INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Fig. 6b est vue consécutive de la , pour laquelle l’arbre support, ainsi que le cylindre de travail neuf maintenu par le deuxième couple de doigts est inséré dans la cage de laminoir, par déplacement de l’outil de saisie suivant l’axe de l’arbre support et dans une position où le deuxième doigt est centré avec la cavité de centrage du cylindre de travail du laminoir à saisir, du côté de la fenêtre d’accès du laminoir, et alors que le premier doigt est dans la position escamotée, désaxée par rapport au premier doigt, autorisant une telle insertion sans risque d’accroche du cylindre de travail par le premier doigt, en direction du côté de la cage opposé au côté de la fenêtre d’accès par laquelle est inséré l’outil de saisie.
Fig. 6c est vue selon la , vue du côté de la motorisation du laminoir, à savoir le côté opposé à une fenêtre d’insertion de l’outil de saisie, illustrant en détail le premier doigt alors dans la position escamotée, désaxé par rapport à la cavité de centrage du cylindre de travail à saisir, positionné sous le cylindre de travail supérieur et d’un couple de rampes d’aspersion, la vue illustrant le cylindre de travail à saisir, soutenu dans un berceau formé par des appuis du couple de rampes d’aspersion, positionnées au-dessus du plan de la bande métallique à laminer, l’outil de saisie dans la première position d’écartement pour laquelle les premier et deuxième doigts sont écartés, suivant la direction de l’arbre support d’une dimension supérieure à la longueur du cylindre de travail.
Fig. 6d est vue consécutive de la , pour laquelle le premier doigt est passé de la position escamotée jusqu’à la position de centrage, par pivotement du bras pivotant sur l’arbre support, le premier doigt agencé à une première extrémité du bras pivotant opposée à l’extrémité articulé du bras pivotant, le bras pivotant sur l’arbre support, au niveau d’une deuxième extrémité du bras pivotant, le premier doigt alors aligné à la cavité de centrage du flanc du cylindre de travail à saisir, l’outil de saisie toujours la première position d’écartement pour laquelle les doigts sont écartés, suivant la direction de l’arbre support d’une dimension supérieure à la longueur du cylindre de travail.
Fig. 6e est vue consécutive à la pour laquelle le premier doigt et le deuxième doigt sont rapprochés l’un de l’autre afin de pénétrer respectivement les cavités de centrage des deux flancs du cylindre de travail, et ainsi saisir le cylindre de travail, de la première position jusqu’à la deuxième position de l’outil de saisie, de préférence par déplacement du premier doigt et du deuxième doigt par rapport à l’arbre support.
Fig. 6f est vue consécutive de la pour lequel le cylindre de travail saisi par le premier couple de doigts à la est extrait au moins partiellement de la cage du laminoir, conjointement avec le cylindre de travail maintenu par le deuxième couple de doigts, jusqu’à une position où le cylindre de travail saisi par le premier couple de doigts est dégagé du berceau formé par le couple de rampes d’aspersion.
Fig. 7a est une vue consécutive de la pour laquelle l’outil de saisie est pivoté autour de son axe, afin d’aligner le cylindre neuf avec le berceau formé par le couple de rampes d’aspersion, avantageusement sans avoir déposé le cylindre de travail usé, maintenu par le premier couple de doigts.
Fig. 7b est une vue consécutive de la pour lequel le cylindre de travail neuf, maintenu par le deuxième couple de doigts est inséré dans le berceau formé par le couple de rampe, par déplacement de l’outil de saisie suivant l’axe de l’arbre support, puis le cylindre de travail neuf, est relâché, par déplacement de l’outil de saisie d’une quatrième position de l’outil de saisie pour laquelle le troisième doigt et le quatrième doigt sont engagés dans des cavité de centrage du cylindre de travail jusqu’à une troisième position pour laquelle le troisième doigt et le quatrième doigt sont écartés d’un distance supérieur à la longueur du cylindre de travail, échappant les cavités de centrage.
Dans d’autres modes de réalisation, le réservoir de CO2 est à la pression de 50 bar et à la température de 8 °C.
