Brevet FR2823539A1 — publié le 20021018

entrance vers la volute d'entranement. - - ATTENUATEUR DYNAMIQUE DU BRUIT DE REFOULEMENT SUR LES MACHINES A VIDE ROTATIVES La présente invention concerne les machines à vide rotatives comprenant une pompe primaire à profils conjugués ou à transfert volumétrique. - Un inconvénient de tel. le s machines à vide rotative s à pompe primaire à profils conjugués est qu'elles produisent un bruit de refoulement pouvant causer des gênes et des désagréments lors de l'utilisation. Ce bruit de refoulement est dû à la différence de pression entre l' aspiration et le refoulement de l'étage aLmosphérique ou étage de sortie de la pompe primaire. A cause de cette différence de pression, et du fait que la pompe primaire à profils conjugués agit, à chaque étage, par transfert volumétrique et non par compression, des ondes de choc se produisent lorsque le volume en basse pression transtéré par l'étage aLmosphérique se trouve brusquement exposé à l'atmosphère. Le gaz extérieur à pression atmosphérique rentre à grande vitesse dans le volume, avant d'être ensuite rejeté par la pompe. L'opposition du mouvement des deux flux gazeux très rapides provoque une onde de choc qui se traduit par des claquements violents. Le phénomène s'amplifie lorsque la différence de pression augmente entre l' aspiration et le refoulement de la pompe, c'est-à- dire par exemple en fonctionnement permanent au cours duquel la machine à vide maintient un vide poussé à l'intérieur d'une enceinte. On a tenté de réduire ce bruit de refoulement en mettant dans l' orifice de refoulement de l'étage atmosphérique un clapet anti-retour qui tend à se refermer, et à limiter la transmission de bruit, lorsque le débit de la pompe est faible. L'efficacité de ce dispositif est toutefois insuffisante, notamment dès que la pompe doit extraire un débit gazeux non négligeable, par exemple lors d'étapes de traitement pour la fabrication de semiconducteurs dans une enceinte à vide dont le vide est créé par la machine à vide. -35 On a également proposé de réduire le bruit de refoulement des machines à vide rotatives en ajoutant, au refoulement, un atténuateur statique à chambres et chicanes intérieures. Un tel dispositif n'est toutefois pas adapté à des variations de déUit dans le flux gazeux rejeté par la pompe, et il présente des risques de colmatage dans les zones mortes de l'atténuateur dans l'hypothèse d'un reflux de gaz susceptibles de produire des dépôts. S On pourrait également imaginer de réduire le bruit de refoulement en concevant une pempe primaire dans laquelle l'étage atmosphérique ne produit qu'une très faible baisse de pression entre son aspiration et son refoulement. Mais cela conduit à rajouter à la pompe primaire un étage supplémentaire, qui n'a pas d'intérêt pour l'obtention et le maintien d'une basse pression dans l'enceinte à vide contrôlée par la machine à vide. Le seul intérêt de cet étage supplémentaire est de réduire le bruit de refoulement, alors que cet étage supplémentaire est une structure complexe et onéreuse car elle nécessite les mêmes qualités de précision qu'un étage normal de pompe pour la réalisation et l'assemblage des profils conjugués des deux rotors en rotation relative l'un par rapport à l'autre. Le problème proposé par la présente invention est de concevoir une nouvelle structure d'atténuateur du bruit de refoulement sur les machines à vide rotatives à profils conjugués, assurant une suppression efficace de l'effet audible des ondes de choc au refoulement, et présentant une structure simple, fiable et peu onéreuse, dépourvue de profils coujugués ou de systèmes assurant une synchronisation. L' invention vise également à concevoir un tel atténuateur qui s'adapte efficacement aux variations du débit gazeux rejeté par la pompe, et qui évite tout risque de colmatage. