Brevet FR2531104A1 — publié le 19840203

L'invention concerne un creuset de vaporisation pour installations de dép Ot de matériaux vaporisés sous vide, formé d'un corps i tallique qui présente une cavité pour recevoir le matériau à vaporiser et est en liaison thermique avec un canal de refroidissement entourant cette cavité en partie au moins. De tels creusets sont connus par le brevet allemand DE 12 72 101 par exemple Le canal de refroidissement est formé dans ce cas entre une paroi interne-et une paroi externe mais la cir- culation du fluide refroidisseur est laissée plus ou moins au hasard, de sorte qu'elle suit le chemin de la plus faible résistance. *Les creusets de vaporisation à refroidissement par liquide de ce type sont employés en règle général pour un chauffage direct du matériau à vaporiser, par bombardement électronique par exemple, car un chauffage indirect à travers la paroi-du creuset est impossible à cause du refroidissement par liquide Comme le bombar- dement s'effectue généralement d'en haut, le bord supérieur du creuset, en raison du risque de recevoir des électrons, est le véri- table endroit critique du creuset et doit être refroidi de façon particulièrement intense Le creuset connu à double paroi demande pour cette raison des vitesses d'écoulement très élevées du fluide refroidisseur, ce qui se traduit par une forte consommation d'eau, si l'on veut garantir un refroidissement suffisant et sur. On connait aussi des creusets de vaporisation pour chauffage par bombardement électronique, formés d'un bloc pratique- ment massif de métal bon conducteur thermique (cuivre), dans lequel est ménagé un canal de refroidissement de section à peu près cons- tante entourant la cavité Un tel canal peut être constitué, par exemple, par plusieurs perçages de même diamètre qui se coupent à angle droit, communiquent entre eux et sont fermés à l'extérieur par des bouchons,à l'exception d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie Le fluide refroidisseur doit suivre le trace d'un tel canal et des "court-circuits" dans la circulation du fluide sont exclus. Il reste cependant un autre problème: des bulles de vapeur se for- ment dans le fluide refroidisseur lorsque le creuset est soumis à une forte charge thermique par le bombardement électronique. Pour refroidir des récipients dont l'intérieur ou cavité destiné à recevoir le matériau à vaporiser possède une forme cylindrique ou conique, il est avantageux de prévoir au moins un canal de refroidissement concentrique à la cavité Le fluide refroi- disseur qui parcourt ce canal est repoussé par la force centrifuge vers l'extérieur Si le fluide contient des fractions plus légères, des bulles de vapeur par exemple, elles sont de ce fait refoulées vers la paroi interne du canal annulaire Dans les circuits de refroi- dissement à charge thermique élevée par unité de surface, o se pro- duit une évaporation dite par bulles, le refoulement des bulles vers l'intérieur peut réduire considérablement la transmission de chaleur sur la paroi interne (partie radialement intérieure de la paroi) du canal, c'est-à-dire exactement à l'endroit o la sollicitation ther- mique du creuset est la plus forte. Même dans le cas de canaux de refroidissement consti- tués par un système de perçages rectilignes o l'effet décrit ci- dessus da à la force centrifuge n'existe donc pas les bulles de vapeur éventuellement formées montent, sous l'effet de la pesanteur, vers la génératrice dans chaque perçage et réduisent notablement la transmission de chaleur dans cette région, o la charge thermique est également importante, surtout lorsque le bord supérieur du creuset reçoit des électrons. Dans la pratique, la force centrifuge et la gravité produisent une résultante qui dépend du tracé du canal de refroidisse- ment et qui a des inconvénients surtout dans le cas de creusets à cavité conique, du fait que le risque de bombardement des parois coniques du creuset par les électrons augmente à mesure que la quanti- té de matériau à vaporiser diminue Or, les creusets à cavité conique sont souhaitables parce que le jet de vapeur engendré par le bombar- dement électronique s'élargit vers le haut à peu près en forme de. lobe et doit si possible ne pas venir en contact avec le bord du creuset pour éviter des effets d'ombre (de masquage). L'invention vise donc à empêcher de manière efficace que la transmission de chaleur dans un creuset du type défini au début ne se détériore s'il se forme des bulles de vapeur dans le liquide refroidisseur. 