Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La présente invention a pour objet un nouveau type de torche à
plasma conçu spécialement pour le traitement de gaz ou de particules ou pour le
dépôt de particules sur un substrat.
L'utilisation d'une torche à plasma pour le traitement de gaz ou de
particules ou pour le dépôt de particules sur un substrat est bien connue depuis de
très nombreuses années. Cette utilisation est notamment applicable au dépôt sur
un substrat de couches plus ou moins épaisses de particules telles que des
particules de céramique au travail de couches de céramique déjà déposées ou
encore à la production ou la purification de gaz ou particules, notamment de
cérar"i~ue, par réactions solide/gaz ou gaz/gaz. Durant une telle utilisation, les
particules injectées dans le plasma ou mises en contact avec celui-ci réagissentchimiquement, changent de phase ou les deux au cours de leur voyage, avant de
se déposer ou d'être recueillies dans un creuset. Les gaz injectés, quant à eux,réagissent avant d'être récupérés.
Dans la plupart des torches à plasma utilisées commercialement pour
de telles applications, les gaz ou particules à traiter ou déposer sont injectésradialement sur un côté de la flamme. Dans le cas du traitement ou dépôt de
particules, cette injection s'effectue habituellement au moyen d'une quantité
considérable d'un gaz porteur dont la température est généralement ambiante, et
donc très différente de la température de la flamme. Ceci, en pratique, cause une
baisse de la température du plasma et diminue en conséquence l'échange de
chaleur désirée entre le plasma et les particules en plus d'ar~cler la tension d'arc.
Une telle injection latérale conduit également à une ségrégation des particules en
fonction de leurs tailles, les plus grosses ayant des temps de résidence et de
chauffage dirr~rer,l~ des plus petites. Il en résulte un traitement non uniforme des
particules, qui conduit à des dépôts ayant souvent de pauvres caractéristiques. A
ce sujet, on peut se référer au préambule de l'article de Daniel R. MARANTS intitulé
"Electromagnetically coallesced multi-arc plasma torch with true axial powder feed"
(Thermo Spray Research and Application, Proceedings on the third National ThermoSpray col,rerence, Long Beach, CA, 20 to 25 May 1990).
Pour contourner ce problbme, il a déjà été suggéré d'injecter les gaz
ou
,s~
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particules à traiter ou déposer dile~,~n~ent au centre de la flamme. Une telle
solution est proposée dans l'article de Daniel R. MARANTS ci-dessus mentionné, qui
décrit un appareil comprenant une pluralité de torches à plasma de type
conventionnel, disposées en cercle de facon à ce que leurs flammes convergent en5 un même endroit au centre duquel sont injectées les g~ ou particules à traiter ou
à déposer.
Le principal problème avec ce type de montage est que les gaz ou
particules ne sont pas injectés au milieu d'un anneau de plasma mais au centre
d'une pluralité de r~icce~lly de plasma dont la température, le débit et la viscosité
10 peuvent varier, ce qui peut conduire à une distribution très inégale des gaz ou
particules injectés dans la flamme avec, comme résultat, des produits ou dépôts de
clu~lités très inégales.
A ce sujet, il convient de mentionner que, de par son débit, sa vitesse
et sa température, la flamme d'une torche à plasma présente une certaine viscosilé
15 qui peut rendre fort difflcile le mélange desdits gaz ou particules dans le plasma et,
plus important encore, une distribution irrégulière de ceux-ci dans la flamme.
