FR2863322A3 - PUMPING DEVICE COMPRISING MEANS FOR CONTROLLING THE STATUS OF THE SEAL SEALS OF THE ASPIRE VOLUME - Google Patents
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Abstract
Dispositif de pompage dans lequel un conduit alimente un flux de gaz vers une chambre hermétique entourant le volume aspiré d'une pompe. Le conduit comprend un étrangleur d'écoulement pour limiter le débit du gaz vers la chambre hermétique. Des signaux envoyés par des transducteurs de pression présents de part et d'autre de l'étrangleur d'écoulement sont utilisés pour détecter une fuite de gaz de la chambre hermétique vers le volume aspiré de la pompe, indiquant ainsi l'état du joint d'étanchéité entourant le volume aspiré.Pumping device in which a duct supplies a flow of gas to a sealed chamber surrounding the volume drawn from a pump. The conduit includes a flow restrictor to limit the flow of gas to the sealed chamber. Signals sent by pressure transducers present on either side of the flow restrictor are used to detect gas leakage from the sealed chamber to the pump suction volume, thus indicating the condition of the seal. sealing surrounding the aspirated volume.
Description
DISPOSITIF DE POMPAGEPUMPING DEVICE
COMPORTANT DES MOYENS DE CONTRâLE DE L'ETAT DES JOINTS D'ETANCHEITE I)U VOLUME ASPIRE La présente invention concerne les dispositifs de pompage. The present invention relates to pumping devices. BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to pumping devices.
On connaît les pompes à vide qui sont sans huile dans leurs chambres à vide et qui sont par conséquent utiles dans les environnements propres tels ceux existant dans l'indus-trie de fabrication des semi-conducteurs. Dans ce type d'environnement, si des matériaux lubrifiants étaient présents dans la chambre à vide, ces matériaux pourraient potentiellement rétro-migrer dans la chambre de traitement des semi-conducteurs et, ce faisant, pour-raient provoquer une contamination du produit en cours de fabrication. Ces pompes à vide "sèches" sont souvent des pompes volumétriques multi-étagées utilisant des rotors s'engrenant dans la chambre à vide de chaque étage de la pompe. Les rotors peuvent avoir le même type de profil dans chaque chambre, ou bien le profil peuvent changer d'une cham- bre à l'autre. Vacuum pumps are known which are oil-free in their vacuum chambers and are therefore useful in clean environments such as those existing in the semiconductor manufacturing industry. In this type of environment, if lubricant materials were present in the vacuum chamber, these materials could potentially retro-migrate into the semiconductor processing chamber and, in doing so, could cause contamination of the product being processed. Manufacturing. These "dry" vacuum pumps are often multi-stage volumetric pumps using rotors meshing in the vacuum chamber of each stage of the pump. The rotors can have the same type of profile in each chamber, or the profile can change from one chamber to another.
Que ce soit dans un dispositif de type Roots, à vis ou Northey (à "griffes"), chaque chambre est, de manière type, définie par deux éléments de stator de la pompe usinés séparément, les éléments de rotor de la pompe étant situés dans la cavité définie entre les éléments de stator. Il est nécessaire de prévoir un joint étanche entre les éléments de stator de manière à la fois à empêcher une fuite du gaz de traitement (gaz de "process") aspiré de la cavité et à empêcher de l'air ambiant d'entrer dans la cavité. Un joint torique d'étanchéité est, de manière type, prévu pour accomplir cette fonction d'étanchéité. Ce type de joint d'étanchéité est, de manière type, réalisé en matériau fluoroélastique, tel par exemple le Viton. Whether in a Roots, Screw or Northey ("Claw") type device, each chamber is typically defined by two separately machined pump stator elements, with the pump rotor elements located in the cavity defined between the stator elements. It is necessary to provide a seal between the stator elements so as both to prevent leakage of the process gas ("process" gas) sucked from the cavity and to prevent ambient air from entering the chamber. cavity. An O-ring seal is typically provided for accomplishing this sealing function. This type of seal is, in a typical manner, made of fluoroelastic material, such as for example Viton.
Les pompes à vide sèches sont fréquemment utilisées dans des applications où elles sont réclamées pour pomper des quantités importantes de fluides corrosifs, en particulier des gaz halogénés et des solvants. Ces matériaux attaquent les joints toriques d'étanchéité, avec pour résultat que ces joints deviennent excessivement plastiques ou très cassants, ce qui peut gravement affecter l'intégrité du joint présent entre les éléments de stator. Dry vacuum pumps are frequently used in applications where they are required to pump large quantities of corrosive fluids, especially halogenated gases and solvents. These materials attack the O-rings, resulting in these seals becoming excessively plastic or brittle, which can seriously affect the integrity of the seal between the stator members.
