FR2767489A1 - Piege refroidi et procede de piegage de vapeur d'eau avec un tel piege - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un piège refroidi.Elle se rapporte à un piège refroidi qui comprend un conduit (38) de fluide ayant une longueur suivant un trajet et une largeur transversalement à ce trajet, cette largeur étant supérieure à la longueur, une vanne (44) d'obturation solidaire du conduit (38) de fluide et permettant l'ouverture et la fermeture du trajet de circulation, et un arrangement (34) de cryopompage ayant un rebord externe entourant une ouverture centrale (35) placée dans le conduit (38) de fluide en aval de la vanne (44) d'obturation et transversalement au trajet de circulation de fluide, le rebord externe étant destiné à capturer la vapeur d'eau provenant du trajet de circulation de fluide.Application à l'évacuation de la vapeur d'eau des chambres de traitement sous vide poussé.
Description
L'invention concerne un piège refroidi et un procédé de piégeage de vapeur d'eau avec un piège refroidi.
Les pompes à vide, telles que les pompes turbomoléculaires, sont souvent utilisées pour l'évacuation des chambres de traitement utilisées pour la fabrication. Bien que les pompes turbomoléculaires soient efficaces pour l'extraction de nombreux gaz des chambres de traitement, elles ne sont pas efficaces pour le pompage de la vapeur d'eau. En conséquence, des pièges refroidis sont habituellement montés dans les canalisations entre la pompe turbomoléculaire et la chambre de traitement pour améliorer les possibilités de pompage d'eau. De tels pièges refroidis extraient la vapeur d'eau de la chambre de traitement par condensation de cette vapeur dans un ensemble de cryopompage placé dans le trajet de circulation du fluide.
La plupart des pièges refroidis comportent un conduit de fluide ayant des brides à des extrémités opposées pour le montage dans une canalisation entre la chambre de traitement et la pompe turbomoléculaire. L'ensemble de cryopompage est placé à l'intérieur du conduit de fluide et est refroidi par un réfrigérateur cryogénique. Certains pièges refroidis sont destinés à présenter une résistance minimale à la circulation des gaz incondensables qui circulent, tels que l'azote et l'argon, par utilisation d'un arrangement de cryopompage tubulaire à paroi mince. L'arrangement tubulaire le plus courant a un diamètre d'environ 20 cm et une longueur d'environ 15 cm. Un arrangement tubulaire de cette dimension donne un piège refroidi dont le conduit de fluide a une longueur d'environ 22,5 cm. La vapeur d'eau se condense le long des surfaces de l'arrangement tubulaire alors que les gaz incondensables peuvent circuler pratiquement librement dans la partie centrale libre de l'arrangement. Habituellement, une vanne obturatrice est montée entre le piège refroidi et la chambre de travail pour permettre leur isolement mutuel.
Il arrive que l'espace disponible soit limité et qu'il ne reste pas assez de place pour le montage d'un piège refroidi classique dans la canalisation entre la pompe turbomoléculaire et la chambre de traitement. L'invention concerne un piège refroidi de faible encombrement qui peut être utilisé dans ces situations. Le piège refroidi selon l'invention comprend un conduit de fluide possédant un trajet de circulation de fluide, ayant une longueur suivant le trajet de circulation de fluide et une largeur transversalement à ce trajet. La largeur du conduit de fluide est supérieure à sa longueur. Une vanne d'obturation est rendue solidaire du conduit afin que le trajet de circulation puisse être ouvert et fermé. Un arrangement de cryopompage ayant un rebord externe entourant une ouverture centrale est placé dans le conduit de fluide en aval de la vanne d'obturation et transversalement au trajet de circulation du fluide si bien que ce trajet passe par l'ouverture centrale.
De la vapeur d'eau provenant de ce trajet est capturée par le rebord externe.
