EP0427591A1 - Torche à plasma à injection non refroidie de gaz plasmogène - Google Patents

Torche à plasma à injection non refroidie de gaz plasmogène Download PDF

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EP0427591A1
EP0427591A1 EP90403045A EP90403045A EP0427591A1 EP 0427591 A1 EP0427591 A1 EP 0427591A1 EP 90403045 A EP90403045 A EP 90403045A EP 90403045 A EP90403045 A EP 90403045A EP 0427591 A1 EP0427591 A1 EP 0427591A1
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plasma
electrodes
revolution
plasma torch
plasma gas
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Didier Pineau
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Definitions

  • the present invention relates to electric arc plasma torches, implementing the injection of a plasma gas into an internal chamber, which is formed in the torch and which is crossed by an electric arc generated between two electrodes.
  • the temperatures reached by the plasma leaving the torch can exceed 10,000 ° C.
  • the two electrodes are tubular and coaxial, in extension of one another, and they are each arranged in a support.
  • a cooling circuit is necessarily provided between each electrode and the support which surrounds it because of the temperatures reached.
  • means are provided for striking said arc, which may be of the type with electric discharge produced between the two electrodes or of the short-circuit type, thanks, for example, to the use of an auxiliary starting electrode.
  • the torches most often comprise at least one electromagnetic coil arranged around one of the electrode supports, to allow the displacement of the attachment feet of the electric arc and, thus, to avoid premature wear of the internal surfaces of the tubular electrodes .
  • the means for injecting plasma gas such as air
  • they generally comprise a part of revolution coaxial with said electrodes and defining with these and their supports said injection chamber.
  • Cross holes are provided in the room to allow the injection of plasma gas from a supply circuit into the chamber.
  • said part is made of a metallic material and also comprises a cooling circuit.
  • longitudinal passages for cooling fluid circulation are provided in the part of revolution.
  • these passages communicate on one side with an external annular groove formed in the part, into which the cooling fluid arrives, and, on the other side, these passages are placed in communication with the cooling circuit of the downstream electrode (relative to the circulation of plasma gas). Thanks to this, the same coolant flows through the cooling circuits of the injection part and the downstream electrode.
  • insulating members are provided between the injection part and the upstream electrode, which, moreover, can have a role of thermal shield for the upstream or rear part of the torch.
  • the present invention relates to a plasma torch which, taking into account the unexpected results revealed by the various tests carried out, presents a considerably simplified embodiment while guaranteeing performances similar to plasma torches of the prior art.
  • the plasma torch of the type comprising: - Two tubular and coaxial electrodes, in extension of one another, each of them being arranged in a support in which is formed a cooling circuit of the corresponding electrode; - Means for producing the initiation of an electric arc between the two electrodes; and, - Means for injecting a plasma gas between said electrodes, comprising a part of revolution coaxial with said electrodes and defining with these and their supports a chamber, into which is injected, thanks to transverse orifices made in the part, the plasma gas , is remarkable, according to the invention, in that said part of revolution is devoid of internal cooling means.
  • the part of revolution is of a very easy embodiment, injection orifices being only made by drilling in said part.
  • the part of revolution is made of a non-metallic material, electrically insulating.
  • the injection part since the injection part is not subjected to high temperatures, it need not be made of metal. However, as the injection part is more insulating, it is no longer also necessary to provide the insulation and thermal shield devices previously arranged between the two electrodes and which involved a significant additional bulk of the torch.
  • the part of revolution can then be made of a plastic material such as, for example, a polytetrafluoroethylene.
  • the part of revolution can have a section in the shape of a crown.
  • the plasma gas injection orifices are regularly distributed around said part.
  • the geometric axes of the transverse injection orifices contained in planes perpendicular to the longitudinal axis of the torch, instead of converging towards the latter , are slightly offset from their position for which they would converge towards said longitudinal axis.
  • the plasma torch 1 comprises a body 2 comprising in particular two cylindrical supports 3 and 4. Inside the support 3 is housed an upstream electrode or cathode 5, while inside the support 4 is housed a downstream electrode or anode 6. These electrodes 5 and 6 have a tubular shape and they are arranged coaxially to a longitudinal axis 7 while being spaced from one another along said axis. These electrodes are connected to power supplies, not shown.
  • each support and its corresponding electrode is provided a cooling circuit, respectively 8 and 9, in which a cooling fluid circulates. Only the input, respectively 8A and 9A, of these cooling circuits has been shown.
  • the structure of these electrode cooling circuits which is of a known type, will not be described further, these circuits being connected to a supply of cooling fluid.
  • an auxiliary starting electrode 12 is provided in this embodiment.
  • an electromagnetic coil 14 is arranged around the support 3 of the upstream electrode 5, so to allow, under the action of the axial magnetic field which it generates, the displacement of the feet of the electric arc 11 around the internal surfaces 5A and 6A, respectively of the electrodes 5 and 6, thereby avoiding premature wear of the latter.
  • the plasma torch 1 also comprises means 16 for injecting a plasma gas, such as air, between the electrodes 5 and 6 as soon as the electric arc 11 is produced.
  • a plasma gas such as air
  • These means 16 comprise a part of revolution 17 having a section in the form of a crown and surrounding the opposite ends 58 and 68 respectively of the electrodes 5 and 6.
  • the internal wall 17A of the part 17, the ends 58 and 68 of the electrodes and the front face 3A of the support 3 define an internal chamber 18, into which the plasma gas is injected by means of transverse orifices 17B formed in the injection part 17.
  • the plasma gas comes from a supply, not shown, and arrives at 19 in an annular space 20 delimited between an external envelope 21 of the body 2 of the torch and the external wall 17C of the injection part 17.
  • the injection part 17 according to the invention is devoid of internal cooling means. Indeed, the cold plasma gas injected into the chamber 18 constitutes, in the vicinity of the internal wall 17A of the injection part, a protective thermal barrier against the high temperatures generated by the electric arc 11, at the heart of the chamber 18. It therefore follows that the production of the injection piece 17, as shown more particularly in FIG. 2, is considerably simplified. Indeed, the drilling of the injection orifices 17B regularly distributed around the part 17 does not raise any difficulties.
  • the injection part can be made of a plastic material, preferably electrically insulating such as, for example, a polytetrafluoroethylene.
  • This plastic part can also play the role of electrical insulator between the two electrodes 5 and 6, so that it is no longer necessary to provide insulation and thermal shield devices usually fitted to the plasma torches of the prior art.
  • Figure 1 highlights the small footprint of the plasma torch obtained according to the invention.

