Brevet FR2968730A1 — publié le 20120615

Dispositif de pompage à consommation d'énergie réduite La présente invention se rapporte à un dispositif de pompage permettant de réduire la consommation d'énergie électrique d'une pompe à vide, et au procédé de pompage utilisé. Elle concerne en particulier les pompes à vide primaire dites sèches, telle qu'une pompe à vide à lobes rotatifs de type "Roots", une pompe à vide à becs de type "Claw", une pompe à vide à spirale de type "Scroll", une pompe à vide à vis, une pompe à vide à piston, etc..., en version monoétagée ou multiétagée. Ces pompes à vide primaires sèches sont notamment destinées au pompage des enceintes à vide de type "sas de chargement / déchargement" ("load lock chamber" en anglais) ou chambre de transfert, dans les unités de fabrication de composants semiconducteurs, d'écrans plats ou de substrats photovoltaïques. A l'abri de la pollution, les substrats sont conditionnés et amenés un par un à l'aide de moyens robotisés dans un sas de chargement / déchargement qui communique avec une chambre de transfert, laquelle précède la chambre de procédé. Le sas de chargement/déchargement et la chambre de transfert sont alors mis sous une pression réduite de l'ordre d'un vide primaire (10-i mbar environ), similaire à celle régnant dans la chambre de procédé, afin d'autoriser le transfert du substrat. On utilise pour cela un système de pompage des gaz comprenant une pompe à vide primaire raccordée par un circuit de pompage à l'enceinte à vider. Pour diminuer la pression dans l'enceinte, depuis la pression atmosphérique jusqu"à une pression de transfert de l'ordre de 104 mbar, le système de pompage doit pomper un flux de gaz relativement important au début du pompage. La descente en pression dans l'enceinte est réalisée en deux étapes, la première étape correspondant au passage de la pression atmosphérique à la pression de transfert (10-1 mbar). Lorsque la pression de transfert est atteinte, l'enceinte est isolée et le système de pompage continue de fonctionner avec un flux de gaz nul. Les cycles de descente et remontée en pression se succèdent à fréquence élevée et consomment une quantité d'énergie importante due en particulier au pompage à haute pression. La puissance électrique nécessaire à la compression des gaz est un des paramètres important dans la consommation énergétique des pompes à vide primaires sèches. En outre une consommation résiduelle demeure, notamment lorsque la pompe à vide a pour charge de maintenir le vide atteint après la phase de descente en pression. La réduction de l'énergie consommée par ces systèmes de pompage a un impact significatif dans l'économie d'énergie électrique globale d'une unité de fabrication de semiconducteurs. On connaît des arrangements permettant de réduire la consommation d'énergie globale d'un dispositif de pompage en utilisant une pompe à vide primaire sèche s principale et une pompe à vide auxiliaire connectée au refoulement de la pompe à vide principale. On a ainsi proposé d'ajouter une pompe à vide auxiliaire à la pompe à vide sèche multiétagée principale d'un dispositif de pompage. La pompe à vide sèche principale, par exemple de type "Roots", comporte un premier étage de compression reliée à une chambre de procédé par une canalisation d'aspiration et un dernier étage de to compression dont l'orifice de refoulement est relié à une conduite comportant un clapet anti-retour. L'orifice d'aspiration de la pompe à vide auxiliaire est connecté à l'étage terminal de la pompe à vide principale du dispositif et peut être montée parallèlement au clapet anti-retour. La pompe à vide auxiliaire est une pompe à vide primaire du type "Gede", "Scroll", à piston ou à membrane. 