FR3112177A1 - Ligne de vide et procédé de contrôle d’une ligne de vide - Google Patents

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Abstract

Ligne de vide (4) et procédé de contrôle d’une ligne de vide (4) dans lequel on contrôle un dispositif de pompage auxiliaire (13) et un dispositif d’injection d’un gaz de dilution (15) selon un premier mode de fonctionnement dans lequel la pression régnant dans la canalisation de refoulement (7) est maintenue inférieure ou égale à 20000Pa ou selon un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la pression régnant dans la canalisation de refoulement (7) est supérieure à 20000Pa, et on commande l’injection d’un gaz de dilution dans la canalisation de refoulement (7) ou dans le dispositif de pompage (5) au moyen du dispositif d’injection d’un gaz de dilution (15) dans le deuxième mode de fonctionnement. Figure d’abrégé : Figure 1

Description

Ligne de vide et procédé de contrôle d’une ligne de vide
La présente invention se rapporte à une ligne de vide et à un procédé de contrôle d’une ligne de vide.
Dans l’industrie de fabrication du semi-conducteur, des écrans plats ou du photovoltaïque, les procédés de fabrication utilisent des gaz qui, après leur passage dans les pompes à vide primaires, sont généralement traités par des dispositifs de traitement de gaz.
Certains de ces procédés sont dits à risques, car les gaz convoyés dans les lignes de vide sont inflammables et/ou explosifs. On citera à titre d’exemple l’hydrogène, le silane, TEOS et les hydrures.
En plus de ces espèces gazeuses dangereuses, on peut également trouver des dépôts d’espèces solides réduites dans les lignes de vide, c’est-à-dire non oxydés, telles que des poussières de silicium ou des polymères de polysilanes. Ces dépôts peuvent s’accumuler dans le temps et favoriser l’émergence de conditions dangereuses supplémentaires. En effet, certains dépôts non oxydés sont hautement inflammables. Ils peuvent s’enflammer notamment par exemple du fait d’un pompage soudain de fort flux de gaz ou simplement du fait de la mise à l’air des canalisations ou des pompes à vide par les opérateurs lors de maintenances.
Certaines explosions peuvent être particulièrement destructrices du fait d’une très grande énergie libérée. C’est le cas notamment d’explosions en cascade. Une première explosion est d’abord initialisée par des gaz inflammables. Cette explosion met en suspension des dépôts d’espèces solides réduites potentiellement présentes dans les canalisations. Ces dépôts solides inflammables mis en suspension par l’onde de choc de l’explosion, explosent à leur tour dans une « sur-explosion ».
Le risque de dommages sur les personnes et les dispositifs est donc très important.
La méthode actuellement utilisée pour répondre à cette problématique est de diluer continuellement les gaz pompés avec un gaz neutre, généralement de l’azote. Le débit de gaz neutre est déterminé pour pouvoir répondre aux situations de pompage les plus défavorables avec en plus une marge de sécurité.
Cette solution présente cependant de nombreux inconvénients.
Tout d’abord, l’apport important d’azote dans la ligne de vide implique des coûts supplémentaires liés à la consommation de gaz mais également à la consommation énergétique de la pompe à vide, du dispositif de chauffage et du dispositif de traitement de gaz pour traiter les importants flux de gaz dilués. De plus, le refroidissement des lignes de vide provoqué par la dilution des gaz engendre d’autres inconvénients, notamment du fait du coût des éléments chauffants et du risque de pannes. Cet apport important de gaz neutre nécessite également le surdimensionnement des dispositifs de traitement des gaz et des dispositifs de pompage primaires.
L’azote de dilution engendre de plus la formation d’oxydes d’azote ou « NOx», tel que NO2, dans les dispositifs de traitement des gaz. Les oxydes d’azote sont toxiques et constituent des polluants atmosphériques qui doivent être traités à leur tour.
Enfin, on constate que cette solution est en passe d’atteindre ses limites car pour certains procédés récents, l’augmentation en gaz de dilution devient insuffisante, soit parce que la pompe à vide présente des capacités de pompage insuffisantes, soit parce que le dispositif de traitement des gaz présente des capacités de traitement insuffisantes. Dans ces conditions extrêmes de fonctionnement, des problèmes de fiabilité de la pompe à vide ou du dispositif de traitement des gaz peuvent se poser.
Une autre solution pourrait être d’abaisser la température des canalisations et des pompes à vide, notamment pour prévenir la décomposition thermique des précurseurs et minimiser les réactions chimiques. Cependant, il est également important de conserver des températures élevées pour prévenir des risques de dépôt par condensation.
Un autre problème est la tendance de certains procédés de fabrication notamment de l’industrie du semi-conducteur, à utiliser des précurseurs de plus en plus instables. En effet, les motifs des substrats sont de plus en plus fins et les substrats sont de plus en plus épais, c’est-à-dire qu’ils présentent de nombreuses couches issues de nombreuses étapes de procédés. Afin d’abaisser le bilan thermique risquant d’endommager les puces des substrats, on utilise des nouvelles générations de molécules qui se décomposent à plus basse température. L’inconvénient est qu’elles se déposent aussi plus facilement dans la ligne de vide, ce qui peut engendrer des dépôts importants.
Par ailleurs, certaines espèces gazeuses condensables utilisées peuvent se solidifier en sous-produits solides et se déposer, notamment sous la forme de couches, sur les parties mobiles ou statiques des pompes à vide ou des canalisations, ce qui peut entrainer un colmatage des lignes.
Un objectif de la présente invention est d’augmenter la sécurité des dispositifs de pompage et des lignes de vide qui convoient des gaz inflammables et/ou explosifs. Un autre objectif est de réduire la présence de dépôts d’espèces condensables ou de retarder/minimiser la décomposition de précurseurs se décomposant à plus basse température, dans les canalisations de refoulement et dans les dispositifs de pompage.
