intérieure ménage entre elles une couronne creuse et avec deux extrémités axiales opposées closes, où ces anneau et couronne sont mis en communication entre eux par une traversée transperçant la cloison intérieure et sont pourvus l'un d'une arrivée et l'autre d'un départ pour le liquide de refroidissenent et, d'autre part, d'une gaine métallique qui entoure localement la chemise et est au contact de ces bride et virole ou de ces bride et manchon et qui est munie de chenaux d'admission et d'évacuation aptes à être raccordés à ces arrivée et départ respectivement, et en ce que des moyens d'étanchéité sont interposés, d'une part, entre la surface extérieure d'un tube d'électrode et la cloison intérieure de la chemise et, d'autre part, entre la gaine et la cloison extérieure de la chemise. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la lecture de la description et des revendications qui suivent ainsi que de l'examen de la figure unique du dessin, donné seulement à titre d'exemple, où est représenté d'une manière schématique un mode de réalisation d'une torche selon l'invention, illustré en coupe méridienne axiale. Les torches à plasma étant bien connues dans la technique, on ne décrira dans ce qui suit que ce qui concerne directement ou indirectement l'invention. Pour le surplus, l'homme du métier du secteur technique considéré puisera dans les solutions classiques courantes à sa disposition pour faire face aux problèmes particuliers auxquels il est confronté. Il pourra par exemple se reporter utilement au document FR 2 609 358. Dans ce qui suit, on utilise toujours un même numéro de référence pour identifier un élément homologue, quel que soit le mode de réalisation ou sa variante d'exécution. Pour la commodité de l'exposé, on décrira successivement chacun des constituants d'une torche à plasma selon l'invention, avant d'en exposer au besoin la fabrication et la mise en oeuvre. Une torche à plasma selon l'invention comprend, notamment une électrode 10 aval ou anode, une électrode 20 amont ou cathode, un corps intermédiaire 30 séparant les électrodes, un agencement de montage 40, un système de refroidissement 50, des moyens d'étanchéité 60 et, de préférence, un dispositif de fixation 70. L'électrode aval 10 a la configuration d'un tube 11 avec une surface extérieure 101 et une surface intérieure 102. Ce tube 11 cylindrique est transpercé de part en part d'un canal 12 longitudinal, de préférence coaxial, avec une entrée 1?.1 et une sortie 122 axiales. L'électrode amont 20 ou cathode a la configuration d'un tube 21 cylindrique qui possède une surface 201 extérieure et une surface 202 intérieure. Ce tube 21 cylindrique est percé partiellement d'un puits 22 longitudinal, de préférence coaxial, avec une ouverture 221 et un fond 222 axiaux. Le corps intermédiaire 30 est fait essentiellement d'une bride 31 extérieure isolante, d'une virole 32 entretoise isolante et d'un manchon 33 conducteur où est ménagée une chambre 300 dans laquelle débouche au moins un orifice 301 latéral pour l'injection d'un gaz plasmagène. Comme on peut l'observer, le corps intermédiaire en général et les bride, virole et manchon en particulier dont il est fait sont, en section droite, circulaires et coaxiaux aux électrodes. L'agencement de montage 40 comprend par exemple des trous taraudés et/ou alésages 41 pratiqués notamment dans la bride extérieure et dans une gaine du système de refroidissement comme on le comprendra par la suite. Des vis, tirants, boulons ou similaires 42 sont engagés dans ces alésages et trous pour maintenir le tout assemblé comme cela ressort de l'examen de la figure du dessin. Cet agencement de montage a de préférence une symétrie de rotation dont l'axe est coaxial à celui de la torche. Le système de refroidissement 50 comprend essentiellement une chemise 51 et une gaine 52 associées à l'une au moins des deux électrodes. La chemise 51 comprend une cloison 511 intérieure qui présente un dégagement 5110 centrifuge qui est destiné à être placé en regard d'une surface extérieure 101 ou 201 de l'une des électrodes afin de ménager avec celle-ci un anneau 501 creux. La chemise 51 comprend aussi une cloison 512 extérieure qui avec la cloison intérieure 511 ménage entre elles une couronne 502 creuse. La chemise 51 présente deux extrémités ',13 axiales opposées closes. Comme on peut l'observer l'une 5131 des extrémités axiales opposées closes 513 est fermée par contact directe des cloisons 511, ',12 alors que l'autre 5132 de ces extrémités est fermée par une bague 5133 rapportée par exemple soudée. On notera que les extrémités fermées par contact direct 5131, sont proches du corps intermédiaire 30. Les anneau 501 et couronne 502 sont mis en communication entre eux par une traversée 5113 qui transperce la cloison intérieure 5111. Ces anneau 501 et couronne 502 sont pourvus l'un d'une arrivée 5111 et l'autre d'un départ 5112 pour le liquide de refroidissement. La gaine 52 entoure localement la chemise 51 et est au contact de ces bride 31 et virole 32 ou bien de ces bride 31 et manchon 32.La gaine est munie de chenaux d'admission 521 et d'évacuation 522 qui sont chacun aptes à être