Pompage rapide d'enceinte avec économie d'énergie

La présente invention concerne les dispositifs de pompage à vide capables d'établir et de maintenir un vide approprié dans une enceinte.

L'établissement d'un vide dans une enceinte est couramment utilisé notamment dans les processus industriels de fabrication de semi-conducteurs, certaines étapes de fabrication devant être exécutées sous vide.

Dans de tels processus, des substrats de semi-conducteur sont amenés dans une chambre de chargement (load lock) raccordée à un dispositif de pompage à vide qui abaisse la pression interne de la chambre de chargement à une valeur satisfaisante pour ensuite transférer les substrats de semi-conducteur dans une chambre de procédé dans laquelle règne le vide approprié pour la fabrication.

On comprend que chaque chargement ou déchargement de substrats nécessite de descendre puis de remonter alternativement la pression gazeuse dans la chambre de chargement, ce qui implique l'intervention fréquente du dispositif de pompage à vide.

On comprend également que l'établissement du vide dans la chambre de chargement n'est pas instantané, et que cela constitue une limite à la vitesse globale du processus de fabrication. Cette limite est d'autant plus sensible lorsque les substrats ont une grande dimension. Tel est le cas, notamment, pour la fabrication des écrans plats de télévision ou d'affichage, la chambre de chargement ayant nécessairement le volume approprié pour contenir un ou plusieurs écrans plats. Par exemple, actuellement, les chambres de chargement utilisées pour la fabrication des écrans plats ont des gros volumes, de l'ordre de 500 à 1 000 litres, qu'il faut donc pomper le plus rapidement possible.

La solution actuellement utilisée pour pomper rapidement de telles chambres de chargement de gros volume est d'utiliser des grosses pompes équipées avec de gros moteurs. Il en résulte que les pompes et les moteurs constituent des éléments encombrants et onéreux, qui consomment une grande quantité d'énergie.

En pratique, les dispositifs connus de pompage comprennent généralement au moins une pompe primaire, placée au refoulement de la ligne de vide, et au moins une pompe secondaire placée à l'aspiration de la ligne de vide c'est-à-dire en sortie de l'enceinte à pomper. La pompe primaire et la pompe secondaire sont connectées en série dans le chemin d'écoulement des gaz pompés, et sont entraînées par deux moteurs électriques alimentés pour tourner à vitesse nominale.

On connaît par ailleurs, par exemple du document US 4,699,570, des dispositifs de pompage à vide comprenant au moins une pompe primaire et une pompe secondaire connectées en série et entraînées par deux moteurs électriques eux-mêmes pilotés par des moyens de commande électroniques. La pompe primaire est pilotée à vitesse constante, et l'on peut interrompre son alimentation en fin de pompage. La pompe secondaire est pilotée à vitesse régulièrement croissante au cours de la descente en pression de l'enceinte, de façon à réduire la consommation d'énergie des pompes.

Le gain en consommation d'énergie obtenu par un tel dispositif est toutefois insuffisant, notamment pour le pompage fréquent d'enceintes de grande dimension et l'invention vise à proposer des moyens permettant de réduire encore la consommation d'énergie, afin de rendre le dispositif applicable au pompage de chambres de gros volume.

Pour cela, l'invention propose un dispositif de pompage à vide, pour la descente en pression d'une enceinte, comprenant au moins une pompe primaire au refoulement et une pompe secondaire à l'aspiration, connectées en série dans le chemin d'écoulement des gaz pompés et entraînées respectivement par un premier moteur électrique et par un second moteur électrique pilotés par un module électronique de contrôle permettant de modifier les vitesses des deux moteurs électriques ; selon l'invention, le module électronique de contrôle comprend des moyens de commande de vitesse qui, au cours d'une procédure de descente en pression de l'enceinte, augmentent progressivement la vitesse de la pompe secondaire selon une loi de variation de vitesse de pompe secondaire, et diminuent progressivement la vitesse de la pompe primaire selon une loi de variation de vitesse de pompe primaire.

Par une telle disposition, lorsque l'enceinte est à pression atmosphérique, en début de pompage, la compression que les pompes doivent réaliser est faible, et l'on peut privilégier la vitesse de pompage en

entraînant la pompe primaire à grande vitesse, l'énergie consommée étant faible, et cette énergie pouvant être réduite encore en faisant tourner la pompe secondaire à faible vitesse.

