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1 La présente invention concerne les torches à plasma dans
lesquelles le plasma est obtenu en chauffant un gaz par un
arc électrique produit entre deux électrodes.
On connaît déjà de nombreuses réalisations de torches à
plasma. Généralement, une torche à plasma, telle que
l'enseigne par exemple le document US-A-3 301 995, comprend
deux électrodes tubulaires et coaxiales, chacune étant
a~eneée dans un support qui l'entoure. La torche à plasma
comporte également des moyens pour produire l'amorçage d'un
arc électrique entre les deux êleetrodes et des moyens pour
injecter un gaz plasmagène, tel que de l'air, entre les
deux électrodes, simultanément à l'are électrique. Des
moyens de refroidissement des électrodes sont également
prévus dans chaque support d'électrode et sont usuellement
définis par une chambre cylindrique étanche prévue dans
chaque support, uns paroi cylindrique de séparation
ménageant la chambre étanche en deux espaces annulaires
concentriques, en communication l'un avec l'autre à une
extrémité de ladite paroi et à travers lesquels circule un
fluide de refroidissement. .
Par ailleurs, comme l'enseignent par exemple les documents
US-A-3 301 995 et EP-A-0 032 100, pour éviter une usure
prématurêe des électrodes, on prévoit des moyens pour
déplacer les pieds d'accrochage de l'arc électrique sur les
surf aces internes des électrodes tubulaires. Généralement,
ces moyens sont définis par au moins une bobine électroma-
gnétique entourant l'un des supports d'électrode. Ainsi, en
modulant le champ magnétique axial engendré par la bobine
lorsqu'elle est excitée, les pieds d°accrochage de l'arc
électrique se déplacent autour des surf aces internes des
électrodes en évitant la formation de cratères locaux et la
destruction rapide des électrodes.
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1 Toutefois, l'agencement d'une telle bobine électromagnétique
autour du support porte-électrode implique une augmentation
importante de l'encombrement de la torche à plasma, de sorte
que, dans certaines applications, les torches à plasma ainsi
équipées ne satisfont pas aux exigences de volume et de
forme requises.
Pour diminuer l'encombrement extérieur imposé par les
bobines, une solution consiste à les agencer dans un volume
interne prévu dans chaque support d'électrode, comme
l'enseigne le document US-A-3 832 519. Dléanmoins, le gain en
encombrement n'est pas significatif, 1e support étant de
dimension plus importante, et, de plus, les bobines sont
munies de circuits de refroidissement internes complexes.
L a présente invention a pour but de remédier à ces inconvé-
nients et concerne une torche à plasma d'arc électrique,
dont l'agencement des moyens de déplacement de l'arc élec-
trique n'entraîne pas une augmentation de volume de ladite
torche, ni de complications techniques supplémentaires.
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 ;
- des moyens de refroidissement desdites électrodes
parcourus par un fluide de refroidissement, lesdits moyens
de refroidissement d'au moins une desdites électrodes
comprenant une chambre cylindrique étanche, prévue dans le
support correspondant et séparée par une paroi cylindrique
de séparation partageant la chambre en deux espaces
annulaires, en communication l'un avec l'autre à une
extrémité de ladite paroi et à travers lesquels circule
ledit fluide de refroidissement ;
- des moyens pour produire l'amorçage d'un are électrique
entre les deux électrodes ;
- des moyens pour injecter un gaz plasmagène entre les deux
électrodes ; et,
' 3
1 - des moyens à bobine électromagnétique pour déplacer
les pieds d'accrochage de l'arc électrique sur les
surfaces internes desdites électrodes,
est remarquable, selon l'invention, en ce que le fluide
de refroidissement de ladite électrode dont la chambre
cylindxique étanche comporte la paroi de séparation est
électriquement isolant et en ce que ladite bobine
électromagnétique fait office de ladite paroi cylindri-
que de séparation.
