FR3147334A1 - Procédé de contrôle des paramètres de fonctionnement d’une pompe à vide turbomoléculaire - Google Patents
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Abstract
Procédé de contrôle des paramètres de fonctionnement d’une pompe à vide (1) turbomoléculaire comportant :- un stator (2),- un rotor (3), - un moteur (16) configuré pour entrainer le rotor (3) en rotation dans le stator (2), - un dispositif de chauffage interne (21) agencé dans le chemin d’écoulement des gaz de la pompe à vide (1) et configuré pour chauffer le rotor (3), - un capteur de température configuré pour mesurer la température du rotor (3), - un dispositif de chauffage externe (27) configuré pour chauffer le stator (2),caractérisé en ce que le procédé de contrôle comporte :- un mode de fonctionnement nominal dans lequel on chauffe le rotor (3) via le dispositif de chauffage interne (21), tant que la température mesurée du rotor (3) est inférieure à un seuil de température pour un paramètre représentatif de la puissance consommée par le moteur (16) donné et - un mode de fonctionnement de surrégime dans lequel on coupe le chauffage interne du rotor (3) lorsque la température mesurée du rotor (3) est supérieure ou égale au seuil de température. Figure 1
Description
La présente invention concerne un procédé de contrôle des paramètres de fonctionnement d’une pompe à vide turbomoléculaire. La présente invention concerne également une pompe à vide turbomoléculaire.
La génération d’un vide poussé dans une enceinte nécessite l'utilisation de pompes à vide turbomoléculaire composées d'un stator dans lequel un rotor est entraîné en rotation rapide, par exemple une rotation à plus de trente mille tours par minute.
Dans certains procédés dans lesquels les pompes à vide turbomoléculaire sont utilisées, tels que les procédés de fabrication de semi-conducteurs, panneaux photovoltaïques ou LED, une couche de dépôt peut se former dans la pompe à vide. Ces dépôts peuvent entrainer une restriction de jeu entre le stator et le rotor pouvant provoquer un grippage du rotor. Il est connu de chauffer le stator pour éviter la condensation de produits de réaction et ainsi limiter la formation de dépôts dans la pompe à vide et augmenter sa durée de vie.
En plus de limiter la formation de dépôts, il peut être nécessaire d’augmenter la température de fonctionnement du rotor pour d’autres considérations. En effet, l’augmentation de la température peut être nécessaire par exemple pour permettre d’augmenter le flux de gaz à pomper ou pour faciliter le pompage d’espèces gazeuses plus lourdes.
On veille cependant à ce que la température du rotor ne dépasse pas un certain seuil haut afin de préserver sa tenue mécanique. En effet, la résistance mécanique aux forces centrifuges du rotor diminue lorsque la température augmente. Des déformations irréversibles du rotor (ou fluage) peuvent apparaitre à haute température et risquer de provoquer des touches du stator avec la partie la plus dilatée du rotor. On cherche également à éviter de trop chauffer les gaz pompés pour limiter les risques de craquage thermique, c’est-à-dire une dégradation chimique des molécules des gaz pompés lorsqu’elles sont chauffées de manière trop importante, avec production de sous-produits non volatils tel que le noir de carbone.
Par ailleurs, lorsqu’une pompe à vide chauffée est confrontée à l’entrée d’un important flux gazeux à pomper entrainant une surcharge du moteur qui ne peut être absorbée par la pompe à vide, la pompe à vide limite la vitesse de rotation du rotor jusqu’à ce que la charge de pompage repasse sous un seuil tolérable. La capacité de pompage de la pompe à vide turbomoléculaire est donc réduite dans ces situations particulières, le temps d’absorber ces forts flux gazeux.
Un des buts de la présente invention est de proposer un procédé de contrôle des paramètres de fonctionnement d’une pompe à vide turbomoléculaire chauffée optimisé, notamment pour le pompage de cycles alternant des périodes d’importants flux gazeux à pomper avec des périodes de flux gazeux à pomper modérés.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de contrôle des paramètres de fonctionnement d’une pompe à vide turbomoléculaire comportant :
- un stator,
- un rotor,
- un moteur configuré pour entrainer le rotor en rotation dans le stator,
- un dispositif de chauffage interne agencé dans le chemin d’écoulement des gaz de la pompe à vide et configuré pour chauffer le rotor,
- un capteur de température configuré pour mesurer la température du rotor,
- un dispositif de chauffage externe configuré pour chauffer le stator,
caractérisé en ce que le procédé de contrôle comporte :
- un mode de fonctionnement nominal dans lequel on chauffe le rotor via le dispositif de chauffage interne, tant que la température mesurée du rotor est inférieure à un seuil de température pour un paramètre représentatif de la puissance consommée par le moteur donné et
- un mode de fonctionnement de surrégime dans lequel on coupe le chauffage interne du rotor lorsque la température mesurée du rotor est supérieure ou égale au seuil de température.