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Abstract

La présente invention concerne une torche à plasma, du type comprenant : - deux électrodes tubulaires et coaxiales (5 et 6), en prolongement l'une de l'autre, chacune d'elles étant agencée dans un support (3 et 4) dans lequel est ménagé un circuit de refroidissement (8 et 9) de l'électrode correspondante ; - des moyens (12) pour produire l'amorçage d'un arc électrique entre les deux électrodes ; et, - des moyens (16) pour injecter un gaz plasmagène entre lesdites électrodes, comprenant une pièce de révolution (17) coaxiale auxdites électrodes et définissant avec celles-ci et leurs supports une chambre (18) dans laquelle est injecté, grâce à des orifices transversaux (17B) pratiqués dans la pièce, le gaz plasmagène. Selon l'invention, ladite pièce de révolution (17) est dépourvue de moyens de refroidissement internes.

Description

  • La présente invention concerne les torches à plasma d'arc électrique, mettant en oeuvre l'injection d'un gaz plasmagène dans une chambre interne, qui est ménagée dans la torche et qui est traversée par un arc électrique engendré entre deux électrodes. Les températures atteintes par le plasma en sortie de la torche peuvent dépasser les 10 000°C.
  • Dans les réalisations usuelles des torches à plasma, les deux électrodes sont tubulaires et coaxiales, en prolongement l'une de l'autre, et elles sont chacune disposées dans un support. Un circuit de refroidissement est nécessairement ménagé entre chaque électrode et le support qui l'entoure en raison des températures atteintes. Par ailleurs, pour produire l'arc électrique entre les électrodes, on prévoit des moyens pour amorcer ledit arc, qui peuvent être du type à décharge électrique produite entre les deux électrodes ou du type à court-circuit, grâce, par exemple, à l'utilisation d'une électrode auxiliaire de démarrage. Les torches comprennent le plus souvent au moins une bobine électromagnétique disposée autour d'un des supports d'électrode, pour permettre le déplacement des pieds d'accrochage de l'arc électrique et, ainsi, éviter une usure prématurée des surfaces internes des électrodes tubulaires.
  • Quant aux moyens d'injection du gaz plasmagène, tel que de l'air, dans la chambre interne de la torche, ils compren­nent généralement une pièce de révolution coaxiale auxdites électrodes et définissant avec celles-ci et leurs supports ladite chambre d'injection.
  • Des orifices transversaux sont prévus dans la pièce pour autoriser l'injection du gaz plasmagène, issu d'un circuit d'alimentation, dans la chambre. Comme la pièce est directement exposée au rayonnement thermique engendré par l'arc électrique et à la réaction chimique qui s'ensuit avec le gaz plasmagène, ladite pièce est réalisée en une matière métallique et comporte, par ailleurs, un circuit de refroi­dissement. Pour cela, des passages longitudinaux de circula­tion de fluide de refroidissement sont ménagés dans la pièce de révolution. Par exemple, ces passages communiquent d'un côté avec une gorge annulaire externe ménagée dans la pièce, dans laquelle arrive le fluide de refroidissement, et, de l'autre côté, ces passages sont mis en communication avec le circuit de refroidissement de l'électrode aval (par rapport à la circulation du gaz plasmagène). Grâce à cela, le même fluide de refroidissement parcourt les circuits de refroi­dissement de la pièce d'injection et de l'électrode aval.
  • Cependant, comme la pièce d'injection est métallique et, par conséquent, conductrice d'électricité, il est impératif de prévoir un dispositif électriquement isolant afin de garantir une isolation maximale entre les deux électrodes. A cet effet, on prévoit des organes isolants entre la pièce d'injection et l'électrode amont, qui, en outre, peuvent avoir un rôle d'écran thermique pour la partie amont ou arrière de la torche.
  • On comprend donc les inconvénients engendrés par ces torches à plasma et portant principalement, à cause des températures atteintes, sur la réalisation complexe de la pièce d'injec­tion du gaz plasmagène, pourvue d'un circuit de refroidisse­ment interne, et sur la nécessité d'adjoindre, pour les raisons évoquées préalablement, des organes isolants qui impliquent une augmentation de l'encombrement des torches à plasma, ainsi que de leur coût.
