FR2792084A1 - INTEGRATED HEATING AND COOLING DEVICE IN A HEAT TREATMENT REACTOR OF A SUBSTRATE - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositif de chauffage et de refroidissement intégré dans unHeating and cooling device integrated in a
réacteur de traitement thermique d'un substrat. reactor for heat treatment of a substrate.
Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un dispositif de chauffage et de refroidissement agencé dans un réacteur de traitement thermique d'un substrat, comprenant des premiers moyens pour chauffer le substrat jusqu'à une première température, et des deuxièmes moyens pour refroidir le substrat jusqu'à une deuxième température, laquelle est inférieure à ladite première température, le substrat étant positionné sur la face supérieure d'une plaque en métal Technical Field of the Invention The invention relates to a heating and cooling device arranged in a reactor for heat treatment of a substrate, comprising first means for heating the substrate to a first temperature, and second means for cooling the substrate to a second temperature, which is lower than said first temperature, the substrate being positioned on the upper face of a metal plate
réfractaire à l'intérieur de la chambre de réaction du réacteur. refractory inside the reaction chamber of the reactor.
Etat de la technique Lors de la mise en ceuvre des procédés de traitements thermiques dans les réacteurs des fours, il est primordial d'obtenir une uniformité de la State of the art When implementing heat treatment processes in furnace reactors, it is essential to obtain uniformity of the
température du substrat à traiter. temperature of the substrate to be treated.
On a constaté que des écarts de température de quelques degrés peuvent influer sur la qualité et les propriétés du matériau traité ou déposé lors du traitement thermique. Les dispositifs de chauffage et de refroidissement utilisés dans les fours connus ne permettent pas d'obtenir une homogénéité parfaite de la température au niveau des substrats lors des opérations de It has been found that temperature variations of a few degrees can influence the quality and properties of the material treated or deposited during the heat treatment. The heating and cooling devices used in known ovens do not make it possible to obtain perfect temperature uniformity at the level of the substrates during the operations of
chauffage et de refroidissement.heating and cooling.
Objet de l'invention Un premier objet de l'invention consiste à réaliser un dispositif de chauffage et de refroidissement perfectionné permettant d'obtenir une homogénéité Object of the invention A first object of the invention consists in producing an improved heating and cooling device making it possible to obtain homogeneity
optimum de la température au niveau du substrat. optimum temperature at the substrate level.
Un deuxième objet de l'invention concerne également un four de traitement thermique équipé d'un dispositif de chauffage et de refroidissement permettant de chauffer et de refroidir rapidement un substrat sans A second object of the invention also relates to a heat treatment oven equipped with a heating and cooling device making it possible to quickly heat and cool a substrate without
manipulation de ce dernier.manipulation of the latter.
Le dispositif de chauffage et de refroidissement selon l'invention est caractérisé en ce que: - les premiers moyens comportent une résistance électrique de chauffage intégrée dans les encoches de la plaque avec interposition d'un revêtement interne de bonne conductivité thermique, les deuxièmes moyens sont formés par une boîte de refroidissement située en regard de la plaque à l'opposé de ladite face supérieure de support de substrat et déplaçable entre une première position écartée par un intervalle de la surface inférieure de la plaque lors de la phase d'échauffement d'alimentation de la résistance, et une deuxième position rapprochée de venue en contact avec ladite surface inférieure lors du refroidissement de la The heating and cooling device according to the invention is characterized in that: - the first means comprise an electrical heating resistance integrated in the notches of the plate with the interposition of an internal coating of good thermal conductivity, the second means are formed by a cooling box located opposite the plate opposite said upper substrate support face and movable between a first position spaced apart by an interval from the lower surface of the plate during the heating phase of supply of the resistor, and a second close position coming into contact with said lower surface during cooling of the
plaque.plate.
Selon un mode de réalisation préférentiel, la boîte de refroidissement est formée par un corps métallique ayant une bonne conductivité thermique, et équipé d'une série de conduits pour la circulation d'un fluide caloporteur. La boîte de refroidissement est dotée d'une feuille superficielle en matériau compressible bon conducteur thermique pour obtenir un contact thermique According to a preferred embodiment, the cooling box is formed by a metal body having good thermal conductivity, and equipped with a series of conduits for the circulation of a heat transfer fluid. The cooling box is provided with a surface sheet of compressible material which is a good thermal conductor to obtain thermal contact.
homogène avec la face inférieure de la plaque. homogeneous with the underside of the plate.
Selon une caractéristique de l'invention, les encoches de la plaque sont séparées l'une de l'autre par des entretoises intermédiaires servant de moyens de transfert calorifique lorsque la boîte de refroidissement se trouve According to a characteristic of the invention, the notches of the plate are separated from each other by intermediate spacers serving as heat transfer means when the cooling box is
dans la deuxième position rapprochée. in the second close position.
