Brevet FR2860123A1 — publié le 20050325

TORCHE A PLASMA THERMIQUE INDUCTIF L'invention concerne le domaine des torches à plasma thermique inductif et plus précisément le domaine des torches dites à cage froide . Une torche à plasma thermique inductif utilise un gaz plasmagène, par exemple de l'air filtré ou bien reconstitué, qui est injecté en fond de torche, les réactifs pouvant être injectés soit en fond de torche, soit en bout de torche. Par rapport à une torche classique, à enceinte quartz refroidie par eau, dont la puissance maximale vaut environ 150kW, une torche à cage froide permet d'obtenir des puissances atteignant 500kW à 1MW environ. De plus, la durée de vie d'une torche à cage froide est supérieure à celle d'une torche quartz classique. La torche à cage froide présente un tube de confinement essentiellement constitué de doigts de confinement conducteurs, s'étendant longitudinalement par rapport au tube et avantageusement constitués en matériau métallique, par exemple en cuivre. Ces doigts sont soudés en fond de torche et sont séparés les uns des autres par un matériau isolant, par exemple de la silice, afin d'éviter la circulation de courants induits dans le tube de confinement. La paroi du tube de confinement est refroidie, chaque doigt étant préférentiellement refroidi par un circuit d'eau individuel. L'ensemble de la torche, fond de torche et tube de confinement, est isolé électriquement de la terre électrique de l'installation complète utilisant la torche, ladite installation complète étant par exemple une installation de recharge plasma à l'aide de grain de silice d'une préforme primaire pour en faire une préforme finale à fibre optique. Lors de l'amorçage de la torche, le gaz plasmagène utilisé n'est préférentiellement pas de l'air car le champ électrique nécessaire serait trop important pour un amorçage direct. L'amorçage est réalisé de préférence avec un gaz de type Argon, qui nécessite un champ électrique moindre et qui ne présente pas de problème de sécurité. Toutefois, le plasma obtenu avec l'Argon est très court car l'Argon est un gaz monoatomique. C'est pourquoi, une fois l'amorçage réalisé, l'Argon est remplacé par exemple par de l'air, qui étant un gaz essentiellement diatomique, permet l'obtention d'un plasma plus long et donc plus efficace pour chauffer la préforme, ce plasma plus long présentant un panache nettement plus énergétique que celui de l'Argon et permettant un meilleur échange thermique avec la préforme. Les dispositifs d'allumage classiques ne vont pas convenir pour les torches à cage froide. En effet, les dispositifs d'allumage classiques vont provoquer des arcs électriques violents et la destruction de certaines parties ou de certains composants de la torche à cage froide, ou bien être tout à fait inefficaces. Dans une torche à cage froide, comme dans une torche quartz classique, le champ électromagnétique ne permet pas l'ionisation spontanée du gaz plasmagène; c'est pourquoi un amorçage thermique ou électrique, est nécessaire. Passons en revue certains dispositifs d'allumage de l'art antérieur permettant de réaliser un amorçage d'une torche quartz classique. Selon un premier art antérieur, le dispositif d'allumage permettant de réaliser l'amorçage est une bobine Tesla. Des effluves sont crées à l'intérieur de la torche et se transforment en plasma thermique. Cependant, la bobine Tesla crée un champ électrique qui ne peut franchir qu'une simple épaisseur d'une paroi électriquement transparente, comme par exemple la paroi en quartz de la torche quartz classique. Ce dispositif d'allumage présente l'inconvénient d'être limité aux torches quartz classiques, en quartz et à simple épaisseur, c'est-à-dire à des torches de faible puissance. Selon un deuxième art antérieur, l'amorçage est réalisé par génération d'un arc électrique permettant de générer des effluves qui vont se transformer en plasma thermique. Deux dispositifs d'allumage permettent d'y parvenir. Le premier dispositif d'allumage est constitué de deux électrodes en graphite reliées à une alimentation électrique. Les électrodes en graphite étant d'une utilisation complexe et délicate, ce premier dispositif d'allumage est complexe et délicat et n'est donc pas applicable industriellement de manière facile. Le deuxième dispositif d'allumage est constitué par une bobine dont les extrémités se font face et forment un éclateur par effet de pointe. Une différence de potentiel est donc crée entre d'une part l'une des électrodes qui est située à l'extrémité de la bobine 2860123 3 et d'autre part l'autre électrode qui est droite et qui traverse l'intérieur de la bobine. Ce deuxième dispositif d'allumage soit peut entraîner un amorçage du plasma à condition d'appliquer une puissance très élevée, ce qui peut abîmer la torche par la violence de l'allumage, lorsque les extrémités sont bien taillées en pointe, soit peut ne plus fonctionner correctement et ne plus entraîner d'amorçage du tout lorsque les extrémités se sont émoussées et sont devenues arrondies, ce qui se produit rapidement et inévitablement après quelques essais d'allumages. Ce deuxième dispositif est par conséquent peu pratique, surtout pour des applications industrielles. Selon un troisième art antérieur, l'amorçage