ES2282979T3 - Metodo y aparato para reciclar gases inertes. - Google Patents

Abstract

Un método para reciclar un gas inerte evacuado de una cámara (10) de proceso de deposición, comprendiendo el método: después de la evacuación enfriar el gas inerte evacuado para proporcionar un gas enfriado; recircular una proporción del gas enfriado a la cámara (10) a una primera temperatura para uso como gas enfriador en el proceso de deposición de material; y recircular una proporción del gas enfriado a la cámara (10) a una segunda temperatura para uso como gas de protección en el proceso de deposición de material, siendo la segunda temperatura mayor que la primera temperatura.

Description

Método y aparato para reciclar gases inertes.

El presente invento se refiere a un método y a un aparato para reciclar un gas inerte evacuado de una cámara de proceso de deposición de material.

Los procesos de deposición de material, tales como Deposición de Metal Conformado (SMD) y Deposición Directa por Láser (DLD), se realizan en una atmósfera de gas inerte para impedir la oxidación del material depositado. Tales procesos son normalmente realizados en una cámara, por ejemplo con una pequeña sobrepresión interna, a la que se suministra el gas inerte.

Convencionalmente, el gas inerte se suministra a la cámara y es desechado después de su uso, de modo que se necesita un suministro constante de gas. Esto es ineficiente, especialmente cuando los gases inertes que tienen una gran capacidad de calor específico, tales como el helio, se usan aunque tienden a ser caros.

Sería, por consiguiente, necesario reducir las desventajas de los procesos conocidos.

Es conocido superar estas desventajas reciclando el gas inerte evacuado de las cámaras de proceso de deposición del material. Los documentos US-A-6113754, EP-A-0757918 y US-A-5897682 divulgan cámaras de deposición de material diferentes en las que un gas es enfriado después de su evacuación y después es hecho recircular nuevamente dentro de la cámara de proceso.

De acuerdo con un aspecto del presente invento se ha proporcionado un método para reciclar un gas inerte evacuado de una cámara de proceso de deposición de material, comprendiendo el método:

después de la evacuación enfriamiento del gas inerte evacuado para proporcionar un gas enfriado;

recircular una proporción del gas enfriado a la cámara a una primera temperatura para uso como gas enfriador en el proceso de deposición de material; y

recircular una proporción del gas enfriado a la cámara a una segunda temperatura para uso como gas de protección en el proceso de deposición de material, siendo la segunda temperatura más alta que la primera temperatura.

De acuerdo con otro aspecto del presente invento se provee un aparato para reciclar un gas inerte evacuado de una cámara de proceso de deposición de material, comprendiendo el aparato medios para enfriar el gas inerte evacuado para proporcionar un gas enfriado, medios para recircular una proporción del gas enfriado a la cámara a una primera temperatura para uso como gas enfriador en el proceso de deposición de material, y medios para recircular una proporción del gas enfriado a la cámara a una segunda temperatura para uso como gas de protección en el proceso de deposición de material, siendo la segunda temperatura más alta que la primera temperatura.

Las características preferidas del invento están definidas en las reivindicaciones anejas.

A continuación se describirá, a modo de ejemplo, una realización del invento solamente y con referencia a los dibujos anejos, en los que:

la Figura 1 es una vista esquemática de un método y de un aparato para reciclar gas inerte de acuerdo con el invento; y

la Figura 2 es una vista detallada del método y del aparato en uso con un proceso de deposición de
material.

La Figura 1 ilustra en forma de diagrama una cámara 10 de proceso de deposición de material en la que se realiza un proceso de deposición de material, designado generalmente con el número de referencia 12. La cámara 10 tiene la forma de una cámara de gas a la que se suministra un gas inerte. La cámara 10 está hecha estanca a un alto grado y el gas se suministra a la cámara 10 de forma que haya una pequeña sobrepresión interna. La cámara 10 contiene una pequeña cantidad de oxígeno, y de esta forma proporciona una atmósfera de gas inerte 14 en la que se puede realizar el proceso de deposición 12 de material.

Con referencia a la Figura 2, se muestra un ejemplo de un proceso 12 de deposición de material realizado en la cámara 10. El proceso 12 de deposición de material es un proceso de Deposición de Metal Conformado (SMD) en el que una fuente de calor, por ejemplo se usa un soplete oxiacetilénico 16 de gas inerte de tungsteno (TIG) para crear un arco y fundir un alambre de metal de aportación 18. Cuando está fundido, el alambre de metal de aportación 18 se deposita sobre una capa subyacente de material y se solidifica para formar el material depositado 20. Por supuesto, se apreciará que el proceso 12 de deposición de material puede realizarse usando cualquier fuente de calor apropiada que no sea el soplete oxiacetilénico TIG 16, el cual requiere una atmósfera inerte. Alternativamente pueden emplearse técnicas tales como deposición por láser y polvo o alambre, haz de electrones a baja presión, etc.