L'intensité de l'attaque sur le joint d'étanchéité dépend de plusieurs variables, parmi lesquelles, par exemple, la nature du fluide pompé, le matériau dans lequel est réalisé le joint torique d'étanchéité, et la température de la pompe. En considération de cela, il est très difficile de prédire l'intervalle approprié pour remplacer les joints et ainsi maintenir l'intégrité de la pompe. L'inspection externe des joints est rarement pratique. The intensity of the attack on the seal depends on several variables, among which, for example, the nature of the pumped fluid, the material in which the O-ring is made, and the temperature of the pump. In view of this, it is very difficult to predict the appropriate interval to replace the seals and thus maintain the integrity of the pump. External inspection of joints is rarely practical.
Ces problèmes sont particulièrement aigus lors du pompage de gaz réactifs, tel le fluor, des équipements de production de semi-conducteurs, où les compositions gazeuses sont modifiées par des réactions dans l'équipement. Dans ce cas, même une connaissance précise des écoulements gazeux admis dans la chambre de fabrication ne permet que de très médiocres prédictions sur la quantité ou la nature du gaz réactif entrant dans la pompe et donc sur la durée de vie utile anticipée pour le joint. Les recommandations en matière de maintenance englobent souvent des vérifications fréquentes des fuites au niveau du joint, mais cela est coûteux, malcommode et, par conséquent, ces recommandations sont souvent ignorées. These problems are particularly acute when pumping reactive gases, such as fluorine, from semiconductor production equipment, where the gaseous compositions are modified by reactions in the equipment. In this case, even a precise knowledge of the gaseous flows admitted into the manufacturing chamber allows only very poor predictions on the quantity or the nature of the reactive gas entering the pump and therefore on the expected service life for the seal. Maintenance recommendations often include frequent leak checks at the joint, but this is expensive, inconvenient and therefore these recommendations are often ignored.
Dans les principes, d'autres types de capteur pourraient être utilisés pour tenter de mesurer le niveau d'exposition intégré des joints et, donc, l'état des joints. Une technique spectroscopique ou chimique pourrait par exemple être utilisée pour mesurer la composi- tion du gaz. Cependant, ces techniques réclameraient des procédures d'étalonnage complexes et seraient coûteuses à mettre en oeuvre. In the principles, other types of sensors could be used to try to measure the integrated exposure level of the joints and, therefore, the state of the joints. For example, a spectroscopic or chemical technique could be used to measure the composition of the gas. However, these techniques would require complex calibration procedures and would be expensive to implement.
Dans pour le moins son mode de réalisation préféré, la présente invention cherche à résoudre ces problèmes ainsi que d'autres. In at least its preferred embodiment, the present invention seeks to solve these and other problems.
La présente invention propose un dispositif de pompage comprenant un volume as- piré de pompe, une chambre hermétique entourant le volume aspiré, un conduit pour fournir un fluide à la chambre, le conduit comprenant un étrangleur d'écoulement pour limiter le débit du fluide vers la chambre, et des moyens pour déterminer une différence de pression de part et d'autre de l'étrangleur d'écoulement. The present invention provides a pumping device comprising a pump suction volume, a hermetic chamber surrounding the aspirated volume, a conduit for supplying a fluid to the chamber, the conduit including a flow restrictor to limit the flow of fluid to the chamber. the chamber, and means for determining a pressure difference across the flow choke.
Des caractéristiques préférées de la présente invention vont maintenant être décrites, uniquement à titre d'exemple, en faisant référence aux dessins annexés, dans lesquels: La Figure 1 est une vue de face d'un élément de stator montrant un ensemble à joint d'étanchéité ; La Figure 2 est une vue latérale de l'ensemble à joint d'étanchéité de la Figure 1; La Figure 3 illustre un dispositif pour surveiller l'intégrité de l'ensemble à joint 30 d'étanchéité ; et La Figure 4 est un graphique montrant la variation avec le temps de la pression d'un gaz dans l'ensemble à joint d'étanchéité. Preferred features of the present invention will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in which: Figure 1 is a front view of a stator member showing a seal assembly; sealing; Figure 2 is a side view of the seal assembly of Figure 1; Figure 3 illustrates a device for monitoring the integrity of the seal assembly; and Figure 4 is a graph showing the variation over time of the pressure of a gas in the seal assembly.
