WO2010067306A2 - Dispositif et procédé de génération d'un flux de plasma - Google Patents

Dispositif et procédé de génération d'un flux de plasma Download PDF

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WO2010067306A2
WO2010067306A2 PCT/IB2009/055571 IB2009055571W WO2010067306A2 WO 2010067306 A2 WO2010067306 A2 WO 2010067306A2 IB 2009055571 W IB2009055571 W IB 2009055571W WO 2010067306 A2 WO2010067306 A2 WO 2010067306A2
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channel
electrode
voltage
electric arc
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Stanislav Begounov
Sergey Goloviatinski
Ioulia Tsvetkova
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Advanced Machines Sàrl
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    • H05H1/3494—Means for controlling discharge parameters

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for generating a plasma stream having a low temperature and a relatively high power.
  • the flow of plasma is generated by applying a voltage between a cathode formed of a thoriated tungsten bar and an anode forming the body of the plasma nozzle.
  • an argon gas flow circulates in the free space separating the anode and the cathode so as to develop the electric arc formed between these two electrodes to an outlet opening of the nozzle.
  • the average temperature of the plasma jet is about 5500 ° K which is still too high for the surface treatment applications contemplated by the present invention.
  • the present invention therefore aims to propose a device and a method to generate a plasma stream whose temperature is low while having a relatively large power.
  • a device for generating a plasma flow comprising an electrically conductive box of tubular form forming a central channel through which a swirling gas passes, a central electrode disposed coaxially in said channel and a electric power source for applying an electrical voltage V between the electrode and the housing, characterized in that the average diameter of the channel formed by the housing decreases progressively from an area substantially at the free end of the housing electrode to an end zone of said housing, said end zone being configured such that the minimum electrical voltage Vcmin (O) to be applied to develop an electric arc between said electrode and said end zone is strictly greater to said voltage V.
  • Vcmin O
  • the device according to the invention makes it possible to limit the development of an electric arc inside a conductive casing to an end zone positioned just before the opening of the casing intended to deliver the flow of plasma over the piece to be treated.
  • the end zone is configured so as to develop an electric arc with the central electrode only from a certain minimum voltage. Therefore, by applying a voltage lower than said minimum voltage, the electric arc develops inside the central channel of the housing to approach or even reach said end zone, then retracts abruptly in the direction of the central electrode. Subsequently, it resumes its development inside the channel towards said end zone until it retracts again.
  • This succession of development and retraction of the electric arc ultimately generates a relatively powerful plasma flow but whose temperature is low enough to allow its use in many surface treatment applications.
  • the invention also relates to a method for generating a plasma stream as defined in claims 15 to 17.
  • the method according to the invention makes it possible to create a succession of phases of development and phases of retraction of an electric arc inside the central channel of a conventional plasma nozzle so as to ultimately generate a flow plasma having a low temperature and a relatively high power.
  • FIG. 1 shows a schematic side view in section of a device generating a plasma flow according to the invention
  • FIG. 2a represents a schematic, lateral and sectional view of a first variant of an end zone that can be used in the device represented in FIG. 1;
  • Figure 2b shows a front view of the end zone shown in Figure 2a;
  • FIG. 3a shows a schematic, side and sectional view of a second variant of an end zone used in the device shown in Figure 1;
  • Figure 3b shows a top view of the end zone shown in Figure 3a;
  • Figure 3c shows a top view of the end zone shown in Figure 3a, in its use position
  • FIG. 4 represents a schematic, lateral and sectional view of a third variant of an end zone that can be used in the device represented in FIG. 1;
  • the device 10 shown in FIG. 1 has an electrically conductive box 1 of tubular form, connected to the ground, comprising -AT-
  • the gas 3 for example air, is introduced into the central channel 2 from a opening 4 made in the side wall of the housing 1.
  • the gas 3 is caused to swirl by means of a swirling device (not shown) so that the gas 3 flows inside the channel 2 by forming a vortex substantially helically around the longitudinal axis of the channel 2, coinciding with the longitudinal axis of the housing 1.
  • a swirling device not shown
  • At one end of the housing 1 is mounted an insulating support 6 on which is fixed a central electrode 5 rod-shaped, which penetrates coaxially in the central channel 2.
  • An electric high voltage source 7 which can supply a DC voltage, an AC voltage or a pulsed voltage as the case may be, is connected to the electrode 5 and the earth.
  • a device 8 for measuring and regulating the current and the electrical voltage connected between the voltage source 7 and the electrode 5 makes it possible to control the real voltage applied between the electrode 5 and the housing 1.