  • La Demanderesse a donc cherché à remédier à ces inconvé­nients en pratiquant pour cela sur une torche à plasma du type décrit ci-dessus divers essais sur la pièce d'injection afin d'étudier son comportement en fonction des températures rencontrées.
  • Les résultats de ces essais ont montré que la pièce d'injection ne subissait pas des températures aussi élevées que l'on pensait. Ces résultats ont prouvé que la température du fluide de refroidissement à la sortie des passages longitudinaux était peu différente de celle relevée à l'entrée desdits passages. La Demanderesse en a donc déduit que le gaz plasmagène frais, injecté de façon continue à travers les orifices en direction de la chambre, constituait une couche thermiquement protectrice efficace pour la paroi interne de la pièce d'injection, vis-à-vis de la température régnant au coeur de la chambre, c'est-à-dire au niveau de l'arc électrique.
  • Par conséquent, la présente invention concerne une torche à plasma qui, en tenant compte des résultats inattendus révélés par les différents essais effectués, présente une réalisation considérablement simplifiée tout en garantis­sant des performances analogues aux torches à plasma de l'art antérieur.
  • A cet effet, la torche à plasma, du type comprenant :
    - deux électrodes tubulaires et coaxiales, en prolongement l'une de l'autre, chacune d'elles étant agencée dans un support dans lequel est ménagé un circuit de refroidisse­ment de l'électrode correspondante ;
    - des moyens pour produire l'amorçage d'un arc électrique entre les deux électrodes ; et,
    - des moyens pour injecter un gaz plasmagène entre lesdites électrodes, comprenant une pièce de révolution coaxiale auxdites électrodes et définissant avec celles-ci et leurs supports une chambre, dans laquelle est injecté, grâce à des orifices transversaux pratiqués dans la pièce, le gaz plasmagène,
    est remarquable, selon l'invention, en ce que ladite pièce de révolution est dépourvue de moyens de refroidissement internes.
  • Ainsi, grâce aux résultats inattendus des essais, la pièce de révolution, usuellement complexe, est d'une réalisation très aisée, des orifices d'injection étant uniquement pratiqués par perçage dans ladite pièce.
  • Avantageusement, la pièce de révolution est réalisée en une matière non métallique, isolante électriquement.
  • En effet, puisque la pièce d'injection n'est pas soumise à des températures élevées, il n'est pas nécessaire qu'elle soit en métal. Or, comme la pièce d'injection est de plus isolante, il n'est plus nécessaire également de prévoir les dispositifs d'isolation et d'écran thermique préalablement agencés entre les deux électrodes et qui impliquaient un encombrement supplémentaire important de la torche.
  • On comprend donc de ce qui précède que la réalisation de la torche se trouve considérablement simplifiée.
  • La pièce de révolution peut être alors réalisée en une matière plastique telle que, par exemple, un polytétrafluo­roéthylène.
  • Structurellement, la pièce de révolution peut présenter une section en forme de couronne. De préférence, les orifices d'injection du gaz plasmagène sont régulièrement répartis autour de ladite pièce.
  • Par ailleurs, afin d'assurer un effet de vortex au gaz plasmagène injecté dans la chambre, les axes géométriques des orifices transversaux d'injection, contenus dans des plans perpendiculaires à l'axe longitudinal de la torche, au lieu de converger vers ce dernier, sont légèrement décalés par rapport à leur position pour laquelle ils convergeraient vers ledit axe longitudinal.
  • Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.
    • La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation de la torche à plasma selon l'invention.
    • La figure 2 montre, en perspective écorchée, ladite pièce d'injection du gaz plasmagène.