A cet effet, l’invention a pour objet une ligne de vide comprenant :
- un dispositif de pompage comportant au moins un dispositif de pompage primaire configuré pour pouvoir refouler les gaz pompés à pression atmosphérique,
- un dispositif de traitement des gaz comprenant
- une chambre de traitement configurée pour traiter à pression atmosphérique les gaz pompés par le dispositif de pompage primaire, et
- une canalisation de refoulement reliant un refoulement du dispositif de pompage primaire à une entrée de la chambre de traitement,
caractérisée en ce que le dispositif de traitement des gaz comporte :
- au moins un dispositif de pompage auxiliaire configuré pour abaisser la pression dans la canalisation de refoulement,
- un dispositif d’injection d’un gaz de dilution configuré pour injecter un gaz de dilution dans la canalisation de refoulement et/ou dans le dispositif de pompage primaire et/ou dans le dispositif de pompage auxiliaire, la ligne de vide comportant en outre :
- un capteur de pression configuré pour mesurer la pression régnant dans la canalisation de refoulement, et
- une unité de contrôle configurée pour contrôler le dispositif de pompage auxiliaire et le dispositif d’injection d’un gaz de dilution selon un premier mode de fonctionnement dans lequel la pression régnant dans la canalisation de refoulement est maintenue inférieure ou égale à 20000Pa (200mbar) ou selon un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la pression régnant dans la canalisation de refoulement est supérieure à 20000Pa (200mbar), l’unité de contrôle étant configurée pour commander l’injection d’un gaz de dilution dans la canalisation de refoulement ou dans le dispositif de pompage au moyen du dispositif d’injection d’un gaz de dilution dans le deuxième mode de fonctionnement.
Ainsi dans le premier mode de fonctionnement qui est le mode de fonctionnement optimal, par défaut, la pression est maintenue en-dessous des conditions d’inflammation des gaz inflammables convoyés dans la canalisation de refoulement. Dans le deuxième mode de fonctionnement, le risque d’inflammabilité peut être maitrisé par dilution. L’abaissement de la pression dans la canalisation de refoulement permet ainsi de limiter l’injection du gaz de dilution aux situations les plus critiques. On peut donc réduire la consommation de gaz de dilution tout en ayant des conditions sûres de fonctionnement. Il faut noter aussi que dans le second mode de fonctionnement, la quantité de gaz de dilution utilisée est faible par rapport aux quantités injectées selon l’état de la technique.
En plus de sécuriser la ligne de vide, l’abaissement de pression permet dans le même temps, de prévenir les dépôts des espèces condensables dans la canalisation de refoulement et dans le dispositif de pompage, ce qui permet de réduire les besoins de chauffage des lignes. L’abaissement du chauffage des lignes permet d’éviter la décomposition thermique et ainsi de réduire la conversion des précurseurs dans le dispositif de pompage et la cinétique de l’activité chimique, ce qui permet de réduire les réactions indésirables. Également, l’abaissement du chauffage permet de préserver la qualité des lubrifiants et d’améliorer la fiabilité des parties mécaniques du dispositif de pompage, notamment des roulements. Les intervalles entre les opérations de maintenance peuvent donc être augmentés.
En outre, on limite la consommation de gaz de dilution, ce qui permet également de réduire la consommation énergétique du dispositif de pompage et du dispositif de traitement des gaz et de minimiser, voire de supprimer la formation d’oxydes d’azote dans le dispositif de traitement des gaz.
L’abaissement de la pression dans la ligne de vide réduit également la pression dans le dispositif de pompage primaire, ce qui permet de réduire son dimensionnement et permet d’utiliser des matériaux moins résistants et donc moins couteux.
La ligne de vide peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques qui sont décrites ci-après, prises seules ou en combinaison.
L’unité de contrôle peut être configurée pour que le débit du gaz de dilution introduit dans la canalisation de refoulement ou dans le dispositif de pompage dans le deuxième mode de fonctionnement soit déterminé en fonction de la pression mesurée par le capteur de pression et en fonction d’informations sur les gaz inflammables à pomper de manière que la pression générée par une inflammation reste inférieure à 160000Pa (1600mbar), notamment dans les conditions les plus sévères en cas d’explosion, telles qu’en conditions stœchiométriques.
Le gaz de dilution peut comporter un combustible et/ou un gaz neutre.
L’unité de contrôle peut être configurée pour déterminer les quantités et proportions de combustible et gaz neutre en fonction d’informations sur les gaz inflammables introduits dans la chambre de procédés.
L’unité de contrôle peut être configurée pour commander l’injection d’un fort débit de gaz de dilution dans la canalisation de refoulement et/ou dans le dispositif de pompage lorsque la pression mesurée dépasse 50000Pa (500mbar).
Le fort débit de gaz de dilution peut être prédéterminé pour que la concentration en gaz inflammables soit inférieure à 25% de la limite inférieure d’explosivité (LIE). On sécurise ainsi les situations de pompage les plus défavorables avec en plus une marge de sécurité. Il s’agit d’un mode de fonctionnement de secours, utilisé ponctuellement en situation extrême, similaire à ce qui était pratiqué de façon permanente dans l’art antérieur et qui entrainait une surconsommation d’azote dans l’art antérieur. La dilution maximum est donc occasionnelle.
L’unité de contrôle peut être configurée pour couper l’injection du gaz de purge dans le dispositif de pompage primaire dans le premier mode de fonctionnement.
Le dispositif de pompage auxiliaire peut comporter un éjecteur à eau et/ou un éjecteur de gaz à effet Venturi et/ou une pompe à anneau liquide et/ou une pompe à vide sèche et/ou une pompe à palettes.
La chambre de traitement peut comporter un brûleur et/ou un système électrique et/ou un plasma et/ou un laveur et/ou une cartouche de chimisorption et/ou de physisorption.
Le dispositif de pompage auxiliaire peut comporter un éjecteur de gaz à effet Venturi dont le gaz moteur comporte un combustible et/ou un comburant et/ou un gaz neutre.
Le dispositif de pompage auxiliaire peut être configuré pour déterminer les quantités et proportions de combustible, comburant et gaz neutre du gaz moteur en fonction d’informations provenant de la chambre de procédés.
