Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02961979 2017-03-21
WO 2016/050313
PCT/EP2014/071197
1
Système de pompage pour générer un vide et procédé de pompage au
moyen de ce système de pompage
Domaine technique de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine des techniques du
vide. Plus précisément, elle concerne à un système de pompage comprenant
au moins une pompe à ergots, ainsi qu'un procédé de pompage au moyen de
ce système de pompage.
Art antérieur
Les objectifs généraux d'augmentation des performances des
pompes à vide, de réduction des coûts des installations et de la consommation
d'énergie dans les industries comme l'industrie chimique, l'industrie
pharmaceu-
tique, l'industrie du dépôt sous vide, l'industrie des semi-conducteurs, etc.
ont
conduit à 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
par exemple ajouter des étages supplémentaires dans les pompes à vide de
type Roots multi-étagées ou Claws (à ergots) multi-étagées. Pour les pompes à
vide sèches de type à vis, il faut mettre des tours supplémentaires aux vis,
et/ou
augmenter le taux de compression interne.
La vitesse de rotation de la pompe joue un rôle très important, en dé-
finissant le fonctionnement de la pompe lors des différentes phases se succé-
dant au cours du vidage de l'enceinte à vide. Avec les taux de compression in-
terne 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 premières
phases de pompage, lorsque la pression à l'aspiration se trouve entre la pres-
sion atmosphérique et 100 mbar environ, c'est-à-dire lors de fonctionnement à
débit massique fort, serait très élevée si la vitesse de rotation de la pompe
ne
pouvait être réduite.
CA 02961979 2017-03-21
WO 2016/050313 PCT/EP2014/071197
2
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 ro-
tation réduite il y a des baisses de débit à haute pression, le débit étant
propor-
tionnel à la vitesse de rotation. Aussi, 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 vide multi-étagées de type Roots ou à er-
gots (Claws), ou 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 comprend
typique-
ment des pompes booster de type Roots agencées en amont des pompes prin-
cipales 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 d'une ma-
nière active, ce qui résulte forcément en une augmentation du nombre de com-
posants du système, de sa complexité et de son coût.
Résumé de l'invention
La présente invention a pour but de permettre l'obtention d'un vide
meilleur que celui (de l'ordre de 0.01 mbar) qu'une seule pompe à ergots est
capable de générer dans une enceinte à vide.
La présente invention a aussi pour but de permettre l'obtention d'un
débit de vidage qui soit supérieur à basse pression à celui qui peut être
obtenu
à l'aide d'une seule pompe à ergots lors d'un pompage pour réaliser un vide
dans une enceinte à vide.
CA 02961979 2017-03-21
WO 2016/050313
PCT/EP2014/071197
3
La présente invention a également pour but de permettre une réduc-
tion de l'énergie électrique nécessaire pour le vidage d'une enceinte à vide
et le
maintien du vide, ainsi qu'une baisse de la température des gaz de sortie.
Ces buts de la présente invention sont atteints à l'aide d'un système
de pompage pour générer un vide, comprenant une pompe à vide principale qui
est une pompe à ergots ayant une aspiration d'entrée des gaz reliée à une en-
ceinte à vide et un refoulement de sortie des gaz donnant dans un conduit
d'évacuation des gaz vers une sortie d'échappement des gaz hors du système
de pompage. Le système de pompage comprend en outre
- un clapet anti-retour positionné entre le refoulement de sortie des
gaz et la sortie d'échappement des gaz, et
- une pompe à vide auxiliaire raccordée en parallèle du clapet anti-
retour.
La pompe à vide auxiliaire peut être de différents types, notamment
une autre pompe à ergots, une pompe sèche de type à vis, une pompe de type
Roots multi-étagé, une pompe à membrane, une pompe sèche à palettes, une
pompe à palettes lubrifiées ou également un éjecteur à gaz.
L'invention a également pour objet un procédé de pompage au
moyen d'un système de pompage tel que défini précédemment. Ce procédé
comporte des étapes dans lesquelles :
- la pompe à vide principale est mise en marche afin de pomper les
gaz contenus dans l'enceinte à vide et de refouler ces gaz par son refoulement
de sortie des gaz ;
- de manière simultanée, la pompe à vide auxiliaire est mise en
marche ; et
- la pompe à vide auxiliaire continue de pomper tout le temps que la
pompe à vide principale pompe les gaz contenus dans l'enceinte à vide et/ou
CA 02961979 2017-03-21
WO 2016/050313 PCT/EP2014/071197
4
tout le temps que la pompe à vide principale maintient une pression définie
dans l'enceinte à vide.
