Brevet FR2040345A1 — publié le 19710122

la présente invention concerne des pièges à vapeur, en particulier pour des installations à vide poussé utilisant des pompes à vide à diffusion. Pour empêcher la vapeur provenant de la pompe à vide à 5 diffusion d'entrer dans l'installation mise sous vide, on interpose habituellement un. piège réfrigéré entre la pompe et l'installation. Pour des systèmes à vide poussé, le réfrigérant est habituellement l'azote liquide qui absorbe la chaleur d'une série de surfaces situées sur le trajet de la vapeur 10 entre la pompe et l'installation. Ces surfaces "collectrices" atteignent une température si basse que toutes particules de vapeur qui les touchent se congèlent sur elles. le piège est habituellement alimenté par intermittence en azote liquide , par exemple en rétablissant le niveau à la 15 main. Cela a l'inconvénient que lorsque le réapprovisionnement en liquide réfrigérant (ou plus précisément cryogène) est interrompu, le piège a tendance à se réchauffer pour se rapprocher de la température ambiante, et ainsi il tend à libérer la vapeur congelée et à ne pas capter la vapeur fraîche émise 20 par la pompe. Pour tenter dé résoudre ce problème, des chicanes refroidies par eau ont été placées sur le trajet suivi par la vapeur, de façon qu'elle se condense sur elles en l'absence d'un liquide cryogène dans le piège. Cela a l'inconvénient que les 25 surfaces collectrices,lorsqu'elles sont cômbinées avec les chicanes,empêchent dans 'une mesure indésirable l'écoulement du fluide évacue. La présente invention a pour objet un piège à vapeur réfrigéré dans lequel les surfaces collectrices sont con-30 tinuellement maintenues à une température généralement inférieures à la température ambiante, même en l'absence d'un liquide cryogène dans le piège. la présente invention concerne un piège à vapeur réfrigéré pour une pompe à vide à diffusion. 35 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif, mais nullement 7015576 2 2040345 limitatif , une forme de réalisation de l'invention. Sur ce dessin : la figure 1 est une coupe schématique d'une forme de piège selon l'invention ; d'une 5 la figure 2 est tune vue schématique/ enveloppe modifiée ;■ et la figure 3 est une vue schématique d'une autre enveloppe modifiée. Dans une forme connue de piège réfrigéré, une série de surfaces collectrices sont en contact thermique avec un élément 10 de support dans lequel sont ménagés deux passages réservés à des agents de refroidissement. Un passage est réservé à l'azote liquide ou autre liquide cryogène (réfrigérant) et l'autre est réservé à 1'eau'ordinaire ou autre agent de refroidissement fluide, dont la température est normalement inférieure à la 15 température ambiante. Avant que ce piège connu fonctionne, l'eau contenue dans le passage respectif doit être congelée pour qu'elle ne s'écoule pas,tandis que le liquide cryogène s'écoule dans lé passage pour maintenir les diverses surfaces collectrices qui y sont associées à une température très basse. 20 On peut y parvenir en interrompant initialement l'écoulement de l'eau et en utilisant l'azote liquide pour congeler l'eau statique'. Ensuite, une vanne ou robinet prévu dans le passage réservé a l'eau doit être ouvert,mais il ne s'ensuit naturellement pas d'écoulement à cause du blocage par la glace. 25 Ainsi, lorsque l'appareil fonctionne normalement, les surfaces collectrices captent par congélation toutes particules de vapeur qui les touchent. lorsque l'écoulement ou l'alimentation en azote liquide est interrompu, et que l'azote restant est évaporé par 30 absorption de chaleur, la température des surfaces collectrices commence à augmenter. Cela peut se produire jusqu'à ce qu'elle atteigne une valeur telle que l'eau congelée sur l'élément de support se dégèle. Ensuite, les surfaces collectrices restent sensiblement à la température de l'eau de refroidissement qui 35 peut s'écouler maintenant librement à travers lrélément de support. Dans ces conditions, les surfaces collectrices agissent comme des surfaces refroidies par eau sur lesquelles la vapeur peut se condenser et revenir dans la pompe à vide à 7015576 3 2040345 diffusion. Lorsqu'une nouvelle quantité d'azote ou autre liquide cryogène est admise, il est nécessaire d'arrêter l'écoulement de l'eau dans l'élément de support pendant un certain temps, 5 étant donné que.l'azote ne peut pas absorber suffisamment de chaleur pour congeler l'eau pendant qu'elle coule. Cette disposition connue a l'inconvénient que l'opérateur . doit se souvenir qu'il doit fermer et ouvrir le robinet à eau aux instants appropriés ; que le gel et le dégel périodiques 10 de l'élément de support, avec la contraction et la dilatation qui en résultent, exigènt un piège qui est plus robuste et plus ne • • massif que/le nécessite sa fonction et que le piège doit être dans un circuit d'eau dé refroidissement différent de celui par lequel la pompe à vide à diffusion est refroidie. 