Brevet FR2271868A1 — publié le 19751219

t'invention concerne les équipements pour l'obtention de. cristaux synthétiques, et plus particulièrement les dispositifs pour la croissance de cristaux à partir de solutions hydrothermales, et peut être utilisée avec succès dans la synthèse de cristaux de haute qualité, en particulier de quartz piéro-optique, à l'échelle industrielle. Onoonflaiat un dispositif pour la croissance de cristaux à partir de solutions hydrothermales (cf. le brevet USA NO 3.I83.O6, , constitué d'un autoclave allongé dans le sens vertical, possédant dans sa partie supérieure une zone de cristallisation dans laquelle se trouvent des plaques d'atnorçag et dans sa partie inférieure, une zone de dissolution, dans laquelle se trouve le lit de fusion. Àu cours de la cristallisation, les cristaux sont formés grâce au transfert du lit de fusion sur les plaques d'amorçage. L'autoclave est entouré d'un calorifuge et doté d'éléments chauffants. Le calorifuge et les éléments chauffants permettent de créer dans l'autoclave deux zones isothermiques avec une chute de température notable entre elles, qui sont nécessaires pour la réalisation du processus de cristallisation le calorifuge est divisé à cet effet en deux sections, correspondant respectivement à la zone de dissolution et à la zone de cristallisation, avec une cloison calorifuge entre elles.Le calorifuge de la zone de dissolution est suffisamment épais et réalisé en matériau à faible-ccefflcient de conductibilité thermique, le calorifuge de la zone de cristallisation est moins épais et permet d'évacuer la chaleur de la partie supérieure de l'autoclave, tandis que la cloison entre les sections de calorifuge est réalisée en matériau à faible conductibilité thermique On sait que la qualité des cristaux obtenus, surtout en cs de durée prolongée des cycles de croissance, dépend dans une grande mesure de la stabilité des paramètres de la croissance, tels que la pression et la température dans les zones de cristallisation et de dissolution, et par conséquent de la chut de température entre les zones.D'autre part, pour obtenir des cristaux de bonne qualité dans tout le volume de la zone de cristallisation, on doit assurer une répartition régulière de la température selon la hauteur et le diamètre des zones de cristallisation et de dissolution, c'est-à-dire éliminer la chute de température dans les zones elles-m8mes. On obtient dans ce cas des damps de concentration constants dans les limites des zones de cristallisation et de dissolution. Dans le dispositif connu, les modifications des conditions thermiques du milieu ambiant (au cours de la journée, des saisons et les modifications dues à des raisons de production) provoquent la modification des champs thermiques, et par conséquent des champs de concentration, dans les zones de cristallisation et de dissolution de l'autoclave, et bien qu'ensuite, gracie au réglage, on peut de nouveau atteindre les paramètres initiaux de croissance, les modifications indiquées provoquent une croissance hétérogène du matériau, due au gradient de concentration des impuretés dans les cristaux. 3 outre, pour obtenir les champs thermiques nécessaires dans les zones de cristallisation et de dissolution, dans le dispositif connu il est nécessaire de déterminer au préalable et avec une haute précision la construction et le matériau du calorifuge. On connatt également un dispositif pour la croissance des cristaux à partir de solutions hydrothermales (cf. le brevet japonais NO 13.903), constitué d'un autoclave vertical allongé, possédant dans sa partie supérieure une zone de cristallisation, et dans sa partie inférieure, une zone de dissolution. L'autoclave est entouré d'un calorifuge, doté d'un système d'éléments chauffants et placé dans un thermostat. Le thermostat se présente sous la forme d'un calorifuge supplémentaire disposé autour de l'autoclave, avec une couche d'air ventilée entre elle et le calorifuge de l'autoclave, où se trouve un capteur de température-. Lors de la modification de la température de la couche d'air entre le calorifuge de l'autoclave et le calorifuge supplémentaire, la quantité d'air envoyée par le ventilateur est soit augmentée, soit diminuée, selon la commande fournie par le capteur de température, en maintenant ainsi la température de la couche d'air indiqué à un niveau constant, ce qui, à so ç our, diminue l'influence de