  • En se référant à la figure 1, la torche à plasma 1 comporte un corps 2 comprenant notamment deux supports cylindriques 3 et 4. A l'intérieur du support 3 est logée une électrode amont ou cathode 5, tandis qu'à l'intérieur du support 4 est logée une électrode aval ou anode 6. Ces électrodes 5 et 6 présentent une forme tubulaire et elles sont disposées coaxialement à un axe longitudinal 7 en étant espacées l'une de l'autre le long dudit axe. Ces électrodes sont reliées à des alimentations électriques non représentées.
  • Par ailleurs, entre chaque support et son électrode correspondante est ménagé un circuit de refroidissement, respectivement 8 et 9, dans lequel circule un fluide de refroidissement. Seule l'entrée, respectivement 8A et 9A, de ces circuits de refroidissement a été représentée. On ne décrira pas davantage la structure de ces circuits de refroidissement des électrodes qui est d'un type connu, ces circuits étant reliés à une alimentation en fluide de refroidissement.
  • Pour amorcer l'arc électrique 11 entre les deux électrodes et 6, on prévoit dans ce mode de réalisation une électrode auxiliaire de démarrage 12. De plus, une bobine électromagnétique 14 est disposée autour du support 3 de l'électrode amont 5, de façon à permettre, sous l'action du champ magnétique axial qu'elle engendre, le déplacement des pieds de l'arc électrique 11 autour des surfaces internes 5A et 6A, respectivement des électrodes 5 et 6, évitant de la sorte une usure prématurée de ces dernières.
  • La torche à plasma 1 comprend par ailleurs des moyens 16 pour injecter un gaz plasmagène, tel que de l'air, entre les électrodes 5 et 6 dès que l'arc électrique 11 est produit. Ces moyens 16 comprennent une pièce de révolution 17 présentant une section en forme de couronne et entourant les extrémités en regard 58 et 68 respectivement des électrodes 5 et 6. Ainsi, dans ce mode de réalisation, la paroi interne 17A de la pièce 17, les extrémités 58 et 68 des électrodes et la face avant 3A du support 3 définissent une chambre interne 18, dans laquelle est injecté le gaz plasmagène grâce à des orifices transversaux 17B ménagés dans la pièce 17 d'injection.
  • Le gaz plasmagène est issu d'une alimentation non représentée et parvient en 19 dans un espace annulaire 20 délimité entre une enveloppe externe 21 du corps 2 de la torche et la paroi externe 17C de la pièce d'injection 17.
  • Pour les raisons évoquées préalablement, la pièce d'injec­tion 17, selon l'invention, est dépourvue de moyens de refroidissement internes. En effet, le gaz plasmagène froid injecté dans la chambre 18 constitue, au voisinage de la paroi interne 17A de la pièce d'injection, une barrière thermique protectrice à l'encontre des températures élevées engendrées par l'arc électrique 11, au coeur de la chambre 18. Il s'ensuit donc que la réalisation de la pièce d'injection 17, comme le montre plus particulièrement la figure 2, s'en trouve considérablement simplifiée. En effet, le perçage des orifices d'injection 17B régulière­ment répartis autour de la pièce 17 ne soulève pas de difficultés.
  • On remarquera sur la figure 2 que les axes géométriques 17D des orifices d'injection 17B, contenus dans des plans perpendiculaires à l'axe longitudinal de la pièce 17 correspondant à l'axe longitudinal 7 de la torche, sont légèrement décalés par rapport à la position pour laquelle ils convergeraient vers celui-ci. Cette orientation décalée des orifices d'injection 17B permet d'assurer avantageuse­ment un effet de vortex au gaz plasmagène injecté dans la chambre 18.
  • Comme la pièce d'injection n'est pas soumise à des températures élevées, elle peut être réalisée en une matière plastique, de préférence électriquement isolante telle que, par exemple, un polytétrafluoroéthylène. Cette pièce en matière plastique peut jouer, de plus, le rôle d'isolant électrique entre les deux électrodes 5 et 6, de sorte qu'il n'est plus nécessaire de prévoir de dispositifs d'isolation et d'écran thermique équipant usuellement les torches à plasma de l'art antérieur.
  • La figure 1 permet de mettre en valeur le faible encombre­ment de la torche à plasma obtenue selon l'invention.

