FR2688974A1 - Reacteur a plasma et circuit electrique de commande approprie. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un réacteur à plasma. Le réacteur comprend deux électrodes (E1 , E2 ) espacées définissant entre elles un intervalle propre à être traversé par un milieu gazeux, une source de haute tension (HT), des moyens pour relier cette source de haute tension aux deux électrodes à travers par exemple une résistance (R), ainsi que des moyens d'initiation capacitifs qui comprennent une première capacité (C0 ) et une seconde capacité (C) reliée à l'une des électrodes (E1 ), la seconde capacité (C) étant reliée à l'électrode (E1 ) au travers d'un composant (Z) présentant une résistance supérieure à la résistance (R) existant entre la première capacité (C0 ) et l'électrode (E1 ). Le réacteur de l'invention permet de contrôler la transition entre le filament et l'arc électrique.

Description

Réacteur à plasma
L'invention concerne un réacteur à plasma propre à produire des décharges électriques dans un milieu gazeux.

On sait que de telles décharges induisent des transformations physico-chimiques permettant de former des espèces chimiques nouvelles stables ou radicalaires engendrant des réactions de transformation du milieu gazeux.

On obtient ainsi un plasma, c'est-à-dire un milieu plus ou moins ionisé, dans lequel il existe une certaine proportion de particules chargées électriquement qui se déplacent au milieu de particules non chargées électriquement.

Pour produire un tel plasma, il est connu d'utiliser un réacteur comprenant deux électrodes espacées définissant entre elles un intervalle propre à être traversé par un milieu gazeux, une source de haute tension, des moyens pour relier cette source de haute tension aux deux électrodes à travers par exemple une résistance, et des moyens d'initiation capacitifs pour produire une décharge créant un filament d'initiation, suivi d'un arc électrique.

Dans un tel réacteur, les deux électrode ont très souvent des configurations dissymétriques, l'électrode positive ou anode étant par exemple réalisée sous la forme d'une pointe et l'électrode négative ou cathode sous la forme d'un plan.

Si l'on prend comme exemple particulier un tel réacteur à électrodes pointe-plan, fonctionnant avec de l'air à la pression atmosphérique, on a pu observer que la formation d'un arc électrique entre la pointe portée à un potentiel positif et le plan porté à un potentiel négatif, par exemple à la masse, s'effectuait à travers différentes séquences de croissance de la conduction électrique gazeuse entre les deux électrodes.

En effet, la décharge électrique débute par la propagation d'une onde d'ionisation de petite dimension appelée "dard", ou encore "streamer" (terme anglo-saxon), qui crée d'abord un filament conducteur cylindrique se propageant de la pointe positive vers le plan négatif. Ce dard atteint le plan au bout d'un temps de l'ordre de 20 nanosecondes pour un intervalle de l'ordre de 1 cm entre les deux électrodes et pour de l'air à la pression atmosphérique.

A l'arrivée du dard au plan, il se produit un filament conducteur gazeux qui relie les deux électrodes et forme entre elles un pont conducteur. Ce filament a la forme d'un canal cylindrique.

Ce pont conducteur constitue un "plasma froid" dans lequel la température des espèces lourdes atomiques et moléculaires du gaz ainsi que des ions et des espèces excitées est inférieure à quelques centaines de "C.

Ensuite la conduction électrique des espèces chargées dans le filament conduit à un échauffement dans le coeur du cylindre de décharge, de l'ordre de quelques centaines de "C, avec pour conséquence une expansion hydrodynamique du canal de décharge qui est de l'ordre de la microseconde.

Cette expansion implique une baisse de la concentration des espèces lourdes dans le filament de décharge, donc une augmentation du libre parcours moyen des électrons entre deux collisions. Ceux-ci peuvent alors gagner de plus en plus d'énergie et c'est la raison pour laquelle l'arc électrique peut prendre naissance. En effet, à ce stade, les électrons qui, dans l'air se transorment en ions négatifs au stade précédent, ionisent maintenant de plus en plus facilement, d'où il résulte un emballement dans l'augmentation de la conductivité électrique du milieu. Il se forme alors un arc transitoire, ou étincelle, qui élève la luminosité de l'ensemble de la décharge et conduit à une pointe de courant.

On constate ainsi que la première phase de plasma froid conduit à former un percement ou un trou dans le milieu gazeux et à préparer ainsi le canal dans lequel le plasma thermique chaud de l'arc va s'établir.

On connaît déjà différents types de réacteurs à plasma, parmi lesquels on distingue notamment ceux qui utilisent une décharge couronne, généralement obtenue à l'aide de tensions alternatives. De tels réacteurs sont utilisés à grande échelle dans les ozoneurs.

Il existe aussi des réacteurs qui utilisent la phase pleinement développée de l'arc électrique et qui constituent par exemple des torches à plasma.

