Brevet FR3093544A1 — publié le 20200911

Description Titre de l'invention : Pompe à vide turbomoléculaire et procédé de purge [0001] La présente invention concerne une pompe à vide turbomoléculaire et un procédé de purge de la pompe à vide turbomoléculaire [0002] La génération d'un vide poussé dans une enceinte nécessite l'utilisation de pompes à vide turbomoléculaire, composées (l'un stator dans lequel un rotor est entraîné en rotation rapide, par exemple une rotation à plus de vingt mille tours par minute. [0003] Dans certains procédés dans lesquels les pompes à vide turbomoléculaire sont utilisées, tels que les procédés de fabrication de semi-conducteurs ou de LED, une couche dc dépôt peut se former dans la pompe à vide. Cc dépôt peut cntrainer une restriction dc jeu entre le stator et le rotor pouvant provoquer un grippage du rotor. La couche dc dépôt vient en effet échauffer le rotor par frottement, cc qui peut générer un fluage dc ce dernier puis une fissure éventuelle. [0004] Il est connu de chauffer le stator pour éviter la condensation dc produits de réaction dans la pompe. Cependant, la température de chauffage du stator ne peut généralement pas dépasser 90°C, voire 120°C, afin de préserver la tenue mécanique du rotor. Lc chauffage du stator à ces températures permet effectivement de réduire la formation de dépôts dans la pompe sans toutefois toujours l'empêcher totalement, notamment pour certaines chimies, telles que pour l'AlC13par exemple. [0005] Des maintenances régulières doivent donc être programmées pour nettoyer fré- quemment la pompe à vide. [0006] Un des buts de la présente invention est de proposer une pompe à vide turbomo- léculaire résolvant au moins partiellement au moins un inconvénient dc l'état de la technique. [0007] A cet effet, l'invention a pour objet une pompe à vide turbomoléculaire configurée pour entrainer des gaz à pomper d'une aspiration vers un refoulement, la pompe à vide turbomoléculaire comportant : - un stator comportant au moins un étage d'ailettes et un stator Holweck dans lequel sont ménagées des rainures hélicoïdales, et - un rotor comportant : - au moins deux étages de pales, les étages de pales et les étages d'ailettes se succédant axialement le long d'un axe de rotation du rotor dans un étage turbomoléculaire de la pompe à vide turbomoléculaire, et - une jupe Holweck configurée pour tourner en regard des rainures hélicoïdales du stator dans un étage moléculaire de la pompe à vide turbomoléculaire situé en aval de 2 l'étage turbomoléculaire dans la direction de circulation des gaz pompés, caractérisée en ce que la pompe à vide turbomoléculaire comporte en outre un dispositif d'injection de gaz de purge comprenant au moins un canal ménagé dans le stator et débouchant, par exemple par au moins un trou, entre le rotor et le stator, pour injecter un gaz de purge dans le chemin de passage des gaz pompés, en aval d'au moins un étage de pales du rotor, le dispositif d'injection de gaz de purge étant configuré pour que le débit du gaz de purge injecté soit inférieur à un seuil déterminé afin que la différence entre la pression à l'aspiration sans injection du gaz de purge et avec injection d'un gaz de purge soit inférieure à 0,066 Pa (soit environ 0,5 mTorr). [0008] Les gaz pompés sont ainsi dilués sans ou avec très peu de modifications des per- formances de pompage à l'aspiration de la pompe à vide turbomoléculaire. [0009] Les pressions partielles des gaz condensables peuvent ainsi être abaissées pour rester en-dessous des valeurs de condensation. Cela permet de limiter les risques de dépôt dans la pompe à vide turbomoléculaire et d'allonger la durée entre deux maintenances. [0010] Injecter un gaz de purge en aval d'au moins un étage de pales permet en outre d'éviter la rétrodiffusion du gaz de purge dans l'enceinte à mettre sous vide. [0011] Un autre avantage important est que l'abaissement de la pression partielle des gaz susceptibles de se déposer dans la pompe à vide turbomoléculaire permet