Con el fin de optimizar las propiedades del material depositado 20 es necesario controlar la temperatura y la tasa de enfriamiento a la que se realiza el proceso de deposición 12. Un método por el cual se puede controlar la temperatura y la tasa de enfriamiento es usar un gas inerte. El presente invento proporciona un aparato 22 para reciclar el gas inerte usado en el proceso de deposición 12 de material, que permite que la temperatura del gas sea controlado de forma cuidadosa, como a continuación se describirá.

Con referencia nuevamente a la Figura 1, el aparato 22 comprende un sistema en ciclo cerrado para bombear gas inerte de la cámara 10 y recircularlo a la cámara 10. El aparato 22 preferiblemente funciona para bombear continuamente gas inerte y recircularlo a la cámara 10. El aparato 22 comprende un primer camino 24 a lo largo del cual el gas es evacuado de la cámara 10 y es suministrado a un lavador de gases 26. El lavador de gases 26 puede funcionar para purificar el gas evacuado de la cámara 10 eliminando oxígeno y humedad, y puede eliminar otros gases tales como nitrógeno e hidrógeno. Se puede utilizar cualquier lavador de gases 26 apropiado, por ejemplo que comprenda una combinación de calentadores y catalizadores para hacer que el gas evacuado reaccione y, por tanto, purifique el gas.

También se puede disponer un deshumidificador (no mostrado) para eliminar la humedad del gas inerte evacuado.

A la salida del lavador de gases 26, una proporción del gas purificado, que puede por ejemplo estar a una temperatura del orden de 20ºC, se suministra a lo largo de un segundo camino 28 a un medio para enfriar el gas evacuado en forma de un enfriador o refrigerador 30. El enfriador 30 de gas puede funcionar para enfriar el gas inerte evacuado a una primera temperatura que puede, por ejemplo, ser del orden de -160ºC. Se disponen medios en forma de una bomba 32 para recircular una proporción del gas enfriado a la primera temperatura a la cámara 14. El gas es recirculado a lo largo de una tubería 34 de gas aislada térmicamente y es suministrado a la cámara 14 utilizando una válvula 36 que tiene un coeficiente de expansión térmica adecuadamente bajo.

El gas enfriado recirculado a la primera temperatura se usa como gas enfriador en el proceso de deposición 12 de material y en particular permite que la tasa de enfriamiento del material depositado 20 sea controlada cuidadosamente. Con referencia a la Figura 2, de acuerdo con una realización del invento, el aparato 22 incluye una lente de gas 38, que puede, por ejemplo, ser una lente de gas cerámica, para dirigir un chorro 40 del gas enfriado a la primera temperatura directamente hacia el material depositado 20 para enfriar el material depositado 20. El medio de protección, en forma de una pantalla o de un deflector 42, está montado en el extremo de la lente de gas 38 y está situado entre el extremo del soplete oxiacetilénico TIG 16 y el chorro de gas 40 para proteger el arco formado por el soplete oxiacetilénico TIG 16 de la turbulencia formada por el chorro 43 en la inmediata vecindad del arco, y también de la muy baja primera temperatura a la que el gas es enfriado. La exposición del arco a tal baja temperatura puede evitar el adecuado mezclado del alambre del metal de aportación 18 y así impedir la deposición de material.

La tasa de flujo del gas que forma el chorro de gas 40 es variable para permitir la tasa de enfriamiento del material depositado 20 sea controlado cuidadosamente. A pesar de que solamente está ilustrado un chorro de gas 40, se ha de sobreentender que puede disponerse un número cualquiera de chorros de gas 40 de acuerdo con la aplicación particular. En este caso, la tasa de flujo de cada chorro de gas 40 puede variar independientemente para controlar la tasa de enfriamiento del material depositado 20.

Cuando se dispone una pluralidad de chorros de gas 40, la temperatura del gas suministrado por cada chorro 40 puede ser independientemente variable bien como una alternativa, o además de la tasa de flujo del gas. Esto además contribuye a la capacidad para controlar la tasa de enfriamiento del material depositado 20.

Con referencia nuevamente a la Figura 1, el aparato 22 incluye un dispositivo de mezcla de gas en la forma de un mezclador de gas 42. Una proporción del gas sin enfriar del lavador de gases 26 es alimentado a lo largo de un tercer camino 44 al mezclador de gas 42. Igualmente, una proporción del gas que ha sido enfriado a la primera temperatura en el enfriador de gas 30 es alimentado a lo largo de un cuarto camino 46 desde el enfriador de gas 30 al mezclador de gas 42. El gas sin enfriar procedente del lavador de gases 26 y el gas enfriado hasta la primera temperatura se mezclan en el mezclador de gases 42 para de esta forma elevar la temperatura del gas enfriado desde la primera temperatura hasta una segunda temperatura, que es más alta que la primera temperatura. Por ejemplo, la segunda temperatura puede ser del orden de 15-20ºC.