On connaît aussi des réacteurs qui utilisent la phase naissante de l'arc électrique, et c'est le cas notamment des dispositifs des bougies d'allumage commandes par bobines de self-inductance pour les moteurs à combustion interne.

Dans les réacteurs à plasma connus, l'électrode positive, c'està-dire la pointe dans l'exemple précédent, est reliée d'une part au potentiel positif de la source de haute tension, par exemple au travers d'une résistance pure, et d'autre part à une capacité, répartie ou localisée, qui constitue les moyens d'initiation capacitifs mentionnés plus haut.

La résistance pure permet le passage d'un courant électrique dont l'intensité, de l'ordre du milli-ampère, est très inférieure à celle du courant de décharge.

Seule la capacité permet, grâce à l'énergie stockée en elle-même lors de la mise sous tension du réacteur, de fournir un courant transitoire de décharge.

Dans les réacteurs connus, cette capacité fournit une proportion très faible de son énergie dans la première phase et elle fournit ensuite une proportion importante de son énergie dans la seconde phase, c' est-à-dire lors de la production de l'arc électrique.

Jusqu'à présent, la capacité associée à l'électrode positive, c'est-à-dire la pointe, a été choisie de valeur suffisante pour qu'il se crée un trou ou percement dans le gaz afin de conduire au phénomène d'emballement mentionné plus haut et permettant la formation de l'arc électrique.

Toutefois, les réacteurs à plasma connus ne permettent pas de maîtriser ce phénomène d'emballement ainsi que la transition entre le filament d'initiation et l'arc électrique. Dans ces conditions, il est impossible de moduler les caractéristiques du plasma produit.

En outre, dans les réacteurs à plasma connus, il est impossible de maîtriser la fréquence et l'instant de déclenchement de la décharge.

C'est en conséquence un but de l'invention de procurer un réacteur à plasma qui permet de maîtriser le phénomène d'emballement de la conductivité électrique du milieu.

C'est aussi un but de l'invention de procurer un tel réacteur à plasma qui permet de moduler la transition du filament conducteur à l'arc électrique et par conséquent de moduler le plasma ainsi généré.

C'est aussi un but de l'invention de procurer un tel réacteur à plasma qui permet de maîtriser la fréquence et l'instant de déclenchement de la décharge.

L'invention a encore pour but de procurer un réacteur à plasma pouvant être utilisé notamment dans les bougies d'allumage de moteurs à combustion interne, et pour le traitement chimique des gaz, par exemple le traitement des NOX et SOx, la valorisation des hydrocarbures et le traitement des espèces toxiques dans les effluents gazeux de rejets de productions industrielles, etc.

L'invention propose à cet effet un réacteur à plasma du type défini en introduction, dans lequel les moyens d'initiation capacitifs comprennent deux capacités reliées à l'une des électrodes, ou première électrode, à savoir une première capacité reliée à cette première électrode, et une seconde capacité reliée à cette première électrode au travers d'un composant présentant une résistance supérieure à la résistance existant entre la première capacité et la première électrode, ce qui permet de contrôler la transition entre le filament et l'arc électrique.

La première capacité et la seconde capacité peuvent être des capacités réparties ou localisées.

La première capacité est reliée directement à la première électrode, donc au travers d'une résistance négligeable, si bien que le courant produit par cette première capacité passe directement à travers la décharge électrique.

La seconde capacité produit un courant de décharge qui est obligé de passer à travers le composant, qui possède une certaine résistance, et à travers la décharge électrique.

On obtient ainsi entre la première et la deuxième électrode un courant qui présente un pic dû à la formation de l'arc électrique, ce pic se décomposant sensiblement en deux parties : une pointe initiale suivie d'une phase de décroissance exponentielle que l'on peut qualifier de phase de maintien.

Conformément à l'invention, la première capacité permet de former un canal gazeux de faible concentration qui, au moment de l'emballement du courant associé à la montée vers l'arc électrique, fournit l'énergie nécessaire au pic de courant. A mesure que cette première capacité fournit son énergie, le potentiel à ses bornes décroît, et la seconde capacité prend alors le relais pour maintenir l'existence du plasma formé par la première capacité.

On se trouve alors dans la phase de décroissance exponentielle mentionnée précédemment. L'amplitude du courant initial de cette phase de décroissance exponentielle est déterminée par la valeur de la résistance du composant mentionné précédemment, cependant que la durée de cette phase exponentielle ou phase de maintien est déterminée par le produit résistance du composant x valeur capacitive de la seconde capacité.

Ainsi, en agissant sur les valeurs des deux capacités et sur la valeur de la résistance, il est possible de contrôler les valeurs de l'amplitude de la pointe initiale de courant et les caractéristiques de la phase de décroissance exponentielle, liée à la nature du plasma formé.

