Brevet FR2887012A1 — publié le 20061215

La présente invention concerne, de manière générale, un procédé de remplissage à haute pression de bouteilles de gaz haute pression avec un gaz liquéfié à basse température qui, à température normale, se présente en phase gazeuse. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de remplissage d'une bouteille de gaz haute pression avec un gaz liquéfié à basse température à l'aide d'une pompe à diaphragme. En général, un gaz liquéfié à faible point d'ébullition se présente dans un état liquide à une température basse critique ou au-dessous de celleci, mais dans un état gazeux au-dessus de cette température critique. Dans le cadre de la présente invention, ce gaz est appelé un gaz liquéfié à basse température. En raison des caractéristiques ci-dessus, le gaz liquéfié est chargé à l'état gazeux à une pression manométrique de l'ordre de 2x106 Pa à 2x107 Pa dans une bouteille haute pression. Comme exemples de gaz liquéfiés, on peut mentionner l'azote, l'oxygène et l'argon qui sont largement utilisés pour des applications générales, et le trifluorure d'azote (NF3, point d'ébullition: -129 C), l'hexafluorure de soufre (SF6), l'acide chlorhydrique anhydre (AHCl), le bromure d'hydrogène anhydre (AHBr), le tétrafluorure de carbone (CF4) et l'hexafluorure d'éthane (C2F6) qui sont utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs. Un procédé conventionnel pour remplir une bouteille de gaz avec un gaz liquéfié comprend les étapes qui consistent à condenser le gaz à basse température pendant sa production, à le stocker à l'état liquide dans un récipient de stockage, à le faire passer à travers un vaporiseur ou un échangeur de chaleur pour le vaporiser, puis à charger le gaz vaporisé dans une bouteille de gaz haute pression tout en le comprimant à l'aide d'un compresseur. La raison pour laquelle ce procédé, au cours duquel le gaz liquéfié est vaporisé et chargé dans cet état dans la bouteille tout en étant comprimé à l'aide d'un compresseur, est fréquemment adopté pour remplir des bouteilles de gaz avec du gaz liquéfié à basse température est la suivante. Une pompe ou le compresseur fonctionne principalement à température normale et, si la pompe est utilisée avec un liquide à faible point d'ébullition, il se produit un phénomène de cavitation qui rend impossible un fonctionnement normal souhaitable de la pompe lorsqu'un liquide à faible point d'ébullition est vaporisé, puis chargé dans la tête de pompe. Toutefois, lorsque le gaz vaporisé est comprimé par le compresseur, il n'y a plus à se soucier du phénomène ci-dessus. Ce procédé pose cependant des problèmes en ce sens que la température du gaz chargé augmente sous l'effet de la chaleur de compression générée lorsque le gaz est comprimé par le compresseur, ce qui, dans certains cas graves, peut entraîner une décomposition du produit et, par conséquent, une augmentation des impuretés, d'où une diminution de la pureté du produit. D'autres problèmes résident dans des coûts de maintenance élevés du fait de l'abrasion de certains éléments et dans une vitesse de chargement réduite à une pression élevée. Il n'existe toutefois pas de solution bien définie en raison des caractéristiques du compresseur, mais seulement des mesures complémentaires, telles que la réduction des problèmes dus à la chaleur de compression grâce à un refroidissement de la tête du compresseur ou du gaz délivré, et l'élimination des particules impures à l'aide d'un filtre monté sur un élément de sortie. Néanmoins, les problèmes essentiels n'ont pas été résolus. D'autre part, en raison du développement de l'industrie des semiconducteurs, les besoins en gaz de pureté supérieure utilisé dans ce domaine sont croissants, et les critères de teneur en impuretés du gaz deviennent de plus en plus stricts. Dans le procédé conventionnel au cours duquel le gaz liquéfié est vaporisé pour être chargé dans la bouteille tout en étant comprimé par le compresseur, la consommation d'énergie est importante pendant le processus de vaporisation et de compression, et, dans le cas d'un gaz qui doit être extrêmement pur, tel que le trifluorure d'azote (NF3) utilisé comme gaz d'attaque dans un processus de fabrication de semi-conducteurs, il existe un risque important de dégradation du gaz. Il reste donc encore à développer, dans le domaine ci-dessus, un procédé pour remplir une bouteille de gaz avec un gaz liquéfié, qui permette de réduire la consommation d'énergie et d'éviter la dégradation du gaz. Tel est précisément le but que s'est fixé la présente invention qui propose, à cet effet, un procédé de remplissage d'une bouteille de gaz haute pression avec un gaz liquéfié à basse température, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une pompe à diaphragme. De préférence, le gaz liquéfié à basse température est choisi dans un groupe constitué par le trifluorure d'azote, l'azote, l'oxygène, l'argon, l'hexafluorure de soufre, l'acide chlorhydrique anhydre, l'acide bromhydrique anhydre, le tétrafluorure