Brevet FR2900226A1 — publié le 20071026

FOUR DE TRAITEMENT OU ANALOGUE La présente invention concerne de la façon la plus générale les fours, les fourneaux, les chambres de traitement et analogue, dans lesquels l'apport d'un gaz réactif fait partie d'une étape de traitement. Un exemple particulier de l'invention concerne des fours pour infiltration ou dépôt chimique en phase vapeur (CVI/CVD) dans lesquels un gaz réactif est introduit en tant que partie d'un procédé de densification d'éléments poreux, tels que des préformes de freins poreuses. L'utilisation de fours, fourneaux, chambres de traitement, et analogues, dans lesquels un gaz réactif est introduit en tant que partie d'une étape de traitement est généralement connue(ci-après, la mention de "four" dans la description devra être comprise comme étant également d'une manière générale applicable aux fourneaux et autres chambres de traitement de cette nature). Un exemple est le procédé d'infiltration chimique de vapeur, dans lequel un gaz réactif précurseur est introduit dans un four dans lequel sont placés des éléments poreux (tels que, par exemple et sans limitation, des préformes de freins poreuses). En général, un four conventionnel comprend une carcasse de four extérieure renfermant un espace de travail, ou chambre de réaction, dans lequel sont placés des objets ou éléments devant être traités, un système pour transporter le gaz réactif dans et hors du four, et un système de chauffage pour chauffer au moins une partie intérieure de la chambre de réaction. On force le gaz réactif, d'une manière connue, à infiltrer la structure poreuse des éléments poreux. Le gaz réactif peut comprendre un gaz hydrocarboné tel que le propane. Dans un exemple connu, un gaz réactif est introduit dans un volume intérieur défini par un empilement de préformes de freins annulaires sensiblement alignées, placé dans la chambre de réaction dans un four. En général, on oblige le gaz à circuler depuis le volume intérieur de l'empilement vers l'extérieur de l'empilement en diffusant à travers la structure poreuse (par exemple fibreuse) des préformes et/ou à travers des espaces entre des préformes adjacentes. Au moins l'intérieur de la chambre de réaction est chauffé par le système de chauffage. Ainsi, en raison de la température relativement élevée des préformes de freins, le gaz réactif subit une pyrolyse et laisse un produit de décomposition sur les surfaces intérieures de la structure poreuse. Dans le cas d'un gaz hydrocarboné, par exemple, le produit de décomposition est du carbone pyrolytique, si bien que l'on obtient un matériau composite carboné (tel que du carbone-carbone). Un exemple d'un système de chauffage conventionnel pour de tels fours est un système de chauffage inductif. Dans un tel système, la chambre réactionnelle peut être faite en un matériau de façon à agir comme un suscepteur ou induit, tel que le graphite. Un système pour délivrer le champ magnétique requis, tel qu'une ou plusieurs bobines électriques placées adjacentes de manière opérationnelle au moins à une partie du suscepteur, est également prévu. Quand un courant alternatif suffisant est appliqué aux bobines électriques, le champ magnétique résultant provoque le chauffage inductif du suscepteur, d'une manière bien connue. Un autre système de chauffage conventionnel est le chauffage résistif, dans lequel on fait passer un courant électrique dans un élément résistif, qui est chauffé en conséquence. L'utilisation d'un chauffage résistif implique habituellement l'utilisation d'un élément résistif en plus de la structure définissant la chambre de réaction. Avec les systèmes de chauffage tant inductifs que résistifs, on peut prévoir une isolation thermique autour de l'extérieur de la chambre de réaction afin d'augmenter le rendement de chauffage. Toutefois, le gaz réactif introduit dans la chambre de réaction peut avoir tendance à fuir ou diffuser dans le volume à l'intérieur du four en-dehors de la chambre de réaction. En particulier, dans un procédé CVI/CVD, le gaz réactif est habituellement un gaz précurseur pour un produit de décomposition devant être déposé (tel qu'un dépôt de carbure ou de carbone). Si le gaz réactif atteint l'isolation ou le système de chauffage, du dépôt peut s'accumuler sur ces structures, ce qui provoque une détérioration de leur fonction, de leur fiabilité, et/ou de leur durée de vie opérationnelle. Au vu de ce qui précède, il est souhaitable d'isoler sensiblement le système de chauffage (et l'isolation thermique éventuellement associée) dans un four de CVI/CVD vis-à-vis d'un gaz réactif qui y est utilisé. Par conséquent, la présente invention envisage la définition d'une zone, dans une carcasse de four de CVI/CVD, dans laquelle le système de chauffage (y compris l'isolation