EP0000311B1 - Cryopompe - Google Patents

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EP0000311B1
EP0000311B1 EP78400040A EP78400040A EP0000311B1 EP 0000311 B1 EP0000311 B1 EP 0000311B1 EP 78400040 A EP78400040 A EP 78400040A EP 78400040 A EP78400040 A EP 78400040A EP 0000311 B1 EP0000311 B1 EP 0000311B1
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EP
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trapping
cryopump
partitions
adsorbent
chamber
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EP78400040A
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EP0000311A1 (fr
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Jacques Carle
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B37/00Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
    • F04B37/06Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means
    • F04B37/08Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means by condensing or freezing, e.g. cryogenic pumps
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D8/00Cold traps; Cold baffles
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S417/00Pumps
    • Y10S417/901Cryogenic pumps

Definitions

  • the present invention relates to a cryopump of the kind incorporating, in a thermally insulated enclosure, trapping means comprising refrigerated trapping walls by condensation and trapping walls by adsorption covered with at least one layer of adsorbent products, such as activated carbon. or zeolites.
  • adsorbent products such as activated carbon. or zeolites.
  • Such adsorption trapping walls are described in US Patent 3,296,773. Thanks to the combination of these two trapping means, it is possible, at least theoretically, to descend to very deep voids, of the order of 1 ax torr, because the gases which are difficult to condense even at very low temperatures of trapping like hydrogen, neon are trapped by the trapping walls by adsorption.
  • the efficiency of the adsorption trapping walls is considerably reduced by the fact that they are contaminated by the more easily condensable gases such as nitrogen, oxygen, argon.
  • We have managed to mitigate this drawback by locating the trapping walls by adsorption downstream of the trapping walls by condensation with respect to the path of the gases which, moreover, advantageously comprise a wall in the form of a baffle protecting from the direct path of the gases. the trapping walls by adsorption.
  • This type of cabinet has at least three drawbacks: on the one hand it is expensive to produce, on the other hand, to be effective in molecular regime, it must be optically sealed, which results in a large decrease in the speed of pamping of the surface covered with adsorbent; finally whatever the model, it plays practically no role for the protection of the adsorbent, when the gas flow regime of the enclosure is viscous or intermediate, which can happen in certain types of use of the cryopump.
  • Another method of pumping by adsorption has also been proposed which consists in depositing on the cryosurface a gas which is condensable at this temperature and which has adsorbent properties for incondensable gases (for example a deposition of C0 2 has adsorbent properties for hydrogen. at 20 K).
  • this deposition of adsorbent gas is subject to the same drawbacks described above as a solid adsorbent; on the other hand, during the injection of the adsorbent gas on the cryosurface, there is always a rise in pressure in the enclosure, either by excess of injected gas, or by surface heating of the already formed cryodeposit and this rise in pressure is generally harmful.
  • a first objective of the present invention is to produce an adsorption cryopump, having a high pumping efficiency, namely a maximum pumping speed in molecular regime and excellent protection of the adsorbent in viscous or intermediate regime.
  • a second objective of the present invention is to produce a cryopump with injection of adsorbent gas preventing pressure build-up in the enclosure during the injection of adsorbent gas.
  • a cryopump according to the invention is characterized by a partition delimiting a confined area and comprising at least one partition movable under the action of a control means accessible from outside of said enclosure, from a closed position isolating said confined area from a remaining part of the enclosure to a position of communication between said confined area and said remaining area of enclosure, the sheets of adsorbent product being located in said confined area in said closed position of said partitioning.
  • a cryopump body consisting of a partition 3 formed of a plurality of longitudinal partitions 4 (eight in number ) extending along a polygonal contour between two bottom partitions 5 and 6.
  • the partitions 4 are mounted along a longitudinal axis defined by the pins 7 and 8 engaging in the trunnions of the bottom partitions 5 and 6.
  • Under the bottom partition 5 is mounted in axial rotation a ring 9 which can be controlled in rotation by a wheelhouse 10 passing through the enclosure wall 2 by a sealed junction 11.