d'augmenter le flux de gaz à pomper pour une même température de consigne de chauffage du stator. Il est donc possible d'augmenter le flux des gaz pompés sans risques de dépôts supplémentaires du fait de l'abaissement des pressions partielles et sans risques mécaniques pour le rotor. [0012] La pompe à vide turbomoléculaire peut comporter une ou plusieurs des caracté- ristiques décrites ci-après, prises seules ou en combinaison [0013] Au moins un canal débouche par exemple au niveau de l'étage moléculaire par exemple par au moins un trou. [0014] On prévoit par exemple que le canal débouche dans une partie supérieure du stator Holweck, à l'entrée de l'étage moléculaire. L'axe du canal débouche du stator Holweck à une distance de l'étage turbomoléculaire par exemple inférieure au quart de la hauteur du stator Holweck. L'étage moléculaire peut ainsi être purgé quasiment entièrement. [0015] Le canal peut également déboucher dans une partie inférieure du stator Holweck, à la sortie de l'étage moléculaire, par exemple à une distance de l'étage turbomoléculaire supérieure à la moitié de la hauteur du stator Holweck, notamment pour les applications où un dépôt est constaté dans la moitié inférieure du stator Holweck. [0016] Le débit de gaz de purge injecté est par exemple supérieur ou égal à 0,1689 Pa.m7s (ou 100sccm). [0017] La pompe à vide turbomoléculaire peut comporter en outre un dispositif d'injection 3 additionnel d'un gaz de purge configuré pour injecter un gaz de purge additionnel au niveau des paliers de la pompe à vide turbomoléculaire situés sous la jupe Holweck. Le dispositif d'injection additionnel d'un gaz de purge permet de refroidir le moteur et permet de balayer les éléments de pivoterie de la pompe à vide turbomoléculaire, en particulier les paliers, la connectique électrique, les soudures et les roulements de secours. Le balayage de ces éléments par le gaz de purge additionnel permet de les protéger des gaz pompés potentiellement agressifs. [0018] Par exemple, le dispositif d'injection additionnel d'un gaz de purge comporte une ou plusieurs amenées configurécs pour amener un gaz de purge additionnel dans une cavité recevant une extrémité d'un arbre configuré pour entrainer en rotation le rotor. [0019] Le débit de gaz de purge additionnel est par exemple inférieur au débit de gaz de purge du dispositif d'injection de gaz de purge, tel qu'inférieur ou égal à 0,08446 Pa.m Vs (ou 50 sccm). [0020] Selon un exemple de réalisation, la pompe à vide turbomoléculaire comporte une ca- nalisation commune pour l'amenée du dispositif d'injection additionnel d'un gaz de purge et le canal du dispositif d'injection d'un gaz de purge. On peut ainsi limiter le nombre de raccords à la source de gaz de purge sur la pompe à vide turbomoléculaire. [0021] Le rotor comporte par exemple plus de quatre étages de pales, tel qu'entre quatre et huit étages de pales. [0022] Au moins un canal débouche par exemple au niveau de l'étage turbomoléculaire par exemple par au moins un trou. [0023] Le canal débouche par exemple au niveau d'un des trois derniers étages de pales dans la direction de circulation des gaz pompés. On évite ainsi également les dépôts éventuels dans les derniers étages de compression de l'étage turbomoléculaire. [0024] L'invention a aussi pour objet un procédé de purge d'une pompe à vide turbomo- léculaire telle que décrite précédemment dans lequel le débit du gaz de purge injecté dans le chemin de passage des gaz pompés, en aval d'au moins un étage de pales du rotor, est inférieur à un seuil déterminé pour que la différence entre la pression à l'aspiration sans injection du gaz de purge et avec injection d'un gaz de purge soit inférieure à 0,066 Pa (soit environ 0,5 mTorr). [0025] Le gaz de purge est par exemple de l'azote. [0026] Le seuil déterminé du débit du gaz de purge injecté est par exemple de 0,76 Pa.m7s (soit environ 450 sccm). Présentation des dessins [0027] D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation particulier