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, un atténuateur de bruit de refoulement sur les machines à vide rotatives à pompe primaire à profils conjugués selon l' invention comprend, interposé entre le refoulement de la pompe primaire et la sortie à l'aLmosphère, au moins un dispositif de transfert à cavités indépendantes qui se déplacent en séquence entre le refoulement de la pompe et la sortie à l'atmosphère en étant successivement en communication avec la sortie à l'atmosphère, puis isolées, puis en communication avec le refoulement de la pompe, puis isolées, puis à nouveau en communication avec la sortie à l'atmosphère, et ainsi de suite, pour transférer depuis le refoulement de la pompe vers la sortie à l'aLmosphère le volume gazeux refoulé par la pompe tout en isolant en permanence le refoulement de la pompe par rapport à la sortie à l'atmosphère. Selon un mode de réalisation préféré, les cavités sont réalisées dans au moins un rotor en rotation dans une chambre de stator ayant un orifice d'entrée assurant la mise en communication d'une ou plusieurs cavités avec le refoulement de la pompe, et un orifice de sortie assurant la mise en communication d'une ou plusieurs autres cavités avec la sortie à l'atmosphère. Selon une réalisation pratique, le rotor est un disque ayant des cavités périphériques isolées les unes des autres et venant en séquence face à l' orifice de sortie, face à une portion pleine de paroi de chambre de stator, face à l'orifice d'entrée, face à une autre portion pleine de paroi de chambre de stator, et à nouveau face à l'orifice de sortie, et ainsi de suite. De préférence, l'autre portion pleine de paroi de chambre de stator est progressivement évidée, pour réaliser un espace de fuite progressive qui augnente au fur et à mesure que l'on se rapproche de l 'orifice de sortie. De la sorte, la fuite progressive permet au volume de la cavité d'équilibrer lentement sa pression avec l'atmosphère par un laminage du gaz à haute pression, la pression étant déjà équilibrée lors du passage de la cavité devant l' orifice de sortie, pour réduire encore le bruit de refoulement. Selon un mode de réalisation avantageux, applicable à des pompes primaires à deux rotors parallèles couplés, l'atténuateur de bruit de refoulement comprend deux rotors à arbres parallèles en rotation dans deux chambres respectives de stator et connectés en parallèle entre un même orifice d'entrée et au moins un orifice de sortie. Selon un mode de réalisation perfectionné, l'atténuateur de bruit de refoulement comprend en outre un circuit de dérivation à clapet antiretour, mettant directement en communication l' orifice d'entrce avec la sortie à l'aLmosphère lorsque la pression gazeuse interne à l 'orifice d'entrée dépasse la pression atmosphérique selon un seuil de pression prédéfini. De la sorte, l'atténuateur permet, sans réduire l'efficacité de la pompe primaire, d'Avacuer le flux gazeux imporLant ctoulA par la pompe primaire lors d'une Atape d'Atablissement du vide dans une encainte de traiteent. A1ns1, l'attAnuateur peut Atre d1mens10nnd de fagon juate suffisante pour Avacuer le flux gaeux lors des tapes de fonctionnement en rAgime pe=manent de maintien de vide par la machine vide, le circuit de dArivation clapeL anti-retour permettant le passage du surplus de flnx gazeux lors des Atapes transitoires dans lesquelles le flux gazeux est plus Alev gue celui qui peut Atre AvacuA par 1'attAnuaLeur ainsi dimens10nnA. Dans un attnuateur de bruiL de refoulement selon l' invention, le dispositif de transiert cavits peut tre entrainA en dAplacement par la machine vide rotative laquelle il est coupl mcaniquemenL, ou par un moteur annexe. I1 peut tre placA adjacent au refoulement de la machine vide, ou distance du refoulement, en sortie d'une canalisat10n de liaison. L' invention prAvoit Agalement une machine vide dont le refoulement est raccordA 1'aLmosphre par 1'intenmAdiaire d'un tel attAnuateur de bruit de refoulement dfini ci-dessus. D'autres objets, caractAristigues et avanLages de la prAsente invention ressortiront de la description suivante de modes de ralisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: - la figre 1 est une vue en coupe transversale de l'Atage aLmosphArique d'une