A la salida del mezclador de gas 42, el gas a la segunda temperatura es recirculado a la cámara 10 a lo largo de un quinto camino 48. La mayor parte del gas a la segunda temperatura se suministra al soplete oxiacetilénico TIG 16 donde actúa como gas de protección en el proceso de deposición 12 de material. Una pequeña proporción del gas puede también ser dirigida hacia un equipo, tal como una cámara de control 50, situada en la cámara 10 para enfriar el equipo e impedir que sufra daños.

En una realización a modo de ejemplo, el gas de enfriamiento enfriado a la primera temperatura puede ser recirculado a la cámara 10 a lo largo del tubo 34 con una tasa de flujo volumétrico del orden de, por ejemplo, entre 1.000 y 2.000 litros por minuto, mientras que el gas de protección a la segunda temperatura puede ser recirculado a la cámara 10 a lo largo del quinto camino 48 con una tasa de flujo volumétrico del orden de, por ejemplo, entre 15 y 100 litros por minuto. Sin embargo, se apreciará que cualesquiera tasas de flujo adecuadas pueden seleccionarse y dependerán de la naturaleza del proceso, de la cantidad requerida de enfriamiento del gas evacuado, y de la requerida tasa de enfriamiento de material depositado 20.

Como se ha mencionado, el gas es suministrado a la cámara 10 de forma que exista una pequeña sobrepresión interna, y esto asegura que cualquier fuga que pueda producirse entre la cámara 10 y la atmósfera exterior sea de la cámara 10 y no a la cámara 10. El flujo constante de gas alrededor del sistema de ciclo cerrado, y en particular la evacuación del gas de la cámara 10 a lo largo del primer camino 24 a través de un estrechamiento, asegura que se establezca una contrapresión dentro de la cámara, con lo que se mantiene la cámara 10 a una presión positiva. En la realización ilustrada, el gas es evacuado de la cámara 10 a través de un estrechamiento formado directamente en una pared lateral de la cámara 10. En otra realización, una pared lateral de la cámara 10 puede incluir una pluralidad de perforaciones en toda su superficie para así actuar como un difusor inverso. Esto aseguraría un flujo constante de gas sustancialmente a través de toda la sección recta de la cámara 10. Sería todavía necesario disponer un estrechamiento antes de evacuar el gas a lo largo del primer camino 24 para establecer una contrapresión y de esta forma mantener la cámara 10 a una presión positiva.

Con el fin de permitir una optimización del enfriamiento del material depositado 20 y del gas de protección del proceso de deposición, el aparato 22 incluye un sistema de monitorización de temperatura (no mostrado). El sistema de monitorización de temperatura incluye sensores de temperatura que funcionan para monitorizar al menos las temperaturas primera y segunda, y alternativamente o además la temperatura del material depositado 20 y la temperatura del arco del proceso de deposición 12 de material. El sistema de monitorización de temperatura incluye un controlador que funciona para ajustar la cantidad de enfriamiento del gas evacuado, por ejemplo variando la tasa de flujo de gas evacuado a través del enfriador de gas 30, para así variar las temperaturas primera y/o segunda. Se pueden disponer también medios adicionales para variar la temperatura del gas.

El aparato 20 puede también incluir un sistema de monitorización de la presión para permitir que la presión dentro de la cámara 10 sea cuidadosamente monitorizada y controlada.

Se ha proporcionado así un método y aparato 22 para reciclar un gas inerte evacuado de una cámara de deposición 10 de material. El método y el aparato aseguran que el gas inerte usado en la cámara 10 sea continuamente reciclado y reutilizado en vez de ser desechado después de su uso. El uso del aparato 22 es, por tanto, particularmente ventajoso cuando el gas inerte es un gas expansivo, tal como el helio. Esto se debe a que a las altas tasas de flujo volumétrico requeridas no es económico usar helio y desechar el gas después de utilizado. El método y el aparato 22 pueden, sin embargo, ser usados para reciclar cualquier gas inerte o cualquier mezcla de gases inertes, por ejemplo una mezcla de argón y he-
lio.

A pesar de que las realizaciones del invento han sido descritas en los parágrafos anteriores haciendo referencia a diversos ejemplos, se debería observar que se pueden realizar varias modificaciones en los ejemplos dados sin apartarse del alcance del presente invento, como se reivindica. Por ejemplo, el aparato puede comprender, al menos, dos enfriadores de gas 30, uno para enfriar una proporción del gas evacuado a la primera temperatura y el otro para enfriar una proporción del gas evacuado a la segunda temperatura. Según las circunstancias, el uso de un mezclador de gas 42 puede no ser necesario.

