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1 La présente invention concerne le domaine technique des
torches à plasma.
Généralement, une torche à plasma, telle que l'enseigne par
exemple le document üS-A-3 301 X95, comprend deux
électrodes tubulaires coaxiales, en prolongement l'une de
l'autre, chacune des électrodes étant agencée dans un
support l'entourant. La torche à plasma comporte des moyens
pour produire l'amorçage d'un arc électrique entre les deux
électrodes, ainsi que des moyens pour injecter un gaz
plasmagène, tel que de l'air, dans une chambre, entre
lesdites électrodes. Des moyens de refroidissement des
électrodes sont, par ailleurs, prévus dans chaque support
d'électrode. Avantageusement, la torche à plasma est munie
de moyens pour déplacer les pieds d'accrochage de l'arc
électrique, de façon à éviter une usure prématurée des
surfaces internes des électrodes tubulaires. Pour cela, ces
moyens comprennent au moins une bobine électromagnétique
entourant l'un des supports d'ëlectrode et, par modulation
du champ magnétique axial délivré par' la bobine, les pieds
d'accrochage de l'arc électrique se déplacent ainsi le long
desdites surfaces internes des électrodes.
Pour ce qui concerne l'amorçage de l'arc électrique, on
distingua principalement deux procédés.
Dans le premier, on applique aux bornes des électrodes une
tension élevée (plusieurs dizaines de kilovolts), ee qui
engendre une décharge (claquage) entre les deux électrodes
et produit l'arc électrique. Cette solution impose une
faible distance entre les faces en regard des électrodes,
de sorte que l'aménagement de la chambre d'injection du gaz
plasmagène s'en trouve compliqué. De plus, une alimentation
électrique auxiliaire est nécessaire.
~~~~r~~~~
2
1 Selon l'autre procédé, on réalise un court-circuit
temporaire entre les électrodes par l'intermédiaire d'une
électrode auxiliaire de démarrage expansible et rétracta-
ble, telle que décrite par exemple dans les documents
FR-A-2 ZE79 587 et US-A-3 301 995. I1 est nécessaire de
prévoir à cet effet un appareillage mécanique complexe
externe à la torche pour actionner l'électrode de
démarrage, ce qui implique, de plus, un encombrement
externe supplémentaire. Cependant, ce procédé d'amorçage
par court-circuit est plus fiable et plus économique que le
procédé d'amorçage par décharge.
La présente invention a notamment pour objet de pallier ces
inconvénients et concerne une torche à.plasma dont la
conception des moyens d'amorçage de l'are électrique, du
type à court-circuit, est mécaniquement simple et
n'implique pas un encombrement important pour la torche à
plasma.
A cet effet, la torche à plasma du type comportant .
- deux électrodes tubulaires et coaxiales, en prolongement
l'une de l'autre, chaque électrode étant agencée dans un
support dans lequel est ménagé un circuit de refroidisse-
ment de l'électrode correspondante ;
- des moyens pour produire l'amorçage d'un arc électrique
entre les deux électrodes par court-circuit temporaire de
celles-ei ; et,
- des moyens pour injecter un gaz plasmagène entre les deux
électrodes,
est remarquable, selon l'invention, en ce que, pour
produire l'amorçage de l'arc électrique entre les deux
électrodes, au moins l'une desdites électrodes est mobile
axialement, entre une position de fonctionnement de la
torche, pour laquelle ladite électrode mobile est éloignée
de l'autre électrode, et, une position d'amorçage, pour
laquelle ladite électrode mobile est au contact de l'autre
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1 électrode en établissant un court-circuit électrique, de
façon à engendrer ledit arc électrique dès la rupture du
court-circuit électrique, lorsque ladite électrode mobile
est ramenée vers sa position de fonctionnement.
Ainsi, selon l'invention, la torche à plasma s'affranchit
d'une électrode auxiliaire de démarrage grâce à la faculté
de mobilité de l'une desdites électrodes. Par conséquent,
outre la simplification technique qui en résulte, la torche
à plasma ne présente plus les tradïtionnelles proéminences
externes occasionnées par ces électrodes auxiliaires et
leurs mécanismes.