pope primaire profile conjugu6s, dan une tape de refoulement des gaz; - la figure 2 est une vue en coupe transversale de 1'Atage atcsphArique de la figure 1, dans une tape d'entre des gaz par le refoulement; - la figure 3 est une vue en coupe transversale de l'Atage atmosphArique de la figure 1, l' instant d'inversion du flux de sortie de gaz, provoquant 1'onde de choc; - la figure 4 est un diagramme temporel illustrant la forme d'onde du flux gazeux au refoulement de 1'6tage atmosphArique d'une pompe primaire profils conjuguAs; - la figure 5 est une vue en coupe transversale illustrant schAmatiguement un attAnuateur dynamique de bruit selon un premier mode de ralisat10n de la prAsente invention; - la figure 6 est une vue en coupe tranversale illutrant schAmatiquement un attAnuateur dynamique de bruit de cefoulement selon un second mode de ralisation de la prAsente invention; - la figure 7 est une vue en coupe transverale illutrant schmatiquement un attAnuateur de bruit de refoulement selon un troisi6me mode de ralisation de la prsente invention; et - la figure 8 est un diagr _ temporel illustrant schmatiqueent la fo=me d'onde de la pression l'int6rieur d'une cavit d'attAnuateur dYnamique selon 1' invention On considre tout dlabord la structure de l'4tage de sortie d'une pompe primaire profils conjuguAs, par exemple telle qu'illustre sur ls figures 1 3 La pompe est fo=me dlun stator de pompe 1 ayant une cavit intArieure 2 dans laguelle tourillonnent deux rotor 3 et 4 sur deux arDre correspondants 5 et 6 parallles entralnAs par un moteur dans des sens de cotation 7 et 8 inverses et selon des positions angulaires relatives appropries Dans l'Atage de sortie ou tage aLmospbArigue, le rotor 3 coprend un lobe 9 prAsentant un profil pAriphArique conjuguA du profil d'un lobe correspondant 10 du rotor 4, de sorte que les lobes 9 et 10 sont en permanence au contact 11un de 1'autre selon une zone intermdiaire dltanchAit 11, et asurent chacun Agalement une tanchAit avec la paroi du stator de pompe 1 selon des zones priphrigues d'AtanchAit respectives 12 et 13 Un orifice d' aspiration 14 communique avec une zone d' aspiration 15 de la cavit intrieure 2, tandi gu'un orifice de refoulement 16 communique avec une zone de refoulement 17 de la cavit intArieure 2, et constitue le refoulement de la pompe On considAre maintenant le fonctionnement de la pompe en rAfArence aux figures 1 3, et tout d'abord l'Atape illustre sur la figure 1 Dans cet tat, le lobe 10 du rotor 4 vient prlever un volume gaeux dans la zone dlaspiration 15 La rotation du rotor 4 se poursuivant, le volume gazeux 18 est emprisonn par le lobe 10, come on le voit sur la figure 2 Ensuite, la rotation du rotor 4 se poursuivant, le volume gazeux 18 est d4plac (figure 2) progressivement jusqu'A venir en communication avec l' orifice de refoulement 16 L' instant de mise en comunication avec l'ocifice de refoulement 16 est illustré sur la figure 2 en relation avec le volume gazeux 18a correspondant qui a préalablement été capLuré et déplacé par le lobe 9 du rotor 3. A cet instant, l' orifice de refoulement 16 se trouve en principe à la pression aLmosphérique, alors que le volume gazeux 18a se trouve encore à la pression d'aspiration de l'étage de sortie de la pompe, c'est-à-dire à pression très inférieure. I1 se produit alors un flux gazeux d'aspiration 19 vers l'intérieur de la pompe à travers l'orifice de refoulement 16. La rotation des rotors 3 et 4 se poursuivant, le système prend l'état illustré sur la figure 3: le flux gazeux 19 s'inverse brusquement avec production d'une onde de choc 19a, et les gaz dans le volume 18a sont alors refoulés par la pompe et il se produit un flux gazeux de refoulement 20 tel qu'illustré sur la figure 3. Ce sont cette onde de choc l9a et ces doubles flux 19 et 20 qui produisent le bruit de refoulement de la pompe. On a également illustré sur la figure 4 le diagramme temporel montrant le flux gazeux d' aspiration 19 et le flux gazeux de refoulement 20 traversant l' orifice de refoulement 16. Selon