La Figure 1 illustre la surface 3 d'un élément de stator 1 d'un étage d'échappement d'une pompe sèche. Une surface d'un deuxième élément de stator (non représenté) est amenée en contact avec la surface correspondante 3 de l'élément de stator 1 et une cavité 2 est formée entre les éléments de stator adjacents. Cette cavité 2 est prévue pour recevoir l'élément de rotor (non représenté) de la pompe lorsque la pompe est assemblée, et est généralement appelée volume aspiré de la pompe. Une pompe sèche comprend typique- ment plusieurs de ces cavités, chaque cavité 2 communiquant avec une cavité adjacente par un orifice 4. Figure 1 illustrates the surface 3 of a stator element 1 of an exhaust stage of a dry pump. A surface of a second stator element (not shown) is brought into contact with the corresponding surface 3 of the stator element 1 and a cavity 2 is formed between the adjacent stator elements. This cavity 2 is provided to receive the rotor element (not shown) of the pump when the pump is assembled, and is generally called the suction volume of the pump. A dry pump typically comprises a plurality of these cavities, each cavity 2 communicating with an adjacent cavity through an orifice 4.
Un premier joint torique d'étanchéité 5 est placé autour de la périphérie de la cavité 2. Le joint torique d'étanchéité 5 est, de manière préférée, formé à partir d'un matériau fluo- roélastomère, tel par exemple le Viton, et assure une étanchéité aux fluides entre éléments de stator adjacents, de telle sorte que, lorsque la pompe est utilisée, les gaz de process ou de nettoyage pompés à travers la cavité 2 ne puissent pas s'échapper de la cavité 2, et que l'air ambiant soit empêché d'entrer dans la cavité 2. Cependant, comme discuté préalable-ment plus haut, ces gaz peuvent être particulièrement agressifs et peuvent facilement en- dommager de nombreuses parties de la pompe. De manière typique, le joint torique d'étanchéité 5 est le premier composant à s'abîmer dans de telles circonstances. En considération de ce fait, un deuxième joint torique d'étanchéité 6, semblable au premier joint torique d'étanchéité 5, est placé entre le premier joint torique d'étanchéité 5 et la périphérie de la cavité 2. Les joints toriques d'étanchéité 5, 6 sont séparés par une gorge ou un canal peu profond 7 formé entre des gorges 8, 8a utilisées pour positionner les joints toriques d'étanchéité 5, 6 entre les éléments de stator adjacents, ces gorges étant représentées sur la Figure 2. Le canal 7 permet à une petite quantité de fluide, par exemple un gaz tel l'azote, d'être emprisonné entre les deux éléments de stator adjacents et les joints toriques d'étanchéité 5, 6, qui définissent ensemble une chambre hermétique pour le gaz. Le gaz entre dans le canal 7 par l'orifice 7a d'un réservoir de gaz, comme indiqué en 16 sur la Figure 3, via un conduit 9. A first sealing O-ring 5 is placed around the periphery of the cavity 2. The O-ring 5 is preferably formed from a fluoelastomer material, such as Viton, and provides fluid sealing between adjacent stator members, such that when the pump is used, the process or cleaning gases pumped through the cavity 2 can not escape from the cavity 2, and the However, as discussed above, these gases can be particularly aggressive and can easily damage many parts of the pump. Typically, the O-ring seal 5 is the first component to be damaged in such circumstances. In consideration of this, a second O-ring 6, similar to the first O-ring 5, is placed between the first O-ring 5 and the periphery of the recess 2. O-rings 5, 6 are separated by a groove or shallow channel 7 formed between grooves 8, 8a used to position the sealing o-rings 5, 6 between the adjacent stator members, these grooves being shown in FIG. channel 7 allows a small amount of fluid, for example a gas such as nitrogen, to be trapped between the two adjacent stator members and the O-rings 5, 6, which together define a hermetic chamber for the gas . The gas enters the channel 7 through the orifice 7a of a gas tank, as indicated at 16 in FIG. 3, via a duct 9.