thermique éventuellement associée) est sensiblement isolé vis-à-vis d'un contact avec le gaz réactif qui est utilisé dans le procédé CVI/CVD. La présente invention envisage l'introduction d'un courant d'un gaz inerte dans la zone isolée (parfois appelée ici "zone de chauffage") de façon à définir un léger différentiel de pression positif par rapport à la pression du gaz réactif à l'intérieur de la chambre de réaction. Ce différentiel de pression s'oppose à une tendance du gaz réactif à entrer dans la zone de chauffage. Plus généralement, le flux de gaz réactif dans le four est mieux contrôlé. La présente invention peut être encore mieux comprise par référence aux figures annexées, dans lesquelles : la Figure 1 est une vue schématique en coupe transversale d'un four de traitement selon la présente invention dans lequel on utilise un système de chauffage inductif ; et la Figure 2 est une vue en coupe transversale partielle illustrant l'utilisation alternative d'un système de chauffage résistif dans le cadre envisagé de la présente invention. Pour simplifier la description de l'invention, on va d'abord présenter un exemple d'un four chauffé par induction. Ensuite, par référence à la Figure 2, on va illustrer l'applicabilité de la présente invention à un four utilisant un chauffage résistif. En général, un four 10 utilisé pour un procédé CVI/CVD comprend une carcasse de four extérieure 12 séparant une partie intérieure du four 10 de l'extérieur et définissant un certain volume dans celui-ci. Un suscepteur 14 est disposé à l'intérieur du volume du four 10. Comme on le sait bien dans la technique, un suscepteur est généralement une structure qui s'échauffe en présence d'un champ magnétique généré par un courant alternatif. Le suscepteur 14 dans un four de CVI/CVD peut par exemple comprendre une ou plusieurs parois 16, un plancher 18, et un plafond 20 qui définissent collectivement un autre volume, ou chambre de réaction, à l'intérieur du volume total dans le four 10. Les objets devant être traités, tels que des préformes de freins poreux, sont placés dans le volume 21 défini par le suscepteur 14. Un système pour chauffer le four est illustré de façon générique en 22. Par exemple, dans le cas d'un four chauffé par induction, le système de chauffage 22 est constitué d'une ou plusieurs bobines électriques connectées à une source d'énergie électrique externe de puissance appropriée. On considère que les bobines électriques de cette nature sont connues de l'homme du métier et, par conséquent, ne sont ici ni décrites en détail ni illustrées. Afin d'augmenter le rendement de chauffage du suscepteur 14, une isolation thermique 23 peut être disposée sur une partie extérieure d'une ou plusieurs surfaces du suscepteur 14. L'isolation thermique est classique dans la technique, et peut être un matériau isolant thermique à base de céramique ou une isolation en fibres de carbone, en particulier en fibres de carbone formant des couches empilées successivement. Un ou plusieurs passages d'entrée de gaz 24 sont disposés dans le suscepteur 14 en étant formés par exemple à travers le plancher 18 de celui-ci, un seul passage d'entrée de gaz 24 est illustré sur la Figure 1 dans le but de simplifier l'illustration). Le gaz réactif (par exemple un gaz hydrocarboné) est introduit dans le four 10 au moyen d'une conduite 26 qui traverse la paroi de four 12 depuis l'extérieur. La conduite 26 se raccorde au passage d'entrée de gaz 24 et peut être fixée à celui-ci ou être placée en relation avec celui-ci par n'importe quel procédé convenable, tel que boulonnage, ou soudage. D'une façon générale, il est préférable qu'il n'y ait que peu ou pas de fuite de gaz réactif à l'interface entre la conduite 26 et le suscepteur 14. Le flux de gaz réactif dans la conduite 26 est représenté par la flèche marquée A sur la Figure 1. En général, le gaz réactif s'échappe (par des systèmes de circulation de gaz conventionnels, tels que des ventilateurs, des soufflantes à aspiration, etc, non illustrés) ou est extrait d'une autre façon de l'espace de travail à travers un ou plusieurs passages de sortie de gaz 28 formés par exemple à travers le plafond 20, comme le montrent les flèches marquées B. Ensuite, le gaz réactif sort ou est forcé de sortir du four 10 au moyen d'une ou plusieurs sorties de four 30, comme indiqué globalement par les flèches marquées C. Conformément à un exemple de la présente invention, le volume intérieur du four défini par la carcasse 12 peut être divisé de façon à définir la zone de chauffage susmentionnée. Par exemple, comme le montre la Figure 1, un "panneau" ou paroi annulaire 32 est disposé et s'étend radialement entre une surface intérieure de carcasse 12 et une surface extérieure de suscepteur 14. La paroi 32 est fixée en place par n'importe