Brevet FR2733801A1 — publié le 19961108

La présente invention concerne les pièges cryogéniques, un arrangement cryogénique, une pompe à vide et un procédé de piégeage cryogénique. Dans les systèmes à vide poussé, il existe de nombreuses catégories de pompes à vide et les pompes sont souvent raccordées en série. Par exemple, une pompe à diffusion est utilisée en coopération avec une pompe primaire qui permet le fonctionnement de la pompe à diffusion à une très faible pression. Dans la pompe à diffusion, des jets supersoniques de vapeur d'une huile déplacent les molécules gazeuses en dehors de la chambre soumise au pompage. Un inconvénient des pompes à diffusion est que, dans le régime d'écoulemenc moléculaire aux très faibles pres- sions, il existe une circulation de l'huile en sens inverse, de la pompe à diffusion vers la chambre soumise au pompage. Jusqu'à présent, on a placé des pièges cryogéniques froids contenant des déflecteurs refroidis par de l'azote liquide entre la chambre soumise au pompage et la pompe à diffusion. Ce piège cryogénique est utilisé comme barrière au retour d'huile et constitue aussi un mécanisme efficace de pompage de la vapeur d'eau de la chambre soumise au pompage. Le piège cryogénique peut être complété par des déflecteurs refroidis par eau, placés entre le piège cryogénique et la pompe à diffusion qui est tiède de manière que la charge thermique du piège refroidi par l'azote soit réduite au minimum et qu'elle puisse former un premier barrage s'opposant au retour du courant d'huile. Ces dernières années, les pièges refroidis par des réfrigérateurs cryogéniques en cycle fermé, par exemple -des réfrigérateurs à cycle de Gifford-McMahon, onc remplacé les pièges classiques refroidis par l'azote. Ces pièges sont utilisés habituellement comme pompes à eau placées entre les chambres de travail et les pompes primaires, par exemple des pompes à diffusion et des pompes turbomoléculaires. L'invention concerne un nouveau piège cryogénique et son application. Elle s'applique en particulier à un piège cryogénique refroidi par un réfrigérateur cryogénique à cycle fermé et un piège cryogénique placé entre une chambre soumise au pompage et une pompe à vide à diffusion. Dans un premier aspect de l'invention, un piège cryogénique comprend un arrangement refroidi de manière cryogénique pour le piégeage des vapeurs passant de la chambre soumise au pompage à la pompe à vide. Un organe protecteur passif est placé entre l'arrangement refroidi cryogéniquement et la pompe à vide, l'organe protecteur étant isolé de la température ambiante de manière que sa température oscille entre celles de l'arrangement refroidi cryogéniquement et de la pompe à vide. L'organe protecteur est passif en ce qu'il n'existe aucun refroidissement actif, même pas par circulation d'eau. L'organe protecteur présente ainsi un mécanisme simple tout en étant efficace pour la réduction du flux de chaleur vers l'arrangement refroidi cryogéniquement qui est destiné à réduire au minimum la circulation d'huile en retour à partir d'une pompe à diffusion. Comme l'organe protecteur a une température intermédiaire qui oscille entre celle de l'arrangement et celle de la pompe à diffusion, il peut en réalité donner des températures réduites tout en assurant une protection plus efficace et une plus grande condensation d'huile qu'un déflecteur refroidi par eau dans lequel l'eau est à la température ambiante. Dans un système de grande capacité, l'arrangement cryogénique et l'organe protecteur sont sous forme de déflecteurs en chevrons optiquement denses. Ces déflecteurs en chevrons peuvent aussi être complétés par un cylindre refroidi cryogéniquement. Dans un ensemble qui subit une charge thermique excep- tionnellement élevée, on peut utiliser deux réfrigérateurs en cycle fermé pour le refroidissement de l'arrangement cryogénique. Dans ce cas, les déflecteurs en chevrons sont de préférence montés sur les réfrigérateurs respectifs par une tresse métallique. Celle-ci donne un trajet de conductibilité