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- un rotor,
- un moteur configuré pour entrainer le rotor en rotation dans le stator,
- un dispositif de chauffage interne agencé dans le chemin d’écoulement des gaz de la pompe à vide et configuré pour chauffer le rotor,
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caractérisé en ce que le procédé de contrôle comporte :
- un mode de fonctionnement nominal dans lequel on chauffe le rotor via le dispositif de chauffage interne, tant que la température mesurée du rotor est inférieure à un seuil de température pour un paramètre représentatif de la puissance consommée par le moteur donné et
- un mode de fonctionnement de surrégime dans lequel on coupe le chauffage interne du rotor lorsque la température mesurée du rotor est supérieure ou égale au seuil de température.
Le seuil de température dépend du paramètre représentatif de la puissance (électrique) consommée par le moteur qui peut être le courant ou la puissance consommée par le moteur. La puissance électrique consommée par le moteur est elle-même représentative du flux gazeux à pomper. Plus le flux à pomper est important et plus la puissance consommée par le moteur est importante et vice-versa.
Il est donc possible de faire varier le seuil de température avec la puissance consommée et donc avec le flux gazeux à pomper pour activer ou couper le chauffage interne pour que la température reste dans une plage de température donnée, en relation avec la quantité de flux gazeux à pomper.
Ainsi, lorsque la pompe à vide est utilisée sur des cycles de pompage alternant des périodes d’importants flux gazeux à pomper, c’est-à-dire supérieurs aux flux gazeux nominaux, par exemple au moins 1,5 fois supérieurs, avec des périodes de flux gazeux à pomper modérés, et donc nominaux, la mise en route et la coupure du chauffage interne peut être synchronisée avec les variations de flux gazeux à pomper. Au lieu de couper et rétablir le chauffage interne à l’aveugle, c’est-à-dire au lieu de réguler la température en tenant compte uniquement de la température, le chauffage interne peut être coupé pendant les périodes de fortes puissances (et donc d’importants flux gazeux à pomper). La prise en compte de la puissance consommée par le moteur permet ainsi de mettre en correspondance les périodes de forts flux gazeux avec les périodes de coupure du chauffage interne. La coupure du chauffage interne permet d’éviter de trop chauffer les forts flux gazeux pour limiter les risques de craquage thermique, c’est-à-dire une dégradation chimique des molécules des gaz pompés lorsqu’elles sont chauffées de manière trop importante, avec production de sous-produits non volatils tel que le noir de carbone.
Le procédé de contrôle peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques qui sont décrites ci-après, prises seules ou en combinaison.
Le seuil de température est variable.
Il est inférieur à un seuil de température maximale. Le seuil de température maximale est par exemple compris entre 130°C et 140°C.
Par exemple, le seuil de température diminue, par exemple de façon linéaire, à l’intérieur d’une plage de température donnée, avec l’augmentation du paramètre représentatif de la puissance consommée par le moteur. La plage de température donnée est par exemple comprise entre 100°C et 140°C, tel qu’entre 118°C et 120°C. On coupe le chauffage interne un peu plus bas en température à forte puissance qu’à faible puissance pour anticiper l’augmentation de température du rotor à venir due à l’augmentation du flux gazeux à pomper, cette augmentation du flux gazeux à pomper provoquant une augmentation de température du rotor du fait de la compression des gaz mais qui est relativement lente.
La puissance consommée par le moteur peut être plafonnée à un seuil de consommation moteur maximale, par exemple 1000W ou le courant consommé par le moteur peut être plafonné à un seuil de consommation moteur maximale, par exemple 10A.
La puissance consommée en mode de fonctionnement de surrégime est par exemple au moins deux fois supérieure à la puissance consommée en fonctionnement nominal.
Selon un exemple d’application, la pompe à vide est utilisée pour le pompage cyclique de chambres de procédés d’équipements, dans lesquelles ont lieu des procédés de fabrication comprenant des étapes de fabrication où les flux gazeux à pomper sont modérés et des étapes de nettoyage où les flux gazeux à pomper sont importants.
L’invention a aussi pour objet une pompe à vide turbomoléculaire comportant :
- un stator,
- un rotor,
- un moteur configuré pour entrainer le rotor en rotation dans le stator,
- un dispositif de chauffage interne agencé dans le chemin d’écoulement des gaz de la pompe à vide et configuré pour chauffer le rotor,
- un capteur de température configuré pour mesurer la température du rotor,
- un dispositif de chauffage externe configuré pour chauffer le stator,
caractérisé en ce que le moteur est configuré d’une part, pour pouvoir entrainer le rotor avec une puissance nominale et d’autre part, pour pouvoir entrainer le rotor avec une puissance de surrégime, supérieure à la puissance nominale, et en ce que la pompe à vide comporte une unité de contrôle configurée pour mettre en œuvre un procédé de contrôle tel que décrit précédemment.
- un stator,
- un rotor,
- un moteur configuré pour entrainer le rotor en rotation dans le stator,
- un dispositif de chauffage interne agencé dans le chemin d’écoulement des gaz de la pompe à vide et configuré pour chauffer le rotor,
- un capteur de température configuré pour mesurer la température du rotor,
- un dispositif de chauffage externe configuré pour chauffer le stator,
caractérisé en ce que le moteur est configuré d’une part, pour pouvoir entrainer le rotor avec une puissance nominale et d’autre part, pour pouvoir entrainer le rotor avec une puissance de surrégime, supérieure à la puissance nominale, et en ce que la pompe à vide comporte une unité de contrôle configurée pour mettre en œuvre un procédé de contrôle tel que décrit précédemment.