de carbone et l'hexafluorure d'éthane, la pompe à diaphragme comportant une partie de pompe distante et une partie de pompe principale qui sont séparées l'une de l'autre, et un agent de transfert de pression de fluide étant prévu entre la partie de pompe distante et la partie de pompe principale. Conformément à une caractéristique particulière de l'invention, un liquide se présentant dans un état liquide à température normale et ayant un point de gel de -10 à -150 C est utilisé comme agent de transfert de pression de fluide. De préférence, l'agent de transfert de pression de fluide est choisi dans un groupe constitué par l'éthanol, l'isopentane, une solution antigel pour véhicules automobiles, l'acétone, le 1,1,1-trichloroéthane, le dichlorofluoroéthane et leurs mélanges. Conformément à une autre caractéristique particulière de l'invention, un liquide comprimé à l'aide de la pompe est chargé directement dans la bouteille, ou est chargé en phase gazeuse dans la bouteille après avoir été vaporisé par un évaporateur ou un vaporiseur prévu du côté refoulement de la pompe. Les inventeurs de la présente invention ont en effet constaté que, contrairement à un procédé conventionnel conformément auquel une bouteille de gaz haute pression est remplie avec un gaz à l'état gazeux au moyen d'un compresseur, lorsqu'un gaz liquéfié, tel que le NF3, qui doit être extrêmement pur est chargé dans une bouteille de gaz haute pression au moyen d'une pompe à diaphragme, il n'est pas dégradé au cours du processus de remplissage et le remplissage est réalisé avec une faible consommation d'énergie. La présente invention a donc pour but de proposer une technique de remplissage nouvelle selon laquelle un gaz liquéfié à basse température est embouteillé à l'aide d'une pompe à diaphragme, en particulier une pompe à diaphragme comportant une partie de pompe distante, pour ainsi remédier au problème de production de chaleur au cours d'un processus de compression à l'aide d'un compresseur, au problème de coûts d'énergie élevés ainsi qu'aux problèmes de vibrations et de bruit. Cette technique est économique et stable et peut donc s'appliquer à des gaz à usage général et à des gaz de très haute pureté, tels que le NF3, pour semiconducteurs. Ce qui précède, ainsi que d'autres buts caractéristiques et avantages de la présente invention, sera mieux compris à la lecture de la description détaillée suivante considérée conjointement avec la figure unique qui représente une installation permettant de mettre en oeuvre un procédé de remplissage selon l'invention. Parmi les pompes permettant de mettre un liquide sous pression pour le transporter, une pompe qui aspire ou refoule le liquide en utilisant le mouvement d'un diaphragme est appelée une pompe à diaphragme. Un exemple représentatif d'une pompe à diaphragme est la pompe à carburant pour véhicule automobile à essence. Dans un procédé de mise en bouteille de gaz liquéfié utilisant la pompe à diaphragme, le gaz liquéfié peut être facilement comprimé à une pression souhaitée non pas dans un état gazeux mais dans un état liquide au cours d'un processus de compression par la pompe, ce qui permet de le transporter à un débit pratiquement constant à des pressions basses et hautes et de réduire ainsi le temps de remplissage. En outre, étant donné que la production de chaleur est très faible à un taux de compression élevé, il est possible d'embouteiller de manière fiable un produit, tel que le NF3, dont la réactivité est considérablement accrue et qui est sensiblement décomposé à température élevée. D'autre part, comme le liquide (gaz liquéfié à basse température) est chargé dans une partie principale de la pompe, où une lubrification est assurée, la formation de particules métalliques due à un frottement ou à une abrasion est ainsi évitée au départ. De plus, comparativement à un processus de compression du gaz à l'aide d'un compresseur de grande capacité, étant donné qu'un appareil de faible capacité et de petites dimensions peut être utilisé, il est possible de réduire au minimum les coûts de fonctionnement, de maintenance et d'énergie et d'assurer un rendement souhaitable en raison de la réduction du temps de remplissage. La pompe à diaphragme qui est utilisée pour transporter et embouteiller le liquide se compose de manière caractéristique d'une partie comprenant un diaphragme et un clapet de retenue, d'un moteur qui fournit l'énergie et d'une partie à fonctionnement mécanique (une transmission et une partie active d'un piston) qui génère une pression de fluide grâce à la puissance de rotation du moteur. Cependant, les propriétés physiques de l'huile utilisée dans la pompe changent considérablement à basse et haute températures. En particulier, étant donné que l'huile gèle ou que sa viscosité change radicalement à basse température, la pompe à diaphragme peut difficilement fonctionner normalement et a donc pour inconvénient de ne pas pouvoir être utilisée dans un processus à basse température. Pour remédier à cet inconvénient