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CARTOUCHE POUR TORCHE A PLASMA ET TORCHE A PLASMA
EQUIPEE
DESCRIPTION
Domaine de l'invention
L'invention se situe dans le domaine des
torches à plasma.
Etat de la technique antérieure
Les plasmas d'arc font partie de la famille des
plasmas thermiques. Ce sont des milieux gazeux
partiellement ionisés, conducteurs de l'électricité
mais globalement électriquement neutres, à des
pressions de l'ordre de la pression atmosphérique. On
les génère au moyen d'une torche à plasma, en faisant
passer un ou plusieurs gaz plasmagène(s) au travers
d'un arc électrique que l'on entretient entre deux
électrodes.
Pour porter des gaz à haute température et
enthalpie massique élevée, on utilise des torches à arc
soufflé. C'est-à-dire que l'arc est confiné à
l'intérieur de la torche qui contient les deux
électrodes et c'est le jet à grande vitesse de gaz à
haute température (le plasma) que l'on utilise dans le
procédé.
La figure 1, illustre de façon très schématique
le principe d'une telle torche. Une telle torche
comprend deux électrodes, une anode 1 et une cathode 3,
concentriques l'une de l'autre et ménageant entre elles
un canal 7 de circulation de gaz.
Les deux électrodes 1,3 sont reliées à un
générateur haute tension, haute fréquence, (HT-HF) et à
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un générateur de courant continu. Elles doivent
impérativement être énergétiquement refroidies (par
circulation d'eau) pour éviter leur fusion.
Initialement et grâce au générateur HT-HF, un
arc 8 électrique jaillit entre les deux électrodes
(cathode et anode) ionisant le gaz introduit et rendant
l'espace inter électrode conducteur. Le générateur de
courant continu peut alors débiter dans cet espace et
entretenir l'arc.
La puissance fournie à la torche est égale au
produit de l'intensité débitée (qui peut être régulée)
par la tension qui s'établit entre l'anode et la
cathode. Cette tension dépend de plusieurs paramètres
tels que la nature et le débit de gaz utilisé, mais
aussi de l'usure des électrodes pour une part non
négligeable. La puissance du plasma 9 est égale à la
puissance fournie à la torche diminuée des pertes dans
l'eau de refroidissement. L'usure des électrodes est
donc fortement pénalisante. Elle dépend de leur
géométrie, de l'efficacité de leur refroidissement, de
leur coaxialité, de la nature et de la pureté des gaz.
Des équipements permettant de générer un plasma
9 d'arc 8 sont utilisés pour la projection thermique
(traitement de surface), le chauffage de gaz ou la
synthèse chimique. L'énergie fournie au(x) gaz par
l'arc électrique permet de les échauffer à des
températures supérieures à 10.000 K.
Le choix du ou des gaz plasmagènes est quasi
illimité. Il est fonction des exigences du procédé
(oxydation, nitruration, haute température en milieu
réducteur, .... ) L'éventail de puissance est très
étendu, il va de quelques kilowatt à plusieurs
mégawatt. Très souvent, le choix de la nature et du
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débit des gaz plasmagènes dicte la gamme de
fonctionnement possible.
Une torche est donc souvent conçue pour une
application donnée car sa technologie doit être
compatible avec le choix du gaz plasmagène et la
puissance de travail souhaitée.
Sa taille, sa forme et sa simplicité peuvent
également prendre de l'importance s'il s'agit de
travailler en milieu exigu ou hostile.
Les torches actuellement existantes sont des
ensembles complexes, comprenant au moins une dizaine de
pièces (joints d'étanchéité, visserie et raccords en
fluides exceptés). La coaxialité des électrodes dépend
de l'empilement de pièces usinées avec des tolérances
acceptables pour les joints d'étanchéité.
Le remplacement d'une ou des deux électrodes
est une opération qui doit intervenir régulièrement
(dans la plupart des cas après quelques dizaines
d'heures de fonctionnement). Cette opération nécessite
toujours le démontage/remontage de sous-ensembles et le
changement des joints d'étanchéité.
A titre d'illustration trois exemples de
torches à plasma connues sont ci-après commentés
brièvement.
Une première torche connue fonctionne avec un
mélange d'air/argon ou oxygène/argon, sa puissance est
d'environ 100 kW. Elle est constituée de 15 pièces
usinées, 21 joints, 22 vis et 6 raccords fluides. Les
pièces d'usure régulière sont la cathode et l'anode,
une bague isolante et une buse d'injection. Un minimum
de maintenance (changement de l'anode) est nécessaire à
moins de 100 heures de fonctionnement dans les
meilleures conditions d'utilisation.
_ _ .~.
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Une seconde torche connue a été développée pour
l'hydropyrolyse d'hydrocarbures lourds. Les gaz
plasmagènes sont de l'argon et de l'hydrogène qui sont
mélangés à du méthane en sortie de torche. Cette torche
s'apparente à une torche de projection thermique. On.y-
trouve, excepté les raccords d'alimentation en fluide
et la visserie, 10 pièces usinées et 7 joints toriques.
Comme troisième exemple, il est cité l'une des
torcbes les plus simples commercialisée par la société
SULZER METCO. C'est la torche de projection thermique
F4-MB. Ce type de torche fonctionne, classiquement avec
de l'argon, de l'hélium et de l'azote seul ou "en
mélange. L'ajout d'hydrogène est.'souvent utilisé pour--
gagner de la puissance (augmentation=~de la tension-
d'.arc). On dénombre tout de même;,B:pièces~usinées, 14
joints toriques, 12 éléments de visser'ie et 3 raccords
fluides.
La demande de brevet japonais JP 04-249 096
décrit une torche à plasma dans laquelle, afin de
réduire la probabilité de création d'un arc entre
l'anode et la cathode, les gaz plasmagènes suivent une
voie qui leur permet de tourbillonner. A cette fin, un
centreur l0a qui est une pièce placée entre l'anode et
la cathode a une ouverture 106 qui va de la face sommet
du centreur à une face latérale. Un autre conduit 102
situé entre l'anode et la pièce de centrage 10 permet
de guider les gaz en provenance du conduit 106 vers le
bas de l'anode.