  • This ring 9 is secured to an axial pivot 12 which is mechanically connected to each partition 4 by an articulated link 13, so that, starting from the fully closed position as shown in FIG. 1, traction on the linkage 10 according to the arrow f l , which has the effect of ensuring an axial rotation movement according to the arrow f 2 of the ring 9 ensures by through the connecting rods 13, an opening rotation making a confined area 20 communicating delimited by the partitions 4, 5 and 6 in the closed position with a remaining part of the enclosure 1.
  • the partitions 4 have this characteristic of being metallic and preferably made of thermally conductive metal. They are coated on one side only with a sheet 14 of adsorbent product generally in the form of activated carbon particles or zeolites bonded to the metal surface or embedded in the metal. Refrigeration means, for example welded tubes convey helium at 20 ° K allowing the cooling of the partitions 4.
  • the internal face (FIG. 1) of the partitions 4 with its coating in web 14 of product adsorbent constitutes the trapping wall by adsorption, while the external face of these same partitions 4, without any coating, constitutes the trapping wall by condensation 16.
  • the same geometrical arrangement of the partition 3 is found, but here the partitions 4 are devoid, on their internal face, of adsorbent product permanently fixed, and opposite these partitions 4, when they are in the closed position (FIGS. 3) there is one of the openings 30 formed at the periphery of a hollow shaft 31, the interior of which communicates with a conduit 32 connected to a source of pressurized gas not shown and located outside the cryopump.
  • this alternative embodiment is the same as that described above with the difference that in the final phase where the trapping walls by adsorption will intervene, but before the partitions 4 are opened, the lights 31 are delivered. puffs of adsorbent gas which immediately condense into a sheet 33 on the internal face of the trapping partitions by adsorption 4. Once the gas has been deposited, the wheelhouse 10 can then be maneuvered to cause the walls 4 to rotate as before.
  • partitions 50 (eight in number) arranged according to a polygonal contour, one inner face 51 of which is covered with a sheet of adsorbent product, while a outer face 52 is devoid of any coating.
  • these partitions 50 are hingedly mounted on axes 53 and are capable of being rotated by an angle of 90 ° by the linkage 10 passing through the sealed junction 11 of the partition 2 and by means of a chain. 56 meshing on pinions 57 integral with axes 53.
  • the trapping surfaces by adsorption have been considerably increased by providing an equal number of fixed radial partitions 54 extending from a central shaft 55 to the immediate vicinity of partitions 50.
  • These radial partitions 54 are covered on both sides with sheets of adsorbent product.
  • the applications of the present invention are those which require a clean and high vacuum with high pumping speeds, in particular the applications generating a release of large quantities of noncondensable gases, (such as hydrogen: production of thin layers, controlled nuclear fusions , etc ...

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Description

  • La présente invention concerne une cryopompe du genre incorporant, dans une enceinte thermiquement isolée, des moyens de piégeage comportant des parois réfrigérées de piégeage par condensation et des parois de piégeage par adsorption recouvertes d'au moins une nappe de produits adsorbants, tel que charbon actif ou zéolithes. De telles parois de piégeage par adsorption sont décrites dans le brevet américain 3.296.773. Grâce à la combinaison de ces deux moyens de piégeage, on peut, au moins théoriquement, parvenir à descendre à des vides très poussés, de l'ordre de 1 a-x torr, du fait que les gaz difficilement condensables même à de très basses températures de piégeage comme l'hydrogène, le néon sont piégés par les parois de piégeage par adsorption. Cependant l'efficacité des parois de piégeage par adsorption se trouve considérablement réduite par le fait qu'elles sont contaminées par les gaz plus facilement condensables comme l'azote, l'oxygène, l'argon. On est parvenu à atténuer cet inconvénient, en localisant les parois de piégeage par adsorption à l'aval des parois de piégeage par condensation par rapport au cheminement des gaz qui d'ailleurs comprennent avantageusement une paroi en forme de baffle protégeant du trajet direct des gaz les parois de piégeage par adsorption.