raccordés à ces arrivée 5111 et départ 5112, respectivement. De préférence, les dimensions des chemises et des gaines utilisées par chacune des électrodes sont les mêmes. Les moyens d'étanchéité 60 sont interposés d'une part, entre la surface extérieure 101, 201 d'un tube 11, 21 et la cloison intérieure 511 d'une chemise 51, et d'autre part, entre la gaine 52 et la cloison extérieure 512 de la chemise 51. Ces moyens d'étanchéité 60 comprennent essentiellement des gorges 61 dans lesquelles sont placés des joints 62 appropriés par exemple toriques métalliquels ou en élastomère. Le dispositif de fixation 70 permet de maintenir la gaine 52 sur la chemise 51 correspondante. Ces moyens de fixation 70 comprennent par exemple une saignée 71 pratiquée dans la gaine et un jonc 72 élastique dénommé habituellement dans la technique "circlips". La figure du dessin illustre un mode de réalisation d'une torche à plasma selon l'invention équipée d'une cathode froide. Une cathode chaude du type bouton, pour l'essentiel, est similaire à une cathode froide du type puits à laquelle est ajoutée une pastille ou bouton logé dans l'ouverture 221 du puits et emmanché en force par exemple. Les électrodes sont de préférence massives et faites en cuivre OFHC (oxygen free high conductivity). L'électrode aval ou anode est transpercée d'un canal d'un diamètre constant sur toute sa longueur ou bien d'un canal dont le diamètre change brutalement, la distance de ce canal de petit diamètre étant de préférence plus petite que la distance de celui de grand diamètre. L'électrode amont ou cathode est percée d'un puits de diamètre constant et est telle que le rapport longueur/ diamètre est de préférence au moins de l'ordre de 10. Pour transformer une telle cathode froide de cette configuration en cathode chaude de type bouton, il suffit de lui adjoindre dans son ouverture une pastille de préférence en tungstène thorié à raison de 2% en masse, qui y est sertie. De préférence, on utilise une pastille ou bouton dont le diamètre est pratiquement égal à son épaisseur et de l'ordre de 9 ou 10 mm. Les chemises sont faites de préférence en un acier inoxydable et les gaines sont faites en un laiton. Le corps intermédiaire comprend une bride extérieure faite en une matière synthétique tel que du polyamide 6-6, une bride entretoise faite en une céramique, telle que la pyrophylite et un manchon en cuivre. La chambre d'injection proprement dite a un diamètre interne de l'ordre de 45 mm et est munie de préférence de six orifices tangentiels, chacun d'un diamètre de l'ordre de 2 mm, pour l'injection du gaz plasmagène. Tous les constituants d'une torche selon l'invention sont fabriqués selon des techniques classiques traditionnelles convenablement adaptées aux matériaux et à la précision requise. Tous ces constituants sont rassemblés, réunis et montés comme cela ressort clairement de la figure unique du dessin. Les gaines, chemises et électrodes sont engagées en force les unes dans les autres et maintenues par les joints. Le tout est réuni et fixé par les agencements de montage et les dispositifs de fixation. Les circuits d'alimentation électrique sont classiques. Pour le refroiciissement on utilise de l'eau injectée à une pression minimale voisine de 8 bars ou hPa à l'aide de chenaux d'admission au nombre de 36 qui ont chacun un diamètre voisin de 3 mm, et des chenaux d'éva cuation en même nombre et de même taille. Les traversées ménagées dans la cloison intérieure de la chemise sont en même nombre et de même taille que les chenaux. Le dégagement pratiqué dans la cloison intérieure pour constituer l'anneau où circule l'eau à une profondeur de l'ordre de 8 à 10 mm. Une torche selon l'invention est apte à fonctionner dans une gamme de puissance électrique allant de 20 kW à 100 kW et avec des intensités d'arc comprises entre 50 A et 600 A pour des débits de gaz (dans les conditions normales) allant de 40 Nl/min à 350 Nl/min. L'enthalpie massique du gaz plasmagène varie de 4 MJ/kg à 20 MJ/kg. On observe que pour des régimes de fonctionnement à fort débit de gaz plasmagène et forte intensité d'arc, l'écoulement du plasma est en régime supersonique. Une torche à plasma selon l'invention, qui est composée d'un très petit nombre de constituants mécaniques de configuration simple et de structure modulaire, est apte à fonctionner aussi bien en polarité directe ou qu'en polarité inverse pour laquelle l'électrode en puits sert alors d'anode, et peut aussi opérer avec une cathode chaude ou avec une cathode froide. Si l'on utilise une cathode chaude en tungstène, il est nécessaire d'utiliser un gaz plasmagène chimiquement inerte vis-à-vis du tungstène tel que par exemple l'azote, l'argon ou des mélanges de ces gaz avec l'hydrogène. Lorsque la torche selon l'invention est utilisée avec une cathode froide, on peut utiliser directement l'air comme gaz plasmagène. Le choix de la géométrie du puits de l'électrode amont ou cathode permet de stabiliser axialement la position du pied amont d'arc sans qu'il soit nécessaire de recourir à l'action d'un champ magnétique auxiliaire extérieur. En faisant en sorte que l'espace interélectrodes soit