Brevet FR2735941A1 — publié le 19961227

TORCHE A PLASMA A BOBINE ELECTROMAGNETIQUE DE DEPLACEMENT DU PIED D'ARC INDEPENDANTE ET INTEGREE La présente invention a trait d'une manière générale aux torches à plasma industrielles et plus particulièrement à une bobine électromagnétique de déplacement du pied d'arc de telles torches. Le principe d'une telle bobine, dite bobine de champ, est bien connu. Elle vise à contraindre le pied de l'arc électrique au droit de l'électrode amont, qu'il s'agisse d'une torche à plasma d'arc transféré à électrode unique, dite amont, l'autre électrode, dite aval, étant à l'extérieur de la torche, ou d'une torche à plasma d'arc non-transféré, les deux électrodes, amont et aval, étant disposées à l'intérieur de la torche, à se déplacer afin de réduire et répartir l'usure par érosion, due à l'arc, de l'électrode. Dans les torches à plasma du type à arc non-transféré la mise en oeuvre d'une telle bobine est réalisée, d'une manière générale, de deux manières. Ou bien, comme enseigné par le document FR-A-2.609.358, la bobine de champ est indépendante de la torche à plasma et enfilée extérieurement sur I'enveloppe de la torche enfermant l'électrode amont. Une telle réalisation s'avère encombrante et coûteuse. Ou bien, comme enseigné par le document FR-A-2.654.295, la bobine de champ est carrément intégrée à l'électrode amont qu'elle enveloppe étroitement en sorte qu'elle est totalement dépendante de cette électrode à la fois en 2 2735941 diamètre, en position axiale et pour ce qui concerne le branchement électrique qui est du type série. La présente invention vise à s'affranchir de ces divers inconvénients et contingences en proposant une nouvelle conception de bobine de champ assurant à la fois indépendance et intégration vis à vis de l'électrode amont et une modularité qui, associée au caractère amovible de la bobine, permette d'équiper une même torche de bobines de champ de caractéristiques différentes. A cet effet, I'invention a pour objet une torche à plasma à bobine électromagnétique de déplacement du pied d'arc indépendante et intégrée, ladite torche comprenant une partie, dite torche nue, dans laquelle sont disposés une électrode unique dite amont ou une paire d'électrode coaxiales dites amont et aval, les électrodes étant tubulaires et refroidies par un circuit de refroidissement approprié, une bobine dite de champ de déplacement du pied d'arc et des moyens pour injecter un gaz plasmagène en aval de l'électrode amont ou entre l'électrode amont et l'électrode aval, des moyens étant en outre prévus pour assurer le démarrage de la torche, caractérisée en ce que ladite bobine de champ a une forme générale cylindrique et est constituée d'un ensemble de trois supports en matériau isolant électriquement en forme de tubes cylindriques coaxiaux reliés, à une extrémité dudit ensemble, à une couronne munie de moyens de connexion électrique reliés à au moins un enroulement hélicoïdal ménagé sur au moins l'une des faces de l'un des trois supports cylindriques susdits, ledit ensemble étant amovible et insérable dans la torche nue autour de ladite électrode amont. Suivant une application de l'invention à une torche du type comportant une torche nue dont la structure porteuse est formée de trois enveloppes coaxiales se recouvrant au moins partiellement, à savoir une enveloppe externe, une enveloppe intermédiaire définissant avec l'enveloppe externe le circuit de retour du fluide de refroidissement de la partie chaude de la torche et une enveloppe interne définissant avec l'enveloppe intermédiaire le circuit d'admission du gaz plasmagène et canalisant par sa face interne le flux entrant du fluide de refroidissement en direction de l'électrode amont, de la bobine de 3 2735941 champ et éventuellement de l'électrode aval, caractérisée en ce que la bobine est insérée entre l'électrode amont et une partie ou un prolongement de l'enveloppe interne et en ce que les moyens de connexion électrique de la bobine sont constitués de deux broches de raccordement solidaires de ladite couronne, disposées parallèlement à l'axe de la torche et susceptibles de recevoir, par enfichage, des tiges de connexion électrique s'étendant à l'intérieur de l'enveloppe interne et reliées, à leur autre extrémité, à des bornes électriques ménagées sur ladite structure externe. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le support cylindrique central dudit ensemble est agencé de façon à établir une communication, du côté de son extrémité tournée vers ladite couronne, entre les espaces délimités entre le support central et les deux supports adjacents, la bobine étant insérée dans la torche ou agencée de façon que le fluide ayant refroidi la face externe de l'électrode amont, pénètre entre le support central et le support interne puis entre le support central et le support externe. Suivant un mode de réalisation, la bobine comporte deux enroulements hélicoïdaux placés respectivement sur les deux faces opposées du support cylindrique central. Suivant un autre mode de réalisation, la bobine comporte quatre enroulements hélicoïdaux, placés respectivement sur les deux faces opposées du support cylindrique central et sur les deux faces en regard des deux autres supports cylindriques. Une telle conception de la bobine de champ permet de la rendre indépendante de l'électrode amont, de changer la bobine pour éventuellement en mettre une autre de configuration électrique différente, c'est-à-dire à enroulements différents en nombre, en disposition spatiale, en puissance. La bobine présente une compacité remarquable et s'intègre facilement dans la torche et notamment dans le circuit de refroidissement de la ou des électrodes. Plusieurs modes de branchement électrique, séparé, série ou parallèle avec un point commun entre la bobine et l'électrode amont, sont possibles. 4 2735941 De même, on peut éventuellement positionner la bobine axialement par rapport à l'électrode amont en adaptant par exemple la longueur des tiges de connexion électrique. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'une torche à plasma munie d'une bobine de champ conforme à l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels: -Figure 1, fractionnée en trois parties respectivement la, lb et lc pour plus de lisibilité, est une vue en section axiale partielle d'une torche à plasma munie d'une bobine de champ selon l'invention; - Figure 2 est une vue en coupe axiale d'une bobine de champ suivant un premier agencement d'enroulements hélicoïdaux; - Figure 3 est une vue de gauche de la bobine de la figure 2; - Figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 2 illustrant un second agencement d'enroulements hélicoïdaux; - Figures 5a à 5c illustrent trois schémas de connexion électrique de la bobine; - Figure 6 est une vue partielle illustrant un mode de branchement en série de la bobine, et -Figure 7 est une vue partielle illustrant un mode de branchement en parallèle de la bobine. La figure 1 représente une torche à plasma à arc non-transféré du type décrit dans une demande de brevet déposée parallèlement à la présente demande. Cette torche, utilisable notamment dans des fours de vitrification de déchets, comprend une partie dite torche nue 1, formée de trois enveloppes coaxiales se recouvrant partiellement, reliée à son extrémité arrière à une structure externe 2 assurant notamment la connectique, c'est-à-dire les liaisons fluidiques et électriques avec l'extérieur de la torche. Dans la torche nue 1, comprenant une enveloppe métallique cylindrique externe 3, une enveloppe métallique cylindrique intermédiaire 4 et une enveloppe cylindrique isolante électriquement 5, sont disposés une électrode 2735941 amont annulaire 6, une électrode aval annulaire 7, un dispositif 8 d'injection de gaz plasmagène agencé entre les électrodes 6,7 et une bobine de champ 9, annulaire, entourant l'électrode amont 6. L'électrode amont 6 est déplaçable en direction de l'électrode aval 7, à des fins de démarrage de la torche, à l'aide d'un vérin starter 10 disposé à l'extérieur du corps cylindrique 1 1 de la structure externe 2. Le vérin 10 agit sur l'électrode amont 6 par un jeu de tiges 12,13 coaxiales à la torche, traversant le corps 11 et s'étendant à l'intérieur de l'enveloppe interne 5. Le refroidissement