l' invention, on atténue le bruit de refoulement à l'aide d'un atténuateur dynamique dont la figure 5 illustre un premier mode de réalisation. L'atténuateur de bruit de refoulement 21, tel qu'illustré sur la figure 5, comprend un orifice d'entrce 22 que l' on raccorde au refoulement ou orifice de refoulement 16 de l'étage atmosphérique de la pompe primaire, et comporte une sortie ou orifice de sortie 23 raccordé à l'aLmosphère amblante. Dans l'atténuateur de bruit de refoulement 21, on interpose entre l' orifice d'entrée 22 et l'orifice de sortie 23 un dispositif de transfert, par exemple un dispositif rotatif, ayant des cavités indépendantes telles que la cavité 24 qui se déplacent en séquence entre le refoulement ou orifice de refoulement 16 et la sortie ou orifice de sortie 23, en étant successivement en communication avec la sortie 23, puis isolées, puis en communication avec le refoulement 16, puis isolées, puis à nouveau en communication avec la sortie 23, et ainsi de suite. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 5, les cavités telle que la cavité 24 sont réalisées dans un rotor 25 en rotation autour d'un arbre 26 dans une chambre 27 cylindrique d'un stator 28 ayant l'ocitice d'entre 22 et l'oritice de sortie 23. L'oritice d'entre 22 assure la mise en communication d'une ou plusieurs cavlts telles que la cavit 24c avec l'oritice de retoulement 16, tandis que l' orifice de sortie 21 assure la mise en 3 co _ nication d'une ou plusieurs autres cavits telles que la cavit 24 avec l'atmopbAre. Dans la ralisation illustre sur la tigure 5, le rotor 25 porte, sur son arre 26, hult cavits 24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24t et 24g pAriphAriques. Le rotor 25 peut Atre un disque ayant des cavits 24-24g pAriphriques isoles les unes des autres et venant en squence: tace l'oritice de sortie 23 (comme la cavit 24 sur la tigure 5), puis face une portion pleine 29 de paroi de chambre 27 de stator 28, puis face l' orifice d'entre 22 (come la caviLA 24c), puis face une autre portion pleine 30 de paroi de chabre 27 de stator 28, et nouveau face l'oritice de sortie 23, et ainsi de suite. Le rotor 25 cavits 24-24g constitue le dispositif de transfert cavits lndApendantes. Dans le mode de ralisation illustrA sur la figure 6, 1'attAnuateur de bruit de refoulement 21 selon 1' invention comprend deux rotors arbres parallles en cotation dans deux chabres respective du stator 28 et connects en parallle entre un mAme orifice d'entre 22 et un ou deux orifices de sortie 23. On retrouve ainsi le rotor 25 dans une preiAre chambre 27 du stator 28, en rotation autour de 1'arDre 26 portant les cavits 24 24g. On Lrouve en outre un second rotor 125, dans une seconde chambre 127 du stator 28, avec un arbre 126 portant les cavits 124 124g. Les rotors 25 et 125 et leurs cavits constituent deux dispositi[s de transtert cavits indApendantes. Dans ce mode de rdalisation, on a en outre illustr la caractAristique selon laquelle on ralise une fuite progressive pour la ise l'atmosphAre des cavits: sur un secteur dfini l'autre portion pleine 30 (130) de paroi de chambre 27 (127) de sLator 28 est progressivement vide lorsqu'on se rapproche 33 angulairement de 1'orifice de sortie 23, en augmentant son diamAtre l'6cart de l'arbre 26 (126), pour raliser entre ladite portion pleine 3Q (130) et les parois des cavits telles que les cavits , A 24f et 24g un espace 31 ou fuite progressive qui augmente au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'orifice de sortie 23 dans le sens de rotation des rotors. Le volume des cavités telles que les cavités 24-24g est choisi suffisamment grand pour que, en régime permanent de maintien de vide par la machine à vide, la pression gazeuse interne à l 'orifice d'entrée 22 (c'est-à-dire au refoulement 16 de la pompe) soit seulement légèrement supérieure à la pression aLmosphérique en fin d'étape de refoulement. On évite ainsi que l'atténuateur selon l' invention rébuise la capacité de création de vide de la pompe. Dans le mode de réalisation de la