Le réacteur à plasma de l'invention permet de générer des plasmas de qualités différentes pour une même énergie fournie par le circuit extérieur. Il peut être utilisé pour différents milieux gazeux dans un domaine de pression allant d'environ 50 mm de mercure à quelques atmosphères.

Dans le réacteur à plasma de l'invention, les deux électrodes ont de préférence des configurations différentes, c'est-à-dire as symétriques.

Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la première électrode, à laquelle sont reliées la première capacité et la seconde capacité, est une pointe reliée à un potentiel positif et la seconde électrode est un plan relié à un potentiel négatif.

Le terme "pointe" doit être compris ici au sens large comme s'appliquant à une électrode possédant une partie en relief propre à créer un "effet de pointe". Une telle électrode à effet de pointe est à distinguer d'une électrode du type "plan" qui possède essentiellement une surface plane sans relief.

L'invention s'applique aussi à des réacteurs comportant d'autres types d'électrodes, et notamment une électrode du type "fil" associée à une électrode du type "cylindre" entourant coaxialement l'électrode fil.

Conformément à l'invention, le composant reliant la première électrode à la seconde capacité doit comporter une partie purement résistive.

Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, ce composant est une résistance pure.

Toutefois, il est possible aussi d'utiliser une self-inductance, c'est-à-dire un composant qui comporte à la fois une partie inductance et une partie résistance.

Le couple capacité et inductance ainsi formé permet, d'une part, de délivrer son énergie au phénomène de décharge de façon oscillatoire et avec peu de pertes d'énergie dans les circuits et, d'autre part, de stabiliser les instabilités de courant par couplage inductif dans le cas où plusieurs réacteurs sont placés en parallèle.

Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le réacteur à plasma comprend en outre une troisième électrode annulaire entourant la première électrode et propre à servir d'électrode de commande, des moyens pour maintenir la première électrode et la troisième électrode à un même potentiel positif, et des moyens de commande pour faire passer le potentiel de la troisième électrode du potentiel positif à un potentiel négatif, par exemple à la masse.

Ce dispositif à trois électrodes permet de maîtriser la fréquence et l'instant de déclenchement de la décharge.

Dans une forme de réalisation de l'invention, les moyens de commande précités comprennent un éclateur ayant deux électrodes dont l'une est reliée à la masse et l'autre à la troisième électrode, ainsi qu'une source de tension de commande propre à être appliquée à l'éclateur. Cette source peut être une source distincte de la source de haute tension ou la même source.

Bien entendu, d'autres moyens de commande pourraient être utilisés pour faire passer la troisième électrode d'un potentiel positif à un potentiel négatif.

Tant que la troisième électrode est au même potentiel positif que la première électrode, il n'est pas possible d'obtenir un effet de pointe de la part de la première électrode.

Cet effet de pointe n'est obtenu que dans le cas où les moyens de commande font passer le potentiel de la troisième électrode à un potentiel négatif.

Dans une forme de réalisation préférée, la première électrode a une configuration en pointe ou analogue et la troisième électrode annulaire se situe sensiblement dans le même plan que la pointe de la première électrode, ou légèrement en retrait, la troisième électrode annulaire se situant alors entre la première électrode et la seconde électrode.

Dans une variante, le dispositif comprend en outre un circuit filtre interposé entre la première électrode et la masse et comportant une résistance et une capacité. Ceci permet d'induire une différence de potentiel plus élevée entre la pointe et le plan, et donc un effet de pointe nettement supérieur à celui du cas précédent.

La résistance du circuit filtre peut être formée par la résistance du composant relié à la première électrode. En variante, la résistance dudit circuit est formée par une résistance distincte de la résistance du composant relié à la première électrode.

Dans une application préférentielle de l'invention, le réacteur comprend un générateur de tension variable du type utilisé pour les bougies d'allumage des moteurs à combustion interne et procurant une tension variable pour la première électrode et la deuxième électrode ainsi que la tension de commande de la troisième électrode.

De cette façon, on obtient une décharge de bougies qui peut être contrôlée.

Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un réacteur à plasma selon une première forme de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique d'un réacteur à plasma selon une variante de la forme de réalisation de la figure 1; - la figure 3 est un diagramme représentant les variations temporelles du courant de décharge obtenu avec un réacteur selon la figure 1 ou la figure 2 dans le cas d'un composant purement résistif; - la figure 4 est un diagramme représentant les variations temporelles du courant de décharge obtenu avec un réacteur selon la figure 1 ou la figure 2 dans le cas d'un composant inductif;; - les figures 5, 6 et 7 sont des relevés spectroscopiques de l'intensité photonique émise dans les différentes longueurs d'onde d'une décharge produite dans un réacteur à plasma selon la figure 1 ou la figure 2, ces relevés étant établis respectivement pour trois valeurs différentes de la résistance du composant; - la figure 8 est une représentation schématique d'un réacteur à plasma selon une seconde forme de réalisation de l'invention; - la figure 9 est une représentation schématique d'un réacteur à plasma selon une variante de la forme de réalisation de la figure 8; - la figure 9 est une représentation schématique d'un réacteur à plasma selon une autre variante de la forme de réalisation de la figure 8;; - les figures 11 à 14 sont des diagrammes représentant les variations temporelles du potentiel respectivement en quatre points différents du circuit du réacteur de la figure 9 ou de la figure 10; - la figure 15 montre un dispositif de commande impulsionnelle appliqué au réacteur à plasma de la figure 9; et - les figures 16 et 17 sont des diagrammes représentant les variations temporelles du potentiel en deux points différents du circuit du dispositif de la figure 15.

Le réacteur à plasma représenté sur la figure 1 comprend une première résistance E1 en forme de pointe et une seconde électrode E2 en forme de plan, ces deux électrodes étant espacées pour définir entre elles un intervalle, par exemple de l'ordre de 1 cm, propre à être traversé par un milieu gazeux.

Le réacteur comprend en outre une source de haute tension HT, par exemple de 5 kilo-volts, ainsi que des moyens pour relier la source HT aux électrodes E1 et E2 à travers une résistance pure R.

L'électrode E1, qui constitue l'anode, est reliée à un potentiel positif, tandis que l'électrode E2, qui constitue la cathode, est reliée directement à la masse ou au travers d'une résistance r dont la valeur est de l'ordre de 50 ohms, afin de permettre la mesure du courant de décharge.

Le réacteur comprend en outre des moyens d'initiation capacitifs pour produire une décharge créant un filament d'initiation entre l'anode et la cathode, filament qui est suivi d'un arc électrique.

Conformément à l'invention, ces moyens d'initiation comprennent une première capacité Cg reliée d'une part à la masse et d'autre part directement à l'électrode E1. Il en résulte que cette capacité Cg est reliée à l'électrode E1 au travers d'une résistance négligeable(ou égale à 50 ohms).

Les moyens d'initiation capacitifs comprennent en outre une seconde capacité C reliée d'une part à la masse et d'autre part à un composant Z qui présente une résistance supérieure à la résistance -de valeur négligeable- existant entre la première capacité Cg et l'électrode E1. Dans l'exemple, la résistance R et le composant Z sont disposés en série entre la source de haute tension HT et l'électrode E1, la seconde capacité C étant reliée en un point intermédiaire p compris entre la résistance
R et le composant Z.

Dans la forme de réalisation de la figure 2, le composant Z est disposé en série avec la seconde capacité C dans une branche qui aboutit en un point p' compris entre la résistance R et l'électrode E1.

Si l'on mesure les variations du courant électrique it aux bornes de la résistance r, en fonction du temps, on obtient un diagramme du type de celui représenté à la figure 3.

Lorsque l'on charge le réacteur par la source de tension HT qui se trouve à une tension V, l'énergie emmagasinée par le circuit extérieur dans les deux capacités Cg et C est égale à 1/2 (Cg + C) V2.

La décharge débute par la propagation d'une onde d'ionisation de petites dimensions appelée "dard" ou "streamer" qui crée d'abord un filament conducteur cylindrique se propageant de l'électrode
E1 en forme de pointe vers l'électrode E2 en forme de plan, et cela à une vitesse de l'ordre de 1 à 15 107 cm/seconde. Dans le cas où l'intervalle entre les électrodes E1 et E2 est de l'ordre de 1 cm, une vingtaine de nanosecondes sont alors nécessaires pour que ce dard passe de l'électrode E1 à l'électrode E2. A l'arrivée du dard à l'électrode E2, un filament conducteur gazeux relie les deux électrodes. Ce pont conducteur qui constitue un plasma froid conduit à percer le milieu gazeux et à préparer ainsi le canal dans lequel le plasma thermique chaud de l'arc s'établira.

Le réacteur à plasma de l'invention permet de moduler la transition du filament conducteur vers l'arc électrique, et cela grâce au fait que les moyens capacitifs comprennent, en combinaison, une première capacité Cg reliée à la première électrode E1 et une deuxième capacité C reliée à cette même électrode au travers du composant Z qui présente une résistance supérieure à la résistance existant entre la première capacité Cg et l'électrode E1.

La capacité Cg permet de former un canal gazeux de faible concentration gazeuse, ce qui se traduit par une première pointe de courant d'amplitude i5 (figure 3) due au dard ou "streamer".

La capacité Cg doit être choisie de telle sorte que cette amplitude i5 dépasse un seuil critique ic, au-dessous duquel la formation d'un arc électrique serait ensuite impossible.