  • the housing 1 formed of a metal and itself connected to earth, serves as a counter-electrode so that an electric discharge between the electrode 5 and the housing 1 can be caused.
  • This electric discharge initially occurs in an ignition zone 9, which is in the free space surrounding the electrode 5 and defined by the inner wall of the housing 1.
  • the ignition zone 9 will generally be positioned near the the free end of the electrode 5 and downstream of the opening 4 so as to allow the gas 5 to move along the axis of the housing 1 the micro-electric arcs 1 1 formed at each discharge.
  • the micro-arcs 1 1 lengthen over time along the entire length of the channel 2 and, due to a vortex stabilization of the gas flow towards the axis of the housing 1, form an arc wired wire 12 almost stable joining the electrode 5 to an end zone 13 of the housing 1.
  • This end zone 13 may be similar for example to an end channel oriented along the longitudinal axis of the housing 1, said channel end opening to an open end through which the plasma flow. It can also have a more complex shape as we will see more fully later with reference to Figures 2 to 4.
  • micro-arcs 11 are formed between the arc 12 and the inner walls of the housing 1.
  • the basic structure of the device 10 as described above does not allow the generation of a low temperature plasma stream. Indeed, in this basic structure, the electric arc 12 is stabilized quickly. The plasma flux is thus generated continuously as long as a voltage V is maintained between the electrode 5 and the housing 1. This operating mode induces the formation of a powerful and particularly hot plasma flux. In addition, in this configuration, the risk is high that the electric arc 12 is formed directly between the electrode 5 and the object to be treated if the latter is metallic.
  • a first solution is to first determine the actual voltage Vcmax from which an electric arc is likely to form between the electrode 5 and the end zone 13 of the housing 1.
  • Vcmax the actual voltage
  • the device 8 is then able to send an interruption signal to the voltage source 7 so as to produce an electrical micro-cut which causes a retraction of the arc 12 to the ignition zone 9.
  • the restoration and maintenance of the voltage V again produces the expansion of the arc 12 to the end zone 13 and, therefore, its retraction again.
  • an unbalanced plasma stream is generated which is characterized by a relatively low temperature, in particular between 30 ° C. and 300 ° C.
  • a second solution consists in configuring the device for generating the plasma flow such that an automatic retraction of the electric arc 12 occurs when it reaches or approaches the end zone 13.
  • This result can notably be obtained by using the particular structure of the housing 1 shown in Figure 1.
  • the housing 1 has a channel 2 whose section, or the average diameter, decreases progressively from the ignition zone 9 to the end zone 13.
  • This progressive decrease may notably consist in segmenting the inner wall of the housing 1 into a series of sections successive tubular S1, S2, S3 and S4 of decreasing diameter and identical length.
  • the end zone 13 defines an end channel oriented along the longitudinal axis of the casing 1, said end channel opening on an open end 14 of conical shape through which the plasma flow exits.
  • the micro-arcs 1 1 leave the end channel 13 following the conical surface of said end 14.
  • This uniform distribution of micro-arcs January 1 on the surface of the cone ultimately generates a flow of a larger and less intense plasma that further reduces its temperature and allows the device 10 to be used on a wider range of surfaces.
  • the open end 14 it will be advantageous to configure the open end 14 so that its conical shape partially defines a hyperboloid of revolution and that the ratio between the outer diameter of the cone and the diameter of the inner wall of the housing 1 at the end channel 14 is between 2 and 20.
  • FIGS. 3a to 3c there is shown a second possible variant of the end zone that can be used in the device represented in FIG.
  • the end zone 13 defines an end channel oriented along the longitudinal axis of the housing 1, said end channel opening on a channel 15 open at its two ends 16 and forming an angle ⁇ with the longitudinal axis of the housing 1, the angle ⁇ being less than or equal to 90 °. In the configuration shown, this angle ⁇ is substantially equal to 90 °. In this way, the plasma flow F leaves the housing 1 by two openings 16 formed on its side walls and in a direction transverse to the longitudinal axis of the housing 1. This configuration makes it easier to apply the plasma flow F to inside tubes or, more generally, inside hollow objects. Furthermore, as shown in FIGS.
  • the device 10 to process wires 17, or any other filiform object such as tubes or cables, capable of being introduced inside the device. transverse channel 15.
  • the wire 17 is in contact with the plasma flow F leaving the end channel 13.
  • FIG. 4 there is shown a third possible variant of the end zone that can be used in the device represented in FIG.
  • the end zone 13 defines an end channel oriented along the longitudinal axis of the housing 1, said end channel having a plurality of openings 18 opening on a plurality of transverse channels 19 oriented substantially perpendicular to the longitudinal axis of the housing 1 and one of the ends 20 is open.