Pour tenter de résoudre ce problème, il a déjà été suggéré par un
autre auteur, Yoshiaki ARATA, dans un article intitulé "New technology for processing
and evaluating thermo-spray coatings", un type particulier de torche à plasma dans
20 lequel les électrodes sont concer,l,iquement disposées pour définir entre elles un
passage annulaire débouchant dans une buse de sortie. Ce montage particulier a
l'avantage d'assurer une relativement bonne distribution des gaz ou particules àtraiter dans la flamme, puisque ces gaz ou particules se trouvent injectés en plein
centre d'un tunnel de plasma créé lorsqu'un gaz plasmagène est injecté dans le
25 p~cs~ge annulaire. Ce montage est également avantageux dans la mesure où les
gaz ou particules injectés en plein centre du tunnel de plasma sont "aspirés" par
celui-ci et se trouvent donc pa,r~ilement bien distribués. Ce montage s'avère
toutefois être relativement délicat compte tenu de la disposition très particulière
proposée pour les électrodes concentriques où l'électrode centrale se trouve tout à
30 fait en retrait de l'électrode périphérique qui est relativement allongée. En effet, il a
été noté que dans un tel cas, les gaz ou particules se trouvent injectés dans l'arc et,
de l~, viennent affecter les caract~ liq~es du plasma formé. Il a également été noté
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que l'arc selon sa position, peut carrément venir bloquer le tube d'alimentation à
cause de la fusion des particules injectées ou même de la pointe de l'électrode. Ce
même montage a également l'inconvénient de conduire à une très forte érosion des électrodes.
5La présente invention a pour objet un nouveau type de torche à
plasma pour le traitement de gaz ou de particules ou pour le dépôt de particules sur
un substrat, laquelle solutionne la plupart des problèmes ci-dessus mentionnés.
Plus précisément, I'invention a pour objet un nouveau type de torche
à plasma pour le traitement de g~ ou de particules ou pour le dépôt de particules
10sur un substrat, qui, dû à sa structure améliorée, présente les divers avantages
suivants par rapport aux torches à plasma actuellement utilisées pour le même
usage:
a) augmentation de l'échan~e de chaleur entre le plasma et les gaz ou
particules à traiter;
15b) augmentation du ~ansl~,l de masse entre le plasma et les gaz ou
particules à traiter;
c) diminution de la quantité de gaz porteur nécessaire à l'injection de
particules dans la flamme, ceci conduisant à une meilleure efficacité thermique;d) élimination des problèmes de ségr~g~lion des particules
20rencontrées avec des torches à plasma de type traditionnel où des particules sont
injectées tangentiellement à la flamme, ceci conduisant à un chauffage plus uniforme
des particules et à des dépôts de meilleure qualité;
e) augmentation du temps de résidence des particules à traiter dans
le plasma, ceci conduisant à une meilleure efficacité de chauffage eVou de réaction;
25~ possibilité de l~dil~menl de n'importe quel type de gaz ou de
particules grâce à une non-inlel l~rence de ceux-ci sur les caractéristiques du plasma
et de l'arc électrique;
g) efficacité générale du procédé très supérieure à celle des torches
à plasma convnetionnelles utilisées aussi bien pour le traitement de particules ou de
30gaz pour le dépôt de particules sur un substrat;
h) flexibilité des conditions d'opération (tension, courant, débit de gaz,
type de gaz plasmagène), cette flexibilité permettant d'opérer sans fluctuation des
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caractéristiques du plasma (à savoir sans fluctuation de courant ou de tension).i) pas de blocage de la conduite d'alimentation du gas ou des
particules à traiter à cause de l'arc.
La torche à plasma selon l'invention est d'un type similaire à celui
5 décrit par Yoshiaki ARATA dans son article ci-dessus mentionné.