Des conduits 107 joignent l'extérieur du
centreur 10 à une cavité centrale 105 de celui-ci.
Cette particularité permet de créer un jet
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.,:
18-05=2001 ,PCT/FR00/00920 DESC
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tourbillonnant de gaz plasmagène. on obtient ainsi une
usure plus régulière de la cathode.
Brève description de l'invention
5 La torche, selon l'invention, vise à simplifier
au maximum le montage de la torche elle-même et,
d'autre part, le remplacement périodique des pièces
d'usure. Elle a été développée en particulier pour une
application de chauffage de gaz dans un réacteur =de
postcombustion de gaz de pyrolyse de déchets=
radioactifs chlorés, fortement contaminés en émetteu==rs =
ac. Ce réacteur est destiné à fonctionner dans une boî=te
à gant.
En= milieu hôst=i=le (radioactif, avec ôbligaxï~on
de travailler en boïtë', à gants ou au télémanipulatéu=r= ) I;; .~
.;.. , .
le travail doit êtré= -.:siinplifié au maximum. L' échange
standard de sous-ensembles est souvent préférable au ~=
démontage et au remontage de pièces isolées dans un
ensemble complexe. Le temps d'intervention est plus
court, la fiabilité d'un sous-ensemble neuf et contrôlé
est bien meilleure que celle d'un ensemble complexe
démonté et remonté.
A cette fin, la torche plasma selon l'invention
est conçue en deux parties, . une cartouche
interchangeable jetable constituant un générateur de
plasma destiné à s'insérer dans une structure de
raccordement et maintien de la cartouche. Cette
structure de raccordement et maintien de la cartouche a
pour but de raccorder la cartouche à ses alimentations
en gaz plasmagène, en fluide de refroidissement et en
courants électriques. Cette structure comporte à cette
Printed:28-05-2001'~13270 . 3 GB page modifiée 2
..i
= -..n -- ~ 18-05 2001 PCT/F-.Ra0/00920 DESC
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fin des premiers moyens de raccordement de la
cartouche.
Ces premiers moyens servent d'intermédiaires
pour les alimentations en courants électriques, en eau
et en gaz. Ces alimentations sont donc complètement
désolidarisées de la cartouche plasma.
La structure comporte des second moyens
coopérant ou non avec des moyens de fixation de la
cartouche pour maintenir la cartouche mécaniquement
raccordée aux premiers moyens d-'alimentation en
courants.'électriques eau et gaz.
L'invention est relative à-une cartouche
génératrice de 'plasma pour une torche à plasma, ayant
les caractéristiques figurant dans-la:~revendication 1.
Dé:: la = sorte le circuit de gâÉ~ ~.plâsmagène est
réalisé.=avec; une seule pièce auxiliaire;ï- -le centreur,
par une simple opérations effectuée à là =presse pour
pousser selon une direction axiale le centreur serré
sur la cathode dans la cavité axiale de l'anode. Du
fait du serrage du centreur dans l'anode et sur la
cathode le montage de l'ensemble anode, cathode se
trouve réalisé. Ce montage de l'anode sur la cathode
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constitue de plus une partie du circuit de distribution
de gaz plasmagènes. Dans le mode préféré de réalisation
la continuité et la régularité de la distribution en
gaz est assuré par le fait que le relais entre les
conduits du centreur et les conduits d'amenée de gaz au
travers de l'anode est assuré par un volume annulaire
de distribution. Le volume annulaire de distribution
est constitué, par une gorge radiale, qui peut être
située soit sur l'anode, soit sur le centreur, soit
encore à la fois sur l'anode et sur le centreur. De la
sorte la cartouche selon l'invention ne nécessite pour
l'alimentation en gaz aucun joint ou conduit, autre que
ceux réalisés par perçage ou usinage ou moulage, dans
les pièces nécessaires au fonctionnement de la torche.
Du point de vue montage, l'utilisation d'une gorge de
raccordement entre les conduits du centreur et les
conduits d'amenée de gaz au travers de l'anode,
simplifie le montage puisqu'il n'est alors pas
nécessaire d'indexer angulairement l'anode et le
centreur.
Les gaz plasmagènes reçus, au niveau des
premières extrémités des conduits du centreur sont
répartis autour de la cathode, par l'intermédiaire de
plusieurs trous débouchant au niveau de la surface
supérieure de la partie supérieure du centreur, soit
sur des lumières ou sur une gorge terminale de
distribution de gaz.
Dans le mode préféré de réalisation, où la
cathode est portée par un support comportant des moyens
de positionnement de l'anode, un volume annulaire de
refroidissement ménagé entre un assembleur et l'anode
reçoit un fluide de refroidissement au travers d'un
conduit menant le fluide d'une surface extérieure de la
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cartouche mais préférentiellement de l'anode à ce
volume annulaire. L'assembleur, l'anode annulaire et le
support comportent des parties creuses en forme de
gorges annulaires et des parties saillantes en formes
de couronnes annulaires toutes axées parallèlement à
l'axe AA', les parties saillantes étant emmanchées
serrées dans les parties creuses. L'étanchéité du
volume annulaire est obtenu par le fait que le diamètre
extérieur de chaque couronne saillante a une valeur
légèrement supérieure à celle de la gorge dans laquelle
elle est emmanchée. De la sorte la cartouche selon
l'invention ne nécessite pour l'alimentation en eau
aucun joint ou conduit autre que ceux réalisés par
perçage ou usinage ou moulage dans les pièces
nécessaires au fonctionnement de la torche.
L'assembleur ou corps assembleur est appelé ainsi car
outre sa fonction de former le volume annulaire autour
de l'anode, dans lequel passe le fluide de
refroidissement, il a également une fonction
d'assemblage mécanique de la cartouche. Il contribue à
l'assemblage du support de cathode et de l'anode.