15 Néanmoins la pompe à vide auxiliaire consomme une énergie électrique qui n'est pas négligeable, ce qui limite l'intérêt de cette proposition. L'utilisation d'une pompe à vide auxiliaire présente des risques au point de vue de sa fiabilité qui n'est pas toujours garantie et de sa détérioration au contact de gaz corrosifs. La présente invention a pour but de proposer un dispositif de pompage, 20 comportant une pompe à vide, dont la consommation électrique est moindre que dans les dispositifs connus. L'invention a aussi pour but de proposer un procédé de pompage d'une enceinte à vide permettant de réduire la consommation électrique d'une pompe à vide primaire sèche de façon substantielle (par exemple d'au moins 50%) et dans un laps de 25 temps très court (par exemple de 3 secondes à 7 secondes). L'invention a encore pour but de proposer un dispositif de pilotage du procédé de pompage permettant une diminution sensible de la consommation électrique d'une pompe à vide primaire sèche. L'objet de la présente invention est un dispositif de pompage d'une enceinte à vide comportant - une pompe à vide comprenant une entrée communiquant avec l'enceinte à vide par un premier conduit portant une vanne d'isolation, et une sortie communiquant avec un deuxième conduit, - un clapet anti-retour placé sur le deuxième conduit, un troisième conduit reliée au deuxième conduit en un point situé entre la pompe à vide et le clapet anti-retour et portant une première électro-vanne, un quatrième conduit reliée au premier conduit en un point situé entre la pompe à vide et l'enceinte à vide et portant une deuxième électro-vanne, un réservoir dont l'entrée communique avec le troisième conduit et la sortie communique avec le quatrième conduit. Selon un aspect, la pompe à vide est une pompe à vide primaire sèche multiétagée de type Roots. 10 Selon un autre aspect, le réservoir a un volume intérieur qui est le double du volume compris entre la sortie de la pompe à vide, le clapet anti-retour et la première électro-vanne. Un autre objet de l'invention est un procédé de pompage, au moyen dispositif de pompage précédemment décrit, comprenant les étapes suivantes 15 - on ferme la vanne d'isolation, la première électro-vanne et la deuxième électro-vanne, - on met en marche la pompe à vide, - on ouvre la vanne d'isolation montée sur le premier conduit qui met en communication l'enceinte à vide et la pompe à vide, - on pompe les gaz contenus dans l'enceinte à vide au moyen de la pompe à vide 20 jusqu'à atteindre en front montant une valeur de consigne d'un paramètre représentatif de la vitesse de rotation de la pompe à vide, - on ouvre la deuxième électro-vanne afin de pomper les gaz contenus dans le réservoir jusqu'à atteindre la pression limite de fonctionnement de la pompe à vide, - on ferme la vanne d'isolation, la pompe continuant à fonctionner à vitesse décroissante 25 jusqu'à ce que la valeur de consigne d'un paramètre représentatif de la vitesse de rotation de la pompe à vide soit atteinte en front descendant, - on ferme la deuxième électro-vanne et on ouvre la première électro-vanne pour détendre le volume gazeux dans le réservoir, - après une durée fixée, on referme la première électro-vanne. 30 Selon un aspect, le paramètre représentatif de la vitesse de rotation de la pompe à vide est la fréquence de rotation du moteur de la pompe. Selon un autre aspect, la durée d'ouverture de la première électro-vanne est comprise entre 3 secondes et 7 secondes. Afin de s'affranchir des inconvénients de l'art antérieur, on propose donc de réduire la consommation d'énergie électrique d'une pompe à vide en abaissant la pression dans l'étage final de compression à l'aide d'un réservoir permettant de stocker un volume gazeux sans consommation d'énergie électrique. L'invention a comme avantage que la mise en communication fluidique de la pompe à vide avec le réservoir ne va nécessiter que quelques secondes de fonctionnement pour permettre de remplir de gaz le réservoir, le fonctionnement en mode « basse consommation » de la pompe à vide pouvant se maintenir indéfiniment tant que la pompe à vide n'est pas réalimentée avec un nouvel afflux gazeux. 10 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation, donné bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel - la figure 1 illustre un mode de réalisation du dispositif de pompage, 15 - la figure 2 illustre symboliquement les positions successives prises par les vannes en fonction du temps t, porté en abscisse, exprimé en phases du procédé de pompage, - la figure 3 illustre la variation de la fréquence F en Hertz du moteur de la pompe à vide en fonction du temps t porté en abscisse exprimé en phases du procédé 20 de pompage, - la figure 4 illustre les résultats expérimentaux obtenus en l'absence du dispositif de pompage, - la figure 5 illustre les résultats expérimentaux obtenus en présence du dispositif de pompage. 