des parties chaudes de la torche est réalisé par un fluide, de l'eau déminéralisée par exemple, pénétrant dans le corps 11 par une arrivée symbolisée en 14 débouchant dans un espace délimité par le corps 1 1 et l'enveloppe interne 5 et dans lequel baigne le jeu de tiges 12,13. Le fluide de refroidissement s'écoule ensuite en léchant la face externe de l'électrode amont 6 en étant laminé par un séparateur annulaire 15, interposé entre l'électrode 6 et la bobine de champ 9, puis traverse, par des passages 16, une pièce annulaire 17 du dispositif 8 d'injection de gaz plasmagène, lèche la face externe de l'électrode aval 7 et enfin revient dans le corps 11 par l'espace anrnulaire délimité entre les enveloppes externe 3 et intermédiaire 4. Le fluide ressort du corps 11 par une sortie symbolisée en 18. Le dispositif injecteur 8 est alimenté en gaz plasmagène, de l'air par exemple, introduit dans le corps 1 1 par une arrivée symbolisée en 19 et acheminé à l'injecteur par l'intermédiaire de l'espace annulaire délimité entre l'enveloppe intermédiaire 4 et l'enveloppe interne 5. Pour plus de détails sur une telle structure on pourra se reporter utilement à ladite demande parallèle. Conformément à la présente invention, la bobine de champ 9 est constituée d'un ensemble annulaire cylindrique formé de trois tubes cylindriques coaxiaux, solidarisés entre eux avec un écartement déterminé entre le tube central 20, et les tubes externe 21 et interne 22. 6 2735941 Les tubes 20,21,22 sont en matériau isolant électrique, avec un même intervalle entre le tube central 20 et les tubes latéraux 21,22. La liaison entre les tubes est réalisée par exemple par des entretoises isolantes 23. Suivant le mode de réalisation représenté, le tube central 20 dépasse d'une certaine longueur 24 des tubes adjacents 21,22 à l'extrémité distale de la bobine, cependant que l'extrémité proximale du tube 20 se trouve à distance d'une couronne 25 reliant les deux tubes externe 21 et interne 22. Ainsi, l'intervalle entre le tube central 20 et le tube externe 21 communique avec l'intervalle entre le tube central 20 et le tube interne 22 par un passage annulaire 26 dans le fond de la bobine 9. La couronne 25 est munie de deux broches 27 de connexion électrique, disposées de façon diamétralement opposée et tournées vers la structure interne 2. Dans le mode de réalisation de la figure 2, les broches 27 sont reliées à deux enroulements hélicoïdaux en série, à savoir un enroulement interne 28a placé sur la face interne du tube central 20 et un enroulement externe 28b placé sur la face externe dudit tube 20. Un tel agencement des enroulements, lesquels sont de faible section et donc dégagent de la chaleur, permet leur refroidissement, comme on le soulignera plus loin. Dans le mode de bobinage de la figure 4, les broches 27' sont reliées à quatre enroulements hélicoïdaux en série 29a,29b,29c,29d répartis respectivement sur la face externe du tube interne 21, les faces interne et externe du tube central 20 et la face interne du tube externe 22. Comme on peut le remarquer sur les figures 2 et 4, le nombre, l'étendue et la disposition du ou des enroulements sur la bobine 9 peuvent varier en sorte d'avoir une grande souplesse d'adaptation du champ magnétique que l'on veut obtenir. Comme illustré par la figure 1, chaque broche 27 est susceptible d'être connectée, par enfichage, à une tige de connexion électrique 30, parallèle à l'axe de la torche, s'étendant à l'intérieur de l'enveloppe interne 5, 7 2735941 traversant le corps 11 et reliée à une borne de connexion 32 accessible à l'extérieur dudit corps. En outre, une autre borne de connexion électrique 33 accessible à l'extérieur du corps 11 est reliée à une tige 34 analogue à la tige 30, s'étendant à l'intérieur de l'enveloppe interne 5, en étant située en dehors du plan défini par les deux tiges 30, par exemple en étant décalée angulairement de 90 par rapport à ces deux tiges 30. La tige 34 est reliée à une douille conductrice 35 montée coulissante sur la tige 13 de déplacement de l'électrode amont 6, laquelle tige 13 assure la conduction électrique avec ladite électrode 6. Différents