CA2029505C - Plasma torch - Google Patents
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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.The present invention relates to a plasma torch, of the type comprising: - two tubular and coaxial electrodes (5 and 6), in extension of one another, each of them being arranged in a support (3 and 4) in which is formed a cooling circuit (8 and 9) of the corresponding electrode; - Means (12) for producing the initiation of an electric arc between the two electrodes; and, - means (16) for injecting a plasma gas between said electrodes, comprising a part of revolution (17) coaxial with said electrodes and defining with these and their supports a chamber (18) into which is injected, by means of transverse orifices (17B) made in the room, the plasma gas. According to the invention, said part of revolution (17) is devoid of internal cooling means.
Description
2~~~~ ~~
La présente invention concerne les torches â 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. L.es températures atteintes par le plasma en sortie de la torche peuvent dépasser les 000°C.
Dans les réalisations usuelles des torches à plasma, les deux électrodes sont tubulaires et coaxiales, en 10 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 êlectrique 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, i.ls compren-n~nt 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 'I 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 refroi-dissement. Pour cela, des passages longïtudinaux de circula-s tion 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 1°électrode aval (par rapport à la cïrculation du gaz plasmagène). Grâce à cela, 1e même fluide de refroidissement parcourt les circuits de refroi-dissement 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 1a 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'injec-tion du gaz plasmagène, pourvue d'un circuit de r~efroidisse-ment 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 inconvé-nients 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.
~~~~~~) 2 ~~~~ ~~
The present invention relates to arc plasma torches electric, using gas injection plasma in an internal chamber, which is provided 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 000 ° C.
In the usual embodiments of plasma torches, the two electrodes are tubular and coaxial, in 10 extension of each other, and they are each arranged in a support. A cooling circuit is necessarily provided between each electrode and the support that surrounds it due to the temperatures reached.
Furthermore, to produce the electric arc between the electrodes, means are provided for. strike said arc, which may be of the electric discharge type produced between the two electrodes or of the short-circuit type, through, for example, the use of an electrode starting aid. Torches include the most often 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, avoiding premature wear of the internal surfaces tubular electrodes.
As for the means of injection of the plasma gas, such as the air in the internal chamber of the torch, i.e.
n ~ nt generally a part of revolution coaxial with said electrodes and defining therewith and their supports said injection chamber.
Cross holes are provided in the room for authorize the injection of plasma gas from a circuit supply, in the room: As the room is directly exposed to thermal radiation generated by 'I the electric arc and the chemical reaction that follows with plasma gas, said part is made of a material metallic and also has a cooling circuit dissement. For this, longitudinal passages of circula-coolant are provided in the room of revolution. For example, these passages communicate from a side with an external annular groove made in the part, into which the coolant arrives, and the other side, these passages are put in communication with the cooling circuit of 1 ° downstream electrode (relative to the plasma gas circulation). Thanks to this, 1st same coolant travels through the cooling circuits smoothing of the injection part and the downstream electrode.
However, as the injection piece is metallic and, for example Therefore, conductive of electricity, it is imperative to provide an electrically insulating device to ensure maximum insulation between the two electrodes. AT
this effect, insulating members are provided between the room and the upstream electrode, which can also act as a thermal shield for the upstream part or back of the torch.
We therefore understand the drawbacks caused by these torches Plasma and bearing mainly, because of the temperatures damage, on the complex production of the injection piece tion of the plasma gas, provided with a cooling circuit internally, and on the need to add, for the reasons mentioned previously, insulating organs which involve an increase in the size of the torches.
plasma, as well as their cost.
The Applicant has therefore sought to remedy these drawbacks nients by practicing for this on a plasma torch of the type described above various tests on the injection part in order to study its behavior as a function of temperatures encountered.
~~~~~~)
3 1 Les résultats de ces essais ont montré quo la pièce d'injection ne subissait pas des températures aussi élevées que l'on pensait. Ces résultats ont prouvé que 1a 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 garantis-sant 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 refroidisse-ment de l'électrode correspondante ;
- des moyens pour produire l'amorçage d'un are 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, on ce que ladite pièce de révolution est dépourvue de moyens de refroidissement internes.