Pour autoriser le déplacement axial de l'électrode mobile,
les moyens pour produire ledit are électrique peuvent
comprendre au moins un dispositif d'actionnement associé à
ladite électrode mobile et susceptible de lui imprimer un
mouvement de translation entre les deux positions,
respectivement de fonctionnement et d'amorçage, par rapport
au support correspondant entourant ladite électrode.
Avantageusement, ladite électrode mobile correspond à
l'électrode amont (par rapport à la circulation du gaz
plasmagène). De plus, lorsque ladite éléctrode mobile est
dans la position d'amorçage, sa face d'extrémité est, de
préférence, au contact d'un pion faisant saillie par
rapport à la face d'extrémité correspondante de ladite
autre électrode. En outre, le déplacement axial de ladite
électrode mobile par rapport audit support, dans lequel est
ménagé ledit circuit de refroidissement de l'électrode,
s'effectue avec étanchéité grâce à des joints.
Dans un mode préféré de réalisation, ledit dispositif
d'actionnement de l'électrode mobile est du type fluidique.
Dans ce cas, ledit dispositif d'actionnement peut comporter
au moins un vérin ou analogue agencé coaxialement aux élec-
trodes et dont la tige coulissante est reliée à l'extrémité
~4
1 de l'électrode mobile, opposée à l'extrémité destinée à
venir au contact de l'autre électrode. On notera la
simplicité de réalisation du dispositif d'aétionnement,
ainsi que sa fiabilité à l'usage.
Dans un autre mode de réalisation, ledit dispositif
d'aetionnement peut mettre en oeuvre une surpression du
fluide dudit circuit de refroidissement de ladite électrode
pour assurer, par rapport au support correspondant, son
déplacement de sa position éloignée de l'autre électrode
vers sa position d'amorçage, et, des moyens élastiques de
rappel pour ramener spontanément ladite électrode de sa
position d'amorçage vers sa position de fonctionnement,
lorsque ladite surpression du fluide de refroidissement
cesse. Ces moyens élastiques de rappel comprennent alors un
ressort de compression interposé, autour de l'électrode
mobile, entre un épaulement externe terminant l'extrémité
arrière de l'électrode et ledit support.
De façon connue, la torche â plasma est du type dans lequel
le circuit de refroidissement d'au moins une électrode est
défini par une chambre cylindrique étanche prévue dans le
support correspondant et séparê par une paroi cylindrique
de séparation partageant la chambre en deux espaces
annulaires concentriques en cornmunication l'un avec l'autre
à une extrêmité de ladite paroi et à travers lesquels
circule ledit fluide de refroidissement, et, du type
comprenant des moyens à bobine électromagnétique pour
déplacer les pieds d'accrochage de l'are électrique entre
les électrodes, afin d°éviter une usure prématurée des
surfaces internes des électrodes tubulaires.
Dans ce cas, la torche à plasma est de plus remarquable en
ce que le fluide de refroidissement de ladite électrode
dont 1a chambre cylindrique étanche comporte la paroi de
séparation est électriquement isolant , et , en ce que ladite
bobine électromagnétique forme ladite paroi de séparation.
1 Ainsi, on voit que l'encombrement extérieur imposé
usuellement par les bobines électromagnétiques sur les
torches à plasma est supprimé, puisque la bobine fait
astucieusement office de paroi de séparation.