  • the plasma flow F therefore exits through each of said open ends 20.
  • "comb" distribution of the plasma flow F thus makes it easier to treat large surfaces.
  • the plasma flux exiting the apertures 20 has a variable intensity depending on the position of the apertures 20 in the end channel 13, it may be advantageous to make an additional aperture 21 at the end of the channel. end 13 so as to partially leave said plasma flow through said opening 21 and thus uniformize the intensity of the plasma flows leaving the openings 20.
  • This example uses the device of the invention in its configuration shown in FIG. 1. Operating parameters:
  • This example uses the device of the invention in its configuration shown in FIG.
  • This example uses the device of the invention in its configuration shown in FIG.
  • This example uses the device of the invention in its configuration shown in FIG. 3.
  • Example 5 This example uses the device of the invention in its configuration shown in FIG. 4. Operating parameters:

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (10) générateur d'un flux de plasma (F) comprenant un boîtier (1 ) électriquement conducteur de forme tubulaire formant un canal central (2) traversé par un gaz tourbillonnant (3), une électrode centrale (5) disposée coaxialement dans ledit canal (2) et une source d'énergie électrique (7) destinée à appliquer une tension électrique V entre l'électrode (5) et le boîtier (1 ), caractérisé en ce que le diamètre moyen du canal (2) formé par le boîtier (1 ) diminue progressivement depuis une zone (9) située sensiblement au niveau de l'extrémité libre de l'électrode (5) jusqu'à une zone d'extrémité (13) dudit boîtier (1 ), ladite zone d'extrémité (13) étant configurée de telle sorte que la tension électrique minimale Vcmin(O) à appliquer pour développer un arc électrique (12) entre ladite électrode (5) et ladite zone d'extrémité (13) soit strictement supérieure à ladite tension V.

Description

Dispositif et procédé de génération d'un flux de plasma
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de génération d'un flux de plasma possédant une température basse et une puissance relativement importante.
Etat de la technique
Dans le domaine du traitement des surfaces, il est connu d'utiliser un flux de plasma de manière, notamment, à souder des surfaces ou à découper des surfaces. De telles applications d'un flux de plasma ont notamment été décrites dans le brevet US 3 515 839. Toutefois, dans cet état de la technique, le flux de plasma créé présente une température très élevée. Ce flux de plasma ne convient donc pas au traitement de surfaces sensibles à la chaleur comme le plastique par exemple. Il est également connu d'utiliser un flux de plasma pour traiter des surfaces plastiques de manière à augmenter leur mouillabilité. Une telle application a notamment été décrite dans l'article "Surface Treatment of Plastics by Plasmajet", publié au Journal of Adhésion Society of Japan, Volume 6, No. 4, le 2 août 1968. Dans ce document, le flux de plasma est généré en appliquant une tension entre une cathode formée d'une barre en tungstène thorié et une anode formant le corps de la buse plasma. En outre, un flux de gaz argon circule dans l'espace libre séparant l'anode et la cathode de manière à développer l'arc électrique formé entre ces deux électrodes jusqu'à une ouverture de sortie de la buse. Toutefois, dans ce document, la température moyenne du jet de plasma est d'environ 5500 °K ce qui est encore trop élevé pour les applications de traitement de surface envisagées par la présente invention.
Divulgation de l'invention
La présente invention vise donc à proposer un dispositif et un procédé permettant de générer un flux de plasma dont la température est basse tout en ayant une puissance relativement importante.
A cet effet, conformément à l'invention, il est proposé un dispositif générateur d'un flux de plasma comprenant un boîtier électriquement conducteur de forme tubulaire formant un canal central traversé par un gaz tourbillonnant, une électrode centrale disposée coaxialement dans ledit canal et une source d'énergie électrique destinée à appliquer une tension électrique V entre l'électrode et le boîtier, caractérisé en ce que le diamètre moyen du canal formé par le boîtier diminue progressivement depuis une zone située sensiblement au niveau de l'extrémité libre de l'électrode jusqu'à une zone d'extrémité dudit boîtier, ladite zone d'extrémité étant configurée de telle sorte que la tension électrique minimale Vcmin(O) à appliquer pour développer un arc électrique entre ladite électrode et ladite zone d'extrémité soit strictement supérieure à ladite tension V. D'autres configurations possibles du dispositif de la présente invention sont également définies dans les revendications 2 à 14.