Préférentiellement, la résistance est noyée à l'intérieur des encoches au moyen d'une masse de ciment minéral destinée à isoler électriquement la résistance du revêtement interne conducteur, I'ensemble monobloc formant une surface de contact thermique sans discontinuité. Le ciment minéral est à base d'alumine, ayant un point de fusion élevé. La résistance peut blindée au moyen d'une gaine isolante, et est dans ce cas noyée directement dans le Preferably, the resistance is embedded inside the notches by means of a mass of mineral cement intended to electrically isolate the resistance from the internal conductive coating, the one-piece assembly forming a thermal contact surface without discontinuity. The mineral cement is based on alumina, having a high melting point. The resistor can be shielded by means of an insulating sheath, and is in this case embedded directly in the
métal coulé du revêtement interne. metal cast from the internal coating.
Il est possible d'adjoindre à la plaque des moyens de chauffage additionnels disposés en regard du substrat à l'opposé de la boîte de refroidissement pour assurer un deuxième chauffage par rayonnement. Les moyens de chauffage peuvent être constitués par une résistance électrique, ou des lampes à It is possible to add to the plate additional heating means arranged opposite the substrate opposite the cooling box to ensure a second heating by radiation. The heating means can be constituted by an electrical resistance, or lamps with
rayonnement électromagnétique.electromagnetic radiation.
Pour certains types de substrats ayant notamment une certaine épaisseur, et une faible conductivité thermique, il est possible de faire usage de deux For certain types of substrates having in particular a certain thickness, and a low thermal conductivity, it is possible to make use of two
plaques symétriques encadrant les deux faces opposées du substrat. symmetrical plates framing the two opposite faces of the substrate.
Description sommaire des dessinsBrief description of the drawings
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la Other advantages and characteristics will emerge more clearly from the
description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre description which will follow of an embodiment of the invention given as
d'exemple non limitatif, et représenté aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 et une vue schématique en coupe d'une plaque chauffante et refroidissante selon l'invention, la boîte de refroidissement étant représentée dans la première position écartée correspondant à la phase de chauffage du substrat; - la figure 2 est une vue identique de la figure 1, la boîte de refroidissement 1 0 se trouvant dans la deuxième position rapprochée correspondant à la phase de refroidissement du substrat; - la figure 3 montre une chambre de réaction d'un four équipé du dispositif de chauffage et de refroidissement selon la figure 1; non-limiting example, and shown in the accompanying drawings, in which: - Figure 1 and a schematic sectional view of a heating and cooling plate according to the invention, the cooling box being shown in the first separated position corresponding to the phase of heating the substrate; - Figure 2 is an identical view to Figure 1, the cooling box 1 0 being in the second close position corresponding to the cooling phase of the substrate; - Figure 3 shows a reaction chamber of an oven equipped with the heating and cooling device according to Figure 1;
- la figure 4 est une variante de réalisation du dispositif de la figure. - Figure 4 is an alternative embodiment of the device of Figure.
Description d'un mode de réalisation préférentiel Description of a preferred embodiment
En référence aux figures 1 et 2, un dispositif de chauffage et de refroidissement, désigné pour le repère général 10, comporte une plaque 12 en acier inoxydable réfractaire ayant une surface supérieure 13 plane, sur With reference to FIGS. 1 and 2, a heating and cooling device, designated for the general reference 10, comprises a plate 12 of refractory stainless steel having a flat upper surface 13, on
laquelle est positionné un substrat 14, notamment en matériau semi- which is positioned a substrate 14, in particular of semi-material
conducteur. A l'intérieur de la plaque 12 se trouve un moyen de chauffage formé par une résistance électrique 16, laquelle est logée dans une série d'encoches 18, séparées les unes des autres par des entretoises 20 intermédiaires. Un revêtement 22 métallique ayant une bonne conductivité thermique, recouvre la surface interne des encoches 18 pour optimiser le transfert calorifique de la résistance 16 vers le plaque 12. L'obtention de ce revêtement 22 métallique s'opère à titre d'exemple après une opération de coulée d'une masse d'aluminium dans la partie creuse de la plaque 12, suivie après solidification d'une opération d'usinage de l'aluminium pour la formation des encoches 18 de logement de la résistance électrique 16. driver. Inside the plate 12 is a heating means formed by an electrical resistance 16, which is housed in a series of notches 18, separated from each other by intermediate spacers 20. A metallic coating 22 having good thermal conductivity covers the internal surface of the notches 18 to optimize the heat transfer from the resistor 16 to the plate 12. This metallic coating 22 is obtained by way of example after an operation pouring a mass of aluminum into the hollow part of the plate 12, followed after solidification of an aluminum machining operation for the formation of the notches 18 for housing the electrical resistance 16.