Dans le procédé selon l'invention, on fait fonctionner la pompe auxi-
liaire en continu tout le temps que la pompe à vide principale à ergots vide
l'en-
ceinte à vide, mais aussi tout le temps que la pompe à vide principale à
ergots
maintient une pression définie (p.ex. le vide final) dans l'enceinte en
évacuant
les gaz par son refoulement.
Grâce au procédé selon l'invention, le couplage de la pompe à vide
principale à ergots et de la pompe auxiliaire peut se faire sans nécessiter de
mesures ni d'appareils spécifiques (p.ex. de capteurs de pression, de tempéra-
ture, de courant, etc.), ni d'asservissements, ni de gestion de données et
sans
calcul. Par conséquent, le système de pompage adapté pour la mise en oeuvre
de du procédé de pompage selon la présente invention peut ne comprendre
qu'un nombre minimal de composants, présenter une grande simplicité et coû-
ter nettement moins cher, par rapport aux systèmes existants.
Grâce au procédé selon l'invention, la pompe à vide principale à er-
gots peut fonctionner à une seule vitesse constante, celle du réseau
électrique,
ou bien tourner à des vitesses variables suivant son propre mode de fonction-
nement. Par conséquent, la complexité et le coût du système de pompage
adapté pour la mise en oeuvre du procédé de pompage selon la présente inven-
tion peuvent être réduits davantage.
Par sa nature, la pompe auxiliaire intégrée dans le système de pom-
page peut toujours fonctionner suivant le procédé de pompage selon l'invention
sans subir des dommages mécaniques. Son dimensionnement est conditionné
par une consommation énergétique minimale pour le fonctionnement du dispo-
sitif. Son débit nominal est choisi en fonction du volume du conduit
d'évacuation
entre la pompe à vide principale à ergots et le clapet anti-retour. Ce débit
peut
être avantageusement de 1/500 à 1/20 du débit nominal de la pompe à vide
principale à ergots, mais peut aussi être inférieur ou supérieur à ces
valeurs,
notamment de 1/500 à 1/10 ou bien de 1/500 à 1/5u débit nominal de la pompe
à vide principale.
CA 02961979 2017-03-21
WO 2016/050313 PCT/EP2014/071197
Le clapet anti-retour, placé dans le conduit en aval de la pompe à
vide principale à ergots peut par exemple être un élément standard disponible
dans le commerce mais il est également imaginable de concevoir un élément
dédié à l'application spécifique. Il est dimensionné suivant le débit nominal
de la
5 pompe à vide principale à ergots. En particulier, il est prévu que le
clapet anti-
retour se ferme quand la pression à l'aspiration de la pompe à vide principale
à
ergots se situe entre 500 mbar absolu et le vide final (p.ex. 100 mbar).
Selon encore une autre variante, la pompe auxiliaire peut être réali-
sée en matières et/ou avec des revêtements à résistance chimique élevée aux
substances et gaz communément utilisés dans l'industrie des semi-conduc-
teurs.
La pompe auxiliaire est de préférence de petite taille.
De préférence, suivant le procédé de pompage employant le sys-
tème de pompage selon l'invention, la pompe à vide auxiliaire pompe toujours
dans le volume entre le refoulement de sortie des gaz de la pompe à vide prin-
cipale à ergots et le clapet anti-retour.
Selon encore une autre variante du procédé de la présente invention,
pour répondre à des exigences spécifiques, la mise en route de la pompe à
vide auxiliaire est pilotée de manière tout ou rien . Le pilotage consiste
donc
à mesurer un ou plusieurs paramètres et suivant certaines règles mettre en
route la pompe à vide auxiliaire ou l'arrêter. Les paramètres, fournis par des
capteurs adéquats, sont p. ex. le courant du moteur de la pompe à vide princi-
pale à ergots, la température ou la pression des gaz à son refoulement, c'est-
à-
dire dans le volume en amont du clapet anti-retour dans le conduit d'évacua-
tion, ou une combinaison de ces paramètres.