Dans le mode préféré de réalisation qui sera
décrit ci-après l'assembleur est une pièce en matériau
électriquement isolant comportant une couronne
inférieure et une couronne supérieure coaxiales. La
couronne inférieure est emmanchée dans une gorge du
support, la couronne supérieure est emmanchée dans une
gorge de l'anode. Cette gorge de l'anode est
périphérique d'une couronne de l'anode. Cette couronne
de l'anode loge la cavité centrale de l'anode. Dans ce
mode de réalisation les dimensions radiales intérieure
de l'assembleur sont supérieures sur au moins une
partie axialement centrale à celle de la couronne de
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l'anode logeant la cavité centrale. Un volume annulaire
pour la circulation d'un fluide de refroidissement de
l'anode est ainsi ménagé entre cette couronne de
l'anode et l'assembleur. Ce volume est en communication
avec des conduits d'amenée et d'évacuation du fluide de
refroidissement, par l'intermédiaire de conduits percés
dans l'anode, l'assembleur, ou encore le support.
D'autres avantages et intérêts de l'invention
apparaîtront lors de la description d'un mode préféré
et de variantes de réalisation qui vont être fait ci-
après en regard des dessins annexés.
Brève description des dessins.
- La figure 1, déjà commentée illustre le
principe d'une torche à plasma.
- La figure 2 représente une coupe axiale d'une
cartouche assemblée selon l'invention.
- La figure 3 représente une coupe axiale d'un
support de cathode et d'une partie inférieure d'un
assembleur assemblé avec ce support.
- La figure 4 représente une vue de dessus du
support représenté figure 3.
- La figure 5 représente une coupe axiale d'un
centreur de cathode et une cathode assemblée avec ce
centreur.
- La figure 6 représente une vue de dessus du
centreur et de la cathode représentés figure 5.
- La figure 7 représente une vue de dessus
d'une variante du centreur et de la cathode représentés
figure 5.
- La figure 8 représente une coupe axiale d'une
anode, d'un insert assemblé sur cette anode et d'une
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partie supérieure d'un assembleur assemblé avec cette
anode.
- La figure 9 représente une vue de dessus de
l'anode et de l'insert représentés figure 8.
5 - La figure 10 représente une coupe axiale d'un
assembleur.
- La figure 11 représente une coupe axiale
selon un plan perpendiculaire au plan de la figure 12
d'une structure de raccordement et maintien d'une
10 cartouche selon l'invention assemblée avec une dite
cartouche représentée schématiquement.
- La figure 12 est une vue de face de la
structure assemblée avec la cartouche 100, avec une
coupe axiale partielle dans le coin supérieur droit.
Description d'un mode préféré de réalisation.
Un exemple de cartouche 100 selon l'invention,
sera maintenant décrit en liaison avec la figure 2.
Dans cet exemple de réalisation, la cartouche 100 et
les pièces qui la composent, présentent des formes
ayant une symétrie de révolution autour d'un axe AA'
constituant l'axe de la cartouche.
Les pièces, qui assemblées, constituent
ensemble une cartouche 100 selon l'invention, sont au
nombre de 6. Il s'agit :
-d'une tuyère anode en cuivre électrolytique 1
-d'un support cathode en cuivre électrolytique 2
-d'une cathode en tungstène dopé 3
-d'un diffuseur centreur cathode en matière plastique 4
-d'un assembleur en matière plastique 5
-d'un insert céramique 6
Lorsqu'elles sont assemblées, les pièces 1 à 6
ménagent entre elles de façon connue et représentée
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figure 1, un canal de circulation de gaz 7, un espace
inter électrode où peut se créer un arc 8. Le plasma 9
(non représenté sur la figure 2) est éjecté par une
tuyère 13 de l'anode 1.
Chacune de ces pièces ainsi que leur mode
d'assemblage seront maintenant décrits.
Le support de cathode 2 décrit ci-après, en
liaison avec les figures 3 et 4, est une pièce de forme
cylindrique ayant une symétrie de révolution autour de
l'axe AA'. Il comporte une base ou surface inférieure
21 de forme circulaire située dans un plan
perpendiculaire à l'axe AA'. Le côté opposé à la base
21 comporte, du centre vers la périphérie, un alésage
central 23, avec une surface latérale 34 et un fond 35,
une gorge 24 circulaire de révolution autour de AA',
ayant deux bords latéraux 25, 26, un bord interne 25 et
un bord externe 26, ainsi qu'un fond 27. Un ou
plusieurs trou(s) traversant(s) 28 joint (joignent) le
fond 27 de la gorge 24 à la base 21. Entre la gorge 24
et l'alésage 23, le support 2 comporte une couronne 29,
ayant une surface supérieure 30 située dans un plan
parallèle à la base 21. Les bords latéraux de cette
couronne sont constitués par le bord latéral interne 25
de la gorge 24 et la face latérale 34 de l'alésage 23.
Enfin, le support 2 comporte une couronne périphérique
22 ayant une face latérale externe 36 de diamètre égal
à celui de la base 21 et une face supérieure 37. Les
bords latéraux de la couronne 22 sont constitués par la
face latérale externe 36 du support 2 et par la face
latérale externe 26 de la gorge 24.
Du point de vue des dimensions, le diamètre de
l'alésage 23 est suffisant pour recevoir en ajustage
serré la cathode 3 qui sera décrite plus loin assurant
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ainsi un bon contact électrique entre la cathode et le
support. La largeur de la gorge 24, c'est-à-dire la
différence entre les rayons des bords externe 26 et
interne 25 est supérieure à la largeur (c'est-à-dire la
différence entre le rayon externe et le rayon interne
de la couronne) d'une première couronne 51 de
l'assembleur 5. Par contre, le diamètre de la paroi
externe 26 de la gorge 24 est inférieur au diamètre
externe de cette couronne 51 de l'assembleur 5 en sorte
que cette couronne 51 de l'assembleur 5 puisse être
emmanchée serrée dans la gorge 24. L'assembleur 5 dont
la couronne 51 d'assemblage est représentée figure 3
est décrits plus loin.
La cathode 3 et le centreur 4 seront maintenant
décrits en référence aux figures 5 et 6 dans lesquelles
ces pièces apparaissent en position assemblée.