la variation de la température ambiante (au cours de la journée, des saisons ou en cas de modifications dues à des raisons de production) sur les champs thermiques dans les zones de cristallisation et de dissolution dans l'autoclave. Cependant, dans ce dispositif, le thermostat embrasse les deux zones de l'autoclave et ne peut être utilisé avec efficacité pour la création des champs de température et de concentration nécessaires dans les zones de cristallisation et de dissolution de l'autoclave. Rn outre, pour obtenir les champs de températures nécessaires, on doit connaître au préalable avec une haute précision la construction et le matériau du calorifuge, ce qui en pratique s'avère treks difficile à réaliser.Vu que le courant dlair du thermostat d'ambiance passe de bas en haut sur toute la hauteur de l'autoclave, les pertes de chaleur à partir de la zone de dissolution augmentent, tandis que pour réaliser la croissance des cristaux à partir de solutions hydrothermales il est nécessaire d'assurer une évacuation strictement déterminée de la chaleur à partir de la zone de cristallisation. Pour assurer l'évacuation nécessaire de la chaleur à partir de la partie supérieure de l'autoclave, le calorifuge de la sone de cristallisation peut être assez mince. Dans ce cas, lors du réglage de la température de la couche d'air à proximité du calorifuge de 9;autoclave, la température de la zone de cristallisation peut se modifier en fonction de la modification de la température du milieu ambiant, ce qui réduit l'efficacité du dispositif considéré. On s'est proposé de mettre au point un dispositif pour la croissance des cristaux à partir de solutions hydrothermales assurant 11 obtention et lenaintien des champs de température et de concentration nécessaires dans les limites des zones de cristallisation et de dissolution durant toute la durée du cycle de cristallisation. La solution consiste en ce que dans le dispositif pour la croissance de cristaux à partir de solutions hydrothermales, contenant un autoclave allongé dans le sens de la hauteur, possédant dans sa partie supérieure une zone de cristallisation et dans sa partie inférieure une zone de dissolution, entouré d'un calorifuge, doté d'un système d'éléments chauffants et placé dans un thermostat d'ambiance, selon l'invention le thermostat d'ambiance est constitué de sections superposées, chaque section étant dotée d'un système de chauffage et de réglage de la température, permettant de maintenir dans les sections indiquées des températures constantes différant l'une de l'autre, nécessaires pour créer les champs de température prescrits dans la zone de cristallisation et dans la zone de dissolution de l'autoclave. les sections du thermostat d'ambiance peuvent posséder des parois doubles, tandis qué le système de chauffage et de réglage de la température peut être constitué par des moyens pour maintenir à un niveau constant la température dans la cavité entre les parois. Selon une variante de réalisation, les sections du thermostat d'ambiance peuvent également posséder des parois doubles, tandis que le système de chauffage et de réglage de la température peut être constitué par des moyens pour maintenir à un niveau constant la température de la paroi interne. Il paraît avantageux de doter le thermostat d'ambiance d'une section séparée embrassant extérieurement le dispositif de fermeture de l'autoclave de manière à assurer les conditions thermiques requises, pour un fonctionnement sûr des pièces du disposotif de fermeture. Une telle conception permet de créer les champs de température et de concentration nécessaires dans les limites des zones de cristallisation et de dissolution et de les maintenir à un niveau constant durant les cycles prolongés de croissance. Ceci est obtenu en étalissant et en maintenant les températures nécessaires dans les sections du thermostat d'ambiance sans modifièr la configuration et le matériau du calorifuge qui entraine des travaux de montage avec de fortes dépenses de main d'oeuvre. Le dispositif proposé réduit au minimum les pertes de chaleur à partir de la zone de dissolution, en assurant l'évacuation nécessaire de la chaleur de la zone de cristallisation.La présence des doubles parois des sections du thermostat dlambiance et les moyens pour le maintien à un niveau constant de la température entre elles ou de la température requise de la paroi interne permettent d'établir et de maintenir les conditions thermiques constantes requises à n'importe quelles limites nécessaires du milieu ambiant, déterminées par la disposition des doubles parois, ce qui en pratique permet d'exclure l'influence du réglage de la température dans les sections du thermostat d'ambiance sur les champs de température dans l'autoclave. L'utilisation d'une section séparée du thermostat d'ambiance embrassant extérieurement le dispositif de fermeture de l'autoelave assure les conditions thermiques requises pour un fonctionnement fiable-et-amélioré des pièces du dispositif de fermeture. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description, qui va sui( suivre, de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs illustrés par les dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente-le dispositif pour la croissance de cristaux à partir de solutions hydrothermales (vue en coupe longitudinale) selon l'invention; - la figure 2 représente l'ensemble de la garniture du dispositif de fermeture de l'autoclave à une échelle agrandie. le dispositif pour la croissance de cristaux à partir de solutions hydrothermales comporte un autoclave à haute pression 1 allongé dans le sens de la hauteur, possédant dans sa partie supérieure une zone 2 de cristallisation, et dans sa partie inférieure, une zone de dissolution entourée dtun calorifuge 4 correspondant à la zone de dissolution 3, d'un calorifuge 5 correspondant à la zone 2 de cristallisation, et dtun calorifuge 6 embrassant le dispositif-de fermeture de l'autoclave 1 L'autoclave 1 est doté d'un système d'éléments de chauffage 7 et est placé dans un thermostat d'ambiance divisé en hauteur en sections 8, 9, 10. la section 8 du thermostat embrasse la zone 3 de dissolution, la section 9 embrasse la zone 2 de cristallisation, la section 10 embrasse le dispositif de fermeture de l'autoclave. la zone 2 de cristallisation de l'autoclave est séparée de la zone 3 de cristallisation pour un diagragme 11, dont le degré de fermeture influe sur l'intensité de l'échange de matière entre la zone 3 de dissolution et la zone 2 de cristallisation. L'autoclave 1 est installé sur un support 12. Entre le côté en bout inférieur de l'autoclave 1 et la plate-forme supérieure du support 12 est intercalée une couche de calorifuge 13. Les sections 8, 9, 10 du thermostat d'ambiance sont séparées les unes des autres par des cloisons de calorifuge 14. les sections 8, 9, 10 du thermostat d'ambiance possèdent des parois métalliques doubles : des parois internes 15 et des parois externes 16, entre lesquelles se trouve une cavité 17. les sections 8 et 10 du thermostat d'ambiance possèdent également des cavités en bout 18, dans lesquelles se trouvent des dispositifs dirigeant l'air, par exemple des cloisons 19. Chacune des sections 8, 9, 10 du thermostat est dotée d'un système de chauffage et de réglage de la température, constituant un moyen pour maintenir à un niveau constant la température des parois internes 15 ou-dans les cavités 17. Ces moyens comprennent, pour chaque section, un ventilateur 20, un calorifère 21 et un élément chauffant électrique 22.La température est mesurée à l'aide des thermocouples 23 installés soit sur les parois 15, comme cela est représenté sur la figure, soit dans les cavités 17 (non représentées). Si les thermocouples 23 se trouvent dans les cavités 17 on obtient une température constante de l'air dans les cavités 17 en excluant ainsi l'influence des conditions thermiques externes modifiées : lorsque les thermocouples 23 sont installés sur les parois internes 15, on assure une température constante de la paroi métallique 15, qui représente la surface d'évacuation de la chaleur de l'autoclave 1 vers le milieu ambiant, et on obtient ainsi une évacuation constante de la chaleur durant toute laurée du cycle de croissance en excluant l'influence des modifications des températures externes sur les champs de température de la zone 2 de cristallisation et de la zone 3 de dissolution de l'autoclave 1. Chaque thermocouple 23 est raccordé au moyen d'un appareil de réglage 24 à un mécanisme opérateur 25, tandis que les éléments chauffants électriques 22 sont raccordés à un régulateur à thyristors 26. Les éléments chauffants 7 de l'autoclave 1 sont raccordés au secteur à l'aide d'un régulateur 27 constitué par un amplificateur magnétique, un bloc à thyristors ou un