2531 104 A cet effet, selon l'invention, on dispose dans le canal de refroidissement au moins un dispositif de guidage pour conférer un mouvement en torsade au fluide refroidisseur circulant dans le canal. Ce mouvement en torsade résulte de la superposition, au courant de fluide traversant le canal, d'un mouvement de rota- tion ou mouvement giratoire autour de l'axe longitudinal du canal. L'axe du canal peut être droit ou courbe; il est de préférence circulaire et concentrique à la cavité du corps métallique Autre- ment dit, les éléments de volume du fluide refroidisseur effec- tuent, pendant qu'ils circulent autour de la cavité un mouvement rotatoire supplémentaire et beaucoup plus rapide autour de l'axe du canal, de sorte que les bulles de vapeur, de plus faible masse volumique que le liquide (l'eau) de refroidissement, sont refoulées vers l'axe longitudinal sous l'effet de la force centrifuge qui repousse le liquide vers l'extérieur et le maintient partout en con- tact avec la paroi du canal Les bulles de vapeur sont ainsi soumises à une sorte d'aspiration qui lesêloigne de la paroi interne éventuel- lement surchauffée du canal, de sorte que le refroidissement reste efficace s'il se forme des bulles de vapeur L'invention améliore par conséquent l'effet de refroidissement, permet une meilleure utilisa- tion du liquide refroidisseur (plus faible consommation d'eau) et prolonge la durée de service du creuset ainsi refroidi. Il va de soi que la force centrifuge produite par la composante giratoire du mouvement du fluide, c'est-à-dire par la rotation autour de l'axe longitudinal, doit être plus grande que la force centrifuge produite par la rotation autour de la cavité Une inclinaison suffisante du dispositif de guidage qu'il est avan- tageux de choisir entre 20 et 60 degrés sur l'axe du canal de refroidissement dans la région de la paroi de ce canal combinée avec une circulation suffisamment forte du fluide permettent cepen- dant de produirb un mouvement en torsade assez intense pour refouler les bulles de vapeur éventuellement formées dans le centre du canal. Il n'est pas nécessaire que le dispositif de guidage s'étende sur toute la longueur du canal de refroidissement On peut également prévoir plusieurs dispositifs de guidage disposés à inter- valles dans le canal, mais en choisissant les intervalles suffisam- ment petits pour que le mouvement en torsade soit pratiquement con- servé tout au long du canal. Le dispositif de guidage peut être formn par N irm- porte quel corps tridlmensionnel qui confuère une impulsion tan- gentielle à un courant arrivant initialement axial Dans le cas le plus simple, il s'agit d'éléments de surface (ayant une grande surface par rapport au volume) qui sont orientés obliquement par rapport ' la direction d'écoulement, par exemple d'aubes fixes et d'autres corps susceptibles de faire tourner le courant autour de son axe longitudinal Il esct particulièrement avantageux, ainsi que très simple pour sa fixation, de réaliser le dispositif de guidage, ou chaque dispositif de guidage, sous la forme d'une hélice adaptée au tracé du canal de- refroidissement On obtient de cette manière un courant continu qui est pratiquement exempt de pertes et présente partout le même mouvement hélicoldal, ce qui est optimal pour un refroidissement efficace. Pour fabriquer le creuset de vaporisation en tenant compte de l'incorporation du dispositif de guidage, il est particu- lièrement avantageux que: a) le corps métallique présente une portion formant bordure et une cuve qui entoure la cavité et est reliée à la bordure, b) le canal de refroidissement est formé par une rainure périphérique ménagée dans le corps métallique et c) le corps métallique est disposé dans une partie inférieure de creuset qui ferme la rainure périphérique. En vue d'un refroisissement particulièrement intense de la portion inférieure de la cuve, une autre caractéristique avan- tageuse de l'invention prévoit que: a) le corps métallique et la partie inférieure du creuset renferment entre eux un espace annulaire qui entoure le dessous de la cuve et présente une cloison diamétrale d'un côté de laquelle est disposée l'arrivée da fluide refroidisseur et de l'autre c 8 té de laquelle est disposée la sortie de fluide refroidisseur, b) du c Oté opposé à l'arrivée et à la sortie de fluide, les deux portions de l'espace annulaire communiquent chacune 25311 t 04 Par u 11;a 1 l montant avec le canal de refroidissement situé au- dessus et c) le canal de refroidissement est coupé entre les canaux montants par une cloison supplémentaire. De cette manière, le fluide refroidisseur pénètre d'abord dans la zone inférieure du creuset, baigne le dessous de la cuve en s'écoulant dans une direction essentiellement parallèle à la cloison, entre de lâ par l'un des canaux montantsdans le canal de refroidissement situé au-dessus et contenant le dispositif de gui- dage, baigne la portion supérieure de la ca-vité en direction inverse, en effectuant en même temps le mouvement en torsade décrit, parvient enfin de l'autre c Oté de la cloison, qui ne se prolonge pas dans la partie supérieure, redescend par l'autre canal montant pour s'écouler