Brevet FR2029371A1 — publié le 19701023

La présente invention a pour objet un appareil perfectionné pour la fabrication en continu de filaments de bore, par dépôt de bore sur un support conducteur, à partir d'un mélange gazeux contenant un composé de bore décomposable par la chaleur 5 ou un halogénure de bore et un gaz réducteur; ce support conducteur est chauffé par effet Joule à la température de décomposition dudit composé de bore ou de réduction dudit halogénure de bore et il est entraîné de façon continue à travers l'enceinte où se produit la réaction. 10 On a déjà utilisé à cet effet un appareil comportant un réacteur horizontal prolongé à ses deux extrémités par des embouts en Y dans lesquels sont logés des joints d'étanchéité de mercure formant également contacts électriques en vue du chauffage du support conducteur qui traversé lesdits joints et 15 ledit réacteur. Dans l'embout d'entrée de l'appareil, le support conducteur est d'abord dévié vers le bas par le coude du Y, contre lequel il frotte, jusqu'à venir au contact du joint de mercure, qui affleure ledit coude; ensuite ce support est obliqué vers le 20 haut et dégagé du joint de mercure, traverse ensuite le réacteur dans l'axe de celui-ci et est finalement évacué de l'appareil par l'embout de sortie dans lequel il est dévié une nouvelle fois de sa trajectoire ïectiligne par le coude du Y contre lequel il frotte. Mais les frottements parasites au niveau des embouts 25 en Y sont relativement importants et provoquent l'usure rapide desdits embouts et la casse relativement fréquente du support conducteur. On a également proposé un appareil comportant un réacteur vertical terminé à ses deux extrémités par des capillaires 30 à mercure formant à la fois joints d'étanchéité et contacts électriques pour le chauffage du support conducteur qui traverse ces joints et ce réacteur. Toutefois, les orifices restreints des capillaires doivent être calibrés avec précision en fonction du diamètre du 35 support conducteur pour éviter l'écoulement du mercure pendant le déplacement dudit support. De plus, ces deux types d'appareils sont utiles au stade du laboratoire mais ne se prêtent pas à la fabrication des 69 01287 2 2029371 filaments de bore à l'échelle industrielle. La présente invention a donc pour objet un appareil perfectionné pour la fabrication en continu de filaments de bore à haut module d'élasticité, ne présentant pas les inconvénients 5 cités ci-dessus, et susceptible de fonctionner d'une manière entièrement automatique. A cet effet, l'appareil selon l'invention comporte plusieurs cellules horizontales, interchangeables, disposées en série, 10 Ces cellules sont constituées par des éléments tubulaires reliés entre eux par des raccords en matériau isolant, également interchangeables, sur lesquels sont emmanchés à force lesdits éléments tubulaires; chaque raccord est percé de plusieurs passages longitudinaux pour plusieurs filaments, prévus de pré-15 férence dans un même plan horizontal passant par l'axe de symétrie dudit raccord, les extrémités d'entrée et de sortie des passages étant rétrécies pour laisser des orifices correspondant au diamètre des filaments qui les traversent. Ces passages pour filaments sont en communication 20 avec un conduit de mercure lequel est relié à une source de courant électrique; le mercure forme ainsi à la fois joint d'étanchéité pour les cellules adjacentes et contact; électrique pour le chauffage des filaments qui le traversent; le raccord comporte en outre des canaux d'arrivée et de sortie de gaz, l'un 25 pour l'amenée des gaz dans une cellule, l'autre pour l'évacuation des gaz de la cellule suivante. L'appareil comporte en outre des poulies de déroulement des supports conducteurs à recouvrir et d'enroulement des filaments de bore, l'une au moins de ces poulies étant entraînée en 30 rotation par un moteur. Be plus, un dispositif tendeur est prévu pour que les filaments soient parfaitement rectilignes à l'intérieur des 'cellules. Par ailleurs, en vue du fonctionnement automatique de l'appareil, ce dernier comporte également un dispositif élec-35 tronique d'asservissement automatique de la puissance du courant électrique alimenté pour le chauffage des filaments dans chaque cellule à la température des filaments dans ladite cellule, dans •le but de maintenir constante la température de ces filaments 69 01287 3 2029371 dans cette cellule et par suite la vitesse de réaction et de dépôt de bore sur ces