Ainsi, en choisissant la valeur de la capacité Cg de manière convenable, le réacteur peut être placé dans des conditions propres à permettre un seuil d'amorçage des phénomènes d'emballement du courant associé à la montée vers l'arc électrique.

Dans une première phase, le courant généré par la capacité Cg passe directement à travers la décharge électrique. La capacité
C prend ensuite le relais pour produire un courant de décharge qui est obligé de passer à travers la résistance du composant Z et à travers la décharge électrique.

Le courant ainsi obtenu présente un pic dû à l'arc électrique, qui se décompose sensiblement en deux parties : une pointe initiale I, suivie d'une phase de décroissance exponentielle M encore appelée "phase de maintien" qui présente au début un courant initial ii. Ainsi, conformément à l'invention, la formation du canal gazeux de faible concentration gazeuse est confiée à la capacité Cg qui, au moment de l'emballement de courant associé à la montée vers l'arc électrique, fournit l'énergie nécessaire au pic de courant I. A mesure que la capacité Cg fournit son énergie, le potentiel à ses bornes décroît, et la capacité C prend alors le relais pour maintenir l'existence du plasma que la capacité Cg a déjà formée.On se trouve alors dans la phase M du courant, dont l'amplitude est déterminée par la valeur de la résistance du composant Z, tandis que la durée de cette phase M est déterminée par le produit de la résistance du composant Z par la capacité C. Par conséquent, en agissant sur la valeur de Cg et de C et sur la valeur de la résistance de Z, il est possible de contrôler les valeurs de l'amplitude de I et les caractéristiques de la phase M, ce qui n'était pas possible avec les réacteurs de la technique antérieure.

Autrement dit, l'importance de l'amplitude de l'expansion hydrodynamique est contrôlée par Cg et la nature du plasma obtenu est contrôlée par le couple Z, C. En effet, plus le courant initial ii (figure 3) de la phase M est grand, plus le degré de dissociation et de production radicalaire dans le filament gazeux ainsi que la baisse de concentration dans le filament seront accentués. Inversement, plus la décroissance est lente, plus la durée du plasma obtenu et son action dans le gaz seront prolongées.

On comprend que le réacteur de l'invention permet ainsi de générer des plasmas de qualités différentes, et cela pour une même énergie fournie par le circuit extérieur, comme cela sera expliqué plus loin en référence aux figures 5 à 7.

Dans le réacteur des figures 1 et 2, le composant Z est une résistance pure. En variante, on peut utiliser, comme composant
Z, une self-inductance, c'est-à-dire un composant qui comporte à la fois une partie self-inductance et une partie résistance.

On obtient dans ce cas une évolution temporelle de l'intensité i du courant qui a l'allure représentée à la figure 4.

La self-inductance permet d'une part au couple capacité-selfinductance de délivrer leur énergie aux phénomènes de décharge, de façon oscillatoire et avec peu de pertes d'énergie dans les circuits. De plus, ce couple permet de stabiliser les instabilités de courant par couplage inductif, dans le cas où plusieurs réacteurs sont placés en parallèle. Sur le diagramme de la figure 4, la première impulsion associée au dard ou "streamer" n ' est ici pas vue en raison de la sensibilité verticale de la mesure. Le diagramme montre seulement une pointe I analogue à celle de la figure 3, cette pointe étant suivie d'une phase de décroissance oscillatoire 0, et non pas d'une phase de décroissance exponentielle comme dans le cas de la figure 3.

Il est à noter que les phénomènes de variations montrés aux figures 3 et 4 sont des phénomènes périodiques qui se reproduisent dans le temps.

Les impulsions de courant représentées aux figures 3 et 4 correspondent en effet à une décharge individuelle qui se répète de façon périodique avec une fréquence dans le domaine des dix kilohertz qui dépend de la tension appliquée.

Les figures 5 à 7 sont des relevés spectroscopiques de l'intensité photonique émise dans les différentes longueurs d'ondes d'une décharge produite dans un réacteur à plasma selon la figure 1 ou la figure 2. Ces figures montrent l'évolution de l'intensité lumineuse normalisée en fonction de la longueur d'onde exprimée en angströms. Elles sont établies respectivement pour une valeur de résistance du composant Z égale à 39 kiloohms (figure 5), 500 ohms (figure 6) et 0 ohm (figure 7).

Dans l'exemple, les spectres ont été établis par une décharge dans un milieu gazeux constitué d'un mélange d'air et de 1% de propane. Pour une valeur de résistance élevée (figure 5) seul le spectre de l'azote apparaît clairement. Pour des valeurs de résistance plus faibles (figure 6), le spectre du cyanogène (CN) apparaît en plus. Puis pour une résistance faible ou nulle (figure 7), le spectre se présente comme un continuum tout en gardant une structure générale qui rappelle les cas précédents.

On comprend que en choisissant la valeur de la résistance du composant Z, on peut moduler la nature du plasma obtenu.