de l'invention, mais nullement limitatif, ainsi que des dessins annexés sur lesquels: [0028] [fig.1] montre une vue schématique d'une pompe à vide turbomoléculairc selon un premier exemple de réalisation. [0029] [fig.2] montre une vue en coupe axiale de la pompe à vide turbomoléculaire de la figure 1. [0030] [fig.3] montre une vue partielle d'un stator Holweck de la pompe à vide turbomoléculairc de la figure 2. [0031] [fig.4] montre une vue similaire à la figure 2 pour un deuxième exemple de réalisation. [0032] Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. [0033] 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 interchangécs pour fournir d'autres réalisations. [0034] On entend par « en amont », un élément qui est placé avant un autre par rapport au sens de circulation du gaz. A contrario, on entend par « en aval », un élément placé après un autre par rapport au sens de circulation du gaz à pomper, l'élément situé en amont étant à une pression plus basse que l'élément situé en aval. [0035] Les figures 1 et 2 illustrent un premier exemple de réalisation d'une pompe à vide turbomoléculaire 1. [0036] La pompe à vide turbomoléculaire 1 comporte un stator 2 dans lequel un rotor 3 est configuré pour tourner à grande vitesse en rotation axiale, par exemple une rotation à plus de vingt mille tom-s par minute. [0037] La pompe à vide turbomoléculaire 1 comporte un étage turbomoléculaire 4 et un étage moléculaire 5 situé en aval de l'étage turbomoléculaire 4 dans la direction de circulation des gaz pompés provenant d'une aspiration 6 de la pompe à vide turbomoléculaire 1 (représentée par les flèches Fi sur la figure 2). Les gaz pompés entrent par l'aspiration 6, traversent d'abord l'étage turbomoléculaire 4, puis l'étage moléculaire 5, pour être ensuite évacués vers un refoulement 8 de la pompe à vide turbomoléculaire 1. Le refoulement 8 est raccordé à un pompage primaire. [0038] Une bride annulaire d'entrée 7 entoure par exemple l'aspiration 6 pour raccorder la pompe à vide 1 à une enceinte dont on souhaite abaisser la pression. [0039] Dans l'étage turbomoléculaire 4, le rotor 3 comporte au moins deux étages de pales 9 et le stator 2 comporte au moins un étage d'ailettes 10. Les étages de pales 9 et d'ailettes 10 se succèdent axialement le long de l'axe de rotation I-I du rotor 3 dans l'étage turbomoléculaire 4. Le rotor 3 comporte par exemple plus de quatre étages de pales 9, comme par exemple entre quatre et huit étages de pales 9 (six dans l'exemple illustré sur la figure 2). [0040] Chaque étage de pales 9 du rotor 3 comporte des pales inclinées qui partent en direction sensiblement radiale d'un moyeu 11 du rotor 3 fixé à un arbre 12 de la pompe à vide turbomoléculaire 1. Les pales sont réparties régulièrement en périphérie du moyeu 11. [0041] Chaque étage d'ailettes 10 du stator 2 comporte une couronne de laquelle partent, en direction sensiblement radiale, des ailettes inclinées, réparties régulièrement sur le pourtour intérieur de la couronne. Les ailettes d'un étage d'ailettes 10 du stator 2 viennent s'engager entre les pales de deux étages de pales 9 du rotor 3 successifs. Les pales du rotor 3 et les ailettes du stator 2 sont inclinées pour guider les molécules de gaz pompés vers l'étage moléculaire 5. [0042] Dans l'étage moléculaire 5, le rotor 3 comporte une jupe Holweck 13, formée par un cylindre lisse, qui tourne en regard de rainures hélicoïdales 14 d'un stator Holweck 15 du stator 2 (figure 3). Les rainures hélicoïdales 14 du stator 2 permettent de comprimer et guider les gaz pompés vers le refoulement 8 (figure 2). [0043] Le rotor 3 peut être réalisé d'une seule pièce (monobloc) ou il peut être un as- semblage de plusieurs pièces. Il est par exemple en matériau aluminium. Il est fixé à l'arbre 12 entraîné en rotation dans le stator 2 par un moteur 16 interne de la pompe à vide turbomoléculaire 1. Le moteur 16 est par exemple agencé sous une cloche 17 du stator 2, elle-même agencée sous la jupe Holweck 13 du rotor 