filaments. A cet effet, on détecte la variation de la température des filaments pour un capteur traduisant une variation thermique 5 des filaments en une variation de résistance électrique ou en une variation de tension électrique; cette variation de résistance . électrique ou de tension électrique est ensuite utilisée pour modifier la durée de conduction d'un commutateur électronique et obtenir une variation continue de la puissance électrique 10 alimentée dans le circuit de chauffage des filaments. Selon un mode de réalisation préféré, le commutateur électronique est un TRIAC (thyristors bidirectionnels) déclenché par la charge d'un condensateur à travers une diode bidirectionnelle, cette décharge pouvant s'effectuer avec un retard variable 15 par un dispositif résistance-capacité à résistance variable. Dans ce qui suit, on décrit un mode de réalisation préféré non limitatif de l'appareil selon l'invention. Sur le dessin ci-joint : La figure 1 est une vue d'ensemble, schématique de 20 l'appareil. La figure 2 est une vue en coupe élévation d'un raccord. La figure 3 est une vue en coupe selo III-III de la figure 2. 25 La figure 4 représente le schéma de montage du dispo sitif d'asservissement électronique pour une cellule. La figure 5 est un schéma d'accouplement pour plusieurs cellules. L'appareil représenté à la figure 1 du dessin comporte 30 un groupe de cellules horizontales interchangeables, disposées en série.à savoir t - une cellule A pour le nettoyage et" le dégazage des filaments conducteurs à recouvrir, en l'occurrence des filaments de tungstène, et 35 - plusieurs cellules B pour le recouvrement desdits filaments conducteurs, destinées à fournir la longueur utile de recouvrement nécessaire pour obtenir des filaments recouverts de bore répondant aux caractéristiques demandées et pour correspondre 69 01287 4 2029371 aux conditions de fonctionnement de l'appareil. Les cellules sont constituées par des tubes sensiblement cylindriques 1 (figures 2 et 3) par exemple en verre "PYREX", interchangeables, reliés entre eux par des raccords 2 également 5 interchangeables; ces raccords sont des cylindres par exemple en "Téflon" présentant à leurs extrémités des collerettes de montage 2a sur lesquelles sont emmanchés à force les tubes adjacents, avec interposition de joints toriques 3. De plus, chaque raccord est percé de passages longitudinaux 4 pour filaments, 10 prévus dans tin même plan horizontal passant par l'axe dudit raccord, et recevant des demi-tubes de verre 5 dont les extrémités libres sont rétrécies pour laisser subsister un orifice correspondant en gros au diamètre du filament qui le traverse. A la partie inférieure du raccord est ménagé un conduit 15 radial 6 en communication avec les passages pour filaments 4 pour l'arrivée du mercure 7 dans lesdits passages, en provenance d'un réservoir non représenté sur le dessin. La garde de mercure est connectéeà une source de courant électrique et joue à la fois le rôle de joint d'étanchéité pour les cellules adjacentes et de 20 contact électrique pour les filaments qui la traversent. Dans la partie supérieure du raccord sont également prévus deux canaux coudés 8, 9 l'un pour l'entrée des gaz de réaction dans une cellule et l'autre pour la sortie des gaz résiduels de la cellule suivante. Les gaz circulent ainsi 25 parallèlement à la direction de déplacement des filaments 10, mais il est entendu que toute autre ^disposition pourrait également convenir. L'entraînement des filaments depuis une bobine débitrice 11 (figure 1) à travers les différentes cellules A, B suivant 30 un parcours rigoureusement rectillgne, sans frottement parasite, est assuré par au moins une bobine réceptrice 12 elle-même entraînée par un moteur, à la vitesse nécessaire. Pour que les filaments soient parfaitement rectilignes on les maintient sous une tension mécanique adéquate au moyen d'un dispositif tendeur 13 placé en 35 aval de la bobine débitrice et formé de trois.poulies folles 13a, 13b, 13 c dont les deux supérieures 13a, 13b s'ont fixes et la troisième 13£ est mobile et lestée d'un contrepoids ajusté i la tension mécanique que l'on désire imposer aux filaments. 69 01287 .5. 2029371 Pour obtenir des filaments de bore de qualité constante, il est essentiel de maintenir constante la température de chauffage des filaments dans chaque cellule et par suite la vitesse de réaction et de dépôt de bore dans ladite cellule. 