25 Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, une enceinte à vide 1 étanche, destinée à mener des opérations à très basse pression, de l'ordre de 10'1 mbar, comporte une sortie reliée par un premier conduit 2 à l'entrée 3a de l'étage d'aspiration 30 d'une pompe à vide 3 dont la sortie 3b débouche dans un deuxième conduit 4 menant vers l'extérieur ou vers une installation de traitement des gaz. L'enceinte à vide 1 peut être notamment un sas de chargement ou une chambre de transfert. La pompe à vide 3 est de préférence une pompe à vide primaire sèche; par exemple une pompe à vide de type « Roots » multi-étagée. La pompe à vide 3 est avantageusement équipée d'un variateur de vitesse qui peut notamment régler la vitesse de rotation du moteur à une vitesse réduite, par exemple autour de 40-50 Hz, dite en régime « stand-by » ou en mode « basse consommation ». La puissance électrique consommée est alors modérée, de l'ordre de 1,5KW par exemple pour une pompe à vide de type "Roots" multi-étagée, et peut être maintenue sur une longue durée. Le régime « stand-by » est utilisée en particulier lors de cycles répétitifs de pompage/remise à pression atmosphérique dès que la pression dans l'enceinte à vide à atteint la pression de travail, par exemple mbar, autorisant le transfert du substrat vers la chambre de procédé. Le variateur de vitesse peut aussi régler la vitesse de rotation du moteur de la pompe à vide 3 à une vitesse plus rapide dite en régime « boost », par exemple autour de 75-100 Hz, qui est utilisée à certains moments pendant une durée fixée par l'utilisateur pour absorber un afflux gazeux. La puissance électrique nécessaire à la pompe à vide 3 augmente rapidement jusqu'à atteindre une puissance électrique 15 maximale. Selon une variante non représentée, a pompe à vide 3 peut être raccordée à une autre pompe à vide primaire sèche, par exemple de type « Roots », qui est elle-même reliée à la sortie de l'enceinte à vide 1. Une vanne d'isolation 5 est placée entre la sortie de l'enceinte à vide 1 et 20 l'entrée de la pompe à vide 3. Cette vanne d'isolation 5 permet d'isoler l'enceinte à vide 1 de la pompe à vide 3. La pompe à vide 3 aspire par le premier conduit 2 les gaz contenus dans l'enceinte à vide 1 et les comprime pour les refouler dans le deuxième conduit 4 à travers un clapet anti-retour 6 de refoulement. Le clapet anti-retour 6 de refoulement évite toute remontée de pression, de l'atmosphère vers l'orifice de sortie des 25 gaz de la pompe à vide 3, notamment lors de l'arrêt de la pompe à vide Un troisième conduit 7 est monté en dérivation entre la sortie de la pompe à vide 3 et le clapet anti-retour 6. Le troisième conduit 7 porte une première électro-vanne 8. Le troisième conduit 7 relie le deuxième conduit 4 en sortie de la pompe à vide 3 à l'entrée d'un réservoir 9 pouvant accueillir un volume de gaz. Un quatrième 30 conduit 10 relie la sortie du réservoir de gaz 9 au premier conduit 2 relié à l'étage d'aspiration de la pompe à vide 3. Le quatrième conduit 10 porte une deuxième électro-vanne 11. Le réservoir 9 est ainsi monté parallèlement à la pompe à vide 3. Un volume 12 se trouve limité par la sortie 3b de la pompe à vide 3, le clapet anti-retour 6 et la première électro-vanne 8. Les figures 2 et 3 illustrent le déroulement du procédé de pompage permettant des économie d'énergie électrique, par exemple au moyen de l'installation de la figure 1. La figure 2 illustre l'état séquentiel de la position des vannes 5, 8, 11 au cours du déroulement du procédé. La figure 3 illustre l'évolution de la fréquence f déterminant la s vitesse de rotation du moteur de la pompe à vide 3 pendant le déroulement du procédé en fonction du temps t exprimé en phases. Dans la position de départ, les vannes qui sont la vanne d'isolation 5, la première électro-vanne 8 et la deuxième électro-vanne 11 sont fermées (position Vf, EV1f et EV2f respectivement). La pompe à vide 3 est mise en marche en 10 régime « stand-by », ce qui constitue une première phase A du procédé. L'ouverture de la vanne d'isolation 5 (passage de la position Vf à la position Vo au point 20) démarre le pompage de l'enceinte à vide 1 par la pompe à vide 3 dans une deuxième phase B. Un afflux massif de gaz provenant de l'enceinte à vide 1 crée une surcharge en pression de la pompe à vide 3 qui est détectée dès l'ouverture 