autotransformateur, et un stabilisateur de tension 28. En outre, les éléments chauffants électriques 7 sont raccordés à un régulateur 29, qui à son tour est attaqué directement par le signal provenant de la cavité interne de l'autoclave 1 débité par un capteur de température ou de pression. Le dispositif de fermeture de l'autoclave 1 doit assurer son fonctionnement sr en présence de hautes pressions durant des cycles de croissance prolongés dans les conditions du thermostat d'ambiance. De ce fait, pour rendre étanche la cavité interne de l'autoclave 1, on utilise un dispositif de fermeture radial à auto-étanchéit Ce dispositif de fermeture comporte un obturateur bionique 30 (figure 2) et un couvercle 51 fixé à l'aide d'une bague 32 qui vient s'appuyer sur une saillie 33 de l'obturateur 30, et des vis 34. le couvercle 31 est fixé à l'autoclave à l'aide de goujons 35 (figure 1) et d'éèrous 36. L'autoclave t, avec le calorifuge 4, 5, 6 et le thermostat d'ambiance, est placé dans un caisson individuel 37. le dispositif pour la croissance de cristaux à partir de solutions hydrothermales fonctionne de la manièreslivante. Les champs de température et l'échange de matière nécessaires dans la zone 2 de cristallisation avec des plaques d'amorçage placées dans celle-ci, et dans la zone de dissolution 3 dans laquelle se trouve le dit de fusion (le lit de fusion et les plaques d'amorçage ne sont pas représentés), sont obtenus par un choix combiné de la puissance consommée par les éléments chauffants 7, du degré d'ouverture du diaphragme 11, de la configuration et du matériau du calorifuge 4, 5, 6 et de la température dans les sections 8, 9, 10 du thermostat d'ambiance. On maintient des conditions de cristallisation constantes de la manière suivante. Les uçntilateurs 20 chassent en permanence l'air à travers les calorifères 21 et les cavités 17 des sections 8, 9, 10 du thermostat d'ambiance. L'air chauffé par les éléments chauffants électriques 22 des calorifères 21 lèche les parois 5 et 16 des sections 8, 9, 10. Les thermocouples 23 controlent la température de la paroi interne 15 Lorsque la température s'écarte de la valeur assignée, les appareils de réglage 24, à l'aide des mécanismes opérateurs 25, modifient le débit d'air passant par les cavités 17 des sections 8, 9, 10 du thermostat d'ambiance et rétablissent la température assignée de la paroi interne 15 les régulateurs à thyristors 26 permettent d'assigner aux éléments chauffants électriques 22 une puissance assurant un maintien particulièrement efficace de la température dans les sections 8, 9, 10 du thermostat d'ambiance. On peut également assurer le maintien de la température dans les sections 8, 9, 10 du thermostat d'ambiance avec un débit constant d'air en modifiant la puissance des éléments chauffants électriques 22, ou bien en combinant les procédés indiqués. Ainsi on élimine l'influence éventuelle des modifications de la température ambiante au cours de la journée, des saisons ou en rapport avec les conditions de production (par exemple, le nombre variable d'autoclaves 1 fonctionnant simultanément ou mis en régime). Le dispositif proposé est particulièrement indiqué lorsqu' on utilise un autoclave 1 possédant des parois épaisses et un poids important, et par conséquent une inertie thermique notable, ce qui améliore considérablement l'efficacité du dispositif proposé. Ceci s'explique par le fait qu'en cas d'oscillations de la température du milieu ambiant, le système du thermostat d'ambiance à faible inertie thermique contenant de l'air et irradiant la chaleur à travers ses parois métalliques fines 15 et 16 revient beaucoup plus rapidement, au cours du réglage, à la température de consigne que ne se produit une modification notable quelconque de la température de la grande masse de l'autoclave 1, qui par ailleurs est recouvert d'un calorifuge 4, 5, 6 à forte inertie thermique. Au cours du cycle technologique de la croissance on applique aux éléments chauffants électriques 7 une puissance qui crée un régime d'échange de chaleur stable entre l'autoclave 1 et le thermostat d'ambiance pour les paramètres assignés dans la zone 2 de cristallisation et la zone 3 de dissolution (pression et température). La température constante de l'air dans les sections 8, 9, 10 du thermostat d'ambiance et la constance de la puissance débitée aux éléments chauffants 7 permet de maintenir avec une grande