15 Dans le piège de la présente invention, lfécoulement de l'eau de refroidissement est continu, et peut se faire en série avec l'écoulement de l'eau de refroidissement vers la pompe à vide. Ainsi, l'opérateur n'a pas à s'occuper de lsouverture et de la fermeture du robinet d'eau à des intervalles de 24 20 heures ou d'une autre durée, et étant donné que l'eau de refroidissement n'est jamais gelée, le piège peut être de construction légers; Le piège'réfrigéré représenté sur le dessin annexé comporte un réservoir annulaire 2 pour l'azote liquide ou autre liquide cryogène. Le réservoir comporte un passage cylin- 25 drique central 4 dans lequel se trouvent plusieurs éléments " * 6 présentant des surfaces collectrices» Ces éléments 6 sont, supportés a l'extrémité inférieure du passage 4 par des supports 8, dont un seul est représenté. Ce support est en bon contact mécanique et'thermique avec le réservoir et les éléments 6, 30 et constitue un trajet de"transmission dé chaleur entre les surfaces collectrices et le réservoir 2„ Le réservoir, les surfaces collectrices, et les supports sont en acier inoxydable et leurs surfaces'externes sont traitées de préférence , par exemple par polissage , de manière qu'elles aient un faible 35 pouvoir absorption pour réduire'la transmission de la chaleur par rayonnement à partir'de l'enveloppe énvironnante et dés sources dé chaleur ' ad jacentes vers le réservoir et" le liquide 7015576 4 2040345 cryogène. Pour réduire l'apport de chaleur indésirable vers le réservoir 2 par conduction, une conduite 12 d'entrée du réservoir (qui peut être en acier inoxydable) est relativement longue et présente une paroi mince. Si elle nl"est pas suffi-5 samment robuste pour supporter d'elle-même le réservoir à 1'encontre âes contraintes qui lui sont imposées en service lorsqu'il est rempli d'azote liquide, alors des entretoises de renforcement de faible conductibilité thermique peuvent s'étendre entre le réservoir et l'enveloppe adjacente, mais 10 elles ne sont pas représentées sur le dessin pour plus de clarté. Une enveloppe creuse 14 entourant le réservoir 2 a une section droite la disposant près de la surface cylindrique externe et des surfaces d'extrémité dirigées axialement du 15 réservoir,, mais à distance de ces dernières* l'enveloppe 14 est entourée d'un serpentin tubulaire 16 dont le tube d'entrée 18 est destiné à être relié à un robinet et dont'le tube de sortie 20 est destiné à être relié au serpentin de refroidissement d'une pompe à vide à diffusion associée (non représentée). 20 En service, le piège réfrigéré (comprenant essentiellement le réservoir 2 et l'enveloppe 14) est scallé à l'extrémité supérieure de la pompe, l'installation (également non représentée) à mettre sous vide est reliés de manière étanche au fluide avec la surface supérieure de lsenveloppe 14. Avec cette 25 disposition, le fluide à évacuer de l'installation descend par une* ouverture 22 de l'enveloppa 14 (ouveroure qui est alignée avec le passage 4 du réservoir 2), papss sur les surfaces collectrices 6, sur une série de lamelles inclinéés 24 qui sont en contact thermique avec l'enveloppe 14 , et à travers 30 une ouverture inférieure 26 ménagés dans l'enveloppe. les axes des lamelles 24 sont parallèles les uns aux autres et les lamelles s'étendent en travers "&s Ie otiverture 26 et sont inclinées et placées £3 maniera à n-s transmettre la chaleur par rayonnement aux surfac-ss collectrices 6 que dans 35 des directions bien déterminées. Ces laa^llas 24 sont en contact thermiques avec l'enveloppe 14 , et ainsi ailes, sont maintenues sensiblement à la température de l'sau de refroidissement. 7015576 5 2040345 Elles constituent des surfaces refroidies par eau sur lesquelles la vapeur provenant de la pompe à vide peut se condenser, mais leur principal rôle est celui d'écrans anti-rayonnement. Ainsi, elles entravent moins l'écoulement du fluide vers la 5 pompe depuis l'installation que si elles avaient la forme de chicanes réelles. Avec cette disposition, les surfaces collectrices 6 ne peuvent "voir" que les surfaces refroidies de la pompe à vide associée , et la chaleur émise par rayonnement par l'ensemble à jet chaud de la pompe à vide ne peut 10 pas les atteindre directement. 