FR2558735A1 - Cryopiege - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES CRYOPIEGES. UN CRYOPIEGE CONFORME A L'INVENTION COMPREND ESSENTIELLEMENT UN TUYAU 2 ACHEMINANT UN FLUIDE DE REFROIDISSEMENT, QUI EST DISPOSE AVEC UNE CONFIGURATION APPROPRIEE SUR UN SUBSTRAT 1 AYANT UNE BONNE CONDUCTIVITE THERMIQUE, QUI CONSISTE PAR EXEMPLE EN UNE PLAQUE D'ALUMINIUM. LE FLUIDE DE REFROIDISSEMENT TEL QUE DE L'AZOTE LIQUIDE ENTRE PAR UN ORIFICE D'ENTREE 3 ET SORT PAR UN ORIFICE DE SORTIE 4 QUI PEUVENT SE TROUVER A L'EXTERIEUR D'UNE ENCEINTE A VIDE DANS LAQUELLE LE CRYOPIEGE EST PLACE. APPLICATION AUX APPAREILS D'EPITAXIE PAR JETS MOLECULAIRES.

Description

La présente invention concerne un cryopiège prévu pour l'établissement

d'un vide très poussé. Parallèlement aux progrès de la technique pour l'établissement de vides très poussés, on a largement utilisé des cryopièges. On peut citer à titre d'exemples un cryopiège à l'azote liquide pour un appareil d'épitaxie par jetsmoléculaires, et des cryopièges pour l'établissement du vide, comme un piège pour la sublimation, un piège pour des pompes à diffusion

d'huile, etc. On a également équipé d'un cryopiège de nom-

breux instruments destinés à mesurer un vide poussé. En outre, des cryopompes qui utilisent de l'hélium liquide

emploient évidemment également l'effet de piège.

On réalise généralement les cryopièges en acier

inoxydable. Certains pièges comme ceux destinés aux cryo-

pompes ont été équipés d'ailettes de refroidissement. Ce-

pendant, dans la plupart d'entre eux, on emmagasine un fluide de refroidissement tel que de l'azote liquide dans

un récipient en acier inoxydable, et le fluide de refroi-

dissement refroidit le récipient en acier inoxydable, ce

qui entraîne l'adsorption des molécules gazeuses. Cepen-

dant, avec de tels cryopièges employant de l'acier inoxy-

dable, il est nécessaire d'utiliser des tiges de support

robustes et lourdes pour supporter les pièges, ce qui con-

duit à une conductivité thermique accrue et à la consomma-

tion de grandes quantités du fluide de refroidissement.

La quantité d'azote liquide qui est consommée au moment du remplissage initial est déterminée par: (masse du piège) x (chaleur latente). Le rapport acier inoxydable/

aluminium est égal à 2/1; l'aluminium est donc avantageux.

Du fait du type à interpénétration, les parties

emplies avec le fluide de refroidissement présentent l'ef-

fet de cryopiège, mais les parties non remplies ne présen-

tent pas cet effet. Il est donc nécessaire de réaliser l'alimentation en fluide de refroidissement en contrôlant en permanence le niveau du liquide. Du fait qu'on fabrique les cryopièges par soudage, de fines craquelures existent

dans les parties soudées. De ce fait, l'eau qui s'est in-

filtree dans ces craquelures gèle ce qui produit des fissures dans les parties soudées et fait apparaître des fuites. Lorsque des trous sont formés dans un cryopiège ou lorsqu'un cryopiège a une structure complexe, la structure

de soudage est également très complexe. En outre, on pro-

cède par soudage pour donner une structure unitaire à un cryopiège du type à interpénétration. Un tel cryopiège est

donc sujet au problème de la dilatation ou de la contrac-

tion thermiques.

