Brevet FR2759146A1 — publié le 19980807

La présente invention concerne une installation de fourniture d'un gaz de travail comprenant un dispositif de distribution du gaz de travail et des moyens de chauffage de ce dispositif de distribution, le dispositif de distribution comprenant une source de gaz de travail sous pression reliée à des moyens de distribution dudit gaz de travail. L'invention s'applique particulièrement aux installations de fourniture de gaz de travail pour la fabrication de circuits électroniques. La fabrication de circuits électroniques nécessite l'utilisation de gaz communément appelés Electronic Specialty Gases, par exemple Cl2, NH3, Mcl, HBr, NF3 et WF6. Ces gaz sont souvent stockés sous forme de gaz liquéfiés dans des bouteilles sous pression de 1 à 50 litres. Ces bouteilles sont placées dans des enceintes, dites "gas-cabinets", balayées par un gaz d'inertage, les gaz étant souvent inflammables et/ou toxiques. Pour pouvoir laisser dans la phase liquide toutes les impuretés lourdes, en particulier l'humidité, ces gaz sont soutirés à partir de leur phase gazeuse. Ainsi, ces bouteilles ne sont pas équipées de tubes plongeurs. L'ouverture des moyens de distribution reliés à une bouteille provoque la dépressurisation de celle-ci et donc l'ébullition du liquide qu'elle contient. Cette ébullition implique un refroidissement important de la bouteille et donc une baisse de la pression d'équilibre du gaz dans celle-ci. En l'absence de tout chauffage extérieur, le soutirage n'est plus possible quand la pression d'équilibre du gaz dans la bouteille a rejoint la pression atmosphérique. En réalité, les bouteilles ne sont pas thermiquement isolées de l'atmosphère ambiante et la convection naturelle assure un réchauffage de la bouteille. Le flux de chaleur reçu ainsi par une bouteille est proportionnel à sa surface, à l'écart de température entre la bouteille et l'atmosphère ambiante et enfin à un coefficient d'échange thermique. Cependant, d'une part les coefficients d'échange en question sont faibles et les chaleurs de vaporisation des liquides considérés sont importantes, et d'autre part les débits requis dans les installations nécessitent des bouteilles de grand volume et donc de faible rapport surface/volume. Le chauffage par l'atmosphère ambiante peut donc être insuffisant pour atteindre les débits de soutirage souhaités. De plus, le refroidissement lors de la détente du gaz dans la bouteille peut provoquer, si la température descend au-dessous de 0 C, des problèmes de dépôt de glace et de fragilisation des matériaux. A ce premier besoin de chauffage, viennent s'ajouter des besoins de chauffage des moyens de distribution, en particulier des détendeurs. En effet, la détente du gaz produit un abaissement de température avec éventuellement apparition d'une phase liquide. Dans ce dernier cas, les gouttelettes de liquide formées sont responsables d'une corrosion rapide des détendeurs ainsi que d'une instabilité de débit et de pression. La détente d'un gaz sans apparition de liquide peut, elle aussi, conduire à des problèmes de même nature. Bien sûr, le chauffage des gaz avant détente contribue à la limitation de ces inconvénients. L'utilisation de moyens de chauffage de telles installations de distribution n'est pour l'instant pas la règle, mais l'augmentation de la demande de débits de soutirage élevés, associée à l'augmentation de la taille des bouteilles, nécessite de plus en plus l'utilisation de moyens de chauffage maîtrisé. De tels moyens de chauffage doivent répondre aux contraintes d'encombrement et de sécurité imposées dans les "gas-cabinets", les gaz étant souvent toxiques et/ou inflammables et l'électricité étant éventuellement proscrite ou, du moins, mise en oeuvre avec des précautions particulières. L'invention a pour but d'apporter une solution aux problèmes mentionnés précédemment, en créant une installation de fourniture d'un gaz de travail munie de moyens de chauffage fiables, respectant les contraintes d'encombrement et de sécurité, et permettant d'obtenir des débits de soutirage élevés. A cet effet, l'invention a pour objet, une installation de fourniture d'un gaz de travail, comprenant un dispositif de distribution du gaz de travail et des moyens de chauffage de ce dispositif de distribution, le dispositif de distribution comprenant une source de gaz de travail sous pression reliée à des moyens de distribution dudit gaz de travail, caractérisée en ce que les moyens de chauffage comprennent au moins un tube de Ranque dont l'entrée est destinée à être reliée à une source de gaz d'alimentation sous pression et qui présente une sortie de gaz chaud détendu et une sortie de gaz froid détendu, et en ce que les moyens de chauffage sont adaptés pour utiliser le gaz chaud détendu comme source de chaleur. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'installation peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - les moyens de chauffage comprennent des moyens d'acheminement du gaz chaud détendu reliés à des moyens de déflection et d'application de jets de ce gaz chaud à certaines parties dudit dispositif de distribu tion - la source de gaz comprend un réservoir de stockage du gaz de travail liquéfié, et lesdits moyens de déflection et d'application de jets de gaz chaud sont adaptés pour diriger au moins un jet de gaz chaud sur la partie inférieure du réservoir de stockage - lesdits moyens de déflection et d'application sont adaptés pour diriger un jet de gaz chaud sur au moins une partie desdits moyens de distribution - elle comprend en outre une enceinte d'isolation du dispositif de distribution du gaz de travail, et ladite sortie de gaz chaud détendu est reliée à des moyens d'injection directe du gaz chaud détendu dans ladite enceinte - elle comprend une enceinte d'isolation du dispositif de distribution du gaz de travail, et ladite sortie de gaz froid détendu est reliée par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur de chauffage du gaz froid détendu à des moyens d'injection directe du gaz froid réchauffé dans ladite enceinte - le gaz d'alimentation dudit tube de Ranque est un gaz d'inertage - ladite enceinte d'isolation comprend des moyens d'injection d'un gaz d'inertage dans ladite enceinte, et ces moyens d'injection d'un gaz d'inertage sont reliés à une sortie de gaz du tube de Ranque - les moyens d'injection d'un gaz d'inertage sont reliés à la sortie de gaz chaud détendu du tube de Ranque - les moyens d'injection d'un gaz d'inertage sont reliés à la sortie de gaz froid détendu du tube de Ranque par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur de chauffage dudit gaz froid détendu - elle est disposée à proximité d'un équipement de fourniture d'un gaz sous pression, et ledit tube de Ranque est alimenté en gaz sous pression par l'équipe- ment de fourniture d'un gaz sous pression ; et - ledit équipement de fourniture d'un gaz sous pression est une unité de séparation d'air délivrant du gaz N2 pur sous pression, ledit tube de Ranque étant alimenté par ledit gaz N2 pur sous pression. Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un tube de Ranque, - la figure 2 est une vue schématique d'une installation de fourniture d'un gaz de travail selon l'invention, - la figure 3 est une vue partielle à plus grande échelle et en perspective, de la partie supérieure de la bouteille de l'installation de la figure 2, - la figure 4 est une vue partielle à plus grande échelle et en perspective, de la partie inférieure de la bouteille de l'installation de la figure 2, et - la figure 5 est une section, à plus grande échelle, de la partie inférieure de la bouteille de l'installation de la figure 2. La figure 1 représente schématiquement un tube de Ranque 1. Ce dispositif, classique, comprend un générateur 3, une entrée 5 d'alimentation en gaz sous pression et deux sorties la et lb. La sortie la est munie d'une valve 7 à pointeau de réglage de débit. La sortie la est reliée par un tube 9 au générateur. La sortie lb a une forme divergente. Le fonctionnement d'un tel tube alimenté en gaz sous pression est le suivant, les trajets du gaz étant matérialisés par des flèches (figure 1). Le gaz sous pression pénètre par l'entrée 5 dans le générateur 3, qui force le gaz en un mouvement tourbillonnaire le long des parois intérieures du tube 9 jusqu'à la sortie la à des vitesses soniques de l'ordre de 1 million de rotations par minute. Une partie de ce flux quitte le tube de Ranque en passant par l'ouverture ménagée par la valve 7. Le gaz qui ne peut franchir cet étranglement est refoulé vers l'intérieur et se fraie un passage par le centre du tourbillon. Le gaz renvoyé à travers le courant tourbillonnaire est animé d'une vitesse