Brevet FR2902962A1 — publié le 20071228

TORCHE PLASMA POUR RECHARGE DE FIBRE OPTIQUE La présente invention concerne une torche plasma, du type utilisé pour recharger une préforme de fibre optique. Une fibre optique est réalisée en étirant une préforme sur une tour de fibrage. Une préforme comprend généralement une préforme primaire constituée d'un tube de verre de très haute qualité qui forme une partie de la gaine et le coeur de la fibre. Cette préforme primaire est ensuite rechargée ou manchonnée pour augmenter son diamètre et former une préforme utilisable sur une tour de fibrage. La recharge d'une préforme primaire est généralement réalisée par projection de grains de silice qui sont fusionnés par une torche plasma sous une température de l'ordre de 2300 pour être vitrifiés sur la périphérie de la préforme primaire. On utilise de préférence du grain de silice naturelle pour des raisons de coût, mais du grain de silice synthétique et/ou dopée peut également être utilisé. L'opération de recharge s'effectue généralement dans une cabine close à atmosphère contrôlée pour assurer une protection contre les perturbations électromagnétiques et le dégagement d'ozone émis par la torche à plasma. La figure 1 montre schématiquement une torche plasma 200 en fonctionnement pour la recharge d'une préforme de fibre optique 100. Une telle torche plasma est par exemple connue du document EP-A-1 213 950 ou du document US-A-2003/0182971. Une torche plasma 200 comprend un corps tubulaire 201 qui sert à confiner le plasma. Le tube peut présenter une structure multiparoi pour permettre la circulation d'un liquide de refroidissement. Le corps tubulaire 201 de la torche doit en effet supporter les très fortes températures générées dans la région du plasma. Le corps tubulaire est ainsi généralement en quartz, mais peut également être en céramique thermo-conductrice, tel que cela est décrit dans le document US-A-5 200 595. La torche 200 comprend aussi un fond de gaz 500 fixé à une extrémité du corps tubulaire 201 et qui comprend un socle et un diffuseur 400 de gaz. Le socle et le diffuseur sont généralement composés en acier inoxydable. Au moins une entrée de gaz principale 203 est prévue pour injecter de l'air sous pression dans le corps tubulaire 201 de la torche afin d'alimenter le plasma. Un gaz initiateur, tel que de l'argon, peut être injecté en début de fonctionnement de la torche en raison de la R \Brevets\25100/25185 -060620-texte depot doc - 23/06/06 - 121)6 - V8 faible capacité d'amorce d'ionisation de l'air. Une bobine d'induction 202 est enroulée autour du corps tubulaire 201. La bobine est alimentée en courant électrique alternatif pour générer un champ électromagnétique qui ionise l'air dans le corps tubulaire afin de créer une flamme de plasma 600. La figure 1 montre aussi une préforme de fibre optique 100 et des grains de silice 1000 projetés entre la préforme et la flamme de plasma 600. Les grains de silice sont projetés depuis un tuyau de projection 300, qui peut éventuellement être intégré à la torche 200. Le générateur utilisé avec la torche 200 permet typiquement une puissance maximale de l'ordre de 200 kW, mais la puissance applicable à la bobine 202 de la torche est souvent limitée à environ 100 kW du fait de la conception de la torche. Plus la puissance du générateur d'induction est importante, plus la flamme de plasma est grosse et plus la recharge peut être effectuée rapidement car une plus grande quantité de grains de silice peut être vitrifiée par unité de temps. On cherche donc, pour des raisons de productivité et de rendement, à augmenter la puissance du plasma induit dans la torche, par exemple jusqu'à environ 130kW à 150kW. Or, lorsque la puissance du générateur d'induction augmente, la flamme plasma s'allonge. Cet allongement vers l'extérieur du corps tubulaire de la torche est bénéfique car la flamme plasma englobe alors une plus grande quantité de grains projetés devant la préforme et le rendement de recharge est amélioré. Cependant, lorsque la flamme plasma s'allonge, elle s'allonge également à l'intérieur du corps tubulaire et s'approche du fond de gaz. Le fond de gaz subit alors de fortes contraintes thermiques qui peuvent l'endommager. Par exemple, la demanderesse a pu observer l'apparition de brûlures (noircissement) et d'écaillements dans les fonds de gaz en acier lorsque la puissance du générateur d'induction de la torche était ainsi augmentée. Une telle détérioration du fond de torche peut conduire à la projection d'impuretés dans la recharge de la préforme, conduisant au rebut de celle-ci et à une perte de productivité. Il existe donc un besoin pour un fond de gaz pour torche plasma qui puisse supporter une plus forte puissance de fonctionnement sans détérioration. L'invention propose en conséquence de couvrir le fond de gaz d'un matériau céramique. Le fond de gaz peut être intégralement constitué en céramique ou être en acier avec la surface interne au corps tubulaire revêtue d'une couche en matériau céramique. R.