20~~r~0.
1 Aïnsi, 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 1a 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 polytétrafluo~
roéthylène.
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, afïn 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.
1 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 1°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 g, dans lequel circule un fluide de refroidissement. Seule 1°entrée, respectivement 8A et 9A, de ces circuits de refroidissement a été .représentée. On ne dëcrira 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 1°arc électrique 11 entre les dèux électrodes 5 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 amant 5, de façon à permettre, sous l'action 1 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 5B et 6B respectivement des électrodes 5 et 6. Ainsi, dans ce mode de réalisation, la paroi interne 17A de la pièce 17, les extrémités 5B et 6B
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,orifiees transversaux 17B ménagés dans la pièce 17 d'injection.
Le gaz plasmagène est issu d'une alimentation non représentée et parvient en 1g 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'injec~
fion 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 1-a pièce d'injection 17, comme le montre plus particulièrement la figure 2, s'en trouve considérablement simplifiée. En effet, le perpage des orifices d'injection 17B régulière-ment répartis autour de la pièce 17 ne soulève pas de difficultés.
~~2~ ~~
1 On remarquera sur la figure 2 que les axes géométriques 17D
des orifices d'injection 178, 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 avantageuse-ment 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 encombre-ment de la torche à plasma obtenue selon l'invention. 3 1 The results of these tests have shown that the part injection temperatures were not as high than we thought. These results have shown that 1a coolant temperature at the outlet of the longitudinal passages was little different from that noted at the entrance to said passages. The Applicant has therefore deduces that the fresh plasma gas, injected so continues through the openings towards the chamber, was an effective thermally protective layer for the internal wall of the injection part, opposite the temperature prevailing in the heart of the room, i.e.
at the level of the electric arc.
Therefore, the present invention relates to a torch with plasma which, taking into account unexpected results revealed by the various tests carried out, presents a considerably simplified production while guaranteeing performance similar to plasma torches prior art.
For this purpose, the plasma torch, of the type comprising.
- two tubular and coaxial electrodes, in extension from each other, each of them being arranged in a support in which a cooling circuit is provided ment of the corresponding electrode;
- means for producing the ignition of an electric are between the two electrodes; and, - Means for injecting a plasma gas between said electrodes, comprising a part of coaxial revolution to said electrodes and defining therewith and their supports a chamber, into which is injected, thanks to transverse holes in the room, the gas plasmagen, is remarkable, according to the invention, that said piece of revolution is devoid of cooling means internal.
20 ~~ r ~ 0.
1 Thus, thanks to the unexpected results of the tests, the part of revolution, usually complex, is an achievement very easy, injection ports being only drilled in said part.
Advantageously, the part of revolution is produced in one non-metallic material, electrically insulating.
Indeed, since the injection part is not subjected to high temperatures, it doesn't have to be either metal. However, as the injection piece is more insulating, it is no longer also necessary to provide the insulation and heat shield devices arranged between the two electrodes and which involved a significant additional bulk of the torch.
We therefore understand from the above that the realization of the torch is greatly simplified.
The part of revolution can then be produced in one plastic material such as, for example, a polytetrafluo ~
roethylene.
Structurally, the part of revolution can have a crown shaped section. Preferably, the orifices of plasma gas injection are regularly distributed around said room.
In addition, in order to ensure a gas vortex effect plasmagen injected into the chamber, the geometric axes 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.
1 The figures in the appended drawing will make it clear how the invention can be realized. In these figures, identical references denote similar elements.
Figure 1 is a longitudinal sectional view of an example for producing the plasma torch according to the 1st invention.
Figure 2 shows, in cutaway perspective, said part plasma gas injection.
Referring to Figure 1, the plasma torch 1 includes a body 2 comprising in particular two cylindrical supports 3 and 4. Inside the support 3 is housed an electrode upstream 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 are arranged coaxial to a longitudinal axis 7 while being spaced from each other along said axis. These electrodes are connected to power supplies not shown.