plus faible occasionnant un simple échange de chaleur. La colonne de gaz intérieure, plus lente, cède sa chaleur à la colonne extérieure plus rapide. Quand elle se dirige vers le centre du générateur 3 puis vers la sortie lb du tube de Ranque 1, elle atteint une température plus basse que celle du gaz d'entrée. Typiquement, pour une alimentation en air sous 10 bars et à 210 C, et pour une répartition du débit d'air de 50 % en fraction froide et 50 % en fraction chaude, la diminution de la température de l'air à la sortie lb dite sortie froide est d'environ 600 C et l'augmentation de la température de l'air à la sortie la dite sortie chaude est d'environ 530 C. Sous la même alimentation mais avec une répartition du débit de 60 % en fraction froide et 40 % en fraction chaude, la diminution de la température de l'air à la sortie lb est d'environ 520 C et l'augmentation de la température de l'air à la sortie la est d'environ 690 C. Un tube de Ranque permet donc de diviser un flux de gaz comprimé en deux flux de gaz détendus, l'un chaud, l'autre froid. Un tel dispositif ne comporte aucune pièce en mouvement. Des tubes de Ranque sont, par exemple, commercialisés pour l'entreprise FENWICK. Les figures 2 à 5 illustrent un mode de réalisation d'une installation 11 de fourniture de gaz de travail selon l'invention, placée sur un site de production de circuits électroniques. Cette installation 11 comprend un dispositif 13 de distribution d'un gaz de travail, placé dans une enceinte 15 d'isolation ou "gas cabinet", et des moyens 16 de chauffage de ce dispositif 13 de distribution. Ce dispositif 13 de distribution comprend une bouteille 17 de stockage d'un gaz de travail liquéfié, et des moyens de distribution constitués d'un robinet 19, d'une conduite 21 munie d'un détendeur 23. L'enceinte 15 d'isolation comprend des moyens 25 d'injection d'un gaz d'inertage et des moyens 26 d'évacuation de ce gaz d'inertage. Cette installation 11 alimente une unité 27 consommatrice du gaz de travail, utilisée pour la fabrication de circuits électroniques. Cette unité 27 consommatrice est également alimentée en gaz N2 pur par une conduite 29 reliée à la sortie de production d'une colonne 31 de distillation d'air, de type classique dit HPN (High Purity Nitrogen), présente à proximité du site. Une telle colonne de distribution délivre par exemple du gaz N2 sous 10 bars. Les moyens 16 de chauffage comprennent cinq tubes de Ranque 33, 35, 37, 39 et 41. Les entrées respectives des tubes 33, 35, 37 et 39 sont reliées par l'intermédiaire d'un système 43 de conduites à la conduite 29. Une vanne 45 de commande du débit d'alimentation du système 43 de conduites est disposée entre la conduite 29 et le système 43 de conduites. L'entrée du tube de Ranque 41 est reliée directement par une conduite 47 à la conduite 29. La conduite 47 est munie d'une vanne 48 de commande du débit d'alimentation du tube de Ranque 41 La sortie chaude 33a du tube de Ranque 33 est reliée à une conduite 49 terminée par une buse 51 dont l'ouverture est disposée en regard et à proximité du robinet 19 (figure 3). La sortie chaude 35a du tube de Ranque 35 est reliée à une conduite 53 terminée par une buse 55 dont l'ouverture est disposée en regard et à proximité du détendeur 23. La sortie chaude 37a du tube de Ranque 37 est reliée à une conduite 57 terminée par un applicateur 59 de jets de gaz chaud disposé à proximité du fond de la bouteille 15 (figures 2, 4 et 5). Cet applicateur 59 est constitué d'un tube 61 relié à la conduite 51 et prolongé par une tôle 63 courbée recouvrant à faible distance une partie de la circonférence de la bouteille 17. Les extrémités des conduites 49, 53 et 57 reliées aux buses 51 et 55 et à l'applicateur 59, sont constituées de prolongateurs isolés thermiquement, souples et orientables, qui permettent aisément de placer les buses 51 et 55 et l'applicateur 59 dans les positions souhaitées, et de les en écarter lors des changements de bouteille et de la maintenance. Les sorties froides 33b, 35b et 37b des tubes de Ranque 33, 35 et 37 sont mises à l'air. La sortie chaude 39a du tube de Ranque 39 est reliée à une conduite 65 débouchant directement dans l'enceinte 15 par un orifice 67 ménagé dans la paroi de celle-ci. La sortie froide 39b du tube de Ranque 39 est reliée à une conduite munie d'un échangeur de chaleur 69 de chauffage