Comme représenté sur la Figure 3, le conduit 9 comprend un étrangleur 10 d'écoulement et une vanne anti-retour 11. Deux transducteurs 12, 13 de pression sont placés en communication fluidique avec les extrémités respectives de l'étrangleur 10 d'écoulement. As shown in Figure 3, the conduit 9 includes a flow restrictor 10 and a check valve 11. Two pressure transducers 12, 13 are placed in fluid communication with the respective ends of the flow restrictor.
L'étrangleur 10 d'écoulement peut être fait d'un matériau fritté légèrement poreux qui bloque un écoulement de gaz de telle sorte que, lorsque l'étrangleur 10 d'écoulement est placé dans le conduit 9, il agisse à la manière d'un barrage, ne permettant qu'à une infiltration de gaz de le traverser. L'étrangleur 10 d'écoulement pourrait alternativement être sous la forme d'une vanne de dosage fin, ou en créant un fin trou capillaire à travers un matériau plein. The flow restrictor may be made of a slightly porous sintered material which blocks a flow of gas so that when the flow restrictor is placed in the conduit 9, it acts in the manner of a dam, allowing only an infiltration of gas to cross it. The flow choke could alternatively be in the form of a fine metering valve, or creating a fine capillary hole through a solid material.
La vanne anti-retour 11 empêche la contamination du réservoir d'alimentation dans l'éventualité où la pression dans la pompe s'élève audessus de celle de l'alimentation de gaz. La vanne 11 sert aussi à minimiser les fluctuations de pression dans le conduit 9 en aval de la vanne 11 dans l'éventualité où l'alimentation de gaz se trouverait temporairement interrompue ou affectée d'autre manière. The check valve 11 prevents contamination of the supply tank in the event that the pressure in the pump rises above that of the gas supply. The valve 11 also serves to minimize the pressure fluctuations in the conduit 9 downstream of the valve 11 in the event that the gas supply is temporarily interrupted or otherwise affected.
Les transducteurs de pression 12, 13 mesurent respectivement la pression P2 et P 1 dans le conduit 9, de part et d'autre de l'étrangleur 10 d'écoulement, et envoient des signaux indiquant la pression mesurée à un contrôleur 14. The pressure transducers 12, 13 respectively measure the pressure P2 and P 1 in the duct 9, on either side of the flow restrictor 10, and send signals indicating the measured pressure to a controller 14.
L'alimentation de gaz au conduit 9 est contrôlée par un module 15 à gaz. Dans cet assemblage, le module 15 à gaz est un collecteur actif qui régule l'alimentation de gaz venant du réservoir dans le conduit 9. Le module 15 à gaz est configuré pour envoyer un signal au contrôleur 14 pour donner une indication sur une ou plusieurs caractéristiques, telles que débit et pression, du gaz qui alimente le conduit 9. Ce type de module à gaz peut être utilisé pour distribuer du gaz à différents emplacements dans la pompe, par exemple si le gaz doit être utilisé comme gaz de purge pour chasser des impuretés de la pompe. The supply of gas to the duct 9 is controlled by a gas module 15. In this assembly, the gas module 15 is an active manifold which regulates the supply of gas from the tank into the duct 9. The gas module 15 is configured to send a signal to the controller 14 to give an indication of one or more characteristics, such as flow rate and pressure, of the gas supplying the conduit 9. This type of gas module may be used to dispense gas at different locations in the pump, for example if the gas is to be used as a purge gas to drive off impurities from the pump.