Compte tenu des défauts précités, le but de l'in-

vention est de procurer un cryopiège auquel on puisse don-

ner n'importe quelle forme, qui soit léger, qui soit fabri-

qué de façon économique et qui consomme le fluide de re-

froidissement en faibles quantités.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de

la description qui va suivre de modes de réalisation, et

en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une représentation schématique

montrant la structure d'un cryopiège conforme à l'inven-

tion; La figure 2 est une coupe montrant une partie d'une pompe à sublimation de titane employant le cryopiège de l'invention; Les figures 3 et 4 sont des représentations schématiques d'un cryopiège cylindrique et d'un cryopiège sphérique; La figure 5 est une représentation schématique d'un cryopiège du type divisé; La figure 6 est une représentation schématique de tuyaux de raccordement; La figure 7 est une représentation schématique d'un cryopiège comportant des trous; La figure 8 est une représentation schématique

de sources d'évaporation employées dans un appareil d'épi-

taxie par jetsmoléculaires; et La figure 9 montre une enceinte à vide comportant

un cryopiège conforme à l'invention.

La figure 1 est un schéma montrant la structure fondamentale d'un cryopiège conforme à l'invention. Un

tuyau 2 acheminant un fluide de refroidissement en circu-

lation est disposé de façon à maintenir une distance ap-

propriée entre ses sections sur un substrat 1 tel qu'une

plaque d'aluminium ayant une bonne conductivité thermique.

Le fluide de refroidissement, tel que de l'azote liquide, est introduit par un orifice d'entrée 3 du tuyau et il est évacué par un orifice de sortie 4 du tuyau. Le cryopiège, qui est constitué par le substrat I sur lequel est disposé

le tuyau 2, peut être installé dans une enceinte à vide.

L'orifice d'entrée 3 et l'orifice de sortie 4 du tuyau peu-

vent évidemment se trouver à l'extérieur de l'enceinte à vide. Dans ce cryopiège, on dispose de façon appropriée un petit tuyau sur un substrat semblable à une plaque ayant une forme appropriée. Ensuite, on ferme une extrémité du tuyau et on applique une pression par un autre orifice, ou orifice d'entrée, du tuyau, afin d'augmenter le diamètre intérieur du tuyau, pour pouvoir introduire le fluide de refroidissement en grande quantité. En outre, en employant un tuyau de petit diamètre, on peut aisément donner au

cryopiège la forme désirée et disposer le tuyau de la ma-

nière désirée.

On peut également fabriquer un tuyau dans lequel

circule le fluide de refroidissement en utilisant une pla-

que d'aluminium pour un substrat en forme de plaque desti-

né à l'établissement d'un vide très poussé, en formant une configuration de conduit dans des substrats, en accouplant sous pression les substrats comportant cette configuration de conduit, en fermant une extrémité de la configuration

de conduit après que les substrats ont été accouplés en-

semble, et en appliquant une pression à partir d'une extré-

mité de la configuration de conduit. On peut choisir de

façon appropriée le diamètre intérieur du tuyau et l'épais-

seur du tuyau en choissant le substrat et en réglant la pression au moment de l'accouplement des substrats. On peut utiliser le cryopiège ainsi construit pour obtenir un vide très poussé, en soumettant ses surfaces à un traitement

spécial et à un usinage spécial.

La figure 2 montre un exemple dans lequel le

cryopiège de l'invention est utilisé dans une pompe à su-

blimation de titane. Il existe une source d'évaporation 7 pour évaporer un métal consistant en titane, et la plaque de refroidissement 5 et le tuyau 6 représentés sur la figure

1, qui constituent un cryopiège destiné à adsorber la vapeur.

Le tuyau 6 comporte un orifice d'entrée et un orifice de sortie qui correspondent à un seul circuit, comme ceux de la figure 1. Si on dispose deux tuyaux en parallèle, on peut

annuler le gradient de température, et la température de-

vient égale à l'orifice d'entrée et à l'orifice de sortie.

Il est possible de disposer deux tuyaux en parallèle pour

acheminer le fluide de refroidissement en deux systèmes sé-

parés. On peut réaliser le cryopiège de l'invention par un procédé selon lequel on dispose le tuyau sur le substrat

et on augmente le diamètre du tuyau, ou par un-procédé se-

lon lequel on définit des configurations dans les deux

substrats et on effectue ensuite un usinage.

