Brevet FR2812041A1 — publié le 20020125

! PRINCIPE DE REFROIDISSEMENT DE POMPE A VIDE La présente invention concerne les pompes à vide sèches destinées à la réalisation d'un vide poussé, pour une utilisation notamment dans l'industrie du semi-conducteur pour abaisser la pression dans les chambres de procédé à partir de l'atmosphère. Ces pompes à vide sèches comprennent au moins un rotor mobile en rotation dans un stator avec un jeu approprié entre le rotor et le stator. La température du corps d'une pompe à vide doit être maîtrisée, d'une part pour éviter les grippages dus aux dilatations thermiques, d'autre part pour maintenir les gaz pompés à des températures appropriées évitant leur transformation sous forme de dépôt solide dans la pompe. Le refroidissement des pompes à vide sèches est souvent réalisé par une convexion forcée avec de l'air ou de l'eau comme fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement parcourt le stator de la pompe à vide, tandis que le rotor est refroidi par conduction thermique depuis le rotor vers le stator. Il en résulte que le rotor est généralement plus chaud que le stator, et que les variations de température du stator diffèrent de celles du rotor lors des fonctionnements discontinus de la pompe à vide. Il faut à cet égard noter que le fonctionnement de la pompe à vide n'est généralement pas constant, et qu'il doit suivre les variations nécessaires de l'atmosphère dans les chambres de procédé pour réaliser les différentes étapes d'un procédé industriel de traitement des semi-conducteurs. Il en résulte des écarts de température, variables dans le temps, entre le rotor et le stator. Jusqu'à présent, la température des pompes à vide est contrôlée en logeant, dans le rotor, un ou plusieurs capteurs de température dont les signaux sont utilisés pour asservir le fonctionnement du système de refroidissement, et notamment le flux de liquide de refroidissement. Une telle méthode d'asservissement ne donne toutefois pas entière satisfaction, à cause de sa précision insuffisante, et à cause des retards susceptibles de se produire entre l'échauffement du rotor et l'échauffement consécutif de la zone voisine du ou des capteurs de température. Cette imprécision relative, et ces retards, obligent à conserver un jeu relativement important entre le rotor et le stator des pompes à vide, jeu susceptible d'affecter les performances de la pompe à vide. Le problème proposé par la présente invention est de concevoir une nouvelle structure permettant d'apprécier plus rapidement et de façon plus précise les écarts de température entre le rotor et le stator d'une pompe à vide, afin de maintenir de façon plus précise et permanente le jeu entre le rotor et le stator dans une plage de variation autorisée prédéterminée. En conséquence, selon l'invention, il est possible de réduire le jeu permanent entre le rotor et le stator d'une pompe à vide, sans risquer les détériorations par contact entre le rotor et le stator en cours de fonctionnement. Ainsi, l'invention vise à éviter de manière efficace et permanente que le jeu entre le rotor et le stator ne devienne inférieur à un minimum nécessaire. Egalement, l'invention vise à réduire le coût de production des pompes à vide, en minimisant le nombre de capteurs nécessaires pour assurer la régulation satisfaisante de température de la pompe. Egalement, l'invention vise à réduire les défauts et les rebuts dans la production en série des pompes à vide, et d'augmenter simultanément la fiabilité de la pompe à vide. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, une pompe à vide sèche selon l'invention comprend au moins un rotor mobile en rotation dans un stator avec un jeu approprié entre le rotor et le stator; au moins un capteur de proximité est disposé dans le stator et est adapté pour détecter le jeu au voisinage d'une zone de contrôle entre le stator et le rotor; la zone de contrôle est dans ou au voisinage de la zone critique o le contact est le plus probable entre le rotor et le stator lors d'une évolution de température du rotor et/ou du stator. On notera que cette structure permet d'adapter la température du stator à celle du rotor, tant en régime permanent que pendant les étapes transitoires de fonctionnement, en assurant le refroidissement le plus rapide possible du stator et donc du rotor, mais simultanément sans risquer que le refroidissement du rotor devienne trop rapide. On notera en particulier qu'un refroidissement trop rapide du stator, en présence d'un échauffement important du rotor, serait susceptible