5 La figure 4 représente un schéma de montage pour l'alimentation en courant électrique d'une cellule, avec asservissement automatique de la puissance électrique alimentée à la température des filaments dans le but de maintenir constante la température de ces derniers. 10 Ce schéma comporte donc un circuit de chauffage 14 incluant un redresseur 15 à. diodes au silicium, un inverseur bipolaire 16 pour alimenter la charge soit en courant du réseau, soit en courant redressé, et un commutateur électronique 17 à thyristors bidirectionnels TRIAC - RCA - 40486 fabriqué par la • 15 firme RCA. Les impulsions de déclenchement du TRIAC sont fournies par une diode bidirectionnelle 18 au silicium DIAC -RCA - 1N 5411 de la firme RCA. Celle-ci est alimentée; à partir de deux cellules résistance-capacité 19 et 20. La constante de temps 20 du premier réseau résistance-capacité 19 est ajustable à l'aide d'un potentiomètre 21 monté en résistance variable. L'ensemble. DIAC - cellules résistance-capacité et potentiomètre constitue le circuit de déclenchement 22. Ainsi, on peut modifier l'angle de conduction du 25 TRIAC, symétriquement sur les deux alternances, donc la puissance active alimentée dans la charge. . Pour le montage réalisé, la puissance active peut varier de 40 à 100$ pratiquement de celle dissipée en régime sinusoïdal. 30 Ce montage, réalisé sur plaquette imprimée peut tenir dans un boîtier 23 (figure 5) de faible encombrement. A partir de ce montage, il est possible d'envisager l'asservissement de la puissance électrique de chauffage à la température des filaments dans chaque cellule. Cet asservissement 35 s'effectue par simple contrôle de la phase du circuit de déclenchement du TRIAC. Une solution simple consiste à utiliser des capteurs de température susceptibles de traduire une variation thermique au niveau des filaments d'une cellule en une variation 69 01287 6 2029371 de résistance électrique ou en une variation de tension électrique; une telle variation étant utilisée pour modifier la durée de conduction du TRIAG et obtenir une variation correspondante de la puissance électrique alimentée dans le circuit de chauffage 5 dans le but de maintenir constante la température des filaments» A cet effet, on peut utiliser un capteur à variation de résistance, logé dans la paroi de la cellule ou dans la conduite de sortie de gaz de cette cellule, et connecter ce capteur, dans le cas d'un capteur du type à résistance à coefficient de 10 température positif, en parallèle ou en série avec la résistance du potentiomètre de commande du circuit de déclenchement, par exemple entre C et D (figure 4)• Par contre dans le cas d'un capteur du type à thermistance à coefficient de température négatif ou à cellule photorésistante, on le connecte en parallèle 15 avec le condensateur de commande du DIAC, par exemple entre E et F pour faire varier le temps de charge dudit condensateur. Ainsi, par exemple, dans le cas d'une résistance à coefficient de température positif, lorsque la température des filaments augmente, cette résistance croît, augmentant du même 20 coup la constante de temps du circuit de déclenchement, ce qui correspond à une diminution de la puissance électrique de chauffage. Le montage pour plusieurs cellules placées en série, représenté à la figure 5, est destiné à fournir une puissance 25 électrique régulée pour le chauffage des filaments dans chaque cellule, indépendamment les unes des autres. Les résistances 10A, 10B^, 10B2, lOB^ représentent les portions successives d'un même filament 10 dans la cellule de nettoyage A et dans les cellules de recouvrement B. 30 En vue d'un montage d®cellules en série sans dis continuité électrique et sans avoir recours à des cellules d'isolement, on peut prévoir des transformateurs d'isolement 24» A titre d'exemple, l'appareil comporte une cellule de nettoyage A de 12 cm de longueur utile, et 3 cellules de 35 recouvrement B de 15 cm de longueur utile chacune. Les cellules de recouvrement fonctionnent sous des tensions différentes, respectivement de 170 V, 195 Y et 210 V (valeurs lues), tandis que la cellule de nettoyage fonctionne 69 01287 7 2029371 en atmosphère d'hydrogène sous une tension inférieure à celles des cellules de recouvrement. Dans celles-ci, des filaments de tungstène au nombre de 2 sont à une température comprise entre 1050°C et 5 1150°C tandis que dans la cellule de nettoyage ils sont à une température supérieure ou égale à 1200°C. Le débit gazeux total dans les cellules de recouvre-ment est de 