EP2080254B1 - Dispositif de generation de plasma radiofrequence - Google Patents

Description

• La présente invention concerne de façon générale la génération de plasma dans un gaz, et plus particulièrement les dispositifs de génération de plasma à inductance intégrée. La génération de plasma est notamment utilisée pour l'allumage commandé de moteurs à combustion interne par les électrodes d'une bougie, mais peut également être utilisée, par exemple, pour une stérilisation dans un procédé de climatisation ou des systèmes de dépollution.
• Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de génération de plasma comprenant deux électrodes, un résonateur série présentant une fréquence de résonance supérieure à 1MHz et comprenant un condensateur muni de deux bornes, et un bobinage inductif entouré par un blindage, le condensateur et le bobinage étant disposés en série, les électrodes étant connectées aux bornes respectives du condensateur.
• Un tel dispositif est notamment décrit sous forme de bougie dans le document FR 2 859 830 . Ce type de bougie présente des capacités parasites internes réduites et forme un résonateur série présentant un coefficient de surtension élevé. Bien que ce dispositif permette d'entretenir une tension radiofréquence entre ses électrodes pour la génération d'un plasma, son optimisation restait jusqu'à présent problématique.
• Dans ce contexte, le but de l'invention est de proposer un dispositif de génération de plasma radiofréquence encore plus performant.
• A cette fin, le dispositif de la présente invention, par ailleurs conforme à définition qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le rapport du rayon de bobinage r_int sur le rayon du blindage r_ext est compris entre 0,5 et 0,6 et de préférence égal à 0,56.
• D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante qui est donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des figures.
• La figure 1 représente une représentation schématique en coupe d'un exemple de bougie utilisable dans le système de génération de plasma ; et
• La figure 2 représente un graphique représentant une étude du coefficient de surtension (y) en fonction du rapport r_int/r_ext (x).
• La figure 1 illustre des détails de la structure d'un dispositif de génération plasma radiofréquence de l'art antérieur, sous forme d'une bougie à étincelle de surface, pour lequel l'application d'une excitation radiofréquence s'avère particulièrement avantageuse.
• La bougie 110 peut être fixée sur la culasse 104 d'un moteur 105 à combustion interne d'un véhicule automobile.
• La bougie à effet de surface 110 comprend une électrode cylindrique basse tension qui sert de culot métallique 103 destiné à se visser dans un évidement réalisé dans une culasse de moteur et débouchant à l'intérieur de la chambre de combustion. Le culot 103 est destiné à être connecté électriquement à la masse. Ainsi, le culot 103 entoure une électrode haute tension cylindrique 106 disposée en position centrale. L'électrode 106 est isolée du culot 103 par l'intermédiaire d'un manchon isolant 100. Le manchon isolant est constitué d'une matière dont la permittivité relative est supérieure à 1, par exemple une céramique. La bougie présente un espace 105 séparant le diélectrique 100 et une extrémité de l'électrode 103.
• Pour une application à l'allumage automobile, l'homme de métier utilisera des électrodes et un isolant présentant des matériaux et une géométrie adéquats pour initier une combustion dans un mélange à une densité de combustion et pour résister au plasma ainsi formé.
• La figure 1 représente également une vue en coupe d'une bougie intégrant avantageusement un résonateur série tel que décrit dans le document de l'art antérieur mentionné plus haut. La bougie 110 présente une borne de connexion 131, connectée à une première extrémité d'un bobinage inductif 112. La deuxième extrémité du bobinage inductif 112 est connectée à une extrémité interne de l'électrode haute tension 106. Cette extrémité est également en contact avec un élément isolant 111 formant le condensateur.
• Les électrodes 103 et 106 sont dans cet exemple séparées par le matériau diélectrique 100. Le résonateur série intégré dans la bougie 110 comprend le bobinage inductif 112 et l'élément isolant 100 formant également le condensateur entre les électrodes 103 et 106. Le condensateur et le bobinage inductif 112 sont disposés en série. La capacité série du résonateur série est formée du condensateur et des capacités parasites internes de la bougie. Cette capacité est disposée en série avec une inductance pour former le résonateur série. Lorsque la longueur de la connexion entre l'inductance et le condensateur est réduite, on réduit les capacités parasites dans la bougie. La bougie 110 est ainsi utilisée pour entretenir la tension alternative entre les électrodes 103 et 106, dans le domaine de fréquence souhaité, préférablement de 1 Mhz à 20 Mhz.