élevée, cependant sans contrainte dans l'installation, lors de la contraction thermique des élé- ments refroidis. Cette contraction pourrait autrement exercer des contraintes sur les raccords réalisés dans les réfrigérateurs ayant des positions opposées et pourrait déformer les déflecteurs. De préférence, les déflecteurs en chevrons sont suspendus par une tresse à une paire d'éléments cylindriques qui forment ensemble un cylindre fendu, chaque élément cylindrique étant monté sur un réfrigérateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe d'un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est une vue en plan d'un autre mode de réalisation de l'invention; et la figure 3 est une coupe du mode de réalisation de la figure 2. La figure 1 est une représentation schématique d'un piège cryogénique 12 selon l'invention placé entre une chambre soumise au pompage 14 et une pompe à diffusion 16. La pompe à diffusion a un orifice 18 relié à une pompe primaire. Le piège refroidi est mis sous forme d'un conduit 28 qui peut être fixé par des brides 17 et 19 à chaque extrémité à la chambre soumise au pompage 14 et à la pompe primaire 16 respectivement. Diverses variantes d'un tel ensemble, par exemple comprenant un obturateur coulissant entre le piège 12 et la chambre 14, peuvent être utilisées. Dans ce mode de réalisation, le piège cryogénique comprend un arrangement 22 en chevrons refroidi par un réfrigérateur cryogénique unique 22 en boucle fermée. Le réfrigérateur 22 peut être par exemple un réfrigérateur à un seul étage de type 1050 de CTI-Cryogenics. L'arrangement 20 est couplé au réfrigérateur 22 par un cylindre 24 qui forme une surface supplémentaire de piégeage cryogénique. Le cylindre 24 forme aussi un canal 26 entre l'arrangement cryogénique 20 et le conduit 28 à température ambiante. Ce canal présente un rapport élevé de sa longueur au diamètre hydraulique afin que l'huile éventuelle qui pourrait revenir par l'espace compris entre l'arrangement et le conduit 28 soit capturée. L'arrangement en chevrons a été sélectionné afin qu'il donne un débit élevé de capture tout en réduisant au minimum la longueur totale d'un ensemble de grand diamètre. Dans d'autres applications dans lesquelles une ouverture a un plus petit diamètre et la longueur du conduit 28 n'est pas primordiale, l'arrangement 20 en chevrons peut être remplacé par un cylindre ayant un rapport élevé de sa longueur au diamètre. Un déflecteur supplémentaire 30 en chevrons forme un organe protecteur entre l'arrangement cryogénique 20 et la pompe à diffusion 16. L'organe de protection 30 est supporté sur des prolongements 32 dépassant du conduit 28 et supportés par des isolateurs 34. Si l'ensemble ne comprenait pas le déflecteur 30, le flux de chaleur par unité de section, de la pompe à diffusion qui est tiède vers l'arrangement cryogénique froid par l'intermédiaire de l'atmosphère isolante à basse pression, serait le suivant: q GT 4-T4 q (TD4 T4) (1) A 1 1 ED Ec a étant la constante de Stefan-Boltzmann.et T et s étant la température et l'émissivité de la pompe à diffusion (D) et du piège cryogénique (C). Lorsque l'organe protecteur 30 est placé entre l'arrangement 30 et la pompe à diffusion, le flux de chaleur dépend de la différence de température entre l'arrangement et l'organe protecteur de la manière suivante: q a(Ts4 -Tc4) (2) A 1 1 Es Ec Dans un exemple d'ensemble, l'arrangement cryogénique est refroidi à 107 K et la pompe à diffusion est à environ 60 OC ou 333 K. Si les déflecteurs 30 étaient couplés thermi- quement au conduit 28 ou refroidis par de l'eau de refroidissement à température ambiante, la température de l'organe protecteur serait d'environ 300 K, nettement inférieure à la température de la pompe à diffusion à 333 K. Ainsi, le flux de chaleur vers l'arrangement cryogénique, depuis la direction de la pompe à diffusion, serait nettement inférieur avec le déflecteur à température ambiante. Comme le déflecteur 30 est thermiquement isolé par rapport à l'atmosphère ambiante, l'effet