Dans des modes de réalisation préférés, le conduit de fluide du piège refroidi est raccordé entre une chambre de traitement et une pompe à vide. Cette dernière est de préférence une pompe moléculaire et elle capture les gaz passant dans le conduit. L'arrangement est de préférence un organe annulaire plat ouvert optiquement. L'arrangement a une épaisseur choisie afin qu'il maintienne un gradient voulu de température, une largeur transversale et une largeur du rebord telles que la largeur transversale et la largeur du rebord sont supérieures à l'épaisseur. Un montant conducteur assure le couplage d'un réfrigérateur cryogénique à l'arrangement afin que celui-ci soit refroidi. La vanne d'obturation comporte un organe obturateur commandé par un électro-aimant. L'organe obturateur est déplacé par l'élec- tro-aimant transversalement au trajet de circulation du fluide afin que ce trajet soit ouvert et fermé.
L'invention accroît la vitesse de pompage d'eau des pompes à vide, telles que des pompes turbomoléculaires, tout en augmentant de façon minimale la longueur du trajet de circulation de fluide et simultanément en obstruant de manière minimale la circulation des gaz incondensables vers la pompe turbomoléculaire. En outre, l'invention permet l'utilisation d'un piège refroidi et d'une vanne d'obturation lorsque des contraintes d'espace disponible n'ont pas permis jusqu'à présent l'utilisation d'un piège refroidi, soit seul, soit combiné à une vanne d'obturation.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
la figure 1 est une vue en perspective d'une pompe à eau selon l'invention ayant une vanne d'obturation solidaire qui est couplée à une pompe turbomoléculaire et qui est placée sous une partie d'une chambre de traitement
la figure 2 est une vue en élévation frontale d'une pompe à eau selon l'invention ;
la figure 3 est une vue en élévation latérale de la pompe à eau selon l'invention ;
la figure 4 est une coupe simplifiée en élévation latérale de la pompe à eau selon l'invention ;
la figure 5 est une coupe partielle agrandie en élévation latérale d'une pompe à eau selon l'invention représentant la vanne d'obturation plus en détail
la figure 6 est une vue en plan de l'arrangement de cryopompage préféré selon l'invention ;
la figure 7 est une vue en plan du montant conducteur préféré destiné au couplage de l'arrangement de cryopompage avec le doigt froid du réfrigérateur cryogénique
la figure 8 est un graphique indiquant, en pourcentage, la vitesse de l'eau en fonction du rapport des diamètres interne et externe de l'arrangement de cryopompage ; et
la figure 9 est un graphique représentant la réduction en pourcentage de la vitesse de l'air en fonction du rapport des diamètres interne et externe de l'arrangement de cryopompage.
la figure 1 est une vue en perspective d'une pompe à eau selon l'invention ayant une vanne d'obturation solidaire qui est couplée à une pompe turbomoléculaire et qui est placée sous une partie d'une chambre de traitement
la figure 2 est une vue en élévation frontale d'une pompe à eau selon l'invention ;
la figure 3 est une vue en élévation latérale de la pompe à eau selon l'invention ;
la figure 4 est une coupe simplifiée en élévation latérale de la pompe à eau selon l'invention ;
la figure 5 est une coupe partielle agrandie en élévation latérale d'une pompe à eau selon l'invention représentant la vanne d'obturation plus en détail
la figure 6 est une vue en plan de l'arrangement de cryopompage préféré selon l'invention ;
la figure 7 est une vue en plan du montant conducteur préféré destiné au couplage de l'arrangement de cryopompage avec le doigt froid du réfrigérateur cryogénique
la figure 8 est un graphique indiquant, en pourcentage, la vitesse de l'eau en fonction du rapport des diamètres interne et externe de l'arrangement de cryopompage ; et
la figure 9 est un graphique représentant la réduction en pourcentage de la vitesse de l'air en fonction du rapport des diamètres interne et externe de l'arrangement de cryopompage.
On se réfère maintenant aux figures 1 à 5 ; le piège refroidi selon l'invention est utilisé comme pompe à eau 20.