La vitesse de rotation nominale du rotor peut donc être maintenue sans risque particulier pour la durée de vie de la pompe à vide. Le mode de fonctionnement en surrégime est automatique, l’utilisateur n’a pas à changer la consigne de température de la pompe à vide et n’a pas besoin de connaitre d’informations extérieures à la pompe à vide comme la durée, débit et nature des gaz pompés.
La pompe à vide turbomoléculaire peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques qui sont décrites ci-après, prises seules ou en combinaison.
Le moteur peut être configuré pour fournir une puissance nominale adaptée pour pouvoir pomper un débit maximal continu, équivalent azote, inférieur à 5 Pa.m3/s. La puissance nominale est par exemple comprise entre 80W et 200W.
Le moteur peut être configuré pour fournir une puissance de surrégime adaptée pour pouvoir pomper un débit équivalent azote supérieur ou égal à 5 Pa.m3/s, tel que supérieur à 6,755 Pa.m3/s. La puissance en surrégime est par exemple au moins deux fois supérieure à la puissance nominale. Elle est par exemple supérieure à 600W.
Le capteur de température est par exemple un capteur de température infrarouge.
Le dispositif de chauffage interne comporte par exemple des éléments radiatifs agencés dans les rainures hélicoïdales d’une douille du stator de la pompe à vide. Le dispositif de chauffage interne radiatif présente l’avantage d’avoir un temps de réponse court, de manière que le chauffage puisse être coupé en moins d’une minute après la commande d’arrêt.
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation particulier de l’invention, mais nullement limitatif, ainsi que des dessins annexés sur lesquels :
- une courbe A de l’évolution de la température mesurée du rotor (ordonnée de gauche en degrés Celsius),
- une courbe B montrant l’évolution de la puissance (ordonnée de droite en Watt) consommée par le moteur,
- une courbe C de la puissance d’alimentation des éléments radiatifs du dispositif de chauffage interne de la pompe à vide (ordonnée de droite en Watt), et
-une courbe D montrant l’évolution du seuil de température (ordonnée de gauche en degrés Celsius).
Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d'autres réalisations, sans s’écarter de la portée de l’invention, telle que définie par les revendications.
On entend par « en amont », un élément qui est placé avant un autre par rapport au sens de circulation du gaz. A contrario, on entend par « en aval », un élément placé après un autre par rapport au sens de circulation du gaz à pomper.
La illustre un exemple de réalisation d’une pompe à vide 1 turbomoléculaire.
La pompe à vide 1 turbomoléculaire comporte un stator 2 dans lequel un rotor 3 est configuré pour tourner à grande vitesse en rotation axiale, par exemple une rotation à plus de trente mille tours par minute.
Dans l’exemple de réalisation de la , la pompe à vide 1 turbomoléculaire est dite hybride : elle comporte un étage turbomoléculaire 4 et un étage moléculaire 5 situé en aval de l’étage turbomoléculaire 4 dans la direction de circulation des gaz pompés (représentée par les flèches F1 sur la ). Les gaz pompés entrent par l’orifice d’aspiration 6, traversent d’abord l’étage turbomoléculaire 4, puis l’étage moléculaire 5, pour être ensuite évacués vers un orifice de refoulement 7 de la pompe à vide 1 turbomoléculaire. En fonctionnement, l’orifice de refoulement 7 est raccordé à un pompage primaire.
Une bride annulaire d’entrée 8 entoure par exemple l’orifice d’aspiration 6 pour raccorder la pompe à vide 1 à une enceinte dont on souhaite abaisser la pression.
Dans l’étage turbomoléculaire 4, le rotor 3 comporte au moins deux étages de pales 9 et le stator 2 comporte au moins un étage d’ailettes 10. Les étages de pales 9 et d’ailettes 10 se succèdent axialement le long de l’axe de rotation I-I du rotor 3 dans l’étage turbomoléculaire 4. Le rotor 3 comporte par exemple plus de quatre étages de pales 9, comme par exemple entre quatre et douze étages de pales 9 (sept dans l’exemple illustré sur la ).
Chaque étage de pales 9 du rotor 3 comporte des pales inclinées qui partent en direction sensiblement radiale d’un moyeu 11 du rotor 3 fixé à un arbre d’entrainement 12 de la pompe à vide 1, par exemple par vissage. Les pales sont réparties régulièrement en périphérie du moyeu 11.
Chaque étage d’ailettes 10 du stator 2 comporte une couronne de laquelle partent, en direction sensiblement radiale, des ailettes inclinées, réparties régulièrement sur le pourtour intérieur de la couronne. Les ailettes d’un étage d’ailettes 10 du stator 2 viennent s’engager entre les pales de deux étages de pales 9 du rotor 3 successifs. Les pales 9 du rotor 3 et les ailettes 10 du stator 2 sont inclinées pour guider les molécules de gaz pompés vers l’étage moléculaire 5.
