EP3137771B1 - Méthode de pompage dans un système de pompage et système de pompes à vide - Google Patents

Méthode de pompage dans un système de pompage et système de pompes à vide Download PDF

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EP3137771B1
EP3137771B1 EP14721361.5A EP14721361A EP3137771B1 EP 3137771 B1 EP3137771 B1 EP 3137771B1 EP 14721361 A EP14721361 A EP 14721361A EP 3137771 B1 EP3137771 B1 EP 3137771B1
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Théodore ILTCHEV
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Ateliers Busch SA
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Description

    Domaine technique de l'invention
  • La présente invention se rapporte à une méthode de pompage permettant de réduire la consommation d'énergie électrique ainsi que les performances en termes de débit et vide final dans un système de pompage dont la pompe principale est une pompe à vide à palettes lubrifiées. Egalement, la présente invention se rapporte à un système de pompage qui peut 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 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 et réduire la consommation d'énergie il faut rajouter des étages supplémentaires dans les pompes à vide de type Roots multi-étagées ou Claws multi-étagées. Pour les pompes à vide à vis il faut mettre des tours supplémentaires aux vis, et/ou augmenter le taux de compression interne. Pour les pompes à vide à palettes lubrifiées il faut également rajouter un ou plusieurs étages supplémentaires en série et augmenter le taux de compression interne.
  • L'état de la technique concernant les systèmes de pompage 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 à palettes lubrifiées. 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 manière active, ce qui résulte forcément en une augmentation du nombre de composants du système, de sa complexité et de son coût.
  • Le document WO20141012896A2 propose d'utiliser en aval d'une pompe à vide primaire de type roots un éjecteur monté en parallèle 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 FR2952683A1 enseigne qu'il est possible d'abaisser la consommation électrique d'une pompe à vide primaire sèche si des moyens de pilotage de l'alimentation externe en fluide moteur de l'éjecteur susmentionné 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 pour l'éjecteur, placé en aval d'une pompe primaire sèche, sous forme de ligne de gaz par un compresseur à air externe et isolé.
    • Résumé de l'invention
  • La présente invention a pour but de proposer une méthode de pompage dans un système de pompage permettant de réduire l'énergie électrique nécessaire pour la mise sous vide d'une enceinte à vide et le maintien du vide dans cette enceinte, ainsi que de réaliser une baisse de la température des gaz de sortie.
  • La présente invention a aussi pour but de proposer une méthode de pompage dans un système de pompage permettant d'obtenir un débit supérieur à basse pression à celui qui peut être obtenu à l'aide d'une pompe à vide à palettes lubrifiées seule lors du pompage d'une enceinte à vide.
  • La présente invention a également pour but de proposer une méthode de pompage dans un système de pompage permettant d'obtenir un meilleur vide que celui qui peut être obtenu à l'aide d'une pompe à vide à palettes lubrifiées seule dans une enceinte à vide.
  • 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 à palettes lubrifiées 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 l'atmosphère ou dans d'autres appareils. L'aspiration d'un éjecteur 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.
  • L'éjecteur est alimenté en fluide moteur par le compresseur et l'éjecteur continue d'être alimenté en fluide moteur tout le temps que la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées est alimentée par une source d'énergie et évacue l'enceinte à vide.
  • Une telle méthode de pompage est notamment l'objet de la revendication indépendante 1. Des différents modes de réalisation préférés de l'invention sont en outre l'objet des revendications dépendantes.
  • La méthode consiste essentiellement à alimenter en fluide moteur et faire fonctionner l'éjecteur en continu tout le temps que la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées 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 à palettes lubrifiées 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 à palettes lubrifiées 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 pompage adapté pour la mise en œuvre de la méthode de pompage selon la présente invention comprend un nombre minimal de composants, présente une grande simplicité et coûte nettement moins cher que les systèmes existants.
  • Par sa nature, l'éjecteur intégré dans le système de pompage peut toujours fonctionner sans dommages suivant la présente méthode de pompage. Son 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 à palettes lubrifiées, 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 à palettes lubrifiées, mais peut aussi être inférieur ou supérieur à ces valeurs. Le fluide moteur pour l'éjecteur peut être de l'air comprimé, 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 à palettes lubrifiées peut être un élément standard disponible dans le commerce. Il est dimensionné suivant le débit nominal de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées. En particulier, il est prévu que le clapet anti-retour se ferme quand la pression à l'aspiration de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées 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 chimique, celle 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 le séparateur d'huile de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées.