figure 7, on retrouve les mêmes moyens que ceux du mode de réalisation de la figure 6, et ces mêmes moyens sont repérés par les mêmes références numériques. La différence, dans le mode de réalisation de la figure 7, réside dans l'ajout d'un circuit de dérivation 32 à clapet anti- retour 33, qui met directement en communication l' orifice d'entrée 22 avec l' orifice de sortie à l'atmosphère 23 lorsque la pression gazeuse interne à l' orifice d'entrée 22 dépasse la pression aLmosphérique selon un seuil de pression prédéfini déterminé par des moyens de tarage 34 du clapet anti-retour 33. De la sorte, si le volume gazeux débité par la pompe et parvenant à l' orifice d'entrce 22 dépasse les capacités de déplacement de gaz dans les cavités 24-24g et 124-124g, le clapet antiretour 33 s'ouvre et évacue directement le surplus de flux gazeux sans augmenter exagérément la pression dans le volume d'entrée de l'atténnateur et donc dans l'étage de sortie de la pompe. Le dispositif de transfert à cavités selon l' invention, par exemple le dispositif des figures 6 ou 7 comprenant les rotors et 125, peut avantageusement être entraîné en déplacement par la machine à vide rotative elle-même, à laquelle il est couplé mécaniquement. Par exemple, les arUres 26 et 126 peuvent être constitués par les artres S et 6 de la pompe elle-même. L'atténuateur est alors placé adjacent au refoulement 16 de la machine à vide. En alternative, on peut placer l'atténuateur à distance du refoulement 16 de la machine, auquel il est raccordé par une canalisation de liaison. Egalement, le dispositif de transfert à cavités constitué par les rotors 25 et 125 peut être entrainé en déplacement par un moteur annexe, éventuellement piloté à vitesse variable pour s' adapter aux conditions variables de déhit gazeux travereant la pompe. L'efficacité du dispositif selon l' invention est illustrée en relation avec la figure 8. Cette figure illustre le diagramme temporel de la pression gazeuse à l'intérieur d'une cavité telle que la cavité 24, lors d'une rotation complète du rotor 25. Partant de la position illustrée sur les figures 5 à 7, dans laquelle la cavité 24 est en communication avec l' orifice de sortie 23, la pression gazeuse Pc dans la cavité 24 se trouve à la pression aLmosphérique Pa au cours d'une première étape A. Ensuite, la cavité 24 est fermée par la portion pleine 29 de paroi de chambre 27 de stator 28, et la pression Pc reste constante et égale IS à la pression atmosphérique Pa, pendant l'étape B. La cavité 24 vient ensuite, au cours de l'étape C, en communication avec l' orifice d'entrée 22 et le refoulement 16 de la pompe. A ce moment, ou en décalé, il peut se produire le flux gazeux d' aspiration 19 vers l'intérieur de la pompe comme illustré sur la figure 2, produisant alors une dépression D dans la cavité 24, suivie d'une remontée de pression R par le flux de refoulement 20 hors de la pompe. Au cours de l'étape E, la cavité 24 se trouve à pression légèrement supérieure à la press ion aLmosphérique, et elle est fermoe par la portion pleine 30 de la paroi de chambre 27 de stator 28. Enfin, au cours de l'étape F. il se produit la fuite progressive par l'espace 31, et la pression Pc redescend progressivement à la pression atmosphérique Pa pour rester ensuite constante, et le cycle recommence. On comprend que, par le fait que la cavité 24c qui communique avec le refoulement 16 de la pempe est isolée de l'aLmosphère extérieure par l'étanchéité réalisse autour des parois des autres chambres, l'onde de choc produite au cours de l'étape C n'est pas transmise à l'atmosphère extérieure, et le bruit se trouve confiné dans le compartiment d'entrée de l'atténuateur de bruit. 