La cathode 3 est de forme cylindrique à base
circulaire plate 31 et à tête conique 32. Elle est
incluse dans un centreur 4 de cathode, représenté
figures 5 et 6 en position autour de la cathode 3.
Le centreur 4 a aussi une forme circulaire de
révolution autour de AA'. Il comporte une partie
cylindrique basique 41, prolongée par une partie
cylindrique 42 de diamètre extérieur plus faible. Le
diamètre intérieur du centreur 4 est constant sur toute
la hauteur du centreur à l'exception, dans une forme de
réalisation, du diamètre d'une partie terminale
supérieure 43 situé du côté opposé à la base 41, dont
le diamètre intérieur est légèrement supérieur au
diamètre intérieur de la base 41 et de la prolongation
cylindrique 42.
Les surfaces planes du centreur 4
perpendiculaires à 1 'axe AA', sont constituées par les
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surfaces inférieure 46 et supérieure 47 de la partie
basique 41 du centreur 4. La surface inférieure 46 de
la base 41 est délimitée par deux cercles
concentriques, le diamètre du cercle interne étant égal
au diamètre interne du centreur 4, le diamètre externe
de cette surface inférieure 46 étant égal au diamètre
externe de la partie basique 41. La surface supérieure
47 de la partie basique 41 du centreur 4 est délimitée
par deux cercles concentriques, le diamètre du cercle
externe est égal au diamètre extérieur de la partie
basique 41 et le diamètre du cercle intérieur est égal
au diamètre extérieur de la prolongation 42 du centreur
4. Les surfaces planes du centreur 4 perpendiculaires à
l'axe AA' comportent également, dans la forme de
réalisation mentionnée plus haut, le fond 48 d'une
gorge 45 et enfin la surface supérieure 49 du centreur
4.
Le fond 48 de gorge 45 est délimité par un
cercle extérieur dont le diamètre est égal au diamètre
intérieur d'une partie terminale 43 et par un cercle
intérieur dont le diamètre est égal au diamètre externe
de la cathode 3.
Enfin, la surface intérieure axiale du centreur
4 est constituée par une surface inférieure 39
correspondant aux parties 41 et 42 dont le diamètre est
légèrement inférieur au diamètre de la cathode 3, et
dans la forme de réalisation avec gorge 45 par une
surface supérieure 40, correspondant à la partie 43
dont le diamètre est supérieur au diamètre de la
cathode 3. Les surfaces latérales extérieures du
centreur 4 sont au nombre de 2, une surface latérale
inférieure 38 correspondant à la base 41 et une surface
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latérale supérieure 50 correspondant aux parties 42,et
43 dans la version avec gorge 45.
Du point de vue des dimensions, le diamètre
intérieur du centreur 4 est, comme indiqué ci-dessus
légèrement inférieur au diamètre extérieur de la
cathode 3, en sorte que cette cathode 3 puisse être
emmanchée en serrage dans le centreur 4. Le diamètre
intérieur de la partie terminale 43 est, dans la
version avec gorge 45 supérieur au diamètre de la
cathode 3, en sorte que la cathode 3 et la partie
terminale 43 forment ensemble la gorge 45.
Des variantes de ce centreur 4 seront
maintenant décrites en liaison avec les figures 5 et 7.
Le centreur 4 a pour fonction de centrer et d'isoler
électriquement la cathode 3 par rapport à l'anode 1.
Cette fonction est assurée par la surface latérale
extérieure 50 de la partie supérieure 42, qui comme
cela sera vu plus tard lors de la description de la
cartouche 100 assemblée, vient en appui sur un alésage
de l'anode. Les variantes qui vont être décrites ci-
après concernent la fonction du centreur relative à la
distribution du gaz plasmagène de façon bien répartie
dans le volume annulaire entre l'anode 1 et la cathode
3.
Dans un premier mode de réalisation comportant
deux variantes représentées en vue de dessus figures 6
et 7, le centreur 4 comporte plusieurs conduits 44.Dans
la variante préférée de réalisation ces conduits 44
représentés figure 6 joignent la face extérieure 50 à
la surface supérieure 49 du centreur 4, sur laquelle
ils débouchent au niveau de lumières 95 représentées
figure 7, ou dans la version avec gorge au niveau du
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fond 48 de la gorge 45 (figure 6). Dans ce mode de
réalisation préféré les axes des conduits 44 sont
inclinés sur l'axe AA', mais non compris dans un plan
contenant l'axe AA', de manière à provoquer une
5 injection tangentielle des gaz, induisant un tourbillon
appelé vortex qui va forcer le pied d'arc à tourner
dans l'anode de façon à ne pas rester accroché en un
point préférentiel. Cette variante de réalisation a
pour avantage de répartir l'usure de la cathode de
10 façon régulière autour de la cathode et donc
d'augmenter sa longévité. Par contre elle provoque un
tourbillon du plasma qui n'est pas toujours souhaitable
en fonction de l'utilisation du plasma. C'est pourquoi
dans une seconde variante des conduits 144 sont percés
15 selon une direction axiale se trouvant dans un plan
radial (figure 7). Ils débouchent chacun sur une
lumière 95, ou dans la version avec gorge 45 dans la
gorge 45.
Dans les variantes de réalisation qui viennent
d'être décrites les extrémités des conduits 44 ou 144
se trouvant sur la surface extérieure latérale 50 du
centreur 4 peuvent déboucher soit directement au niveau
de la surface latérale 50, ce qui est le mode préféré,
soit au niveau d'une gorge 148 radiale creusée à partir
de cette surface latérale 50. Cette gorge est
représentée en pointillés figures 5 et 7.
L'étanchéité est obtenue par le fait que le
centreur est emmanché suffisamment serré dans la cavité
centrale 10 de l'anode 1 qui va être maintenant
décrite.
L'anode 1 et son insert céramique 6 seront
décrits en liaison avec les figures 8 et 9.