L’éjecteur de gaz à effet Venturi peut comporter un élément chauffant configuré pour chauffer le gaz moteur.
Le dispositif de pompage auxiliaire peut être situé à moins de 1 mètre de l’entrée de la chambre de traitement des gaz, tel qu’à moins de 50 cm.
Le dispositif de pompage auxiliaire peut comporter un éjecteur à eau et une pompe hydraulique dont une entrée est mise en communication avec un liquide d’un bain d’un laveur du dispositif de traitement de gaz et dont une sortie est configurée pour être commandée par l’unité de contrôle pour alimenter l’éjecteur à eau en liquide moteur.
La ligne de vide peut comporter une canalisation de dérivation configurée pour court-circuiter le dispositif de pompage auxiliaire en cas de surpression.
L’invention a aussi pour objet un procédé de contrôle d’une ligne de vide telle que décrite précédemment, dans lequel on contrôle le dispositif de pompage auxiliaire et le dispositif d’injection d’un gaz de dilution selon un premier mode de fonctionnement dans lequel la pression régnant dans la canalisation de refoulement est maintenue inférieure ou égale à 20000Pa (200mbar) ou selon un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la pression régnant dans la canalisation de refoulement est supérieure à 20000Pa, et on commande l’injection d’un gaz de dilution dans la canalisation de refoulement ou dans le dispositif de pompage au moyen du dispositif d’injection d’un gaz de dilution dans le deuxième mode de fonctionnement.
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 représente une vue schématique d’un exemple d’installation où seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l’invention sont représentés.
La représente une vue schématique d’un exemple de variante de ligne de vide.
La représente une vue schématique d’une autre variante de ligne de vide.
La représente une vue schématique d’une autre variante de ligne de vide.
La représente une vue schématique d’un autre exemple de ligne de vide.
La montre un graphique des pressions d’explosion P en mbars (les symboles représentent les valeurs mesurées et les traits pleins représentent les valeurs théoriques) en fonction de la concentration C (fraction moléculaire dans l’air) d’hydrogène pour différentes valeurs de pression initiales avant explosion: 100mbar (10000Pa) (triangles creux), 150mbar (15000Pa) (carrés creux), 200mbar (20000Pa) (losanges creux), 300mbar (30000Pa) (ronds), 500 mbar (50000Pa) (triangles pleins), 750 mbar (75000Pa) (carrés pleins), 1000mbar (100000Pa) (losanges pleins).
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.
On définit par pompe à vide primaire, une pompe à vide volumétrique, qui est configurée pour aspirer, transférer, puis refouler un gaz à pomper à pression atmosphérique. Les rotors de la pompe à vide primaire peuvent être de type Roots, Claw ou à vis ou à palettes ou de type scroll. Une pompe à vide primaire est également configurée pour pouvoir être mise en route à pression atmosphérique.
On définit par pompe à vide Roots (également appelé « Roots Blower » en anglais ou compresseur Roots), une pompe à vide volumétrique configurée pour, à l’aide de deux rotors Roots, aspirer, transférer puis refouler un gaz à pomper. La pompe à vide Roots est montée en amont et en série d’une pompe à vide primaire. Les rotors sont portés par deux arbres entrainés en rotation par un moteur de la pompe à vide Roots.
La pompe à vide Roots se différencie principalement de la pompe à vide primaire par des dimensions plus grandes d’étages de pompage du fait des capacités de pompage plus importantes, par des tolérances de jeux plus grandes et par le fait que la pompe à vide Roots ne peut pas refouler à pression atmosphérique mais doit être utilisée en montage série en amont d’une pompe à vide primaire.
On entend par « en amont », un élément qui est placé avant un autre par rapport au sens d’écoulement des gaz pompés. A contrario, on entend par « en aval », un élément placé après un autre par rapport au sens d’écoulement des gaz pompés.
Une installation 1 comporte un équipement 2 comprenant une ou plusieurs chambres de procédés 3 raccordées à une ou plusieurs lignes de vide 4. La chambre de procédés 3 est destinée à recevoir un ou plusieurs substrats, tel qu’une plaquette de semi-conducteur ou tel qu’un écran plat (« Flat panel display » en anglais) ou tel qu’un panneau photovoltaïque.
Une ligne de vide 4 comporte un ou plusieurs dispositifs de pompage 5 raccordé(s) à au moins une chambre de procédés 3, un ou plusieurs dispositifs de traitement des gaz 6 qui comportent une ou plusieurs canalisations de refoulement 7 raccordant le refoulement 8 d’au moins un dispositif de pompage primaire 10 à une entrée 9 d’une chambre de traitement 26 d’un dispositif de traitement des gaz 6. On a représenté à titre d’exemple sur la , un équipement 2 de semi-conducteur dont une chambre de procédés 3 est reliée à une ligne de vide 4. Les canalisations de refoulement 7 peuvent être plus ou moins longues. Entre la sortie du dispositif de pompage primaire 10 et l’entrée 9 de la chambre de traitement 26, celles-ci peuvent présenter une longueur comprise entre un et quatre mètres.
Le dispositif de pompage 5 comporte au moins un dispositif de pompage primaire 10, configuré pour pouvoir refouler les gaz pompés à pression atmosphérique au refoulement 8 ou à une pression supérieure à la pression atmosphérique, notamment jusqu’à 1200mbar, (120000Pa) le dispositif de pompage primaire 10 étant également capable de refouler les gaz pompés à des pressions inférieures à la pression atmosphérique.
Le dispositif de pompage 5 peut également comporter au moins un dispositif de pompage secondaire, agencé en amont et en série du dispositif de pompage primaire 10 dans le sens d’écoulement de gaz pompés, interposé entre la chambre de procédés 3 et le dispositif de pompage primaire 10. Le dispositif de pompage secondaire peut comporter un compresseur Roots 11 et/ou une pompe à vide turbomoléculaire 12.
La chambre de traitement 26 est configurée pour traiter à pression atmosphérique les gaz pompés par le dispositif de pompage primaire 10.