3. Le rotor 3 est guidé latéralement et axialement par des paliers 18 magnétiques ou mécaniques. La pompe à vide 1 peut également comporter des roulements de secours 19. [0044] Le stator 2 est par exemple en matériau aluminium et réalisé par l'assemblage de plusieurs pièces. [0045] La pompe à vide turbomoléculaire 1 peut également comporter des moyens de contrôle de la température du stator 2 pour chauffer le stator 2 à une température de consigne, notamment inférieure à 120°C, tel que de 90°C. [0046] La pompe à vide turbomoléculaire 1 comporte en outre un dispositif d'injection de gaz de purge 21 comprenant au moins un canal 20 ménagé dans le stator 2 et débouchant entre le rotor 3 et le stator 2, pour injecter un gaz de purge dans le chemin de passage des gaz pompés provenant de l'aspiration 6, en aval d'au moins un étage de pales 9 (figures 2 et 3). [0047] Les pressions partielles des gaz condensables peuvent ainsi être abaissées pour rester en-dessous des valeurs de condensation. Cela permet de limiter les risques de dépôt dans la pompe à vide turbomoléculaire 1 et d'allonger la durée entre deux maintenances. 6 [0048] Injecter un gaz de purge en aval d'au moins un étage de pales 9 permet en outre d'éviter la rétrodiffusion du gaz de purge dans l'enceinte à mettre sous vide. [0049] Un autre avantage important est que l'abaissement de la pression partielle des gaz susceptibles de se déposer dans la pompe à vide turbomoléculaire 1 permet d'augmenter le flux de gaz à pomper pour une même température de consigne de chauffage du stator 2. Il est donc possible d'augmenter le flux des gaz pompés sans risques de dépôts supplémentaires du fait de l'abaissement des pressions partielles et sans risques mécaniques pour le rotor 3. [0050] Le gaz de purge est par exemple de l'air ou de l'azote. Le débit de gaz de purge injecté est par exemple supérieur ou égal à 0,1689 Pa.m,/s (ou 100 sccm). [0051] Le dispositif d'injection de gaz de purge 21 est configure pour que le débit du gaz de purge injecté soit inférieur à un seuil déterminé afin que, en fonctionnement, la différence entre la pression à l'aspiration 6 de la pompe à vide turbomoléculaire 1 sans injection du gaz de purge et avec injection d'un gaz de purge soit inférieure à 0,066 Pa (soit environ 0,5 mTorr). L'injection du gaz de purge dans le chemin de passage des gaz pompés n'engendre ainsi pas ou très peu de modifications des performances de pompage à l'aspiration 6 de la pompe à vide turbomoléculaire 1. [0052] Pour le pompage de gaz de poids intermédiaire, tel que de l'azote, le seuil déterminé du débit du gaz de purge injecté est par exemple 0,76 Pa.mlis (soit environ 450 sccm). [0053] Pour le pompage de gaz plus lourds, tel que de l'argon, le seuil déterminé du débit du gaz de purge injecté est par exemple 1,3512 Pa.mls (soit environ 800 sccm). [0054] Pour le pompage de gaz plus légers, tel que de l'hélium, le seuil déterminé du débit du gaz de purge injecté est par exemple 0,06756 Pa.m7s (soit environ 40 sccm). [0055] Les seuils déterminés du débit du gaz de purge injecté permettent ainsi de ne pas modifier les performances (le pompage à l'aspiration 6 de la pompe à vide turbomoléculaire 1. [0056] On peut prévoir plusieurs canaux 20 ménagés dans le stator 2 débouchant autour du rotor 3 par un ou plusieurs trous, par exemple circulaires. [0057] Le dispositif d'injection de gaz de purge 21 peut en outre comporter au moins un raccord 25 situé à l'entrée du au moins un canal 20 et à l'extérieur du stator 2, pour raccorder le au moins un canal 20 à une source de gaz de purge externe. Le dispositif d'injection d'un gaz de purge 21 peut également comporter un gicleur (ou orifice calibré) ou un contrôleur de débit pour régler le débit de gaz de purge. [0058] Selon un premier exemple de réalisation représenté sur les figures 1 à 3, le canal 20 débouche au niveau de l'étage moléculaire 5. [0059] On prévoit par exemple que le canal 20 débouche dans une partie supérieure du stator Holweck 