Cette pompe à eau 20 comporte une bride amont 28 et une bride aval 24 qui sont montées sur les côtés opposés d'un boîtier 20a de vanne d'obturation. Une grande partie du boîtier 20a dépasse latéralement à l'extérieur des brides 28 et 24, en porte-à-faux. Un conduit 38 de fluide ayant un trajet de circulation de fluide passe dans la bride amont 28, le boîtier 20a et la bride aval 24 pour permettre le passage des gaz dans la pompe à eau 20. La bride amont 28 permet le raccordement de la pompe 20 à une chambre 10 de traitement par l'intermédiaire de la bride 12, et la bride aval 24 permet le raccordement de la pompe à eau 20 à une pompe à vide turbomoléculaire 22 par l'intermédiaire d'une bride 26 de la pompe. Un organe obturateur 44 coulisse dans le boîtier 20a de la vanne d'obturation le long d'un canal 32 de coulissement afin que le conduit 38 de fluide soit ouvert et fermé. L'organe obturateur 44 est commandé par un électro-aimant 40 monté à l'extrémité du boîtier 20a de la vanne d'obturation.
L'utilisation d'une vanne d'obturation solidaire dans une pompe à eau 20 élimine la nécessité de l'utilisation d'une unité séparée à vanne d'obturation destinée à être raccordée à la pompe à eau 20 afin que le conduit 38 soit ouvert et fermé. Un arrangement de cryopompage 34 plat ou plan ouvert optiquement est placé à l'intérieur du conduit 38 et s'étend le long de la périphérie du conduit 38 afin qu ' il condense la vapeur d'eau. L'arrangement 34 a une ouverture circulaire 35 de grande dimension, placée au centre et qui n'oppose qu'une faible résistance au passage des gaz incondensables dans le conduit 38 vers la pompe turbomoléculaire 22. L'arrangement 34 est couplé par conduction à un réfrigérateur cryogénique 46 qui est monté sur le boîtier 20a et est refroidi à des températures cryogéniques par ce réfrigérateur. Le fonctionnement du réfrigérateur 46 et celui de la pompe turbomoléculaire 22 sont commandés par un organe 30 de commande qui est monté sur le réfrigérateur 46.
Pendant le fonctionnement et pour que la chambre de traitement 10 soit évacuée, le réfrigérateur 46 est mis en fonctionnement et refroidit l'arrangement 34 à des températures cryogéniques. La pompe turbomoléculaire 22 est aussi mise en fonctionnement. L'électro-aimant 40 déplace l'organe obturateur 44 en position d'ouverture afin que la chambre 10 de traitement communique librement avec la pompe à eau 20 et la pompe turbomoléculaire 22. Les ailettes de la turbine rotative de la pompe turbomoléculaire 22 commencent alors à capturer les gaz de la chambre de traitement 10 dans la pompe à vide 20. Les gaz incondensables circulent dans l'arrangement 34 alors que la vapeur d'eau se condense sur les surfaces de l'arrangement 34. Les gaz incondensables, tels que l'azote et l'argon, sont pompés en dehors du système par les ailettes de turbine de la pompe 22. Périodiquement, lorsque l'arrangement 34 est saturé en vapeur d'eau condensée, l'organe obturateur 44 est mis en position de fermeture (figure 5) du conduit 38 et l'arrangement 34 est régénéré afin que la vapeur d'eau condensée soit libérée.
L'arrangement 34 met en oeuvre le principe selon lequel les gaz circulant dans l'ouverture centrale 35 de l'arrangement 34 subissent un écoulement moléculaire. Comme les molécules de gaz d'un écoulement moléculaire se déplacent de manière aléatoire dans toutes les directions, les molécules de vapeur d'eau qui circulent dans la pompe 20 viennent frapper les surfaces amont et aval de l'arrangement 34 et s'y fixent avec approximativement la même probabilité.
L'arrangement 34 peut piéger 90 % environ de la vapeur d'eau qui circule dans la pompe à eau 20. Si la pompe turbomoléculaire 22 est utilisée sans pompe à eau 20, la vitesse de pompage de l'eau ne présente qu'un rendement de 10 à 20 %.
L'addition de la pompe à eau 20 à la pompe turbomoléculaire 22 augmente la vitesse efficace de pompage d'eau du système d'une valeur minimale de 400 %.
