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MÉTHODE DE POMPAGE DANS UN SYSTEME DE POMPES A VIDE
ET SYSTEME DE POMPES A VIDE
Domaine technique
La présente invention se rapporte à une méthode de pompage permettant
d'améliorer les performances en termes de débit et de vide final dans un
système de
pompes à vide dont la pompe principale est une pompe à vide sèche de type à
vis, tout
en réduisant la température des gaz de sortie et sa consommation d'énergie
électrique.
Egalement, la présente invention se rapporte à un système de pompes à vide qui
peut
io être utilisé pour réaliser la méthode selon la présente invention.
Art antérieur
Les tendances générales d'augmentation des performances des pompes à vide,
de réduction des coûts des installations et de la consommation d'énergie dans
les
industries comme la chimie, la pharmaceutique, les dépositions sous vide, les
semi-
conducteurs, etc. ont apporté des évolutions significatives en termes de
performances,
d'économie d'énergie, d'encombrement, dans les entrainements, etc.
L'état de la technique montre que pour améliorer le vide final il faut
rajouter des
étages supplémentaires dans les pompes à vide de type Roots multi-étagées ou
Claws
zo multi-étagées. Pour les pompes à vide sèches de type à vis il faut mettre
des tours
supplémentaires aux vis, etiou augmenter le taux de compression interne.
La vitesse de rotation de la pompe joue un rôle très important qui définit le
fonctionnement de la pompe dans les différentes phases de vidage des
enceintes. Avec
les taux de compression interne des pompes disponibles sur le marché (dont
l'ordre de
grandeur se situe par exemple entre 2 et 20), la puissance électrique requise
dans les
phases de pompage à des pressions d'aspiration entre la pression atmosphérique
et
100 mbar environ ou autrement dit à débit massique fort, serait très élevée.
La solution
triviale est d'utiliser un variateur de vitesse qui permet la réduction ou
l'augmentation de
la vitesse et par conséquent de la puissance en fonction des différents
critères de type
pression, courant maximal, couple limite, température, etc. Mais durant les
périodes de
fonctionnement en vitesse de rotation réduite il y a des baisses de débit à
haute pression,
le débit étant proportionnel à la vitesse de rotation. La variation de vitesse
par variateur
de fréquence impose un coût et un encombrement supplémentaires. Une autre
solution
triviale est l'utilisation des clapets de type by-pass à certains étages dans
les pompes à
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vide multi-étagées de type Roots ou Claws, respectivement à certaines
positions bien
définies le long des vis dans les pompes à vide sèches de type à vis. Cette
solution
nécessite de nombreuses pièces et présente des problèmes de fiabilité.
L'état de la technique concernant les systèmes de pompes à vide qui visent
l'amélioration du vide final et l'augmentation du débit montre des pompes
booster de
type Roots agencées en amont des pompes primaires sèches. Ce type de systèmes
est
encombrant, fonctionne soit avec des clapets by-pass présentant des problèmes
de
fiabilité, soit en employant des moyens de mesure, contrôle, réglage ou
asservissement.
Cependant, ces moyens de contrôle, réglage ou asservissement doivent être
pilotés
io d'une manière active, ce qui résulte forcément en une augmentation du
nombre de
composants du système, de sa complexité et de son coût.
Le documment VV02014/012896A2 propose d'utiliser en aval d'une pompe à vide
primaire de type roots un éjecteur monté en parrallèle de l'orifice de sortie
de la pompe
primaire afin de réduire le vide final atteignable par ce type de pompe. Dans
ce
document, l'éjecteur est fourni en fluide moteur par une ligne de gaz externe
qui peut
être avantageusement la même que celle qui est utilisée pour la purge de la
pompe
primaire de type roots. Par ailleurs, le document VV02011/061429A2 enseigne
qu'il est
possible d'abaisser la consommation électrique d'une pompe à vide primaire si
des
moyens de pilotage de l'alimentation externe en fluide moteur de l'éjecteur
susmentionné
zo sont incorporés au système de pompage. Ces moyens de pilotages ont pour but
d'enclencher et de déclencher l'éjecteur aux moments les plus favorables pour
une
réduction optimale de la puissance électrique de la pompe primaire,
Finalement, le
document JP2007100562A propose de remplacer la source de fluide moteur sous
forme
de ligne de gaz par un compresseur à air externe et isolé.
