EP3867531B1 - Procédé de contrôle de la température d'une pompe à vide, pompe à vide et installation associées - Google Patents

Procédé de contrôle de la température d'une pompe à vide, pompe à vide et installation associées Download PDF

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EP3867531B1
EP3867531B1 EP19773440.3A EP19773440A EP3867531B1 EP 3867531 B1 EP3867531 B1 EP 3867531B1 EP 19773440 A EP19773440 A EP 19773440A EP 3867531 B1 EP3867531 B1 EP 3867531B1
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vacuum pump
stator
pumping
cooling element
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Pfeiffer Vacuum SAS
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Pfeiffer Vacuum SAS
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    • F04C23/00—Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids
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Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling the temperature of a dry-type vacuum pump.
  • the invention also relates to a dry-type vacuum pump comprising means for implementing said control method.
  • the invention also relates to an installation comprising said vacuum pump.
  • Primary vacuum pumps of the dry type comprise several pumping stages in series in which a gas to be pumped circulates between a suction and a discharge.
  • a gas to be pumped circulates between a suction and a discharge.
  • One distinguishes among the known primary vacuum pumps those with rotary lobes also known under the name “Roots” with two lobes or more or those with beak, also known under the name “Claw” or those with screw.
  • Roots Blower type vacuum pumps are also known which are used upstream of the primary vacuum pumps, to increase the pumping capacity in a situation of very high flow.
  • More and more applications require the ability to vary the gas flows to be pumped significantly and quickly, between, on the one hand, process steps for which the vacuum pump must cycle large gas flows, such as of the order of several slm (for "standard liter per minute” in English) or several tens of slm, and on the other hand, waiting stages (or “idle” in English) for which the vacuum pump is in so-called “limit vacuum pressure” operation, the flow of gas to be pumped being zero or very low.
  • the stator is generally cooled by circulating water at ambient temperature in cooling circuits in thermal contact with the stator.
  • This temperature difference between the rotors and the stator can be accentuated by the fact that the temperature measurement point used to control the cooling circuits is not necessarily located at a favorable location allowing a rapid change in temperature due to a change in pumping load.
  • the measured temperature can thus be overestimated and lead to the continuation of the control of the cooling of the stator although at the level of the bearings for example, the temperature has already dropped significantly.
  • the reaction time necessary to actually notice a drop in temperature of the stator can be relatively long, which can lead to the aggravation of the difference between the temperatures.
  • This temperature difference can cause a loss of play between the stator and the rotors due to the different thermomechanical behaviors, and in particular a loss of axial play because the cooling circuits are generally arranged at each axial end of the vacuum pump at the level of the bearings. , as well as a reduction in the center distance due to the retraction of the shaft supports. These clearance losses can lead to the pump seizing or impingement between rotors.
  • WO 2006/082366 A1 and US 6,056,510A describe devices for controlling a pumping installation.
  • One of the aims of the present invention is to propose a vacuum pump of the dry type and a method for controlling the temperature of the vacuum pump making it possible to solve at least one of the aforementioned drawbacks, in particular by limiting the losses of play and the seizing .
  • the change in temperature setpoint thus makes it possible to cut off the cooling of the stator by the cooling element as soon as possible, leaving the stator to heat up close to the cooling element.
  • the increase in the temperature setpoint during low pumping load stages makes it possible to keep the stator as hot as during high load stages, which makes it possible to limit the risks of seizing or contact between rotors.
  • This temperature which is kept high during low load stages, also makes it possible to avoid the creation of cold zones where the polluting condensable species could solidify or condense.
  • the triggering of the temperature setpoint change carried out by monitoring the pumping load also makes it possible to be very reactive.
  • This monitoring can further be carried out from the information already available by the sensors of the vacuum pump, by integrating the thermal behavior of the vacuum pump in the determination of the temperature control, without requiring the addition of temperature sensors. additional, without information of the process taking place in the enclosure and without changing the positioning of the at least one temperature sensor or the structure of the cooling elements.
  • the temperature control method may further comprise one or more characteristics described below, taken alone or in combination.
  • the temperature set point is increased at least for temperature control by means of a cooling element coupled to a so-called low-pressure pumping stage of the vacuum pump.
  • the temperature setpoint after increasing the temperature setpoint, it is monitored whether the value of the parameter representative of the pumping load is greater than the load threshold and, if the value of the parameter representative of the pumping load is greater than the threshold load then an increased temperature setpoint is maintained for a predefined additional period.
  • the predefined additional duration is for example greater than ten minutes.
  • the increase in the temperature setpoint is for example greater than 3°C.
  • the increase in the temperature setpoint is for example less than 20°C.
  • the dry-type vacuum pump can be a multistage primary vacuum pump, ie comprising at least two pumping stages connected in series.
  • the vacuum pump can also be a Roots compressor type vacuum pump comprising one or two pumping stages connected in series.
  • the dry-type vacuum pump comprises two cooling elements coupled to the stator, a cooling element being arranged at each axial end of the vacuum pump.
  • the present invention also relates to an installation comprising an enclosure characterized in that it comprises a vacuum pump of the dry type as described previously, connected to the enclosure for its pumping.
  • the Figure 1 represents a first example of an installation 1 comprising a vacuum pump 2 of the dry type and an enclosure 3 to which the vacuum pump 2 is connected for example via a valve 4, for pumping the enclosure 3.
  • process steps P1, P2 can precede and follow so-called “waiting I” (or “idle”) steps during which the gas flows introduced are low or zero.
  • the vacuum pump 2 is in so-called “limit vacuum pressure” operation for periods longer than several minutes, for example to allow the enclosure 3 to be cleaned.
  • the succession of these steps intervenes for example during semiconductor manufacturing processes, such as so-called “HarpXT” processes.
