Brevet FR3127531A1 — publié le 20230331

Pompe à vide (1) turbomoléculaire comportant au moins une tige chauffante (20) comportant au moins une partie de maintien (20a) et une partie chauffante (20b) par effet Joule lorsque la tige chauffante (20) est alimentée électriquement, la partie de maintien (20a) formant une gaine des fils électriques d’alimentation de la partie chauffante (20b), au moins un conduit de connectique (21) étant ménagé au moins en partie dans un stator haute pression (19) de la pompe à vide (1) pour le passage de la partie de maintien (20a), la partie chauffante (20b) étant reçue le long d’au moins une rainure hélicoïdale (14) du stator haute pression (19). Figure d’abrégé : figure 1 Pompe à vide turbomoléculaire Domaine technique de l’invention La présente invention concerne une pompe à vide turbomoléculaire. Arrière-plan technique La génération d’un vide poussé dans une enceinte nécessite l'utilisation de pompes à vide turbomoléculaires composées d'un stator dans lequel un rotor est entraîné en rotation rapide, par exemple une rotation à plus de quatre-vingt-dix mille tours par minute. Dans certains procédés dans lesquels les pompes à vide turbomoléculaires sont utilisées, tels que les procédés de fabrication de semi-conducteurs ou LED, une couche de dépôt peut se former dans la pompe à vide. Il est connu de chauffer le stator par une ceinture externe chauffante pour éviter la condensation des produits de réaction dans les pompes. Cependant, les nouvelles générations de procédés produisent de plus en plus de sous-produits condensables. Dans certains cas, le chauffage classique ne suffit plus à éviter la formation de sous-produits et il n’est pas possible d’augmenter davantage la température du stator sans risquer de fragiliser mécaniquement le rotor en aluminium. Des dépôts peuvent alors apparaître sur le stator de l’étage de compression haute pression, dit Holweck, où les jeux fonctionnels avec le rotor de quelques dixièmes de millimètres sont relativement faibles, le rotor étant peu exposé car sa rotation empêche l’adhésion des dépôts. Si aucune maintenance préventive n’est faite, le dépôt peut s’épaissir et un contact peut se créer entre le rotor et le stator, entrainant un crash immédiat de la pompe du fait de la grande vitesse de rotation du rotor et de son énergie cinétique. Une telle destruction de la pompe à vide dans une fabrication de semi-conducteur peut conduire, en plus de la destruction complète de la pompe, à la destruction du lot de plaquettes en cours de fabrication et une immobilisation de l’équipement de fabrication sur plusieurs jours. Les pertes financières peuvent être considérables. Afin de limiter les risques d’accumulation des dépôts dans ces jeux critiques, une solution pourrait être de chauffer l’étage de compression Holweck à des températures supérieures à 200°C, telles que 300°C ou 400°C, de manière rapide, c’est-à-dire dans un temps inférieur à deux minutes, pour ne pas échauffer l’ensemble du corps de la pompe, avec le minimum d’inertie thermique, en chauffant principalement le dépôt condensable sans chauffer le stator ou le rotor et en évitant de créer des zones froides dans l’étage de compression Holweck. Le document FR3101115A1 propose ainsi d’agencer un dispositif de chauffage sous vide, dans le chemin des gaz pompés pour mieux localiser le chauffage à l’intérieur de la pompe à vide. Le dispositif de chauffage comprend des résistances chauffantes et des couches isolantes interposées entre le stator Holweck et les résistances chauffantes. Les résistances chauffantes peuvent être alimentées ponctuellement, par exemple une seconde à 500°C, pour ne pas surchauffer le rotor. Ces températures élevées des éléments chauffants permettent de volatiliser ou décomposer les produits de réaction solides qui se sont déposés sur les éléments chauffants ou proche des éléments chauffants, sans pour autant chauffer le rotor. Toutefois, cette technologie nécessitant notamment le dépôt de couches isolantes sur le stator peut s’avérer complexe à réaliser et donc couteuse. Par ailleurs, l’alimentation électrique des éléments chauffants disposés sous vide, dans le chemin d’écoulement des gaz de la pompe à vide turbomoléculaire, peut également s’avérer difficile à réaliser. En effet, les gaines des câbles électriques, l’étain des soudures, voire la résine de protection de la soudure, peuvent être endommagés par l’échauffement infrarouge sous vide produit par les éléments chauffants. Un des buts de la présente invention est de proposer une pompe à vide turbomoléculaire résolvant au moins partiellement un inconvénient de l’état de la technique. A cet effet, l’invention a pour objet une pompe à vide turbomoléculaire comportant un stator et un rotor configuré pour tourner dans le stator, des rainures hélicoïdales étant ménagées dans un stator