Lorsque la pression diminue, la pompe secondaire peut progressivement comprimer le gaz dans une zone de pression où la compression n'est pas consommatrice d'énergie, et la pompe secondaire peut alors engendrer un grand débit, sans consommation d'énergie excessive. On met à profit cette possibilité en augmentant progressivement la vitesse de la pompe secondaire. Simultanément, la pompe primaire devient fortement consommatrice d'énergie, car la compression qu'elle doit produire est importante, et il est alors utile de réduire sa vitesse pour réduire l'énergie qu'elle consomme, le débit du système étant maintenu grâce à la participation accrue de la pompe secondaire.

Pour chaque volume, pour chaque débit de pompe, pour chaque période de pompage, on peut trouver une loi optimum de vitesse de chacune des pompes permettant de diminuer la consommation en énergie. Par exemple, on peut prévoir que :

- la loi de variation de vitesse de la pompe secondaire comprend une première étape de croissance lente, suivie d'une seconde étape de croissance rapide elle-même suivie d'une troisième étape de croissance moyenne,

- la loi de variation de vitesse de la pompe primaire comprend une première étape à grande vitesse, suivie d'une seconde étape de décroissance rapide elle-même suivie d'une troisième étape à décroissance lente. Une telle disposition augmente encore l'économie d'énergie.

Selon un mode de réalisation avantageux, la seconde étape de croissance rapide de vitesse de pompe secondaire est simultanée avec la seconde étape de décroissance rapide de vitesse de pompe primaire.

Pour optimiser simultanément la vitesse de pompage, on peut avantageusement prévoir que la vitesse de la pompe secondaire croît depuis une vitesse minimale jusqu'à sa vitesse nominale, tandis que la vitesse de la pompe primaire est initialement à sa vitesse nominale et atteint en fin de procédure de descente en pression une vitesse réduite.

Une optimisation de la vitesse de pompage est obtenue en choisissant une pompe secondaire avec un débit nominal supérieur au débit nominal de la pompe primaire, et en choisissant le rapport des vitesses initiales des deux

pompes au voisinage du ratio des débits nominaux respectifs des pompes secondaire et primaire. Ce ratio peut avantageusement être compris entre 1 0 et 1 5 environ.

Pour augmenter la rapidité de pompage, sans pour autant augmenter le débit nominal des pompes, et donc leur taille et leur volume, on peut avantageusement prévoir que la loi de variation de vitesse de la pompe primaire comprend une première étape à grande vitesse au cours de laquelle la vitesse de la pompe primaire est temporairement augmentée au-delà de sa vitesse nominale. Par exemple, ladite première étape à grande vitesse de pompe primaire comprend une période initiale à vitesse proche de la vitesse nominale suivie d'une période de survitesse à vitesse supérieure à la vitesse nominale.

De manière générale, les lois de variation de vitesses de la pompe primaire et de la pompe secondaire sont choisies de façon à diminuer la consommation énergétique globale.

Une économie supplémentaire d'énergie peut encore être obtenue selon l'invention en prévoyant que les moyens de commande de vitesse, à l'issue de la procédure de descente en pression de l'enceinte, réduisent la vitesse de la pompe secondaire de sa vitesse nominale ou supérieure jusqu'à sa vitesse minimale en récupérant sous forme électrique par le second moteur électrique l'énergie cinétique de la pompe secondaire et en réinjectant cette énergie électrique par le module électronique de contrôle dans le premier moteur électrique pour l'entraînement de la pompe primaire.

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 illustre la structure générale d'un dispositif de pompage à vide selon un mode de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 est un diagramme temporel illustrant les variations des vitesses de pompe primaire et pompe secondaire selon un mode de réalisation de la présente invention ; et

- la figure 3 est un diagramme illustrant les variations de vitesses de pompe primaire et pompe secondaire selon un second mode de réalisation de la présente invention.

On considère tout d'abord le dispositif tel qu'illustré sur la figure 1 .