  • the vacuum pump 2 comprises a stator 5, at least one pumping stage T1-T5, two shafts 6, 7 extending in the at least one pumping stage T1-T5 and respectively carrying at least one rotor 8, at at least one cooling element 11a, 11b coupled to the stator 5, at least one temperature sensor 12a, 12b configured to take a measurement of the temperature of the stator 5 and a control unit 13 configured to control the temperature of the stator 5 by means of at least one at least one cooling element 11a, 11b and at least one temperature sensor 12a, 12b.
  • the rotors 8 are configured to rotate synchronously in the opposite direction in the stator 5 to cause a gas to be pumped G from a suction 9 of the vacuum pump 2 to a discharge 10 of the pump 2.
  • the rotors 8 have, for example, lobes with identical profiles, such as of the “Roots” type (cross-section in the shape of an “eight” or “bean”) or of the “Claw” type. According to another example, the pumping rotors 8 are of the "screw” type.
  • the vacuum pump 2 comprises for example at least two pumping stages, such as five pumping stages.
  • Each pumping stage T1-T5 includes a respective input and output.
  • the successive pumping stages T1-T5 are connected in series one after the other through respective inter-stage channels 14 connecting the outlet (or discharge) of the preceding pumping stage to the inlet (or suction) of the following stage.
  • the gas sucked in from the inlet is trapped in the volume generated by the rotors 8, then is driven by the rotors 8 towards the discharge 10 (the direction of gas circulation is illustrated by the arrows G on the Figures 1 and 2 ).
  • the vacuum pump 2 is in particular called “dry” because in operation, the rotors 8 turn inside the stator 5 without any mechanical contact between them or with the stator 5, which makes it possible not to use oil in the pumping stages T1-T5.
  • the vacuum pump 2 of the dry type is a multistage primary vacuum pump.
  • a primary vacuum pump is a volumetric vacuum pump which, using two rotors, draws in, transfers and then delivers the gas to be pumped at atmospheric pressure.
  • the vacuum pump 2 is of the Roots compressor type and comprises one or two pumping stages. Roots compressor type vacuum pumps are connected in series and upstream of a rough vacuum pump.
  • the cooling element 11a, 11b comprises a hydraulic circuit 16 to allow water to circulate, for example at room temperature ( Figure 2 ).
  • the hydraulic circuit 16 is for example integrated in the stator 5. It has for example a "U" shape surrounding the bearings of the shafts 6, 7 to cool them.
  • the cooling element 11a, 11b further comprises, for example, a controllable valve 17 to authorize or cut off the circulation of water (regulation known as “all or nothing”).
  • the vacuum pump 2 comprises for example two cooling elements 11a, 11b coupled to the stator 5, a cooling element 11a, 11b being arranged at each axial end of the vacuum pump 2 ( Figure 2 ).
  • a cooling element 11a is coupled to a so-called low-pressure pumping stage T1, the inlet of which communicates with the suction 9 of the pump 2.
  • a cooling element 11b is coupled to a so-called high-pressure pumping stage T5, whose the outlet communicates with delivery 10 of pump 2.
  • the vacuum pump 2 comprises for example two temperature sensors 12a, 12b arranged on the stator 5 and spaced apart from each other.
  • a temperature sensor 12a is for example associated with the cooling element 11a located on the suction side 9.
  • the temperature sensor 12a is for example mounted on stator 5 at low pressure pumping stage T1 (suction side 9).
  • a temperature sensor 12b is for example associated with the cooling element 11b located on the discharge side 10.
  • the temperature sensor 12b is for example mounted on the stator 5 at the level of the high pressure pumping stage T5 (discharge side 10) .
  • the temperature sensors 12a, 12b are for example located on the stator 5 at a midpoint between the two shafts 6, 7, aligned on a straight line parallel to the axes of the shafts 6, 7 ( Figure 1 ).
  • the control unit 13 comprises one or more controllers or microcontrollers or processors and a memory for executing sequences of program instructions implementing a method for controlling the temperature 100 of the vacuum pump 2 in which the temperature is controlled of the vacuum pump 2 subjected to variable pumping loads by means of said at least one cooling element 11a, 11b coupled to the stator 5, according to a temperature set point and a measurement of the temperature of the stator 5.
  • control unit 13 is connected to at least one temperature sensor 12a, 12b to receive a measurement of the temperature of the stator 5 and is connected to at least one cooling element 11a, 11b, for example to control the opening/closing of the valve 17 of the associated hydraulic circuit 16.
  • the temperature control can be carried out independently on each cooling element 11a, 11b according to a specific temperature setpoint and an associated specific temperature measurement.
  • the vacuum pump 2 is subjected to variable pumping loads, which can vary between strong or weak gas flows.
  • the control unit 13 monitors whether the value of a parameter representative of the pumping load is lower than a load threshold S (diagnostic step 101, Figure 3 ).
  • the parameter representative of the pumping load is for example the current consumed by the vacuum pump 2 or the power consumed by the vacuum pump 2.
  • the control unit 13 calculates for example an average of the current or of the power consumed over a duration equal to or greater than the duration of a cycle of a process step P1, P2.
  • the control unit 13 is for example connected to an output of a speed variator of the motor of the vacuum pump 2.
  • control unit 13 controls the temperature of the vacuum pump 2 to reach the temperature setpoint by means of the cooling elements 11a, 11b, for example by closing the valves 17 to cut off the circulation of water when the temperature measurement is lower than the temperature setpoint and by opening the valves 17 to authorize the circulation of water when the temperature measurement is equal to or higher than the temperature setpoint (process regulation step 102).
  • the temperature setpoint is for example greater than 70°C.
  • the unit control 13 increases the temperature setpoint for controlling the temperature of the vacuum pump 2 by means of at least one cooling element 11a (standby regulation step 103).
  • the temperature setpoint can be increased for temperature control by means of the two cooling elements 11a, 11b or just one, but preferably at least by means of the cooling element 11a coupled to the pumping stage T1 of low pressure, which is more difficult to regulate in temperature because of the poorer heat exchange capacities between the rotors 8 and the stator 5 at low pressure.