Du point de vue de la conductivité thermique et de l'usinage, le substrat et le tuyau devraient idéalement être constitués par la même matière. Ils peuvent cependant consister en métaux différents s'ils ont tous deux une

bonne conductivité thermique.

Les figures 3 et 4 représentent des cryopièges conformes à d'autres modes de réalisation de l'invention,

c'est-à-dire qu'elles représentent respectivement un cryo-

piège cylindrique et un cryopiège sphérique. Dans le cryo-

piège cylindrique, le tuyau 9 est disposé non seulement

sur la partie cylindrique 10, mais également sur un cou-

vercle 8.

Dans le cryopiège sphérique de la figure 4, un tuyau 13 est disposé sur une partie hémisphérique gauche 11, et un tuyau 14 est disposé sur une partie hémisphérique droite 12, et les tuyaux 13, 14 -sont reliés ensemble par

un tuyau de raccord 15.

La figure 5 montre un mode de réalisation d'une partie du cryopiège de l'invention. Une matière ayant une bonne conductivité thermique, comme un alliage d'aluminium,

présente une dilatation et une contraction thermiques éle-

vées lorsqu'on l'utilise pour un cryopiège. Lorsqu'on construit un cryopiège de grandes dimensions sous la forme d'une structure unitaire, une déformation apparalt sous l'effet de la dilatation et de la contraction thermiques,

ce qui fait que des parties viennent en contact avec d'au-

tres parties. Pour éviter un tel problème, on divise le cryopiège en éléments d'une taille appropriée, comme le

montre la figure 5, et les éléments individuels sont rac-

cordés les uns aux autres par interpénétration, comme il est représenté par une partie d'accouplement 16 de la plaque de refroidissement. Avec cette structure, on peut

réaliser une division au moyen des accouplements des élé-

ments, sans réduire de façon importante la conductivité thermique. Le tuyau 15 qui se trouve sur le substrat 10 est relié auxtuyaux d'autres éléments par des tuyaux de raccord 15. La liaison peut avantageusement être réalisée par soudage pour préserver le vide. Le tuyau de raccord peut être un tuyau de raccord à soufflet 17 ou un

tuyau de raccord dévié 18, comme le montre la figure 6.

Ces tuyaux de raccord absorbent la dilatation ou la con-

traction produites par la chaleur.

La figure 7 montre un mode de réalisation d'un

cryopiège comportant des trous. Le tuyau 13 est disposé au-

tour des trous 19 qui sont formés de façon arbitraire. Le procédé de fabrication affecte peu le nombre et la forme des trous formés dans le cryopiège. Le tuyau peut donc être disposé simplement de façon à réaliser un cryopiège. La figure 8 montre un cryopiège qui entoure la

source d'évaporation d'un appareil d'épitaxie par jets mo-

léculaires, conformément à un mode de réalisation de l'in-

vention. Un cryopiège 22 conforme à l'invention, du type divisé, est monté sur une bride 20, de manière à entourer des sources d'évaporation 23 telles que des cellules de

Knudsen. Des trous 24 sont formés dans le cryopiège au-

dessus des sources d'évaporation, de façon à permettre la

sortie des jets moléculaires provenant des sources d'évapo-

ration, et un tuyau 25 est disposé de façon appropriée pour

dévier les jets moléculaires. Des tuyaux destinés à achemi-

ner le fluide de refroidissement de chacune des parties

sont reliés ensemble par des tuyaux de raccord 26. Les élé-

ments individuels du cryopiège sont montés sur la bride au

moyen de pattes de montage en métal 27. Le fluide de re-

froidissement est introduit par un tuyau d'entrée 28 et il est évacué par un tuyau de sortie 29. Comme les pattes de

montage métalliques, le tuyau d'entrée et le tuyau de sor-

tie peuvent être en une matière ayant une conductivité thermique relativement faible. On peut de façon générale utiliser de l'acier inoxydable. On peut raccorder l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie en utilisant une structure

aluminium-acier inoxydable-aluminium. On peut en outre for-

mer un soufflet en acier inoxydable pour allonger le chemin de conduction thermique, de façon à réduire l'entrée de chaleur.