Dans des modes de réalisation, le CO2 est disponible sous forme liquide à une pression et température donnée, et un dispositif de compression puis un échangeur thermique permettent de mettre à disposition du CO2 à une pression et une température plus élevée au niveau de la ligne d’alimentation.
Dans des modes de réalisation, la quantité de CO2 injectée dans le dispositif via la ligne d’alimentation en CO2 est précisément dosée grâce au système de dosage en débit et précisément mesurée grâce au système de mesure de quantité. Conjugué au très faible taux de perte de CO2, cela permet d’avoir une mesure en continu de la quantité de CO2 piégé dans les matériaux
Dans des modes de réalisation, le système de dosage en débit est une vanne actionnable.
Dans des modes de réalisation, le système de mesure de quantité est un débit-mètre.
Dans des modes de réalisation, on dispose d’une instrumentation permettant de mesurer la concentration en CO2 présente au niveau du compartiment inférieur et au niveau du compartiment supérieur. Cela permet de quantifier précisément les pertes de CO2 et donc le rendement carbone, lors de l’ouverture des trappes actionnables du réacteur donnant sur l’air ambiant.
Dans des modes de réalisation, le dispositif d’extraction du CO2 des compartiments inférieurs des réacteurs extrait le CO2 vers le circuit principal après le réacteur au lieu de l’envoyer dans les compartiments supérieurs des réacteurs. Cela peut permettre de réduire les coûts dans le cas de plusieurs réacteurs.
Dans des modes de réalisation, le réservoir de CO2 liquide est positionné physiquement au-dessus de la pompe de manière à éviter la cavitation de celle-ci.
Dans des modes de réalisation, le dispositif (20) comporte un ensemble de plusieurs réacteurs (210) connectés de manière parallèle et opérant chacun avec un décalage temporel équivalent à la durée de carbonatation divisé par le nombre de réacteurs (210) ;
Selon un troisième aspect, la présente invention vise un dispositif de carbonatation de matériaux, qui comporte : Un dispositif de carbonatation de matériaux, selon le second aspect de l’invention Un circuit pompe à chaleur intégré, comprenant à minima: Un compresseur ; Un dispositif de détente de gaz ; Un fluide de travail ; Un ensemble de tuyauteries connectant le compresseur, la vanne de détente, l’échangeur de type réchauffeur de CO2 et l’échangeur de type condenseur de CO2 gazeux, caractérisé selon que :
L’échangeur de type réchauffeur de CO2 du dispositif de carbonatation de matériaux réchauffe le flux de CO2 et en condensant et/ou refroidissant le fluide de travail. Il est situé en amont du dispositif de détente de gaz;
L’échangeur de type condenseur de CO2 du dispositif de carbonatation de matériaux refroidit et/ou liquéfie le flux de CO2 en réchauffant et/ou évaporant le fluide de travail. Il est situé en amont du compresseur ;
Les buts, avantages et caractéristiques particulières du dispositif objet du deuxième aspect de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet du premier aspect objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici
En plus de ces avantages, ce troisième aspect permet d’optimiser la consommation énergétique et l’autonomie du procédé.
Dans des modes de réalisation, l’échangeur condenseur de CO2 du dispositif de carbonatation de matériaux est également l’évaporateur du circuit pompe à chaleur et l’échangeur réchauffeur de CO2 est également le condenseur du circuit pompe à chaleur.
Dans des modes réalisation, le fluide de travail du circuit pompe à chaleur est également du CO2 sous pression.