• Le résonateur série intégré dans la bougie présente de préférence un unique bobinage inductif 112, facilitant la fabrication d'une telle bougie.
• Un nombre important de spires dans le bobinage unique 112 est nécessaire pour obtenir une inductance de l'ordre de 50 µH. Or, un nombre de spires important génère des capacités parasites. L'unique bobinage inductif 112 présente de préférence un axe (identifié par la ligne en trait mixte) et est constitué d'une pluralité de spires superposées suivant son axe. On entend ainsi que la projection d'une spire est identique à la projection de toutes les spires suivant cet axe. On limite alors les capacités parasites en ne superposant pas des spires radialement.
• La bougie comprend en outre avantageusement un blindage 132 connecté à une masse et entourant le bobinage inductif 112. Les lignes de champ sont ainsi refermées à l'intérieur du blindage 132. Le blindage 132 réduit ainsi les émissions électromagnétiques parasites de la bougie 110. Le bobinage 112 peut en effet générer des champs électromagnétiques intenses avec l'excitation radiofréquence qu'il est envisagé d'appliquer entre les électrodes. Ces champs peuvent notamment perturber des systèmes embarqués d'un véhicule ou dépasser des seuils définis dans des normes d'émission. Le blindage 132 est de préférence constitué d'un matériau non ferreux à conductivité élevée, tel que le cuivre ou l'argent. On peut notamment utiliser une boucle conductrice comme blindage 132.
• Le bobinage 112 et le blindage 132 sont de préférence séparés par un manchon d'isolation 133 en un matériau diélectrique approprié, présentant un coefficient diélectrique supérieur à 1, et de préférence une bonne rigidité diélectrique afin de réduire encore le risque de claquage ou d'effluve, à l'origine de dissipations d'énergie. Bien entendu, plus les dissipations d'énergie sont faibles, plus l'amplitude de la tension appliquée entre les électrodes est élevée et plus la durée de vie de la bougie est élevée. Le matériau diélectrique peut par exemple être une des résines silicones commercialisées sous les références Elastosil M4601, Elastosil RTV-2 ou Elastosil RT622 (cette dernière présentant une tension de claquage de 20 kV/mm et une constante diélectrique de 2,8). On peut prévoir que la surface extérieure du manchon 133 soit métallisée pour constituer le blindage 132 précité.
• De façon générale, on privilégiera un enroulement du bobinage 112 autour d'un élément plein 134 réalisé en matériau isolant et/ou amagnétique, de préférence les deux. On réduit ainsi encore les risques de claquage et les capacités parasites.
• Un plasma formé à l'aide d'un tel dispositif présente de nombreux intérêts dans le cadre de l'allumage automobile tel qu'une diminution sensible du taux de ratés dans un système à mélange pauvre stratifié, une réduction de l'usure des électrodes ou encore une adaptation du volume d'initiation de l'allumage en fonction de la densité.
• Une excitation radiofréquence est également adaptée à une application de dépôt plasma, dans un gaz présentant une densité comprise entre 10^-2 mol/L et 5*10^-2 mol/L. Le gaz utilisé dans cette application peut typiquement être de l'azote ou de l'air, air ambiant en particulier.
• L'excitation radiofréquence est encore adaptée à une application de dépollution d'un gaz présentant une densité comprise entre 10^-2 mol/L et 5*10^-2 mol/L.
• L'excitation radiofréquence est en outre adaptée à une application d'éclairage faisant appel à un gaz présentant une densité molaire comprise entre 0,2 mol/L et 1 mol/L.
• Selon la présente invention, afin d'optimiser le coefficient de surtension Q = Lw/R, il est nécessaire de déterminer L, représentant la self, et R représentant la résistance. Pour cela, un modèle de bobinage long à spire rectangulaire est adopté.
• Le courant qui passe les fils du bobinage 112 va se répartir entre la surface interne et la surface externe des fils dans le rapport des champs magnétiques. En considérant que le bobinage est suffisamment long, et grâce au blindage, le champ magnétique est homogène dans le support du bobinage et dans l'espace entre le bobinage et le blindage. Le flux dans l'espace entre le bobinage et le blindage est donc sensiblement égal au flux dans le support de bobinage, et les champs magnétique sont donc dans les rapports des sections, ce qui donne : $${\mathrm{B}}_{\mathrm{ext}}\mathrm{=}{\mathrm{B}}_{\mathrm{int}}\mathrm{*}{{\mathrm{r}}^{\mathrm{2}}}_{\mathrm{int}}\mathrm{/}\left({{\mathrm{r}}^{\mathrm{2}}}_{\mathrm{ext}}\mathrm{-}{{\mathrm{r}}^{\mathrm{2}}}_{\mathrm{int}}\right)$$