15, à l'entrée de l'étage moléculaire 5 (figure 3). Par exemple, l'axe du canal 20 débouche du stator Holweck 15 à une distance d de l'étage turbomoléculaire 4 in- 7 férieure au quart de la hauteur du stator Holweck 15 (figure 2). [0060] L'étage moléculaire 5 peut ainsi être purgé quasiment entièrement. [0061] La pompe à vide turbomoléculaire 1 peut également comporter un dispositif d'injection additionnel d'un gaz de purge 22 configure pour injecter un gaz de purge additionnel au niveau des paliers 18 de la pompe à vide turbomoléculaire 1 situés sous la jupe Holweck 13. [0062] Selon un exemple de réalisation, le dispositif d'injection additionnel d'un gaz de purge 22 comporte une ou plusieurs amenées 23, configurées pour amener un gaz de purge additionnel dans une cavité 24 recevant une extrémité de l'arbre 12 entrainant en rotation le rotor 3. Le gaz de purge remonte le long de l'arbre 12 en traversant les roulements de secours 19 le cas échéant, les paliers 18, le moteur 16 et sortent de la cloche 17 du stator 2 pour circuler entre la cloche 17 et la jupe Holweck 13, sous la jupe Holweck 13, jusqu'au refoulement 8 (Flèches F2 sur la figure 2). [0063] Le dispositif d'injection additionnel d'un gaz de purge 22 permet de refroidir le moteur 16 et permet de balayer les éléments de pivoteric de la pompe à vide turbomoléculaire 1, en particulier les paliers 18, la connectiquc électrique, les soudures et les roulements de secours 19. Le balayage de ces éléments par le gaz de purge additionnel permet de les protéger des gaz pompés potentiellement agressifs. [0064] Le débit de gaz de purge additionnel est faible. Il est par exemple inférieur ou égal au débit de gaz de purge du dispositif d'injection de gaz de purge 21, tel que inférieur ou égal à 0,08448 Pa.m3/s (ou 50 sccm). Le dispositif d'injection additionnel d'un gaz de purge 22 peut en outre comporter un gicleur ou un contrôleur de débit pour régler le débit de gaz de purge. [0065] Selon un exemple de réalisation, la pompe à vide turbomoléculaire 1 comporte une canalisation commune pour l'amenée 23 du dispositif d'injection additionnel d'un gaz de purge 22 et le canal 20 du dispositif d'injection d'un gaz de purge 21 de manière à limiter le nombre de raccords à la source de gaz de purge sur la pompe à vide turbomoléculaire 1. Un ou plusieurs gicleurs et/ou une ou plusieurs vannes agencés sur l'amenée 23 et/ou le canal 20 peuvent permettre de différencier le débit de purge du débit de purge additionnel. [0066] En fonctionnement, les gaz de purge dans le chemin de passage des gaz pompés et au niveau des paliers 18 peuvent être injectés en continus. [0067] Ils peuvent en outre être injectés de façon indépendante. En effet, le dispositif d'injection d'un gaz de purge 21 peut comporter une vanne pour stopper/autoriser l'injection d'un gaz de purge. On peut par exemple couper l'injection du gaz de purge dans le chemin de passage des gaz pompés quand les gaz pompés sont sans risques pour la pompe à vide turbomoléculaire 1 tout en laissant une injection de gaz de purge par le dispositif d'injection additionnel d'un gaz de purge 22 au niveau des paliers 18 8 pour leur protection. [0068] La figure 4 illustre un deuxième exemple de réalisation. [0069] Dans cet exemple, le canal 20 débouche au niveau de l'étage turbomoléculaire 4, en aval d'au moins un étage de pales 9. [0070] Lorsque le rotor 3 comporte plus de quatre étages de pales 9, le canal 20 débouche par exemple au niveau d'un des trois derniers étages de pales 9 dans la direction de circulation des gaz pompés Fl. Par exemple et comme représenté sur la figure 4, le canal 20 débouche du stator 2 dans l'étage turhomoléculaire 4 en regard du cinquième étage de pales 9 du rotor 3, c'est-à-dire au niveau du deuxième dernier étage de pales 9 des six étages de pales 9. [0071] On évite ainsi également les dépôts éventuels dans les derniers étages de com- pression de l'étage turhomoléculaire 4. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5]