On veut descendre la pression intérieure gazeuse régnant dans une enceinte 100, afin que la pression baisse le plus rapidement possible et en consommant la plus faible énergie possible. On utilise pour cela un dispositif de pompage à vide selon l'invention, comprenant une pompe primaire 1 et une pompe secondaire 2. La pompe secondaire 2 a son aspiration 2a raccordée à l'enceinte à pomper 100, et refoule à l'aspiration l a de la pompe primaire 1 qui elle-même refoule à la pression atmosphérique. Les pompes 1 et 2 sont ainsi connectées en série dans le chemin d'écoulement des gaz pompés.

La pompe primaire 1 est entraînée par un premier moteur électrique I b, tandis que la pompe secondaire 2 est entraînée par un second moteur électrique 2b.

Les moteurs électriques I b et 2b sont pilotés par un module électronique de contrôle 3 et qui commande leurs vitesses respectives.

Le module électronique de contrôle 3 comprend des moyens de commande de vitesse, comportant une première alimentation I c pilotée pour alimenter le premier moteur 1 b, une deuxième alimentation 2c pilotée pour alimenter le second moteur 2b, un processeur 3a avec une mémoire associée 3b contenant un programme pour piloter les première et seconde alimentations I c et 2c de manière à modifier les vitesses des moteurs électriques 1 b et 2b.

Le programme enregistré dans la mémoire 3b contient des lois de variation des vitesses des pompes, telles que par exemple les lois de variation V/P de vitesses en fonction de la pression illustrées par des courbes A et B sur le diagramme 3c, ou les lois de variation V/t de vitesses en fonction du temps illustrées par des courbes A et B sur le diagramme 3d.

Dans la mise en œuvre d'un dispositif ayant des lois de variation V/t, le programme se déroule en fonction du temps en suivant l'horloge interne du processeur 3a, et en fonction des données du programme, pour reproduire les lois de variation de vitesses illustrées par les courbes A et B du diagramme

3d.

Dans un mode de réalisation comprenant des lois de variation V/P de vitesses en fonction d'une pression telle qu'illustrée sur le diagramme 3c, le dispositif comporte en outre au moins un capteur de pression 100a pour capter la pression dans l'enceinte 100 et pour produire un signal de pression

envoyé au processeur 3a. Le programme peut ensuite générer les lois de variation de vitesses des pompes 1 et 2 en fonction du signal de pression, telles qu'illustrées par les courbes A et B du diagramme 3c.

Les lois de variation de vitesses A et B des pompes 1 et 2, reproduites par le programme enregistré dans la mémoire 3b, sont choisies au préalable par l'utilisateur de façon à diminuer la consommation énergétique globale que le dispositif consomme pour entraîner les pompes 1 et 2 et faire ainsi le vide dans l'enceinte 1 00.

Des lois de variation de vitesses A et B conduisant à une telle économie d'énergie sont illustrées par exemple sur les figures 2 et 3.

Dans le premier mode de réalisation illustré sur la figure 2, on distingue la courbe A qui est la loi de variation de vitesse de la pompe primaire, et la courbe B qui est la loi de variation de vitesse de la pompe secondaire, entre un instant initial tO où l'enceinte 1 00 se trouve à la pression atmosphérique et un instant final tf où l'on a atteint le vide recherché dans l'enceinte 1 00.

Initialement, à l'instant tO, la vitesse de la pompe primaire 1 est à sa vitesse nominale VI n, tandis que la vitesse de la pompe secondaire 2 est à son minimum V2 min. La loi de variation de vitesse B de la pompe secondaire 2 comprend une première étape B l de croissance lente, suivie d'une seconde étape B2 de croissance rapide elle-même suivie d'une troisième étape B3 de croissance moyenne.

La loi de variation de vitesse A de la pompe primaire 1 comprend une première étape Al à grande vitesse, suivie d'une seconde étape A2 de décroissance rapide el le-même suivie d'une troisième étape A3 à décroissance lente.

A l'instant final tf, la vitesse de la pompe secondaire 2 est égale à sa vitesse nominale V2 n, tandis que la vitesse de la pompe primaire 1 a une valeur réduite Vl min.

On peut avantageusement choisir la structure des pompes primaire 1 et secondaire 2 ainsi que leurs vitesses initiales Vl n et V2min de façon appropriée pour optimiser le débit et la consommation. Pour cela, la pompe secondaire 2 peut être choisie avec un débit nominal Q2 supérieur au débit nominal Q l de la pompe primaire 1 . Simultanément, le rapport des vitesses

initiales Vl n/V2min est choisi voisin du ratio K = Q2/Q1 des débits nominaux respectifs des pompes secondaire 2 et primaire 1 .