  • the increase in the temperature setpoint corresponds for example to at least 3% of the temperature setpoint, such as for example to more than 3°C.
  • the increase in the temperature setpoint corresponds for example to at most 20% of the temperature setpoint, such as for example at less than 20° C.
  • the increase in the temperature setpoint is for example of the order of 6% of the temperature setpoint, such as 5°C.
  • the control unit 13 controls the temperature of the vacuum pump 2 to reach the increased temperature setpoint as carried out during the process step P1, P2, by means of the cooling elements 11a, 11b, for example by actuating the valves 17 for water circulation.
  • the additional time is predefined, eliminating the need for a sensor. It is for example greater than 10 minutes, such as 15 minutes.
  • This reconditioning step 104 makes it possible to allow time for the stator 5 to heat up due to the higher pumping load of the process step P1, P2. This makes it possible to avoid generating a new temperature difference between the rotors 8 and the stator 5 when returning to the initial temperature set point.
  • a gas flow of 80slm (135.12 Pa.m 3 /s) is introduced cyclically into enclosure 3.
  • the gas flow thus alternates between 80slm for 5 minutes and 0slm for 3 minutes.
  • the power consumed, representative of the pumping load therefore varies in steps between 500 and 2000W (curve A), above a load threshold of, for example, 600W over a period of more than 3 minutes (duration equal to one phase without process step flow).
  • the control unit 13 controls the temperature of the vacuum pump 2 to reach a temperature set point of 83° C. by means of the cooling elements 11a, 11b (process control step 102). It can be seen that the temperature of the stator 5 measured by the temperature sensor 12a thus fluctuates between 81° C. and 86° C. around the set temperature due to the on/off regulation mode (curve B). It can also be seen that the temperature measured at the center of the cooling element 11a (by way of indication), fluctuates between 84 and 87° C. (curves C and D).
  • the control unit 13 concludes from this that a waiting stage I takes place in the enclosure 3.
  • the control unit 13 then increases the setpoint of temperature of 5°C (standby regulation step 103) and controls the temperature of the vacuum pump 2 to 88°C by means of the cooler element 11a of the low pressure pumping stage T1 and to 83°C or 88°C by means of the cooling element 11b of the high pressure pumping stage T5.
  • the change in temperature set point thus makes it possible to cut off the cooling of the stator 5 by the cooling element 11a as soon as possible, leaving the stator 5 to heat up close to the cooling element 11a.
  • the temperature of the stator 5 measured at the level of the cooling element 11a has not, or only slightly, decreased below the temperature of the process step P1.
  • the temperature difference between the stator 5 and the rotors 8 is therefore substantially the same during the process step P1 as during the waiting step I since the rotors 8 remain hot.
  • step reconditioning 104 there is a rise in the temperatures of the stator 5 at the level of the cooling element 11a with the heating of the vacuum pump 2 (curves C and D).
  • the control unit 13 decrements the temperature setpoint which returns to 83° C (process control step 102).
  • the temperatures at the center of the cooling element 11a decrease by the temperature setpoint difference, then rise slowly with the setpoint value at 83°C.
  • the temperature remained above 83° C. at the level of the stator 5 near the cooling element 11a.
  • the increase in the temperature setpoint during the low pumping load waiting step I makes it possible to keep the stator 5 as hot in the center of the cooling element 11a as during the process steps P1, P2 , which makes it possible to limit the risks of seizing or of hits between rotors 8 during the waiting stage I linked to the differences in thermal expansion between the rotors 8 and the stator 5.
  • This temperature which is kept high during the waiting stage I, also makes it possible to avoid the creation of cold zones where the polluting condensable species could solidify or condense.
  • the triggering of the temperature setpoint change carried out by monitoring the pumping load also makes it possible to be very reactive.
  • This monitoring can further be carried out from the information already available by the sensors of the vacuum pump 2, by integrating the thermal behavior of the vacuum pump 2 in the determination of the temperature control, without requiring the addition of sensors additional temperature, without process information taking place in the enclosure 3 and without changing the positioning of at least one temperature sensor 12a, 12b or the structure of the cooling elements 11a, 11b.

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Description

  • La présente invention concerne un procédé de contrôle de la température d'une pompe à vide de type sèche. L'invention concerne également une pompe à vide de type sèche comprenant des moyens de mise en œuvre dudit procédé de contrôle. L'invention concerne aussi une installation comprenant ladite pompe à vide.
  • Les pompes à vide primaire de type sèche comportent plusieurs étages de pompage en série dans lesquels circule un gaz à pomper entre une aspiration et un refoulement. On distingue parmi les pompes à vide primaire connues, celles à lobes rotatifs également connues sous le nom « Roots » avec deux lobes ou plus ou celles à bec, également connues sous le nom « Claw » ou encore celles à vis. On connait également des pompes à vide de type compresseurs Roots (ou « Roots Blower » en anglais) à un ou deux étages qui sont utilisées en amont des pompes à vide primaire, pour augmenter la capacité de pompage en situation de très fort flux.
  • Ces pompes à vide sont dites « sèches » car en fonctionnement, les rotors tournent à l'intérieur du stator sans aucun contact mécanique entre eux ou avec le stator, ce qui permet de ne pas utiliser d'huile dans l'étage de pompage.
  • De plus en plus d'applications requièrent de pouvoir faire varier les flux de gaz à pomper de manière importante et rapide, entre d'une part, des étapes de procédé pour lesquelles la pompe à vide doit cycler des flux de gaz importants, tel que de l'ordre de plusieurs slm (pour « standard litre par minute » en anglais) ou plusieurs dizaines de slm, et d'autre part, des étapes d'attente (ou « idle » en anglais) pour laquelle la pompe à vide est en fonctionnement dit de « pression de vide limite », le flux de gaz à pomper étant nul ou très faible.