Le dimensionnement de la pompe à vide auxiliaire vise une consom-
mation d'énergie minimale de son moteur. Son débit nominal est choisi en fonc-
tion du débit de la pompe à vide principale à ergots, mais aussi en prenant en
compte le volume que le conduit d'évacuation des gaz délimite entre la pompe
à vide principale et le clapet anti-retour. Ce débit peut être de 1/500 à 1/20
du
CA 02961979 2017-03-21
WO 2016/050313 PCT/EP2014/071197
6
débit nominal de la pompe à vide principale à ergots, mais peut aussi être
infé-
rieur ou supérieur à ces valeurs.
Au départ d'un cycle de vidage de l'enceinte, la pression y est éle-
vée, par exemple égale à la pression atmosphérique. Vu la compression dans
la pompe à vide principale à ergots, la pression des gaz refoulés à sa sortie
est
plus haute que la pression atmosphérique (si les gaz à la sortie de la pompe
principale sont refoulés directement à l'atmosphère) ou plus haute que la pres-
sion 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 la pompe à vide
auxiliaire est très faiblement ressentie, puisque la pression à son aspiration
est
presque égale à celle à son refoulement. En revanche, quand le clapet anti-re-
tour se ferme à une certaine pression (parce que la pression dans l'enceinte a
baissé entretemps), l'action de la pompe à vide auxiliaire provoque une réduc-
tion progressive de la différence de pression entre l'enceinte à vide et le
conduit
d'évacuation en amont du clapet.
La pression à la sortie de la pompe à vide principale à ergots devient
celle à l'entrée de la pompe à vide auxiliaire, celle de sa sortie étant
toujours la
pression dans le conduit après le clapet anti-retour. Plus la pompe à vide
auxi-
liaire pompe, plus la pression à la sortie de la pompe à vide principale à
ergots,
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
princi-
pale à ergots baisse. Cette faible différence réduit les fuites internes dans
la
pompe à vide principale à ergots et engendre une baisse de la pression dans
l'enceinte, ce qui améliore le vide final.
De plus, la pompe à vide principale à ergots 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 méca-
nique cherche à réduire le volume entre le refoulement de sortie des gaz de la
CA 02961979 2017-03-21
WO 2016/050313 PCT/EP2014/071197
7
pompe à vide principale à ergots et le clapet anti-retour dans le but de
pouvoir y
faire baisser la pression plus vite.
Brève description des dessins
Les particularités et les avantages de la présente invention apparaî-
tront avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit avec des
exemples de réalisation donnés à titre illustratif et non limitatif en
référence aux
dessins ci-annexés qui représentent :
- la figure 1 représente de manière schématique un système de pom-
page adapté pour la réalisation d'un procédé de pompage selon un premier
mode de réalisation de la présente invention ; et
- la figure 2 représente de manière schématique un système de pom-
page adapté pour la réalisation d'un procédé de pompage selon un deuxième
mode de réalisation de la présente invention.
Description détaillée des modes de réalisation de l'invention
La figure 1 représente un système de pompage SP pour générer un
vide, qui est adapté pour la mise en oeuvre d'un procédé de pompage selon un
premier mode de réalisation de la présente invention.
Ce système de pompage SP comporte une enceinte 1, laquelle est
reliée à l'aspiration 2 d'une pompe à vide principale constituée par une pompe
à
ergots 3. Le refoulement de sortie des gaz de la pompe à vide principale à er-
gots 3 est relié à un conduit d'évacuation 5. Un clapet anti-retour de refoule-
ment 6 est placé dans le conduit d'évacuation 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 formation d'un volume 4, compris entre le refoulement de sor-
tie des gaz de la pompe à vide principale à ergots 3 et lui-même.
CA 02961979 2017-03-21
WO 2016/050313 PCT/EP2014/071197
8
Le système de pompage SP comporte aussi la pompe à vide auxi-
liaire 7, branchée en parallèle au clapet anti-retour 6. L'aspiration de la
pompe à
vide auxiliaire est reliée au volume 4 du conduit d'évacuation 5 et son
refoule-
ment est relié au conduit 8.
Dès la mise en route de la pompe à vide principale à ergots 3, la
pompe à vide auxiliaire 7 est mise en route elle-aussi. La pompe à vide princi-
pale à ergots 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
d'évacuation 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 la pompe à vide auxiliaire 7 fait baisser progressivement la pression dans
le
volume 4 jusqu'à la valeur de sa pression limite. En parallèle, la puissance
con-
sommée par la pompe à vide principale à ergots 3 baisse progressivement.