Une bonne efficacité du gain d'énergie peut être obtenue avec un ratio K compris entre 10 et 15 environ.

Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, la première étape à grande vitesse Al de la loi de variation de vitesse A de la pompe primaire 1 est une étape à vitesse relativement constante et sensiblement égale à la vitesse nominale Vl n de la pompe primaire 1 .

Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, on retrouve des lois de variation de vitesses A de pompe primaire 1 et B de pompe secondaire 2 ayant sensiblement la même allure générale, entre l'instant initial tO et l'instant final tf.

La différence est que, dans ce mode de réalisation de la figure 3, la loi de variation de vitesse A de la pompe primaire 1 comprend une première étape Al à grande vitesse au cours de laquelle la vitesse de la pompe primaire 1 est temporairement augmentée au-delà de sa vitesse nominale VI n.

Par exemple, comme illustré sur le diagramme de la figure 3, la première étape Al à grande vitesse de pompe primaire 1 comprend une période initiale Al 1 à vitesse proche de la vitesse nominale Vl n, suivie d'une période de survitesse Al 2 à vitesse supérieure à la vitesse nominale VI n, la transition entre la période initiale AI l et la période de survitesse Al 2 pouvant se faire par une période transitoire Al 3 d'assez courte durée.

Au cours de la période de survitesse Al 2, la vitesse de la pompe primaire 1 peut par exemple être portée à une vitesse égale à 1 ,5 à 2 fois la vitesse nominale. Le gain obtenu en vitesse de pompage est appréciable, et permet de réduire ensuite plus rapidement la vitesse de la pompe primaire au cours de l'étape A3, ce qui réduit encore la consommation d'énergie.

Sur les figures 2 et 3, sont illustrés des modes de réalisation dans lesquels les lois de variation de vitesses des pompes sont des lois temporelles, la vitesse étant donnée en fonction du temps. Une telle loi de variation de vitesse peut convenir lorsque l'on connaît à l'avance le volume de l'enceinte 100 à pomper. Dans ce cas, le programme génère les lois de variation de vitesses A et B des pompes 1 et 2 en fonction du temps écoulé.

Dans le cas de lois de variation de vitesses en fonction de la pression, comme sur le diagramme 3c de la figure 1 , on peut piloter les pompes avec des lois de variation de vitesses ayant la même allure que les lois A et B des figures 2 ou 3, l'axe horizontal des temps étant remplacé par un axe horizontal des pressions. Ce mode de réalisation sera préféré dans le cas où des enceintes 1 00 de volumes différents doivent être pompées successivement avec un même dispositif de pompage.

Une fois que le vide est atteint dans l'enceinte 1 00, pour repartir dans un cycle de pompage suivant, il faut tout d'abord ralentir la pompe secondaire 2 jusqu'à la vitesse minimale V2min, alors qu'elle est entraînée à sa vitesse maximale qui est supérieure ou égale à sa vitesse nominale V2n. Au cours de cette étape, la pompe secondaire 2 est sous vide, et n'est donc pas freinée sensiblement par les gaz pompés. Or la pompe secondaire 2 tourne à grande vitesse, et possède une énergie cinétique élevée, ce qui rendrait très long son ralentissement naturel. Selon l'invention, on peut récupérer cette énergie cinétique sous forme électrique, et raccourcir la durée du ralentissement, en pilotant de façon appropriée le second moteur électrique 2b pour freiner la pompe secondaire 2 et en réinjectant cette énergie électrique par le module électronique de contrôle 3 dans le premier moteur électrique 1 b pour l'entraînement de la pompe primaire 1 .

L'invention s'applique à des dispositifs de pompage à deux pompes primaire 1 et secondaire 2, par exemple une pompe primaire 1 sèche et une pompe secondaire 2 de type ROOTS.

Les moteurs I b et 2b peuvent être par exemple des moteurs à courant continu ou des moteurs à courant alternatif.

On pourra toutefois appliquer l'invention à des dispositifs de pompage dans lesquels la ligne de pompage comprend des pompes supplémentaires en série et/ou en parallèle avec les pompes primaire 1 et secondaire 2.

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.