Plus précisément, la torche à plasma selon l'invention est du type
comprenant:
- un support pourvue d'un axe longitudinal;
- une électrode centrale et une électrode périphérique, coaxialement
10 fixées à même le support, ces électrodes étant concentriquement disposées et
d~ri.,issanl entre elles un passage annulaire débouchant dans une buse de sortiecoaxiale au support;
- des moyens pour injecter un gaz plasmagène dans le p~-ssage
annulaire de façon à ce qu'il se dirige dans une direction donnée vers la buse de
1 5 sortie;
- des moyens pour relier électriquement les deux électrodes à une
source de tension à courant continu, pour générer entre celles-ci un arc électrique
et ainsi ioniser le gaz plasmagène de façon à générer un plasma ayant des
caractéristiques données, ce plasma s'échappant du p~s~ge par la buse de sortie
20 sous la forme d'une flamme d'une certaine température et certaine vélocité;
- des moyens pour injecter les gaz ou particules à traiter ou déposer
éventuellement à l'aide d'un g~ porteur, dans la flamme s'échappant de la buse de
sortie, ces moyens comprenant un canal d'injection coaxial à l'électrode centrale, ce
canal s'étendant concenl~ iquement dans l'électrode centrale et débouchant en plein
25 centre de la buse de sortie pour ainsi injecter les gaz ou particules à traiter ou à
déposer centralement et coaxialement dans ladite buse de sortie en plein coeur de
la flamme sans indûment affecter les caractéristiques du plasma;
- un circuit de r~f~ o.Jisse" ,ent optionnel, opérant de préférence à l'eau,
disposé à l'intérieur du support pour re~,o.Jil celle-ci, ainsi que les électrodes et le
30 tube d'injection; et
- au moins une pièce optionnelle de recouvrement isolée
électriquement et isolante thermiquement, disposée en aval des électrodes.
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Selon l'invention, cette structure de type connu est substantiellement
améliorée en ce qu'en en opération, I'éleclrocle centrale est disposée en aval de
l'électrode périphérique par rapport à la direction du gaz plasmagène. Cette
disposition particulière de l'électrode centrale dont la pointe s'avance dans la buse
de sortie tout en se trouvant très en aval de l'électrode périphérique, est exactement
l'inverse de ce qui a été proposé par ARATA dans son article ci-dessus mentionné.
Il a été découvert de facon fort surprenante par les inventeurs que ce
montage très particulier où l'élect,oc!e périphérique est en retrait (ou aval) par
rapport à l'électrode centrale par rapport à la direction d'injection du gaz
plasmagène, permet de solutionner de façon extrêmement simple et efficace deux
des problèmes ci-dessus mentionnés, à savoir le fait que les gaz ou particules
injectés puissent affecter les caracléri:jliques du plasma et le fait que l'arc puisse
bloquer le canal d'injection. En effet, selon l'invention, I'arc électrique se trouve
toujours en amont de l'endroit où les gaz ou particules sont injectés, et ne peut donc
être affecté par cette injection. Ainsi donc, seul le profil de température et de
vélocité de la flamme (pas celui de l'arc) se trouve affecté, et ce à un degré moindre
qu'auparavant, puisque, grâce à l'injection axiale des particules dans la flamme dans
le cas d'un traitement ou dépôt de particules, il est nécessaire d'utiliser beaucoup
moins de gaz porteur qu'avec les torches exislanles.
Selon une autre cara~vl~v~isli.~ue essentielle de l'invention, la torche
comprend également des moyens montés à même le support pour appliquer un
champ magnétique extérieur aux ~v ~v~lodes s'étendant dans une direction parallèle
à l'axe longitudinal de la torche de façon à entrâîner l'arc électrique en rotation dans
ledit passage entre les électrodes. Ceci, en pratique, réduit les points chauds et de
là l'érosion des électrodes. Ceci conduit aussi à un meilleur mixage du gaz
plasmagène avec les g~ ou particules injectés.
Cette seconde caractéristique est donc extrêmement importante dans
la mesure où elle permet de réduire de facon substantielle l'érosion des électrodes
tout en assurant un meilleur mixage du g~ plasmagène avec les gaz ou particules
à traiter ou dv~poser. De façon plus importante encore, cette autre caractéristique
a comme effet de générer un anneau de plasma uniforme en tout point tout autour
de l'endroit où les gaz ou particules sont injectées axialement dans la flamme. Il en
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résulte que les g~ ou particules injectés sont parfaitement bien distribuées dans la
flamme, et ce malgré la viscosité du plasma qui peut être relativement élevée. Ceci
conduit bien sar à une parfaite distribution des gaz ou particules à traiter dans la
flamme obtenue.