Claims (7)

1 - Torche à plasma, du type comprenant :
- deux électrodes tubulaires et coaxiales (5 et 6), en prolongement l'une de l'autre, chacune d'elles étant agencée dans un support (3 et 4) dans lequel est ménagé un circuit de refroidissement (8 et 9) de l'électrode correspondante :
- des moyens (12) pour produire l'amorçage d'un arc électrique entre les deux électrodes ; et,
- des moyens (16) pour injecter un gaz plasmagène entre lesdites électrodes, comprenant une pièce de révolution (17) coaxiale auxdites électrodes et définissant avec celles-ci et leurs supports une chambre (18) dans laquelle est injecté, grâce à des orifices transversaux (17B) pratiqués dans la pièce, le gaz plasmagène,
caractérisée en ce que ladite pièce de révolution (17) est dépourvue de moyens de refroidissement internes.
2 - Torche à plasma selon la revendication 1,
caractérisée en ce que ladite pièce de révolution (17) est réalisée en une matière non métallique, isolante électri­quement.
3 - Torche à plasma selon l'une des revendications 1 ou 2,
caractérisée en ce que ladite pièce de révolution est réalisée en une matière plastique.
4 - Torche à plasma selon la revendication 3,
caractérisée en ce que la matière plastique est un polytétrafluoroéthylène.
5 - Torche à plasma selon l'une quelconque des revendica­tions précédentes 1 à 4,
caractérisée en ce que ladite pièce de révolution (17) présente une section en forme de couronne.
6 - Torche à plasma selon l'une des revendications précédentes 1 à 5,
caractérisée en ce que les orifices d'injection (17B) du gaz plasmagène sont régulièrement répartis autour de ladite pièce (17).
7 - Torche à plasma selon l'une quelconque des revendica­tions 1 à 6,
caractérisée en ce que les axes géométriques (17D) des orifices transversaux d'injection (17B) du gaz plasmagène, contenus dans des plans perpendiculaires à l'axe longitudi­nal (7) de la torche, au lieu de converger vers ce dernier, sont légèrement décalés par rapport à leur position pour laquelle ils convergeraient vers ledit axe longitudinal (7).
EP90403045A 1989-11-08 1990-10-29 Torche à plasma à injection non refroidie de gaz plasmogène Expired - Lifetime EP0427591B1 (fr)

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