OBJET DE L’INVENTION La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un réacteur de carbonatation de matériaux (110), qui comporte : Un ensemble de compartiments au minimum de 3, empilés verticalement et séparés chacun l’un de l’autre par une trappe actionnable, le compartiment principal (112) étant positionné entre deux compartiments. Un ou plusieurs compartiments supérieurs (111), situés au-dessus du compartiment principal (112) ; Un ou plusieurs compartiments inférieurs (113), situés au-dessous du compartiment principal (112) ; une trappe actionnable (114) entre l’air ambiant et les compartiments supérieurs (111), faisant office d’entrée des matériaux à carbonater ; une trappe actionnable (115) entre les compartiments supérieurs (111) et le compartiment principal (112) ; une trappe actionnable (116) entre le compartiment principal (112) et les compartiment inférieurs (113) ; une trappe actionnable (117) entre les compartiments inférieurs (113) et l’air ambiant, faisant office de sortie des matériaux carbonatés ; Une entrée pour le CO2 supercritique pour le compartiment principal, avec une vanne d’alimentation (118) ; Une sortie pour le CO2 supercritique pour le compartiment principal, avec une vanne d’extraction (119) ; Un évent d’évacuation (120) dans les compartiments supérieurs (111) situés au-dessus du compartiment central (112), avec un dispositif d’ouverture piloté et étanche ; Un dispositif d’aspiration du CO2 gazeux (121) connectant les compartiments inférieurs (113) aux compartiments supérieurs (111), et comportant un dispositif de transfert (122);
Dans des modes de réalisation, les matériaux introduits en haut de réacteur vont descendre par étape dans les compartiments, jusqu’à rejoindre le compartiment principal où une quantité de CO2 sera injecté, sous forme supercritique, et où la réaction de carbonatation aura principalement lieu. Les compartiments supérieurs jouent ainsi le rôle de sas pour éviter la perte de CO2 en améliorant l’étanchéité, et maximiser le rendement carbone.
Dans des modes de réalisation, chaque compartiment est étanche. Les fluides (CO2 gaz ou CO2 supercritique) ne peuvent entrer ou sortir des compartiments que lors de l’ouverture d’une vanne, d’une trappe ou via un dispositif d’extraction. Cela permet d’une part d’éviter la perte de CO2 et ainsi de maximiser le rendement carbone, et d’autre part, de connaitre précisément la quantité de CO2 piégé.
Dans des modes de réalisation, les matériaux carbonatés dans le compartiment principal descendent progressivement dans les compartiments inférieurs, jusqu’à la sortie. Ce séquencement permet de garantir une bonne étanchéité et une carbonatation maximale.
Dans des modes de réalisation, le volume utile de certain compartiment peut être variable, via la présence d’un piston en plus de la présence de trappe actionnable. Cela permet de mieux contrôler la pression dans les compartiments
Dans des modes de réalisation, plusieurs réacteurs sont connectés en parallèle sur le circuit principal. Cela permet d’augmenter le débit de matériaux traités.
Dans des modes de réalisation, le compartiment central dispose d’un volume plus grand que le compartiment supérieur. Cela permet de faciliter la gestion de l’écoulement des matériaux dans le réacteur.
Dans des modes de réalisation, le CO2 gazeux issu des compartiments inférieurs est injecté dans les compartiments supérieurs via le dispositif d’extraction. Cela permet les avantages suivants : de première part d’éviter la perte de CO2 à l’ouverture du compartiment inférieur donnant sur l’air libre et donc d’améliorer le rendement carbone ; de deuxième part, de chasser en partie l’air des compartiments supérieurs ; de troisième part, de démarrer la réaction de carbonatation dans les compartiments supérieurs ; de quatrième part, de contribuer à la mesure précise de la quantité piégée dans les matériaux.
Dans des modes de réalisation, le réacteur comporte plusieurs compartiments inférieurs, munis de dispositifs d’extraction de gaz et permettant la réinjection du gaz (majoritairement du CO2) dans les comportements supérieurs. Cela permet d’améliorer encore le rendement carbone.
Dans des modes de réalisation, les vannes à l’entrée et à la sortie du réacteur sont très proches du réacteur. Cela permet de mieux doser la quantité de CO2 à carbonater dans le compartiment principal et de mieux contrôler la pression finale en fin de carbonatation, et ainsi de mieux contrôler le cycle thermodynamique.
Dans des modes de réalisation, la quantité de matériaux introduite dans le compartiment supérieur est dosée précisément par rapport à la quantité de CO2 injectée dans le compartiment principal, pour maximiser la carbonatation et la gestion de la pression dans le réacteur.
