Brevet FR2887612A1 — publié le 20061229

La présente invention concerne un procédé de remplissage d'une bouteille 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, dans lequel le gaz liquéfié à basse température est comprimé à une pression voulue dans un état liquide à l'aide d'une pompe, puis chargé à l'état comprimé en phase gazeuse dans la bouteille de gaz haute pression. 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 contexte 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. Le gaz liquéfié peut être par exemple de l'azote, de l'oxygène ou de l'argon qui sont beaucoup utilisés pour des applications générales, ou du trifluorure d'azote (NF3, point d'ébullition: -129 C), de l'hexafluorure de soufre (SF6), de l'acide chlorhydrique anhydre (AHC1), du bromure d'hydrogène anhydre (AHBr), du tétrafluorure de carbone (CF4) ou de l'hexafluoroéthane (C2F6) qui sont utilisés dans l'industrie des semi- conducteurs. Une méthode conventionnelle pour remplir une bouteille de gaz avec un gaz liquéfié comprend les étapes de condensation du gaz à basse température pendant sa production, de stockage du gaz à l'état liquide dans un récipient de stockage, de passage du gaz à travers un vaporiseur ou un échangeur de chaleur pour le vaporiser, puis de chargement du gaz vaporisé dans une bouteille de gaz haute pression, en même temps que sa compression au moyen d'un compresseur. La raison pour laquelle cette méthode, selon laquelle 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 adoptée pour remplir des bouteilles de gaz avec du gaz liquéfié à basse température est la suivante. Si une pompe est utilisée avec un liquide à basse température qui possède un faible point d'ébullition, il se produit un phénomène de cavitation (phénomène 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 un compresseur, il n'y a plus à se soucier du phénomène de cavitation. Cette méthode est cependant problématique, car la température du gaz chargé augmente du fait de la chaleur de compression générée lorsque le gaz est comprimé par le compresseur, et peut, dans des cas graves, se traduire par une décomposition du produit et donc par une augmentation des impuretés, ce qui diminue la pureté du produit. D'autres problèmes se posent, comme les coûts de maintenance qui sont élevés du fait de l'abrasion de certains éléments et la vitesse de chargement qui est réduite à une pression élevée. Il n'existe cependant pas de plan d'action clair pour y remédier en raison des caractéristiques du compresseur, mais des mesures complémentaires, telles qu'une atténuation des problèmes dus à la chaleur de compression par un refroidissement du gaz à l'aide d'un appareil de réfrigération disposé sur une tête du compresseur ou un élément de sortie, et l'élimination des particules impures à l'aide d'un filtre monté sur l'élément de sortie. Néanmoins, les problèmes essentiels n'ont pas été supprimés. En outre, du fait des progrès réalisés dans le domaine de l'industrie des semi-conducteurs, la demande en gaz de pureté supérieure utilisé dans ce domaine est croissante, et les critères de teneur en impuretés du gaz sont de plus en plus stricts. Dans la méthode conventionnelle conformément à laquelle le gaz liquéfié est vaporisé et chargé dans cet état dans la bouteille tout en étant comprimé par le compresseur, la consommation d'énergie est importante au cours des opérations de vaporisation et de compression, et, dans le cas d'un gaz exigeant une très grande pureté, tel que le trifluorure d'azote (NF3) gazeux qui est utilisé comme gaz d'attaque dans un processus de fabrication de semi-conducteurs, il existe un risque important de dégradation du gaz. On a donc encore besoin de 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 pendant le remplissage. La présente invention concerne précisément 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 et un tuyau isolant pour transporter le gaz liquéfié à basse température. 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 1'hexafluoroéthane. Conformément à une 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 découvert que, contrairement à une méthode conventionnelle conformément à laquelle 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 dans des conditions n'entraînant pas de cavitation, il n'est pas dégradé au cours du processus de remplissage et le remplissage peut s'effectuer avec peu d'énergie. La présente invention a pour but de proposer une technique de remplissage nouvelle grâce à laquelle un gaz liquéfié à basse température peut être mis en bouteilles à l'aide d'une pompe, pour ainsi prévenir les problèmes de production de chaleur au cours d'un processus de compression par un compresseur, de coûts d'énergie élevés, ainsi que de vibrations et de bruit. Cette