De manière connue en soi, la chambre de traitement 26 comporte par exemple un brûleur 23 configuré pour produire des réactions thermiques à températures élevées par combustion d’hydrocarbures et/ou un système électrique configuré pour produire des réactions thermiques à températures élevées au moyen de résistances chauffantes et/ou un plasma et/ou un laveur et/ou une cartouche de chimisorption et/ou de physisorption.
Selon un exemple de réalisation représenté sur la figure 1, la chambre de traitement 26 comporte un brûleur 23 et un laveur 24 agencé en série et en aval du brûleur 23 dans le sens d’écoulement des gaz. Le brûleur 23 peut être à combustion, électrique ou à plasma. Un gaz réactif, tel que de l’oxygène ou de l’air, est ajouté aux gaz pompés qui sont portés à très haute température par le brûleur 23, ce qui active la formation de nouvelles espèces chimiquement réactives et solubles qui peuvent être ensuite piégées par le laveur 24. Un brouillard peut être généré dans le brûleur 23 au moyen de buses d’injection d’eau (aussi communément appelées « Quench » en anglais) pour refroidir rapidement les gaz et bloquer les équilibres chimiques plutôt que de laisser les gaz dissociés et chauds se réassocier entre eux ou réagir vers un équilibre inversé. Le laveur 24 comporte par exemple une colonne à garnissage dans laquelle les gaz pompés remontent à contre-courant d’un flux d’eau. En sortie 31 du dispositif de traitement des gaz 6, les gaz peuvent être évacués dans l’atmosphère ou vers un laveur central de l’usine de fabrication.
Le dispositif de traitement des gaz 6 comporte en outre au moins un dispositif de pompage auxiliaire 13 configuré pour abaisser la pression dans la au moins une canalisation de refoulement 7.
Le dispositif de pompage auxiliaire 13 peut être de n’importe quel type. Il comporte par exemple un éjecteur à eau (ou trombe à eau) comme représenté sur la et/ou un éjecteur de gaz à effet Venturi et/ou une pompe à anneau liquide et/ou une pompe à vide sèche, telle qu’une pompe à vide Roots, Claw et/ou à vis et/ou une pompe à palettes et/ou scroll et/ou à membranes ou à diaphragme.
Dans le cas où le dispositif de pompage auxiliaire 13 comporte un éjecteur de gaz à effet Venturi, le gaz moteur injecté pour provoquer un abaissement de la pression peut comporter un gaz neutre, comme de l’azote. Le gaz moteur participe alors à diluer davantage les gaz pompés en provenance de la canalisation de refoulement 7. Le gaz moteur peut également comporter un combustible, tel que du méthane, et/ou un comburant. Le gaz moteur participe alors également à diluer davantage les gaz pompés en provenance de la canalisation de refoulement 7 mais sans diminuer l’efficacité du brûleur 23 du dispositif de traitement des gaz 6 et sans générer d’oxydes d’azote.
L’éjecteur de gaz à effet Venturi peut comporter un élément chauffant configuré pour chauffer le gaz moteur. Le gaz moteur peut être chauffé, par exemple à une température supérieure à 50°C, tel qu’à plus de 500°C. Le chauffage du gaz moteur permet d’améliorer l’efficacité du brûleur 23 du dispositif de traitement des gaz 6 et permet d’éviter le dépôt de poudres en sortie d’éjecteur. Le gaz moteur peut être chauffé par exemple grâce à un échangeur de chaleur en contact avec des parties chaudes de la chambre de traitement 26 ou du dispositif de pompage 5, ce qui permet de réduire la consommation électrique.
L’éjecteur de gaz présente l’avantage de ne pas consommer d’énergie électrique. Il est peu volumineux et léger, et peut donc être facilement intégré dans le dispositif de pompage 5 ou dans le dispositif de traitement des gaz 6 ( ).
Dans le cas où le dispositif de pompage auxiliaire 13 comporte une pompe à vide sèche, la purge de la pompe à vide auxiliaire 13 peut comporter un gaz neutre, comme de l’azote et/ou un combustible, tel que du méthane, et/ou un comburant. Le gaz de purge peut en outre être chauffé, par exemple à une température supérieure à 50°C tel qu’à plus de 500°C, par exemple grâce à un échangeur de chaleur en contact avec des parties chaudes de la chambre de traitement 26 ou du dispositif de pompage 5.
Le au moins un dispositif de pompage auxiliaire 13 est de préférence situé à l’entrée 9 de la chambre de traitement 26, c’est-à-dire par exemple à une distance inférieure à 1 mètre, telle que inférieure à 50cm, ce qui nécessite généralement de surélever le dispositif de pompage auxiliaire 13, l’entrée 9 du brûleur 23 étant généralement disposée à plus de 1m50 du sol.
De manière générale, la capacité de pompage du dispositif de pompage auxiliaire 13 est de préférence inférieure à la capacité de pompage du dispositif de pompage primaire 10, telle que supérieure à 5m3/h et/ou telle que inférieure à 100m3/h. Dans ces conditions, un dispositif de pompage auxiliaire 13, notamment comprenant une pompe à vide sèche ou une pompe à anneau liquide ou une pompe à palettes peut être suffisamment léger pour pouvoir être disposé au plus près de l’entrée 9 de la chambre de traitement 26 ( ), par exemple dans la chambre de traitement 26 ( ) sans risques et sans nécessiter de moyens particuliers de manutention.
Le dispositif de pompage auxiliaire 13 de type éjecteur de gaz à effet Venturi est par exemple monté dans une tête du brûleur 23 du dispositif de traitement des gaz 6 ( ). Le combustible, comburant du gaz moteur est alors le gaz d’alimentation de la flamme du brûleur 23.
La ligne de vide 4 peut en outre comporter au moins une canalisation de dérivation 14 configurée pour court-circuiter le dispositif de pompage auxiliaire 13 ( ).