Ainsi configuré, le dispositif selon l'invention permet de limiter le développement d'un arc électrique à l'intérieur d'un boîtier conducteur à une zone d'extrémité positionnée juste avant l'ouverture du boîtier destinée à délivrer le flux de plasma sur la pièce à traiter. En effet, la zone d'extrémité est configurée de telle sorte à développer un arc électrique avec l'électrode centrale uniquement à partir d'une certaine tension minimale. De ce fait, en appliquant une tension inférieure à ladite tension minimale, l'arc électrique se développe à l'intérieur du canal central du boîtier jusqu'à approcher, voire atteindre, ladite zone d'extrémité, puis se rétracte brusquement en direction de l'électrode centrale. Par la suite, il reprend son développement à l'intérieur du canal en direction de ladite zone d'extrémité jusqu'à ce qu'il se rétracte à nouveau. Cette succession de développement et de rétractation de l'arc électrique génère au final un flux de plasma relativement puissant mais dont la température est suffisamment basse pour permettre son utilisation dans de nombreuses applications de traitement de surface.
L'invention concerne également un procédé de génération d'un flux de plasma tel que défini dans les revendications 15 à 17. Ainsi configuré, le procédé selon l'invention permet de créer une succession de phases de développement et de phases de rétraction d'un arc électrique à l'intérieur du canal central d'une buse à plasma conventionnelle de manière à générer au final un flux de plasma possédant une faible température et une puissance relativement importante.
Brève description des dessins
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention seront mieux compris à la lecture d'un mode particulier de réalisation de l'invention et en référence aux dessins dans lesquels:
- la Figure 1 représente une vue schématique, latérale et en coupe d'un dispositif générateur d'un flux de plasma selon l'invention;
- la Figure 2a représente une vue schématique, latérale et en coupe d'une première variante d'une zone d'extrémité utilisable dans le dispositif représenté à la Figure 1 ;
- la Figure 2b représente une vue de face de la zone d'extrémité représentée à la Figure 2a;
- la Figure 3a représente une vue schématique, latérale et en coupe d'une deuxième variante d'une zone d'extrémité utilisable dans le dispositif représenté à la Figure 1 ;
- la Figure 3b représente une vue de dessus de la zone d'extrémité représentée à la Figure 3a;
- la Figure 3c représente une vue de dessus de la zone d'extrémité représentée à la Figure 3a, dans sa position d'utilisation;
- la Figure 4 représente une vue schématique, latérale et en coupe d'une troisième variante d'une zone d'extrémité utilisable dans le dispositif représenté à la Figure 1 ;
Description détaillée d'un mode d'exécution de l'invention
Le dispositif 10, représenté sur la Figure 1 , possède un boîtier 1 électriquement conducteur de forme tubulaire, connecté à la terre, comportant -A-
une cavité interne joignant ses deux extrémités, ladite cavité constituant un canal central 2 allongé à l'intérieur duquel circule un gaz tourbillonnant 3. Le gaz 3, par exemple de l'air, est introduit dans le canal central 2 à partir d'une ouverture 4 pratiquée dans la paroi latérale du boîtier 1. Le gaz 3 est amené à tourbillonner au moyen d'un dispositif de tourbillonnement (non représenté) de sorte que le gaz 3 s'écoule à l'intérieur du canal 2 en formant un vortex sensiblement hélicoïdal autour de l'axe longitudinal du canal 2, confondu avec l'axe longitudinal du boîtier 1. A une des extrémités du boîtier 1 est monté un support isolant 6 sur lequel est fixée une électrode centrale 5 en forme de tige, qui pénètre coaxialement dans le canal central 2. Une source de haute tension électrique 7, qui peut fournir selon le cas une tension continue, une tension alternative ou une tension puisée, est connectée à l'électrode 5 et à la terre. En outre, un dispositif 8 de mesure et de régulation du courant et de la tension électrique connecté entre la source de tension 7 et l'électrode 5 permet de contrôler la tension réelle appliquée entre l'électrode 5 et le boîtier 1. De ce fait, dans la configuration représentée, le boîtier 1 , formé d'un métal et connecté lui- même à la terre, sert de contre-électrode de sorte qu'une décharge électrique entre l'électrode 5 et le boîtier 1 peut être provoquée. Cette décharge électrique se produit initialement dans une zone d'ignition 9, laquelle se situe dans l'espace libre entourant l'électrode 5 et délimité par la paroi interne du boîtier 1. La zone d'ignition 9 sera en général positionnée à proximité de l'extrémité libre de l'électrode 5 et en aval de l'ouverture 4 de façon à permettre au gaz 5 de déplacer le long de l'axe du boîtier 1 les micro-arcs électriques 1 1 formés