technique est économique et stable et peut donc s'appliquer à la mise en bouteilles de gaz destinés à un usage général et de gaz de très haute pureté pour semi-conducteurs, tels que le NF3. Ce qui précède, ainsi que d'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention, ressortira mieux de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation préféré, donnée à titre d'exemple nullement limitatif et considérée conjointement avec les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'une installation permettant de mettre en oeuvre un procédé de remplissage d'une bouteille avec un gaz liquéfié à l'aide d'une pompe, conformément à la présente l'invention; et la figure 2 est une représentation schématique d'une installation dans laquelle est mise en oeuvre une méthode conventionnelle de remplissage d'une bouteille avec un gaz liquéfié à l'aide d'un vaporiseur et d'un compresseur. Dans un procédé de mise en bouteille de gaz liquéfié à l'aide d'une pompe, le gaz liquéfié peut être facilement comprimé à une pression souhaitée non pas dans un état gazeux, mais dans un état liquide, au cours du processus de compression par la pompe, ce qui permet de le transporter à un débit pratiquement constant à haute et basse pression 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 de mettre en bouteilles 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 de tête de la pompe, où une lubrification est assurée, la formation de particules métalliques due à un frottement ou à une abrasion est ainsi évitée. De plus, comparativement à un processus de compression à l'aide d'un compresseur, étant donné qu'un appareil de faibles dimensions et nécessitant peu d'énergie peut être utilisé, il est possible de réduire au minimum les coûts de fonctionnement, de maintenance et d'énergie et d'obtenir un rendement souhaitable du fait de la réduction du temps de remplissage. Comme le compresseur transporte le gaz après l'avoir comprimé, alors que la pompe le transporte directement à l'état liquide, la taille du compresseur doit être au moins 10 fois supérieure à celle de la pompe pour la même quantité de gaz liquéfié. La pompe sert à transporter et à embouteiller le liquide et se compose de manière caractéristique d'une tête comprenant un piston 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 du piston) qui génère une pression de fluide grâce à la puissance de rotation du moteur. 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 dû à la vaporisation d'un liquide à basse température. Il est également préférable que la partie de tête de la pompe soit complètement isolée pour éviter la cavitation et, si nécessaire, qu'un serpentin de refroidissement ou un double chemisage pouvant être refroidi au moyen d'un réfrigérant à basse température soit prévu sur celle-ci. 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 une solution résiduelle dans le tuyau de refoulement puissent être recyclées 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 remplissage 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 produits. 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 faut 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 s'y 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 chaque dispositif de remplissage pour 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 dispositif de remplissage unique qu'à plusieurs dispositifs de remplissage. La présente invention pourra être mieux comprise à la lecture de l'exemple et de l'exemple comparatif suivants qui sont proposés à titre illustratif, mais nullement limitatif, de la présente invention. EXEMPLE Une description détaillée d'un procédé de remplissage selon la présente invention va être donnée en référence à la figure 1. Du NF3 liquide extrêmement pur et 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 liquide stocké dans le réservoir de stockage a été transporté par l'intermédiaire d'un tuyau d'aspiration S1 jusque dans la partie d'aspiration d'une pompe P, le tuyau d'aspiration Si étant formé d'un double tuyau du type à isolation par un vide. Un manomètre était prévu sur la partie de refoulement de la pompe pour permettre de contrôler le fonctionnement normal de cette dernière. La bouteille de gaz à remplir C a été raccordée à un tuyau de refoulement S2 de la pompe et disposée sur une balance pour que la quantité de remplissage puisse être contrôlée. Le remplissage a été réalisé grâce à la procédure suivante. Dans le présent exemple, la pompe P utilisée était une pompe à piston à basse température. 1) Un tuyau de remplissage S4 et la bouteille haute pression C ont été reliés l'un à l'autre au niveau de l'ouverture M de la bouteille et des soupapes V1 et V2 ont été fermées, tandis que des soupapes V3, V4 et V5 ont été ouvertes pour créer un vide d'au plus 1,333x102 Pa (1 Torr) afin d'éliminer l'air et l'humidité du tuyau. Auparavant, l'humidité avait été éliminée de la bouteille haute pression C qui avait ensuite été mise sous vide pour être prête pour le remplissage. 