  • Le pompage de flux forts de gaz entraine un échauffement important de la pompe à vide du fait de la compression. Cette élévation de la température permet d'éviter la condensation ou la solidification en poudre d'espèces gazeuses polluantes à l'intérieur de la pompe à vide. Cependant, il est nécessaire de refroidir les paliers des pompes à vide pour éviter tout dysfonctionnement. En outre dans certaines applications, la température du stator doit être contrôlée de manière à ne pas dépasser un maximum prédéfini au-delà duquel les espèces gazeuses pompées pourraient s'agglomérer dans la pompe et provoquer son grippage.
  • Le refroidissement du stator est généralement réalisé par circulation d'eau à température ambiante dans des circuits refroidisseurs en contact thermique avec le stator.
  • Toutefois dans les situations décrites précédemment pour lesquelles le flux de gaz à pomper chute brutalement, la pompe à vide alors sans échauffement propre, peut refroidir tout aussi brusquement. Le stator en contact avec les circuits refroidisseurs voit alors sa température chuter tandis que les rotors qui ne sont pas directement refroidis, restent chauds.
  • Cette différence de température entre les rotors et le stator peut être accentuée par le fait que le point de mesure de la température permettant de contrôler les circuits refroidisseurs n'est pas forcément situé à un endroit propice permettant de déceler un changement rapide de température dû à un changement de charge de pompage. La température mesurée peut ainsi être surestimée et entrainer la poursuite de la commande du refroidissement du stator bien qu'au niveau des paliers par exemple, la température a déjà chuté de manière importante. Le temps de réaction nécessaire pour effectivement constater une baisse de température du stator peut être relativement long, ce qui peut entrainer l'aggravation de l'écart entre les températures.
  • Cet écart de température peut provoquer une perte de jeu entre le stator et les rotors du fait des différents comportements thermomécaniques, et notamment une perte du jeu axial car les circuits refroidisseurs sont généralement agencés à chaque extrémité axiale de la pompe à vide au niveau des paliers, ainsi qu'une diminution de l'entraxe du fait de la rétraction des supports des arbres. Ces pertes de jeu peuvent conduire au grippage de la pompe ou à des touches entre rotors.
  • Les documents US 2006/0269424 A1 et EP 0 362 757 A2 divulguent un procédé de contrôle de la température d'une pompe à vide selon le préambule de la revendication 1.
  • WO 2006/082366 A1 et US 6,056,510 A décrivent des dispositifs de contrôle d'une installation de pompage.
  • Un des buts de la présente invention est de proposer une pompe à vide de type sèche et un procédé de contrôle de la température de la pompe à vide permettant de résoudre au moins un des inconvénients précités, notamment en limitant les pertes de jeu et le grippage.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de contrôle de la température d'une pompe à vide de type sèche soumise à des charges de pompage variables, la pompe à vide comportant :
    • un stator,
    • au moins un étage de pompage,
    • deux arbres s'étendant dans le au moins un étage de pompage et portant respectivement au moins un rotor, les rotors étant configurés pour tourner de façon synchronisée en sens inverse dans le stator pour entrainer un gaz à pomper depuis une aspiration de la pompe à vide vers un refoulement,
    • au moins un élément refroidisseur couplé au stator,
    • au moins un capteur de température configuré pour prendre une mesure de la température du stator, et
    • une unité de contrôle configurée pour contrôler la température du stator au moyen du au moins un élément refroidisseur et du au moins un capteur de température,
    • dans lequel on contrôle la température de la pompe à vide au moyen du au moins un élément refroidisseur couplé au stator en fonction d'une consigne de température et d'une mesure de la température du stator,
    • caractérisé en ce qu'on surveille si la valeur d'un paramètre représentatif de la charge de pompage choisi parmi un courant consommé ou une puissance consommée par la pompe à vide est inférieure à un seuil de charge et, si la valeur du paramètre représentatif de la charge de pompage est inférieure au seuil de charge alors on augmente la consigne de température.
  • Le changement de consigne de température permet ainsi de couper au plus tôt le refroidissement du stator par l'élément refroidisseur, laissant le stator se réchauffer à proximité de l'élément refroidisseur. L'augmentation de la consigne de température au cours d'étapes de faible charge de pompage permet de garder le stator aussi chaud qu'au cours des étapes de forte charge, ce qui permet de limiter les risques de grippage ou de touches entre rotors.
  • Cette température qui est maintenue élevée au cours d'étapes de faible charge permet en outre d'éviter la création de zones froides où les espèces condensables polluantes pourraient se solidifier ou se condenser.
  • Le déclenchement de changement de consigne de température réalisée par surveillance de la charge de pompage permet de plus d'être très réactif.
  • Cette surveillance peut en outre être réalisée à partir des informations déjà disponibles par les capteurs de la pompe à vide, en intégrant le comportement thermique de la pompe à vide dans la détermination du contrôle de la température, sans nécessiter l'ajout de capteurs de température supplémentaires, sans informations du procédé ayant lieu dans l'enceinte et sans changer le positionnement du au moins un capteur de température ou la structure des éléments refroidisseurs.
  • Le procédé de contrôle de la température peut en outre comporter une ou plusieurs caractéristiques décrite ci-après, prise seule ou en combinaison.
  • Selon un exemple de réalisation, la consigne de température est augmentée au moins pour le contrôle de la température au moyen d'un élément refroidisseur couplé à un étage de pompage dit de basse pression de la pompe à vide.
  • Selon un exemple de réalisation, après augmentation de la consigne de température, on surveille si la valeur du paramètre représentatif de la charge de pompage est supérieure au seuil de charge et, si la valeur du paramètre représentatif de la charge de pompage est supérieure au seuil de charge alors on conserve une consigne de température augmentée pendant une durée supplémentaire prédéfinie.