Ici, dans l’étage moléculaire 5, le rotor 3 comporte en outre une jupe 13, dite jupe Holweck, en aval des au moins deux étages de pales 9, formée par un cylindre lisse, qui tourne en regard de rainures hélicoïdales 14 du stator 2. Les rainures hélicoïdales 14 sont agencées les unes au-dessus des autres. Il y a par exemple entre trois et dix rainures hélicoïdales 14, telle que six. Les rainures hélicoïdales 14 du stator 2 permettent de comprimer et guider les gaz pompés vers l’orifice de refoulement 7.
Le rotor 3 comporte en outre un bol interne 15, coaxial à l’axe de rotation I-I, formé sous la jupe 13 et agencé en vis-à-vis d’une cloche 17 du stator 2, saillant sous le rotor 3. En fonctionnement, le rotor 3 tourne dans le stator 2 sans contact entre le bol interne 15 et la cloche 17.
Le rotor 3 peut être réalisé d’une seule pièce (monobloc) ou il peut être un assemblage de plusieurs pièces. Il est par exemple réalisé en matériau aluminium (ou alliage d’aluminium) et/ou en nickel. Il peut présenter un revêtement, tel que du nickel, notamment pour mieux résister à la corrosion. Il est par exemple réalisé en aluminium nickelé.
Le rotor 3 est entraîné en rotation dans le stator 2 par un moteur 16 de la pompe à vide 1. Le moteur 16 est par exemple agencé dans la cloche 17 du stator 2, elle-même agencée sous le bol interne 15 du rotor 3, l’arbre d’entrainement 12 traversant la cloche 17 du stator 2.
Le rotor 3 est guidé latéralement et axialement par des paliers 18 magnétiques ou mécaniques supportant l’arbre d’entrainement 12 du rotor 3, situés dans le stator 2. Il y a par exemple des premiers paliers 18 supportant et guidant une première extrémité de l’arbre d’entrainement 12 dans une embase de la cloche 17 du stator 2 et des seconds paliers 18 supportant et guidant une deuxième extrémité de l’arbre d’entrainement 12 agencés au sommet de la cloche 17.
D’autres composants électriques ou électroniques peuvent être reçus dans la cloche 17 du stator 2, comme des capteurs de position.
La pompe à vide 1 peut comporter un dispositif de refroidissement configuré pour refroidir la cloche 17, agencé par exemple dans la cloche 17 ou en contact thermique avec la cloche 17, tel qu’un circuit hydraulique, afin de pouvoir refroidir continuellement les éléments qu’elle contient comme notamment les paliers 18, le moteur 16 et autres composants électriques ou électroniques pour permettre leurs fonctionnements.
La pompe à vide 1 peut comporter un dispositif de purge 20 configuré pour injecter un gaz de purge dans l’interstice situé entre la cloche 17 du stator 2 et le bol interne 15 du rotor 3. Le gaz de purge est préférentiellement de l’air ou de l’azote, mais peut aussi être un autre gaz neutre comme l’hélium ou l’argon. Le dispositif de purge est par exemple configuré pour injecter un gaz de purge au niveau d’au moins un palier 18 situé dans le stator 2, supportant et guidant l’arbre d’entrainement 12 du rotor 3 de sorte que le flux de gaz de purge traverse le au moins un palier 18 avant de sortir de la cloche 17 du stator 2 et de circuler dans l’interstice. La circulation du gaz de purge est schématisée par des flèches f2 sur la .
La pompe à vide 1 comporte un dispositif de chauffage interne 21 agencé dans le chemin d’écoulement des gaz de la pompe à vide 1 et configuré pour chauffer le rotor 3.
Le dispositif de chauffage interne 21 peut comporter des éléments radiatifs, par exemple agencés dans les rainures hélicoïdales 14 d’une douille 22 du stator 2 de la pompe à vide 1. Le dispositif de chauffage interne 21 radiatif présente l’avantage d’avoir un temps de réponse court, de manière que le chauffage puisse être coupé en moins d’une minute après la commande d’arrêt.
Le dispositif de chauffage interne 21 comporte par exemple d’une part, un circuit électrique 29 comprenant au moins un élément résistif sans contact thermique avec le stator 2 mais capable d’évacuer la chaleur par rayonnement infra-rouge, dit élément radiatif 30, l’élément radiatif 30 étant inséré dans le chemin de gaz pompés en regard du rotor 3 et d’autre part, un commutateur 28 électriquement raccordé au circuit électrique 29 et pilotable par une unité de contrôle 31 de la pompe à vide 1 pour autoriser ou couper l’alimentation électrique des éléments radiatifs 30 ( ).
La pompe à vide 1 turbomoléculaire comporte en outre un capteur de température 23 configuré pour mesurer la température du rotor 3. Le capteur de température 23 est par exemple un capteur de température infrarouge. Le capteur infrarouge est sans contact, ce qui permet de mesurer la température du rotor 3 en rotation avec une grande précision dans les gammes de températures comprises entre 50°C et 250°C.
Le capteur de température 23 peut être configuré pour mesurer la température de la jupe 13 du rotor 3 (la partie cylindrique), notamment dans une partie basse c’est-à-dire située du côté de l’orifice de refoulement 7 de la pompe à vide 1, de manière à viser l’endroit du rotor 3 qui subit le plus de contraintes mécaniques.