\Brevets\25100\25185--060620-teste depot. doc - 23/06/06 - 12.06 - 2/8 L'invention propose plus particulièrement une torche plasma comprenant : - un corps tubulaire de confinement d'un plasma induit ; - un fond de gaz présentant une surface interne au corps tubulaire, ladite surface étant couverte d'un matériau céramique. Selon un mode de réalisation, le fond de gaz comprend un socle et un diffuseur de gaz, au moins le socle ou le diffuseur de gaz étant constitué dans un matériau céramique. Selon les modes de mise en oeuvre, le matériau céramique est choisi parmi le nitrure d'aluminium, le nitrure de silice, le nitrure de bore, l'alumine ou d'un mélange de ceux-ci. Selon un mode de réalisation, le fond de gaz comprend un socle et un diffuseur de gaz, la surface interne au corps tubulaire du socle et/ou du diffuseur de gaz étant revêtue d'un matériau céramique. Selon un mode de mise en oeuvre, le matériau céramique est de l'oxyde d'aluminium. Selon un mode de réalisation, le matériau céramique présente un coefficient 15 d'expansion thermique inférieur ou égal à 10.10-6/ C. Selon un mode de réalisation, le corps tubulaire est en quartz. L'invention concerne aussi un équipement pour la recharge d'une préforme de fibre optique, comprenant : - un support de réception d'une préforme primaire ; 20 - des moyens de projection de grains de silice vers la préforme primaire ; - au moins une torche plasma selon l'invention ; un générateur de courant alimentant une bobine d'induction de la torche plasma. L'invention concerne en outre un procédé de recharge d'une préforme de fibre 25 optique avec l'équipement selon l'invention, le générateur de courant alimentant la torche en courant alternatif avec une puissance supérieure à 130kW. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre 30 d'exemple et en référence aux dessins annexés qui montrent : - figure 1, déjà décrite, un schéma d'une torche plasma selon l'art antérieur ; - figure 2, un schéma d'une torche plasma selon un mode de réalisation. R\Brevets\25100/25185--060620-texte depot doc - 23/06/06 - 12.06 - 3/8 L'invention propose une torche plasma pour recharge d'une préforme de fibre optique. La torche 200 comprend un corps tubulaire 201 de confinement du plasma induit, de préférence en quartz pour des raisons de coût et de tenue à la température, et un fond de gaz 500. Le fond de gaz présente une surface interne 501 au corps tubulaire 201, cette surface 501 étant couverte d'un matériau céramique. A cet effet, tout le fond de gaz 500 peut être constitué dans un matériau céramique ou seule la surface 501 du fond de gaz 500 peut être revêtue d'un matériau céramique 700. La figure 2 représente ce deuxième mode de réalisation. La figure 2 montre aussi la flamme plasma 600. On cherche à allonger la flamme plasma 600 afin d'augmenter le rendement de la recharge, tel que cela a été expliqué plus haut. La flamme plasma 600 se rapproche alors également de la surface 501 du fond de gaz 500 ; cette surface doit alors être protégée pour éviter la détérioration du fond de gaz. Selon un premier mode de réalisation, le fond de gaz 500 est constitué d'un matériau céramique, c'est-à-dire que le socle et le diffuseur de gaz 400 sont constitués en céramique. Le matériau céramique choisi doit alors être usinable ; il peut être constitué de nitrure d'aluminium, de nitrure de silice, de nitrure de bore ou d'alumine ou d'un mélange de ceux-ci. Par exemple, le matériau céramique commercialisé par la société Corning sous le nom de MACOR ou le matériau céramique commercialisé par la société japonaise Tokuyama Soda sous le nom de SHAPALTM sont bien adaptés à la réalisation d'un fond de gaz pour une torche selon l'invention. Selon un second mode de réalisation, seule la surface 501 interne au corps tubulaire du fond de gaz 500 est revêtue d'un matériau céramique 700. Le socle et le diffuseur sont alors en acier inoxydable et une couche de matériau céramique, par exemple de l'oxyde d'aluminium (Al2O3), est fixée sur la surface 501 du fond de gaz. Par exemple, une pastille de céramique peut être collée sur la surface du diffuseur 400 et un anneau de céramique peut être collé sur la surface du socle du fond de gaz 500. Le revêtement de céramique 700 peut présenter une épaisseur comprise entre 1 mm et 2,5 mm et peut être usiné avant collage pour une meilleure adhérence sur la surface du fond de gaz. Bien entendu, les deux modes de réalisation décrits ci-dessus, peuvent être combinés entre eux. Par exemple, le diffuseur 400 peut être constitué en céramique R\Brevets\25100\25) 85 -060620-texte depot doc - 23/06/06 -12. 