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L'anode 1 est également une pièce de révolution
autour de l'axe AA'. Elle comporte une cavité centrale
d'axe AA'. Cette cavité est traversante et s'étend
axialement d'une face supérieure 11 de l'anode à une
5 partie 134 d'une face inférieure 12 de l'anode 1. La
face inférieure 12 de l'anode 1 se situe à l'opposé de
la face supérieure 11 et se compose de plusieurs
parties situées axialement à différents niveaux. De la
face supérieure 11 à la -partie 134 de la face
10 inférieure 12, la cavité 10 comporte une partie
cylindrique supérieure 13 formant tuyère pour le
plasma. Vient ensuite une partie tronconique 14. le
diamètre de la partie supérieure de la partie 14 est
égal au diamètre de la partie 13. Le diamètre de la
partie inférieure de la partie tronconique 14 est
supérieur à celui de la partie 13. Enfin, vient une
partie inférieure 15 cylindrique s'étendant axialement
de la base inférieure 16 de la partie tronconique 14 à
la partie 134 de la face inférieure 12 de l'anode 1. Le
diamètre de cette partie 15 de la cavité 10 est
supérieur au plus grand diamètre de la partie
tronconique 14. Les parties tronconique 14 et
cylindrique 15 sont reliées par un méplat 17. L'insert
céramique 6 est logé dans la cavité 10, dans le haut de
la partie 15. Cette pièce simple sera maintenant
décrite avant de continuer la description de l'anode 1.
L'insert 6 est une bague en forme de tore, engendré par
un rectangle en rotation autour de l'axe AA'. La
largeur du rectangle est égale à la largeur du méplat
17. Cette largeur du méplat 17 résulte elle-même de la
différence entre le rayon de la partie inférieure 15 et
le rayon de la base inférieure 16 de la partie
tronconique 14.
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Cet insert 6 est inséré de telle sorte que sa
surface supérieure 61 vienne en appui sur le méplat 17,
de l'anode 1. La surface latérale extérieure 62 de
l'insert est en appui sur la surface latérale 18 de la
partie 15 de la cavité 10 de l'anode 1.
L'extérieur de l'anode 1, comprend la face
supérieure 11 délimitée par deux cercles. Le diamètre
du cercle extérieur est de préférence égal au diamètre
extérieur du support 2, le di.amètre du cercle intérieur
de la surface supérieure 11 est égal au diamètre de la
partie supérieure 13 de la cavité 10. L'extérieur de
l'anode 1 comprend également une face extérieure
cylindrique 19. La face inférieure 12 comprend
plusieurs parties situées axialement à des niveaux
différents. De l'extérieur vers l'axe AA', on trouve
successivement une première couronne 121. Le diamètre
extérieur de cette couronne 121 est égal au diamètre du
cylindre périphérique 19. Le diamètre intérieur de
cette couronne 121 est de préférence égal au diamètre
extérieur de la paroi extérieure 26 de la gorge 24 du
support 2. la surface inférieure 133 de cette couronne
est une surface plane perpendiculaire à l'axe AA'. La
surface inférieure 133 est une partie de la surface
inférieure 12 de l'anode 1.
On trouve ensuite une gorge 122. Cette gorge a
une surface de fond de gorge 124. Cette surface 124 est
une partie de la surface inférieure 12 de l'anode 1.
Cette gorge 122 a une paroi cylindrique extérieure 126
dont le diamètre est égal au diamètre intérieur de la
première couronne 121. Ce diamètre est de préférence
égal au diamètre de la paroi extérieure 26 de la gorge
24 du support 2. Le diamètre intérieur de la gorge
axiale 122 est de préférence égal au diamètre de la
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paroi cylindrique intérieure 25 de la gorge 24 du
support 2.
On trouve enfin une seconde couronne 123. Cette
couronne 123 a une surface inférieure 134,
perpendiculaire à l'axe AA'. Cette surface inférieure
134 est une partie de la surface inférieure 12 de
l'anode 1. La couronne 123 a une paroi cylindrique
extérieure 125 dont une partie constitue la paroi
cylindrique intérieure de la gorge 122.
La paroi cylindrique 125 a un diamètre de
préférence égal au diamètre intérieur de la paroi 25 de
la gorge 24 du support 2.
Un ou de préférence, plusieurs premier(s)
conduit(s) 127 ayant chacun deux extrémités 128, 129
percé(s) dans l'anode 1 permet(tent) un passage de
fluide de l'une des parois extérieures 11, 19 de
l'anode 1, vers la paroi intérieure 18 de la cavité 10.
Dans l'exemple représenté en liaison avec les figures 8
et 9, chaque conduit 127 mène de sa première extrémité
128, au niveau de la surface supérieure 11 à sa seconde
extrémité 129 située au niveau de la paroi 18 de la
partie inférieure 15 de la cavité 10. Il débouche dans
cette cavité 10 à un niveau axial situé sous l'insert
6. Ce ou ces premiers conduits 127 sont prévus pour la
distribution du gaz plasmagène.
Selon une variante évoquée plus haut en liaison
avec la description du centreur 4 et de ses variantes,
ce ou ces conduits peuvent alternativement déboucher
dans une gorge radiale annulaire 135 creusée à partir
de la surface latérale 18 de la cavité 10 de l'anode 1,
au lieu de déboucher directement sur cette surface 18.
Dans le mode de réalisation préféré représenté figures
8 et 9 le ou les conduit(s) 127 sont parallèles à l'axe
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AA', ils se situent dans la couronne 123 recelant la
cavité centrale 10, et ils débouchent dans la gorge
135.
Un ou plusieurs second conduit(s) 130 ayant
chacun deux extrémités 131, 132, mène(nt) de l'une des
parois extérieures 11, 19 de l'anode 1, vers la gorge
122. Dans l'exemple représenté en liaison avec les
figures 8 et 9, le conduit 130 a sa première extrémité
131 au niveau du cylindre périphérique 19 et sa seconde
extrémité 132 débouche dans la gorge 122 au niveau du
fond 124 de cette gorge.
Le mode d'assemblage et l'assemblage des pièces
1-6, constituant ensemble une cartouche 100 pour torche
plasma selon l'invention, seront maintenant décrits en
liaison avec les figures 2, 3, 5 et 8.
Tout d'abord, l'assembleur 5 sera décrit en
liaison avec les figures 3, 8 et 10.