des gaz froids détendus et débouchant directement dans l'enceinte 15 par un orifice 71 ménagé dans la paroi de celle-ci. La sortie froide 41b du tube de Ranque 41 est reliée, via un échangeur de chaleur 73 de chauffage des gaz froids détendus, à une conduite 75 alimentant les moyens 25 d'injection d'un gaz d'inertage. La sortie chaude 41a du tube de Ranque 41 alimente également la conduite 75. Les échangeurs de chaleur 69 et 73 sont des échangeurs de chaleur classiques, du type à ailettes par exemple, permettant des échanges de chaleur avec l'atmosphère ambiante. Un capteur 77 de pression est placé à l'intérieur de la bouteille 17. I1 est relié à une unité 79 de pilotage de la vanne 45 de commande. Un capteur 81 de la température de l'enceinte et un analyseur 83 de l'atmosphère de ladite enceinte sont reliées à une unité 85 de pilotage de l'ouverture de la vanne 48. Le fonctionnement de l'installation est le suivant. Le chauffage principal du dispositif 13 de distribution est assuré par les tubes de Ranque 33, 35, 37, 39. Quand le capteur 77 de pression détecte une pression d'équilibre du gaz inférieure à un seuil P1 qui correspond à une pression d'équilibre minimale autorisant un débit de soutirage minimal souhaité, l'unité 79 de pilotage déclenche l'ouverture de la vanne 45. Les tubes de Ranque 33, 35, 37 et 39 sont donc alimentés en gaz N2 sous pression, et pour ces tubes de Ranque, un flux de gaz N2 chaud détendu sort de la sortie chaude et un flux de gaz N2 froid détendu sort de la sortie froide. Les buses 51 et 55 dirigent des jets impactants de gaz N2 chaud respectivement sur le robinet 19 et sur le détendeur 23, assurant ainsi un bon chauffage convectif de ceux-ci. L'applicateur 59 dirige des jets impactants de gaz N2 chaud directement sur la partie inférieure de la bouteille 17, assurant ainsi un bon chauffage convectif de cette bouteille. De plus, la sortie chaude 39b du tube de Ranque 39 assure le chauffage direct de l'atmosphère de l'enceinte en injectant du gaz N2 chaud dans celle-ci par l'orifice 71, tandis que l'échangeur de chaleur 69 assure le réchauffage par l'atmosphère ambiante du gaz N2 froid détendu issu de la sortie 39b avant injection directe dans l'enceinte par l'orifice 67. Les tubes de Ranque 33, 35, 37 et 39 assurent donc d'une part, le chauffage de la bouteille 17 et donc du gaz liquéfié, augmentant ainsi la pression d'équilibre du gaz dans la bouteille 17, et d'autre part, le chauffage du robinet 19 et du détendeur 23, limitant ou éliminant ainsi les inconvénients mentionnés plus haut. Les tubes de Ranque 33, 35, 37 et 39 assurent également l'inertage de l'enceinte 15 par le gaz N2 pur introduit dans l'enceinte. Lorsque le détecteur 77 de pression détecte une pression d'équilibre du gaz dans la bouteille 17 supérieure à un seuil P2 > P1 correspondant à une pression maximale souhaitée, l'unité de pilotage commande la fermeture de la vanne 45. Si le capteur 81 de température de l'enceinte ou l'analyseur 83 de l'atmosphère de l'enceinte détectent un chauffage ou un inertage de l'enceinte insuffisants, l'unité 85 de pilotage déclenche l'ouverture de la vanne 48. Le tube de Ranque 41 est alors alimenté en gas N2 pur sous pression. La sortie froide 41b délivre donc du gaz N2 froid détendu qui est réchauffé lors de son passage dans l'échangeur de chaleur 73, avant d'être introduit, par l'intermédiaire de la conduite 75, dans les moyens 25 d'injection d'un gaz d'inertage. Le gaz N2 chaud détendu issu de la sortie chaude 41a du tube de Ranque 41 est introduit directement via la conduite 75, dans les moyens 25 d'injection d'un gaz d'inertage. L'unité 85 de pilotage commande la fermeture de la vanne 48 quand le capteur 81 de température et l'analyseur 83 d'atmosphère ont détecté un chauffage et un inertage de l'enceinte suffisants. Les moyens 16 de chauffage permettent donc de maintenir, en réglant les paramètres P1 et P2, une pression d'équilibre dans la bouteille 17 autorisant les débits de soutirage souhaités. De plus, le mode de chauffage choisi permet de respecter toutes les contraintes de sécurité et assure simultanément l'inertage de l'enceinte. En outre, ce chauffage est de coût réduit puisque le gaz N2 sous pression est disponible en grande quantité sur le site à coût marginal. Enfin, de tels moyens de chauffage sont fiables et peu encombrants, peuvent