quel procédé de fixation conventionnel convenant pour l'environnement opérationnel à l'intérieur du four 10. Plus particulièrement, la paroi 32 est scellée (par exemple par soudage, ou au moyen d'éléments de scellement physiques) au niveau de ses deux bords radialement intérieur et extérieur de façon à obtenir une étanchéité aux gaz pratiquement totale vis-à-vis du passage d'un gaz entre la surface intérieure de carcasse et la surface extérieure de suscepteur au niveau de la paroi 32. La paroi 32 peut, de façon souhaitable, comprendre un assemblage de couches, tel qu'un empilement de couches céramiques rigides et/ou flexibles. Un gaz inerte, tel que l'argon ou l'azote, est délivré à la zone de chauffage au moyen d'une conduite d'apport de gaz inerte 34, comme le montre la flèche marquée D sur la Figure 1. Le flux D de gaz inerte peut être régulé par une vanne conventionnelle 36. Avec une régulation donnée au moyen de la vanne 36, on peut obtenir un flux de gaz D qui maintient une pression prédéterminée P1 dans la zone de chauffage (telle que détectée par le détecteur de pression 38 illustré schématiquement). En parallèle, la pression P2 dans l'autre partie du volume défini à l'intérieur de la carcasse de four 32 dans laquelle le gaz réactif est présent (parfois appelée ici zone de réaction) est détectée par un autre détecteur de pression 40. Les pressions détectées P1 et P2 peuvent être délivrées ensemble à un contrôleur de vanne 42 (de préférence un contrôleur de vanne automatique) de sorte que le flux de gaz inerte D maintienne un différentiel de pression positif particulier dans la zone de chauffage par rapport au reste du volume dans la carcasse de four 10. Par exemple, le différentiel de pression devant être maintenu peut être d'environ +0,5 à environ +5 millibars en faveur de la zone de chauffage, et plus spécifiquement d'environ +1 à environ +2 millibars en faveur de la zone de chauffage. Cette légère surpression dans la zone de chauffage s'oppose à une fuite ou autre entrée du gaz réactif dans la zone de chauffage. Comme mentionné ci-dessus, la surveillance des pressions P1 et P2 peut avantageusement être automatique. Par exemple, la différence de pression entre les pressions détectées par chaque détecteur 38, 40 pourrait être calculée automatiquement à intervalles réguliers et délivrée au contrôleur de vanne 42. Ce résultat peut ensuite être utilisé pour l'ajustement automatique du flux D de gaz inerte dans la zone de chauffage. On appréciera le fait que le flux de gaz inerte peut aussi être surveillé, de façon qu'une consommation élevée inhabituelle de gaz inerte, ayant pour but de maintenir une pression donnée dans la zone de chauffage, puisse être prise comme une indication d'une fuite de gaz dans l'intégrité de la zone de chauffage, en particulier au niveau de la paroi 32. Cette détermination pourrait être utilisée pour le déclenchement d'une alarme perceptible par l'utilisateur, ou pourrait être utilisée en tant que signal de déclenchement d'un système de contrôle pour le déclenchement automatique d'un protocole de réponse. L'application de la présente invention à un four chauffé, d'une autre façon, par un système de chauffage résistif, n'est pas sensiblement différente de celle pour un four chauffé par induction. La Figure 2 est une vue en coupe transversale partielle illustrant un exemple de la façon dont les éléments sont agencés dans un système de chauffage résistif, mais fondamentalement, les mêmes concepts que ceux expliqués ci-dessus s'appliquent. A savoir, une partie du volume défini par la carcasse de four 12', dans laquelle est disposé le système de chauffage résistif, est séparée, de manière étanche aux gaz, du reste du volume à l'intérieur de la carcasse de four 12' où le gaz réactif est présent. Une chambre de réaction 14' est disposée à l'intérieur de la carcasse de four 12', dans laquelle sont placés les objets devant être traités. Un ou plusieurs éléments résistifs 25 peuvent ensuite être placés en contact avec l'extérieur de la chambre de réaction 14', ou au moins adjacents à celui-ci. Les éléments résistifs 25 peuvent avoir diverses configurations conventionnelles. Dans un exemple typique, les éléments résistifs sont des éléments allongés. Tout comme dans le four chauffé par induction, une couche d'isolation thermique 23' peut être disposée pour augmenter le rendement de chauffage du four. Toutefois, nonobstant l'agencement différent du système de chauffage quand un chauffage par résistance est utilisé, la même configuration globale à l'intérieur de la carcasse de four 12' s'applique comme dans le four chauffé par induction. A savoir, les éléments du système chauffant résistif sont isolés de façon similaire d'une partie du four contenant le gaz réactif, si bien que la description de l'agencement d'une paroi de séparation et du système de gaz inerte n'est pas répétée. Bien que la présente invention ait été décrite ci-dessus par référence à certains exemples particuliers dans le but d'illustrer et d'expliquer l'invention, on doit comprendre que l'invention n'est pas limitée uniquement par la référence aux détails spécifiques de ces exemples. De façon plus spécifique, l'homme du métier appréciera facilement que des modifications et développements peuvent être effectués dans les modes de réalisation préférés sans que l'on s'écarte du cadre de l'invention telle qu'elle est définie dans les revendications jointes. 