Les moyens utilisables pour appliquer un champ magnétique extérieur
aux électrodes de façon à entraîner l'arc électrique en rotation peuvent être
constitués par des aimants permanents ou non, ou des bobines opérées
électriquement de façon à générer le champ magnétique extérieur requis. La façondont de tels aimants ou bobines peuvent être utilisés pour entrâîner en rotation un
arc électrique dans une torche à plasma est connu et un exemple de bobines à
champ magnétique variable appliquées à une torche à plasma est décrit en détail
dans le brevet américain no 4.683.367 délivré le 28 juillet 1989 au nom de la société
demanderesse. Une description plus approfondie de ces moyens ne s'avère dont
pas nécessaire.
1~ Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la buse de sortie
est de pr~rére"ce formée dans la pièce de recouvrement isolée et isolante qui peut
être fait en nitrure de bore, en alumine ou en tout autre matériau analogue, qui n'est
pas conducteur électrique et a une forte rés;slance thermique. En d'autres mots, la
pièce de recouvrement peut constituer la buse de sortie, ou simplement servir de20 support à celle-ci si cette buse est constituée par une autre pièce.
De prérérellce, I'élec:t, ode centrale a la forme d'un tronc de cône et le
passage annulaire défini entre les élect,ocles de la forme d'un tronc de cône
débouchant dans la buse de sortie.
Selon un premier mode de réalisation, les électrodes centrales et
25 périphériques peuvent être respectivement branchées de façon à constituer des anode et cathode.
Selon un second mode de réalisation, les électrodes centrales et
périphériques peuvent être branchées de façon à définir respectivement des cathode
et anode. Dans un tel cas, il est toutefois utile de protéger la pointe de l'électrode
30 centrale par une tête de recouvrement isolante ayant la forme d'un anneau au centre
duquel débouche le passage d'injection des particules.
Les électrodes peuvent etre faites de n'importe quel métal
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habituellement utilisé pour ce faire. Toutefois, selon un mode de réalisation tout
particulièrement avantageux de l'invention qui résulte du fait que l'érosion estextrêmement réduite, les deux ~le~,odes peuvent avantageusement être faites en
cuivre ou en alliage de cuivre. Ceci rend la torche utilisable avec clirrare~ lls types de
gaz plasmagène, ce qui n'est pas le cas des électrodes de tungstène qui ne sont
habituellement utilisables qu'avec l'hydrogène, I'argon et, dans certains cas, I'azote.
Un autre avantage de la ,~résenle invention est le fait que la tension
utilisée peut être beaucoup plus élevée que celle qui est habituellement utilisée des
les torches à plasma. Bien s~r, le voltage choisi dépend du type de gaz
plasmagène utilisé, de la di~lance entre les électrodes et du courant d'arc.
Toutefois, dû à la flexibilité d'opération de la torche à plasma selon la présente
invention, on peut utiliser une source de tension comprise entre 30 et 400 volts et,
de prérérence entre 30 à 170 volts sans aucune difficulté, ce qui, pour une puissance
désirée égale, permet de réduire de façon inversement proportionnelle l'il ,le,lsilé du
courant et, de là, I'impol Lance de l'érosion des éle~tl odes puisque cette érosion est
directement liée à l'intensité du courant.
Tel que précédemment indiqué, la torche à plasma selon l'invention
peut être utilisée aussi bien pour le dépôt de particules sur un substrat que pour le
traitement de particules. Elle peut aussi être utilisée pour le traitement d'un gaz ou
d'un mélange de gaz injecté(s) axialement par le même canal que les particules.
Deux modes particuliers de réalisation de l'invention vont maintenant
être décrits en se rér~ranl aux dessins annexés dans lesquels:
- la fig. 1 est une vue en coupe schématique d'une torche à plasma
selon un premier mode possible de réalisation de l'invention; et
- la fig. 2 est une vue en coupe schématique d'une torche à plasma
selon un second mode possible de réalisation de l'invention.
Dans l'une et l'autre de ces figures, les mêmes numéros de référence
ont ét~ utilisés pour identifier les mêmes éléments.