Le capteur de température 23 est par exemple agencé derrière (sous) la jupe 13 du rotor 3, entre le stator 2 et le bol interne 15 du rotor 3 ( ). De cette manière, le capteur de température 23 n’est pas agencé dans le chemin de pompage des gaz et de ce fait, est peu soumis aux attaques corrosives des gaz pompés et peut bénéficier de la protection par le gaz de purge.
La pompe à vide 1 comporte également un dispositif de chauffage externe 27 configuré pour chauffer le stator 2 de la pompe à vide 1.
Le dispositif de chauffage externe 27 est par exemple configuré pour chauffer l’enveloppe externe 19 (ou carter) du stator 2 de la pompe à vide 1. En alternative ou en complément, le dispositif de chauffage externe 27 peut être configuré pour chauffer le stator 2 au niveau du refoulement de la pompe à vide 1, notamment autour de l’orifice de refoulement 7.
Le dispositif de chauffage externe 27 comporte par exemple une ou plusieurs ceintures résistives chauffantes ou une ou plusieurs cartouches chauffantes, dont l’alimentation électrique peut être contrôlée par l’unité de contrôle 31, de façon indépendante du dispositif de chauffage interne 21. Le chauffage peut notamment être contrôlé autour d’une température de consigne au moyen d’un capteur de température additionnel configuré pour mesurer la température du stator 2. La constante de temps de régulation du dispositif de chauffage externe 27 est bien supérieure à la constante de temps de régulation du dispositif de chauffage interne 21 du fait des différences de temps de réponse des capteurs de température et des dispositifs de chauffage.
Le moteur 16 est d’une part, configuré pour pouvoir entrainer le rotor 3 avec une puissance nominale. La puissance nominale est adaptée aux caractéristiques mécaniques du rotor 3 et au pompage d’un flux de gaz maximal continu à la vitesse de rotation nominale. On considère que la puissance nominale est une valeur moyenne. Elle est par exemple comprise entre 80W et 200W. La puissance nominale est en général définie par un flux de gaz maximal continu à pomper en équivalent azote ou argon. Ces valeurs sont en général indiquées par le constructeur et disponibles dans le manuel utilisateur ou dans la fiche technique de la pompe à vide 1. Elles permettent à l’utilisateur de choisir la pompe à vide adaptée aux flux gazeux à pomper.
Par exemple, le moteur 16 est configuré pour fournir une puissance nominale adaptée pour pouvoir pomper un débit maximal continu, équivalent azote, inférieur à 3000sccm (ou 5 Pa.m3/s).
D’autre part, le moteur 16 est configuré pour pouvoir entrainer le rotor 3 avec une puissance de surrégime, supérieure à la puissance nominale. Cette puissance de surrégime est sollicitée sur des durées limitées dans le temps, par exemple inférieures à quinze minutes, et sous certaines conditions d’échauffement du rotor 3.
La puissance en surrégime est par exemple au moins deux fois supérieure à la puissance nominale. Elle est par exemple supérieure à 600W.
Par exemple, le moteur 16 est configuré pour fournir une puissance de surrégime adaptée pour pouvoir pomper un débit équivalent azote supérieur ou égal à 3000sccm (ou 5 Pa.m3/s), tel que supérieur à 4000sccm (ou 6,755) (alors que les caractéristiques mécaniques du rotor 3 sont adaptées pour le pompage d’un débit maximal continu inférieur à 3000sccm (ou 5 Pa.m3/s)).
Le moteur 16 est surdimensionné par rapport aux caractéristiques mécaniques du rotor 3 qui sont adaptées pour un fonctionnement nominal.
L’unité de contrôle 31, telle qu’une carte électronique, comporte un ou plusieurs contrôleurs ou microcontrôleurs ou processeurs et une mémoire, pour exécuter des suites d’instructions de programmes permettant de mettre en œuvre un procédé de contrôle des paramètres de fonctionnement de la pompe à vide 1 turbomoléculaire, notamment par le pilotage du dispositif de chauffage interne 21. L’unité de contrôle 31 est par exemple agencée dans l’embase du stator 2 et refroidie par le dispositif de refroidissement.
Le procédé de contrôle comporte un mode de fonctionnement nominal dans lequel on chauffe le rotor 3 de la pompe à vide 1 via le dispositif de chauffage interne 21, tant que la température mesurée du rotor 3 est inférieure à un seuil de température pour un paramètre représentatif de la puissance consommée par le moteur 16 donné.
Le procédé de contrôle comporte un mode de fonctionnement de surrégime (dit « boost » en anglais) dans lequel on coupe le chauffage interne du rotor 3 lorsque la température mesurée du rotor 3 est supérieure ou égale au seuil de température.
Le seuil de température dépend du paramètre représentatif de la puissance (électrique) consommée par le moteur 16 qui peut être le courant ou la puissance consommée par le moteur 16. La puissance électrique consommée par le moteur 16 est elle-même représentative du flux gazeux à pomper. Plus le flux à pomper est important et plus la puissance consommée par le moteur 16 est importante et vice-versa.
On prévoit par exemple que la puissance consommée en mode de fonctionnement de surrégime est au moins deux fois supérieure à la puissance consommée en fonctionnement nominal.
Le seuil de température est inférieur à un seuil de température maximale. Le seuil de température maximale est par exemple compris entre 130°C et 140°C. Il s’agit du seuil haut à ne pas dépasser afin de préserver la tenue mécanique du rotor 3.