Dans le réacteur des figures 1 et 2, la fréquence de répétition est liée aux mécanismes physiques de relaxation dans l'intervalle de décharge et au circuit extérieur par l'intermédiaire de la résistance Z et de la capacité C qui règlent le temps de décharge de cette capacité. Toutefois, un déclenchement temporel précis ainsi qu'un réglage précis de la fréquence de répétition n'est pas possible.

On se réfère maintenant à la figure 8 qui montre un réacteur à plasma selon une seconde forme de réalisation de l'invention, qui permet plus précisément de maîtriser la fréquence et l'instant de déclenchement de la décharge.

Le réacteur à plasma de la figure 8 comprend, comme dans le cas des figures 1 et 2, deux électrodes E1 et E2 espacées définissant entre elles un intervalle propre à être traversé par un milieu gazeux. L'électrode E1, dans l'exemple en forme de pointe, est reliée au potentiel positif Vg d'une source haute tension HT, au travers d'une résistance pure R1. L'électrode E2, dans l'exemple en forme de plan, est reliée à la masse m.

Le réacteur de la figure 8 comprend aussi des moyens d'initiation capacitifs pour produire une décharge créant un filament d'initiation suivi d'un arc électrique. Ces moyens d'initiation capacitifs comprennent, comme dans la réalisation précédente, une première capacité Cg reliée à l'électrode E1 et une seconde capacité C reliée à l'électrode E1 au travers d'un composant Z présentant une résistance supérieure à la résistance existant entre la première capacité Cg et l'électrode E1 afin de permettre de contrôler la transition entre le filament et l'arc électrique.

Dans le cas de la figure 8, le réacteur comprend en outre une troisième électrode E3 jouant le rôle d'électrode de commande.

L'électrode E3 a une configuration annulaire et entoure coaxialement l'électrode E1 en forme de pointe. Dans l'exemple, l'électrode E3 a une forme tronconique mais elle pourrait présenter une autre structure, par exemple une structure en forme de tore.

Il est à remarquer que la partie de plus faible diamètre du tronc de cône de l'électrode E3 se situe sensiblement dans le même plan que la pointe de l'électrode E1.

L'électrode E3 est reliée à la source de haute tension HT au travers d'une résistance R2 qui est aussi une résistance pure, pour mettre l'électrode E3 au même potentiel Vg que l'électrode
E1. Entre les électrodes E1 et E3 est disposée une capacité Cc.

Le réacteur de la figure 8 comprend des moyens pour maintenir les électrodes E1 et E3 à un même potentiel positif, et des moyens de commande pour faire passer l'électrode E3 du potentiel positif à un potentiel négatif, par exemple à la masse.

Dans l'exemple, ces moyens de commande comprennent un éclateur
Ec ayant deux électrodes dont l'une e1 est reliée à la masse et l'autre e2 est reliée à la troisième électrode E3. Le réacteur comprend en outre une source pour fournir une tension de commande VD à l'éclateur Ec au travers d'une résistance R3, une capacité supplémentaire C3 étant reliée entre la résistance R3 et la masse.

Le réacteur de la figure 8 fonctionne de la façon suivante. Une tension positive de maintien Vg est appliquée en permanence sur l'électrode E1 et sur l'électrode E3. En l'absence d'application d'une tension de commande VD au circuit R3C3, la tension Vg appliquée aux électrodes E1 et E3 n'induit aucun phénomène de décharge, ni dans l'éclateur de commande Ec ni dans l'intervalle principal situé entre les électrodes E1 et E2. En effet, dans cet intervalle principal, l'électrode de commande E3 forme écran au potentiel de la pointe de l'électrode E1 si bien que l'effet de pointe d'amplification du champ au voisinage de la pointe est très atténué.

Dès l'application d'une tension de commande VD suffisante, une succession d'étincelles de commande apparaissent au niveau de la surface de l'électrode e1 de l'éclateur de commande dont la fréquence est réglée par le circuit R3C3. Cette fréquence est généralement prise proche d'une fréquence "moteur", de l'ordre de 3000 tours/minute. L'étincelle de commande génère des particules chargées dans l'éclateur de commande et induit l'apparition d'une étincelle d'entraînement en raison de la tension de maintien Vg appliquée en permanence sur la seconde électrode e2 de l'éclateur de commande. Au travers de cette étincelle d'entraînement, l'électrode E3 est mise à la terre si bien qu'une différence de potentiel Vg apparaît en principe entre l'électrode E1 d'une part et l'ensemble formé par l'électrode E2 et l'électrode E3 d'autre part.L'électrode E1 se trouve ainsi découverte électriquement, ce qui lui restitue l'effet de pointe d'amplification du champ.