Sur les figures 3 et 8 les parties inférieure
et supérieure de l'assembleur 5 ont été représentées
afin de montrer cet assembleur 5 en position par
rapport au support 2(figure 3) et à l'anode 1(figure
8) respectivement.
L'assembleur 5 est représenté en coupe axiale
figure 10.
L'assembleur 5 comporte une couronne
cylindrique inférieure 51. Le diamètre de la surface
cylindrique extérieure 52 de cette couronne 51 est
légèrement supérieur au diamètre de la paroi 26 de la
gorge 24 du support 2, de façon que cette couronne 51
puisse être emmanchée en assemblage serré dans cette
gorge 24. Le diamètre de la paroi intérieure 53 de
cette couronne 51 est supérieur au diamètre de la paroi
intérieure 25 de la gorge 24 du support 2. De la sorte
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un volume annulaire axial est ménagé entre ces deux
parois 24, 53. La couronne 51 a une surface inférieure
59. En position assemblée cette surface 59 n'est pas au
contact de la surface 27 du fond de la gorge 24. De la
5 sorte un volume annulaire 73 est ménagé entre ces deux
surfaces.
Cette couronne 51 est prolongée par une partie
centrale 54 également en forme de couronne. Le diamètre
de la paroi intérieure 55 de cette couronne 54 est
10 supérieur au diamètre de la paroi cylindrique 125 de
l'anode 1. De la sorte un volume annulaire axial 72 est
ménagé entre ces deux parois 55, 125. Il est rappelé
que la paroi 125 s'étend axialement du fond 124 de la
gorge 122 de l'anode 1 à la surface inférieure 134 de
15 la seconde couronne 123 de l'anode 1. Cette surface
inférieure 134 constitue la surface la plus inférieure
de l'anode 1.
La partie supérieure de l'assembleur 5
représentée en position assemblée, figure 8, est
20 également en forme d'une couronne 56. Le diamètre de la
paroi extérieure 57 de cette couronne est supérieur au
diamètre extérieur de la paroi extérieure 126 de la
gorge 122, de l'anode 1. La différence de dimension
entre le diamètre de la paroi extérieure 57 de la
couronne 56 et le diamètre de la paroi 126 est telle
que cette couronne 56 peut être emmanchée en assemblage
serré dans la gorge 122.
Le diamètre de la paroi intérieure 58 de la
couronne 56 est supérieur au diamètre de la paroi 125
de l'anode 1. De la sorte un volume annulaire axial est
ménagé entre ces deux parois 58, 125. Il est rappelé
que cette paroi 125 de l'anode 1 s'étend axialement du
fond 124 de la gorge 122 à la partie 134 de la surface
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inférieure 12 de l'anode 1, qui se trouve au plus bas
niveau de l'anode. La couronne 56 a une surface
supérieure 60. En position assemblée cette surface 60
n'est pas au contact de la surface 124 du fond de la
gorge 122. De la sorte un volume annulaire est ménagé
entre ces deux surfaces.
La partie centrale de l'assembleur 5 a une
surface supérieure 65, une surface inférieure 66 toutes
deux perpendiculaires à l'axe AA', et une surface
latérale extérieure 67.
La surface supérieure 65 de la partie centrale
54 de l'assembleur 5 est délimitée par un cercle ayant
pour diamètre le diamètre extérieur de la couronne 56
et un cercle ayant pour diamètre le diamètre de la
surface latérale extérieure 67 de la partie centrale
54.
De même, la surface inférieure 66 de la partie
centrale 54 de l'assembleur 5 est délimitée par un
cercle ayant pour diamètre le diamètre extérieur de la
couronne inférieure 51 et un cercle ayant pour diamètre
le diamètre de la surface latérale extérieure 67.
Les cercles de délimitation des surfaces
supérieure 65 et inférieure 66 sont concentriques. Dans
l'exemple représenté sur les figures le diamètre
intérieur de la cavité centrale axiale 69 est constant
en sorte que les surfaces intérieures axiales 58, 55,
53 de cette cavité ne forment qu'une seule et même
surface.
En résumé l'assembleur 5 se présente comme une
pièce de révolution ayant une cavité centrale axiale 69
traversante. Il comporte une partie centrale 54 d'où
jaillissent vers le haut et vers le bas des parties
cylindriques 56, 51 respectivement de diamètre
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extérieur plus petit que le diamètre extérieur de la
partie centrale 54. Dans ce mode de réalisation les
surfaces supérieure 65 et inférieure 66 servent de
butée d'assemblage. La surface inférieure 133 de la
couronne 121 de l'anode 1 vient en butée sur la surface
supérieure 65 de la partie centrale 54. La surface
supérieure 37 de la couronne 22 du support 2 de la
cathode 3 vient en butée sur la surface inférieure 66
de la partie centrale 54. Grâces à ces butées et à un
dimensionnement adapté des gorges 122 et 24 et des
longueurs axiales des couronnes 56, 51 on est sûr de
ménager les espaces annulaires 71 et 73.
L'assemblage de la torche sera maintenant
décrit.