La torche à plasma illustrée sur la fig. 1 des dessins comprend un
support 1 de n'importe quelle structure ayant un axe longitudinal "A", sur lequel sont
coaxialement fixées une électrode centrale 3 et une électrode périphérique 5. Tel
qu'illustré, les électrodes 3 et 5 sont concentriquement disposées et définissent entre
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elles un passage annulaire 7 débouchant dans une buse de sortie 9 coaxiale à l'axe
"A" du support 1.
L'électrode centrale 3 a la forme d'un tronc de cône dont la base 11
s'étend sensiblement au même niveau que l'électrode périphérique 5. La pointe de5 I'électrode cenlra:~ 3 s'étend très aval de l'électrode périphérique par rapport à la
direction du gaz plasmagène injecté dans le passage annulaire 7, tel qu'il sera
expliqué ci-après. La distance séparant cette pointe de l'arête la plus en aval de
l'électrode périphérique est identifiée par la lettre "h" sur la fig. 1. La surface
intérieure de l'électrode périphérique 5 est choisie de façon à ce que le passage
10 annulaire 7 défini entre les ~le~ odes 3 et 5 ait la forme d'un tronc de cône débouchant dans la buse de sortie 9.
Des moyens incluant une source de g~ plasmagène 15 ainsi que des
cavités ou conduits creusés ou prévus dans le support 1 servent à injecter un gaz
plasmagène dans le passage annulaire 7 de façon ~ ce que ce g~ se dirige dans
15 une direction donnée vers la buse de sortie 9. Des moyens constitués par des
raccorcls électriques très schématiquement illustrés par la ligne 19 sont également
prévus pour relier électriquement les deux électrodes 3 et 5 à une source de tension
en courant continu 21 de façon à générer entre celles-ci un arc électrique et ainsi
ioniser le g~ plasmagène injecté de façon à former un plasma. Comme on peut
20 I'apprécier, le g~ ainsi injecté et chauffé forme un plasma s'échappe du passage
par la buse de sortie 9 sous la forme d'une flamme 23 de certaines vélocité et
température.
Des moyens sont prévus pour injecter les g~ ou particules à traiter ou
déposer éventuellement à l'aide d'un g~ porteur dans la flamme 23 s'échappant de25 la buse de sortie 9. Ces moyens pour injecter les particules comprennent un tube
pour amener les g~ à traiter ou les particules entrâînées par un gaz porteur jusqu'à
un canal d'injection passant dans l'éle~ode centrale 3. Plus précisément, le canal
25 s'étend concentriquement à travers l'électrode ce~ le 3 de façon à déboucher
en plein centre de la buse de sortie 9 pour injecter les particules à traiter ou à
30 déposer centralement et coaxialement dans cette buse 9 en plein coeur de la flamme
23, sans indûment i"r~cler les cara~;lérisliques de l'arc électrique qui se trouve très
en amont.
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Tel que précédemment indiqué, ce montage particulier a l'avantage
d'assurer une bonne distribution des gaz ou particules dans la flamme puisque ces
dernières se trouvent injectés en plein centre d'un tunnel de plasma créé lorsque le
g~ plasmagène est injecté dans le passage annulaire 7. Ce montage est également
5 avantageux dans la mesure où les gaz ou particules injectées en plein centre du
tunnel de plasma sont "entrâînés" par celui-ci et se trouvent donc parfaitement bien
distribués. En outre, ce montage est très avantageux dans la mesure où du fait du
positionnement très particulier de l'électrode centrale dont la pointe s'étend très en
aval de l'électrode périphérique 5, il n'y a plus aucun risque pour l'arc électrique de
10 venir bloquer le tube d'alimentation ou d'avoir ses caract~ristiques aflectées par les
g~ ou particules injectés.
Selon un autre aspect important de l'invention, la torche comprend en
outre des moyens 26qui peuvent être constitués par des aimants permanents ou
non ou des bobines opérées électriquement, de façon à appliquer un champ
15 magnétique extérieur aux électrodes 3 et 5 qui s'étend dans une direction parallèle
au passage annulaire 7 pour entrâîner l'arc électrique en rotation dans le passage
7 entre les électrodes et ainsi réduire l'érosion de ces électrodes tout en assurant un
meilleur mixage des g~.