  
• où r_int est le rayon du bobinage, r_ext le rayon du blindage, B_int le champ magnétique dans le bobinage et B_ext le champ magnétique entre le bobinage et le blindage.
• En admettant que la répartition du courant est entièrement surfacique, l'application de Navier-Stockes à µ₀B sur un circuit carré de largeur égale au pas traversant la surface donne : $${\mathrm{I}}_{\mathrm{ext}}\mathrm{=}{\mathrm{B}}_{\mathrm{ext}}\mathrm{/}\left({\mathrm{\mu }}_{\mathrm{0}}\mathrm{*}\mathrm{pas}\right)\mathrm{et}{\mathrm{I}}_{\mathrm{int}}\mathrm{=}{\mathrm{B}}_{\mathrm{int}}\mathrm{/}\left({\mathrm{\mu }}_{\mathrm{0}}\mathrm{*}\mathrm{pas}\right)$$

  

  
  en posant $$\mathrm{I}={\mathrm{I}}_{\mathrm{int}}+{\mathrm{I}}_{\mathrm{ext}}\mathrm{et}\mathrm{x}\mathrm{=}{\mathrm{r}}_{\mathrm{int}}/{\mathrm{r}}_{\mathrm{ext}}$$

  

  
  on déduit : $${\mathrm{I}}_{\mathrm{int}}\mathrm{/}\mathrm{I}\mathrm{=}\mathrm{1}\mathrm{-}{\mathrm{x}}^{\mathrm{2}}\mathrm{et}{\mathrm{I}}_{\mathrm{ext}}\mathrm{/}\mathrm{I}\mathrm{=}{\mathrm{x}}^{\mathrm{2}}$$

  

  
  où I représente le courant électrique, I_ext le courant électrique dans le blindage et I_int le courant électrique dans le bobinage.
• La variable x qui représente le rapport du rayon du bobinage sur le rayon du blindage, est ainsi exprimée, il faut à présent exprimer R et L en fonction de x de manière à trouver une valeur de x maximisant Q= Lw/R.
• Le bilan énergétique des pertes donne : $${\mathit{RI}}^{\mathit{é}}=\rho \frac{n2\pi }{\delta \cdot \mathit{pas}}\left(r_{\mathrm{int}}\left(I_{\mathit{ext}}^2+I_{\mathrm{int}}^2\right)+r_{\mathit{ext}}{I}_{\mathit{ext}}^2\right)$$

  

  
  Soit : $$R=\rho \frac{n2\pi }{\delta \cdot \mathit{pas}}{r}_{\mathit{ext}}\left(2x^4+x^3-2x^2+1\right)$$