L'insert 6 est placé en position comme décrit
plus haut dans l'anode 1. La cathode 3 est insérée dans
l'alésage 23 du support 2, la face inférieure 31 de la
cathode venant au contact du fond 35 de l'alésage 23,
la face latérale de la cathode étant au contact grâce à
un assemblage serré de la surface latérale 34 de
l'alésage 23. De la sorte un contact électrique entre
la cathode 3 et le support 2 est assuré sur toutes les
surfaces en regard du support 2 et de la cathode 3. Le
centreur 4 est placé autour de la cathode 3 comme
décrit plus haut, La face inférieure 46 du centreur 4
se trouve au contact de la face supérieure 30 de la
couronne 29. L'assembleur 5 est alors mis en position
sous presse, la gorge 122 de l'anode 1 recevant la
couronne 56 de l'assembleur 5. La partie supérieure de
la couronne 56 et/ou les bords de la gorge 122 peuvent
être biseautés ou chanfreinés pour faciliter
l'introduction. Lorsque l'assembleur 5 est en place la
surface inférieure 133 de la couronne 121 de l'anode 1
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est en butée contre la surface supérieure 65 de la
partie centrale 54 de l'assembleur 5. La surface
supérieure 60 de l'assembleur 5 n'est pas au fond de la
gorge 122 ce qui fait qu'un volume annulaire 71 est,
comme déjà signalé plus haut, ménagé entre la surface
inférieure 124 de la gorge 122 de l'anode 1 et la
surface supérieure 60 de la couronne 56. L'anode 1 et
son insert 6 ainsi assemblé avec l'assembleur 5 est
alors assemblé avec l'ensemble support 2, cathode 3 et
centreur 4, la couronne 51 venant s'insérer à la presse
dans la gorge 24 du support 2. Pour faciliter
l'insertion, le bas de la couronne 51 et le haut de la
gorge 24 peuvent être biseautés ou chanfreinés. Lorsque
l'opération d'emmanchement est terminée, un jeu
fonctionnel subsiste comme représenté de façon exagérée
figure 2, entre la surface inférieure 66 de la partie
centrale 54 de l'assembleur 5 et la face supérieure 37
de la couronne 22 du support 2. La surface inférieure
59 de la couronne 51 de l'assembleur 5 n'est pas au
contact du fond de gorge 27 de la gorge 24, un volume
annulaire 73 se trouve donc, comme déjà signalé plus
haut, ménagé entre les surfaces inférieures 59 de la
couronne 51 et 27 du support 2. Il sera vu
ultérieurement que ce volume annulaire 73 ménagé entre
ces deux surfaces est destiné à recueillir l'eau de
refroidissement.
Le fonctionnement de la torche sera maintenant
explicité.
En tant que torche, le fonctionnement est le
fonctionnement habituel d'une torche, par contre le
circuit d'arrivée d'eau de refroidissement et le
circuit de gaz plasmagène seront maintenant commentés.
Il est rappelé, que dans l'exemple représenté les
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parois intérieures 53 de la couronne inférieure 51, 55
de la partie centrale 54 et 58 de la couronne
supérieure 56 de l'assembleur 5 sont alignées. Le
diamètre extérieur de la couronne 123 de l'anode 1, le
diamètre de la surface latérale extérieure 38 du
centreur 4 et le diamètre de la paroi intérieure de la
gorge 24 du support 2 sont égaux en sorte que les
parois 125 de l'anode 1, 38 du centreur 4, et 25 du
support 2 sont alignés. Il est rappelé également que le
diamètre intérieur de l'assembleur 5 est supérieur au
diamètre des parois 125, 38, et 35 en sorte qu'un
volume annulaire 72 est ménagé entre l'assembleur 5 et
ces parois. Ce volume annulaire 72 s'étend axialement
de la partie supérieure 60 de la couronne 56 à la
partie inférieure 59 de la couronne 51 de l'assembleur
5. L'eau est amenée par l'ouverture 131, et au travers
du conduit 130 sur la surface extérieure de l'anode 1,
l'extrémité intérieure 132 du conduit 130 débouche dans
le volume annulaire 71 ménagé entre les surfaces 124 et
60 de la gorge 122 et de la couronne 56 respectivement.
Cette eau peut s'écouler le long de la paroi intérieure
125 de l'anode 1 au travers du volume annulaire 72
jusqu'au volume annulaire 73 ménagé entre le bas de la
couronne annulaire 51 et le fond 27 de la gorge 24.
Cette eau s'écoule par le ou les conduit(s) 28
ménagé(s) dans le bas de la gorge annulaire 24. On voit
ainsi, que le circuit d'eau est assuré sans joint
d'étanchéité interne à la torche, grâce à l'assemblage
serré des couronnes 51 et 56 dans les gorges 24 et 122
respectivement. Naturellement les arrivées et départs
d'eau pourraient être placés différemment l'essentiel
étant q'une circulation d'eau refroidisse une couronne
de l'anode 1.
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De même, l'arrivée de gaz plasmagène par
l'ouverture 128 de l'anode 1 se fait sans joint
d'étanchéité, le gaz débouchant par les conduits 44 ou
144 dans les ouvertures 95 disposées autour de la
5 cathode 3 sur le centreur 4, ou dans la gorge 45, selon
les variantes de réalisation. La communication entre
les conduits 127 de l'anode et les conduits 44 ou 144
du centreur 4 se fait par l'intermédiaire de la gorge
135 de l'anode ou 148 du- centreur 4. Les gorges
10 radiales 135 et 148 peuvent également coexister. La
torche assemblée selon l'invention ne comprend donc que
six pièces, l'anode 1, le support 2, la cathode 3, le
centreur 4, l'assembleur 5 et l'insert 6. L'assemblage
de cette torche peut être effectué avec moins
15 d'opérations à la presse si l'on dispose d'outillage
spécialisé de maintien latérale des pièces à assembler.
Du point de vue des fonctions des différentes
pièces composant la cartouche 100 assemblée on
observera que si la cathode 3 est suffisamment serrée
20 dans l'alésage 23 du support 2, le support 2, la
cathode 3 le centreur 4 dont la partie 42 est serrée
dans la cavité 10 de l'anode 1, et l'anode 1 forment un
ensemble assemblé. Dans ces conditions, l'assembleur 5
en coopération avec les gorges 24 du support 2 et 122
25 de l'anode peut n'être considéré que comme une partie
du circuit d'eau. Il sera vu aussi plus tard que
l'assemblage de la cartouche 100 peut être consolidé
par le montage de la cartouche 100 en position dans la
structure de maintien et raccordement.
On observera aussi que si la cartouche 100 est
aussi simple, cela tient à l'architecture globale de la
cartouche. Ainsi le circuit de gaz plasmagène se trouve
entièrement dans une partie centrale de la cartouche
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100 assemblée, la partie centrale de l'anode 1, en
forme de couronne 123, cette couronne jouxtant
immédiatement la cavité centrale 10 de l'anode. Le
circuit d'eau se trouve lui à la périphérie de cette
même couronne 123 jouxtant la cavité centrale 10 en
sorte qu'il n'y a pas de croisement des circuits d'eau
et de gaz.