à chaque décharge. De ce fait, les micro-arcs 1 1 s'allongent avec le temps sur toute la longueur du canal 2 et, en raison d'une stabilisation par tourbillon du flux de gaz en direction de l'axe du boîtier 1 , forment un arc filaire 12 quasi stable joignant l'électrode 5 à une zone d'extrémité 13 du boîtier 1. Cette zone d'extrémité 13 peut s'apparenter par exemple à un canal d'extrémité orienté selon l'axe longitudinal du boîtier 1 , ledit canal d'extrémité débouchant sur une extrémité ouverte par laquelle sort le flux de plasma. Elle peut également posséder une forme plus complexe comme nous le verrons plus amplement par la suite en référence aux Figures 2 à 4. Une fois l'arc 12 formé, les micro-arcs 11 se forment entre cet arc 12 et les parois internes du boîtier 1. La structure de base du dispositif 10 telle que décrite ci-dessus ne permet toutefois pas la génération d'un flux de plasma de faible température. En effet, dans cette structure de base, l'arc électrique 12 se stabilise rapidement. Le flux de plasma est donc généré sans interruption tant qu'une tension V est maintenue entre l'électrode 5 et le boîtier 1. Ce mode de fonctionnement induit la formation d'un flux de plasma puissant et particulièrement chaud. En outre, dans cette configuration, le risque est grand que l'arc électrique 12 se forme directement entre l'électrode 5 et l'objet à traiter si ce dernier est métallique. Pour remédier à cela, la Demanderesse a eu l'idée de limiter le développement de l'arc électrique 12, notamment en provoquant sa rétractation dès qu'il atteint une zone limite à l'intérieur du boîtier 1. Il s'avère que, pour maintenir une puissance suffisante au flux de plasma, il est avantageux de faire coïncider cette zone limite avec la zone d'extrémité 13 mentionnée précédemment. A ce stade, deux solutions peuvent être envisagées pour provoquer une rétractation de l'arc électrique 12.
Une première solution consiste à déterminer d'abord la tension réelle Vcmax à partir de laquelle un arc électrique est susceptible de se former entre l'électrode 5 et la zone d'extrémité 13 du boîtier 1. En contrôlant la tension réelle Vr au moyen du dispositif 8, il est possible de déterminer à quel moment Vr atteint la valeur Vcmax. Le dispositif 8 est alors capable d'envoyer un signal d'interruption à la source de tension 7 de façon à produire une micro-coupure électrique qui entraîne une rétractation de l'arc 12 jusqu'à la zone d'ignition 9. Par la suite, le rétablissement et le maintien de la tension V produit à nouveau l'expansion de l'arc 12 jusqu'à la zone d'extrémité 13 et, par conséquent, à nouveau sa rétraction. En procédant de cette façon, on génère un flux de plasma non équilibré qui se caractérise par une température relativement basse, notamment comprise entre 30°C et 3000C.
Une deuxième solution consiste à configurer le dispositif générateur du flux de plasma de telle sorte qu'une rétraction automatique de l'arc électrique 12 se produise au moment où il atteint ou approche la zone d'extrémité 13. Ce résultat peut notamment être obtenu en utilisant la structure particulière du boîtier 1 représenté sur la Figure 1. Dans cette structure, le boîtier 1 possède un canal 2 dont la section, ou le diamètre moyen, diminue progressivement depuis la zone d'ignition 9 jusqu'à la zone d'extrémité 13. Cette diminution progressive peut notamment consister à segmenter la paroi interne du boîtier 1 en une série de sections tubulaires successives S1 , S2, S3 et S4 de diamètre décroissant et de longueur identique. Or, il a été constaté que cette diminution progressive du diamètre du canal 2 entraîne une augmentation concomitante de la tension de claquage desdites sections S1 , S2, S3 et S4, c'est-à-dire de la tension électrique minimale à appliquer pour développer un arc électrique entre l'électrode 5 et lesdites sections tubulaires S1 , S2, S3 et S4. De ce fait, en considérant que la section tubulaire S4 correspond à la zone d'extrémité 13 et que la tension de claquage associée à cette section S4 est Vcmin(O), il suffit d'appliquer entre l'électrode 7 et le boîtier 1 une tension V inférieure à Vcmin(O) pour constater que l'arc électrique 12 va se rétracter dés qu'il atteint la zone d'extrémité 13. De façon à maintenir une puissance relativement élevée du flux de plasma, il peut également être avantageux de permettre un développement ininterrompu de l'arc électrique 12 jusqu'à la section S3 située juste avant la zone d'extrémité 13. Pour ce faire, il suffit simplement de choisir la tension V de manière à ce que V soit supérieure ou égale à Vcmin(-1 ), Vcmin(-1 ) correspondant à la tension de claquage de la section S3. En référence aux Figures 2a et 2b, il est représenté une variante possible de la zone d'extrémité utilisable dans le dispositif représenté à la Figure 1.