Le seuil de température est variable. Il dépend du paramètre représentatif de la puissance consommée par le moteur 16, tel que la puissance ou le courant consommé par le moteur 16 sur une plage de température donnée.
Par exemple, le seuil de température diminue, par exemple linéairement, avec l’augmentation du paramètre représentatif de la puissance consommée par le moteur 16 à l’intérieur de la plage de température. Plus la puissance ou le courant consommé par le moteur 16 est élevé et plus on coupe rapidement le chauffage interne.
La plage de température donnée est par exemple comprise entre 100°C et 140°C ou entre 100°C et au moins 10°C de moins que le seuil de température maximale, tel qu’entre 100°C et 120°C comme entre 118°C et 120°C. En deçà de la limite basse de la plage de température, des dépôts risquent de se former dans la pompe à vide 1. Au-delà de la limite haute de la plage de température, le rotor 3 risque de fluer.
La puissance (ou le courant) consommée par le moteur 16 peut être plafonnée à un seuil de consommation moteur maximale. Le seuil de consommation moteur maximal est par exemple 1000W (ou 10A).
Par exemple, et comme représenté sur la , sur la plage donnée de puissance 0-1000W, si la puissance consommée par le moteur 16 est très élevée, telle que le seuil de consommation moteur maximal, ici 1000W, le seuil de température au-delà duquel on coupe le chauffage interne peut être une limite basse de la plage de température donnée, par exemple 118°C. Si la puissance consommée par le moteur 16 est très basse, comme nulle, le seuil de température au-delà duquel on coupe le chauffage interne peut être une limite haute, supérieure à la limite basse, par exemple 10°C de moins que le seuil de température maximale, tel que 120°C. Entre les deux puissances extrêmes de la plage donnée, le seuil de température au-delà duquel on coupe le chauffage interne peut évoluer linéairement avec la puissance, tel que selon la formule ci-après :
Seuil de température = 120 (°C) - 0,002 (°C/W) * Pmoteur(W)
Si le paramètre représentatif de la puissance consommée par le moteur 16 est le courant, le seuil de température peut évoluer selon la formule :
Seuil de température = 120 (°C) - 0,2 (°C/A) * Imoteur(A)
En fonctionnement, l’unité de contrôle 31 pilote activement d’une part, le dispositif de chauffage externe 27 pour chauffer l’enveloppe externe 19 du stator 2 et d’autre part, le dispositif de chauffage interne 21 en contrôlant l’alimentation électrique des éléments radiatifs 30. La température du rotor 3 de la pompe à vide est mesurée par le capteur de température 23 et un paramètre représentatif de la puissance consommée par le moteur 16 comme la puissance électrique ou le courant, est déterminé. La détermination de la température du rotor 3 est plus adaptée que la détermination du stator 2 pour être suffisamment réactif. Ces signaux (température mesurée et courant ou puissance consommée) sont transmis à l’unité de contrôle 31.
Ainsi, lorsque la pompe à vide 1 est utilisée sur des cycles de pompage alternant des périodes d’importants flux gazeux à pomper, c’est-à-dire supérieurs aux flux gazeux nominaux, par exemple au moins 1,5 fois supérieurs, avec des périodes de flux gazeux à pomper modérés, et donc nominaux, la mise en route et la coupure du chauffage interne peut être synchronisée avec les variations de flux gazeux à pomper. Au lieu de couper et rétablir le chauffage interne à l’aveugle, c’est-à-dire au lieu de réguler la température en tenant compte uniquement de la température, le chauffage interne peut être coupé pendant les périodes de fortes puissances (et donc d’importants flux gazeux à pomper). La prise en compte de la puissance consommée par le moteur 16 permet ainsi de mettre en correspondance les périodes de forts flux gazeux avec les périodes de coupure du chauffage interne. La coupure du chauffage interne permet d’éviter de trop chauffer les forts flux gazeux pour limiter les risques de craquage thermique, c’est-à-dire une dégradation chimique des molécules des gaz pompés lorsqu’elles sont chauffées de manière trop importante, avec production de sous-produits non volatils tel que le noir de carbone.
Avec le seuil de température qui diminue avec l’augmentation du paramètre représentatif de la puissance consommée par le moteur 16 sur une plage de température donnée, on coupe le chauffage interne un peu plus bas en température à forte puissance qu’à faible puissance pour anticiper l’augmentation de température du rotor 3 à venir due à l’augmentation du flux gazeux à pomper, cette augmentation du flux gazeux à pomper provoquant une augmentation de température du rotor 3 du fait de la compression des gaz mais qui est relativement lente. En effet, le rotor 3 étant très lent à chauffer, l’augmentation du flux gazeux pompé n’a un impact sur la température du rotor 3 (et donc sur la coupure du chauffage interne) que bien après le début du pompage de ce fort flux gazeux, et se prolonge bien après la fin de ce pompage. Le seuil de température évolutif permet de stabiliser le chauffage tout en s’approchant le plus possible de la limite haute de température pour éviter la formation de dépôts dans la pompe à vide 1 tout en limitant les risques de craquage thermique et les risques de fluage.
Le moteur 16 surdimensionné peut absorber cet important flux gazeux.