On décrit maintenant plus en détail la présente invention. Le réfrigérateur 46 est de préférence un réfrigérateur classique de Gifford-MacMahon à un seul étage. Un piston libre mobile est entraîné dans le doigt froid 48 (figures 4 et 5) par un mécanisme à moteur afin qu'un fluide réfrigérant se détende et refroidisse le doigt froid 48. Le fluide réfrigérant est par exemple de l'hélium gazeux sous pression. Le gaz réfrigérant sous pression est transmis au réfrigérateur 46 par l'entrée 41a et est évacué par la sortie 41b. Le réfrigérateur 46 a une bride 46a montée sur la bride 42a du réservoir cylindrique sous vide 42 dépassant du boîtier 20a de la vanne d'obturation. Le réservoir 42 dépasse du boîtier 20a près de la pompe 22 et parallèlement à celle-ci. Le doigt froid 48 dépasse du réfrigérateur 46 dans le réservoir 42 et pénètre dans le boîtier 20a.
L'arrangement de cryopompage 34 est couplé par conduction au doigt froid 48 du réfrigérateur 46 par un montant conducteur 36 et un manchon adaptateur 50 (figures 4 et 5).
L'arrangement 34 est disposé sur le montant 36 par des vis 53 passant dans des trous 34a et 36a (figures 6 et 7). Le montant 36 est placé sur l'extrémité du manchon adaptateur 50 à l'aide de vis 51 passant dans des trous 36b et 50b si bien que le montant 36 est perpendiculaire au manchon adaptateur 50. Le montant 36 est de préférence formé de cuivre et a une épaisseur de 6,35 mm. Le montant 36 a une surface courbe 37 destinée à correspondre au profil de l'ouverture 35 de l'arrangement 34. Le manchon adaptateur 50 est aussi formé de préférence de cuivre et est monté sur le bout du doigt froid 48.
L'arrangement 34 est positionné dans le conduit 38 en aval de l'organe obturateur 44. De cette manière, l'arrangement 34 peut être isolé de la chambre 10 par l'organe obturateur 44 lors de la régénération. Le plan de l'arrangement 34 est de préférence perpendiculaire au trajet de circulation du fluide. La périphérie externe de l'arrangement 34 est placée à une certaine distance à l'intérieur de la paroi interne du conduit 38, de préférence d'une valeur comprise entre environ 3 et 6 mm, pour éviter la formation d'un court-circuit thermique avec le conduit 38. Comme l'arrangement 34 est ouvert optiquement, il donne une faible résistance aux gaz qui circulent sur l'arrangement 34, si bien que la vitesse de pompage de la pompe à vide 22 n'est pas notablement affectée. L'ouverture 35 de l'arrangement 34 est concentrique au diamètre externe de l'arrangement 34 qui donne au rebord de l'arrangement 34 une largeur constante W (figure 6) et qui augmente au maximum le débit des gaz qui circulent. Lors du pompage d'eau, l'arrangement 34 doit être refroidi à une température comprise entre 90 et 130 K, une valeur de 107 K étant la plus avantageuse. L'arrangement 34 est formé d'une feuille d'un métal conducteur, par exemple de cuivre ou d'aluminium, et a une épaisseur t (figures 4 et 5) comprise entre environ 2,1 et 6,35 mm. I1 est très avantageux que l'arrangement 34 soit mince car 1) un arrangement mince peut se refroidir plus rapidement qu'un arrangement épais, et 2) un arrangement mince présente une plus grande conductance du gaz. Bien que l'épaisseur t de l'arrangement 34 soit de préférence inférieure ou égale à 6,35 mm, des épaisseurs t supérieures peuvent être utilisées le cas échéant pour donner le gradient convenable de température. L'ouverture 35 est de préférence circulaire mais elle peut aussi être polygonale. En outre, l'arrangement 34 peut avoir des surfaces inclinées ou ondulées au lieu d'être plat. Cependant, il est très avantageux que l'arrangement 34 soit plat afin que la longueur du conduit 38 de fluide soit minimale.