  • La durée supplémentaire prédéfinie est par exemple supérieure à dix minutes.
  • L'augmentation de la consigne de température est par exemple supérieure à 3°C.
  • L'augmentation de la consigne de température est par exemple inférieure à 20°C.
  • L'invention a aussi pour objet une pompe à vide de type sèche comportant :
    • un stator,
    • au moins un étage de pompage,
    • deux arbres s'étendant dans le au moins un étage de pompage et portant respectivement au moins un rotor, les rotors étant configurés pour tourner de façon synchronisée en sens inverse dans le stator pour entrainer un gaz à pomper depuis une aspiration de la pompe à vide vers un refoulement,
    • au moins un élément refroidisseur couplé au stator,
    • au moins un capteur de température configuré pour prendre une mesure de la température du stator, et
    • une unité de contrôle configurée pour contrôler la température du stator au moyen du au moins un élément refroidisseur et du au moins un capteur de température,
      caractérisée en ce que l'unité de contrôle est configurée pour mettre en oeuvre un procédé de contrôle de la température tel que décrit précédemment.
  • La pompe à vide de type sèche peut être une pompe à vide primaire multiétagée, c'est à dire comportant au moins deux étages de pompage montés en série. La pompe à vide peut également être une pompe à vide de type compresseur Roots comportant un ou deux étages de pompage montés en série.
  • Selon un exemple de réalisation, la pompe à vide de type sèche comporte deux éléments refroidisseurs couplés au stator, un élément refroidisseur étant agencé à chaque extrémité axiale de la pompe à vide.
  • La présente invention a aussi pour objet une installation comprenant une enceinte caractérisée en ce qu'elle comporte une pompe à vide de type sèche telle que décrite précédemment, reliée à l'enceinte pour son pompage.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels:
    • La Figure 1 montre une vue schématique d'une installation selon l'invention.
    • La Figure 2 montre une vue schématique partielle et partiellement en coupe d'une pompe à vide de l'installation de la Figure 1, à l'état désassemblée, où seuls les éléments nécessaires au fonctionnement sont représentés.
    • La Figure 3 est une vue schématique montrant différentes étapes d'un procédé de contrôle de la température de la pompe à vide de la Figure 2.
    • La Figure 4 est un graphique montrant un exemple de courbes obtenues en fonction du temps (minutes) pour :
      • la puissance consommée (en Watt, ordonnée de droite) par la pompe à vide de la Figure 2 (courbe A),
      • la température du stator (en °C, ordonnée de gauche) mesurée par un capteur de température de la pompe à vide (courbe B), et
      • la température du stator mesurée à titre indicatif par deux capteurs de température de test fixés au centre d'un élément refroidisseur de la pompe à vide (courbes C et D).
  • 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.
  • La Figure 1 représente un premier exemple d'une installation 1 comportant une pompe à vide 2 de type sèche et une enceinte 3 à laquelle la pompe à vide 2 est raccordée par exemple via une vanne 4, pour le pompage de l'enceinte 3.
  • Des flux de gaz importants, de l'ordre de plusieurs slm ou plusieurs dizaines de slm, peuvent être introduits dans l'enceinte 3, par exemple de manière cyclique, au cours d'étapes dites « de procédé » P1, P2 (Figure 3). Ces étapes de procédé P1, P2 peuvent précéder et suivre des étapes dites « d'attente I » (ou « idle » en anglais) au cours desquelles les flux de gaz introduits sont faibles ou nuls. Au cours des étapes d'attente I, la pompe à vide 2 est en fonctionnement dit de « pression de vide limite » sur des durées supérieures à plusieurs minutes, par exemple pour permettre un nettoyage de l'enceinte 3. La succession de ces étapes intervient par exemple lors de procédés de fabrication de semi-conducteurs, tels que des procédés dits « HarpXT ».
  • Comme on peut mieux le voir sur les Figures 1 et 2, la pompe à vide 2 comporte un stator 5, au moins un étage de pompage T1-T5, deux arbres 6, 7 s'étendant dans le au moins un étage de pompage T1-T5 et portant respectivement au moins un rotor 8, au moins un élément refroidisseur 11a, 11b couplé au stator 5, au moins un capteur de température 12a, 12b configuré pour prendre une mesure de la température du stator 5 et une unité de contrôle 13 configurée pour contrôler la température du stator 5 au moyen du au moins un élément refroidisseur 11a, 11b et du au moins un capteur de température 12a, 12b.
  • Les rotors 8 sont configurés pour tourner de façon synchronisée en sens inverse dans le stator 5 pour entrainer un gaz à pomper G depuis une aspiration 9 de la pompe à vide 2 vers un refoulement 10 de la pompe 2.
  • Les rotors 8 présentent par exemple des lobes de profils identiques, tels que de type « Roots » (section transversale en forme de « huit » ou de « haricot ») ou de type « Claw ». Selon un autre exemple, les rotors de pompage 8 sont de type « à vis ».
  • La pompe à vide 2 comporte par exemple au moins deux étages de pompage, tel que cinq étages de pompage. Chaque étage de pompage T1-T5 comprend une entrée et une sortie respectives. Les étages de pompage successifs T1-T5 sont raccordés en série les uns à la suite des autres par des canaux inter-étages 14 respectifs raccordant la sortie (ou le refoulement) de l'étage de pompage qui précède à l'entrée (ou l'aspiration) de l'étage qui suit.
  • Lors de la rotation, le gaz aspiré depuis l'entrée est emprisonné dans le volume engendré par les rotors 8, puis est entraîné par les rotors 8 vers le refoulement 10 (le sens de circulation des gaz est illustré par les flèches G sur les Figures 1 et 2). La pompe à vide 2 est notamment dite « sèche » car en fonctionnement, les rotors 8 tournent à l'intérieur du stator 5 sans aucun contact mécanique entre eux ou avec le stator 5, ce qui permet de ne pas utiliser d'huile dans les étages de pompage T1-T5.