Résumé
La présente invention a pour but de proposer une méthode de pompage dans un
système de pompes à vide permettant d'obtenir un meilleur vide que celui qui
peut être
obtenu à l'aide d'une pompe à vide sèche de type à vis seule (de l'ordre de
0.0001 mbar)
dans une enceinte à vide.
La présente invention a aussi pour but de proposer une méthode de pompage
dans un système de pompes à vide permettant d'obtenir un débit supérieur à
basse
pression à celui qui peut être obtenu à l'aide d'une pompe à vide sèche de
type à vis
seule lors du pompage d'une enceinte à vide.
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La présente invention a également pour but de proposer une méthode de
pompage dans un système de pompes à vide permettant de réduire l'énergie
électrique
nécessaire pour la mise sous vide d'une enceinte à vide et son maintien, ainsi
que la
baisse de la température des gaz de sortie.
Ces buts de la présente invention sont atteints à l'aide d'une méthode de
pompage qui est réalisée dans le cadre d'un système de pompage dont la
configuration
consiste essentiellement en une pompe à vide primaire sèche à vis munie d'un
orifice
d'entrée des gaz relié à une enceinte à vide et d'un orifice de sortie des gaz
donnant
dans un conduit qui est muni d'un clapet anti-retour avant de déboucher dans
o l'atmosphère ou dans d'autres appareils. L'aspiration d'un éjecteur alimenté
en fluide
moteur par un compresseur entrainé par au moins un arbre de la pompe à vide
primaire
est branchée en parallèle à ce clapet anti-retour, sa sortie allant à
l'atmosphère ou
rejoignant le conduit de la pompe primaire après le clapet anti-retour.
La méthode consiste essentiellement à alimenter en fluide moteur l'éjecteur
par
un compresseur entrainé par au moins un arbre de la pompe à vide et à faire
fonctionner
l'éjecteur en continu tout le temps que la pompe à vide primaire sèche à vis
pompe les
gaz contenus dans l'enceinte à vide par l'orifice d'entrée de gaz, mais aussi
tout le temps
que la pompe à vide primaire sèche à vis maintient une pression définie (p.ex.
le vide
final) dans l'enceinte en refoulant les gaz remontant par sa sortie.
Selon un premier aspect, l'invention réside dans le fait que le couplage de la
pompe à vide primaire sèche à vis et de l'éjecteur ne nécessite pas de mesures
et
appareils spécifiques (p.ex. de capteurs de pression, de température, de
courant, etc.),
d'asservissements ou de gestion de données et calcul. Par conséquent, le
système de
pompes à vide adapté pour la mise en oeuvre de la méthode de pompage selon la
présente invention comprend un nombre minimal de composants, présente une
grande
simplicité et coûte nettement moins cher par rapport aux systèmes existants.
Selon un deuxième aspect, l'invention réside dans le fait que, grâce à la
nouvelle
méthode de pompage, la pompe à vide primaire sèche à vis peut fonctionner à
une seule
vitesse constante, celle du réseau électrique, ou tourner à des vitesses
variables suivant
son propre mode de fonctionnement. Par conséquent, la complexité et le coût du
système de pompes à vide adapté pour la mise en uvre de la méthode de pompage
selon la présente invention peuvent être réduits davantage.