de protection obtenu est meilleur. L'organe protecteur 30 a une tempé- rature intermédiaire qui oscille et équilibre le flux de chaleur transmis aux déflecteurs 30 à partir de la pompe à diffusion et le flux de chaleur provenant des déflecteurs 30 est dirigé vers l'arrangement cryogénique 20. Si les émissivités de l'arrangement 20, des déflecteurs 30 et de la pompe à diffusion 16 étaient toutes égales, la température serait donnée par l'équation suivante: 4 4 4 P = 1/2 (TD + Tc) (3) Dans une application particulière ayant un arrangement cryogénique à 107 K et une pompe à diffusion à 333 K, le déflecteur 30 a une température flottante d'environ 273 K. Il s'agit d'une réduction notable de la température de l'organe protecteur 30 par rapport à la température ambiante et ainsi d'une réduction notable du flux de chaleur vers l'arrangement cryogénique 20 par rapport à l'organe protecteur à la température ambiante. Cette réduction du flux de chaleur réduit la charge du réfrigérateur cryogénique 22 et permet ainsi l'utilisation d'un réfrigé- rateur de plus petite capacité. Les figures 2 et 3 représentent un mode de réalisation particulier de l'invention. Il a été mis au point pour une ouverture de 53 cm de diamètre débouchant dans la chambre soumise au pompage et il a fallu évacuer une charge thermique élevée de la chambre. Ainsi, deux réfrigérateurs et 42 en cycle fermé à un seul étage du type 1050 ont été utilisés pour le refroidissement du piège cryogénique. Cependant, il aurait fallu des réfrigérateurs plus grands ou un plus grand nombre de réfrigérateurs en l'absence de l'organe protecteur flottant selon l'invention. Comme l'indique la figure 3, chaque réfrigérateur comporte un ensemble 42 d'entraînement à moteur et un module électro- nique 44 destiné au pilotage d'un organe à piston mobile à un seul étage ayant un doigt refroidi 46. Ce dernier est placé dans un boîtier cylindrique 48 monté sur le conduit 28. L'utilisation de deux réfrigérateurs pour le refroidissement du piège cryognéique présente une difficulté de montage du piège cryogénique, d'une manière qui permet la contraction thermique de l'ensemble. Cette contraction provoquerait l'application d'une force de traction par le piège sur chacun des réfrigérateurs. Ainsi, l'organe protec- teur 24 de la figure 2 est formé de deux tronçons de cylindre 24A et 24B montés chacun sur un réfrigérateur cryogénique 40, 42. L'arrangement cryogénique 20 est suspendu entre les éléments cylindriques 24A et 24B par des rubans 50 formés de tresses de cuivre. Les rubans s'allongent facilement en permettant la contraction ther- mique éventuelle de l'arrangement et des éléments cylindriques externes. Dans ce mode de réalisation, la tresse 50 est fixée à des montants radiaux 54 qui supportent les déflecteurs en chevrons et aux éléments cylindriques 24A, 24B par des boulons 52. A l'extrémité inférieure des éléments cylindriques 24A et 24B, une bride 56 dépasse vers l'intérieur et assure un piégeage périphérique supplémentaire. Les déflecteurs 30 de protection sont suspendus aux conduits 28 par des sangles isolantes 58 qui sont de préférence formées d'un stratifié de résine époxyde et de fibres de verre G-10. Un anneau 68 d'acier inoxydable, représenté soulevé au-dessus de sa position normale de repos, est en appui sur l'organe protecteur 30 afin qu'il assure la protection périphérique. Dans une variante, chaque arrangement de déflecteurs peut se prolonger plus près du conduit 28 pour éviter la nécessité de l'utilisation de la bride 56 et de l'anneau 68. Il faut noter que l'invention peut s'appliquer à d'autres pompes à vide, par exemple des pompes turbo- moléculaires. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Piège cryogénique (12) destiné à être placé entre une pompe à vide (16) et une chambre soumise au pompage, caractérisé en ce qu'il comprend: un arrangement (20) refroidi cryogéniquement afin qu'il piège les vapeurs allant de la chambre soumise au pompage vers la pompe à vide, et un organe protecteur passif (30) placé entre l'arrangement refroidi cryogéniquement et la pompe à vide, l'organe protecteur étant isolé de l'atmosphère ambiante de manière que la température de l'organe protecteur oscille entre celle de l'arrangement refroidi cryogéniquement et celle de la pompe à vide. 2. Piège cryogénique selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'organe protecteur comprend des déflec- teurs. 3. Piège cryogénique selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'arrangement refroidi cryogéniquement est refroidi par un réfrigérateur en cycle fermé, le piège comprenant plusieurs réfrigérateurs (40, 42) destinés à refroidir l'arrangement, et l'arrangement refroidi cryogéni- quement comprend un ensemble de déflecteurs suspendus par une tresse conductrice (50) à des éléments cylindriques raccordés aux réfrigérateurs respectifs. 4. Piège cryogénique (12) destiné à être placé entre une chambre soumise au pompage et une pompe à vide (16), caractérisé en ce qu'il comprend: un conduit (28) de fluide ayant des brides de raccor- dement (17, 19) à chaque extrémité, un réfrigérateur (40) à cycle fermé monté sur le conduit, des éléments cylindriques (24A, 24B) couplés thermi- quement aux réfrigérateurs respectifs (40, 42) et montés afin qu'ils forment un canal cylindrique étroit (26) entre le conduit et les éléments cylindriques, un arrangement cryogénique de déflecteurs (20) en chevrons suspendu dans les éléments cylindriques par une tresse conductrice (50), un organe protecteur passif de déflecteurs (30) dispo- ses en chevrons, placé entre l'arrangement cryogénique à chevrons et la pompe à vide, l'organe protecteur étant isolé de l'atmosphère ambiante de manière que la température de l'organe protecteur oscille entre celle de l'arrangement cryogénique et celle de la pompe à vide. 5. Piège cryogénique selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'arrangement cryogénique comprend: un ensemble de déflecteurs (20), un anneau (24) entourant l'ensemble de déflecteurs, et plusieurs tresses conductrices (50) qui suspendent l'ensemble de déflecteurs à l'intérieur de l'anneau. 6. Piège cryogénique selon la revendication 5, carac- térisé en ce que l'anneau est divisé en éléments d'anneau (24A, 24B) couplés à des réfrigérateurs cryogéniques respec- tifs (40, 42). 7. Pompe à vide destinée au pompage d'une chambre, caractérisée en ce qu'elle comprend: une pompe à diffusion (16), un piège cryogénique (12) placé entre la pompe à diffusion et la chambre soumise au pompage, le piège cryogé- nique comprenant: un arrangement refroidi cryogéniquement (20) destiné à piéger la vapeur allant de la chambre soumise au pompage à la pompe à vide, et un organe protecteur passif (30) disposé entre l'arran- gement refroidi cryogéniquement et la pompe à vide, l'organe protecteur étant isolé de l'atmosphère ambiante de manière que la température de l'organe protecteur oscille entre celle de l'arrangement refroidi cryogéniquement et celle de la pompe à vide. 8. Pompe selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'arrangement refroidi cryogéniquement est refroidi par un réfrigérateur (40) à cycle fermé, l'arrangement refroidi cryogéniquement est un ensemble de déflecteurs et l'organe protecteur passif est un ensemble de déflecteurs, et - l'arrangement refroidi cryogéniquement est suspendu par une tresse conductrice (50) à des éléments (24A, 24B) d'anneau qui sont refroidis séparément. 9. Procédé de piégeage cryogénique, caractérisé en ce qu'il comprend: la condensation de vapeur allant d'une chambre soumise au pompage à une pompe à vide (16) sur un arrangement (20) refroidi cryogéniquement, et la protection passive de l'arrangement refroidi cryogéniquement par un organe protecteur (30) qui est isolé de la température ambiante de manière que la température de l'organe protecteur oscille entre celle de l'arrangement refroidi cryogéniquement et celle de la pompe à vide. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la chambre est soumise au pompage par une pompe à diffusion (16).