La bobine électromagnétique est, de préférence, associée au
support entourant 1' électrode rnobile et , dans un mode
avantageux de réalisation, elle est définie par deux
enroulements concentriques de spires jointives obtenues â
partir d°un fil métallique continu, une enveloppe en
matière isolante étant intercalée entre les deux enroule-
ments concentriques de spires. '
Par ailleurs, sur les torches à plasma actuelles, lesdits
moyens d'injection du gaz plasmagène entre les électrodes
comprennent généralement une pièce métallique de révolution
coaxiale aux électrodes, et délimitant avec celles-ci et
leurs supports une chambre, dans laquelle est injecté le
gaz grâce à des orifices transversaux pratiqués dans la
pièce. Cette dernière, exposée au rayonnement thermique
engendrée par l'are électrique, est équipée de moyens de
refroidissement, tels que des passages longitudinaux mis en
communication avec le circuit de refroidissement de '
l'électrode aval.
Or, après divers essais et mesures effectués sur la pièce,
on a constaté que les températures atteintes par la pièce
n'étaient pas aussi élevées que l'on pensait, notamment en
raison du fait que l'injection du gaz plasmagène frais dans
la chambre constitue, à la périphérie de la paroi interne
de la pièce, une couche de protection thermique.
A cet effet, selon une autre caractéristique de l'inven-
tion, la torche à plasma, du type dans lequel lesdits
moyens pour injecter un gaz 'plasmagène entre les deux
~~ ~ f
6
1 électrodes comprennent une pièce de révolution coaxiale aux
électrodes et définissant avec celles-ci et leurs supports
une chambre, dans laquelle est :Lnjecté, grâce à des orifices
transversaux pratiqués dans la pièce, le gaz plasmagène, est
remarquable en ce que ladite pièce de révolution est
dépourvue de moyens de refroidissement internes.
Ainsi, la réalisation de la pièce d'injection est alors
simplifiée.
De plus, comme la pièce n'est pas exposée à des températu-
res élevées, elle peut être réalisée en une matière non
métallique, isolante électriquement, telle que, par exemple,
en matière plastique, ce qui évite l'utilisation de
dispositifs électriquement isolants entre les deux
électrodes initialement prévus lorsque la pièce de
révolution est métallique.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention,
lesdits supports d'électrode sont logés à l'intérieur d'une
enveloppe cylindrique, une chambre annulaire étant ménagée
entre le support de l'électrode amont (par rapport à 1a
circulation du gaz plasmagène) et ladite enveloppe, pour
amener le gaz plasmagène auxdits moyens d'injection.
Cet agencement confère ainsi à la torche une remarquable
compacité.
Par ailleurs, avantageusement, la conduite d'alimentation en
gaz plasmagène, les conduites desdits'circuits de refroidis-
sement des électrodes et la ligne d'alimentation électrique
de la bobine électromagnétique arrivent alors toutes à
l'intérieur de ladite enveloppe cylindrique.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment
l'invention peut être réalisée. Sùr ces figures, des
références identiques désignent des éléments semblables.
1 La figure 1 représente, schématiquement, une demi-vue en
coupe longitudinale contiguë à une demi-vue extérieure d'un
exemple de réalisation de la torche à plasma selon
l'invention, pour laqu211e ladite électrode mobile amont,
sous,l'effet du dispositif d'actionnement, est dans la
position d'amorçage.
La figure 2 est une vue analogue à la précédente, pour
laquelle ladite électrode mobile occupe sa position de
fonctionnement, un arc électrique étant produit entre les
deux électrodes.
La figure 3 est une vue analogue à la figure 2, montrant
une variante de réalisation du dispositif d'actionnement de
ladite électrode mobile.
La Figure 4 représente en coupe longitudinale un exemple
préféré de réalisation de la torche à plasma selon
l'invention. ,
En se référant aux figures 1 et 2, la torche à plasma 1
reprësentée comporte un corps 2 comprenant notamment deux
supports cylindriques coaxiaux 3 et 4. A l'intérieur du
support cylindrique 3 est logée une électrode amont ou
cathode 5, tandis qu'à l'intérieur du support cylindrique 4
est logée une électrode aval ou anode 6. Ces électrodes 5
et 6 présentant une forme générale tubulaire et elles sont
disposées dans le prolongement l'une de l'autre coaxiale-
ment à l'axe longitudinal 7 du corps de la torche. Comme on
le verra ultériaurement, ces électrodes peuvent être mises
au contact l'une de l'autre (figure 1) ou espacées l'une de
l'autre (figura 2). Las électrodes 5 et 6 sont également
reliées à des alimentations électriques non représentées et
connuès en soi.
s ;'~ ry F.,
~1 ~ ~~ :~ ~. I~//ji
8
1 Par ailleurs, entre chaque support et son électrode
correspondante est ménagé un circuit de refroidissement,
respèctivement 8 et 9, dans lequel circule un fluide de
refroidissement.