  
• En plus, la self L peut être calculée de la manière suivante : $$\mathit{LI}=n{B}_{\mathrm{int}}\pi r_{\mathrm{int}}^2={\mu }_{0}n\frac{I_{\mathrm{int}}}{\mathit{pas}}\pi r_{\mathrm{int}}^2={\mu }_{0}n\frac{I\left(1-x^2\right)}{\mathit{pas}}\pi r_{\mathrm{int}}^2$$

  

  
  Ainsi le coefficient de qualité est égal à : $$Q=\frac{\mathit{Lw}}{\mathit{R}}\mathit{=}\frac{{\mathit{\mu }}_0\mathrm{\delta \omega }}{2\rho }{r}_{\mathit{ext}}\frac{x\left(1-x^2\right)}{\left(2x^4+x^3-2x^2+1\right)}$$

  

  
  Sachant que $\delta =\sqrt{\frac{2\rho }{{\mu }_0\omega }},$

  

  on en déduit que : $$Q=\frac{\mathit{Lw}}{\mathit{R}}\mathit{=}\frac{{\mathit{r}}_{\mathit{ext}}}{\delta }\frac{x\left(1-x^2\right)}{\left(2x^4+x^3-2x^2+1\right)}$$

  
• Ainsi, en posant $y=\frac{x\left(1-x^2\right)}{2x^4+x^3-2x^2+1ʹ}$

  

  l'étude de cette fonction donne le graphique représenté à la figure 2 et permet d'établir que le maximum de la fraction polynomiale se situe à y=0,516 pour x = 0,56.
• Ainsi en conclusion, il ressort de ce calcul que le rapport de rayon de bobinage sur rayon de blindage doit être de 0,56 pour avoir un coefficient de surtension maximal.
• Cependant, après avoir effectué des essais et comme la courbe le montre, il semblerait qu'un rapport de rayon de bobinage sur rayon de blindage compris dans une gamme de 0,5 à 0,6 donne des résultats très satisfaisants, permettant une amélioration considérable du coefficient de surtension.
• Ce paramètre permet ainsi à tous type de dispositif de génération de plasma à radiofréquence, par exemple une bougie d'allumage moteur, d'optimiser leur coefficient de surtension.
• Il est important de remarque que l'application d'une telle gamme de rapport entre le diamètre d'un bobinage et d'un blindage est, selon un mode de réalisation préféré applicable à une bougie d'allumage moteur, mais peut aussi être appliqué à l'un quelconque dispositif de génération plasma radiofréquence.

Claims (11)

1. Dispositif de génération de plasma (110) comprenant deux électrodes (103, 106), un résonateur série présentant une fréquence de résonance supérieure à 1MHz et comprenant un condensateur (111) muni de deux bornes, et un bobinage inductif (112) entouré par un blindage (132), le condensateur et le bobinage étant disposés en série, les électrodes étant connectées aux bornes respectives du condensateur, le dispositif étant caractérisé en ce que le rapport du rayon du bobinage (r_int) sur le rayon du blindage (r_ext) est compris entre 0,5 et 0,6 et de préférence égal à 0,56.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur série comprend un unique bobinage inductif (112).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le résonateur série présente une fréquence de résonance dans la gamme de 1 MHz à 20 MHz.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de génération de plasma radiofréquence est une bougie d'allumage pour moteur.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le blindage (132) et le bobinage inductif (132) sont séparés par un manchon d'isolation (133) en un matériau présentant un coefficient diélectrique supérieur à 1.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface extérieure (132) du manchon d'isolation est métallisée et constitue le blindage.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le blindage comprend une boucle conductrice.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bobinage inductif (112) est enroulé autour d'un élément plein (134) constitué d'un matériau amagnétique.
9. Dispositif selon la revendication 6 ou la revendication 8, caractérisé en ce qu'un desdits matériaux d'isolation présente une tension de claquage supérieure à 20 kV/mm.
10. Utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans le cadre d'un allumage de combustion sur un véhicule automobile à moteur à combustion interne.
11. Utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes pour une stérilisation dans le cadre d'un procédé de climatisation.

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