20 de la 15 vanne d'isolation 5. Cette surcharge est détectée par le variateur de vitesse qui passe en régime « boost », augmentant la fréquence, ce qui conduit à une accélération de la vitesse de rotation du moteur de la pompe à vide 3. Lorsqu'une valeur de consigne S de la fréquence (par exemple 75Hz) représentative de la vitesse de rotation du moteur de la pompe à vide 3 est atteint en 20 front montant (point 30), la deuxième électro-vanne 11 s'ouvre (passage de la position EV2f à la position EV2o au point 21) sous l'action du contact inverseur du variateur de vitesse de la pompe à vide 3, permettant de vider le réservoir 9 par le quatrième conduit 10 du gaz qu'il contient, pendant une troisième phase C. La vitesse de rotation du moteur de la pompe à vide 3 se stabilise à sa vitesse maximale, et le 25 pompage se poursuit jusqu'à atteindre la pression définie par l'utilisateur. Une fois le vide établi dans l'enceinte à vide 1, la vanne d'isolation 5 est fermée (passage de la position Vo à la position Vf au point 22) et la vitesse de rotation du moteur de la pompe à vide 3 commence à décroître. Lorsque la valeur de consigne S de la fréquence est de nouveau atteint en front 30 descendant (point 31), la deuxième électro-vanne Il est fermée (passage de la position EV2o à la position EV2f au point 23) pendant que la première électro-vanne 8 s'ouvre (passage de la position EV1f à la position EV10 au point 24) et la vitesse de rotation du moteur de la pompe à vide 3 continue à décroître. L'ouverture de la première électro-vanne 8 (point 24) permet de détendre le gaz contenu dans le volume 12, compris entre la sortie 3b de la pompe à vide 3, le clapet anti-retour 6 et la première électro-vanne 8, dans le réservoir 9. L'ouverture de la première électro-vanne 8 enclenche une temporisation 26 qui détermine la durée de la quatrième phase D. Ce temps d'ouverture 26 est très bref, compris entre 3 secondes et 7 secondes par exemple, en fonction du volume du réservoir 9 et du diamètre et de la longueur du conduit 7. Ce temps d'ouverture 26 est le temps nécessaire pour permettre le rééquilibrage de la pression du gaz entre le volume 12 et le réservoir 9, La première électro-vanne 8 est ensuite fermée (passage de la position EV10 à la position EV1f au 10 point 25). La vitesse de rotation du moteur de la pompe à vide 3 passe alors en régime « stand by » pendant une dernière phase analogue à la première phase A, permettant ainsi d'assurer un gain complémentaire en puissance consommée. La détente de la pression dans le volume 12 permet d'abaisser la pression en sortie de la pompe à vide 3, compensant de ce fait le surcroît de puissance électrique 15 nécessaire à la compression des gaz à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique pour assurer l'ouverture du clapet anti-retour. Durant la période de temps 27 recouvrant les phases D et A où la vitesse de rotation du moteur de la pompe à vide 3 est réduite, c'est-à-dire en mode « stan by », on comprend que des économies d'énergie électrique sont réalisées. Ce procédé permet d'abaisser la 20 puissance électrique consommée par la pompe à vide 3 dans la zone optimale du pompage, c'est-à-dire à la fin de la troisième phase C du pompage à grande vitesse, et non pas durant tout le cycle de pompage. Si le volume intérieur du réservoir 9 est le double du volume contenu dans le volume 12 compris entre l'orifice de sortie 3b des gaz de la pompe à vide 3, le clapet 25 anti-retour 6 et la première électro-vanne 8, la puissance électrique consommée par la pompe à vide 3 pendant cette période 27 sera réduite des deux tiers (fig.3A). Le volume 12 compris entre la sortie 3b de la pompe à vide 3, le clapet anti-retour 6 et la première électro-vanne 8 est minimisé par conception, ceci afin de permettre de diminuer la taille du réservoir 9 et de raccourcir la durée nécessaire au vidage ou 30 remplissage du réservoir 9. Les figures 4 et 5 illustrent l'efficacité du dispositif de pompage en matière d'économie d'énergie électrique. On retrouve en abscisse sur les figures 4 et 5 les différentes phases A, B, C et D du déroulement du procédé de pompage précédemment décrit. Sur la figure 4, on a porté le courant I (courbe 40), la fréquence F (courbe 41) et la puissance P (courbe 42) en fonction du temps t exprimé en phases du procédé de