Chaque circuit de refroidissement est défini, par exemple,
par une chambre cylindrique étanche, respectivement 8A et
9A, partagée en deux espaces annulaires concentriques 8B,8C
et 9B,9C grâce à une paroi de séparation médiane, respecti-
vement 8D et 9D, liée au support correspondant. Le fluide de
refroidissement de chaque circuit arrive, par une entrée
respectivement 8E et 9E, dans la chambre pour circuler à
travers les deux espaces annulaires communiquant entre eux à
l'extrémité aval de la paroi de séparation, et retourner par
une sortie non représentée en direction du circuit
d'alimentation en fluide.
Par ailleurs, les moyens pour injecter le gaz plasmagène
entre les deux électrodes, lorsqu'un are électrique 10 est
produit entre les deux électrodes 5 et 6 (figure 2),
comprennent une pièce de révolution 11 coaxiale aux
électrodes en définissant avec les extrémités en regard
respectivement 5A et 6A des électrodes, la face amont 3A du
support 3 et sa paroi interne 11A une chambre d'injection
12. Le gaz plasmagène, tel que de l'air, issu d'un circuit
d'alimentation non représenté, est introduit dans la chambre
12 grâce à des orifices transversaux 11B pratiqués dans la
pièce 11. On remarque aussi que, dans ce mode de réalisa-
tion, la pièce 11 est pourvue de passages longitudinaux 11C,
mis avantageusement en communication avec le circuït de
refroidissement 9 de l'électrode aval 6 et assurant de la
sorte son refroidissement.
La torche à plasma 1 comporte également une bobine
électromagnétique 14 entourant le support 3 de l'électrode
amont 5 et autorisant, lorsqu'un champ magnétique modulé est
~~~);~~:
9
1 créé, le déplacement des pieds de l'arc électrique le long
des surfaces internes 5B et 6B des électrodes pour éviter
une usure prématurée de ces derniêres.
Selon l'invention et dans ce mode de réalisation, pour
produire l'amorçage de l'arc éle;etrique 10 entre les
électrodes amont et aval 5 et 6, on prévoit que ladite
électrode amont 5 est mobile axialement entre une première
position de fonctionnement, pour laquelle elle est éloignée
de l'électrode aval (figure 2), et, une seconde position
d'amorçage, pour laquelle l'électrode mobile amont 5 est au
contact de l'autre électrode 6 en établissant un court-
circuit électrique (figure 1). Ainsi, ces moyens d'amorçage
du type à court-circuit engendrent l'apparition d'un arc
électrique 10, dès que la rupture du court-circuit
'15 électrique a lieu, lorsque l'électrode mobile 5 est ramenée
vers sa première position.
On a représenté sur la figure 2 les différents stades
d'évolution de l'are électrique 10, qui apparait dès que le
contact électrique, établi entre les deux électrodes 5 et
6, est rompu par le recul de l'électrode amont mobile 5.
L'are électrique produit 10 est immédiatement entretenu et
régulé par l'alimentation électrique principale de la
torche 1.
A ce moment, le gaz plasmagène est injecté dans la chambre
12 et, au contact de l'arc électriques produit le plasma
qui est éjecté de la torche par l'électrode aval 6 à des
températures pouvant atteindre 10 000°C.
Pour imprimer un mouvement de translation à l'électrode
mobile 5 entre ses première et seconde positions, et
réciproquement, un dispositif d'actionnement 15 est associé
à ladite électrode. Dans le mode de réalisation illustré
sur les figures 1 et 2, le dispositif d'aetionnement 15 est
s. p- ~.