La canalisation de dérivation 14 comporte une canalisation contournant le dispositif de pompage auxiliaire 13, et une vanne pilotable ou un clapet, agencé dans la canalisation et configuré pour s’ouvrir ou se fermer en fonction de la différence de pression de part et d’autre du clapet/vanne. La canalisation de dérivation 14 permet de court-circuiter le dispositif de pompage auxiliaire 13 pour éviter les limitations de capacité de pompage qu’il peut induire, notamment en cas de pompage de forts flux gazeux ou en cas de panne du dispositif de pompage auxiliaire 13.
Lorsque la pompe à vide auxiliaire 13 comporte un éjecteur de gaz à effet Venturi, ce dernier peut être intégré dans le clapet de la canalisation de dérivation 14 ( ). L’obturateur mobile du clapet présente alors un passage traversant à effet Venturi. Le clapet peut prendre une position de fermeture dans laquelle le clapet forme l’éjecteur de la pompe à vide auxiliaire 13 lorsqu’un gaz moteur est injecté à l’entrée du passage à effet Venturi. Le clapet peut également prendre une position d’ouverture dans laquelle les gaz pompés court-circuitent le passage traversant à effet Venturi lorsque la différence de pression de part et d’autre du clapet est supérieure à un seuil de tarage du clapet.
En revenant à la , on voit que la ligne de vide 4 comporte en outre un dispositif d’injection d’un gaz de dilution 15, un capteur de pression 16 configuré pour mesurer la pression régnant dans la canalisation de refoulement 7 et une unité de contrôle 17 reliée au capteur de pression 16.
Le dispositif d’injection d’un gaz de dilution 15 est configuré pour injecter un gaz de dilution, tel qu’un gaz neutre comme de l’azote et/ou un combustible, dans la canalisation de refoulement 7 et/ou dans le dispositif de pompage primaire 10 et/ou dans le dispositif de pompage auxiliaire 13. Le gaz de dilution est par exemple injecté à l’aspiration et/ou au refoulement 8 du dispositif de pompage primaire 10 et/ou dans les deux derniers étages de pompage d’une pompe à vide primaire multiétagée du dispositif de pompage primaire 10.
Le capteur de pression 16 est par exemple agencé au refoulement 8 du dispositif de pompage primaire 10.
L’unité de contrôle 17 comporte un contrôleur, microcontrôleur, mémoire et programmes informatiques permettant la mise en œuvre d’un procédé de contrôle de la ligne de vide. C’est par exemple un ordinateur ou un automate programmable industriel.
L’unité de contrôle 17 est configurée pour contrôler le dispositif de pompage auxiliaire 13 et le dispositif d’injection d’un gaz de dilution 15 en fonction de la pression mesurée par le capteur de pression 16 selon un premier mode de fonctionnement ou selon un deuxième mode de fonctionnement.
Dans le premier mode de fonctionnement, la pression régnant dans la canalisation de refoulement 7 est maintenue inférieure ou égale à 200mbar (20000Pa).
Le dispositif de pompage auxiliaire 13 permettant d’abaisser la pression dans la canalisation de refoulement 7 peut être commandé en pompage continu ou ponctuel.
Par exemple, le dispositif de pompage auxiliaire 13 comporte un éjecteur de gaz à effet Venturi et l’unité de contrôle 17 est configurée pour contrôler le gaz moteur de l’éjecteur pour abaisser la pression.
Selon un autre exemple, le dispositif de pompage auxiliaire 13 comporte un éjecteur à eau et l’unité de contrôle 17 est configurée pour contrôler le liquide moteur de l’éjecteur à eau permettant d’abaisser la pression ( ).
Dans ce cas, selon un exemple de réalisation, le dispositif de pompage auxiliaire 13 comporte en outre une pompe hydraulique 19 dont une sortie est configurée pour être commandée par l’unité de contrôle 17 pour alimenter l’éjecteur à eau en liquide moteur. L’entrée de la pompe hydraulique 19 est par exemple mise en communication avec un liquide d’un bain 22 du laveur 24 du dispositif de traitement de gaz 6. Le dispositif de traitement des gaz 6 peut alors comporter un séparateur gaz-eau 20 interposé entre l’éjecteur à eau du dispositif de pompage auxiliaire 13 et l’entrée 9 du brûleur 23 du dispositif de traitement des gaz 6. Les résidus liquides peuvent être évacués vers le bain 22 via un tube plongeur 21.
Ainsi dans le premier mode de fonctionnement qui est le mode de fonctionnement optimal, par défaut, la pression est maintenue en-dessous des conditions d’inflammation de la plupart des gaz inflammables convoyés dans la canalisation de refoulement 7.
Ceci peut être mieux compris en référence à l’exemple de la , où l’on voit que pour des pressions de gaz hydrogène de 100mbar (10000Pa), 150mbar (15000Pa) et 200mbar (20000Pa), les pressions d’explosion en conditions stœchiométriques, c’est-à-dire pouvant conduire à l’explosion la plus virulente, restent inférieures à 1600mbar (160000Pa). On se place ainsi selon un ensemble de conditions sécurisées dans le dispositif de pompage primaire 10 et dans la canalisation de refoulement 7, de nature à prévenir les explosions de gaz. On considère en effet que pour une pression inférieure ou égale à 200mbar (20000Pa), la pression générée par une inflammation (aussi appelée pression d’explosion) en conditions stœchiométriques peut être aisément contenue, c’est-à-dire qu’elle n’engendre pas de dommages mécaniques notoires sur le dispositif de pompage 5 ou les tuyauteries. Bien que la s’applique au cas spécifique de l’hydrogène, on constate les mêmes comportements pour tous les gaz inflammables : les pressions d’explosion en conditions stœchiométriques, c’est-à-dire pouvant conduire à l’explosion la plus virulente, restent inférieures à 1600mbar (160000Pa).
Par ailleurs, dans le premier mode de fonctionnement, on n’a pas besoin d’injecter un gaz de dilution pour se retrouver en dehors des conditions d’inflammabilité et/ou d’explosion car la sécurité est assurée par le niveau de vide à une pression inférieure à 200mbar (20000Pa). L’unité de contrôle 17 peut donc commander l’arrêt de l’injection du gaz de dilution dans la canalisation de refoulement 7 ou dans le dispositif de pompage 5.