  • Dans cet exemple de réalisation, la pompe à vide 2 de type sèche est une pompe à vide primaire multiétagée. Une pompe à vide primaire est une pompe à vide volumétrique, qui, à l'aide de deux rotors aspire, transfère puis refoule le gaz à pomper à la pression atmosphérique. Selon un autre exemple, la pompe à vide 2 est de type compresseur Roots et comprend un ou deux étages de pompage. Les pompes à vide de type compresseur Roots sont montées en série et en amont d'une pompe à vide primaire.
  • Selon un exemple de réalisation, l'élément refroidisseur 11a, 11b comporte un circuit hydraulique 16 pour permettre une circulation d'eau, par exemple à température ambiante (Figure 2).
  • Le circuit hydraulique 16 est par exemple intégré dans le stator 5. Il présente par exemple une forme en « U » entourant les paliers des arbres 6, 7 pour les refroidir.
  • L'élément refroidisseur 11a, 11b comporte en outre par exemple une vanne 17 pilotable pour autoriser ou couper la circulation d'eau (régulation dite « tout ou rien »).
  • La pompe à vide 2 comporte par exemple deux éléments refroidisseurs 11a, 11b couplés au stator 5, un élément refroidisseur 11a, 11b étant agencé à chaque extrémité axiale de la pompe à vide 2 (Figure 2). Un élément refroidisseur 11a est couplé à un étage de pompage T1 dit de basse pression, dont l'entrée communique avec l'aspiration 9 de la pompe 2. Un élément refroidisseur 11b est couplé à un étage de pompage T5 dit de haute pression, dont la sortie communique avec le refoulement 10 de la pompe 2.
  • La pompe à vide 2 comporte par exemple deux capteurs de température 12a, 12b agencés sur le stator 5 et espacés l'un de l'autre. Un capteur de température 12a est par exemple associé à l'élément refroidisseur 11a situé côté aspiration 9. Le capteur de température 12a est par exemple monté sur le stator 5 au niveau de l'étage de pompage T1 de basse pression (côté aspiration 9). Un capteur de température 12b est par exemple associé à l'élément refroidisseur 11b situé côté refoulement 10. Le capteur de température 12b est par exemple monté sur le stator 5 au niveau de l'étage de pompage T5 de haute pression (côté refoulement 10).
  • Les capteurs de température 12a, 12b sont par exemple situés sur le stator 5 à un point milieu entre les deux arbres 6, 7, alignés sur une droite parallèle aux axes des arbres 6, 7 (Figure 1).
  • L'unité de contrôle 13 comporte un ou plusieurs contrôleurs ou microcontrôleurs ou processeurs et une mémoire pour exécuter des suites d'instructions de programmes mettant en œuvre un procédé de contrôle de la température 100 de la pompe à vide 2 dans lequel on contrôle la température de la pompe à vide 2 soumise à des charges de pompage variables au moyen dudit au moins un élément refroidisseur 11a, 11b couplé au stator 5, en fonction d'une consigne de température et d'une mesure de la température du stator 5.
  • Pour cela, l'unité de contrôle 13 est reliée à au moins un capteur de température 12a, 12b pour recevoir une mesure de la température du stator 5 et est reliée à au moins un élément refroidisseur 11a, 11b, par exemple pour piloter l'ouverture/fermeture de la vanne 17 du circuit hydraulique 16 associée. Le contrôle de température peut être réalisé indépendamment sur chaque élément refroidisseur 11a, 11b en fonction d'une consigne de température propre et d'une mesure de température propre associée.
  • En fonctionnement, la pompe à vide 2 est soumise à des charges de pompage variables, pouvant varier entre des flux de gaz forts ou faibles.
  • L'unité de contrôle 13 surveille si la valeur d'un paramètre représentatif de la charge de pompage est inférieure à un seuil de charge S (étape de diagnostic 101, Figure 3).
  • Le paramètre représentatif de la charge de pompage est par exemple le courant consommé par la pompe à vide 2 ou la puissance consommée par la pompe à vide 2. L'unité de contrôle 13 calcule par exemple une moyenne du courant ou de la puissance consommée sur une durée égale ou supérieure à la durée d'un cycle d'une étape de procédé P1, P2. Pour cela, l'unité de contrôle 13 est par exemple reliée à une sortie d'un variateur de vitesse du moteur de la pompe à vide 2.
  • Si, et tant que, la valeur du paramètre représentatif de la charge de pompage est supérieure au seuil de charge S alors on considère qu'une étape de procédé P1, P2 a lieu dans l'enceinte 3.
  • Dans ce cas, l'unité de contrôle 13 contrôle la température de la pompe à vide 2 pour atteindre la consigne de température au moyen des éléments refroidisseurs 11a, 11b, par exemple en fermant les vannes 17 pour couper la circulation d'eau lorsque la mesure de température est inférieure à la consigne de température et en ouvrant les vannes 17 pour autoriser la circulation d'eau lorsque la mesure de la température est égale ou supérieure à la consigne de température (étape de régulation de procédé 102).
  • La consigne de température est par exemple supérieure à 70°C.
  • Si, et tant que, la valeur du paramètre représentatif de la charge de pompage est inférieure au seuil de charge S, alors on considère qu'une étape d'attente I a lieu dans l'enceinte 3. Dans ce cas, l'unité de contrôle 13 augmente la consigne de température pour le contrôle de la température de la pompe à vide 2 au moyen d'au moins un élément refroidisseur 11a (étape de régulation en attente 103).
  • La consigne de température peut être augmentée pour le contrôle de la température au moyen des deux éléments refroidisseurs 11a, 11b ou d'un seul mais de préférence, au moins au moyen de l'élément refroidisseur 11a couplé à l'étage de pompage T1 de basse pression, qui est plus difficile à réguler en température du fait des moins bonnes capacités d'échanges thermiques entre les rotors 8 et le stator 5 à basse pression.