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 1 - Atténuateur de bruit de refoulement sur les machines à vide rotatives à pompe primaire à profils conjugués, caractérisé en ce qu'il comprend, interposé entre le refoulement (16) de la pompe primaire et la sortie à l'atmosphère (23), au moins un dispositif de transfert (25, 125) à cavités (24-24g; 124-124g) indépendantes qui se déplacent en séquence entre le refoulement (16) de la pompe et la sortie (23) à l'atmosphère en étant successivement en communication avec la sortie (23) à l'atmosphère, puis isolées, puis en communication avec le refoulement (16) de la pompe, puis isolées, puis à nouveau en communication avec la sortie (23) à l'atmosphère, et ainsi de suite, pour transférer depuis le refoulement (16) de la pompe vers la sortie (23) à l'atmosphère le volume gazeux refoulé par la pompe tout en isolant en permanence le refoulement (16) de la pompe par rapport à la sortie (23) à l'atmosphère. 2 - Atténuateur de bruit de refoulement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cavités (24-24g; 124 124g) sont réalisoes dans au moins un rotor (25) en rotation dans une chambre (27) de stator (28) ayant un orifice d'entrée (22) assurant la mise en communication d'une ou plusieurs cavités (24c) avec le refoulement (16) de la pompe, et un orifice de sortie (23) assurant la mise en communication d'une ou plusieurs autres cavités (24) avec la sortie à l'atmosphère (23). 3 - Atténuateur de bruit de refoulement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rotor (25) est un disque ayant des cavités (2424g) périphériques isolées les unes des autres et venant en séquence face à l' orifice de sortie (23), face à une portion pleine (29) de paroi de chambre (27) de stator (28), face à l 'orifice d'entrée (22), face à une autre portion pleine (30) de paroi de chambre (27) de stator (28), et à nouveau face à l' orifice de sortie (23), et ainsi de suite. 4 - Atténuateur de bruit de refoulement selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'autre portion pleine (30) de paroi de chambre (27) de stator (28) est progressivement évidée, pour réaliser un espace (31) de fuite progressive qui augmente au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'orifice de sortie (23). - AttAnuateur de bruit de re!oulemenL selon l'une quelconque des revendications 2 4, caractAris en ce qu'il comprend deux rotors (25, 125) arbres parallles (26, 126) en roLaLion dans deux chabres (27, 127) respecLives de stator (28) eL connacts en parallle entre un mme orifice d'entre (22) et au moins nn orifice de sorLie (23). 6 - AttAnuateur de bruit de refoulement selon 1'une quelconque des revendications 1 5, caractrisA en ce que le volume des cavits (24-24g) est choisi suffis _ ent grand pour gue, en rAgime permanent de maintien de vide par la machine vide, la pression gazeuse interne l 'orifice d'entre (22) soit seulement lAgrement supArieure la pression atmospbArique en fin d'Atape de efoulement. 7 AttAnuateur de bruit de refoulemnt selon 1'une quelconque des revendications 1 6, caractAri6 en ce gu'il comprend un cicuit de dArivation (32) clapet anti-retour (33), mettant directement en co _ nication l'orifice d'entre (22) avec l' orifice de sortie l'atmospbAre (21) lorsque la pression gazeuse interne l' orifice d'entre (22) dApasse la pression aLmoshrique selon un seuil de pression prAdfini. 8 - AttAnuateur de bruit de refoulement selon l'une queleonque des revendications 1 7, caractAris en ce que le dispositif de transiert (25; 125) cavits est entralnA en dAlacement par la machine vide rotative laguelle il est couplA mAcaniqueent. g - AttAnuateur de bruit de refoulement selon l'une quelconque des revendications 1 ?, caractAris en ce que le dispositif de transfert (25; 125) cavits eGt entralnd en dAplacement par un moteur annexe. 10 - AttAnvateur de bruit de refoulement selon l'une des revendications 8 ou 9, caractArisA en ce qu'il eL placA adjacent au refoulemenL (16) de la machine vide. 11 - ALL6nuaLeur de bruiL de refoulement selon l'une des revendicaLions 8 ou 9, caractArisA en ce gu'il est placA disLance du refoulemenL (16) de la machine vide, auquel il est raccordA par une canalisaLion de liaison. 12 - Machine à vide caractérisée en ce que son refoulement (16) est raccordé à l'atmosphère par l'intermédiaire d'un atténuateur de bruit de refoulement (21) selon l'une queleonque des