7015576 6 2040345 Malgré le bon calorifugeage .du résevoir et des surfaces collectrices par rapport à l'enveloppe, l'emprisonnement presque complet du réservoir et des surfaces dans l'envelsppe externe et l'écran (maintenus à la température de l'eau de refroidissement), 5 plus le fait que toutes les conduites de liaison et les supports sont maintenus à la température de l'eau de refroidissement, garantissent qu'en l'absence du liquide cryogène, la température du réservoir et des surfaces collectrices tend à se rapprocher de celle de l'eau de refroidissement, et non pas de celle des sources ther-10 miques adjacentes qui pourraient être à une température très supérieure. '• Lorsque l'appareil fonctionne, l'espace compris entre le réservoir 2 et l'enveloppe 14 est mis automatiquement sous vide par la pompe à diffusion, de façon que le réservoir ne puisse absorber 15 la chaleur provenant de l'enveloppe 14 que par rayonnement à travers l'espace et par conduction le long du. tube d'entrée ,12. L'apport de chaleur par rayonnement est maintenu à une faible valeur, en faisant en sorte que les surfaces respectives de l'enveloppe présentent un faible pouvoir émissif ; ceci peut être ob-20 tenu en polissant les surfaces qui sont de préférence en acier inoxydable. Lorsque l'appareil fonctionne, l'écoulement continu de l'eau ordinaire dans le serpentin 16 maintient l'enveloppe 14 à une température qui est généralement inférieure à la température am-25 biante. A cause de la très faible transmission de chaleur de l'enveloppe au réservoir,, l'eau s.'écoulant dans le serpentin 16 ne risque pas de geler. L'azote liquide contenu dans le réservoir 2 absorbe lentement la chaleur et est évaporé, mais tant qu'il se 30 trouve de l'azote liquide dans le réservoir, ce dernier est maintenu sensiblement à la température de l'azote liquide, c'est-à-dire à -196°C. Lorsque des conditions de fonctionnement stables sont atteintes, les surfaces collectrices 6 sont à cette température (ou à une température très proche), tandis que les lamelles 35 26 sont sensiblement à la température de l'eau de refroidissement» Pendant le fonctionnement de la pompe à vide à. diffusion, la vapeur provenant du fluide de travail, par exemple de l'huile ou 7015576 7 1040345 du mercure, a tendance à affluer en sens inverse vers l'installation mise sous vide. Ainsi, elle passe entre les lamelles 26, qui sont suffisamment froides pour qu1une certaine proportion de la -vapeur se condense sur elles et pour retomber dans la pompe. Cepen-5 dant, la partie restante de la vapeur est dirigée sur les surfaces collectrices 6 sur lesquelles les particules de vapeur se congèlent immédiatement, de sorte que lîespace situé au-dessus des surfaces collectrices et englobant en particulier l'installation mise sous vide est virtuellement exempt de contamination par la 10 vapeur. Lorsque tout l'azote liquide contenu dans le réservoir 2 a été évaporé (ce qui peut se produire pendant la nuit ou pendant une fin de semaine alors que 1'installation n'est pas utilisée), l'apport de clialeur au réservoir augmente graduellement sa tempé-15 rature. La présente invention a pour but de maintenir cet apport de chaleur indésirable à une très faible -valeur. La majeure partie de la surface de contact du réservoir et de ses surfaces collectrices associées ne peut recevoir la chaleur que de l'enveloppe 14. Les surfaces restantes du réservoir qui,en pratique, ne comprennent 20 que la surface interne cylindrique formant le passage 4 et les surfaces collectrices 6, peuvent recevoir une certaine quantité de chaleur par les ouvertures 22 et 26, mais les angles solides par lesquels elles peuvent recevoir la chaleur à partir de telles sources de chaleur externes sont relativement petits. Gela signi*= 25 fie que la température des surfaces collectrices 6 en particulier « ne peut augmenter que jusqu3 à la température de l'eau de refroidissement (ou à peine au-dessus de cette dernière) et par conséquent elle reste au-dessous de la température ambiante * Si ce réchauffement du réservoir et des surfaces collectrices peut se 30 poursuivras la température se stabilise finalement au niveau de celle de l'eau de refroidissementj, de sorte que les surfaces collectrices 6 agissent plutôt comme surfaces refroidies par eau que comme surfaces réfrigérées0 La diminution résultante de l'efficacité de captage des particules de vapeur est admissible pendant 35 la période de temps pendant laquelle l'appareil n8est pas utilisé, et cette efficacité" est encore suffisante pour empêcher une contamination importante de ^intérieur de l'installation par la vapeur condensée. 