de nouveau à contre-courant a peu près parallèlement à la cloi- son par la moitié opposée de l'espace annulaire et pour-quitter fina- lement le creuset par la sortie de fluide refroidisseur On obtient ainsi un écoulement de fluide-refroidisseur très efficace et sans ce t-circuits de circulation sur toute la surface de la cavité du creuset avec, en même temps, la suppression du risque que des bulles de vapeur se forment, lorsque le creuset est soumis à une forte charge, dans la région supérieure particulièrement exposée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement & la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue en élévation d'un creuset de vaporisation selon l'invention; la figure 2 est une coupe horizontale suivant la ligne Il-Il du creuset de figure 1 la figure 3 est une vue frontale du creuset, prise dans le sens de la flèche Il I sur figure 1 la figure 4 est une coupe verticale du creuset, suivant la ligne IV-IV de figure 3; t la figure 5 est une-vue en plan du creuset avec des parties du canal de refroidissement en haut en coupe horizontale suivant la ligne V-V de figure 4; et - 2 531104 la figure 6 est une coupe radiale du dispositif de guidage. Les figures 1 à 5 représentent un creuset de vapo- risation comprenant un corps métallique 1 qui présente une cavité 2 pour recevoir du matériau à vaporiser La corps métallique 1 com- porte une portion 3 formant bordure et une cuve 4 qui est d'un seul tenant avec la bordure et est extérieurement délimitée, vers le bas, par une surface conique 5 et un prolongement cylindrique 6 (figure 4). I O La cavité 2 est délimitée latéralement par deux surfaces coniques 2 a et 2 b qii s'évasent vers le haut et se raccor- dent l'une à l'autre par une arête de jonction annulaire plus ou moins arrondie 2 c Le fond 2 d de la cavité 2 est une surface circu- laire horizontale (figures 1 et 4). La cavité 2 est entourée d'un canal de refroidisse- ment 7 réalisé sous forme d'une rainure périphérique creusée dans le corps métallique 1 et dont la-profondeur est orientée dans le sens de l'axe du creuset La figure 4 montre clairement que le corps métallique 1 est disposé de telle manière dans une partie inférieure de creuset 8 qu'une surface limite supérieure 9 de cette partie inférieure ferme le canal de refroidissement 7 et constitue en quelque sorte la quatrième paroi de ce canal Le corps métallique 1 peut être appelé aussi "partie supérieure du creuset". La cuve 4 est entourée, dans la région de sa surface conique 5 et de son prolongement cylindrique 6, par un cylindre creux-10 avec des découpes visibles sur la figure 2 Entre le corps métallique 1 et la partie inférieure 8 du creuset est délimité ainsi, sous la cuve 4, un espace annulaire 11, qu'une cloison 12 partage en deux portions symétriques La cloison 12 est formée de deux élé- ments placés de part et d'autre du prolongement cylindrique 6 (figures 2 et 4). La figure 2 surtout montre qu'une arrivée 13 de fluide refroidisseur est disposée d'un côté de la cloison 12 et qu'une sortie 14 de fluide refroidisseur est disposée de l'autre côté de cette cloison Le raccordement à des conduites extérieures est réa- lisable au moyen de tubulures filetées 13 a et 14 a Dans l'espace Il peut ainsi être établie une circulation de -fluide refroidissseur en deux directions opposées, comme indiqué par les flèches 15 et 16, la cloison 12 empêchant toutefois que l'inversion du courant ait lieu dans l'espace 11 Sur le côté opposé à l'arrivée et à la sortie du fluide les deux portions ou moitiés de l'espace ll communiquent chacune par un canal montant 17 ou 18 avec le canal de refroidisse- ment 7 se trouvant au-dessus Dans la représentation de la figure 4, les dsux canaux montants 17 et 18 se trouvent sur le côté gauche et sont parallèles; l'inversion du courant à cet endroit est rendue impossible par une cloison supplémentaire 19 Cette cloison est repré- représentée en élévation sur la figure 4 et en coupe sur les figures 2 et 5. La cloison 19 se prolonge vers le haut dans le canal de refroidissement 7 et empêche le fluide refroidisseur de passer directement d'un canal montant à l'autre Le fluide montant par le canal 17 dans le canal de refroidissement 7 s'écoule, à partir de la cloison supplémentaire 19, vers la gauche dans la représentation de la figure 5 pour faire un tour à peu près complet autour de la cavité 2, comme indiqué par les deux flèches 20 et 21, La comparaison des figures 2 et 5 fait ressortir que les directions d'écoulement dans l'espace Il et dans le canal de refroidissement 7 situé au-dessus sont opposées, comme indiqué par les flèches 15/20 et 16/21. Le canal de refroidissement 7 contient un dispositif de guidage 22 selon l'invention, dont les deux extrémités 22 a et 22 b sont situées des deux côtés de la cloison 19 (figure 5) On voit que le dispositif de guidage 