330 cm /minute soit 212 cm d'hydrogène par minute- ,et "X 118 cm de trichlorure de bore par minute . C'est un mélange plus 10 riche en hydrogène que la composition stoechiométrique (1,8 au lieu de 1,5)« Le débit d'hydrogène dans la cellule de nettoyage est de 300 cm /minute. On obtient les résultats suivants pour un filament de tungstène de 15 p- de diamètre entraîné à la vitesse de 24 m/h: 15 - diamètre du filament recouvert de bore ï compris entre 90 et 100 |x - résistance à la traction : valeur moyenne pour un échantillon o de 15cm de longueur =28 tonnes/cm • Selon une variante, l'appareil comporte trois 20 cellules de recouvrement , B^, de longueurs utiles différentes à savoir 17,5 cm, 20,0 cm et 18,5 cm respectivement. Pour un débit gazeux identique à celui indiqué précédemment, la température des filaments est maintenue à 1050° - 1100°C pour les tensions et intensités.de chauffage suivantes : ^ Cellule B^ Cellule Cellule Bo Tension en Volts 160 210 200 Intensité en 0,25 0,36 0,40 Ampères 69 01287 « 2029371 REVENDICATIONS 1. Appareil pour la fabrication en continus de filaments de bore à haut module d'élasticité, par dépôt de bore sur un support conducteur, à partir d'un mélange gazeux contenant un composé de bore décomposable par la chaleur ou un halogénure de 5 bore et un gaz réducteur, ledit support conducteur étant chauffé par effet Joule à la température de décomposition du composé de bore ou de réduction de 1'halogénure de bore, et entraîné de façon continue à travers l'enceinte où se produit la réaction, caractérisé en ce que cet appareil comporte plusieurs cellules 10 horizontales, interchangeables, disposées en série, constituées par des éléments tubulaires reliés entre eux par des raccords en matériau isolant, interchangeables sur lesquels sont emmanchés lesdits éléments tubulaires, chaque raccord étant percé de plusieurs passages longitudinaux pour plusieurs filaments, prévus 15 de préférence dans un même plan horizontal passant par l'axe de symétrie dudit raccord de façon que le parcours desdits filaments soit parfaitement rectiligne dans toutes les cellules; les extrémités d'entrée et de sortie de ces passages étant rétrécies pour laisser des orifices correspondant grossièrement au diamètre 20 des filaments qui les traversent, ces passages étant en communication avec un conduit de mercure, la garde de mercure étant reliée à une source de courant électrique et formant à la fois joint d'étanchéité pour les cellules adjacentes et contact électrique pour le chauffage des filaments qui la traversent. 25 Ce raccord étant en outre muni de canaux d'arrivée et de sortie de gaz, l'un pour l'amenée des gaz dans une cellule, l'autre pour l'évacuation des gaz de la cellule suivante; l'appareil comportant en outre un dispositif pour alimenter les cellules en supports conducteurs à recouvrir, un dispositif 30 pour entraîner lesdits supports à une vitesse constante à travers les cellules et un dispositif pour maintenir lesdits supports sous une tension mécanique adéquate. 2e Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en vue du fonctionnement automatique de l'appareil, ce 35 dernier comporte également un dispositif'électronique d'asser 69 01287 9 2029371 vissement automatique de la puissance du courant électrique alimenté pour le chauffage des filaments dans chaque cellule à la température des filaments dans ladite cellule, dans le but de maintenir constante la température de ces filaments dans 5 cette cellule et par suite la vitesse da réaction et de dépôt de bore sur ces filaments. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les variations de température des filaments sont détectées par un capteur capable de traduire une variation thermique des 10 filaments en une variation de résistance électrique ou en une variation de tension électrique, cette variation de résistance électrique ou de tension électrique étant ensuite utilisée pour modifier la durée de conduction d'un commutateur électronique et obtenir une variation continue de la puissance électrique 15 alimentée dans le circuit de chauffage des filaments. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le commutateur électronique est constitué par des thyris-tors bidirectionnels et déclenché par la charge d'un condensateur à travers une diode bidirectionnelle, cette décharge pouvant 20 s'effectuer avec un retard variable par un dispositif résistance-capacité à résistance variable auquel est connecté le capteur.