Il convient de remarquer que l'assembleur a été
présenté comme une pièce distincte du support. Ceci est
dû au fait que l'assembleur qui joint le support
réalisé dans un matériau conducteur au contact de la
cathode est au contact de l'anode. Il est donc réalisé
dans un matériau isolant électriquement pour éviter un
court circuit entre l'anode et la cathode. Il est
évidemment possible de réaliser le support dans un
matériau isolant comportant des traversées conductrices
pour connecter la cathode. Dans ce cas on peut
considérer que l'assembleur est constitué par les
parties en matériau isolant et le support par les
parties en matériau conducteur.
Quelques indications relative aux matériaux des
composants de la cartouche 100 seront maintenant
apportées.
L'anode 1, et le support de cathode 2 qui dans
l'exemple de réalisation sont en cuivre électrolytique
pourraient être réalisés dans tout matériau, par
exemple métallique, conducteur de l'électricité et
permettant l'évacuation de flux thermiques très élevés.
Le tungstène dopé de la cathode 3 pourrait être
usiné dans tout matériau métallique présentant un
faible potentiel d'extraction des électrons.
Le diffuseur centreur 4 peut être usiné dans
tout matériau plastique pour les besoins d'assemblage,
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et présentant une bonne tenue au gonflement à l'eau, un
fort caractère diélectrique et une bonne tenue
mécanique au rayonnement et à la température.
Le corps assembleur 5 peut-être usiné dans un
matériau plastique pour les besoins d'assemblage par
simple pression plastique.
L'insert isolant 6 peut être usiné dans un
matériau céramique présentant une bonne tenue aux chocs
thermiques, au rayonnement et*doté d'un fort caractère
diélectrique, par exemple du nitrure de bore.
Il a été vu que les assemblages sont du type
emmanchement serré réalisé sous presse, ce qui sous-
entend un couple de matériau adapté : Dans le cas de la
torche présenté, les assemblages sont constitués par
des couples plastique - alliage de cuivre ou alliage de
tungstène - alliage de cuivre.
D'autres couples de matériaux peuvent être
envisagés, en particulier des matériaux céramiques
pourrait remplacer les matériaux plastiques, si l'on
interposait, de façon en elle-même connue, entre la
poupée de pression et le vérin de presse d'assemblage
un vibreur.
La structure de raccordement et de maintien de
la cartouche 100 sera maintenant succinctement décrite
en liaison avec les figures 11 et 12. La structure de
raccordement et de maintien 80 comporte deux flasques
81, 82, tous deux de révolution autour de l'axe AA'. Un
flasque inférieur 81 recèle un alésage 83 dont le
diamètre intérieur est égal au diamètre extérieure du
support 2, en sorte que ce support 2 puisse facilement
être introduit dans ce flasque 81. Le flasque inférieur
81 comporte une évacuation d'eau et une arrivée de
courant représentés en 84. Un ou plusieurs joint(s)
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torique(s) permettent de façon connue d'assurer
l'étanchéité.
Le flasque supérieur 82 de la structure de
maintien et de raccordement recèle un alésage 85 dont
le diamètre intérieur est égal au diamètre extérieur de
l'anode 1, en sorte que cette anode 1 puisse facilement
être introduit dans ce flasque 82. Ce flasque 82
comporte un trou central axial 91 à bords évasées
permettant le passage du plasma. Les flasques inférieur
81 et supérieur 82 et la cartouche 100 sont maintenus
assemblés au moyen d'un étrier 92. Cet étrier 92 a une
forme en U. Deux bras parallèles du U sont rotativement
fixées au moyen de vis 96 perpendiculaires à l'axe AA'
au flasque supérieur 82. Des manchons et rondelles
isolantes sont prévus de façon connue pour éviter les
contacts électriques entre l'étrier et le flasque 82.
Le flasque inférieure 81 est muni sur sa face
inférieure d'une empreinte centrale 93. En position
assemblée une vis 94 montée dans la partie horizontale
du U de l'étrier 92 bloque la rotation de l'étrier 92
autour des vis 96 et exerce une pression au niveau de
l'empreinte 93 empêchant le mouvement des flasques 82
et 81 dans la direction axiale. L'isolation électrique
du flasque 81 et de l'étrier est obtenue au moyen d'un
manchon isolant 95 et de rondelles isolantes. Il est
prévu un contre-écrou de blocage 97. La distance entre
le bras horizontal de l'étrier 92 et la face inférieure
du flasque 81 est suffisante pour permettre le
désengagement de la cartouche 100 des alésages 83 et 85
des flasques 81 et 82 respectivement.
Le fonctionnement est le suivant
Pour le démontage de la cartouche 100 le
contre-écrou 97 est débloqué et la vis 94 dévissée
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jusqu'à ce que la cartouche 100 puisse être extraite de
l'un des flasques 81 ou 82. Dans cette position le
flasque 82 est toujours solidaire de l'étrier 92 et le
flasque 81 est maintenu, la vis 94 toujours à
l'intérieur de l'empreinte 93. Dans cette position des
flasques la cartouche 100 peut être extraite de l'autre
flasque par une légère rotation de l'étrier 92 autour
de l'axe formé par les vis 96. Cette rotation libère le
passage de la cartouche 100. Pour le remontage on
procède inversement.
Ce mode d'assemblage est intéressant du point
de vue mécanique car il permet d'exercer une pression
d'assemblage des flasques 81, 82 et de la cartouche 100
qui est automatiquement axiale. Il n'y a pas de risque
de pressions dissymétriques créant une contrainte de
déformation latérale. Il est également intéressant car
il permet le montage et le démontage de la cartouche
100 au moyen d'une seule vis sans nécessité de maintien
des flasques 81, 82, ce qui est particulièrement
intéressant lorsqu'on travaille en boîte à gants.
Naturellement d'autres moyens mécaniques de
fixation de la cartouche 100 à la structure 80 sont à
la portée de l'homme du métier.
Les étanchéités sont assurées par des joints et
par le fait que la cartouche 100 est ajustée dans les
alésages 83, 85.