A l'utilisation, le gaz sous pression (de manière type à environ 6 psi) est envoyé dans le conduit 9, traverse l'étrangleur 10 d'écoulement, et entre dans le canal 7 jusqu'à ce qu'un équilibre des pressions soit établi entre le gaz en amont de l'étrangleur 10 d'écoulement et le gaz en aval de l'étrangleur 10 d'écoulement. Du fait de la présence de gaz sous pression dans le canal 7 en aval de l'étrangleur 10 d'écoulement, pendant l'utilisation de la pompe une différence de pression significative sera expérimentée d'un côté à l'autre du joint torique d'étanchéité 6, car le gaz pompé dans la cavité 2 (le volume aspiré de la pompe) sera sub-atmosphérique (typiquement 800 mbar) lorsque la pompe est sous des conditions de fonctionnement normales en régime permanent. Dans cette situation, lorsque le deuxième joint torique d'étanchéité 6 est neuf et n'a aucun défaut, les signaux émis depuis les transducteurs de pression 12, 13 seront approximativement égaux et non fluctuants. Cependant, dans l'éventualité où le deuxième joint torique d'étanchéité 6 est endommagé par le gaz pompé au point que l'intégrité physique du deuxième joint torique d'étanchéité 6 soit affectée négativement, du gaz sous pression peut commencer à s'échapper du canal 7 vers la cavité 2 par suite de la présence d'un gaz sous pression relativement élevée dans le canal 7 et d'un gaz sous pression relativement faible dans la cavité 2, cette fuite tentant d'égaliser ces pressions. Par suite de la présence de l'étrangleur 10 d'écoulement dans le conduit 9, la pression P2 mesurée par le transducteur de pression 12 commencera à chuter, comme montré sur la Figure 4, alors que la pression P1 mesurée par le transducteur de pression restera à la pression d'alimentation. La différence entre les pressions P 1 et P2 est par conséquent l'indication d'une fuite de gaz dans la cavité 2, et est donc l'indication d'une défaillance du deuxième joint torique d'étanchéité 6. Ceci peut permettre au contrôleur 14, qui reçoit les signaux envoyés par les transducteurs de pression 12, 13, d'émettre une alarme, par exemple par l'intermédiaire d'un écran, indiquant la défaillance du deuxième joint torique d'étanchéité 6 si la différence de pression excède une valeur prédéterminée. In use, the pressurized gas (typically about 6 psi) is fed into the conduit 9, passes through the flow restrictor, and enters the channel 7 until a pressure balance is reached. is established between the gas upstream of the flow restrictor and the gas downstream of the flow restrictor. Due to the presence of pressurized gas in the channel 7 downstream of the flow restrictor, during the use of the pump a significant pressure difference will be experienced from side to side of the O-ring. 6, because the gas pumped into the cavity 2 (the volume drawn from the pump) will be sub-atmospheric (typically 800 mbar) when the pump is under normal operating conditions in steady state. In this situation, when the second O-ring 6 is new and has no faults, the signals emitted from the pressure transducers 12, 13 will be approximately equal and non-fluctuating. However, in the event that the second O-ring 6 is damaged by the pumped gas to the point that the physical integrity of the second O-ring 6 is adversely affected, pressurized gas may begin to escape. from the channel 7 to the cavity 2 due to the presence of a gas under relatively high pressure in the channel 7 and a gas under relatively low pressure in the cavity 2, this leak attempting to equalize these pressures. Due to the presence of the flow restrictor in the conduit 9, the pressure P2 measured by the pressure transducer 12 will begin to fall, as shown in FIG. 4, while the pressure P1 measured by the pressure transducer will stay at the supply pressure. The difference between the pressures P 1 and P2 is therefore an indication of a gas leak in the cavity 2, and is therefore indicative of a failure of the second O-ring seal 6. This may allow the controller 14, which receives the signals sent by the pressure transducers 12, 13, to emit an alarm, for example by means of a screen, indicating the failure of the second O-ring 6 if the pressure difference exceeds a predetermined value.
Le dispositif décrit ci-dessus peut ainsi fournir une indication fiable de l'état des joints d'étanchéité essentiels à l'intérieur d'une pompe. Cette indication peut permettre de rallonger les intervalles pour l'entretien et de réduire les coûts de fonctionnement sans intervention intrusive. Comme la prédictibilité de la détérioration de ces composants critiques peut être améliorée, la probabilité de fuites potentiellement dangereuses est par conséquent diminuée. The device described above can thus provide a reliable indication of the state of the essential seals within a pump. This indication can increase the intervals for maintenance and reduce operating costs without intrusive intervention. As the predictability of the deterioration of these critical components can be improved, the probability of potentially hazardous leakage is therefore decreased.
En résumé, un conduit alimente un flux d,e gaz vers une chambre hermétique entourant le volume aspiré d'une pompe. Le conduit comprend un étrangleur d'écoulement pour limiter le débit du gaz vers la chambre hermétique. Des signaux envoyés par des transducteurs de pression présents de part et d'autre de l'étrangleur d'écoulement sont utilisés pour détecter une fuite de gaz de la chambre hermétique vers le volume aspiré de la pompe, indiquant ainsi l'état du joint d'étanchéité entourant le volume aspiré. In summary, a conduit supplies a flow of gas to an airtight chamber surrounding the suction volume of a pump. The conduit includes a flow restrictor to limit the flow of gas to the sealed chamber. Signals sent by pressure transducers present on either side of the flow restrictor are used to detect gas leakage from the sealed chamber to the pump suction volume, thereby indicating the state of the gasket. sealing around the aspirated volume.
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