  • Ce type de baffle possède au moins trois inconvénients: d'une part il est onéreux à réaliser, d'autre part, pour être efficace en régime moléculaire, il doit être optiquement étanche, ce qui entraîne une forte diminution de la vitesse de ppmpage de la surface recouverte d'adsorbant; enfin quel que soit le modèle, il ne joue pratiquement aucun rôle pour la protection de l'adsorbant, lorsque le régime d'écoulement des gaz de l'enceinte est visqueux ou intermédiaire, ce qui peut arriver dans certains types d'utilisation de la cryopompe.
  • On a également proposé un autre procédé de pompage par adsorption consistant à déposer sur la cryosurface un gaz condensable à cette température et qui possède des propriétés adsorbantes pour les gaz incondensables, (par exemple un dépôt de C02 a des propriétés adsorbantes pour l'hydrogène à 20 K). D'une part, ce dépôt de gaz adsorbant est sujet aux mêmes inconvénients décrits ci-dessus qu'un adsorbant solide; d'autre part, lors de l'injection du gaz adsorbant sur la cryosurface, il se produit toujours une remontée de pression dans l'enceinte, soit par excès de gaz injecté, soit par réchauffement superficiel du cryodépôt déjà constitué et cette remontée de pression est généralement néfaste.
  • Un premier objectif de la présente invention est de réaliser une cryopompe à adsorption, ayant une grande efficacité de pompage, à savoir une vitesse de pompage maximum en régime moléculaire et une excellente protection de l'adsorbant en régime visqueux ou intermédiaire.
  • Un second objectif de la présente invention est de réaliser une cryopompe à injection de gaz adsorbant empêchant la remontée de pression dans l'enceinte lors de l'injection de gaz adsorbant.
  • Une cryopompe selon l'invention est caractérisée par un cloisonnage délimitant une zone confinée et comportant au moins une cloison déplaçable sous l'action d'un moyen de commande accessible de l'extérieur de ladite enceinte, depuis une position de fermeture isolant ladite zone confinée d'une partie restante d'enceinte jusqu'à une position de communication entre ladite zone confinée et ladite zone restante d'enceinte, les nappes de produit adsorbant étant situées dans ladite zone confinée dans ladite position de fermeture dudit cloisonnage.
  • De la sorte, on peut maintenir en l'état de complète régénération les parois de piégeage par adsorption pendant toutes les phases préliminaires à leur intervention finale pour capter les dernières quantités résiduelles de gaz très difficilement condensables. N'étant pas mis en présence des gaz plus facilement condensables qui sont piégés par les parois de condensation, l'efficacité des parois de piégeage par adsorption reste pleine et entière.
  • Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels:
    • - La figure 1 est une vue schématique partielle en perspective et en partie éclatée d'une cryopompe selon l'invention, dans la phase initiale de pompage,
    • - La figure 2 est une vue de la cryopompe selon la figure 1 dans la phase finale de pompage,
    • - Les figures 3 et 4 sont des vues analogues aux figures 1 et 2 d'une variante de réalisation,
    • - Les figures 5 et 6 sont des vues plus détaillées en élévation-coupe et de dessus du dispositif commande équipant une autre variante de réalisation de cryopompe.
  • En se référant aux figures 1 et 2, dans une enceinte de pompage 1 dont on a représenté une partie de paroi 2 est placé un corps de cryopompe constitué d'un cloisonnage 3 formé d'une pluralité de cloisons longitudinales 4 (au nombre de huit) s'étendant selon un contour polygonal entre deux cloisons de fond 5 et 6. Les cloisons 4 sont montées le long d'un axe longitudinal défini par les tétons 7 et 8 s'engageant dans les tourillons des cloisons de fond 5 et 6. Sous la cloison de fond 5 est montée à rotation axiale une bague 9 qui peut être commandée en rotation par une timonerie 10 traversant la paroi d'enceinte 2 par une jonction étanche 11. Cette bague 9 est solidaire d'un pivot axial 12 qui est mécaniquement relié à chaque cloison 4 par une biellette articulée 13, en sorte que, partant de la position de fermeture complète telle que représentée à la figure 1, une traction sur la timonerie 10 selon la flèche fl, qui a pour effet d'assurer un mouvement de rotation axiale selon la flèche f2 de la bague 9 assure par l'intermédiaire des biellettes 13 une rotation d'ouverture faisant largement communiquer une zone confinée 20 délimitée par les cloisons 4, 5 et 6 en position fermée avec une partie restante de l'enceinte 1.