Il est donc possible d’absorber d’importants flux de gaz sans ralentissement du rotor 3. La vitesse de rotation nominale du rotor 3 peut donc être maintenue sans risque particulier pour la durée de vie de la pompe à vide 1.
On peut prévoir de signaler lorsque la pompe à vide 1 passe en mode de fonctionnement de surrégime, c’est-à-dire lorsque le chauffage interne du rotor 3 est coupé du fait que la température du rotor 3 a dépassé le seuil de température. Pour cela, l’unité de contrôle 31 peut comporter un dispositif de signalement 32 configuré pour émettre un signalement tel qu’un signal électrique, électronique ou lumineux, permettant de signaler le passage dans le mode de fonctionnement de surrégime.
On sort du mode de fonctionnement de surrégime pour rebasculer en mode de fonctionnement nominal, c’est-à-dire qu’on rétablit le chauffage interne, si la température du rotor 3 mesurée diminue et repasse sous le seuil de température. Cette situation est engendrée par la fin du pompage du flux important de gaz. Le mode de fonctionnement de surrégime est donc ponctuel, par exemple supérieur à une minute, et par exemple inférieur à quinze minutes.
Selon un exemple d’application représenté sur la , la pompe à vide 1 est utilisée pour le pompage cyclique d’une chambre de procédés 101 d’un équipement 100 dans laquelle ont lieu des procédés de fabrication notamment d’éléments 102 semi-conducteurs ou de panneaux photovoltaïques ou d’écrans plats.
La bride annulaire d’entrée 8 de la pompe à vide 1 turbomoléculaire est fluidiquement raccordée à la chambre de procédés 101 d’un tel d’un équipement 100 et l’orifice de refoulement 7 est fluidiquement raccordé par exemple à un pompage primaire 103.
Les procédés de fabrication ayant lieu dans la chambre de procédés 101 comportent différentes étapes se succédant au cours du temps, notamment des étapes de fabrication 104 et des étapes de nettoyage 105. Le graphique de la illustre un procédé de fabrication alternant des étapes de fabrication 104 avec des étapes de nettoyage 105.
Les étapes de fabrication 104 comprennent par exemple notamment des étapes de gravure, des étapes d’attente... etc. Elles nécessitent le pompage d’un flux gazeux modéré, et donc nominal, par exemple inférieur à 2slm (ou 3,37 Pa.m3/s).
Des étapes de nettoyage 105 sont régulièrement intercalées entre les étapes de fabrication 104 pour le nettoyage des parois de la chambre de procédés 101. Ces étapes 105 nécessitent le pompage de flux gazeux importants, par exemple de dioxygène, par exemple de l’ordre de 4slm (ou 6,75 Pa.m3/s).
Les étapes de nettoyage 105 durent en général quelques minutes, une à deux fois par heure.
Sur le graphique de la , la courbe A montre l’évolution de la température mesurée du rotor 3 de la pompe à vide 1 au cours du procédé de fabrication, la courbe B montre l’évolution de la puissance consommée par le moteur 16, la courbe C la puissance d’alimentation des éléments radiatifs 30 du dispositif de chauffage interne 21 de la pompe à vide 1 et la courbe D montre l’évolution du seuil de température.
On voit qu’au cours des étapes de fabrication 104, la puissance consommée (courbe B) par le moteur 16 est de l’ordre de 100W. Elle est inférieure à 1000W, le seuil de consommation moteur maximal.
Pour cette puissance consommée de 100W, le seuil de température (courbe D) est de 119,8°C. On constate qu’au cours de ces étapes de fabrication 104, la température mesurée du rotor 3 (courbe A) diminue lentement car le flux gazeux à pomper est passé d’important à modéré. La température mesurée du rotor est inférieure à ce seuil de température de 119,8°C.
Les éléments radiatifs sont donc alimentés (courbe C).
La pompe à vide 1 est en mode de fonctionnement nominal.
Lorsqu’une étape de nettoyage 105 débute, la puissance consommée augmente brutalement du fait du fort flux gazeux à pomper (courbe B), la puissance consommée plafonnant au seuil de consommation moteur maximal de 1000W.
L’augmentation de la puissance consommée provoque la baisse proportionnelle du seuil de température (courbe D). La température mesurée du rotor 3 augmente progressivement du fait du fort flux gazeux à pomper.
Lorsque la température mesurée du rotor 3 est supérieure ou égale au seuil de température (croisement des courbes A et D), la pompe à vide 1 passe en mode de fonctionnement de surrégime, ce qui coupe l’alimentation des éléments radiatifs 30 du dispositif de chauffage interne 21 (courbe C). Le chauffage interne est coupé sans attendre une montée significative de la température du rotor 3.
Durant toute l’étape de nettoyage 105, la puissance consommée en mode de fonctionnement de surrégime est au moins deux fois supérieure à la puissance consommée en fonctionnement nominal, ici dix fois supérieure. La température mesurée du rotor 3 augmente mais n’a pas le temps de passer au-delà du seuil de température maximale de 130°C.
A la fin de l’étape de nettoyage 105, la puissance consommée diminue du fait de la baisse du flux gazeux à pomper. La température commence à diminuer également mais moins rapidement.