L'aluminium peut bien entendu être remplacé par tout autre alliage adéquat. Aluminum can of course be replaced by any other suitable alloy.
La résistance 16 est ensuite noyée à l'intérieur des encoches 18 au moyen d'un ciment 24 minéral à conductivité thermique élevée, destiné à assurer 1 0 l'isolement électrique de la résistance 16 par rapport au revêtement 22 métallique. Le ciment 24 renferme à titre d'exemple de l'alumine AI2 03, de la magnésie MgO, ou tout autre agent minéral à haut point de fusion, The resistor 16 is then embedded inside the notches 18 by means of a mineral cement 24 with high thermal conductivity, intended to ensure electrical isolation of the resistor 16 from the metal coating 22. Cement 24 contains, by way of example, alumina AI2 03, magnesia MgO, or any other mineral agent with a high melting point,
notamment supérieur à 600 C.especially above 600 C.
1 5 Un tel agencement permet d'obtenir une montée rapide en température lors 1 5 Such an arrangement makes it possible to obtain a rapid rise in temperature during
de l'alimentation de la résistance 16. of the resistor supply 16.
Pour atteindre une densité de puissance élevée par unité de surface, on fait usage d'une résistance 16 non gainée, et exclusivement isolée par le ciment 24 minéral. Pour des densités de puissance plus faibles, il est possible d'utiliser une résistance blindée au moyen d'une gaine isolante, et de la noyer directement dans le métal coulé d'aluminium sans avoir recours au ciment. Une boîte de refroidissement 26 mobile est agencée en regard de la plaque 12 à l'opposé de la surface supérieure 13. La boîte 26 est réalisée en un métal à bonne conductivité thermique, par exemple en aluminium ou en cuivre, et renferme une série de conduits 28 pour la circulation d'un fluide caloporteur. Pour obtenir un refroidissement rapide du substrat 14 après ou avant une phase de chauffage, il convient d'amener la boîte de refroidissement 26 en contact avec les entretoises 20 métalliques à la partie inférieure de la plaque 12. La boîte de refroidissement 26 sert alors de radiateur destiné à extraire les To achieve a high power density per unit area, use is made of an unsheathed resistor 16, exclusively insulated by the mineral cement 24. For lower power densities, it is possible to use an armored resistor by means of an insulating sheath, and to drown it directly in aluminum cast metal without using cement. A mobile cooling box 26 is arranged opposite the plate 12 opposite the upper surface 13. The box 26 is made of a metal with good thermal conductivity, for example aluminum or copper, and contains a series of conduits 28 for the circulation of a heat transfer fluid. To obtain rapid cooling of the substrate 14 after or before a heating phase, the cooling box 26 should be brought into contact with the metal spacers 20 at the bottom of the plate 12. The cooling box 26 then serves to radiator intended to extract the
calories et à refroidir la plaque 12 par conduction à travers les entretoises 20. calories and to cool the plate 12 by conduction through the spacers 20.
Une feuille 30 de faible épaisseur et en matériau compressible et bon 1 0 conducteur thermique, est superposée à la boîte de refroidissement 26 pour obtenir un contact thermique homogène avec la face inférieure de la plaque A sheet 30 of thin thickness and of compressible material and good thermal conductor, is superimposed on the cooling box 26 to obtain a homogeneous thermal contact with the underside of the plate.
12 de chauffage.12 heating.
L'échange calorifique entre la plaque 12 et la boîte de refroidissement 26 est optimum grâce au contact thermique sans discontinuité entre d'une part les entretoises 20, la masse de ciment 24 et le revêtement 22, et d'autre part la The heat exchange between the plate 12 and the cooling box 26 is optimum thanks to the continuous thermal contact between on the one hand the spacers 20, the mass of cement 24 and the coating 22, and on the other hand the
feuille 30 et le corps de la boîte 26. sheet 30 and the body of the box 26.
La surface de chauffage est illustrée à la figure 1, au cours de laquelle la résistance 16 produit un échauffement par effet Joule de la plaque 12. Le substrat 14 en appui sur la face supérieure 13 de la plaque 12 et ainsi chauffée pendant un temps prédéterminé en fonction du traitement thermique souhaité. La boîte de refroidissement 26 reste séparée de la plaque 12 par un intervalle 32 pendant toute la phase de chauffage. La température maximale est de l'ordre de 700 C, avec une vitesse d'échauffement de The heating surface is illustrated in FIG. 1, during which the resistor 16 produces a Joule effect heating of the plate 12. The substrate 14 rests on the upper face 13 of the plate 12 and thus heated for a predetermined time depending on the desired heat treatment. The cooling box 26 remains separated from the plate 12 by an interval 32 during the entire heating phase. The maximum temperature is around 700 C, with a heating rate of
C par minute. C per minute.