Ainsi, grâce à l'invention, l'enc;ombrement imposé
préalablement par la bobine électromagnêtique est
totalement supprimé puisque celle-ci est alors intégrée
audit support porte-électrode en se substituant à la
paroi cylindrigue de sêparation des moyens de refroi-
dissement, prévue initialement dans le support.
Far ailleurs, on remarquera que ladite bobine est alors
refroidie efficacement par le fluide parcourant les deux
espaces annulaires concentriques entre lesquels est
agencée la bobine électromagnétique.
Avantageusement, ladite bobine électromagnétique s'étend
approximativement sur toute la longueur de l'électrode ;
de préférence, elle est associée au support entourant
l'électrode amont (par rapport à la circulation du gaz
plasmagène).
Dans un mode préféré de réalisation, ladite bobine
électromagnétique est définie par deux enroulements
concentriques de spires jointives, une enveloppe de
matière isolante étant intercalée entre les deux enrou-
lements concentriques de spires. Cette enveloppe de
matière isolante constitue ainsi une paroi de séparation
étanche permettant au fluide de refroidissement de
parcourir les deux espaces annulaïres.
LE e , T e,
1 Selon une autre caractéristique, les deux enroulements de
spires peuvent être obtenus à partir d'un fil métallique
continu. Ce fil présente, de préférence, une section
rectangulaire, de sorte que chacun desdits enroulements à
spires jointives présente alors une surface unie.
Par ailleurs, ladite bobine électromagnétique est raccordée
par l'une de ses extrémités à une ligne d'alimentation
électrique et par l'autre extrémité à une bague solidaire
dudit support correspondant. La ligne d'alimentation
électrique chemine avantageusement à travers le conduit
d'amenée de fluide de refroidissement électriquement
isol ant .
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment
l' invention peut être réal isée . Sur ces figures, des
références identiques désignent des éléments semblables.
La figure 1 représente schématiquement une demi-vue en
coupe longitudinale contiguë à une demi-vue extérieure d'un
mode particulier de réalisation de la torche à plasma selon
l'invention.
La figure 2 est une demi-vue en coupe agrandie de la bobine
électromagnétique disposée dans le support de l'électrode
amont.
En se référant à la figure 1, la torche à plasma 1 comporte
un corps 2 comprenant notamment deux supports cylindriques
3 et 4. Une électrode amont ou cathode 5 est logêe à l'in--
térieur du support 3, et, de façon identique, une électrode
aval ou anode b est logée à 1 ° intérieur du support 4. Ces
électrodes 5 et 6, de forme générale tubulaire, présentent
un axe commun 7, en étant espacées l'une de l'autre le long
dudit axe, et elles sont reliées à une alimentation ëlec-
trique par des circuits non représentés mais de type connu.
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1 ~,a torche à plasma 1 comprend également des moyens de
refroidissement 8.1 et 8.2 des électrodes, qui sont prêvus,
de façon usuelle, dans chacun des supports 3 et ~4, et qui
seront décrits ultérieurement.
Par ailleurs, pour amorcer un arc électrique entre les deux
électrodes 5 et 6, on prévoit, par exemple, une électrode
auxiliaire de démarrage g qui est montée, de façon coulis-
sante, sur le support 4 en étant liée électriquement à
l'électrode aval 6. Dans ce cas,, on réalise l'amorçage de
l'arc électrique par court-circuit en mettant en contact
l'électrode auxiliaire g avec l'électrode amont 5. On a
représenté sur la figure 1 l'are électrique 10 ainsi
engendré, dont les pieds d'accrochage 10.'I et 10.2 sont
situés sur les surf aces internes, respectivement 5A et 6A,
des électrodes 5 et 6.
Dès l'apparition de l'arc électrique 10, un gaz plasmagène,
tel que de l'air, est injecté dans une chambre d'injection
11, entre les électrodes 5 et 6. Pour cela, le gaz, issu
d'un circuit d'alimentation connu en soi et non représenté,
traverse un passage 12 ménagé dans le corps 1 puis, des
orifices transversaux d'injection 13 prévus dans une pièce
cylindrique 14 entourant les extrémités en regard des
électrodes, pour déboucher ensuite dans la chambre 11, le
plasma thermique sortant par l'électrode tubulaire aval 6.