Cela se produit en un court laps de temps, par exemple pour un certain cycle
en 5 à 10 secondes en fonction du rapport entre le volume 4 et le débit
nominal
de la pompe à vide auxiliaire 7, mais peut durer aussi plus longtemps.
Avec un ajustement judicieux du débit de la pompe à vide auxiliaire 7
et de la pression de fermeture du clapet anti-retour 6 en fonction du débit de
la
pompe à vide principale à ergots 3 et du volume de l'enceinte 1, il est en
outre
possible de réduire le temps avant la fermeture du clapet anti-retour 6 par
rap-
port à la durée du cycle de vidage et donc réduire la quantité d'énérgie
consom-
mée pendant ce temps de fonctionnement de pompe auxiliaire 7, avec l'avan-
tage de la simplicité et de la fiabilité du système.
Selon les différentes possibilités de combinaison, la pompe à vide
auxiliaire 7 peut être une autre pompe à ergots, une pompe sèche de type à
vis,
une pompe Roots multi-étagée, une pompe à membrane, une pompe sèche à
palettes, une pompe à palettes lubrifiée ou même un éjecteur. Dans ce dernier
cas, l'éjecteur peut être soit un éjecteur simple dans le sens que le
débit de
son gaz propulseur vient d'un réseau de distribution sur le site industriel,
soit
muni d'un compresseur qui fournit à l'éjecteur le débit de gaz propulseur à la
pression nécessaire pour son fonctionnement. Plus spécifiquement, ce com-
presseur peut être entraîné par la pompe principale ou, alternativement ou en
CA 02961979 2017-03-21
WO 2016/050313 PCT/EP2014/071197
9
addition, de manière autonome, indépendante de la pompe principale. Ce com-
presseur peut aspirer l'air atmosphérique ou des gaz dans le conduit de sortie
de gaz après le clapet anti-retour. La présence d'un tel compresseur rend le
système de pompes indépendant d'une source de gaz comprimé, ce qui peut
répondre à certains environnements industriels.
La figure 2 représente un système de pompage SPP adapté pour la
mise en oeuvre d'un procédé de pompage selon un deuxième mode de réalisa-
tion de la présente invention.
Par rapport au système montré à la figure 1, le système représenté à
la figure 2 représente le système de pompage piloté SPP, comprenant en outre
des capteurs adéquats 11, 12, 13 qui contrôlent soit le courant du moteur (cap-
teur 11) de la pompe à vide principale à ergots 3, soit la pression (capteur
13)
des gaz dans le volume du conduit de sortie de la pompe à vide principale à er-
gots, limité par le clapet anti-retour 6, soit la température (capteur 12) des
gaz
dans le volume du conduit à sortie de la pompe à vide principale à ergots,
limité
par le clapet anti-retour 6, soit une combinaison de ces paramètres. En effet,
quand la pompe à vide principale à ergots 3 commence à pomper les gaz de
l'enceinte à vide 1 les paramètres tels le courant de son moteur, la
température
et la pression des gaz dans le volume du conduit de sortie 4 commencent à se
modifier et atteignent des valeurs de seuil détectées par les capteurs. Après
une temporisation cela provoque la mise en marche de la pompe à vide auxi-
liaire 7. Quand ces paramètres repassent dans des plages initiales (hors con-
signes) avec une temporisation la pompe à vide auxiliaire est arrêtée.
Dans le deuxième mode de réalisation de l'invention de la figure 2, la
pompe à vide auxiliaire peut aussi être de type à ergots, de type sèche à vis,
Roots multi-étagé, à membrane, sèche à palettes, à palettes lubrifiées ou un
éjecteur (sans ou avec compresseur fournissant son gaz propulseur), comme
dans le premier mode de réalisation de l'invention de la figure 1.
Bien que divers modes de réalisation aient été décrits, on comprend
bien qu'il n'est pas concevable d'exposer de manière exhaustive tous les
modes de réalisation possibles. Il est bien sûr envisageable de remplacer un
CA 02961979 2017-03-21
WO 2016/050313
PCT/EP2014/071197
moyen décrit par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente in-
vention. Toutes ces modifications font partie des connaissances communes
d'un homme du métier dans le domaine de la technologie du vide.