efficaoité la stabilité des champs de température de l'autoclave orientés d'une façon appropriée. Ceci crée des conditions propices à la croissance de cristaux de haute qualité.Cependant, compte tenu de la durée importante de la croissance, le schéma prévoit la possibilité de régler la puissance envoyée aux éléments chauffants 7 par le régulateur 27. La présence d'un thermostat d'ambiance et la stabilisation de la tension- du réseau d'alimentation des éléments chauffants électriques permettent de procéder à ce réglage par petites étapes, ce qui permet en pratique d'exclure la perturbation de la constance des champs de croissance du cristal au cours du réglage et d'obtenir des cristaux à homogénéité élevée. Compte tenu de la durée des cycles technologiques, le système de réglage automatique prévoit le doublage de certains appareils, on double également les ventilateurs et les éléments chauffants, qui ne sont pas représentés sur les dessins. L'exemple de réalisation représenté en figure 1 comporte un thermostat ambiance à trois sections. le choix de trois sections 8, 9, 10 pour le thermostat d'ambiance est dû au fait qu'il faut assurer trois régimes thermiques divers pour la zone de dissolution 3, la zone de cristallisation 2 et pour le dispositif de fermeture de l'autoclave 1, afin de faciliter le fonctionnement des jonctions à filetage fortement sollicitées. Cependant l'invention prévoit la possibilité d'utiliser les systemes les plus divers de maintien de la constance des températures dans le thermostat d'ambiance aux limites nécessaires de l'ambiance, y compris à la surface de l'autoclave 1 et des calorifuges 4, 5, 6. On peut utiliser à cet effet des systèmes à gaz, à vapeur, à liquide et électriques, ou d'autres systèmes avec un nombre de sections approprie. En outre, compte tenu du processus technologique spécifique exigeant 1' évacuation de la chaleur uniquement à la zone 2 de cristallisation avec des pertes minimales de chaleur dans la zone 3 de dissolution, on peut utiliser des dispositifs dans lesquels les sections du thermostat d'ambiance embrassent seulement la zone 2 de cristallisation et le dispositif de fermeture de autoclave 1,~tandis que la zone 3 de dissolution ne possède qu'un calorifuge 4 très s, qui, grâce à sa forte résistance thermique, exclut lui-m8me l'influence des variations des conditions thermiques de l'ambiance sur les champs de température dans la zone 3 de dissolution. Ces dispositifs sont particulièrement indiqués lorsque l'autoclave 1 est installé dans un caisson individuel 37. La haute stabilité des champs de température dans l'autoclave 1 du dispositif réalisé selon I'invention au cours de toute la durée du cycle de cristallisation permet la croissance d'un cristal pratiquement entièrement libre d'hétérogénéités zonales. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui r' ont été dirrés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous lesmoyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENJ)ICATIONS t.- Dispositif pour la croissance de cristaux à partir de solutions hydrothermales, comportant un autoclave allongé dans le sens vertical, possédant dans sa partie supérieure une zone de cirstallisation, et dans sa partie inférieure, une zone de dissolution, le dit autoclave étant entouré d'un calorifuge, doté dTun système d'éléments chauffants et placé dans un thermostat d'ambiance, caractérisé en ce que le thermostat d'ambiance est constitué de sections superposées , chaque section étant dotée d'un système de chauffage et de réglage de la température, ce qui permet de maintenir dans lesdites sections des températures constants différant l'une de l'autre, de manière à créer et maintenir les champs de température nécessaires dans la zone de cristallisation et la zone de dissolution de l'autoclave. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sections du thermostat d'ambiance possèdent des parois doubles et que le système de chauffage et de réglage de la température est constitué par un moyen de maintien à un niveau constant de la température de l'enceinte comprise entre les parIE. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le thermostat d'ambiance comporte une section distincte embrassant extérieurement le dispositif de fermeture de l'autoclave de manière à assurer les conditions thermiques requisis pour le fonctionnement fiable des pièces dudit dispositif de fermeture.