Dans des modes de réalisation, ce dosage se fait via par le remplissage de l’intégralité du compartiment supérieur, dont le volume est connu, avec un dispositif de récupération des matériaux, de type racleur, les matériaux étant à réincorporer dans le prochain chargement. Via la connaissance de la densité des matériaux en vrac, cela permet de connaitre approximativement la masse de matériaux introduite.
Dans des modes de réalisations, la trappe actionnable entre le compartiment supérieur et le compartiment principal comporte des dispositifs internes fixes ou mobiles permettant de créer un léger mélange au sein des matériaux. Cela permet d’améliorer la réaction de carbonatation.
Dans des modes de réalisations, les trappes actionnables entre compartiments peuvent disposer d’un mode d’ouverture progressif et piloté, c’est dire que la vitesse d’ouverture peut être régulée.
Dans des modes de réalisations, deux actions permettent de réduire la pression dans le compartiment principal à une pression inférieure à la pression critique de 73,7 bar : d’une part la réaction de carbonatation, via la consommation de CO2 passant de l’état gazeux à l’état solide, et d’autre part, l’ouverture de la trappe inférieure permettant de mutualiser les volumes du compartiment principal et du compartiment directement inférieur. Cela permet de transformer le CO2 supercritique en CO2 gazeux par diminution de la pression, et ainsi de séparer plus facilement le flux de CO2, du flux de matériaux.
Dans des modes de réalisation, le CO2 introduit dans le réacteur est à l’état liquide, à une pression comprise entre 75 bar et 130 bar et à une température comprise entre 37 °C et 100 °C, et le CO2 ressortant du réacteur est à l’état gazeux, à une pression entre 20 bar et 70 bar et une température entre 20 °C et 80 °C. Ce choix permet d’optimiser la réaction de carbonatation et la séparation matériaux, CO2 non réactif dans le réacteur.
En référence à la , on réalise un empilement cristallin 10 similaire à celui de la , qui s’en distingue en ce qu’il comporte une couche intercalaire de reprise d’épitaxie 15, située entre et au contact de la couche inférieure 12 et de la couche intercalaire de séparation 13. Cette couche intercalaire de reprise d’épitaxie 15 est destinée à former les portions de reprise d’épitaxie 25 des mésas M2 et M3 après la suppression des portions supérieures 24 à base d’AlGaN et des portions intercalaires 23 à base d’InGaN. Elle peut être réalisée à base de GaN, par exemple en GaN ou en InGaN (avec une proportion d’indium faible, inférieure à celle de la couche intercalaire pour ne pas être gravée lors de l’étape de gravure photoélectrochimique). Elle est non intentionnellement dopée, ou faiblement dopée pour ne pas être porosifiée lors de l’étape de porosification électrochimique (niveau de dopage inférieur à celui de la couche inférieure 12). Son épaisseur est faible, par exemple de l’ordre de 10nm, pour ne pas impacter la déformabilité des mésas M1 et M3.
En référence à la , on effectue la gravure électrochimique photo-assistée de la portion intercalaire 23 d’au moins les mésas M3 et non pas des mésas M1, et ici également des mésas M2. Cette étape est identique à celle décrite précédemment en lien avec la . A la suite de cette étape, les faces supérieures des mésas M2 et M3 sont celles des portions de reprise d’épitaxie 25.
En référence à la , on effectue la porosification électrochimique des portions inférieures 22 des seules mésas M1 et M3 et non pas des mésas M2. Cette étape est identique à celle décrite précédemment en lien avec la . Du fait de la composition du matériau des portions de reprise d’épitaxie 25 des mésas M1 et M3 en termes de proportion d’indium et du niveau de dopage, ces portions ne sont pas porosifiées (comme la portion supérieure 24 des mésas M1, et à la différence des portions inférieures 22 des mésas M1 et M3).