Par sa nature, l'éjecteur intégré dans le système de pompes à vide peut
toujours
fonctionner sans dommages suivant la présente méthode de pompage. Son
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dimensionnement est conditionné par une consommation de fluide moteur minimale
pour le fonctionnement du dispositif. Il est normalement mono-étagé. Son débit
nominal
est choisi en fonction du volume du conduit de sortie de la pompe à vide
primaire sèche
à vis limité par le clapet anti-retour. Ce débit peut être de 1/500 à 1/20 du
débit nominal
de la pompe à vide primaire sèche à vis, mais peut aussi être inférieur ou
supérieur à
ces valeurs. Le fluide moteur pour l'éjecteur peut être de l'air, mais aussi
d'autres gaz,
par exemple l'azote.
Le clapet anti-retour, placé dans le conduit à la sortie de la pompe à vide
primaire
sèche à vis peut être un élément standard disponible dans le commerce. Il est
o dimensionné suivant le débit nominal de la pompe à vide primaire sèche à
vis. En
particulier, il est prévu que le clapet anti-retour se ferme quand la pression
à l'aspiration
de la pompe à vide primaire sèche à vis se situe entre 500 mbar absolu et le
vide final
(p.ex. 100 mbar).
Selon une autre variante, l'éjecteur est multi-étagé.
Selon encore une autre variante, l'éjecteur peut être réalisé en matière à
résistance chimique élevée aux substances et gaz communément utilisés dans
l'industrie des semi-conducteurs, aussi bien dans la variante éjecteur mono-
étagé que
dans celle de l'éjecteur multi-étagé.
L'éjecteur est de préférence de petite taille.
Selon une autre variante, l'éjecteur est intégré dans une cartouche qui
incorpore
le clapet anti-retour.
Selon encore une autre variante, l'éjecteur est intégré dans une cartouche qui
incorpore le clapet anti-retour et cette cartouche elle-même est logée dans un
silencieux
d'échappement, fixé à l'orifice de sortie des gaz de la pompe à vide primaire
sèche à vis.
Suivant la méthode de fonctionnement du système de pompes à vide selon
l'invention, l'éjecteur pompe toujours dans le volume entre l'orifice de
sortie des gaz de
la pompe à vide primaire sèche à vis et le clapet anti-retour.
Selon une autre variante de la présente invention, le compresseur peut aspirer
l'air atmosphérique ou des gaz dans le conduit de sortie de gaz après le
clapet anti-
retour. La présence du compresseur rend le système de pompes à vis indépendant
d'une
source de gaz comprimé, ce qui peut répondre à certains environnements
industriels.
Au départ d'un cycle de vidage de l'enceinte, la pression y est élevée, par
exemple égale à la pression atmosphérique. Vu la compression dans la pompe à
vide
primaire sèche à vis, la pression des gaz refoulés à sa sortie est plus haute
que la
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pression atmosphérique (si les gaz à la sortie de la pompe primaire sont
refoulés
directement à l'atmosphère) ou plus haute que la pression à l'entrée d'un
autre appareil
connecté en aval. Cela provoque l'ouverture du clapet anti-retour.
Quand ce clapet anti-retour est ouvert, l'action de l'éjecteur est très
faiblement
ressentie, comme la pression de son entrée est presque égale à celle de sa
sortie. En
revanche, quand le clapet anti-retour se ferme à une certaine pression (parce
que la
pression dans l'enceinte a entretemps baissé), l'action de l'éjecteur provoque
une
réduction progressive de la différence de pression entre l'enceinte et le
conduit après le
clapet. La pression à la sortie de la pompe à vide primaire sèche à vis
devient celle à
l'entrée de l'éjecteur, celle de sa sortie étant toujours la pression dans le
conduit après
le clapet anti-retour. Plus l'éjecteur pompe, plus la pression à la sortie de
la pompe à
vide primaire sèche à vis, dans le volume limité par le clapet anti-retour
fermé, se réduit
et par conséquent la différence de pression entre l'enceinte et la sortie de
la pompe à
vide primaire sèche à vis baisse. Cette faible différence réduit les fuites
internes dans la
pompe à vide primaire sèche à vis et engendre une baisse de la pression dans
l'enceinte
ce qui améliore le vide final. En plus la pompe à vide primaire sèche à vis
consomme de
moins en moins d'énergie pour la compression et produit de moins en moins de
chaleur
de compression.