  • Les cloisons 4 présentent cette particularité d'être métalliques et de préférence en métal thermiquement conducteur. Elles sont revêtues sur une face seulement d'une nappe 14 de produit adsorbant généralement sous forme de particules de charbon actif ou de zéolithes collées sur la surface métallique ou incrustées dans le métal. Des moyens de réfrigération, par exemple des tubes soudés véhiculent de l'hélium à 20° K permettant le refroidissement des cloisons 4. Dans cette forme de réalisation, le face interne (figure 1 ) des cloisons 4 avec son revêtement in nappe 14 de produit adsorbant constitue la paroi de piégeage par adsorption, tandis que la face externe de ces mêmes cloisons 4, sans aucun revêtement, constitue la paroi de piégeage par condensation 16.
  • Le fonctionnement de la cryopompe est le suivant:
    • - Une chambre à évacuer (non représentée) et la cryopompe sont d'abord mises sous vide primaire (Pression inférieure à 5.10-1 torr), au moyen d'une pompe mécanique, la cryosurface formée par le cloisonnage 3 étant en position ouverte (figure 2) pendant cette opération.
    • - La cryopompe est ensuite mise en froid, le cloisonnage 3 étant amené en position fermée (figure 1). La chambre se trouve alors évacuée par la cryopompe, les gaz condensables venant se fixer sur la face externe 16 des cloisons 4, dépourvues d'adsorbant. Le vide limite ainsi obtenu est identique au vide obtenu par une cryopompe simple et dépend du taux de gaz incondensables se trouvant dans la chambre à vider. On peut alors, soit pour abaisser le taux résiduel de gaz incondensables, soit parce que l'expérience qui se déroule dans la chambre libère des gaz incondensables, agir sur la timonerie 10, de manière à faire pivoter les cloisons 4 L'adsorbant, fixé en nappe 14 sur la face primitivement interne des cloisons 4, est alors mise en communication avec l'enceinte 1 et devient le facteur essentiel de l'action de pompage. L'angle d'ouverture des cloisons 4 peut être réglé, rendant ainsi variable simultanément la vitesse de pompage pour le gaz à adsorber et le taux de contamination par les autres gaz.
  • Selon la variante de réalisation représentée aux figures 3 et 4, on retrouve la même disposition géométrique du cloisonnage 3, mais ici les cloisons 4 sont dépourvues, sur leur face interne, de produit adsorbant fixé à demeure, et en regard de ces cloisons 4, lorsqu'elles sont en position fermée (figures 3) se présente l'une des lumières 30 ménagée à la périphérie d'un arbre creux 31 dont l'intérieur communique avec un conduit 32 raccordé à une source de gaz sous pression non représentée et située à l'extérieur de la cryopompe.
  • Le fonctionnement de cette variante de réalisation est le même que celui qui a été décrit précédemment avec cette différence que dans la phase finale où les parois de piégeage par adsorption vont intervenir, mais avant l'ouverture des cloisons 4, on délivre par les lumières 31 des bouffées de gaz adsorbant qui viennent immédiatement se condenser en nappe 33 sur la face interne des cloisons de piégeage par adsorption 4. Une fois le dépôt de gaz effectué, on peut alors manoeuvrer la timonerie 10 pour provoquer la rotation des parois 4 comme précédemment.