montages de la bobine 9 sont possibles. Si l'on veut un montage du circuit de la bobine 9 indépendant de celui des électrodes, comme illustré par la figure 5a, la bobine est alimentée par les deux bornes 32 reliées aux deux broches 27 de la bobine. L'électrode amont 6 est alimentée à partir de la borne 33, par les tiges 13,34 et la pièce 35, le retour de courant de l'électrode aval 7 s'effectuant par l'enveloppe externe 3, le corps 11 et la borne 36 de la structure 2. Préférentiellement, afin d'avoir un éloignement maximal entre les tiges 30 et 34, pour un meilleur isolement, les trois tiges , 34 seront décalées angulairement entre elles de 120 , les deux broches 27 n'étant plus alors diamétralement opposées comme illustré sur les figures 2 à 4. Si l'on veut un montage en série de la bobine 9 avec les électrodes, comme illustré par la figure 5b, I'une des broches 27 est reliée à la pièce 35 comme illustré par la figure 6 par l'intermédiaire d'une vis de connexion V, la tige 34 n'étant pas montée. Si l'on veut un montage en parallèle, comme illustré par la figure 5c, l'une des bornes 32 est reliée à l'une des broches 27 et la borne 33 est reliée à la fois à l'électrode amont 6 et à l'autre broche (27) par une tige de connexion auxiliaire T prolongeant la tige 34 et traversant la pièce 35, comme illustré par la figure 7. L'intérêt de ce branchement est de mettre la bobine 9 au même potentiel que l'électrode amont 6, de façon à éviter les claquages tout en gardant un pilotage séparé de la bobine et de l'arc comme dans le branchement indépendant. 8 2735941 Il est à noter, comme illustré par la figure 1, que la partie dépassante 24 du tube central 20 vient en appui contre une partie de la pièce 17 de l'injecteur afin de canaliser, comme indiqué par la flèche 38, le fluide de refroidissement provenant de l'électrode amont 6, d'abord dans l'intervalle entre les tubes 20 et 22, puis dans l'intervalle entre les tubes 20 et 21, en sorte de lécher toutes les faces porte-enroulement de la bobine 9, sur toute leur longueur, ainsi que, dans le passage annulaire 26, les liaisons électriques entre les enroulements et les broches 27. L'espacement entre les tubes 20,21,22 de la bobine 9 est déterminé de façon à avoir les caractéristiques de refroidissement désirées. L'appui du prolongement 24 sur la pièce 17 est glissant et autorise le libre coulissement de la bobine 9 dans son logement annulaire défini par le séparateur et un prolongement annulaire 17a de la pièce 17, lui-même disposé dans le prolongement de l'enveloppe interne 5. Suivant une autre caractéristique du dispositif de l'invention, il est également possible de modifier axialement la position relative de la bobine 9 par rapport à l'électrode amont 6 en remplaçant les tiges 30 par des tiges de longueur différente, ou encore en disposant, à l'extrémité externe des tiges, un dispositif (non représenté sur les dessins) assurant un déplacement axial contrôlé desdites tiges suivant, par exemple, un programme déterminé, la bobine 9 pouvant, comme indiqué ci-dessus, librement coulisser entre le séparateur 15 et la partie 17a. Inversement, le séparateur 15 peut, lors du déplacement de l'électrode amont 6 vers l'électrode aval 7 au moment du démarrage, librement coulisser à I'intérieur de la bobine 9 qui demeure stationnaire. Enfin, I'invention n'est évidemment pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits ci-dessus, mais en couvre au contraire toutes les variantes, notamment en ce qui concerne les formes, dimensions et agencement des trois parties tubulaires 20,21,22 du support de bobine, I'agencement, le nombre et le montage des enroulements, les moyens de connexion de la bobine. 