D'un autre côté, il est aussi évident que l'étude du concept mécanique cherche
à réduire le volume entre l'orifice de sortie des gaz de la pompe à vide
primaire sèche à
vis et le clapet anti-retour dans le but d'y descendre la pression plus vite.
Ainsi, selon un aspect englobant, l'invention vise une méthode de pompage dans
un système de pompes à vide comprenant une pompe à vide primaire sèche à vis
avec
un orifice d'entrée des gaz relié à une enceinte à vide et un orifice de
sortie des gaz
donnant dans un conduit avant de déboucher dans une sortie des gaz du système
de
pompes à vide, un clapet anti-retour positionné dans le conduit entre
l'orifice de sortie
des gaz et la sortie des gaz, un éjecteur branché en parallèle au clapet anti-
retour, et un
compresseur entraîné par au moins un des arbres de la pompe primaire sèche à
vis, la
méthode comprenant : mettre en marche la pompe à vide primaire sèche à vis
afin de
pomper les gaz contenus dans l'enceinte à vide par l'orifice de sortie des
gaz, et de
manière simultanée, alimenter l'éjecteur en fluide moteur par le compresseur
et
continuer d'alimenter l'éjecteur en fluide moteur tout le temps que la pompe à
vide
primaire sèche à vis est alimentée par une source d'énergie et évacue
l'enceinte à vide,
où l'éjecteur est intégré dans une cartouche incorporant le clapet anti-
retour, la
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cartouche étant logée dans un silencieux d'échappement fixé à l'orifice de
sortie des gaz
de la pompe à vide primaire sèche à vis.
Selon un autre aspect englobant, l'invention vise un système de pompes à vide,
comprenant : une pompe à vide primaire sèche à vis avec un orifice d'entrée
des gaz
relié à une enceinte à vide et un orifice de sortie des gaz donnant dans un
conduit avant
de déboucher dans une sortie des gaz du système de pompes à vide, un clapet
anti-
retour positionné dans le conduit entre l'orifice de sortie des gaz et la
sortie des gaz, un
éjecteur branché en parallèle au clapet anti-retour et intégré dans une
cartouche qui
incorpore le clapet anti-retour, et un compresseur entraîné par au moins un
des arbres
de la pompe primaire sèche à vis, où l'éjecteur est agencé pour pouvoir être
alimenté en
fluide moteur par le compresseur tout le temps que la pompe à vide primaire
sèche à
vis est alimentée par une source d'énergie et évacue l'enceinte à vide, la
cartouche étant
logée dans un silencieux d'échappement fixé à l'orifice de sortie des gaz de
la pompe à
vide primaire sèche à vis.
Brève description des dessins
Les particularités et les avantages de la présente invention apparaîtront avec
plus de détails dans le cadre de la description qui suit avec des exemples de
systèmes
de pompe à vide donnés à titre illustratif et non limitatif en référence aux
dessins ci-
annexés qui représentent :
- la figure 1 représente de manière schématique un premier système de pompes
à vide pompage; et
- la figure 2 représente de manière schématique un deuxième système de
pompes à vide.
Description détaillée des réalisations
Des variantes, des exemples et des réalisations préférées de l'invention sont
décrits ci-dessous. Figure 1 représente un premier système de pompes à vide SP
adapté
pour la mise en oeuvre d'une méthode de pompage.