de réduire de façon excessive le jeu entre le rotor et le stator, et de conduire à un contact entre le rotor et le stator et à une destruction de la pompe à vide. L'invention assure plus efficacement l'absence de contact entre le rotor et le stator dans toutes les conditions de fonctionnement de la pompe à vide. Selon un mode de réalisation avantageux: - la pompe à vide comprend un rotor de forme allongée, ayant une longueur supérieure à son diamètre, le capteur de proximité est disposé pour capter le jeu axial entre une portion de première extrémité axiale du rotor et la portion correspondante du stator, - le rotor est tenu dans le stator par un premier palier de première extrémité et par un second palier de seconde extrémité, le premier palier assurant un maintien radial du rotor en autorisant son déplacement axial, le second palier assurant un maintien radial et un maintien axial simultanés du rotor dans le stator. Dans ce cas, la première extrémité de la pompe à vide est avantageusement située du côté de l'aspiration de la pompe à vide, et le capteur de proximité est disposé dans la partie basse pression du stator. En pratique, le jeu axial entre le rotor et le stator en régime de fonctionnement peut être d'environ 0,05 mm, et le capteur de proximité est adapté pour détecter les variations dudit jeu axial de 0,05 mm environ. Selon une première application, l'invention s'applique à une pompe multiétagée à deux rotors parallèles, par exemple une pompe roots, avec un capteur de proximité en regard de l'extrémité de l'un des deux rotors. Selon une autre application, l'invention peut également s'appliquer à une pompe à vis, avec un capteur de proximité en position radiale en regard du sommet de filet de vis de l'un des rotors. Dans tous les cas, la pompe peut avantageusement être associée à un dispositif de refroidissement de stator, asservi au signal image du jeu fourni par le capteur de proximité. L'asservissement consiste à faire varier la capacité de refroidissement du dispositif de refroidissement de stator, dans les conditions suivantes: le dispositif de refroidissement de stator est inhibé ou ralenti lorsque le signal image du jeu est inférieur à un premier seuil prédéterminé, et il est actionné lorsque le signal image du jeu est supérieur audit premier seuil prédéterminé. Dans un mode de réalisation perfectionné: - le dispositif de refroidissement de stator peut prendre un premier état d'inhibition, un second état de refroidissement intermédiaire, et un troisième état de refroidissement rapide, - le dispositif de refroidissement de stator est dans son premier état d'inhibition lorsque le signal image du jeu est inférieur à un premier seuil prédéterminé, - le dispositif de refroidissement de stator est dans son second état de refroidissement intermédiaire lorsque le signal image du jeu est compris entre ledit premier seuil prédéterminé et un second seuil prédéterminé supérieur audit premier seuil prédéterminé, - le dispositif de refroidissement de stator est dans son troisième état de refroidissement rapide lorsque le signal image du jeu est supérieur audit second seuil prédéterminé. En pratique, on peut avantageusement prévoir que le capteur de proximité est raccordé à une entrée d'un circuit de commande assurant la comparaison du signal image du jeu avec le ou les seuils prédéterminés et générant un signal de commande d'une vanne pour régler le flux de fluide de refroidissement dans un circuit de refroidissement de stator. Pour améliorer la sécurité, on peut prévoir que le circuit de commande compare le signal image du jeu à un troisième seuil d'arrêt inférieur audit premier seuil, et génère un signal d'arrêt envoyé à un circuit d'alimentation d'un moteur d'entraînement de la pompe à vide lorsque le signal image du jeu est inférieur audit troisième seuil d'arrêt pour réduire ou interrompre la vitesse de rotation dudit moteur. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue schématique en perspective écorchée d'une structure connue de pompe à vide de type roots; - la figure 2 est une coupe transversale de la pompe roots de la figure 1; - la figure 3 est une coupe longitudinale schématique d'une pompe roots selon l'invention, associée à un moteur d'entraînement de ladite pompe; - la figure 4 est une vue schématique en perspective d'une pompe à vis selon un mode de réalisation de l'invention; et - la figure 5 est une vue schématique d'une pompe selon la présente invention associée à un système de refroidissement asservi. Dans les modes de réalisation illustrés sur les figures, une pompe à vide 100 comprend un corps de pompe à vide ou stator 1, dans lequel sont réalisées une ou plusieurs chambres de pompage 2 ou 3 recevant un rotor 4 ou 5 entraîné par un arbre tel que les arbres 6 et 7. Le stator 1 comprend une entrée d'aspiration 8 et une sortie de refoulement 9. Les figures 1 à 3 illustrent une pompe à vide de type roots, à deux rotors 4 et 5 parallèles coopérants, et à plusieurs étages successifs répartis le long du rotor entre l'étage d'aspiration 10 et l'étage de refoulement 11. S'agissant d'une pompe à vide, l'étage d'aspiration 10 est l'étage basse pression, tandis que l'étage de refoulement 11 est l'étage haute pression. Comme on le voit notamment sur la figure 3, la pompe à vide 100 comprend un rotor 4 de forme allongée, ayant une longueur L nettement supérieure à son diamètre D. Le rotor 4 est tenu dans le stator 1 par un premier palier 12 de première extrémité 13 et par un second palier 14 de seconde extrémité 15. Le premier palier 12 assure un maintien radial du rotor 4, s'opposant aux mouvements radiaux du rotor 4 autour de son axe de rotation I-I, mais en autorisant le déplacement axial de la première extrémité 13 du rotor 4. Par contre, le second palier 14 assure à la fois un maintien radial et un maintien axial de la seconde extrémité 15 du rotor 4. Dans le mode de réalisation avantageux illustré sur la figure 3, la première extrémité 13 du rotor 4 de la pompe à vide 100 est située du côté de l'étage d'aspiration 10 de la pompe à vide 100. Selon l'invention, la pompe à vide 100 sèche comprend au moins un capteur de proximité 16, disposé dans le stator 1 et adapté pour détecter le jeu E au voisinage d'une zone de contrôle 17 entre le stator 1 et le rotor 4. La zone de contrôle 17 est choisie dans ou au voisinage de la zone critique 117 o le contact est le plus probable entre le rotor 4 et le stator 1 lors d'une évolution de température du rotor 4 et/ou du stator 1. En pratique, la zone critique 117 est constituée par les faces radiales amont 18a et aval 18b du rotor 4 dans l'étage d'aspiration 10, en correspondance des faces radiales amont 19a et aval 19b du stator 1 dans ce même étage d'aspiration 10. On comprend que cette zone critique 117 est la zone la plus sensible de la pompe à vide 100 lors des variations relatives de température entre le rotor 4 et le stator 1: dans le cas d'un manque de refroidissement du stator 1, celui-ci s'allonge plus que le rotor 4, induisant un déplacement relatif maximal dans l'étage d'aspiration 10, de sorte que la face radiale aval 18b du rotor 4 peut venir au contact de la face radiale aval 19b du stator 1. De même, en cas d'un refroidissement trop intensif du stator 1, la face radiale amont 18a du rotor 4 peut venir au contact de la face radiale amont 19a du stator 1. On comprend que le capteur de proximité 16 n'a pas besoin d'être placé exactement dans la zone critique 117, mais qu'il peut avantageusement être placé au voisinage de cette zone critique 117 dans une zone de contrôle 17 qui est par exemple, comme illustré sur la figure 3, dans le stator 1 en regard de la première extrémité 13 du rotor 4. La première extrémité 13 du rotor 4 peut par exemple être constituée par une pièce d'assemblage d'extrémité 20 du rotor 4, retenue par une vis axiale 21. Ainsi, le capteur de proximité 16 est disposé pour capter le jeu axial E entre une portion ou face radiale amont 18a de première extrémité 13 du rotor 4 et une portion correspondante ou face radiale amont 19a du stator 1, par le fait qu'il capte le jeu équivalent entre lui-même et la première extrémité 13 du rotor 4. Comme on le voit sur la figure 3, le rotor 4 de la pompe à vide est accouplé à l'arbre 22 d'un moteur 23 dont on distingue le stator de moteur 24 et le rotor de moteur 25. On voit que le capteur de proximité 16 est disposé dans la partie basse pression du stator 1. En général, selon l'invention, on peut prévoir un jeu axial E dont la valeur en régime de fonctionnement est d'environ 0,05 mm. On notera que le jeu à froid peut être supérieur, par exemple de l'ordre de 0,20 mm. Le capteur de proximité 16 doit être choisi parmi les types de capteur adaptés pour détecter les variations d'un tel jeu axial. On pourra utiliser un capteur de proximité 16 de type magnétique, de type capacitif, de type optique, ou tout autre type de capteur à la portée de l'homme du métier. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 4, la pompe à vide comprend un rotor 104 en forme de vis, tourillonnant dans un stator 101 autour de l'axe de rotation I-I. La rotation du rotor 104 entraîne les gaz depuis une entrée d'aspiration 8 jusqu'à la sortie de refoulement 9. Dans ce cas, le capteur de proximité 16 est placé en position radiale en regard du sommet du filet de la vis formant le rotor 104. On se référera maintenant à la figure 5, illustrant schématiquement la pompe à vide 100, associée à son moteur 23 d'entraînement et à un dispositif de refroidissement de stator. Le moteur 23 est alimenté par un variateur de fréquence 26 qui, à partir d'une alimentation 27, produit aux bornes d'entrée 28 du moteur 23 une tension de commande à fréquence variable déterminant la vitesse de rotation du moteur 23. Le variateur de fréquence 26 est piloté par un signal de commande qu'il reçoit sur une ligne 29 en provenance d'un circuit de commande 30. Le circuit de commande 30 comprend une entrée 31 raccordée par une ligne 32 au capteur de proximité 16 dont il reçoit le signal image du jeu E (figure 3). Le circuit de commande 30 pilote une vanne 33 commandant la circulation d'un fluide de refroidissement parcourant un circuit de refroidissement 34 dont une portion 35 traverse une partie du stator de la pompe à vide 100. Pour cela, le circuit de commande 30 génère sur une sortie 36 raccordée à l'entrée de commande 37 de la vanne 33 un signal de commande de vanne pour régler le flux de fluide de refroidissement dans le circuit de refroidissement 34 de stator. Le circuit de commande 30, recevant le signal image du jeu E sur son entrée 31 en provenance du capteur de proximité 16, assure la comparaison de ce signal image du jeu E avec un ou plusieurs seuils prédéterminés pour générer le signal de commande de vanne disponible sur sa sortie 36 et envoyé à la vanne 33. Dans un premier mode de réalisation, par une commande de fermeture de la vanne 33, le dispositif de refroidissement de stator est inhibé ou ralenti lorsque le signal image du jeu E est inférieur à un premier seuil prédéterminé enregistré dans le circuit de commande 30, et par ouverture de la vanne 33 le dispositif de refroidissement de stator est actionné lorsque le signal image du jeu E est supérieur audit premier seuil prédéterminé. Selon un mode de réalisation perfectionné, le dispositif de commande 30 est programmé de façon que: - le dispositif de refroidissement de stator peut prendre un premier état d'inhibition dans lequel la vanne 33 est fermée, un second état de refroidissement intermédiaire dans lequel la vanne 33 est partiellement ouverte, et un troisième état de refroidissement rapide dans lequel la vanne 33 est entièrement ouverte, le dispositif de refroidissement de stator est dans son premier état d'inhibition lorsque le signal image du jeu E est inférieur à un premier seuil prédéterminé, le circuit de commande 30 envoyant alors à la vanne 33 un ordre de fermeture complète ou presque complète, - le dispositif de refroidissement de stator est dans son second état de refroidissement intermédiaire lorsque le signal image du jeu E est compris entre ledit premier seuil prédéterminé et un second seuil prédéterminé supérieur audit premier seuil, le circuit de commande 30 envoyant alors à la vanne 33 un ordre d'ouverture partielle, - le dispositif de refroidissement de stator est dans son troisième état de refroidissement rapide lorsque le signal image du jeu E est supérieur audit second seuil prédéterminé, le circuit de commande envoyant alors à la vanne 33 un signal d'ouverture complète. Selon un mode de réalisation perfectionné, on prévoit que le circuit de commande 30 peut également agir sur le variateur de fréquence 26 pour commander la vitesse de rotation du moteur 23 d'entraînement de la pompe à vide 100. Dans ce cas, comme illustré sur la figure 5, le circuit de commande 30 compare le signal image du jeu E également à un troisième seuil d'arrêt inférieur audit premier seuil, et génère un signal d'arrêt envoyé par la ligne 29 au variateur de fréquence 26 constituant le circuit d'alimentation du moteur 23 d'entraînement de la pompe à vide 100, afin de réduire ou d'interrompre la vitesse de rotation dudit moteur 23 lorsque le signal image du jeu E est inférieur audit troisième seuil d'arrêt. Cette dernière disposition constitue un système d'arrêt d'urgence dans l'hypothèse o le dispositif de refroidissement asservi ne suffirait pas pour maintenir le jeu E dans les limites acceptables de fonctionnement. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations qui sont à la portée de l'homme du métier. REVENDICATIONS i - Pompe à vide sèche, comprenant au moins un rotor (4) mobile en rotation dans un stator (1) avec un jeu (E) approprié entre le rotor (4) et le stator (1), caractérisée en ce que: - au moins un capteur de proximité (16) est disposé dans le stator (1) et est adapté pour détecter le jeu (E) au voisinage d'une zone de contrôle (17) entre le stator (1) et le rotor (4), - la zone de contrôle (17) est dans ou au voisinage de la zone critique o le contact est le plus probable entre le rotor (4) et le stator (1) lors d'une évolution de température du rotor (4) et/ou du stator (1). 2 - Pompe à vide selon la revendication 1, caractérisée en ce que: - la pompe à vide (100) comprend un rotor (4) de forme allongée, ayant une longueur (L) supérieure à son diamètre (D), - le capteur de proximité (16) est disposé pour capter le jeu (E) axial entre une portion (18a) de première extrémité (13) axiale du rotor (4) et la portion correspondante (19a) du stator (1), - le rotor (4) est tenu dans le stator (1) par un premier palier (12) de première extrémité (13) et par un second palier (14) de seconde extrémité (15), le premier palier (12) assurant un maintien radial du rotor (4) en autorisant son déplacement axial, le second palier (14) assurant un maintien radial et un maintien axial simultanés du rotor (4) dans le stator (1). 3 - Pompe à vide selon la revendication 2, caractérisée en ce que la première extrémité (13) de pompe à vide est située du côté de l'étage d'aspiration (10) de la pompe à vide (100), et le capteur de proximité (16) est disposé dans la partie basse pression (10) du stator (1). 4 - Pompe à vide selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que le jeu (E) axial en régime de fonctionnement est d'environ 0,05 mm, et le capteur de proximité (16) est adapté pour détecter les variations dudit jeu (E) axial. - Pompe à vide selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle forme une pompe roots multi- étagée à deux rotors (4, 5) parallèles, avec un capteur de 1! proximité (16) en regard de l'extrémité de l'un des deux rotors (4). 6 - Pompe à vide selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle forme une pompe à vis (101, 104), avec un capteur de proximité (16) en position radiale en regard du sommet de filet de vis de l'un des rotors (104). 7 - Pompe à vide selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de refroidissement de stator (32, 33, 34) asservi au signal image du jeu (E) fourni par le capteur de proximité (16). 8 - Pompe à vide selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif de refroidissement de stator (32, 33, 34) est inhibé ou ralenti lorsque le signal image du jeu (E) est inférieur à un premier seuil prédéterminé, et est actionné lorsque le signal image du jeu (E) est supérieur audit premier seuil prédéterminé. 9 - Pompe à vide selon la revendication 7, caractérisée en ce que: - le dispositif de refroidissement de stator (32, 33, 34) peut prendre un premier état d'inhibition, un second état de refroidissement intermédiaire, et un troisième état de refroidissement rapide, - le dispositif de refroidissement de stator (32, 33, 34) est dans son premier état d'inhibition lorsque le signal image du jeu (E) est inférieur à un premier seuil prédéterminé, - le dispositif de refroidissement de stator (32, 33, 34) est dans son second état de refroidissement intermédiaire lorsque le signal image du jeu (E) est compris entre ledit premier seuil prédéterminé et un second seuil prédéterminé supérieur audit premier seuil prédéterminé, - le dispositif de refroidissement de stator (32, 33, 34) est dans son troisième état de refroidissement rapide lorsque le signal image du jeu (E) est supérieur audit second seuil prédéterminé. - Pompe à vide selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que le capteur de proximité (16) est raccordé à une entrée (31) d'un circuit de commande (30) assurant la comparaison du signal image du jeu (E) avec le ou les seuils prédéterminés et générant un signal de commande d'une vanne (33) pour régler le flux de fluide de refroidissement dans un circuit de refroidissement (34) de stator. 11 - Pompe à vide selon la revendication 10, caractérisée en ce que le circuit de commande (30) compare le signal image du jeu (E) à un troisième seuil d'arrêt inférieur audit premier seuil, et génère un signal d'arrêt envoyé à un circuit d'alimentation (26) d'un moteur (23) d'entraînement de la pompe à vide (100) lorsque le signal image du jeu (E) est inférieur audit troisième seuil d'arrêt pour réduire ou interrompre la vitesse de rotation dudit moteur (23).