Le cryopiège classique employant de l'azote li-

quide ne se présente pas sous la forme d'une plaque, mais sous la forme d'un cylindre creux, et il est équipé d'un

réservoir destine à emmagasiner un fluide de refroidisse-

ment tel que de l'azote liquide. Ceci vient du fait qu'on utilise généralement une matière ayant une conductivité

thermique relativement faible, comme de l'acier inoxydable.

Avec un tel cryopiège, l'effet du cryopiège se manifeste dans les parties qui correspondent au réservoir contenant le fluide de refroidissement, mais il ne se manifeste pas

dans les parties ne contenant pas le fluide de refroidisse-

ment. En outre, du fait qu'on doit augmenter l'épaisseur, la chambre tend à devenir volumineuse. Cependant, lorsqu'on

utilise un élément en aluminium ayant une bonne conductivi-

té thermique, l'effet de cryopiège se manifeste dans des zones très étendues, même si une partie seulement contient

le fluide de refroidissement.

En ce qui concerne le procédé de fabrication, on

forme la configuration de conduit, on moule les pièces in-

dividuellement, on applique une pression aux pièces dans

un moule et on les accouple ensuite, ce qui permet de cons-

truire de manière simple et relativement économique un cryopiège ayant n'importe quelle forme complexe. Dans le cas d'un cryopiège en alliage d'aluminium, on peut disposer deux systèmes de conduit en parallèle l'un par rapport àa

l'autre. On introduit de l'eau chaude dans l'un des con-

duits pour évacuer rapidement les gaz. Dans le cas d'un alliage d'aluminium, la température de chauffage pour

l'évacuation des gaz est de 120 C à 150 C.

La figure 9 montre une enceinte à vide comportant un cryopiège conforme à l'invention. Le cryopiège 50 est placé dans l'enceinte à vide 31. L'enceinte à vide 31 est reliée à la pompe à vide 32. Le gaz présent dans l'enceinte à vide 31 est évacué par la pompe à vide 32. Le cryopiège a une forme cylindrique. Un tuyau 32 est disposé dans le cryopiêge 30. Le fluide de refroidissement circule dans le tuyau 32 de l'entrée 33 vers la sortie 34. L'entrée 33 et la sortie 34 se trouvent à l'extérieur de l'enceinte à

vide 31. Le fluide de refroidissement en circulation re-

froidit le cryopiège 30 qui capture le gaz présent dans l'enceinte à vide 31, de façon à maintenir dans l'enceinte à vide 31 un vide extrêmement poussé, par exemple 1,3 x -10 Pa. La partie intérieure du cryopiège cylindrique 30 définit l'espace utile effectif 35 qui est plus grand que

dans la structure classique.

L'invention-décrite ci-dessus procure un cryopiè-

ge pour l'établissement d'un vide très poussé, dont on peut modifier la forme de façon arbitraire, qui est léger, qu'on

peut construire de façon économique et dont on peut modi-

fier l'effet.

Il va de soi que de nombreuses modifications peu-

vent être apportées au dispositif décrit et représenté,

sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1. Cryopiège caractérisé en ce qu'un tuyau capable d'acheminer un fluide de refroidissement en circulation est disposé de façon continue sous la forme d'un conduit unique sur un substrat auquel on peut donner une forme arbitraire et qui a une bonne conductivité thermique, et en ce que le fluide de refroidissement peut circuler en permanence pour

refroidir le substrat.

2. Cryopiège selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs conduits, chacun d'eux étant

disposé sous la forme d'un seul conduit continu.

3. Cryopiège selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments d'accouplement du type à interpénétration.

4. Cryopiège selon la revendication 1, caractérisé en ce que des trous d'une taille donnée sont formés dans le

substrat à des positions données.