Ce système de pompes à vide SP comporte une enceinte 1, laquelle est reliée à
l'orifice d'aspiration 2 d'une pompe à vide primaire sèche à vis 3. L'orifice
de sortie des
gaz de la pompe à vide primaire sèche à vis 3 est relié au conduit 5. Un
clapet anti-retour
de refoulement 6 est placé dans le conduit 5, qui après ce clapet anti-retour
continue en
conduit de sortie des gaz 8. Le clapet anti-retour 6, lorsqu'il est fermé,
permet la
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formation d'un volume 4, compris entre l'orifice de sortie des gaz de la pompe
à vide
primaire 3 et lui-même. Le système de pompes à vide SP comporte aussi un
éjecteur 7,
branché en parallèle au clapet anti-retour 6. L'orifice d'aspiration de
l'éjecteur est relié
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7
au volume 4 du conduit 5 et son orifice de refoulement est relié au conduit 8.
Le conduit
d'alimentation 9 fournit le fluide moteur pour l'éjecteur 7.
Figure 2 représente un deuxième système de pompes à vide SP adapté pour la
mise en oeuvre d'une méthode de pompage..
Par rapport au système représenté à la figure 1, le système représenté à la
figure
2 comprend en outre un compresseur 10 qui fournit le débit de gaz à la
pression
nécessaire pour le fonctionnement de l'éjecteur 7.
Un mode de réalisation de l'invention prévoit que le compresseur 10 est
entraîné
par au moins un arbre de la pompe primaire sèche à vis 3. Sa consommation
d'énergie
io pour qu'il puisse fournir le débit de gaz à la pression nécessaire afin
de faire fonctionner
l'éjecteur 7 est largement plus petite (p.ex. de l'ordre de 3% à 5%) par
rapport au gain
réalisé sur la consommation d'énergie de la pompe principale 3. Le compresseur
10
peut aspirer l'air atmosphérique ou des gaz dans le conduit de sortie des gaz
8 après le
clapet anti-retour 6. Sa présence rend le système de pompes à vide indépendant
d'une
source de gaz comprimé, ce qui peut répondre à certains environnements
industriels.
Dès la mise en route de la pompe à vide primaire sèche à vis 3, le fluide
moteur
pour l'éjecteur 7 est allimenté par le compresseur 10. La pompe à vide
primaire sèche à
vis 3 aspire les gaz dans l'enceinte 1 par le conduit 2 branché à son entrée
et les
comprime pour les refouler par la suite à sa sortie dans le conduit 5 par le
clapet anti-
retour 6. Lorsque la pression de fermeture du clapet anti-retour 6 est
atteinte, il se ferme.
A partir de ce moment le pompage de l'éjecteur 7 fait baisser progressivement
la
pression dans le volume 4 jusqu'à la valeur de sa pression limite. En
parallèle, la
puissance consommée par la pompe à vide primaire sèche à vis 3 baisse
progressivement. Cela se produit en un court laps de temps, par exemple pour
un certain
cycle en 5 à 10 secondes.
Avec un ajustement judicieux du débit de l'éjecteur 7 et de la pression de
fermeture du clapet anti-retour 6 en fonction du débit de la pompe à vide
primaire sèche
à vis 3 et le volume de l'enceinte 1, il est en outre possible de réduire le
temps avant la
fermeture du clapet anti-retour 6 par rapport à la durée du cycle de vidage et
donc réduire
les pertes en fluide moteur pendant ce temps de fonctionnement de l'éjecteur 7
sans
effet sur le pompage. Par ailleurs, ces pertes qui sont infimes, sont
prises en compte
dans le bilan de la consommation d'énergie. En revanche, l'avantage de la
simplicité
crédite une excellente fiabilité du système ainsi qu'un prix inférieur de 10%
à 20% en
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comparaison avec des pompes similaires équipées d'automate programmable et ou
de
variateur, vannes pilotées, capteurs, etc.
Certainement, la présente invention est sujette à de nombreuses variations
quant
à sa mise en oeuvre. On comprend bien qu'il n'est pas concevable d'identifier
de manière
exhaustive tous les modes possibles. Il est bien sûr envisageable de remplacer
un
moyen décrit par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente
invention.
Toutes ces modifications font partie des connaissances communes d'un homme du
métier dans le domaine de la technologie du vide.
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