est réalisé à l'aide d'un plasma froid à basse pression. A basse pression, le plasma d'Argon s'amorce spontanément sous l'effet d'un champ électrique haute tension et haute fréquence. Puis, le vide est cassé, la température, la pression et la puissance augmentent de manière à se ramener aux conditions habituelles de plasma thermique. Cependant, ce type de dispositif d'allumage requiert une enceinte étanche dans laquelle par exemple les mouvements de la préforme primaire en train d'être rechargée peuvent être effectués de manière à ce que la réaction chimique se déroule en atmosphère contrôlée. Ce troisième art antérieur qui propose un véritable réacteur est beaucoup trop complexe, il est inutile et surdimensionné par rapport au besoin de l'application qui ne concerne qu'une simple flamme à l'atmosphère ambiante. Selon un quatrième art antérieur, le dispositif d'allumage est constitué d'une tige réfractaire, par exemple en graphite ou en molybdène, qui est introduite dans la torche, qui est ensuite chauffée par induction de manière à émettre des électrons thermiques lesquels vont ioniser l'Argon et ainsi amorcer la décharge. Pour une torche quartz classique, si le bras supportant la tige est électriquement conducteur, par exemple métallique, donc si la tige est reliée à la terre électrique de l'ensemble de l'installation, l'amorçage s'effectue dans de bonnes conditions; par contre, si le bras supportant la tige est isolant, donc si la tige est à potentiel flottant, isolée du reste de l'installation, alors l'amorçage se produit moins efficacement. Pour une torche à cage froide, si l'on veut utiliser un dispositif d'allumage selon le quatrième art antérieur, on est confronté au double problème suivant. Soit le bras supportant la tige est conducteur, par exemple métallique, auquel cas la tige est reliée à la terre électrique de l'ensemble de l'installation, et l'amorçage s'effectue mais il se produit un arc électrique qui endommage la torche. Soit le bras supportant la tige est isolant, auquel cas la tige est isolée du reste de l'installation, et alors l'amorçage ne se produit pas du tout. D'une part, le tube de confinement essentiellement métallique semble bloquer le champ électrique de l'inducteur. D'autre part, l'isolation entre les doigts constituant le tube de confinement empêche la circulation de courants électriques induits. Trop peu de puissance, que ce soit sous forme champ électrique induit ou sous forme circulation de courants induits, est par conséquent disponible dans la torche et l'amorçage ne s'effectue pas. Selon la figure 3 du brevet américain US 5017751, il est connu une tige 52 en graphite reliée à la terre électrique (voir lignes 4-9 colonne 6), mais cette tige n'appartient au dispositif d'allumage, elle a une fonction totalement différente, elle permet lors du passage du plasma Argon au plasma azote d'éviter la dégradation de la forme du plasma (voir lignes 46-54 colonne 5 et lignes 18-20 colonne 6). Selon la figure 1 du brevet américain US 4665296, il est connu une tige Lb reliée à la terre électrique, mais aucune précision n'est donnée sur la nature de la liaison électrique Lc la reliant à la terre électrique. La solution préconisée par l'invention concerne une amélioration du dispositif d'allumage selon le quatrième art antérieur. Afin d'éviter les problèmes d'arcage, l'allumette est portée par une extrémité de son support qui est isolée de la terre électrique de l'installation. Afin de permettre tout de même un amorçage, une liaison électriquement conductrice calibrée relie l'allumette à la terre électrique de l'installation. Cette liaison électriquement conductrice est calibrée de 2860123 5 manière à être à la fois suffisamment isolante électriquement pour éviter de créer des arcs électriques susceptibles d'endommager la torche et suffisamment conductrice électriquement pour amorcer la décharge dans le plasma. Pour cela, la liaison est choisie électriquement conductrice de manière à amorcer efficacement le plasma mais présente une section suffisamment faible pour éviter les risques d'arc électrique dommageable pour la torche. La faible section de la liaison électriquement conductrice évitera le risque d'arcage électrique par décharge capacitive entraînant le passage de courants électriques très élevés entre le dispositif d'allumage et une autre partie de la torche. La liaison électriquement conductrice présente donc une plage médiane de résistivité permettant le passage d'un courant électrique à la fois suffisant pour amorcer le plasma efficacement et à la fois limité pour éviter les arcages électriques dommageables à la torche. Des avantages du dispositif d'allumage de torche à cage froide selon l'invention sont, en plus d'un amorçage efficace du plasma sans arcage électrique dommageable pour la torche, un surcoût tout à fait négligeable et une application industrielle aisée. Selon l'invention, il est prévu une torche à plasma thermique inductif étant destinée à être utilisée dans une installation et comprenant, un tube de confinement comprenant, longitudinalement par rapport au tube, des doigts métalliques isolés les uns des autres, un dispositif d'allumage comprenant une allumette et un support d'allumette, l'allumette étant