On peut également prévoir que l’unité de contrôle 17 soit configurée pour couper l’injection du gaz de purge dans le dispositif de pompage primaire 10 dans le premier mode de fonctionnement. On facilite ainsi le maintien à basse pression dans la canalisation de refoulement 7.
L’unité de contrôle 17 est configurée pour basculer dans le deuxième mode de fonctionnement dans le cas où l’abaissement de la pression en-dessous de 200mbar (20000Pa) est impossible.
Dans le deuxième mode de fonctionnement, la pression régnant dans la canalisation de refoulement 7 est supérieure à 20000Pa. L’unité de contrôle 17 est en outre configurée pour commander l’injection d’un gaz de dilution dans la canalisation de refoulement 7 ou dans le dispositif de pompage 5 au moyen du dispositif d’injection d’un gaz de dilution 15. Dans ce deuxième mode de fonctionnement qui peut être considéré comme un mode de fonctionnement « dégradé », le risque d’inflammabilité peut être maitrisé par dilution.
L’unité de contrôle 17 peut être configurée pour que le débit du gaz de dilution introduit dans la canalisation de refoulement 7 ou le dispositif de pompage 5 dans le deuxième mode de fonctionnement soit déterminé en fonction de la pression mesurée par le capteur de pression 16 et en fonction d’informations sur les gaz inflammables à pomper de manière que la pression générée par une inflammation (ou pression d’explosion) reste inférieure à 160000Pa (1600mbar) notamment dans les conditions stœchiométriques, c’est-à-dire dans les conditions de concentrations de gaz inflammables atteignant des régimes détonants provoquant le plus d’effets dévastateurs.
Par exemple, en référence à la , on voit que lorsque la pression initiale avant explosion, mesurée par le capteur de pression 16 est de 300mbar (30000Pa) (ronds), il faut réduire la concentration [H2] de 32% en conditions stœchiométriques à une concentration [H2] cible, c’est-à-dire diluée par gaz neutre, à 15%, pour que la pression ne dépasse pas la pression d’explosion de 1600mbar (160000Pa).
Selon un autre exemple de la figure, lorsque la pression mesurée par le capteur de pression 16 est de 500mbar (50000Pa) (triangles), il faut réduire la concentration en conditions stœchiométriques jusqu’à 6-7% par dilution pour rester sous la pression d’explosion de 1600mbar (160000Pa).
Bien que ces exemples décrivent des cas de concentration en condition stœchiométriques, en fonctionnement, la concentration en gaz inflammables avant dilution est déterminée à l’avance par l’utilisateur, à partir d’une valeur de flux maximum de gaz inflammables introduits dans la chambre de procédés 3.
Lorsqu’il y a plusieurs gaz inflammables, le taux de dilution en gaz neutre est déterminé à partir des débits maximums de gaz inflammables injectés simultanément dans la chambre de procédés 3.
Plus précisément, un taux de dilution est d’abord déterminé pour chaque gaz inflammable séparément, en utilisant un tableau de données propre à chaque gaz comme illustré par le graphique de la , en fonction de la pression mesurée par le capteur de pression 16. Les tableaux de données peuvent être mémorisés dans l’unité de contrôle 17. Puis, les concentrations cibles, c’est-à-dire diluées (à obtenir), de chaque gaz sont recalculées pour tous les gaz inflammables introduits simultanément dans la chambre de procédés 3, en effet tous les gaz injectés simultanément contribuent mutuellement à abaisser leurs concentrations respectives.
Ainsi on adapte le taux de dilution en fonction de la quantité (flux, pression) de gaz inflammables/explosifs de manière que la pression générée par une inflammation (ou pression d’explosion) reste inférieure à 160000Pa (1600mbar).
L’unité de contrôle 17 peut en outre être configurée pour commander l’injection d’un fort débit de gaz de dilution dans la canalisation de refoulement 7 et/ou dans le dispositif de pompage 5 lorsque la pression mesurée dépasse 50000Pa (500mbar). Ce fort débit de gaz de dilution peut être injecté prioritairement dans le dispositif de pompage 5 et éventuellement simultanément dans la canalisation de refoulement 7.
Le fort débit de gaz de dilution est par exemple prédéterminé en fonction du flux de gaz inflammables maximum pouvant être injecté dans la chambre de procédés 3. Cette information est déterminée à l’avance par l’utilisateur, à partir d’une valeur de flux maximum de gaz inflammables introduit dans la chambre de procédés. Le fort débit de gaz de dilution est par exemple prédéterminé pour que la concentration en gaz inflammables soit inférieure à 25% de la limite inférieure d’explosivité (LIE).
On sécurise ainsi les situations de pompage les plus défavorables, en fonction par exemple des pires conditions des recettes mises en œuvre dans la chambre de procédés 3, avec en plus une marge de sécurité apportée par les 25% de la LIE. Il s’agit d’un mode de fonctionnement de secours, utilisé ponctuellement en situation extrême, similaire à ce qui était pratiqué de façon permanente dans l’art antérieur et qui entrainait une surconsommation d’azote dans l’art antérieur. La dilution maximum est donc occasionnelle, ce qui permet des économies sur la consommation de gaz de dilution et sur le bilan énergétique.
En référence à la , lorsque la pression d’hydrogène est supérieure à 500mbar (50000Pa), on peut réduire la concentration d’hydrogène [H2] à des valeurs inférieures à 1% dans la canalisation de refoulement 7, soit 25% de la limite inférieure d’explosivité (LIE ou LEL en anglais) comme préconisé dans l’art antérieur.
Ainsi, dans le premier mode de fonctionnement, l’unité de contrôle 17 maintient la pression dans la canalisation de refoulement 7 en-dessous de 200mbar (20000Pa).