'~~ ~ >.J >.~
1 du type fluidique et comporte un vérin à double effet 16.
Ce vérin 16 est disposé coaxialement à l'axe longitudinal 7
dé la torche et il est agencé dans un boitier circulaire 17
prolongeant la partie arrière du support en y étant fixé.
5 Le cylindre 16A du vérin 16 est relié par une articulation
18 au fond 17A du boitier, tandis que la tige 16B du vérin
est reliée par une articulation 19 à l'extrémité arrière 5C
de l'électrode amont 5. Les conduites fluidiques 16C du
vérin traversent le fond 17A du boitier, grâce à des
10 perçages 17B ménagées dans ledit fond. Par ailleurs, pour
éviter des fuites dans le circuit de refroidissement 8 de
l'électrode 5, lors de son coulissement par rapport au
support fixe 3 l'entourant, des joints toriques d'étanchéi-
t é 20 sont prévus .
On remarque sur la figure 1 que, lorsque l'électrode mobile
5 est dans la position d'amorçage sous l'action du vérin
16, sa face d'extrémité avant 5A vient au contact d'un pion
21 faisant saillie de la face d'extrémité arrière 6A de
l'électrode aval 6.
Dans le dispositif de la figure 3, le déplacement axial de
l'électrode mobile 5 par rapport à son support 3 s'effectue
différemment. L'électrode mobile 5 y est représentée dans
sa première position de fonctionnement pour laquelle l'are
élect rique 10 est engendré et ent ret enu ent re les deux
électrodes 5 et 6. Dans ce mode de réalisation, pour
amorcer l'arc électrique 10, on applique au fluide du
circuit de refroidissement 8 une surpression telle qu'elle
entraine le coulissement de l'électrode amont 5 de sa
première position vers sa seconde position d'amorçage.
~0 Lorsque le contact électrique par court-circuit est établi
ent re l' ext rémit é avant 5A de 1 ° élect rode 5 et le pion 21
solidaire de l'extrémité arrière 6A de l'électrode 6, on
rétablit la pression habituelle dans le circuit de
S !2 4~ i.i ~.. ~,.,,~~
11 ~~.~s~~JvJ~
1 refroidissement. Le retour de l'électrode amont mobile 5
vers sa première position de fonctionnement, en engendrant
l'apparition de l'arc électrique 10, comme précédemment,
peut s'effectuer grâce à un ressort de compression 22
interposé, autour de l'extrémité arrière 5C de l'électrode,
ent re un épaulement ext erne 5D t erminant l' ext rérnit é
arrière 5C et un fond 23 obturant le support 3.
Ainsi, dès que la surpression cesse, l'électrode amont 5
retourne spontanément vers sa première position, telle
qu'illustrée sur la figure 3, sous l'action du ressort de
compression 22 en amorçant alors l'arc électrique 10.
A la place du ressort 22, on pourrait envisager par exemple
le montage d'un vërin à simple effet ou analogue.
En se référant maintenant à la figure 4, la torche à plasma
représentée comprend les deux électrodes amont 5 et aval 6,
agencées respectivement dans les supports 3 et 4. L'élec-
trode amont 5 est, selon l'invention, mobile grâce au
dispositif d'actionnement 15 constitué, dans ce mode de
réalisation, par le vérin à double effet 16.
Dans cet exemple préfêré de réalisation de la torche à
plasma, la bobine électromagnétique 14, entourant initiale-
ment sur les figures 1 à 3 le support 5 de l'électrode,
forme la paroi de séparation 8D du circuit de refroidisse-
ment 8 et le fluide de refroidissement parcourant 1e
circuit est électriquement isolant, tel que par exemple de
l'eau désionisée. De la sorte, l'encombrement imposé
préalablement par la bobine électromagnétique 14 est
supprimé.