facilement être intégrés à des armoires de distribution de gaz de travail et autorisent le remplacement de la bouteille sans avoir à démonter aucun élément. Dans d'autres modes de réalisation, le capteur 77 de pression peut être remplacé par un capteur de température, le nombre et la disposition des tubes de Ranque peuvent être différents et les sorties chaudes des tubes de Ranque peuvent être reliées à des conduites. D'autres modes de pilotage de l'alimentation des tubes de Ranque en gaz sous pression sont bien sûr possibles. REVENDICATIONS 1. Installation (11) de fourniture d'un gaz de travail, comprenant un dispositif (13) de distribution du gaz de travail et des moyens (16) de chauffage de ce dispositif de distribution, le dispositif (13) de distribution comprenant une source (17) de gaz de travail sous pression reliée à des moyens (19, 21, 23) de distribution dudit gaz de travail, caractérisée en ce que les moyens (16) de chauffage comprennent au moins un tube de Ranque (33, 35, 37, 39, 41) dont l'entrée est destinée à être reliée à une source (31) de gaz d'alimentation sous pression et qui présente une sortie de gaz chaud détendu (33a, 35a, 37a, 39a, 41a) et une sortie de gaz froid détendu (33b, 35b, 37b, 39b, 41b), et en ce que les moyens (16) de chauffage sont adaptés pour utiliser le gaz chaud détendu comme source de chaleur. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens (16) de chauffage comprennent des moyens (49, 53, 57, 65, 75) d'acheminement du gaz chaud détendu reliés à des moyens (31, 55, 59) de déflection et d'application de jets de ce gaz chaud à certaines parties dudit dispositif (13) de distribution. 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la source (17) de gaz comprend un réservoir (17) de stockage du gaz de travail liquéfié, et en ce que lesdits moyens (51, 55, 59) de déflection et d'application de jets de gaz chaud sont adaptés pour diriger au moins un jet de gaz chaud sur la partie inférieure du réservoir (17) de stockage. 4. Installation selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que lesdits moyens (51, 55, 59) de déflection et d'application sont adaptés pour diriger un jet de gaz chaud sur au moins une partie desdits moyens (19, 21, 23) de distribution. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une enceinte (15) d'isolation du dispositif (13) de distribution du gaz de travail, et en ce que ladite sortie de gaz chaud détendu (39a) est reliée à des moyens (67) d'injection directe du gaz chaud détendu dans ladite enceinte. 6. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend une enceinte (15) d'isolation du dispositif (13) de distribution du gaz de travail, et en ce que ladite sortie de gaz froid détendu (39b) est reliée, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur (69) de chauffage du gaz froid détendu, à des moyens (71) d'injection directe du gaz froid réchauffé dans ladite enceinte (15). 7 Installation selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le gaz d'alimentation dudit tube de Ranque (33, 35, 37, 39, 41) est un gaz d'inertage. 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite enceinte (15) d'isolation comprend des moyens (25) d'injection d'un gaz d'inertage dans ladite enceinte, et en ce que ces moyens (25) d'injection sont reliés à une sortie de gaz (41a, 41b) du tube de Ranque (41). 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens (25) d'injection d'un gaz d'inertage sont reliés à la sortie de gaz chaud détendu (41a) du tube de Ranque (41). 10. Installation selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que les moyens (25) d'injection d'un gaz d'inertage sont reliés à la sortie de gaz froid détendu (41b) du tube de Ranque (41) par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur (73) de chauffage dudit gaz froid détendu. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle est disposée à proximité d'un équipement (31) de fourniture d'un gaz sous pression, et en ce que ledit tube de Ranque est alimenté en gaz sous pression par l'équipement (31) de fourniture d'un gaz sous pression. 12. Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que ledit équipement (31) de fourniture d'un gaz sous pression est une unité (31) de séparation d'air délivrant du gaz N2 pur sous pression, ledit tube de Ranque étant alimenté par ledit gaz N2 pur sous pression.