Il faut toutefois noter que cette description schématique surévalue la différence de potentiel impulsionnel dont bénéficie l'électrode E1 au moment de l'étincelle d'entraînement. En effet, il existe une capacité Cg entre l'électrode E1 et la masse et une capacité Cc entre les électrodes E1 et E3. Dans le cas limite où Cg est très petit devant Cc, toute variation de tension de l'électrode de commande E3 est transmise à l'électrode E1 qui ne voit donc aucune variation de potentiel de commande.

On peut montrer par le calcul que la variation de potentiel AV que subit l'électrode E1 au moment de la commande est
Av=v0x
Cc+CO il en résulte que si Cc et Cg sont du même ordre de grandeur, la variation de tension que subit l'électrode E1 par rapport à la masse ne sera que de V0/2, si bien que le déclenchement du plasma contrôlé se fait plus difficilement.

Les réacteurs représentés aux figures 9 et 10 permettent de surmonter cet inconvénient en induisant une différence de potentiel théorique de 2Vo entre l'électrode E1 et l'électrode
E2 au moment où le potentiel de l'électrode de commande E3 passe du potentiel Vg à la masse.

Pour cela, 1 invention prévoit un circuit filtre, c'est-à-dire
RC, interposé entre l'électrode E3 et la masse.

Dans la forme de réalisation de la figure 9, une capacité Cp est reliée entre l'électrode E2 d'une part et la liaison reliant l'électrode e2 de l'éclateur de commande et l'électrode E3. La résistance du circuit filtre est fournie par le composant Z, lequel est relié entre la masse et l'électrode E2.

Par contre, dans la forme de réalisation de la figure 10, la résistance du circuit précité est formée par une résistance supplémentaire Rp qui est interposée entre la masse et l'électrode E2, la résistance Rp étant distincte de la résistance Z.

Le fonctionnement du réacteur de la figure 10 peut se comprendre à l'aide des variations temporelles de potentiel des divers points du circuit représentés schématiquement sur les figures 11 à 14, en supposant d'abord qu'aucune décharge n'est induite dans 1' intervalle principal.

Les divers points du circuit sont le point chaud PC (électrode E1), le point froid PF (électrode
E2), le point de déclenchement PD (liaison entre l'électrode e2 et l'électrode E3) et le point d'énergie PE (capacité C qui emmagasine l'énergie).

En ce qui concerne le point PD (figure 13), l'instant 0 correspond à la naissance d'une étincelle de commande supposée suffisamment conductrice pour considérer que le système de déclenchement (point PD) fasse passer le potentiel de l'électrode de commande E3 de V = Vg à V = 0 Volt.

Le point chaud PC de potentiel Vg pour T < 0 accuse, en T = 0, une chute de potentiel AV correspondant à la formule indiquée plus haut, en raison des capacités parasites. Ce potentiel remonte ensuite à V = Vg pour T > 0 selon une constante de temps de l'ordre de R1(Co + Cc) en raison de leur recharge à travers
R1 + Z (figure 9) ou R1 + Rp (figure 10).

En ce qui concerne le point froid PF, la capacité Cp transmet intégralement les variations de potentiel du point PD au point
PF, car cette capacité ne peut se décharger qu'à travers l'étincelle de commande et Z (ou respectivement Rp) c'est-à-dire à travers un circuit dont la constante de temps est très supérieure au temps nécessaire au développement de la décharge principale. Le point froid PF passe donc de V = 0 Volt à T < 0 à V = -Vg à T > 0, puis remonte lentement au potentiel 0 avec une constante de temps Rp x Cp (dans le cas de la figure 10).

Le point d'énergie PE reste au potentiel Vg, la décharge de C n'ayant lieu que si une décharge s'effectue dans l'intervalle principal.

La différence de potentiel entre le point chaud PC et le point froid PF s'obtient par différence entre les deux potentiels de
PC et de F.

On constate que la différence de potentiel est égale à Vg avant l'instant T = 0 pour passer à V = 2Vo - AV, correspondant sensiblement à 2Vo, après l'instant T = 0.

Ce fonctionnement électrique conduit à faire naître, au moment de l'application de la tension 2Vo entre l'électrode E1 et l'électrode E2, une décharge principale dont la qualité pourra être contrôlée par la capacité Cg (pour la pointe initiale de courant de plasma contrôlé), et le couple capacité C et résistance Z pour la phase de décroissance exponentielle ou phase de maintien M c'est-à-dire la phase de conduction postétincelle.

Le composant Z du réacteur de la figure 10 pourrait être situé entre le point froid PF et l'extrémité de la résistance Rp dans le circuit de décharge de la capacité C.