Dans cette variante, la zone d'extrémité 13 définit un canal d'extrémité orienté selon l'axe longitudinal du boîtier 1 , ledit canal d'extrémité débouchant sur une extrémité ouverte 14 de forme conique par laquelle sort le flux de plasma. De cette façon, on constate que les micro-arcs 1 1 sortent du canal d'extrémité 13 en suivant la surface conique de ladite extrémité 14. Cette répartition uniforme des micro-arcs 1 1 à la surface du cône génère au final un flux de plasma plus large et moins intense qui permet de diminuer encore sa température et permet d'utiliser le dispositif 10 sur un éventail plus large de surfaces. Dans une configuration préférentielle de l'invention, il sera avantageux de configurer l'extrémité ouverte 14 de telle sorte que sa forme conique définisse partiellement une hyperboloïde de révolution et que le rapport entre le diamètre extérieur du cône et le diamètre de la paroi interne du boîtier 1 au niveau du canal d'extrémité 14 soit compris entre 2 et 20.
En référence aux Figures 3a à 3c, il est représenté une deuxième variante possible de la zone d'extrémité utilisable dans le dispositif représenté à la Figure 1.
Dans cette variante, la zone d'extrémité 13 définit un canal d'extrémité orienté selon l'axe longitudinal du boîtier 1 , ledit canal d'extrémité débouchant sur un canal 15 ouvert à ses deux extrémités 16 et formant un angle α avec l'axe longitudinal du boîtier 1 , l'angle α étant inférieur ou égal à 90°. Dans la configuration représentée, cet angle α est sensiblement égal à 90°. De cette façon, le flux de plasma F sort du boîtier 1 par deux ouvertures 16 formées sur ses parois latérales et selon une direction transversale à l'axe longitudinal du boîtier 1. Cette configuration permet d'appliquer plus facilement le flux de plasma F à l'intérieur de tubes ou, plus généralement, à l'intérieur d'objets creux. Par ailleurs, comme représenté sur les Figures 3b et 3c, il est également envisageable d'utiliser le dispositif 10 pour traiter des fils 17, ou tout autre objet filiforme tels que des tubes ou des câbles, aptes à être introduits à l'intérieur du canal transversal 15. Ainsi, en passant à travers le canal 15, le fil 17 est en contact avec le flux de plasma F sortant du canal d'extrémité 13. Pour améliorer encore la répartition du flux de plasma F le long de la paroi externe du fil 17, il sera avantageux de décaler l'axe du canal transversal 15 par rapport à l'axe longitudinal du boîtier 1. Cette disposition accroît en effet la propension du flux de plasma F à tourbillonner à l'intérieur du canal transversal 15.
En référence à la Figure 4, il est représenté une troisième variante possible de la zone d'extrémité utilisable dans le dispositif représenté à la Figure 1.
Dans cette variante, la zone d'extrémité 13 définit un canal d'extrémité orienté selon l'axe longitudinal du boîtier 1 , ledit canal d'extrémité possédant une pluralité d'ouvertures 18 débouchant sur une pluralité de canaux transversaux 19 orientés de manière sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal du boîtier 1 et dont l'une des extrémités 20 est ouverte. Le flux de plasma F sort donc par chacune desdites extrémités ouvertes 20. Cette répartition en "peigne" du flux de plasma F permet donc de traiter plus facilement des surfaces larges. Par ailleurs, du fait que le flux de plasma sortant des ouvertures 20 possède une intensité variable selon la position des ouvertures 20 dans le canal d'extrémité 13, il peut être avantageux de pratiquer une ouverture supplémentaire 21 à l'extrémité du canal d'extrémité 13 de façon à laisser sortir partiellement ledit flux de plasma à travers ladite ouverture 21 et ainsi uniformiser l'intensité des flux de plasma sortant des ouvertures 20.
À titre indicatif, divers exemples de réalisation du dispositif de l'invention sont donnés ci-dessous.
Exemple 1 :
Cet exemple utilise le dispositif de l'invention dans sa configuration représentée sur la Figure 1. Paramètres de fonctionnement:
Source d'énergie courant continu
Tension électrique appliquée entre l'électrode et le boîtier 3 kV
Gaz porteur Air Débit du gaz porteur 60 l/min
Pression extérieure atmosphérique
Diamètre de l'électrode centrale 3 mm
Diamètre du canal central au niveau de la zone d'ignition 4 mm Diamètre de la section S1 8 mm
Diamètre de la section S2 6 mm
Diamètre de la section S3 4 mm
Diamètre de la section S4 2 mm
Longueur de chaque section 35 mm Résultat:
II se produit une succession de développement-rétractation d'un arc électrique entre l'électrode centrale et la section S4 à la fréquence de 2 kHz. Exemple 2:
Cet exemple utilise le dispositif de l'invention dans sa configuration représentée sur la Figure 1.