Si la pression mesurée dans la canalisation de refoulement 7 reste en-dessous de 200mbar (20000Pa) alors on reste dans le premier mode de fonctionnement.
S’il est impossible de maintenir moins de 200mbar (20000Pa) avec le dispositif de pompage auxiliaire 13, notamment du fait d’une capacité insuffisante du dispositif de pompage auxiliaire 13, alors on bascule dans le deuxième mode de fonctionnement.
Dans le deuxième mode de fonctionnement, l’unité de contrôle 17 commande l’injection d’un gaz de dilution dans la canalisation de refoulement 7 ou dans le dispositif de pompage 5.
Lorsque la pression est comprise entre 200mbar (20000Pa) et 500mbar (50000Pa), le débit du gaz de dilution introduit dans la canalisation de refoulement 7 ou dans le dispositif de pompage 5 peut être déterminé en fonction de la pression mesurée par le capteur de pression 16 et en fonction d’informations sur les gaz inflammables introduits dans la chambre de procédés 3, pour que la pression d’explosion reste inférieure à 1600mbar (160000Pa), dans les conditions d’explosions les plus sévères en cas d’explosion, telles que les conditions stœchiométriques.
La pression dans la canalisation de refoulement 7 est donc d’abord gouvernée par la capacité du dispositif de pompage auxiliaire 13, puis par la consigne de gaz de dilution nécessaire pour diluer les gaz pompés en fonction de la pression mesurée dans la canalisation de refoulement 7 et en fonction d’informations sur les gaz inflammables introduits dans la chambre de procédés 3, lorsque que la pression mesurée dans la canalisation de refoulement 7 est supérieure à 200mbar (20000Pa) et inférieure à 500mbar (50000Pa).
Si dans le deuxième mode de fonctionnement, la pression mesurée redevient inférieure à 200mbar (20000Pa), alors on bascule à nouveau dans le premier mode de fonctionnement.
Si la pression dépasse 500mbar (50000Pa), le gaz de dilution peut être injecté, par exemple directement dans le dispositif de pompage primaire 10, à une valeur de fort débit prédéterminé, c’est-à-dire de manière à sécuriser les situations de pompage les plus défavorables avec en plus une marge de sécurité.
On comprend de ce qui vient d’être décrit que l’abaissement de la pression dans la canalisation de refoulement 7 permet de limiter l’injection du gaz de dilution aux situations les plus critiques. En plus de sécuriser la ligne de vide 4, l’abaissement de pression permet dans le même temps, de prévenir les dépôts des espèces condensables dans la canalisation de refoulement 7, ce qui permet de fait, de réduire les besoins de chauffage des lignes. Par ailleurs, l’abaissement du chauffage des lignes permet également d’éviter la décomposition thermique et ainsi de réduire la conversion des précurseurs thermiquement sensibles dans le dispositif de pompage 5. Cette combinaison d’une basse pression et d’une basse température permet également de réduire la cinétique de l’activité chimique, ce qui permet de réduire les réactions chimiques indésirables, qu’elles soient corrosives ou de nature à colmater les éléments de la ligne de refoulement 4. Également, l’abaissement du chauffage permet de préserver la qualité des lubrifiants et d’améliorer la fiabilité des parties mécaniques du dispositif de pompage 5, notamment des roulements. Les intervalles entre les opérations de maintenance peuvent donc être augmentés de façon significative, ce qui améliore la rentabilité économique de la ligne de refoulement 4 et le temps de disponibilité des équipements de production. Toujours d’un point de vue économique, le recours à des matériaux nobles couteux peut également être réduit. Les éléments du dispositif de pompage 5 peuvent être standardisés tant au niveau du design que des matériaux, ce qui simplifie l’offre et la rend universelle.
En outre, on limite la consommation de gaz de dilution, ce qui permet également de réduire la consommation énergétique du dispositif de pompage 5 et dans le même temps, du dispositif de traitement des gaz 6 et de minimiser, voire de supprimer la formation d’oxydes d’azote dans le dispositif de traitement des gaz 6.
Selon un exemple de réalisation visible sur la , le dispositif de traitement des gaz 6 peut également comporter au moins un dispositif de contournement 25 interposé entre la canalisation de refoulement 7 et le dispositif de pompage auxiliaire 13.
Le dispositif de contournement 25 comprend une voie d’entrée 25a raccordée à la canalisation de refoulement 7, une première voie de sortie 25b raccordée au dispositif de pompage auxiliaire 13 lui-même raccordé à la chambre de traitement 26, une deuxième voie de sortie 25c configurée pour contourner la chambre de traitement 26 et un organe de pilotage configuré pour mettre en communication la voie d’entrée 25a avec la première voie de sortie 25b ou avec la deuxième voie de sortie 25c. Le dispositif de contournement 25 est par exemple une vanne trois-voies pilotable.
Le dispositif de contournement 25 permet de contourner le dispositif de pompage auxiliaire 13 et la chambre de traitement 26, via la deuxième voie de sortie 25c, uniquement lorsque les gaz pompés n’ont pas besoin d’être traités. Ils peuvent ainsi par exemple être orientés vers le laveur central de l’usine de fabrication.
L’organe de pilotage peut être un organe manuel. Les opérateurs de maintenance peuvent manipuler l’organe de pilotage en phase de maintenance pour dérouter les gaz de la chambre de traitement 26 pendant une opération de maintenance de la chambre par exemple. Ainsi, en cas de panne ou maintenance du brûleur 23 par exemple, les gaz pompés peuvent être redirigés par le dispositif de contournement 25.
L’organe de pilotage peut sélectionner la première ou la deuxième voie de sortie 25b, 25c par exemple en fonction d’une information de la chambre de procédés 3, telle que le statut de la chambre de procédés 3 (en traitement, en arrêt ou en attente) ou telle qu’une information indiquant si les gaz doivent être traités ou non. Ainsi par exemple, les gaz provenant d’une chambre de procédés 3 à l’arrêt ou en attente, peuvent ne pas être traités et court-circuiter le brûleur 23 via le dispositif de contournement 25. L’information, tel qu’un contact sec ou une commande pneumatique, peut directement commander le basculement de l’organe de pilotage.