9 2735941 L'invention s'applique à tous types de torche à plasma, à arc non- transféré ou à arc transféré, quel que soit par ailleurs le type du dispositif de démarrage utilisé, en particulier que l'électrode amont 6 soit mobile ou non. 2735941 REVENDICATIONS 1. Torche à plasma à bobine électromagnétique de déplacement du pied d'arc indépendante et intégrée, ladite torche comprenant une partie, dite torche nue (1), dans laquelle sont disposés une électrode unique dite amont ou une paire d'électrode coaxiales dites amont (6) et aval (7), les électrodes étant tubulaires et refroidies par un circuit de refroidissement approprié, une bobine dite de champ (9) de déplacement du pied d'arc et des moyens (8) pour injecter un gaz plasmagène en aval de l'électrode amont ou entre l'électrode amont (6) et l'électrode aval (7), des moyens (10 à 13) étant en outre prévus pour assurer le démarrage de la torche, caractérisée en ce que ladite bobine de champ (9) a une forme générale cylindrique et est constituée d'un ensemble de trois supports en matériau isolant électriquement en forme de tubes cylindriques coaxiaux (20,21,22) reliés, à une extrémité dudit ensemble, à une couronne (25) munie de moyens de connexion électrique (27,27') reliés à au moins un enroulement hélicoïdal (28a,28b, 29a,29b,29c,29d) ménagé sur au moins l'une des faces de l'un des trois supports cylindriques (20,21,22) susdits, ledit ensemble étant amovible et insérable dans la torche nue (1) autour de ladite électrode amont (6). 2. Torche suivant la revendication 1, du type comportant une torche nue (1) dont la structure porteuse est formée de trois enveloppes coaxiales se recouvrant au moins partiellement, à savoir une enveloppe externe (3), une enveloppe intermédiaire (4) définissant avec l'enveloppe externe (3) le circuit de retour du fluide de refroidissement de la partie chaude de la torche et une enveloppe interne (5) définissant avec l'enveloppe intermédiaire (4) le circuit d'admission du gaz plasmagène et canalisant par sa face interne le flux entrant du fluide de refroidissement en direction de l'électrode amont (6), de la bobine de champ (9) et éventuellement de l'électrode aval (7), caractérisée en ce que la bobine (9) est insérée entre le séparateur (15) de l'électrode amont (6) et une partie ou un prolongement (17a) de l'enveloppe interne (5) et en ce que les moyens de connexion électrique de la bobine (9) sont constitués de deux il 2735941 broches de raccordement (27,27') solidaires de ladite couronne (25), disposées parallèlement à l'axe de la torche et susceptibles de recevoir, par enfichage, des tiges de connexion électrique (30) s'étendant à l'intérieur de l'enveloppe interne (5) et reliées, à leur autre extrémité, à des bornes électriques (32) ménagées sur ladite structure externe (2). 3. Torche suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le support cylindrique central (20) dudit ensemble est agencé de façon à établir une communication, du côté de son extrémité tournée vers ladite couronne (25), entre les espaces délimités entre le support central (20) et les deux supports adjacents (21,22), la bobine (9) étant insérée dans la torche ou agencée de façon que le fluide ayant refroidi la face externe de l'électrode amont (6), pénètre entre le support central (20) et le support interne (21), puis entre le support central (20) et le support externe (22). 4. Torche suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la bobine (9) comporte deux enroulements hélicoïdaux (28a,28b) placés respectivement sur les deux faces opposées du support cylindrique central (20). 5. Torche suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la bobine (9) comporte quatre enroulements hélicoïdaux (29a,29b,29c,29d), placés respectivement sur les deux faces opposées du support cylindrique central (20) et sur les deux faces en regard des deux autres supports cylindriques (21,22). 6. Torche suivant les revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le support cylindrique central (20) comporte un prolongement (24) en contact glissant avec une pièce d'appui (17) en sorte de permettre ladite pénétration du fluide de refroidissement dans l'intervalle entre ledit support central (20) et le support interne (22) tout en autorisant un coulissement de la bobine (9) dans son logement. 7. Torche suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la bobine (9) est réglable en position axialement par rapport à l'électrode amont (6). 8. Torche suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la bobine (9) est montée déplaçable axialement de manière contrôlée.