Claims (20)

1. Un método para reciclar un gas inerte evacuado de una cámara (10) de proceso de deposición, comprendiendo el método:

después de la evacuación enfriar el gas inerte evacuado para proporcionar un gas enfriado;

recircular una proporción del gas enfriado a la cámara (10) a una primera temperatura para uso como gas enfriador en el proceso de deposición de material; y

recircular una proporción del gas enfriado a la cámara (10) a una segunda temperatura para uso como gas de protección en el proceso de deposición de material, siendo la segunda temperatura mayor que la primera temperatura.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el gas evacuado se enfría a la primera temperatura usando un enfriador de gas (30).

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el método comprende recircular una proporción del gas enfriado a la cámara (10) a la primera temperatura directamente desde el enfriador de gas (30).

4. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el paso de recircular el gas enfriado a la primera temperatura comprende dirigir el gas enfriado hacia el material (20) depositado durante el proceso de deposición (12) de material para enfriar el material depositado (20).

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el paso de dirigir el gas enfriado comprende dirigir uno o más chorros (40) del gas enfriado hacia el material depositado.

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el paso de dirigir el gas enfriado comprende variar independientemente la tasa de flujo del o de cada chorro (40) de gas enfriado para controlar el enfriamiento del material depositado (20).

7. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque una pluralidad de chorros (40) del gas enfriado son dirigidos hacia el material depositado (20), comprendiendo el paso de dirigir el gas enfriado variar independientemente la temperatura de cada chorro de gas (40) para controlar el enfriamiento del material depositado (20).

8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el paso de recircular el gas enfriado a la segunda temperatura comprende mezclar una proporción del gas enfriado a la primera temperatura con una proporción del gas evacuado sin enfriar para elevar la temperatura del gas mezclado a la segunda temperatura, antes de recirculación a la cámara (10).

9. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el paso de recircular el gas enfriado a la segunda temperatura comprende dirigir el gas enfriado hacia una fuente de calor (16) usada para llevar a cabo el proceso de deposición (12) de material para actuar como gas de protección del proceso.

10. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el método comprende eliminar las impurezas del gas inerte evacuado antes de enfriar el gas evacuado.

11. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el método comprende recircular el gas enfriado a la primera temperatura a una tasa de flujo volumétrico mayor que la del gas enfriado a la segunda temperatura.

12. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el método comprende enfriar continuamente el gas evacuado y recircular el gas enfriado a la cámara (10) para proporcionar el reciclado continuo del gas inerte.

13. Aparato (22) para reciclar un gas inerte evacuado de una cámara (10) de proceso de deposición de material, caracterizado porque el aparato (22) comprende medios (30) para enfriar el gas inerte evacuado para proporcionar un gas enfriado, medios (32, 34, 36) para recircular una proporción del gas enfriado a la cámara (10) a una primera temperatura para uso como gas enfriador en el proceso de deposición (12) de material, y medios (48) para recircular una proporción del gas enfriado a la cámara (10) a una segunda temperatura para uso como gas de protección en el proceso de deposición (12) de material, siendo la segunda temperatura mayor que la primera temperatura.

14. Aparato (22) de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque los medios para enfriar el gas inerte evacuado comprenden un enfriador de gas (30) que funciona para enfriar el gas evacuado a la primera temperatura.

15. Aparato (22) de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque los medios para recircular el gas enfriado a la primera temperatura comprenden un dispositivo de bomba (32) para recircular el gas enfriado directamente desde el enfriador de gas (30) a la cámara (10) a la primera temperatura.

16. Aparato (22) de acuerdo con la reivindicación 14 o reivindicación 15, caracterizado porque los medios (48) para recircular el gas enfriado a la segunda temperatura comprenden un dispositivo (42) de mezcla de gas para mezclar una proporción del gas enfriado a la primera temperatura con una proporción del gas evacuado sin enfriar para elevar la temperatura del gas a la segunda temperatura, antes de recirculación a la cámara (10).

17. Aparato (22) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado porque comprende además un lavador de gases (26), situado entre la cámara (10) y los medios (30) para enfriar el gas evacuado, para eliminar las impurezas del gas evacuado.

18. Aparato (22) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, caracterizado porque el aparato comprende medios (38, 40) para dirigir el gas enfriado a la primera temperatura sobre el material depositado (20) en el proceso de deposición (12) de material para enfriar el material depositado (20).

19. Aparato (22) de acuerdo con la reivindicación 18, caracterizado porque el aparato comprende medios de protección (43) entre los medios de direccionamiento (38) y una fuente de calor (16) usada en el proceso de deposición (12) de material.

20. Aparato (22) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19, caracterizado porque el aparato comprende un sistema de monitorización para monitorizar las temperaturas primera y segunda, incluyendo el sistema de monitorización un controlador para ajustar la tasa de recirculación a fin de compensar las variaciones de temperatura.