diminué à 4 mm dans la chambre d'injection, il est possible de procéder à un démarrage automatique de la torche à l'aide d'une décharge haute tension-haute fréquence, par exemple 20 kV-400 kHz. On voit que pour procéder à un échange ou à un remplacement d'électrodes par exemple, il suffit de désassembler la torche en opérant sur les agencements de montage et les dispositifs de fixation puis de dégager les uns des autres les divers constituants de la torche simplement engagés à force les uns dans les autres. Ceci fait on exécute les opérations inverses. Ce qui précède met bien en lumière les particularités distinctives de l'invention, les avantages qu'elle apporte et I'intért qu'elle offre. REVEND ICAT IONS 1 - Torche à plasma constituée, entre autres, de deux électrodes métalliques creuses coaxiales, aval et amont repérées dans le sens d'écoulement du plasma, entre lesquelles peut s'établir un arc, d'un corps intermédiaire avec une chambre intercalaire qui sépare ces électrodes et qui est apte à recevoir un gaz plasmagène injecté, d'un agencement de montage pour réunir assemblés ces électrodes et corps, et d'un système de refroidissement notamment de ces électrodes apte à recevoir un liquide de refroidissement circulant, torche caractérisée en ce que l'électrode aval (10) a la configuration d'un tube (11) cylindrique qui possède une surface (101) extérieure et une surface (102) intérieure et qui est transpercé d'un canal (12) longitudinal avec une entrée (121) et une sortie (122) axiales, en ce que l'électrode amont (20) a la configuration d'un tube (21) cylindrique qui possède une surface (201) extérieure et une surface (202) intérieure et qui est percé d'un puits (22) longitudinal avec une ouverture (221) et un fond (222) axiaux, en ce que le corps (30) intermédiaire est fait d'une bride (31) extérieure isolante d'une virole (32) entretoise isolante et d'un manchon (33) conducteur où est ménagée la chambre (300) dans laquelle débouche au moins un orifice (301) latéral d'injection du gaz plasmagène et en ce que le système de refroidissement (50) comprend entourant au moins une des deux électrodes (10, 20), d'une part, une chemise (51) métallique avec une cloison (511) intérieure qui présente un dégagement (5110) en regard d'une surface extérieure (101, 201) afin de ménager avec celle-ci un anneau (501) creux, avec une cloison (512) extérieure qui avec la cloison intérieure (511) ménage entre elles une couronne (502) creuse et avec deux extrémités (513) axiales opposees closes, où ces anneau (501) et couronne (502) sont mis en communica tion entre eux par une traversée (5113) transperçant la cloison intérieure (511) et sont pourvus l'un d'une arrivée (5111) et l'autre d'un départ (5112) pour le liquide de refroidissement et, d'autre part, d'une gaine (52) métallique qui entoure localement la chemise (51) et est au contact de ces bride (31) et virole (32) ou de ces bride (31) et manchon (33) et qui est munie de chenaux d'admission (521) et d'évacuation (522) aptes à être raccordés à ces arrivées (5111) et départs (5112) respectivement, et en ce que des moyens d'étanchéité (60) sont interposés, d'une part, entre la surface extérieure (101, 102) d'un tube (11, 12) d'électrode et la cloison intérieure (511) de la chemise (51) et, d'autre part, entre la gaine (52) et la cloison extérieure (512) de la chemise (51). 2 - Torche selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'une (5131) des extrémités axiales opposées closes (513) est fermée par contact direct des cloisons (511, 512) et l'autre (5132) de ces extrémités est fermée par une bague (5133) rapportee. 3 - Torche selon la revendication 2, caractérisée en ce que les extrémités fermées par contact directe (5131) sont proches du corps intermédiaire (30). 4 - Torche selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens d'étanchéité (60) comprennent des gorges (61) creusées dans ces chemise (51) et gaine (52) et des joints (62) logés dans ces gorges (61). 5 - Torche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens de montage (40) comprennent des alésages (41) dans la gaine (52) et des trous taraudés dans la bride (31), destinés à recevoir des vis ou similaires (42). 6 - Torche selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de fixation (70) pour réunir chemise (51) et gaine (52). 7 - Torche selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif de fixation (70) comprend une saignée (71) et un jonc (72) élastique. 8 - Torche selon l'une quelconque des revendications, caractérisée en ce que l'ouverture (221) du puits (22) de l'électrode amont (20) est fermée par une pastille métallique rapportée. 9 - Torche selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la chemise (51) est faite en un acier inoxydable et la gaine (52) est faite en un laiton. 10 - Torche selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le corps intermédiaire (30) comprend une bride (31) faite en une matière synthétique, une virole (32) faite en une céramique et un manchon (33) fait en cuivre. 11 - Torche selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que la pastille est faite en tungstène thorié.