Paramètres de fonctionnement: Source d'énergie courant continu
Tension électrique appliquée entre l'électrode et le boîtier 2 kV
Gaz porteur N2/H2
Débit du gaz porteur 20 l/min Pression extérieure atmosphérique
Diamètre de l'électrode centrale 3 mm
Diamètre du canal central au niveau de la zone d'ignition 4 mm
Diamètre de la section S1 8 mm Diamètre de la section S2 6 mm
Diamètre de la section S3 4 mm
Diamètre de la section S4 2 mm
Longueur de chaque section 35 mm
Résultat: II se produit une succession de développement-rétractation d'un arc électrique entre l'électrode centrale et la section S4 à la fréquence de 1 ,5 kHz.
Exemple 3:
Cet exemple utilise le dispositif de l'invention dans sa configuration représentée sur la Figure 2.
Paramètres de fonctionnement:
Source d'énergie courant alternatif de fréquence 22 kHz
Tension électrique appliquée entre l'électrode et le boîtier 3 kV
Gaz porteur Air
Pression extérieure atmosphérique
Débit du gaz porteur 50 l/min Diamètre de l'électrode centrale 3 mm Diamètre du canal central au niveau de la zone d'ignition 4 mm
Diamètre de la section S1 8 mm Diamètre de la section S2 6 mm
Diamètre de la section S3 4 mm
Diamètre de la section S4 3 mm
Longueur de chaque section 10 mm
Diamètre du canal d'extrémité 3 mm Diamètre extérieur du cône 35 mm Résultat:
II se produit une succession de développement-rétractation d'un arc électrique entre l'électrode centrale et l'extrémité du cône à la fréquence de 4 kHz.
Exemple 4:
Cet exemple utilise le dispositif de l'invention dans sa configuration représentée sur la Figure 3.
Paramètres de fonctionnement:
Source d'énergie courant non polaire puisé de fréquence 40 kHz
Tension électrique appliquée entre l'électrode et le boîtier 6 kV
Gaz porteur Air
Pression extérieure atmosphérique Débit du gaz porteur 50 l/min
Diamètre de l'électrode centrale 3 mm
Diamètre du canal central au niveau de la zone d'ignition 4 mm
Diamètre de la section S1 8 mm Diamètre de la section S2 6 mm
Diamètre de la section S3 5 mm
Diamètre de la section S4 4 mm
Longueur de chaque section 15 mm Diamètre du canal d'extrémité 4 mm
Diamètre du canal transversal 4 mm
Distance entre l'axe longitudinal du boîtier et l'axe du canal transversal 2 mm
Résultat:
II se produit une succession de développement-rétractation d'un arc électrique entre l'électrode centrale et la section S4 à la fréquence de 3 kHz.
Exemple 5: Cet exemple utilise le dispositif de l'invention dans sa configuration représentée sur la Figure 4. Paramètres de fonctionnement:
Source d'énergie courant non polaire puisé de fréquence 40 kHz Tension électrique appliquée entre l'électrode et le boîtier 6 kV
Gaz porteur Air
Pression extérieure atmosphérique
Débit du gaz porteur 60 l/min Diamètre de l'électrode centrale 3 mm
Diamètre du canal central au niveau de la zone d'ignition 4 mm
Diamètre de la section S1 8 mm
Diamètre de la section S2 6 mm Diamètre de la section S3 5 mm
Diamètre de la section S4 5 mm
Longueur de chaque section 20 mm
Diamètre du canal d'extrémité 5 mm
Longueur canal d'extrémité 150 mm Diamètre des canaux transversaux 1 mm
Distance entre les axes des canaux transversaux 6 mm
Nombre de canaux 20
Diamètre de l'ouverture supplémentaire 1 ,5 mm Epaisseur des parois du boîtier 2 mm
Résultat:
II se produit une succession de développement-rétractation d'un arc électrique entre l'électrode centrale et le canal d'extrémité à la fréquence de 1 kHz. Cette configuration a permis d'obtenir des jets de plasma de densité identique et orientés selon une direction perpendiculaire à l'axe du canal central ce qui permet de traiter des surfaces larges.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (10) générateur d'un flux de plasma (F) comprenant un boîtier (1 ) électriquement conducteur de forme tubulaire formant un canal central (2) traversé par un gaz tourbillonnant (3), une électrode centrale (5) disposée coaxialement dans ledit canal (2) et une source d'énergie électrique (7) destinée à appliquer une tension électrique V entre l'électrode (5) et le boîtier (1 ), caractérisé en ce que le diamètre moyen du canal (2) formé par le boîtier (1 ) diminue progressivement depuis une zone (9) située sensiblement au niveau de l'extrémité libre de l'électrode (5) jusqu'à une zone d'extrémité (13) dudit boîtier (1 ), ladite zone d'extrémité (13) étant configurée de telle sorte que la tension électrique minimale Vcmin(O) à appliquer pour développer un arc électrique (12) entre ladite électrode (5) et ladite zone d'extrémité (13) soit strictement supérieure à ladite tension V.