  • Selon la variante de réalisation représentée aux figures 5 et 6, on retrouve encore ici des cloisons 50 (au nombre de huit) disposées selon un contour polygonal, dont une face intérieure 51 est recouverte d'une nappe de produit adsorbant, tandis qu'une face extérieure 52 est dépourvue de tout revêtement. Comme précédemment, ces cloisons 50 sont montées à articulation sur des axes 53 et sont susceptibles d'être tournées d'un angle de 90° par la timonerie 10 traversant la jonction étanche 11 de la cloison 2 et par l'intermédiaire d'une chaîne 56 engrenant sur des pignons 57 solidaires des axes 53. Ici on a considérablement accru les surfaces de piégeage par adsorption en prévoyant un nombre égal de cloisons radiales fixes 54 s'étendant depuis un arbre central 55 jusqu'au voisinage immédiat des cloisons 50. Ces cloisons radiales 54 sont recouvertes sur leurs deux faces de nappes de produit adsorbant.
  • Les applications de la présente invention sont celles qui nécessitent un vide propre et poussé avec de grandes vitesses de pompage en particulier les applications engendrant un dégagement de grandes quantités de gaz incondensables, (tel que l'hydrogène: élaboration de couches minces, fusions nucléaires contrôlées, etc...
  • L'exemple d'application le plus connu est l'utilisation dans un bâti d'évaporation de couches mines, où les remises à l'air sont fréquentes, donc les périodes de fonctionnement en régime visqueux (5.10-' - 10-4 torr) nombreuses. L'invention permet de s'affranchir quasi totalement des inconvénients dûs à ces remises à l'air. La saturation de l'adsorbant (dans le cas d'adsorbant solide) n'est due alors qu'à la quantité de gaz incondensables dégagés lors des évaporations.

Claims (7)

1. Cryopompe du genre incorporant, dans une enceinte thermiquement isolée (1-2) des moyens de piégeage réfrigérés (4) comportant des parois de piégeage par condensation (16) et des parois de piégeage par adsorption recouvertes d'au moins une nappe (14) de produit adsorbant, caractérisée par un cloisonnage (4-5-6) comportant au moins une cloison déplaçable (4) sous l'action d'un moyen de commande (9-10) accessible de l'extérieur de ladite enceinte (1-2) depuis une position de fermeture (FIG 1) isolant une zone confinée (20) d'une partie restante d'enceinte (1-2) jusqu'à une position de communication (FIG 2) entre ladite zone confinée (20) et ladite zone restante d'enceinte (1-2), les nappes (14) de produit adsorbant étant situées dans ladite zone confinée (20) dans ladite position de fermeture dudit cloisonnage (FIG 1).
2. Cryopompe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins une partie des parois de piégeage par adsorption (4) comprend au moins en partie ledit cloisonnage (4-5-6) recouvert sur sa face, située du côté de la zone confinée (20), d'une nappe (14) de produit adsorbant.
3. Cryopompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la nappe (33) de produit adsorbant est constituée par du gaz adsorbant condensé et en ce que des moyens d'amenée dudit gaz (30-31-32) s'étendent de l'extérieur de l'enceinte de cryopompe jusqu'à l'intérieur de la zone confinée d'adsorption (20).
4. Cryopompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le cloisonnage est de forme générale cylindrique constitué d'une pluralité de cloisons longitudinales (4) disposées selon un contour polygonal entre deux cloisons de fond fixe (5-6), ladite cloison longitudinale (4) étant déplaçable autour d'un axe d'articulation longitudinal médian (7-8).
5. Cryopompe selon la revendication 1, caractérisée en ce le moyen de commande (9-10) d'une cloison déplaçable (4) est une timonerie (10) coulissante longitudinalement dans un passage étanche (11) de la paroi (2) d'enceinte de cryopompe (2-1 ).
6. Cryopompe selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens d'amenée (30-31-32) du gaz adsorbant s'étendent de part en part de la zone confinée (20) et présentant des débouchés (31) répartis en regard des cloisons de piégeage (4) par adsorption de la zone confinée (20).
7. Cryopompe selon la revendication, caractérisée en ce que des parois de piégeage par adsorption comprennent des cloisons radiales fixes (54) à l'intérieur d'une zone confinée (20) de l'enceinte (1-2).
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FR7720554 1977-07-05
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EP0000311A1 EP0000311A1 (fr) 1979-01-10
EP0000311B1 true EP0000311B1 (fr) 1980-07-23

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EP (1) EP0000311B1 (fr)
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