22 s'étend en continu sur toute la longueur du canal de refroidissement 7 et qu'il est réalisé à la façon d'une hélice dont la surface enveloppe extérieure peut être considérée comme une surface torique Ce dispositif de guidage confère au courant de fluide refroidisseur, dont la directionprincipale est indiquée par les flèches 20/21, un mouvement giratoire dont la vitesse de rota- tion est un multiple de la vitesse de rotation du courant autour de la cavité 2 Ainsi, comme expliqué dans ce qui précède, le liquide, de masse volumique beaucoup plus élevée, est refoulé en permanence dans la zone des parois du canal de refroidissement 7, tandis que les bulles de vapeur plus légères se déplacent le long de l'axe du canal de refroidissement 7 et sont évacuées du creuset de vaporisation par le courant de fluide ou sont condensées. Il est encore à noter que le corps métallique 1 (partie supérieure du creuset) et la partie inférieure 8 du creuset sont relies de façon indivisible l'une à l'autre par une soudure réalisée par bohmbardement électronique, ayant la particularité très avantageuse de seulement engendrer des contraintes très faibles dans le matériau du creuset. La figure 5 représente une coupe radiale du dispo- l 0 sitif de guidage 22 qui est en principe une projection sur un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du canal de refroidissement 7 respectivement du dispositif de guidage 22 On voit que le dispo- sitif de guidage, réalisé sous forme d'une hélice, présente une section libre 24 dans la région de son axe longitudinal Le dia- mètre d de cette section doit être aussi grand que possible afin d'obtenir une circulation aussi peu entravée que possible du fluide refroidisseur d'autant plus qu'il importe que les bulles de vapeur éventuellement entraînées dans le sens d u courant de fluide ne rencontrent, S pssible, aucun obstacle Il est avantageux lue le dia- mètre d de la section libre corresponde à au moins 25 % du diamètre extérieur D de l'hélice Les spires du dispositif de guidage 22, de forme à peu près rectangulaire en section, sont donc comprises entre un tore interne et un tore externe coaxial dans le cas d'un canal de refroidissement 7 de forme circulafre, comme celui représenté sur la figure 5 L'expérience a montré qu'un fil enroulé en hélice suffit entièrement, dans le cas le plus simple, pour conférer au courant de fluide refroidisseur qui est normalement axial un mouvement en torsade d'une ampleur suffisante. 2531 104 REVENDICATIONS 1 Creuset de vaporisation pour installations de dépôt de matériaux vaporisés sous vide, formé d'un corps métallique qui présente une cavité pour recevoir le matériau à vaporiser-et est en liaison thermique avec un canal de refroidissement entourant cette cavité en partie au moins, caractérisé en ce que le canal de refroi- dissement ( 7) contient au moins un dispositif de guidage ( 22) pour conférer un mouvement en torsade au fluide refroidisseur circulant dans le canal de-refroidissement ( 7). 2 Creuset selon la revendication 1, dont le disposi- tif de guidage ( 22) ou chaque dispositif de guidage est réalisé comme une hélice adaptée au tracé du canal refroidisseur ( 7). 3 Creuset selon la revendication 2, dont le disposi- tif de guidage ( 22) est continu sur pratiquement toute la longueur du canal de refroidissement ( 7) - 4 Creuset selon la revendication l o a) le corps métallique ( 1) présente une portion for- mant bordure ( 3) et une cuve ( 4) qui entoure la cavité ( 2) et est reliée à la bordure, b) le canal de refroidissement ( 7) est formé par une rainure périphérique ménagée dans le corps métallique ( 1) et c) le corps métallique ( 1) est disposé dans une partie inférieure du creuset ( 8) qui ferme la rainure périphérique. Creuset selon la revendication 4, o a) le corps métallique ( 1) et la partie inférieure ( 8) du creuset renferment entre eux un espace annulaire ( 11) qui entoure le dessous de la cuve ( 4) et présente une cloison diamétrale ( 12)-, d'un côté de laquelle est disposéel'arrivée ( 13) de fluide refroi- disseur et de l'autre côté de laquelle est disposée la sortie ( 14) de fluide refroidisseur, b) du côté opposé à l'arrivée et à la-sortie de fluide, les deux portions de l'espace annulaire ( 11) communiquent chacune par un canal montant ( 17, 18) avec le canal de refroidis- sement ( 7) situé au-dessus, et 253110-4 c) le canal de refroidissement ( 7) est coupe entre les canaux montants ( 17, 18) par une cloison supplémentaire ( 19). 6 Creuset selon la revendication 2, dont le dispositif de guidage ( 22), réalisé comme une hélice, présente dans la région de son axe longitudinal une section libre dont le diamètre (d) corres- pond au moins à 25 % du diamètre extérieur (D) de l'hélice. 7 Creuset selon la revendication 6, dont le dispositif de guidage ( 22) est constitué par un fil enroulé en héliceo