  • L'augmentation de la consigne de température correspond par exemple à au moins 3% de la consigne de température, comme par exemple à plus de 3°C. L'augmentation de la consigne de température correspond par exemple à au plus 20% de la consigne de température, comme par exemple à moins de 20°C. L'augmentation de la consigne de température est par exemple de l'ordre de 6% de la consigne de température, tel que 5°C.
  • L'unité de contrôle 13 contrôle la température de la pompe à vide 2 pour atteindre la consigne de température augmentée comme réalisé au cours de l'étape de procédé P1, P2, au moyen des éléments refroidisseurs 11a, 11b, par exemple en actionnant les vannes 17 de circulation d'eau.
  • Lorsque le paramètre représentatif de la charge de pompage a augmenté au-delà du seuil de charge S, on considère qu'une nouvelle étape de procédé P1, P2 a lieu dans l'enceinte 3.
  • On peut alors prévoir de conserver une consigne de température augmentée pendant une durée supplémentaire prédéfinie (étape de reconditionnement 104) avant de rebasculer la consigne de température augmentée à la consigne de température initiale.
  • La durée supplémentaire est prédéfinie, ce qui permet de s'affranchir de la nécessité d'un capteur. Elle est par exemple supérieure à 10 minutes, tel que 15 minutes. Cette étape de reconditionnement 104 permet de laisser le temps au stator 5 de s'échauffer du fait de plus haute charge de pompage de l'étape de procédé P1, P2. Cela permet d'éviter de générer un nouvel écart des températures entre les rotors 8 et le stator 5 au moment du retour à la consigne de température initiale.
  • Ceci peut être mieux compris en visualisant le graphique de la Figure 4 montrant un exemple d'une courbe de puissance consommée par la pompe à vide 2 soumise à une charge de pompage (courbe A), une courbe de la température du stator 5 mesurée par le capteur de température 12a à proximité de l'étage de pompage T1 de basse pression (courbe B) et deux courbes de la température du stator 5 mesurées à titre indicatif pour la compréhension de l'invention, au centre de l'élément refroidisseur 11a couplé au stator 5 de l'étage de pompage T1 de basse pression (courbes C et D).
  • Au cours des deux premières heures, un flux de gaz de 80slm (135,12 Pa.m3/s) est introduit de manière cyclique dans l'enceinte 3. Le flux de gaz alterne ainsi entre 80slm pendant 5 minutes et 0slm pendant 3 minutes. La puissance consommée, représentative de la charge de pompage, varie en conséquence en créneaux entre 500 et 2000W (courbe A), au-dessus d'un seuil de charge par exemple de 600W sur une durée supérieure 3 minutes (durée égale à une phase sans flux d'étape de procédé).
  • L'unité de contrôle 13 contrôle la température de la pompe à vide 2 pour atteindre une consigne de température de 83°C au moyen des éléments refroidisseurs 11a, 11b (étape de régulation de procédé 102). On voit que la température du stator 5 mesurée par le capteur de température 12a fluctue ainsi entre 81°C et 86°C autour de la température de consigne du fait du mode de régulation tout ou rien (courbe B). On voit également que la température mesurée au centre de l'élément refroidisseur 11a (à titre indicatif), fluctue entre 84 et 87°C (courbes C et D).
  • Puis, la puissance consommée passe au-dessous du seuil de charge S. L'unité de contrôle 13 en conclut qu'une étape d'attente I a lieu dans l'enceinte 3. L'unité de contrôle 13 augmente alors la consigne de température de 5°C (étape de régulation en attente 103) et contrôle la température de la pompe à vide 2 à 88°C au moyen de l'élément refroidisseur 11a de l'étage de pompage T1 de basse pression et à 83°C ou 88°C au moyen de l'élément refroidisseur 11b de l'étage de pompage T5 de haute pression.
  • On constate que la température du stator 5 mesurée par le capteur de température 12a associé à l'élément refroidisseur 11a fait un saut d'environ 5°C pour fluctuer entre 86°C et 90°C (courbe B).
  • On voit également que la température mesurée au centre de l'élément refroidisseur 11a augmente rapidement du fait de l'augmentation de la consigne de température puis diminue du fait de la réduction de la charge de pompage jusqu'à tendre vers une stabilisation à une température proche de celle de l'étape de procédé P1 (courbes C et D).
  • Le changement de consigne de température permet ainsi de couper au plus tôt le refroidissement du stator 5 par l'élément refroidisseur 11a, laissant le stator 5 se réchauffer à proximité de l'élément refroidisseur 11a. Malgré la baisse de température, la température du stator 5 mesurée au niveau de l'élément refroidisseur 11a n'a pas, ou peu, diminué en dessous de la température de l'étape de procédé P1. L'écart de température entre le stator 5 et les rotors 8 est donc sensiblement le même au cours de l'étape de procédé P1 qu'au cours de l'étape d'attente I étant donné que les rotors 8 restent chauds.
  • Puis la puissance consommée augmente au-delà du seuil de charge S (courbe A), indiquant qu'une nouvelle étape de procédé P2 a lieu dans l'enceinte 3. La consigne de température reste augmentée à 88°C pendant 15 minutes (étape de reconditionnement 104) : on constate une remontée des températures du stator 5 au niveau de l'élément refroidisseur 11a avec l'échauffement de la pompe à vide 2 (courbes C et D).
  • Après l'écoulement de la durée supplémentaire prédéfinie, les températures au centre de l'élément refroidisseur 11a étant sensiblement revenues aux valeurs précédentes de l'étape de procédé P1, l'unité de contrôle 13 décrémente la consigne de température qui retourne à 83°C (étape de régulation de procédé 102). Les températures au centre de l'élément refroidisseur 11a diminuent de la différence de consigne de température, puis remontent lentement avec la valeur de la consigne à 83°C. Au cours de l'étape d'attente I et de l'étape de procédé P2 qui suit, la température est restée au-dessus de 83°C au niveau du stator 5 près de l'élément refroidisseur 11a.