haute pression du stator en regard d’une jupe Holweck du rotor, caractérisée en ce que la pompe à vide comporte en outre au moins une tige chauffante comportant au moins une partie de maintien et une partie chauffante par effet Joule lorsque la tige chauffante est alimentée électriquement, la partie de maintien formant une gaine des fils électriques d’alimentation de la partie chauffante, au moins un conduit de connectique étant au moins en partie ménagé dans le stator haute pression pour le passage de la partie de maintien, la partie chauffante étant reçue le long d’au moins une rainure hélicoïdale du stator haute pression. En fonctionnement, les parties chauffantes rayonnent dans l’infrarouge à des températures supérieures ou égales à 200°C dans le chemin de pompage des gaz lorsqu’elles sont alimentées électriquement. Les surfaces internes de la pompe à vide dans le chemin des gaz pompés, en général réfléchissantes, réfléchissent la chaleur rayonnée en l’absence de dépôt tandis que les dépôts, en général en matériau organique et de plus forte émissivité, supérieure à 0,5, absorbent la chaleur. Les dépôts absorbent donc plus de chaleur et leur température s’élève plus que les parois de la pompe à vide. La chaleur réfléchie par les parois internes de la pompe à vide revient en outre sur les parties chauffantes des tiges chauffantes ou sur les dépôts. Les dépôts chauffés à haute température peuvent alors être évaporés et entrainés sous forme gazeuse vers l’orifice de sortie sans surchauffe du rotor ou des parois internes du stator. Dès que l’épaisseur du dépôt est suffisamment faible pour ne plus absorber les rayonnements infrarouges, ceux-ci sont réfléchis par les parois de la pompe à vide. L’élimination des dépôts peut donc être réalisée de manière automatique, sans pilotage ou cyclage du chauffage qui peut rester à haute température. Le chauffage est en outre ciblé et donc efficace, sans être nuisible pour l’intégrité du rotor. L’agencement des parties chauffantes des tiges chauffantes dans les rainures hélicoïdales permet de réchauffer les dépôts par rayonnement et de les évaporer bien avant l’échauffement du stator haute pression. Les parties chauffantes des tiges chauffantes sont en outre situées du côté haute pression du stator de la pompe à vide dans la direction de circulation des gaz, c’est à dire dans un emplacement où la pression est la plus élevée et où le risque de dépôt est plus grand. Les parties chauffantes prennent peu de place dans les rainures hélicoïdales et ne perturbent pas le pompage moléculaire du fait qu’elles suivent la courbure des rainures hélicoïdales. Seules les parties chauffantes chauffent dans la zone dans laquelle circulent les gaz pompés. Les parties de maintien reçues dans les conduits de connectique ne sont pas chauffées et ne sont donc pas susceptibles d’entrainer la fonte ou l’endommagement des fils électriques d’alimentation du fait des hautes températures. Il est alors possible de garantir une bonne tenue mécanique du stator haute pression et une isolation thermique suffisante pour permettre aux tiges chauffantes de monter en température et de rayonner dans le chemin d’écoulement des gaz pompés. La pompe à vide turbomoléculaire peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques qui sont décrites ci-après, prises seules ou en combinaison. La pompe à vide comporte par exemple entre une et douze tiges chauffantes. Chaque tige chauffante est formée d’au moins une partie de maintien à une extrémité, accolée à une partie chauffante. La partie de maintien est « non chauffante », c’est-à-dire qu’elle est configurée pour présenter une température inférieure à 150°C lorsque la tige chauffante est alimentée électriquement. La partie chauffante comporte une résistance électrique configurée pour présenter une température de surface supérieure ou égale à 200°C lorsque la tige chauffante est alimentée électriquement. Les tiges chauffantes comportent par exemple une gaine réalisée dans un matériau résistant aux gaz pompés potentiellement corrosifs, tel qu’une gaine en alliage, tel qu’en acier inoxydable ou une gaine en nickel. Les fils électriques d’alimentation peuvent être uniquement reliés d’un côté de la tige chauffante, du côté de la partie de maintien. L’extrémité de la partie chauffante est alors laissée libre, ou autrement dit, n’est pas reliée électriquement, la résistance électrique formant une boucle dans la gaine reliée aux fils électriques d’alimentation du côté de la partie de maintien. En solution alternative, les fils électriques d’alimentation peuvent être reliés deux côtés de la tige chauffante, chaque extrémité de la tige chauffante comportant une partie de maintien. Dans ce cas, seule la partie chauffante centrale peut chauffer avec efficacité son environnement par rayonnement infrarouge. Le(s) conduit(s) de connectique