Pour éviter une usure prématurée des électrodes 5 et 6, la
torche à plasma 1 comprend des moyens pour déplacer les
pieds d'accrochage de L'are électrique engendré autour des
surf aces internes des électrodes tubulaires 5 et 6. Ces
moyens sont définis par au moins une bobine électromagnéti-
que 15 associée, dans ce mode de réalisatian, au support 3
de l'électrode amont 5.
4,..~1
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1 Selon l'invention, la bobine électromagnétique 15 est
intégrée au circuit de refroidissement 8.1 de l'électrode 5.
En se référant aux figures 1 et 2, on voit que le circuit de
refroidissement 8.1 est défini par une chambre cylindrique
étanche 16 prévue entre le support 3 et la surface externe
5B de l'électrode 5, en étant séparée, par la bobine
électromagnétique 15, en deux espaces annulaires concentri-
ques 16A et 16B à travers lesquels circule le fluide de
refroidissement, lesdits espaces annulaires étant en
communication l'un avec l'autre à l'extrémité aval 15A de
ladite bobine 15.
La bobine électromagnétique 15 fait ainsi office de paroi de
séparation des espaces annulaires 16A et 16B, de sorte que
cet agencement n'implique aucun encombrement supplëmentaire
de la torche à plasma.
Le fluide de refroidissement est électriquement isolant tel
que, par exemple, de l'eau désionisée. Ce fluide, issu d'un
circuit d'alimentation connu en soi et non représenté,
arrive par un conduit 17 dêbouchant dans la chambre étanche
16 pour circuler dans l'espace annulaire 16A, entre le
support 3 et la bobine 15, puis dans l'espace annulaire 16B,
entre la bobine 15 et la surface externe 5B de l'électrode,
pour ressortir par un passage 5C prévu dans l'extrémité
arrière 5D de l'électrode 5 en direction dudit circuit. La
circulation du fluide est indiquée par des flèches F. On
voit donc que la bobine électromagnétique 15, qui s'étend
autour de l'électrode 5, est refroidie de façon optimale par
le fluide de refroidissement.
Dans un mode préféré de réalisation illustré sur la figure
2, la bobine électromagnétique 15 est définie par deux
enroulements concentriques 17A et 17B de spires jointives,
obtenus à partir d'un fil métallique continu 17, par exemple
en cuivre. Entre les deux enroulements de spires 17A et 17B
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1 est disposée une enveloppe de matière isolante 18 qui
constitue ainsi une paroi étanche sêparant les deux espaces
annulaires 16A et 16B. Par ailleurs, on voit que le fil des
spires formant les enroulements de la bobine 15 présente
avantageusement une section rectangulaire pleine.
La bobine 15 est fixée par l'une 20 de ses extrémités à une
bague métallique 21 conformant une partie du circuit de
refroidissement et interposée entre le support 5 et
l'extrémité arrière 5D de l'électrode 5, tandis que l'autre
extrémité 22 de la bobine, isolée de la masse métallique,
est raccordée à une ligne d'alimentation électrique 23.
Avantageusement, cette ligne d'alimentation 23 chemine à
l'intérieur du conduit 17 d'amenée en fluide de refroidis-
sement, de sorte qu'elle est ainsi efficacement refroidie.
Le circuit de refroidissement 8.2 de l'électrode aval 6 est
alimenté en fluide de refroidissement par un conduit 24.
Les diverses alimentations en gaz plasmagène et en fluide
de refroidissement, ainsi que les alimentations électriques
des électrodes et de la bobine, sont de type connu et sont
reliées à un système de commande assurant le bon fonction-
nement de la torche à plasma selon les modalitës qui lui
ont été assignées.