In addition, between each support and its electrode a cooling circuit is provided, respectively 8 and g, in which a fluid of cooling. Only 1st entry, respectively 8A and 9A, of these cooling circuits has been shown. Onne will not further describe the structure of these circuits cooling of the electrodes which is of a known type, these circuits being connected to a fluid supply of cooling.
To strike the 1st electric arc 11 between the two electrodes 5 and 6, there is provided in this embodiment a auxiliary starting electrode 12. In addition, a coil electromagnetic 14 is arranged around the support 3 of the lover electrode 5, so as to allow, under the action 1 of the axial magnetic field it generates, the displacement of the feet of the electric arc 11 around the surfaces internal 5A and 6A, electrodes 5 and 6 respectively, thereby avoiding premature wear of the latter.
The plasma torch 1 also comprises means 16 to inject a plasma gas>, such as air, between the electrodes 5 and 6 as soon as the electric arc 11 is product. These means 16 comprise a part of revolution 17 having a crown-shaped section and surrounding opposite ends 5B and 6B respectively of electrodes 5 and 6. Thus, in this embodiment, the internal wall 17A of the part 17, the ends 5B and 6B
electrodes and the front face 3A of the support 3 define an internal chamber 18, into which the gas is injected thanks to 17B transverse orifications in the injection room 17.
Plasma gas comes from a non-food shown and reaches 1g in an annular space 20 delimited between an external envelope 21 of the body 2 of the torch and the outer wall 17C of the injection piece 17.
For the reasons mentioned above, the piece of injec ~
assion 17, according to the invention, is devoid of means of internal cooling. Indeed, the cold plasma gas injected into chamber 18 constitutes, in the vicinity of the internal wall 17A of the injection part, a barrier thermal protection against high temperatures generated by the electric arc 11, in the heart of the chamber 18. It therefore follows that the realization of 1-a piece injection 17, as shown more particularly by the Figure 2, is considerably simplified. In effect, the perpage of the regular 17B injection orifices-spread around room 17 does not raise difficulties.
~~ 2 ~ ~~
1 It will be noted in FIG. 2 that the geometric axes 17D
injection ports 178, contained in planes perpendicular to the longitudinal axis of the part 17 corresponding to the longitudinal axis 7 of the torch, are slightly offset from the position for which they would converge on it. This offbeat orientation injection ports 17B provides advantageous-a vortex effect to the plasma gas injected into the room 18.
As the injection part is not subjected to high temperatures, it can be performed in one plastic material, preferably electrically insulating such as, for example, a polytetrafluoroethylene. This plastic part can also play the role electrical insulation between the two electrodes 5 and 6, so there is no longer a need for devices insulation and thermal shield usually fitted to plasma torches of the prior art.
Figure 1 highlights the small footprint ment of the plasma torch obtained according to the invention.
Claims (6)
- deux électrodes (5, 6) tubulaires, coaxiales et axialement espacées, chaque électrode étant agencée dans un support (3, 4) dans lequel est ménagé un circuit de refroidissement (8, 9) de l'électrode correspondante;
- des moyens (12) pour amorçer 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, caractérisé en ce que ladite pièce de révolution est réalisée en un matériau non métallique et électriquement isolant, et ladite torche est dépourvue de moyens de refroidissement internes utilisant un fluide de refroidissement autre que ledit gaz plasmagène pour refroidir ladite pièce de révolution. 1. Plasma torch, of the type comprising:
- two electrodes (5, 6) tubular, coaxial and axially spaced apart, each electrode being arranged in a support (3, 4) in which a cooling circuit (8, 9) of the corresponding electrode;
- means (12) for initiating an electric arc between the two electrodes; and - means (16) for injecting a plasma gas between said electrodes, comprising a part of revolution (17) coaxial with said electrodes and defining therewith and their supports a chamber (18) into which is injected, thanks to to transverse orifices (17B) made in the part, the plasma gas, characterized in that said piece of revolution is made of a non-metallic and electrically insulating material, and said torch has no internal cooling means using a coolant other than said gas plasma generator to cool said part of revolution.
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