Cette bobine 1~, qui est ainsi refroidie efficacement par
le fluide circulant dans les deux espaces annulaires 8B et
8C du circuit, comprend deux enroulements concentriques 14A
~° r ,.
12
1 et 14B de spires jointives obtenues à partir d'un fil
métallique continu, réalisé par exemple en cuivre et
présentant une section rectangu:Laire.
Une enveloppe de matière isolante 14C est intercalée entre
les deux enroulements de spires., La bobine 14 est raccor~
dée, à une extrémité, à une ligne d'alimentation électrique
25 disposée avantageusement dans la conduite d'amenée ou
d'alimentation 8E en fluide de refroidissement, et, à
l'autre extrémité à une bague 2fi solidaire du support 3. On
a également représenté la conduite de sortie ou de retour
8F du fluide.
Selon une autre caractéristique de la torche à plasma
illustrée sur la figure 4, la pièce de révolution 11 des
moyens d'injection du gaz plasmagène est dépourvue de
moyens de refroidissement internes préalablement définis,
comme le montrent les figures 1 à 3, par des passages
longitudinaux. En effet, après de multiples essais et
mesures effectués sur la pièce d'injection, la Demanderesse
a constaté que cette pièce ne subissait pas des températu-
res aussi élevées que l'on pensait.
Ce résultat surprenant est principalement dû au fait que le
gaz plasmagène froid, injectê en continu dans la chambre 12
grâce aux orifices d'injection 11B, forme une barrière de
protection thermique efficace au voisinage de la paroi
interne 11A de la pièce 11, à l'encontre de la température
régnant au coeur de la chambre 12 où se produit l'are
électrique 10. Ainsi, la réalisation de la pièce se trouve
simplifiée.
Par ailleurs, puisqu'elle n'est pas soumise à des
températures élevées, la pièce de révolution 11 peut être
réalisée en une matière plastique, telle que, par exemple,
CA 02029507 2000-03-07
13
un polytétrafluoroéthylène. Or, comme la pièce 11 est alors isolante
électriquement,
il n'est plus nécessaire de prévoir des dispositifs isolants, pouvant former
de plus
écran thermique, entre les électrodes 5 et 6.
Là encore, la réalisation de la torche à plasma se traduit par un gain en
encombrement
fort appréciable et par une simplification technique évidente.
On constate alors que la torche à plasma représentée sur la figure 4 présente
une
remarquable compacité.
En effet, le corps 2 de la torche comprend avantageusement une enveloppe
cylindrique 28 dans laquelle sont agencés coaxialement les supports
d'électrode 3 et
4. Une chambre annulaire 29 est alors ménagée entre le support 3 et
l'enveloppe 28.
La conduite d'alimentation 30 en gaz plasmagène est raccordée à cette chambre,
tandis que les conduites d'alimentation 9Eet de retour 9F du circuit de
refroidissement
9 de l'électrode aval 6 traversent la chambre 29.
Avantageusement, on voit que les diverses conduites en gaz plasmagène et en
fluide
de refroidissement arrivent toutes de façon regroupée, à l'intérieur de
l'enveloppe
cylindrique 28, par un fond 31 associé à celle-ci. Cette disposition des
conduites leur
garantit ainsi une protection efficace, alors que, dans les torches à plasma
actuelles, la
plupart de ces conduites arrivent extérieurement, ce qui implique un
encombrement
supplémentaire en les exposant de plus dangereusement.
Au fond 31 de l'enveloppe cylindrique 28 est articulé le cylindre du vérin 16
d'actionnement de l'électrode mobile 5. Ce fond peut être fixé à une structure
32
immobilisant en position la torche à plasma qui est alors prête à fonctionner.
;~ y.~ ~,~ ~:; e;i -_~
1 Les diverses alimentations en gaz plasmagène et en fluide
de refroidissement, ainsi que les alimentations électriques
des électrodes et de la bobine, sont reliées à un système
de commande non représenté assurant le bon fonctionnement
de la torche à plasma selon les modalités qui lui ont été
assignées.