est/sont par exemple ménagé(s) dans une extrémité du stator haute pression, par exemple sur un pourtour annulaire plan du stator haute pression, par exemple du côté de l’entrée du stator haute pression où entrent les gaz à pomper. Lorsqu’il y a plusieurs conduits de connectique, ils sont par exemple régulièrement répartis sur la périphérie de cette extrémité du stator haute pression. Selon un exemple de réalisation, la pompe à vide comporte au moins autant de tiges chauffantes que le stator haute pression comporte de rainures hélicoïdales, au moins une partie chauffante étant reçue dans une rainure hélicoïdale associée respective. Selon un autre exemple de réalisation, la partie chauffante est reçue le long d’au moins deux rainures hélicoïdales. La partie chauffante s’étend de préférence au-delà de la rainure hélicoïdale du stator haute pression, dans un espace annulaire de refoulement situé entre une sortie du stator haute pression et un orifice de refoulement de la pompe à vide et/ou dans un étage turbomoléculaire de la pompe à vide. Il est alors possible de chauffer également l’espace annulaire de refoulement et/ou l’étage turbomoléculaire, par rayonnement radiatif. La pompe à vide peut également comporter au moins une tige chauffante additionnelle comportant au moins une partie de maintien et une partie chauffante par effet Joule lorsque la tige chauffante additionnelle est alimentée électriquement, la partie de maintien formant une gaine des fils électriques d’alimentation de la partie chauffante. La partie de maintien de la tige chauffante additionnelle est située dans au moins un conduit de connectique, la partie chauffante étant reçue dans l’espace annulaire de refoulement situé entre une sortie du stator haute pression et un orifice de refoulement de la pompe à vide et/ou dans un étage turbomoléculaire de la pompe à vide. On prévoit par exemple que les parties de maintien d’au moins une tige chauffante et d’au moins une tige chauffante additionnelle soient reçues dans un même conduit de connectique. Une gorge peut être ménagée dans un fond de la rainure hélicoïdale pour recevoir la partie chauffante. La tige chauffante peut être préformée à la forme d’un conduit de connectique et d’une rainure hélicoïdale associée. Les tiges chauffantes comportent par exemple des résistances formables à froid. La tige chauffante peut ainsi n’être reliée que par quelques zones d’accroches au stator haute pression (deux ou trois) et ne conduire la chaleur que très peu par conduction au profit du rayonnement infrarouge. Le stator peut en outre comporter une première plaque de fixation annulaire fixée à une extrémité du stator haute pression dans laquelle est ménagé au moins en partie le conduit de connectique, pour fermer le(s) conduit(s) de connectique et retenir la(es) partie(s) de maintien, le(s) conduit(s) de connectique étant ménagé(s) dans l’extrémité du stator haute pression fermée par la première plaque de fixation et/ou dans la première plaque de fixation. Le stator peut en outre comporter une deuxième plaque de fixation annulaire, fixée à l’extrémité opposée du stator haute pression, pour retenir l’(es) extrémité(s) de la (des) partie(s) chauffante(s) ou une(des) autre(s) partie(s) de maintien. L’autre partie de maintien est située à l’autre extrémité de la tige chauffante le cas échéant. Selon un autre exemple, le(s) conduit(s) de connectique est/sont ménagé(s) au moins en partie dans une extrémité du stator haute pression en regard d’un étage d’ailettes du stator, le(s) conduit(s) de connectique étant fermé(s) par une couronne de l’étage d’ailettes et ménagé(s) dans la couronne et/ou dans l’extrémité du stator haute pression. La partie chauffante est de préférence maintenue majoritairement sans contact dans la rainure hélicoïdale du stator haute pression. Pour cela, la pompe à vide peut comporter des entretoises isolantes thermiquement agencées dans la rainure hélicoïdale. En alternative ou en complément, la partie chauffante peut être maintenue dans la rainure hélicoïdale par deux orifices ménagés dans une paroi latérale de la rainure hélicoïdale. Selon un exemple de réalisation, la pompe à vide comporte en outre une amenée de gaz de purge configurée pour injecter un gaz de purge dans le(s)s conduit(s) de connectique. Le gaz de purge est en surpression dans le conduit de connectique par rapport à l’intérieur du stator haute pression, créant ainsi une barrière dynamique pour les gaz pompés. Le conduit de connectique, ainsi situé entre une zone traversée par les gaz pompés potentiellement agressifs et une zone toujours sous vide, peu étanche en soi mais solide mécaniquement et thermiquement, est protégé des gaz pompés potentiellement corrosifs par le flux de gaz de purge le balayant. La(les) partie(s) de maintien de la(des) tige(s) chauffante(s) est(sont) ainsi protégée(s) des