de la pompe à diaphragme, conformément à la présente invention, il est prévu une pompe à diaphragme qui est conçue pour comprendre une partie de pompe principale, côté huile, et une partie de pompe distante, côté fluide, afin que l'huile du diaphragme et le gaz liquéfié à basse température n'entrent pas en contact l'un avec l'autre. Un fluide ayant un point de gel peu élevé et dont les propriétés physiques subissent un minimum de changement à basse température est injecté dans un tuyau entre les deux parties de la pompe pour servir d'agent de transfert de pression de fluide, afin que la pression de fluide générée par la partie principale de la pompe soit transmise au fluide à transporter. Ainsi, le gaz liquéfié à basse température peut être comprimé à une pression élevée à l'aide de la pompe à diaphragme, puis être mis en bouteilles. N'importe quel produit peut être utilisé comme agent de transfert de pression de fluide pour transmettre la pression de fluide entre les deux parties de la pompe, pourvu qu'il se présente dans un état liquide à température normale, qu'il ait un point de gel de -10 à -150 C et qu'il varie le moins possible en ce qui concerne ses propriétés physiques à basse température. Ce produit peut être, par exemple, de l'éthanol, de l'acétone, du trichloroéthane, du dichlorofluoroéthane, de l'isopentane ou une solution antigel pour véhicules automobiles (un mélange d'eau et d'éthylène glycol), le fluide étant naturellement choisi en fonction de la température de service. Dans le cadre de la présente invention, il est préférable qu'un tuyau soit monté entre un récipient de stockage dans lequel le gaz liquéfié à basse température est stocké dans un état liquide et le côté aspiration de la pompe, et qu'un tuyau d'aspiration soit complètement isolé ou refroidi à l'aide d'un réfrigérant à basse température pour éviter un phénomène de cavitation résultant de la vaporisation d'un liquide à basse température. Il est également préférable que la partie distante de la pompe soit complètement isolée pour éviter la cavitation et, si nécessaire, qu'un serpentin ou un double chemisage pouvant être refroidi au moyen d'un réfrigérant à basse température soit prévu. Un tuyau relié au réservoir de stockage est raccordé à un tuyau de refoulement de la pompe afin qu'une charge d'amorçage de la pompe et un résidu de solution présents dans le tuyau de refoulement soient recyclés dans le réservoir de stockage. Au cours du processus d'amorçage de la pompe, le liquide circule à travers le tuyau ci-dessus à partir du réservoir de stockage et, lorsque l'opération de chargement est terminée, la solution et la pression résiduelles dans le tuyau de refoulement sont recyclées dans le réservoir de stockage par l'intermédiaire dudit tuyau afin de réduire au minimum les pertes de produit. Il est en outre prévu un manomètre pour permettre de contrôler le fonctionnement de la pompe et la pression de refoulement, ainsi qu'un dispositif de sécurité pour éviter une surpression. Il convient de noter que, si le tuyau est totalement rempli de gaz liquéfié à basse température et est fermé de manière étanche à l'air, une surpression peut se produire par suite d'une expansion due à une augmentation de la température, ce qui, dans des cas graves, peut entraîner une détérioration du tuyau. Le gaz liquéfié qui est comprimé par la pompe est transporté par l'intermédiaire du tuyau, qui est relié à des dispositifs de remplissage, jusqu'à une bouteille de gaz à remplir et peut être chargé directement ou après avoir été vaporisé à température normale au moyen d'un vaporiseur ou d'un échangeur de chaleur séparé prévu sur le tuyau de refoulement. S'il est chargé directement dans la bouteille, une soupape de cette dernière est fermée une fois le remplissage terminé, après quoi la bouteille est laissée à température normale pour vaporiser le liquide chargé. La quantité de remplissage est mesurée à l'aide d'une balance, et un manomètre est prévu sur le dispositif de remplissage pour permettre de contrôler la pression de remplissage afin d'éviter un remplissage excessif. Le procédé de remplissage de la présente invention peut s'appliquer aussi bien à un seul dispositif de remplissage qu'à plusieurs dispositifs de remplissage. La présente invention pourra être encore mieux comprise à la lecture de l'exemple suivant qui est proposé à titre illustratif et nullement limitatif de la présente invention. EXEMPLE Une description détaillée d'un procédé de remplissage selon la présente invention va maintenant être donnée en référence à la figure unique. Du NF3 liquide extrêmement pur qui a été condensé à basse température a été utilisé comme gaz liquéfié pour un test de remplissage. Un réservoir de stockage T était relié à une installation de production de NF3 par l'intermédiaire d'un tuyau, un double chemisage sous vide étant prévu sur une surface extérieure du réservoir de stockage T afin d'isoler ce dernier. Le NF3 recueilli dans le réservoir de stockage a été transporté par