  • 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 à palettes lubrifiées, la pression des gaz refoulés à sa sortie est plus haute que la 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 à 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 anti-retour. La pression à la sortie de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées 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 à palettes lubrifiées, dans le volume fermé (limité par le clapet anti-retour) se réduit et par conséquent la différence de pression entre l'enceinte et la sortie de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées baisse. Cette faible différence réduit les fuites internes dans la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées et engendre en même temps une baisse de la pression dans l'enceinte, ce qui permet d'améliorer le vide final. En plus, la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées consomme de moins en moins d'énergie pour la compression et produit de moins en moins de chaleur de compression.
  • Selon la présente invention, le débit de gaz à la pression nécessaire pour le fonctionnement de l'éjecteur est fourni par un compresseur. De manière notable, ce compresseur est entraîné par la pompe primaire à palettes lubrifiées. Ce compresseur 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 les systèmes de pompes à vide à palettes lubrifiées indépendants d'une source de gaz comprimé, ce qui peut répondre à certains environnements industriels. Le compresseur peut fournir le débit de gaz à la pression nécessaire pour le fonctionnement de plusieurs éjecteurs, faisant partie respectivement de plusieurs systèmes de pompes à vide avec comme pompes primaires des pompes à palettes lubrifiées.
  • 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 à palettes lubrifiées et le clapet anti-retour dans le but d'y descendre la pression plus vite.
    • 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 pompage; et
    • la figure 2 représente de manière schématique un deuxième système de pompage adapté pour la réalisation d'une méthode de pompage selon un mode de réalisation de la présente invention.
    • la figure 3 représente de manière schématique un troisième système de pompage hors du cadre de la présente invention.
    Description détaillée des modes de réalisation de l'invention
  • Figure 1 représente un premier système de pompage SP adapté pour la mise en œuvre d'une méthode de pompage.
  • Ce système de pompage SP comporte une enceinte 1, laquelle est reliée à l'orifice d'aspiration 2 d'une pompe à vide primaire à palettes lubrifiées 3. L'orifice de sortie des gaz de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées 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 6 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 l'orifice de sortie des gaz de la pompe à vide primaire 3 et lui-même. Le système de pompage SP comporte aussi un éjecteur 7, branché en parallèle au clapet anti-retour 6. L'orifice d'aspiration de l'éjecteur est relié 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.
  • Dès la mise en route de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées 3, le fluide moteur pour l'éjecteur 7 est injecté par le conduit d'alimentation 9. Ensuite, la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées 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 à palettes lubrifiées 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 à palettes lubrifiées 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 en comparaison avec des pompes similaires équipées d'automate programmable et ou de variateur, vannes pilotées, capteurs, etc.
  • Figure 2 représente un deuxième système de pompage SP adapté pour la mise en œuvre d'une méthode de pompage selon un mode de réalisation de la présente invention.
  • 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. En effet, ce compresseur 10 peut aspirer de 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 pompage indépendant d'une source de gaz comprimé, ce qui peut répondre à certains environnements industriels. Le compresseur 10 est entraîné par la pompe primaire à palettes lubrifiées 3. Dans tous les cas la consommation d'énergie du compresseur 10 quand il fournit le débit de gaz à la pression nécessaire afin de faire fonctionner l'éjecteur 7 est largement plus petite par rapport au gain réalisé sur la consommation d'énergie de la pompe principale 3.
  • Figure 3 représente un système de pompes à vide SPP hors du cadre de la présente invention.
  • Par rapport aux systèmes montrés aux figures 1 et 2, le système représenté à la figure 3 correspond à un système de pompage piloté, qui comprend en outre des capteurs 11, 12, 13 qui contrôlent p.ex. le courant du moteur (capteur 11) de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées 3, la pression (capteur 13) des gaz dans le volume du conduit de sortie de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées (limité par le clapet anti-retour 6), la température (capteur 12) des gaz dans le volume du conduit de sortie de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées (limité par le clapet anti-retour 6) ou une combinaison de ces paramètres. En effet, quand la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées 3 commence à pomper les gaz de l'enceinte à vide 1, ces paramètres cités (notamment 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 11, 12, 13 correspondants. Cela provoque la mise en marche de l'éjecteur 7 (après une certaine temporisation). Quand ces paramètres repassent dans des plages initiales (hors consignes) l'éjecteur est arrêté (de nouveau après une certaine temporisation). Bien évidemment, le système de pompage piloté SSP peut avoir comme source de gaz comprimé un réseau de distribution ou bien un compresseur 10 dans les conditions décrites en figure 2.
  • Certainement, la présente invention est sujette à de nombreuses variations quant à sa mise en œuvre. Bien que divers modes de réalisation aient été décrits, 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.