Il y a par exemple un dispositif de contournement 25 par chambre de procédés 3 et plusieurs chambres de procédés 3 par équipement 2.
Plusieurs chambres de procédés 3, donc plusieurs dispositifs de contournement 25, peuvent en outre être reliées à une même chambre de traitement 26. Les deuxièmes voies de sortie 25c des dispositifs de contournement 25 peuvent en outre être mises en commun sur une canalisation commune 35.

Claims (14)

  1. Ligne de vide (4) comprenant :
    - un dispositif de pompage (5) comportant au moins un dispositif de pompage primaire (10) configuré pour pouvoir refouler les gaz pompés à pression atmosphérique,
    - un dispositif de traitement des gaz (6) comprenant :
    - une chambre de traitement (23, 24) configurée pour traiter à pression atmosphérique les gaz pompés par le dispositif de pompage primaire (10), et
    - une canalisation de refoulement (7) reliant un refoulement (8) du dispositif de pompage primaire (10) à une entrée (9) de la chambre de traitement (26),
    caractérisée en ce que le dispositif de traitement des gaz (6) comporte :
    - au moins un dispositif de pompage auxiliaire (13) configuré pour abaisser la pression dans la canalisation de refoulement (7),
    - un dispositif d’injection d’un gaz de dilution (15) configuré pour injecter un gaz de dilution dans la canalisation de refoulement (7) et/ou dans le dispositif de pompage primaire (10) et/ou dans le dispositif de pompage auxiliaire (13),
    la ligne de vide (4) comportant en outre :
    - un capteur de pression (16) configuré pour mesurer la pression régnant dans la canalisation de refoulement (7), et
    - une unité de contrôle (17) configurée pour contrôler le dispositif de pompage auxiliaire (13) et le dispositif d’injection d’un gaz de dilution (15) selon un premier mode de fonctionnement dans lequel la pression régnant dans la canalisation de refoulement (7) est maintenue inférieure ou égale à 20000Pa ou selon un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la pression régnant dans la canalisation de refoulement (7) est supérieure à 20000Pa, l’unité de contrôle (17) étant configurée pour commander l’injection d’un gaz de dilution dans la canalisation de refoulement (7) ou dans le dispositif de pompage (5) au moyen du dispositif d’injection d’un gaz de dilution (15) dans le deuxième mode de fonctionnement.
  2. Ligne de vide (4) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l’unité de contrôle (17) est configurée pour que le débit du gaz de dilution introduit dans la canalisation de refoulement (7) ou dans le dispositif de pompage (5) dans le deuxième mode de fonctionnement soit déterminé en fonction de la pression mesurée par le capteur de pression (16) et en fonction d’informations sur les gaz inflammables à pomper, de manière que la pression générée par une inflammation reste inférieure à 160000Pa.
  3. Ligne de vide (4) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le gaz de dilution comporte un combustible et/ou un gaz neutre.
  4. Ligne de vide (4) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’unité de contrôle (17) est configurée pour commander l’injection d’un fort débit de gaz de dilution dans la canalisation de refoulement (7) et/ou dans le dispositif de pompage (5) lorsque la pression mesurée dépasse 50000Pa.
  5. Ligne de vide (4) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le fort débit de gaz de dilution est prédéterminé pour que la concentration en gaz inflammables soit inférieure à 25% de la limite inférieure d’explosivité.
  6. Ligne de vide (4) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’unité de contrôle (17) est configurée pour couper l’injection du gaz de purge dans le dispositif de pompage primaire (10) dans le premier mode de fonctionnement.
  7. Ligne de vide (4) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de pompage auxiliaire (13) comporte un éjecteur à eau et/ou un éjecteur de gaz à effet Venturi et/ou une pompe à anneau liquide et/ou une pompe à vide sèche et/ou une pompe à palettes.
  8. Ligne de vide (4) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre de traitement (23) comporte un brûleur (23) et/ou un système électrique et/ou un plasma et/ou un laveur (24) et/ou une cartouche de chimisorption et/ou de physisorption.
  9. Ligne de vide (4) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de pompage auxiliaire (13) comporte un éjecteur de gaz à effet Venturi dont le gaz moteur comporte un combustible et/ou un comburant et/ou un gaz neutre.
  10. Ligne de vide (4) selon l’une des revendications 7 ou 9, caractérisée en ce que l’éjecteur de gaz à effet Venturi comporte un élément chauffant configuré pour chauffer le gaz moteur.
  11. Ligne de vide (4) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de pompage auxiliaire (13) est situé à moins de 1 mètre de l’entrée (9) de la chambre de traitement (23), tel qu’à moins de 50 cm.
  12. Ligne de vide (4) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de pompage auxiliaire (13) comporte un éjecteur à eau et une pompe hydraulique (19) dont une entrée est mise en communication avec un liquide d’un bain (22) d’un laveur (24) du dispositif de traitement de gaz (6) et dont une sortie est configurée pour être commandée par l’unité de contrôle (17) pour alimenter l’éjecteur à eau en liquide moteur.
  13. Ligne de vide (4) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte une canalisation de dérivation (14) configurée pour court-circuiter le dispositif de pompage auxiliaire (13) en cas de surpression.
  14. Procédé de contrôle d’une ligne de vide (4) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on contrôle le dispositif de pompage auxiliaire (13) et le dispositif d’injection d’un gaz de dilution (15) selon un premier mode de fonctionnement dans lequel la pression régnant dans la canalisation de refoulement (7) est maintenue inférieure ou égale à 20000Pa (200mbar) ou selon un deuxième mode de fonctionnement dans lequel la pression régnant dans la canalisation de refoulement (7) est supérieure à 20000Pa, et on commande l’injection d’un gaz de dilution dans la canalisation de refoulement (7) ou dans le dispositif de pompage (5) au moyen du dispositif d’injection d’un gaz de dilution (15) dans le deuxième mode de fonctionnement.
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