  • L'augmentation de la consigne de température au cours de l'étape d'attente I de faible charge de pompage permet de garder le stator 5 aussi chaud au centre de l'élément refroidisseur 11a qu'au cours des étapes de procédé P1, P2, ce qui permet de limiter les risques de grippage ou de touches entre rotors 8 au cours de l'étape d'attente I liés aux différences de dilatation thermique entre les rotors 8 et le stator 5.
  • Cette température qui est maintenue élevée au cours de l'étape d'attente I permet en outre d'éviter la création de zones froides où les espèces condensables polluantes pourraient se solidifier ou se condenser.
  • Le déclenchement de changement de consigne de température réalisée par surveillance de la charge de pompage permet de plus d'être très réactif.
  • Cette surveillance peut en outre être réalisée à partir des informations déjà disponibles par les capteurs de la pompe à vide 2, en intégrant le comportement thermique de la pompe à vide 2 dans la détermination du contrôle de la température, sans nécessiter l'ajout de capteurs de température supplémentaires, sans informations du procédé ayant lieu dans l'enceinte 3 et sans changer le positionnement du au moins un capteur de température 12a, 12b ou la structure des éléments refroidisseurs 11a, 11b.

Claims (10)

  1. Procédé de contrôle de la température (100) d'une pompe à vide (2) de type sèche soumise à des charges de pompage variables, la pompe à vide (2) comportant :
    ∘ un stator (5),
    ∘ au moins un étage de pompage (T1-T5),
    ∘ deux arbres (6, 7) s'étendant dans le au moins un étage de pompage (T1-T5) et portant respectivement au moins un rotor (8), les rotors (8) étant configurés pour tourner de façon synchronisée en sens inverse dans le stator (5) pour entrainer un gaz à pomper (G) depuis une aspiration (9) de la pompe à vide (2) vers un refoulement (10),
    ∘ au moins un élément refroidisseur (11a, 11b) couplé au stator (5),
    ∘ au moins un capteur de température (12a, 12b) configuré pour prendre une mesure de la température du stator (5), et
    ∘ une unité de contrôle (13) configurée pour contrôler la température du stator (5) au moyen du au moins un élément refroidisseur (11a, 11b) et du au moins un capteur de température (12a, 12b),
    dans lequel on contrôle la température de la pompe à vide (2) au moyen du au moins un élément refroidisseur (11a, 11b) couplé au stator (5) en fonction d'une consigne de température et d'une mesure de la température du stator (5), caractérisé en ce qu'on surveille si la valeur d'un paramètre représentatif de la charge de pompage choisi parmi un courant consommé ou une puissance consommée par la pompe à vide (2) est inférieure à un seuil de charge (101) et, si la valeur du paramètre représentatif de la charge de pompage est inférieure au seuil de charge (S) alors on augmente la consigne de température (103).
  2. Procédé de contrôle de la température (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la consigne de température est augmentée au moins pour le contrôle de la température au moyen d'un élément refroidisseur (11a) couplé à un étage de pompage (T1) dit de basse pression de la pompe à vide (2).
  3. Procédé de contrôle de la température (100) selon l'une des revendications précédentes dans lequel, après augmentation de la consigne de température, on surveille si la valeur du paramètre représentatif de la charge de pompage est supérieure au seuil de charge (S) et, si la valeur du paramètre représentatif de la charge de pompage est supérieure au seuil de charge (S) alors on conserve une consigne de température augmentée pendant une durée supplémentaire prédéfinie (104).
  4. Procédé de contrôle de la température (100) selon la revendication précédente, dans lequel la durée supplémentaire prédéfinie est supérieure à dix minutes.
  5. Procédé de contrôle de la température (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'augmentation de la consigne de température est supérieure à 3°C.
  6. Procédé de contrôle de la température (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'augmentation de la consigne de température est inférieure à 20°C.
  7. Pompe à vide (2) de type sèche comportant :
    - un stator (5),
    - au moins un étage de pompage (T1-T5),
    - deux arbres (6, 7) s'étendant dans le au moins un étage de pompage (T1-T5) et portant respectivement au moins un rotor (8), les rotors (8) étant configurés pour tourner de façon synchronisée en sens inverse dans le stator (5) pour entrainer un gaz à pomper (G) depuis une aspiration (9) de la pompe à vide (2) vers un refoulement (10),
    - au moins un élément refroidisseur (11a, 11b) couplé au stator (5),
    - au moins un capteur de température (12a, 12b) configuré pour prendre une mesure de la température du stator (5), et
    - une unité de contrôle (13) configurée pour contrôler la température du stator (5) au moyen du au moins un élément refroidisseur (11a, 11b) et du au moins un capteur de température (12a, 12b),
    caractérisée en ce que l'unité de contrôle (13) est configurée pour mettre en oeuvre un procédé de contrôle de la température (100) selon l'une des revendications précédentes.
  8. Pompe à vide (2) de type sèche selon la revendication précédente, caractérisée en ce que c'est une pompe à vide primaire.
  9. Pompe à vide (2) de type sèche selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle comporte deux éléments refroidisseurs (11a, 11b) couplés au stator (5), un élément refroidisseur (11a, 11b) étant agencé à chaque extrémité axiale de la pompe à vide (2).
  10. Installation (1) comprenant une enceinte (3) caractérisée en ce qu'elle comporte une pompe à vide (2) de type sèche selon l'une des revendications 7 à 9, reliée à l'enceinte (3) pour le pompage de l'enceinte (3).
EP19773440.3A 2018-10-17 2019-09-26 Procédé de contrôle de la température d'une pompe à vide, pompe à vide et installation associées Active EP3867531B1 (fr)

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