2) Une fois terminée l'opération 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, puis la pompe a été mise en marche pour effectuer une circulation. 3) Lorsque la température de la tête de pompe H a été suffisamment basse pour transporter un liquide dans de bonnes conditions et que la pression a rapidement augmenté, la soupape V2 ayant été 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 ouvertes pour recycler la solution résiduelle du tuyau de remplissage S4 dans le réservoir de stockage 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 a été laissée à température normale pour que sa température remonte jusqu'à cette température. A titre de variante, le gaz liquéfié comprimé par la pompe P et transporté à travers le tuyau de refoulement S2 a été amené à passer à travers un vaporiseur G pour être vaporisé, puis chargé en phase gazeuse dans la bouteille C par l'intermédiaire d'un tuyau de remplissage S3. EXEMPLE COMPARATIF Une description détaillée d'une méthode conventionnelle de mise en bouteille d'un gaz liquéfié à l'aide d'un vaporiseur et d'un compresseur va maintenant être donnée en référence à la figure 2. Du NF3 liquide, condensé à basse température a été utilisé comme gaz liquéfié pour le test de remplissage. Un réservoir de stockage T était relié à une installation de production de NF3 par l'intermédiaire d'un tuyau, un chemisage sous vide étant disposé sur une surface extérieure du réservoir de stockage T afin d'isoler celui-ci. Le NF3 liquide stocké dans le réservoir de stockage a été transporté par l'intermédiaire d'un tuyau d'aspiration S1 jusque dans un vaporiseur G. Le NF3 liquide amené à passer à travers le vaporiseur G qui comportait un appareil de chauffage a été facilement vaporisé grâce à une augmentation de température pour adopter une phase gazeuse. Puis, le NF3 gazeux a été délivré à un compresseur E par l'intermédiaire d'un tuyau de refoulement S2 a été comprimé, et le NF3 gazeux comprimé a été chargé dans une bouteille à remplir C par l'intermédiaire d'un tuyau de remplissage S5. Des mesures ont été effectuées sur le gaz mis en bouteille à l'état liquide à l'aide de la pompe P de l'Exemple et sur le gaz mis en bouteille à l'état gazeux à l'aide du vaporiseur G et du compresseur E de l'Exemple Comparatif, afin de mesurer leur pureté et leur acidité respectives. Les valeurs mesurées ont été comparées à la pureté et à l'acidité du NF3 contenu dans le réservoir de stockage T, et les résultats sont indiqués dans le Tableau 1 suivant. TABLEAU 1 Catégorie Pureté HF HNO3 Nombre de (%) (ppm) (ppm) particules fines par litre Réservoir 99,998 0,015 0,150 1,9 x 10-3 de stockage Exemple 99,997 0,026 0,653 7,7 x 10-2 Comparatif Exemple 99,998 0,017 0, 251 1,7 x 10-2 Dans l'Exemple Comparatif, la pureté est pratiquement inchangée, mais l'acidité est considérablement plus importante. Ceci semble être dû au fait que le gaz a été activé sous l'effet de la chaleur de la compression réalisée par le compresseur, ce qui a permis au NF3 gazeux de se décomposer facilement. De même, le nombre de particules fines a augmenté. Cette augmentation semble être le résultat d'un frottement mécanique généré au cours du remplissage par compression à l'aide du compresseur. En revanche, dans l'Exemple, les changements de pureté et d'acidité sont insignifiants. Dans le Tableau 1 ci-dessus, les impuretés ont été analysées par chromatographie en phase gazeuse, et les résultats ont été récupérés pour mesurer la pureté du gaz. En ce qui concerne l'analyse d'acidité, après qu'une quantité déterminée de produit gazeux a été absorbée dans de l'eau, un titrage par neutralisation a été réalisé à l'aide de NaOH pour mesurer l'acidité totale. La quantité de HNO3 a été calculée par soustraction de la quantité de HF de l'acidité totale. La quantité de HF a été obtenue au moyen d'un analyseur d'ions F, et la présence de HNO3 a été confirmée par une analyse qualitative anionique à l'aide d'acide sulfurique et de FeSO4. Les particules fines ont été mesurées à l'aide d'un appareil de mesure de particules, et seules les particules ayant une taille inférieure ou égale à 0,2 m ont été considérées. 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, grâce à un processus 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 (P) et un tuyau isolant pour transporter le gaz liquéfié à basse température. 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 1'hexafluoroéthane. 3. 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 (G) prévu du côté refoulement de la pompe (P).