destinée à amorcer une décharge dans le plasma de la torche, le support ayant une extrémité électriquement conductrice qui est destinée à être reliée à la terre électrique de l'installation, caractérisée en ce que le support a une autre extrémité électriquement isolante qui porte l'allumette, et en ce que le dispositif d'allumage comprend aussi une liaison électriquement conductrice reliant l'allumette à l'extrémité électriquement conductrice du support de manière à ce que l'allumette puisse amorcer la décharge dans le plasma, ladite liaison électriquement conductrice présentant une section suffisamment faible pour limiter l'intensité du courant susceptible de traverser l'allumette afin d'éviter un arcage électrique par décharge capacitive entre le dispositif d'allumage et une autre partie de la torche. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages 5 apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints, donnés à titre d'exemples, où : - la figure 1 représente schématiquement une vue de profil d'un dispositif d'allumage d'une torche à cage froide selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement une vue de profil d'un dispositif d'allumage d'une torche à cage froide selon l'invention. Le dispositif d'allumage comprend un support comprenant d'une part une extrémité électriquement conductrice 1 qui est reliée à la terre électrique 2 de l'installation et d'autre part une extrémité électriquement isolante 3 qui porte une allumette 4 destinée à amorcer le plasma dans la torche. L'allumette 4 est supportée par l'extrémité électriquement isolante 3. Une liaison électriquement conductrice calibrée 5 relie l'allumette 4 à l'extrémité électriquement conductrice 1 du support. Dans un mode de réalisation détaillé seulement donné à titre d'exemple, l'allumette 4 est maintenue sur l'extrémité électriquement isolante 3 du support par l'intermédiaire d'un ruban 31 tressé haute température. L'extrémité électriquement conductrice 1 est en inox. L'extrémité électriquement isolante 3 est un tube de quartz. L'allumette 4 est en graphite. La liaison électriquement conductrice calibrée 5 est un fil de cuivre de diamètre valant environ 0.2mm. De préférence, la liaison électriquement conductrice 5 est également calibrée de manière à servir de fusible en cas d'arcage électrique par décharge capacitive entre le dispositif d'allumage et une autre partie de la torche. Ceci afin d'éviter tout endommagement important de la torche dans le cas où un arc électrique viendrait à se produire. De préférence, l'extrémité électriquement isolante 3 du support comprend 30 un tube de quartz. De préférence, la liaison électriquement conductrice est un fil métallique. Le fil métallique a préférentiellement un diamètre de quelques dixièmes de millimètre, typiquement inférieure à 0.5mm, et avantageusement un diamètre compris entre 0,1 mm et 0,3mm. Le fil métallique est préférentiellement en cuivre. REVENDICATIONS 1. Torche à plasma thermique inductif étant destinée à être utilisée dans une installation et comprenant, un tube de confinement comprenant, longitudinalement par rapport au tube, des doigts métalliques isolés les uns des autres, un dispositif d'allumage comprenant une allumette (4) et un support (1, 3) d'allumette, l'allumette (4) étant destinée à amorcer une décharge dans le plasma de 10 la torche, le support ayant une extrémité électriquement conductrice (1) qui est destinée à être reliée à la terre électrique (2) de l'installation, caractérisée en ce que le support a une autre extrémité électriquement isolante (3) qui porte l'allumette, et en ce que le dispositif d'allumage comprend aussi une liaison électriquement conductrice (5) reliant l'allumette (4) à l'extrémité électriquement conductrice (1) du support de manière à ce que l'allumette puisse amorcer la décharge dans le plasma, ladite liaison électriquement conductrice (5) présentant une section suffisamment faible pour limiter l'intensité du courant susceptible de traverser l'allumette (4) afin d'éviter un arcage électrique par décharge capacitive entre le dispositif d'allumage et une autre partie de la torche. 2. Torche selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison électriquement conductrice (5) est calibrée de manière à servir de fusible en cas d'arcage électrique par décharge capacitive entre le dispositif d'allumage et une autre partie de la torche. 3. Torche selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'extrémité électriquement isolante (3) du support comprend un tube de quartz. 4. Torche selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la liaison électriquement conductrice (5) est un fil métallique. 5. Torche selon la revendication 4, caractérisée en ce que le fil métallique 10 (5) a un diamètre inférieur à 0,5mm. 6. Torche selon la revendication 5, caractérisée en ce que le fil métallique (5) a un diamètre compris entre 0,1 mm et 0,3mm. 7. Torche selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le fil métallique (5) est en cuivre. 8. Installation de fabrication de préforme finale à fibre optique par recharge plasma, avec du grain, d'une préforme primaire, caractérisée en ce que l'installation comprend une torche selon l'une quelconque des revendications précédentes.