Le diamètre externe (largeur transversale) de 1 ' arran- gement 34 dépend du diamètre du conduit 38 et peut dépasser 25 cm de diamètre ou n'avoir un diamètre que de quelques centimètres. Le diamètre de l'ouverture 35 de l'arrangement 34 peut varier pour donner soit une grande largeur de rebord
W (figure 6), soit une petite largeur de rebord W. Une grande largeur de rebord W donne une plus grande vitesse de pompage de l'eau mais avec une faible conductance du gaz. Au contraire, une plus petite largeur de rebord W donne une plus faible vitesse de pompage de l'eau mais une plus grande conductance du gaz dans le conduit 38. Dans tous les cas, le diamètre externe et la largeur W du rebord ont de préférence une dimension supérieure à l'épaisseur t. L'arrangement 34 a de préférence un rapport des diamètres interne et externe compris entre environ 0,6 et 0,8. Sur les figures 8 et 9, on peut noter que cette réalisation donne des vitesses de pompage d'eau comprises entre 60 et 90 % de la vitesse maximale possible, tout en ne présentant qu'une perte de vitesse de l'air de 10 à 20 %. La vapeur d'eau est habituellement le gaz le plus difficile à retirer d'un système de vide alors que l'air est retiré très rapidement.
W (figure 6), soit une petite largeur de rebord W. Une grande largeur de rebord W donne une plus grande vitesse de pompage de l'eau mais avec une faible conductance du gaz. Au contraire, une plus petite largeur de rebord W donne une plus faible vitesse de pompage de l'eau mais une plus grande conductance du gaz dans le conduit 38. Dans tous les cas, le diamètre externe et la largeur W du rebord ont de préférence une dimension supérieure à l'épaisseur t. L'arrangement 34 a de préférence un rapport des diamètres interne et externe compris entre environ 0,6 et 0,8. Sur les figures 8 et 9, on peut noter que cette réalisation donne des vitesses de pompage d'eau comprises entre 60 et 90 % de la vitesse maximale possible, tout en ne présentant qu'une perte de vitesse de l'air de 10 à 20 %. La vapeur d'eau est habituellement le gaz le plus difficile à retirer d'un système de vide alors que l'air est retiré très rapidement.
Dans un exemple, l'arrangement 34 a un diamètre externe de 193,8 mm et un diamètre interne de 137,9 mm. Le rapport des diamètres interne et externe est alors de 0,7 et l'arrangement peut capturer 80 % de la vapeur d'eau disponible avec seulement un effet de 15 % sur les performances de la pompe turbomoléculaire 22.
Le boîtier 20a de la vanne d'obturation, l'obturateur 44, la bride 28 et la bride 24 sont de préférence formés d'acier inoxydable ou d'aluminium. Les brides 28 et 24 ont chacune une partie évidée 28b, 24b (figures 4 et 5) respectivement pour le logement de garnitures d'étanchéité.
Des trous 28a de la bride 28 permettent à celle-ci d'être fixée à la bride 12 de la chambre 10. En outre, la bride 24 a des trous analogues pour le montage sur la bride 26 de la pompe turbomoléculaire 22. Le boîtier 20a a de façon générale une forme rectangulaire mince et allongée. Une série d'ailettes 21 et 23 donne une rigidité mécanique au boîtier 20a. Une bride 25 partant de l'extrémité du boîtier 20a permet le montage de l'électro-aimant 40 sur le boîtier 20a par accouplement de la bride 27 de l'électro-aimant 40 à la bride 25. Le boîtier 20a de la vanne d'obturation comporte aussi une ouverture 19a donnant accès à l'extrémité du doigt froid 48. Une plaque amovible 19 de couvercle est montée sur l'ouverture 19a.
La réalisation de faible encombrement de la pompe à eau 20 permet la réalisation d'une telle pompe 20 dont le rapport du diamètre du conduit 38 à la longueur est égale à 1,6. Par exemple, un conduit 38 de fluide de 20 cm de diamètre a une longueur, suivant le trajet de circulation du fluide, de la bride amont 28 à la bride aval 24, d'environ 12,5 cm. En conséquence, les possibilités de pompage d'eau de la pompe turbomoléculaire 22 peuvent être bien meilleures avec une augmentation seulement minimale de la longueur du trajet de circulation du fluide entre la chambre 10 et la pompe 22.