Dans la forme de réalisation de la figure 15, on utilise un réacteur analogue à celui de la figure 9. Ce réacteur est couplé à un générateur G du type utilisé pour les bougies d'allumage des moteurs à combustion interne. Ce générateur G propre à être entraîné par un moteur M à combustion interne constitue un circuit électronique fournissant un signal de déclenchement de bougie. Un tel générateur fournit en sortie d'une bobine B de bougie de voiture une tension V(t) variable. Cette tension variable est appliquée aux points communs R1 R2 et R3 du circuit, au lieu d'utiliser deux générateurs de tension continue
V0 et VD. Quand l'impulsion de haute tension générée par la bobine B arrive, les tensions obtenues aux points PE et PF sont représentées respectivement sur les diagrammes des figures 16 et 17.Au point PE (figure 16) la montée de la tension à l'élec- trode E1 croît au rythme de la constante de temps R1(C + Co), tandis qu'au point PD la tension croît au rythme R3C3. Quand la tension au point PD dépasse un certain seuil Vs, l'étincelle de commande a lieu entraînant le claquage de la bougie, dans l'intervalle entre les électrodes E1 et E2, et donc la chute de tension observée au point PE à l'instant t1 (figure 16).

On obtient ainsi une décharge de bougie contrôlée par Cg, Z et
C avec les mêmes avantages que dans le réacteur des figures 1 et 2.

Ainsi, le réacteur de l'invention permet de moduler la transition du filament conducteur vers l'arc électrique, et de moduler le plasma généré.

Le réacteur peut être utilisé principalement en tant que bougie d'allumage pour moteur à combustion interne. Il trouve également d'autres applications pour le traitement chimique des gaz, par exemple le traitement des NOx et SOx, la valorisation des hydrocarbures et le traitement des espèces toxiques dans les effluents gazeux de rejets de production industrielle, etc.

Claims (12)

Revendications

1. Réacteur à plasma, du type comprenant - deux électrodes (E1,E2) espacées définissant entre elles un intervalle propre à être traversé par un milieu gazeux, - une source de haute tension (HT), - des moyens pour relier cette source de haute tension (HT) aux deux électrodes (E1,E2) à travers par exemple une résistance (R ; R1), et - des moyens d'initiation capacitifs pour produire une décharge créant un filament d'initiation, suivi d'un arc électrique, caractérisé en ce que les moyens d'initiation comprennent deux capacités reliées à l'une des électrodes, ou première électrode (E1), à savoir une première capacité (Cg) reliée à l'électrode (E1) et une seconde capacité (C) reliée à l'électrode (E1) au travers d'un composant (Z) présentant une résistance supérieure à la résistance (R ;R1) existant entre la première capacité (Cg) et l'électrode (E1) et permettant de contrôler la transition entre ledit filament et l'arc électrique.

2. Réacteur à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux électrodes (E1,E2) ont des configurations différentes.

3. Réacteur à plasma selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première électrode (E1), à laquelle sont reliées la première capacité (Cg) et la seconde capacité (C) est une pointe reliée à un potentiel positif et la seconde électrode (E2) est un plan.

4. Réacteur à plasma selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le composant (Z) est une résistance pure.

5. Réacteur à plasma selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le composant (Z) est une self-inductance.

6. Réacteur à plasma selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une troisième électrode annulaire (E3) entourant la première électrode (E1) et servant d'électrode de commande, des moyens pour maintenir la première électrode (E1) et la troisième électrode (E3) à un même potentiel positif, et des moyens de commande pour faire passer le potentiel de la troisième électrode (E3) du potentiel positif à un potentiel négatif, par exemple à la masse.

7. Réacteur à plasma selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent un éclateur (Ec) ayant deux électrodes (e1,e2) dont l'une est reliée à la masse et l'autre à la troisième électrode (E3), ainsi qu'une source de tension de commande (VD ; Vg) propre à être appliquée à l'éclateur.

8. Réacteur à plasma selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la première électrode (E1) a une configuration en forme de pointe ou analogue et la troisième électrode (E3) se situe sensiblement dans le même plan que la pointe de la première électrode, ou légèrement en retrait, la troisième électrode (E3) se situant alors entre la première électrode (E1) et la seconde électrode (E2).

9. Réacteur à plasma selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit filtre interposé entre la troisième électrode (E3) et la masse et comportant une résistance (Z ; Rp) et une capacité (Cp).

10. Réacteur à plasma selon la revendication 9, caractérisé en ce que la résistance dudit circuit est formée par la résistance du composant (Z) relié à la première électrode (E1).

11. Réacteur à plasma selon la revendication 9, caractérisé en ce que la résistance dudit circuit est formée par une résistance (Rp) distincte de la résistance du composant (Z) reliée à la première électrode (E1).

12. Réacteur à plasma selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de tension variable (G) du type utilisé pour les bougies d'allumage de moteurs à combustion interne et procurant une tension variable pour la première électrode (E1) et à la deuxième électrode (E2) ainsi que la tension de commande de la troisième électrode (E3).