l'intermédiaire d'un tuyau d'aspiration S1 jusque dans la partie aspiration d'une pompe à diaphragme P, le tuyau d'aspiration S1 étant formé d'un double tuyau du type à isolation par un vide. Sur une partie distante H2 de la pompe était monté un serpentin à travers lequel un fluide à basse température (azote liquide, air liquide ou produit similaire) était amené à circuler pour maintenir la température de la partie distante de la pompe à -90 C. L'huile pour la pompe à diaphragme P a été introduite dans une partie principale H1 de la pompe et dans un bain de stockage d'huile, après quoi de l'éthanol déshydraté et sans air a été introduit entre la partie principale H1 et la partie distante H2 de la pompe. Un manomètre PG était prévu du côté refoulement de la pompe pour permettre de contrôler le fonctionnement normal de cette dernière, tandis qu'un tuyau de circulation S3 était relié au réservoir de stockage T pour permettre de recycler dans ce dernier la solution résiduelle présente dans le tuyau à la fin des opérations d'amorçage de la pompe et de remplissage. Une bouteille de gaz à remplir C a été raccordée à un tuyau de refoulement S2 de la pompe et disposée sur une balance B pour que la quantité de remplissage puisse être contrôlée. Le remplissage a été réalisé grâce à la procédure suivante. 1) Un tuyau de remplissage S4 et la bouteille haute pression C ont été reliés l'un à l'autre et des soupapes V1 et V2 ont été fermées, tandis que des soupapes V3, V4 et V5 ont été ouvertes pour créer un vide de 1, 333x102 Pa (1 Torr) ou moins, afin d'éliminer l'air et l'humidité présents dans le tuyau. Auparavant, l'humidité avait été éliminée de la bouteille haute pression C qui avait ensuite été mise sous vide pour préparer le remplissage. 2) Une fois terminée la procédure du paragraphe 1), les soupapes V3, V4 et V5 ont été fermées, tandis que les soupapes V1 et V2 ont été ouvertes pour réaliser l'amorçage de la pompe P, après quoi la pompe a été mise en marche pour effectuer une circulation. 3) Lorsque la température de la partie distante H2 de la pompe P a été suffisamment basse pour transporter le liquide dans de bonnes conditions et que la pression a rapidement augmenté, la soupape V2 étant fermée, les soupapes V3 et V4 ont été ouvertes pour remplir la bouteille C de NF3 liquide. 4) A la fin du remplissage, la soupape V4 a été fermée, la pompe a été arrêtée et les soupapes V1, V2 et V3 ont été ouvertes pour recycler la solution résiduelle du tuyau de remplissage S4 dans le réservoir de stockage T et stabiliser la pression dans ce dernier. Toutes les soupapes ont été fermées et la bouteille de gaz C a été séparée du dispositif de chargement. La bouteille de gaz C a été laissée à température normale pour que sa température remonte jusqu'à cette température. Le procédé de la présente invention est avantageux en ce sens qu'il permet de remplir une bouteille de gaz haute pression avec un gaz liquéfié à basse température qui doit être extrêmement pur à l'aide d'un système simple qui évite la dégradation du gaz liquéfié et qui consomme peu d'énergie. Bien que la description précédente ait porté sur un mode de réalisation préféré de la présente invention, celle-ci n'est bien entendu pas limitée à l'exemple spécifique décrit et illustré ici, et l'homme de l'art comprendra aisément qu'il est possible d'y apporter de nombreuses variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de remplissage d'une bouteille de gaz haute pression (C) avec un gaz liquéfié à basse température, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une pompe à diaphragme (P). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz liquéfié à basse température est choisi dans un groupe constitué par le trifluorure d'azote, l'azote, l'oxygène, l'argon, l'hexafluorure de soufre, l'acide chlorhydrique anhydre, l'acide bromhydrique anhydre, le tétrafluorure de carbone et l'hexafluorure d'éthane, en ce que la pompe à diaphragme (P) comporte une partie de pompe distante (H2) et une partie de pompe principale (Hl) qui sont séparées l'une de l'autre, et en ce qu'un agent de transfert de pression de fluide est prévu entre la partie de pompe distante (H2) et la partie de pompe principale (Hl). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un liquide se présentant dans un état liquide à une température normale et ayant un point de gel de -10 à -150 C est utilisé comme agent de transfert de pression de fluide. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'agent de transfert de pression de fluide est choisi dans un groupe constitué par l'éthanol, l'isopentane, une solution antigel pour véhicules automobiles, l'acétone, le 1,1,1-trichloroéthane, le dichlorofluoroéthane et leurs mélanges. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un liquide comprimé à l'aide de la pompe (P) est chargé directement dans la bouteille (C), ou est chargé en phase gazeuse dans celle-ci après avoir été vaporisé par un évaporateur ou un vaporiseur prévu du côté refoulement de la pompe (P).