L'invention permet diverses variantes. Ainsi, la pompe à eau 20, l'arrangement de cryopompage 34 et le montant 36 peuvent avoir des dimensions différentes qui dépendent du diamètre du conduit 38 et de l'application de la pompe à eau 20. En outre, le conduit de fluide 38 n'a pas obligatoirement une forme circulaire car il peut avoir d'autres configurations, par exemple polygonales. Dans ce cas, la périphérie externe de l'arrangement 34 peut avoir une forme qui correspond à celle du conduit 38. En outre, l'arrangement 34 peut être placé avant l'organe obturateur 44. De plus, bien qu'on utilise de préférence une pompe turbomoléculaire en combinaison avec la pompe à eau 20, cette dernière peut être couplée à d'autres types de pompe à vide, par exemple à une pompe de diffusion.
I1 est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre.
Claims (10)
1. Piège refroidi, caractérisé en ce qu'il comprend
un conduit (38) de fluide ayant un trajet de circulation de fluide, une longueur suivant ce trajet et une largeur transversalement à ce trajet, la largeur du conduit (38) de fluide étant supérieure à sa longueur,
une vanne (44) d'obturation formée afin qu'elle soit solidaire du conduit (38) de fluide et qu'elle permette l'ouverture et la fermeture du trajet de circulation de fluide, et
un arrangement (34) de cryopompage ayant un rebord externe entourant une ouverture centrale (35) placée dans le conduit (38) de fluide en aval de la vanne (44) d'obturation et transversalement au trajet de circulation de fluide afin que le trajet de circulation de fluide s'étende dans l'ouverture centrale (35), le rebord externe étant destiné à capturer la vapeur d'eau provenant du trajet de circulation de fluide.
2. Piège selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arrangement (34) a une épaisseur, une largeur transversale et une largeur de rebord, la largeur transversale et la largeur de rebord étant toutes deux supérieures à 1 'épaisseur.
3. Piège selon la revendication 2, caractérisé en ce que le conduit (38) de fluide est couplé à une chambre (10) de traitement et à une pompe à vide pour l'aspiration d'un gaz par le conduit (38) de fluide le long du trajet d'écoulement de gaz.
4. Piège selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un réfrigérateur cryogénique (46) destiné à refroidir l'arrangement (34).
5. Piège selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un montant conducteur (36) qui couple le réfrigérateur (46) à l'arrangement (34) par conduction.
6. Piège selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arrangement (34) est un organe annulaire plat ouvert optiquement, formé d'une feuille métallique.
7. Procédé de piégeage de vapeur d'eau avec un piège refroidi, le piège refroidi ayant un conduit de circulation de fluide qui délimite un trajet de circulation de fluide, une longueur le long de ce trajet et une largeur transversalement à ce trajet, la largeur du conduit (38) étant supérieure à sa longueur, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes
l'ouverture d'une vanne (44) d'obturation qui est solidaire du conduit (38) de fluide et destinée à ouvrir le trajet de circulation de fluide passant dans le conduit,
le positionnement d'un arrangement (34) de cryopompage ayant un rebord externe entourant l'ouverture centrale (35) dans le conduit transversalement au trajet de circulation de fluide afin que ce trajet passe par l'ouverture centrale < 35) , et
le refroidissement de l'arrangement (34) à des températures cryogéniques afin que la vapeur d'eau du trajet de circulation de fluide soit capturée sur le rebord externe de l'arrangement (34).
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la disposition de l'arrangement (34) avec une épaisseur, une largeur transversale et une largeur de rebord, la largeur transversale et la largeur de rebord étant toutes deux supérieures à l'épaisseur.
9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'aspiration d'un gaz par le conduit (38) de fluide avec une pompe à vide couplée au conduit (38) de fluide.
10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de refroidissement de l'arrangement (34) de cryopompage comprend les étapes suivantes
le couplage par conduction d'un réfrigérateur cryogénique (46) à l'arrangement (34) par un montant conducteur (36) , et
le refroidissement du montant (36) et de l'arrangement (34) par le réfrigérateur (46).
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