En référence à la , on réalise les diodes D1, D2, D3. Cette étape est similaire à celles décrites précédemment en lien avec les et 1H. Notons qu’il n’est pas ici nécessaire de déposer une portion fine d’obturation des pores sur la face supérieure des mésas M3, dans la mesure où elle est formée ici de la portion de reprise d’épitaxie 25 (non porosifiée) et non pas de la portion inférieure 22 porosifiée.
Les figures 3A à 3E illustrent des étapes d’un procédé de fabrication d’un substrat de croissance 20, puis d’une matrice de diodes D1, D2, D3, selon une autre variante du premier mode de réalisation, où l’empilement cristallin 10 comporte une couche de reprise d’épitaxie 15 destinée à être porosifiée, celle-ci présentant une épaisseur plus importante que celle décrite en lien avec les -2D.
En référence à la , on réalise un empilement cristallin 10 similaire à celui de la , qui s’en distingue en ce que la couche intercalaire de reprise d’épitaxie 15, située entre et au contact de la couche inférieure 12 et de la couche intercalaire de séparation 13, est destinée à être porosifiée, et peut donc présenter une épaisseur supérieure à celle de la . Comme dans la , elle peut être réalisée à base de GaN, de préférence en InGaN avec une proportion d’indium faible, inférieure à celle de la couche intercalaire 13 pour ne pas être gravée lors de l’étape de gravure photoélectrochimique mais suffisante pour être porosifiée lors de l’étape de la . Elle est dopée de telle sorte qu’elle n’est pas porosifiée lors de l’étape de porosification électrochimique de la (inférieure à celle de la couche inférieure 12). Son épaisseur est plus importante que celle de la , par exemple de l’ordre de plusieurs centaines de nanomètres. Dans cet exemple, elle est réalisée en InGaN avec une proportion d’indium de l’ordre de 5 à 8%, dopé de type n avec un niveau de dopage compris entre 10 17 et 5×10 18 cm -3 , et d’une épaisseur égale à 200nm environ.
En référence à la , on effectue la gravure électrochimique photo-assistée de la portion intercalaire 23 d’au moins les mésas M3, et ici également des mésas M2, et non pas des mésas M1. Cette étape est identique à celle de la . A la suite de cette étape, les faces supérieures des mésas M2 et M3 sont celles des portions de reprise d’épitaxie 25.
En référence à la , on effectue une première porosification électrochimique (non photo-assistée) de la portion inférieure 22 et de la portion de reprise d’épitaxie 25 des seules mésas M1. La portion inférieure 22 des mésas M3 sera porosifiée lors d’une autre étape de porosification électrochimique. Evidemment, les deux étapes de porosification peuvent être inversées. La couche d’encapsulation 5 recouvre donc les mésas M2 et M3. Le substrat de croissance 20 est plongé dans l’électrolyte liquide, et la tension V ECE1 est appliquée (16V environ). Aussi, la portion inférieure 22 et la portion de reprise d’épitaxie 25 des mésas M1 sont porosifiées, et non pas la portion supérieure 24 à base d’AlGaN.
En référence à la , on effectue ensuite une deuxième porosification électrochimique (non photo-assistée) de la portion inférieure 22 uniquement des seules mésas M3. Ici, la couche d’encapsulation 5 recouvre les mésas M1 et M3. Une tension V ECE2 est appliquée (15V environ) dont la valeur est inférieure à V ECE1 pour ne porosifier que la portion inférieure 22 et non pas la portion de reprise d’épitaxie 25 des mésas M3. A la suite de ces deux étapes de porosification électrochimique, la face supérieure des mésas M1 est formée par la portion supérieure 24 en AlGaN non porosifié, et celles des mésas M2 et M3 sont formées par les portions de reprise d’épitaxie 25 non porosifiées.
En référence à la , on réalise les diodes D1, D2, D3. Dans la mesure où la face supérieure de l’une ou l’autre des mésas n’est pas formée par une portion porosifiée, il n’est pas nécessaire de déposer une couche fine d’obturation des pores. La réalisation des diodes D1, D2, D3 est effectuée comme décrit précédemment en lien avec la .