7015576 8 2040345 Pour certaines applications de la présente invention, l'utilisateur pourrait ne pas introduire de liquide cryogène, en ne se reposant que sur les surfaces collectrices 6 et sur les lamelles 24 pour maintenir la quantité de vapeur atteignant l'intérieur de 5 l'installation à une valeur acceptable. ïoutefois, pour un captage plus efficace, il serait nécessaire d'utiliser de l'azote liquide ou autre liquide cryogène. Gomme on le voit sur les figures 2 et 3. l'angle solide par lequel la chaleur peut être émise vers le réservoir et les surfaces 10 collectrices peut être encore réduit, par exemple en prolongeant l'enveloppe 14 de manière appropriée, Sur la figure 3, l'enveloppe présente une partie 28 se prolongeant verticalement vers le haut pour définir une ouverture allongée 22 0 on le voit sur la figure 29 l'enveloppe peut comporter une jups rentrante 30 pro-15 tégeant efficacement la surface cylindrique interne du réservoir. Si on le désire, on peut apporter ces dmodifications ou des modifications analogues. Sur les figures-2' et 3, les surfaces collectrices et les écrans anti-rayonnement ont été supprimée pour plus de clarté# 20 Cn peut apporter d'autres modifications entrant dans le cadre de la présente invention. Ainsi, bien qu'il ait été indiqué que les axes des lamelles 24 refroidies par eau sont parallèles^ ces lamelles pourraient être sous forme d'une série de surfaces tron-eoniques concentriques. Par contre , bien qr.e les surfaces collec-25 trices 6 aient été représentées sous la +'OTffie d'éléments tronco-iiiques, elles pourraient avoir la forme de lamelles parallèles inclinées, disposées de manière ou'il rJexiste pas de trajet ,dans le passage 4 linéaire/qui ne coupe pas les svirfaces ccll-sctrices 9 le réservoir eu leur prolongement® Ainsi5 en se rend compte que le &3 la présente in"sn— tien r5e-rige p?is de manoeuvres -!çs3±v:.r d3;3 robinets d3eauP Lorsqu-il est utilisé avec un llqvâda cirr-îëpr.?» 3t que le pièg-3 jtre de o instruction r-ela'rivoaônt déterminée plus par sa Eoz^xcrxon par la nécessité -Ûtrs t\-w:v -ni; sais nt ro"busts : 7015576 9 2040345 EETOroicjaioas 1 . Piège à vapeur réfrigéré pour une pompe à vapeu± à diffusion, piège caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir ou conduite pour un réfrigérant liquide, un passage interne dans lequel est 5 prévueune série de surfaces collectrices en contact thermique avec le réservoir ou la conduite, une enveloppe entourant le réservoir ou la conduite à distance et destinée à être refroidie par un fluide de refroidissement à une température plus proche de la température ambiante, mais inférieure à cette dernière, et des sur-10 faces supplémentaires refroidies par un fluide, qui n'entourent pas le réservoir ou conduite, placées du même côté des surfaces collectrices que la pompe à vide, de sorte qu'en l'absence du liquide réfrigérant, l'enveloppe et les surfaces supplémentaires refroidies par un fluide protègent les surfaces collectrices des 15 sources de chaleur externes, de manière que les surfaces collectrices aient tendance à atteindre une température qui est plus rapprochée de celle du fluide de refroidissement que de la température ambiante. 2. Piège à vapeur selon la revendication 1, caractérisé en 20 ce que les surfaces supplémentaires comportent un écran sous forme de lamelles s'étendant en travers de l'extrémité au moins dudit passage qui est la plus rapprochée de la pompe à vide avec laquelle le piège doit être utilisé de façon que l'écran constitue un écran anti-rayonnement, qui est en contact thsrmique avec le fluide de 2 5 refroidissement. * 3. Piège à vapeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les axes longitudinaux des lamelles de l'écran sont parallèles les uns aux autres. 4. Piège à vapeur selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce que certaines au moins des surfaces collectrices sont formées par une série d'éléments tronconiques espacés les uns des autres le long de l'axe dudit passage. 5. Piège à vapeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe supporte directement 35 le réservoir. 6. Piège à vapeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit réservoir a la forme d'un 7015576 10 204034$ récipient annulaire présentant tin passage central en forme de cylindre droit. 7. Piège à -vapeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le réservoir, les surfaces collectrices et les supports 5 de ces dernières s,1 étendant entre le réservoir et les surfaces collectrices sont en acier inoxydable. 8. Piège à vapeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les surfaces externes en acier inoxydable sont polies. 10 précédentes, caractérisé en ce que les surfaces supplémentaires sont constituées par des prolongements de 1'enveloppe qui-réduisent l'angle solide par lequel la chaleur émise par rayonnement peut être reçue par le réservoir ou les surfaces collectrices depuis l'extérieur du piège. 15 10. Piège à vapeur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'une surface supplémentaire est formée par une jupe rentrante qui est espacée de la surface intérieure du passage ménagé dans le réservoir. 20 risé en ce qu'une surface supplémentaire d'un type quelcor par un prolongement cylindrique coaxial au passage ménagé dans le réservoir èt formant un prolongement dudit passage. 9. Piège à vapeur selon l'une quelconque des revendications 11. Piège à vapeur selon la revendication 9 ou 10, caracté-