Claims (12)

  1. Méthode de pompage dans un système de pompage (SP, SPP) comprenant:
    - une pompe à vide primaire à palettes lubrifiées (3) avec un orifice d'entrée des gaz (2) relié à une enceinte à vide (1) et un orifice de sortie des gaz (4) donnant dans un conduit (5) avant de déboucher dans la sortie des gaz (8) du système de pompage (SP, SPP),
    - un clapet anti-retour (6) positionné dans le conduit (5) entre l'orifice de sortie des gaz (4) et la sortie des gaz (8), et
    - un éjecteur (7) branché en parallèle au clapet anti-retour (6),
    - un compresseur (10),
    la méthode étant caractérisée en ce que
    le compresseur est entraîné par la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées ;
    la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées (3) est mise en marche afin de pomper les gaz contenus dans l'enceinte à vide (1) par l'orifice de sortie des gaz (4) ;
    de manière simultanée, l'éjecteur (7) est alimenté en fluide moteur par le compresseur;
    et l'éjecteur (7) continue d'être alimenté en fluide moteur tout le temps que la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées (3) est alimentée par une source d'énergie et évacue l'enceinte à vide (1).
  2. Méthode de pompage selon la revendication 1, caractérisée en ce que la sortie de l'éjecteur (7) rejoint le conduit (5) après le clapet anti-retour (6).
  3. Méthode de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le fluide moteur de l'éjecteur (7) est de l'air comprimé et/ou de l'azote.
  4. Méthode de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le clapet anti-retour (6) se ferme quand la pression à l'aspiration de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées (3) se situe entre 500 mbar absolu et le vide final.
  5. Méthode de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'éjecteur (7) est intégré dans une cartouche qui incorpore le clapet anti-retour (6), la cartouche pouvant elle-même être logée dans le séparateur d'huile de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées
  6. Méthode de pompage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le compresseur (10) aspire l'air atmosphérique ou des gaz dans le conduit de sortie de gaz (8) après le clapet anti-retour (6).
  7. Système de pompage (SP, SPP) comprenant :
    - une pompe à vide primaire à palettes lubrifiées (3) avec un orifice d'entrée des gaz (2) relié à une enceinte à vide (1) et un orifice de sortie des gaz (4) donnant dans un conduit (5) avant de déboucher dans la sortie des gaz (8) du système de pompes à vide (SP),
    - un clapet anti-retour (6) positionné dans le conduit (5) entre l'orifice de sortie des gaz (4) et la sortie des gaz (8), et
    - un éjecteur (7) branché en parallèle au clapet anti-retour (6),
    - un compresseur (10),
    le système de pompage (SP, SPP) étant caractérisé en ce que
    le compresseur est entraîné par la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées,
    et l'éjecteur (7) est agencé pour pouvoir être alimenté en fluide moteur tout le temps que la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées (3) est alimentée par une source d'énergie et évacue l'enceinte à vide (1).
  8. Système de pompage selon la revendication 7, caractérisé en ce que la sortie de l'éjecteur (7) rejoint le conduit (5) après le clapet anti-retour (6).
  9. Système de pompage selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le fluide moteur de l'éjecteur (7) est de l'air comprimé et/ou de l'azote.
  10. Système de pompage selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le clapet anti-retour (6) se ferme quand la pression à l'aspiration de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées (3) se situe entre 500 mbar absolu et le vide final.
  11. Système de pompage selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'éjecteur (7) est intégré dans une cartouche qui incorpore le clapet anti-retour (6), cette cartouche pouvant elle-même être logée dans le séparateur d'huile de la pompe à vide primaire à palettes lubrifiées.
  12. Système de pompage selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que le compresseur (10) aspire l'air atmosphérique ou des gaz dans le conduit de sortie de gaz (8) après le clapet anti-retour (6).
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