L'entrâînement en rotation de l'arc électrique a plusieurs avantages.
20 Tout d'abord, cet entraînement permet de réduire de façon substantielle les points
chauds sur les électrodes et, de là, I'érosion de celles-ci. Cet entrâînement enrotation a également pour effet de générer un anneau de plasma uniforme en tout
point autour de l'endroit où les g~ ou particules sont injectés axialement dans la
flamme 23, ce qui assure une bonne aspiration des gaz ou particules dans la flamme
25 et ce malgré la viscosité de celle-ci, qui peut être relativement élevée.
La torche à plasma illustrée sur la fig. 1 comprend enfin un circuit de
refroidissement à l'eau 27 disposé dans le support 1 pour refroidir celui-ci ainsi que
les électrodes 3 et 5 et éventuellement la buse de sortie 9. A ce sujet, on notera que
la buse de sortie peut être maintenue chaude ou froide selon le type de matériau30 dont elle est faite. La torche a plasma comprend également au moins une pièce de
recouvrement 29 électriquement isolante et thermiquement résistante, qui peut être
fait en nitrure de bore, en alumine ou en un autre matériau analogue, cette pièce
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étant disposée en aval des électrodes et de la buse de sortie pour protéger celle-ci.
Tel qu'illustré sur la fig. 1, la buse de sortie 9 est elle-même formée
directement dans la pièce de recouvrement isolant 29. Tel qu'illustré sur la fig. 2, la
buse de sortie 9 est constituée d'une pièce séparée insérée dans un trou prévu à cet
5 effet dans ce recouvrement isolant 29.
Dans le mode de réalisalion illustré sur la fig. 1, la source de tension
21 est reliée aux électrodes de façon à ce que l'électrode centrale 3 soit la cathode
et l'électrode périphérique 5 soit l'anode. Dans ce cas particulier, des essais
effectués par la Demanderesse ont montré qu'il était utile de protéger la pointe 13
10 de la cathode 3 à l'aide d'une tête isolante creuse 31 au centre de laquelle
débouche le canal d'injection 25.
Dans le mode de réalisation illustré sur la fig. 2, la connexion électrique
est faite de façon à ce que l'électrode centrale 3 soit l'anode et l'électrode
périphérique 5 soit la cathode. Dans ce dernier cas, il s'est avéré aux essais ne pas
15 être nécessaire de protéger la pointe 13 de l'électrode centrale jouant le rôle
d'anode.
Tel que précédemment mentionné, le montage particulier de la torche
selon l'invention quel que soit le mode de réalisation illustré, permet
avantageusement d'utiliser si désiré des ~le ~lodes en cuivre ou en alliage de cuivre,
20 ce qui rend la torche utilisable avec n'importe quel type de gaz plasmagène. En
outre, la tension utilisée peut être beaucoup plus élevée que celle habituellement
utilisée pour les torches à plasma. Ainsi, la source de lensiol, 11 peut aller jusqu'à
400 volts dû à la flexibilité d'opération de la torche ce qui, pour une puissance
désirée égale, permet de réduire de fa,con inversement proportionnelle l'inlensilé du
25 courant et, de là, I'importance des ,c ll~nomènes d'érosion sur les électrodes.
Bien entendu, diverses modifications pourraient être apportées aux
deux modes de réalisation préférés ci-dessus illustrés sans pour autant sortir du
cadre de l'invention telle que définie dans les revendications qui suivent. Ainsi, par
exemple, il a été décrit ci-dessus que l'électrode centrale est montée sur le support
30 1 de facon à être très en aval de l'électrode périphérique. Ceci est un arrangement
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possible. On pourrait toutefois prévoir une torche où les électrodes seraient
déplaçables à l'aide de moyens pneumatiques ou électriques, le positionnement des
électrodes n'étant effectuée qu'après "allumage" de l'arc.