Sur la figure 2, le refroidissement rapide du substrat 14 s'effectue après la mise hors service de la résistance 16, et la venue en engagement de la boîte de refroidissement 26 contre la face inférieure de la plaque 12. Le fluide caloporteur circulant dans les conduits peut être de l'eau ou tout autre In FIG. 2, the rapid cooling of the substrate 14 takes place after the resistor 16 has been put out of service, and the cooling box 26 comes into engagement against the underside of the plate 12. The heat transfer fluid circulating in the conduits can be water or any other
liquide. La vitesse de refroidissement est de l'ordre de 100 C par minute. liquid. The cooling rate is around 100 C per minute.
L'ensemble du dispositif 10 permet de chauffer puis de refroidir rapidement le substrat 14 sans manipulation de ce dernier. L'homogénéité de température au niveau du substrat 14 constitue d'autre part un paramètre important pour la qualité et les propriétés du matériau traité ou déposé, aussi bien pendant The entire device 10 makes it possible to quickly heat and then cool the substrate 14 without manipulating the latter. The temperature uniformity at the level of the substrate 14 constitutes, on the other hand, an important parameter for the quality and the properties of the material treated or deposited, both during
le chauffage que pendant le refroidissement. heating only during cooling.
Sur la figure 3, le dispositif de chauffage et de refroidissement 10 est inclus dans une chambre de réaction 34 d'un four de traitement 36. Le liquide dans les conduits de la boîte de refroidissement 26 circule à l'intérieur du four 36 dans une canalisation 38 en liaison avec une pompe 40 et éventuellement 1 5 un échangeur de chaleur 42. Selon une variante, le fluide caloporteur peut In FIG. 3, the heating and cooling device 10 is included in a reaction chamber 34 of a treatment oven 36. The liquid in the conduits of the cooling box 26 circulates inside the oven 36 in a pipe 38 in connection with a pump 40 and possibly 1 5 a heat exchanger 42. Alternatively, the heat transfer fluid can
également circuler en circuit ouvert sans échangeur de chaleur. also circulate in open circuit without heat exchanger.
La plaque 12 s'étend horizontalement sur une embase 44 fixe qui délimite la partie inférieure de la chambre de réaction 34. L'embase 44 comporte de part et d'autre du dispositif 10 un orifice d'évacuation 46 relié à des moyens de mise sous vide, et un orifice d'admission 48 destiné à introduire un gaz à The plate 12 extends horizontally on a fixed base 44 which delimits the lower part of the reaction chamber 34. The base 44 comprises on either side of the device 10 an evacuation orifice 46 connected to setting means under vacuum, and an inlet port 48 for introducing a gas to
l'intérieur de la chambre de réaction 34. inside the reaction chamber 34.
La paroi 50 de la chambre de réaction 34 est équipée à la partie supérieure d'un hublot 52, lequel est disposé en regard du substrat 14, tout en étant surmonté d'un réflecteur 54 de manière à confiner un compartiment 56 auxiliaire. Des moyens de chauffage 58 additionnels sont logés à l'intérieur du compartiment 56, de manière à assurer un deuxième chauffage par rayonnement du substrat 14. Les moyens de chauffage 58 peuvent être constituées par une résistance électrique, ou des lampes à rayonnement électromagnétique. En référence à la figure 4, le substrat 14 est intercalé entre deux dispositifs de chauffage et de refroidissement 10, 10a de structures identiques à celui à la figure 1. Un tel agencement convient particulièrement pour des substrats épais ou ayant une faible conductivité thermique, et nécessitant un The wall 50 of the reaction chamber 34 is equipped at the upper part with a porthole 52, which is arranged opposite the substrate 14, while being surmounted by a reflector 54 so as to confine an auxiliary compartment 56. Additional heating means 58 are housed inside the compartment 56, so as to provide a second heating by radiation of the substrate 14. The heating means 58 may be constituted by an electrical resistance, or by electromagnetic radiation lamps. With reference to FIG. 4, the substrate 14 is interposed between two heating and cooling devices 10, 10a with structures identical to that in FIG. 1. Such an arrangement is particularly suitable for thick substrates or with a low thermal conductivity, and requiring a
refroidissement et un chauffage rapide. rapid cooling and heating.
Ce système de double plaque symétrique peut également être intégré dans This symmetrical double plate system can also be integrated into
une chambre de réaction d'un four de traitement thermique. a reaction chamber of a heat treatment furnace.
Il est clair que le substrat 14 à traiter peut être un support quelconque. It is clear that the substrate 14 to be treated can be any support.
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