25 30 REVENDICATIONS 1. Four (10) de CVI/CVD comprenant : une carcasse de four extérieure (12 ; 12') définissant un premier volume à l'intérieur du four (10); une chambre de réaction (14 ; 14') disposée dans la carcasse de four, dans laquelle est placé un élément devant être traité ; un système de chauffage (22) pour chauffer au moins la chambre de réaction ; et un système de circulation de gaz réactif pour introduire un gaz réactif dans la chambre de réaction depuis une partie extérieure de la carcasse de four et pour extraire le gaz réactif hors de la chambre de réaction vers l'extérieur de la carcasse de four ; caractérisé en ce que : une partie du premier volume, dans laquelle se trouve le système de chauffage (22), est isolée d'une manière pratiquement étanche aux gaz vis-à-vis d'une zone de réaction dans le premier volume où se trouve le gaz réactif, en définissant ainsi une zone de chauffage ; et le four comprend en outre un système de circulation de gaz inerte (34) construit et agencé de façon à délivrer un gaz inerte à la zone de chauffage à un débit qui crée un différentiel de pression positif vis-à-vis d'une pression à l'intérieur du reste du premier volume dans lequel se trouve le gaz réactif, de façon à s'opposer à l'entrée d'un flux de gaz réactif dans la zone de chauffage. 2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur de pression (38) de zone dechauffage construit et agencé pour déterminer une pression à l'intérieur de la zone de chauffage, dans lequel le système de circulation de gaz inerte comprend un régulateur de flux, le régulateur de flux pouvant opérer en correspondance avec la pression détectée à l'intérieur de la zone de chauffage de manière à régler un débit de gaz inerte ayant pour résultat une pression prédéterminée (P1) à l'intérieur de la zone de chauffage. 3. Four selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un détecteur de pression (40) de zone de réaction construit et agencé pour déterminer une pression à l'intérieur de la zone de réaction dans laquelle se trouve un gaz réactif, dans lequel le régulateur de flux du système de circulation de gaz inerte est construit et agencé de manière à contrôler le flux de gaz inerte dans la zone de chauffage au moins partiellement sur la base de la pression (P2) détectée à l'intérieur de la zone de réaction, de façon qu'on obtienne un différentiel de pression positif prédéterminé entre la zone de chauffage et la zone de réaction. 4. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une alarme pour signaler une variation du flux de gaz inerte nécessaire pour le maintien d'une pression donnée à l'intérieur de la zone de chauffage. 5. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le système de chauffage est un 30 système de chauffage inductif. 6. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le système de chauffage est un système de chauffage résistif. 7. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la chambre de réaction comprend un ou plusieurs composants parmi un élément de paroi (16), un élément de plancher (18), et un élément de plafond (20). 8. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une conduite (26) d'entrée de gaz réactif agencée de manière à convoyer un gaz réactif depuis une partie extérieure de la carcasse de four vers une ouverture d'entrée (24) de gaz réactif formée dans la chambre de réaction. 9. Four l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une ouverture de sortie (28) de gaz réactif dans la chambre de réaction. 10. Four selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend une sortie (30) de gaz réactif disposée dans la carcasse de four. 25 11. Four selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un contrôleur (42) pour commander automatiquement le régulateur de flux sur la base de l'une ou des deux parmi la pression détectée de la zone de chauffage et la pression de la zone de réaction. 30 12. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une paroi (32) formant barrière pour séparer la20zone de chauffage vis-à-vis de la zone de réaction, la paroi formant barrière contenant au moins une couche de céramique.