2. Dispositif (10) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la paroi interne du boîtier (1 ) définit une série de sections tubulaires successives (S1 , S2, S3, S4) de diamètre décroissant, la section tubulaire (S3) située juste avant la zone d'extrémité (13) étant configurée de telle sorte que la tension électrique minimale Vcmin(-1 ) à appliquer pour développer un arc électrique (12) entre ladite électrode (5) et ladite section tubulaire (S3) soit inférieure ou égale à ladite tension V.
3. Dispositif (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites sections tubulaires (S1 , S2, S3, S4) ont la même longueur.
4. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite zone d'extrémité définit un canal d'extrémité (13) orienté selon l'axe longitudinal du boîtier (1 ), ledit canal d'extrémité (13) débouchant sur une extrémité ouverte (14) par laquelle sort le flux de plasma (F).
5. Dispositif (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite extrémité ouverte (14) possède une section de forme conique.
6. Dispositif (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite extrémité ouverte (14) définit partiellement une hyperboloïde de révolution.
7. Dispositif (10) selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le rapport entre le diamètre extérieur du cône défini par ladite extrémité ouverte (14) et le diamètre de la paroi interne du boîtier (1 ) au niveau de ladite zone d'extrémité (13) est compris entre 2 et 20.
8. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite zone d'extrémité définit un canal d'extrémité (13) orienté selon l'axe longitudinal du boîtier (1 ), ledit canal d'extrémité (13) débouchant sur un canal transversal (15) ouvert à ses deux extrémités (16) et formant un angle α avec l'axe longitudinal du boîtier (1 ), l'angle α étant inférieur ou égal à 90°.
9. Dispositif (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'angle α est sensiblement égal à 90°.
10. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que l'axe du canal transversal (15) est décalé par rapport à l'axe longitudinal du boîtier (1 ).
1 1. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite zone d'extrémité définit un canal d'extrémité (13) orienté selon l'axe longitudinal du boîtier (1 ), ledit canal d'extrémité (13) possédant une pluralité d'ouvertures (18) débouchant sur une pluralité de canaux transversaux (19) orientés de manière sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal du boîtier (1 ) et dont l'une des extrémités (20) est ouverte.
12. Dispositif (10) selon la revendication 11 , caractérisé en ce que ledit canal d'extrémité (13) débouche sur une extrémité ouverte (21 ) par laquelle sort partiellement le flux de plasma (F).
13. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tension électrique générée par la source d'énergie électrique est choisie dans le groupe constitué par les tensions continues, les tensions puisées et les tensions alternatives de toute gamme de fréquence.
14. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz tourbillonnant (3) est de l'air.
15. Procédé de génération d'un flux de plasma au moyen d'un dispositif générateur d'un flux de plasma tel que défini dans le préambule de la revendication 1 , comprenant les étapes suivantes: a) application d'une tension électrique V entre l'électrode (5) et le boîtier (1 ) de telle sorte à produire un arc électrique (12) entre l'électrode centrale (5) et une zone (9) de la paroi interne du boîtier (1 ) entourant ladite électrode (5); b) maintien de ladite tension électrique V de manière à développer ledit arc électrique (12) au moyen du gaz tourbillonnant (3) jusqu'à une zone d'extrémité (13) du canal central (2); c) coupure de la tension V dés que l'arc électrique (12) a atteint ladite zone d'extrémité (13); d) reprise des étapes précédentes a), b) et c).
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'une mesure de la tension électrique réelle Vr entre l'électrode (5) et le boîtier (1 ) est effectuée en continu de telle sorte que, au moment où l'arc électrique (12) atteint ladite zone d'extrémité (13), la tension Vr est sensiblement égale à une valeur Vcmax.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que, à l'étape c), un moyen d'interruption de la source d'alimentation électrique (7) se déclenche dès que la tension Vr est sensiblement égale à Vcmax.
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