06 - 4/8 alors qu'un anneau de céramique recouvre le socle du fond de gaz 500 autour du diffuseur. La céramique choisie pour recouvrir la surface du fond de gaz présente une température d'utilisation élevée, supérieure à 800 C ; un faible coefficient d'expansion thermique afin de limiter les distorsions dans le fond de gaz, par exemple un coefficient d'expansion thermique inférieur ou égal à 10.10 / C. Le MACOR et le SHAPAL présentent en outre une résistance diélectrique élevée, de l'ordre de 40 kV/mm, qui limite l'apparition d'arc électrique. Par ailleurs, les matériaux céramiques utilisés pour recouvrir la surface du fond de gaz peuvent présenter des valeurs de conductivité thermique relativement hétérogènes. Par exemple, le MARCOR et l'oxyde d'aluminium (Al2O3) présente une faible conductivité thermique qui limite la perte d'énergie de la torche à travers le fond de gaz ; et le SHAPALTM présente une conductivité thermique élevée permettant d'évacuer efficacement la chaleur générée par la flamme plasma pour limiter la température de surface du fond de gaz et augmenter ainsi sa durée de vie. Le tableau ci-dessous reporte les valeurs de température maximale d'utilisation en C, de résistance diélectrique, de conductivité thermique et de coefficient d'expansion thermique pour trois matériaux céramique recouvrant le fond de torche considérés. Tmax ( C) Rdielec (kV/mm) Coud. Therm. Exp. Therm. (W/m.K) à 25 C (10-6 / C) MACOR 800 40 1,46 9,3 SHAPAL 1000 40 90 4,4 Al203 1850 12 9,1 8,6 L'invention propose ainsi un équipement pour la recharge d'une préforme primaire de fibre optique comprenant au moins une torche plasma telle que décrite ci-dessus. Une telle torche présente une durée de vie améliorée lorsqu'elle est utilisée avec de fortes puissances du générateur de courant, par exemple des puissances supérieures à 130kW. RABrevetsV25100A25185ù 060620-texte depot doc - 23!06/06 - 12 06 - 5/8 REVENDICATIONS 1. Torche plasma (200) comprenant : - un corps tubulaire (201) de confinement d'un plasma induit ; - un fond de gaz (500) présentant une surface interne (501) au corps tubulaire, ladite surface étant couverte d'un matériau céramique. 2. La torche de la revendication 1, caractérisée en ce que le fond de gaz (500) comprend un socle et un diffuseur de gaz (400), au moins le socle ou le diffuseur de gaz étant constitué dans un matériau céramique. 3. La torche cle la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau céramique est constitué de nitrure d'aluminium, de nitrure de silice, de nitrure de bore, d'alumine ou d'un mélange de ceux-ci. 4. La torche de l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le fond de gaz (500) comprend un socle et un diffuseur de gaz (400), la surface interne au corps tubulaire du socle et/ou du diffuseur de gaz étant revêtue d'un matériau céramique (700). 5. La torche de la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau céramique est de l'oxyde d'aluminium (Al203). 6. La torche de l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le matériau 20 céramique présente un coefficient d'expansion thermique inférieur ou égal à 10.10-6/ C. 7. La torche de l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le corps tubulaire est en quartz. 8. Equipement pour la recharge d'une préforme de fibre optique, comprenant : 25 - un support de réception d'une préforme primaire (100) ; - des moyens de projection (300) de grains de silice (1000) vers la préforme primaire ; R \Brevets\25100'5185--060620-texte depot doc - 23/06/06 -12:06 - 6/8- au moins une torche plasma (200) selon l'une des revendications 1 à 7 ; - un générateur de courant (210) alimentant une bobine d'induction (202) de la torche plasma. 9. Procédé de recharge d'une préforme de fibre optique avec l'équipement de la 5 revendication 8, le générateur de courant alimentant la bobine de la torche en courant alternatif avec une puissance supérieure à 130kW. R\Brevets\25I00\25185--060620-texte depot doc - 26/06/06 - 10.06 - 7/8