pompage. La table 1 donne les valeurs mesurées de courant 1, de fréquence F et de puissance P lors des phases en régime « boost » et « stand by » sans le dispositif. Table 1 Régime Puissance P (kW) Fréquence F (Hz) Courant I (A) « boost » 12,04 80 21,9 « stand by » 5,2 40 21,7 Sur la figure 5, on a porté le courant 1 (courbe 50), la fréquence F (courbe 51) et la puissance P (courbe 52) en fonction du temps t exprimé en phases du procédé de pompage. La table 2 donne les valeurs mesurées de courant!, de fréquence F et de puissance P lors des phases en régime « boost » et « stand by » avec le dispositif. Table 2 Régime Puissance P (kW) Fréquence F (Hz) Courant 1 (A) « boost » 12,08 80 22,1 « stand by » 1,54 40 9,2 En régime « stand by », la phase A, la puissance consommée par la pompe sans dispositif est de 5.2 kW (fig.4).La puissance consommée parla pompe chute à 1.54 kW avec le dispositif (fig.5), ce qui représente une économie de 30 % sur la puissance consommée. L'évolution du courant du moteur de la pompe suit bien évidemment l'évolution de la puissance. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais elle est susceptible de variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention. En particulier, on pourra sans sortir du cadre de l'invention modifier le nombre de vannes, la longueur des conduits, la valeur des différents volumes, etc... du dispositif, ainsi que la durés des phases, la valeur de consigne du paramètre représentatif de la vitesse de pompage, le choix de ce paramètre, etc... dans le procédé. REVENDICATIONS1. Dispositif de pompage d'une enceinte à vide (1) comportant une pompe à vide (3) comprenant une entrée (3a) communiquant avec l'enceinte à vide (1) par un premier conduit (2) portant une vanne d'isolation (5), et une sortie (3b) 5 communiquant avec un deuxième conduit (4), un clapet anti-retour (6) placé sur le deuxième conduit (4), un troisième conduit (7) reliée au deuxième conduit (4) en un point situé entre la pompe à vide (3) et le clapet anti-retour (6) et portant une première électro-vanne (8), un quatrième conduit (10) reliée au premier conduit (2) en un point situé entre la pompe à vide (3) et l'enceinte à vide (1) et portant une deuxième électro-vanne (11), un réservoir (9) dont l'entrée communique avec le troisième conduit (7) et la sortie communique avec le quatrième conduit (10). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la pompe à vide est une pompe à vide primaire sèche multiétagée de type Roots. 15 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le réservoir (9) a un volume intérieur qui est le double du volume (12) compris entre la sortie (3b) de la pompe à vide (3), le clapet anti-retour (6) et la première électro-vanne (8). 4. Procédé de pompage au moyen d'un dispositif de pompage selon l'une des revendications précédentes, comprenant : 20 - on ferme la vanne d'isolation (5), la première électro-vanne (8) et la deuxième électro-vanne (11), - on met en marche la pompe à vide (3), - on ouvre la vanne d'isolation (5) montée sur le premier conduit (2) qui met en communication l'enceinte à vide (1) et la pompe à vide (3), 25 - on pompe les gaz contenus dans l'enceinte à vide (1) au moyen de la pompe à vide (3) jusqu'à atteindre en front montant une valeur de consigne S d'un paramètre représentatif de la vitesse de rotation de la pompe à vide (3), - on ouvre la deuxième électro-vanne (11) afin de pomper les gaz contenus dans le réservoir (9) jusqu'à atteindre la pression limite de fonctionnement de la pompe à vide (3), 9- on ferme la vanne d'isolation (5) , la pompe (3) continuant à fonctionner à vitesse décroissante jusqu'à ce que la valeur de consigne S d'un paramètre représentatif de la vitesse de rotation de la pompe à vide (3) soit atteinte en front descendant, - on ferme la deuxième électro-vanne (11) et on ouvre la première électro-vanne (8) pour détendre le volume gazeux dans le réservoir (9), - après une durée fixée, on referme la première électro-vanne (8). 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le paramètre représentatif de la vitesse de rotation de la pompe à vide (3) est la fréquence de rotation du moteur de la pompe (3). 10 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel la durée d'ouverture de la première électro-vanne (8) est comprise entre 3 secondes et 7 secondes.