La diminution de la puissance consommée provoque l’augmentation proportionnelle du seuil de température (courbe D).
Lorsque la température mesurée du rotor 3 devient inférieure au seuil de température (croisement des courbes A et D), la pompe à vide 1 passe en mode de fonctionnement nominal, ce qui rétablit l’alimentation des éléments radiatifs 30 du dispositif de chauffage interne 21 (courbe C).
La mise en route et la coupure du chauffage interne peut être synchronisée avec les variations de flux gazeux à pomper pour réguler la température en coupant le chauffage interne pendant les périodes de fortes puissances (et donc d’importants flux gazeux à pomper). Le mode de fonctionnement en surrégime est automatique, l’utilisateur n’a pas à changer la consigne de température de la pompe à vide 1 et n’a pas besoin de connaitre d’informations extérieures à la pompe à vide 1 comme la durée, débit et nature des gaz pompés.
Claims (12)
- Procédé de contrôle des paramètres de fonctionnement d’une pompe à vide (1) turbomoléculaire comportant :
- un stator (2),
- un rotor (3),
- un moteur (16) configuré pour entrainer le rotor (3) en rotation dans le stator (2),
- un dispositif de chauffage interne (21) agencé dans le chemin d’écoulement des gaz de la pompe à vide (1) et configuré pour chauffer le rotor (3),
- un capteur de température configuré pour mesurer la température du rotor (3),
- un dispositif de chauffage externe (27) configuré pour chauffer le stator (2),
caractérisé en ce que le procédé de contrôle comporte :
- un mode de fonctionnement nominal dans lequel on chauffe le rotor (3) via le dispositif de chauffage interne (21), tant que la température mesurée du rotor (3) est inférieure à un seuil de température pour un paramètre représentatif de la puissance consommée par le moteur (16) donné, et
- un mode de fonctionnement de surrégime dans lequel on coupe le chauffage interne du rotor (3) lorsque la température mesurée du rotor (3) est supérieure ou égale au seuil de température. - Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que le seuil de température est variable et diminue à l’intérieur d’une plage de température donnée, notamment comprise entre 100°C et 140°C, tel qu’entre 118°C et 120°C, avec l’augmentation du paramètre représentatif de la puissance consommée par le moteur (16).
- Procédé de contrôle selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la diminution est linéaire.
- Procédé de contrôle selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance consommée par le moteur (16) est plafonnée à un seuil de consommation moteur maximale.
- Procédé de contrôle selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance consommée en mode de fonctionnement de surrégime est au moins deux fois supérieure à la puissance consommée en fonctionnement nominal.
- Procédé de contrôle selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le paramètre représentatif de la puissance consommée par le moteur (16) est le courant ou la puissance consommée.
- Procédé de contrôle selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe à vide (1) est utilisée pour le pompage cyclique de chambres de procédés (101) d’équipements (100), dans lesquelles ont lieu des procédés de fabrication comprenant des étapes de fabrication (104) où les flux gazeux à pomper sont modérés et des étapes de nettoyage (105) où les flux gazeux à pomper sont importants.
- Pompe à vide (1) turbomoléculaire comportant :
- un stator (2),
- un rotor (3),
- un moteur (16) configuré pour entrainer le rotor (3) en rotation dans le stator (2),
- un dispositif de chauffage interne (21) agencé dans le chemin d’écoulement des gaz de la pompe à vide (1) et configuré pour chauffer le rotor (3),
- un capteur de température configuré pour mesurer la température du rotor (3),
- un dispositif de chauffage externe (27) configuré pour chauffer le stator (2),
caractérisé en ce que le moteur (16) est configuré d’une part, pour pouvoir entrainer le rotor (3) avec une puissance nominale et d’autre part, pour pouvoir entrainer le rotor (3) avec une puissance de surrégime, supérieure à la puissance nominale, et en ce que la pompe à vide (1) comporte une unité de contrôle (30) configurée pour mettre en œuvre un procédé de contrôle selon l’une des revendications précédentes. - Pompe à vide (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moteur (16) est configuré pour fournir une puissance nominale adaptée pour pouvoir pomper un débit maximal continu, équivalent azote, inférieur à 5 Pa.m3/s.
- Pompe à vide (1) selon l’une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le moteur (16) est configuré pour fournir une puissance de surrégime adaptée pour pouvoir pomper un débit équivalent azote supérieur ou égal à 5 Pa.m3/s, tel que supérieur à 6,755 Pa.m3/s.
- Pompe à vide (1) turbomoléculaire selon l’une des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que le capteur de température (23) est un capteur de température infrarouge.
- Pompe à vide (1) turbomoléculaire selon l’une des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que le dispositif de chauffage interne (21) comporte des éléments radiatifs agencés dans les rainures hélicoïdales (14) d’une douille (22) du stator (2) de la pompe à vide (1).
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| US6599108B2 (en) * | 2000-11-22 | 2003-07-29 | Seiko Instruments Inc. | Vacuum pump |
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2023
- 2023-03-30 FR FR2303059A patent/FR3147334A1/fr active Pending
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- 2024-01-22 WO PCT/EP2024/051399 patent/WO2024199748A1/fr unknown
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024199748A1 (fr) | 2024-10-03 |
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