gaz pompés et du rayonnement infrarouge. La pompe à vide peut alors comporter des connecteurs étanches classiques, déportés à distance des zones très chaudes. On évite l’utilisation de passages étanches haute température à réaliser autour de la(des) tige(s) chauffante(s) qui nécessiteraient l’utilisation de matériaux susceptibles de supporter des températures élevées pour les garnitures d’étanchéité, jusqu’à 200°C à proximité de la (des) tige(s) chauffante(s), susceptibles de résister aux dilatations thermiques différentielles entre la(es) tige(s) chauffante(s) et le stator haute pression et susceptibles de résister aux agressions des gaz parfois très corrosifs. Toute la connectique peut être purgée tout en empêchant aux gaz pompés d’entrer. L’amenée de gaz de purge comporte par exemple un conduit commun en communication avec un espace annulaire entourant le stator haute pression en communication avec le(s) conduit(s) de connectique. L’espace annulaire entourant le stator haute pression peut également être relié à une gorge annulaire intercalée entre le stator haute pression et un carter haute pression du stator, le carter haute pression entourant le stator haute pression et raccordant le stator haute pression avec l’orifice de refoulement. La gorge annulaire permet le passage du gaz de purge sur toute la circonférence des deux pièces. Comme dans le(s) conduit(s) de connectique, le gaz de purge injecté dans la gorge annulaire est en surpression par rapport à l’espace annulaire de refoulement, créant ainsi une barrière dynamique pour les gaz pompés, permettant d’éviter l’utilisation de garniture d’étanchéité dans la gorge annulaire. L’amenée de gaz de purge peut comporter un conduit additionnel mettant en communication l’espace annulaire avec une gorge de joint d’étanchéité du stator recevant une garniture d’étanchéité. En plus de permettre l’amenée du gaz de purge sur toute la circonférence entre le stator haute pression et le carter haute pression, l’espace annulaire permet d’apporter le gaz de purge dans le conduit additionnel jusqu’à la gorge de joint d’étanchéité. On peut ainsi, à moindre frais, protéger les garnitures d’étanchéité des gaz corrosifs, ce qui permet d’utiliser des matériaux de garniture d’étanchéité moins résistants chimiquement et donc moins couteux. Par ailleurs, les parois internes du stator et les parois du rotor destinées à être en communication avec les gaz pompés présentent par exemple une émissivité inférieure ou égale à 0,2, dite de faible émissivité. Elles sont par exemple métalliques, en matériau aluminium ou acier inoxydable ou présentent un revêtement de faible émissivité comme comprenant du nickel. Les parois peuvent être polies. Ces surfaces de faible émissivité ont pour avantage de réfléchir les rayonnements infrarouges, ce qui permet d’une part d’éviter de chauffer les parois internes du stator et les parois du rotor destinées à être en communication avec les gaz pompés, et d’autre part de concentrer la chaleur sur les dépôts qui en général sont des dépôts organiques présentant une émissivité supérieure à celle des surfaces de faible émissivité. On profite là du fait que les parois du stator et du rotor en communication avec les gaz pompés, en matériau aluminium, acier inoxydable ou acier ou aluminium revêtu sont réalisées dans des matériaux de faible émissivité pour permettre notamment de résister à la corrosion. Ces propriétés de faible émissivité contribuent à éviter le chauffage de la pompe à vide tout en favorisant le chauffage des dépôts indésirables. La pompe à vide turbomoléculaire peut de plus comporter un dispositif de chauffage externe du stator, tel qu’une ceinture résistive chauffante, pour chauffer le stator à une température de consigne, par exemple supérieure à 80°C, telle que 100°C. Le chauffage par les tiges chauffantes est alors complémentaire au dispositif de chauffage externe du stator. La pompe à vide turbomoléculaire peut également comporter un dispositif de refroidissement, pour refroidir notamment les premiers étages d’ailettes de l’étage turbomoléculaire. Le dispositif de refroidissement permet par exemple de contrôler la température à une température inférieure ou égale à 75°C, telle qu’à 70°C, par exemple par circulation d’eau à température ambiante. Brève description des figures 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 : La montre une vue en coupe axiale d’une pompe à vide turbomoléculaire selon un premier exemple de réalisation. La montre une vue en coupe (selon deux plans radiaux) d’éléments de la pompe à vide turbomoléculaire de la avec une première plaque de fixation représentée en pointillés. La montre une vue en coupe axiale des éléments de la avec un détail vu en agrandi. La montre une vue désassemblée des éléments de la . La est une vue en coupe axiale d’une partie de la pompe à vide de la avec un premier et un deuxième détails vus en agrandi. La montre une vue similaire à la pour un deuxième exemple de réalisation. La montre une vue en coupe d’éléments de la pompe à vide turbomoléculaire pour un troisième exemple de réalisation. Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. Pompe à vide (1) turbomoléculaire comportant un stator (2) et un rotor (3) configuré pour tourner dans le stator (2), des rainures hélicoïdales (14) étant ménagées dans un stator haute pression (19) du stator (2) en regard d’une jupe Holweck (13) du rotor (3), caractérisée en ce que la pompe à vide (1) comporte en outre au moins une tige chauffante (20) comportant au moins une partie de maintien (20a) et une partie chauffante (20b) par effet Joule lorsque la tige chauffante (20) est alimentée électriquement, la partie de maintien (20a) formant une gaine des fils électriques d’alimentation de la partie chauffante (20b), au moins un conduit de connectique (21) étant au moins en partie ménagé dans le stator haute pression (19) pour le passage de la partie de maintien (20a), la partie chauffante (20b) étant reçue le long d’au moins une rainure hélicoïdale (14) du stator haute pression (19). Pompe à vide (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pompe à vide (1) comporte au moins autant de tiges chauffantes (20) que le stator haute pression (19) comporte de rainures hélicoïdales (14), au moins une partie chauffante (20b) étant reçue dans une rainure hélicoïdale (14) associée respective. Pompe à vide (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie chauffante (20b) est reçue le long d’au moins deux rainures hélicoïdales (14). Pompe à vide (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la partie chauffante (20b) s’étend au-delà de la rainure hélicoïdale (14) du stator haute pression (19), dans un espace annulaire de refoulement (34) situé entre une sortie du stator haute pression (19) et un orifice de refoulement (7) de la pompe à vide (1) et/ou dans un étage turbomoléculaire (4) de la pompe à vide (1). Pompe à vide (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’une gorge (22) est ménagée dans un fond de la rainure hélicoïdale (14) pour recevoir la partie chauffante (20b). Pompe à vide (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tige chauffante (20) est préformée à la forme d’un conduit de connectique (21) et d’une rainure hélicoïdale (14) associée. Pompe à vide (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le stator (2) comporte une première plaque de fixation (23) annulaire fixée à une extrémité du stator haute pression (19) dans laquelle est ménagé au moins en partie le conduit de connectique (21), pour fermer le conduit de connectique (21) et retenir la partie de maintien (20a). Pompe à vide (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le stator (2) comporte une deuxième plaque de fixation (24) annulaire, fixée à l’extrémité opposée du stator haute pression (19), pour retenir l’extrémité de la partie chauffante (20b) ou une autre partie de maintien (20a). Pompe à vide (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la partie chauffante (20b) est maintenue majoritairement sans contact dans la rainure hélicoïdale (14) du stator haute pression (19). Pompe à vide (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu’elle comporte des entretoises (35) isolantes thermiquement agencées dans la rainure hélicoïdale (14). Pompe à vide (1) selon l’une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que la partie chauffante (20b) est maintenue dans la rainure hélicoïdale (14) par deux orifices ménagés dans une paroi latérale (14a) de la rainure hélicoïdale (14). Pompe à vide (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte une amenée de gaz de purge (27) configurée pour injecter un gaz de purge dans le(s) conduit(s) de connectique (21). Pompe à vide (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l’amenée de gaz de purge (27) comporte un conduit commun (27a) en communication avec un espace annulaire (27b) entourant le stator haute pression (19) en communication avec le(s) conduit(s) de connectique (21). Pompe à vide (1) selon la revendication 13, caractérisée en ce que l’espace annulaire (27b) entourant le stator haute pression (19) est relié à une gorge annulaire (28) intercalée entre le stator haute pression (19) et un carter haute pression (29) du stator (2), le carter haute pression (29) entourant le stator haute pression (19) et raccordant le stator haute pression (19) avec l’orifice de refoulement (7). Pompe à vide (1) selon l’une des revendications 13 ou 14, caractérisée en ce que l’amenée de gaz de purge (27) comporte un conduit additionnel (32) mettant en communication l’espace annulaire (27b) avec une gorge de joint d’étanchéité (30 ; 36) du stator (2) recevant une garniture d’étanchéité (33).