Les figures 4A à 4F illustrent des étapes d’un procédé de fabrication d’un substrat de croissance 20, puis d’une matrice de diodes D1, D2, D3, selon un deuxième mode de réalisation où l’étape de gravure des portions supérieures 24 à base d’AlGaN est effectuée par gravure sèche. Dans cet exemple, l’empilement cristallin 10 est similaire à celui de la , mais il pourrait également s’agir de celui de la (avec une couche de reprise d’épitaxie 15 destinée à ne pas être porosifiée), comme de celui de la (avec une couche de reprise d’épitaxie 15 destinée à être porosifiée).
En référence à la , on réalise un empilement cristallin 10 reposant sur le substrat support 2. Il est ici similaire à celui de la , et s’en distingue essentiellement en ce que la couche intercalaire de séparation 13 assure une fonction d’arrêt de gravure lors de l’étape de suppression des portions supérieures 24 d’au moins les mésas M3 (et ici également des mésas M2). Elle est réalisée à base d’InGaN avec une proportion d’indium suffisante pour assurer une sélectivité de gravure à l’interface AlGaN/InGaN.
En référence à la , on réalise ensuite les mésas M1, M2 et M3 lors d’une première étape de gravure sèche, par exemple par gravure RIE avec un premier agent de gravure. Ici, l’agent de gravure est choisi pour être en mesure de graver localement la couche supérieure 14 à base d’AlGaN, puis la couche intercalaire 13 à base d’InGaN, et enfin la couche inférieure 12 à base de GaN. Le masque de gravure peut être disposé ici de manière à protéger le haut des mésas.
On effectue ensuite une deuxième étape de gravure sèche, par exemple par gravure RIE avec un deuxième agent de gravure. Un masque de gravure 7 (masque dur) est déposé pour recouvrir les mésas M1 et laisser libre la face supérieure d’au moins les mésas M3, et ici également celle des mésas M2. Il peut également recouvrir la face libre de la couche tampon conductrice 11. Ici, le deuxième agent de gravure est choisi pour être en mesure de graver localement les portions supérieures 24 à base d’AlGaN des mésas M2 et M3, et s’arrêter sur les portions intercalaires 23. Ensuite, le masque dur 7 est retiré. A la suite de cette étape, la face supérieure des mésas M1 est formée par la portion supérieure 24 à base d’AlGaN non porosifié, et celles des mésas M2 et M3 sont formées par la portion intercalaire 23 encore présente (qui peut être gravée sur une partie de son épaisseur, en fonction des conditions opératoires de la gravure sèche).
En référence à la , on effectue une porosification électrochimique des portions inférieures 22 des seules mésas M1 et M3, et non pas des mésas M2. Cette étape est identique à celle de la . Au préalable, on réalise l’électrode 3 sur et au contact de la couche tampon conductrice 11. Puis, on réalise la couche d’encapsulation 5 qui recouvre les seules mésas M2. On plonge le substrat de croissance 20 dans l’électrolyte liquide et on applique la tension électrique V ECE . Les portions inférieures 22 des mésas M1 et M3 sont porosifiées, et non pas la portion supérieure 24 à base d’AlGaN des mésas M1. La couche d’encapsulation 5 est ensuite retirée.
En référence à la , on dépose le masque de croissance 6 sur la couche tampon conductrice 11 et sur les flancs des mésas M1, M2, M3, laissant libre une surface de la face supérieure des mésas M1, M2 et M3. On peut également réaliser un recuit de nettoyage de la face supérieure des mésas, par exemple sous ammoniac et à haute température. Ce recuit peut ici supprimer par sublimation les portions d’arrêt de gravure 23 des mésas M2 et M3 qui peuvent présenter des défauts de surface liés à la gravure sèche. A la suite de cette étape, la face supérieure des mésas M1 est formée par la portion supérieure 24 non porosifiée, celle des mésas M2 est formée par la portion inférieure 22 non porosifiée, et celle des mésas M3 est formée par la portion inférieure 22 porosifiée.