Brevet FR2525698A1 — publié le 19831028

Pompe turbomoléculaire L'invention concerne les pompes turbomoléculaires et elle a trait, plus particulièrement, à une pompe turbo- moléculaire du type qui convient pour être utilisé avec des matériels exigeant des vides très poussés. D'une façon générale, on utilise une pompe turbo- moléculaire avec un matériel exigeant des vides, comme par exemple -des dispositifs de fusion nucléaire, les microscopes électroniques, etc Il est dit que les vides obtenus dans les pompes turbomoléculaires de nos jours atteignent une valeur aussi élevée que 1,33 x 10-8 bars En plus des vides très élevés, une forte demande s'est manifestée récemment en ce qui concerne les vides dits propres dans lesquels n'est présent aucun gaz résiduel d'hydrocarbures, tels qu'une vapeur d'huile. Le principe de fonctionnement d'une pompe turbo- moléculaire est tel que plus le poids moléculaire-d'un gaz est élevé, plus son taux de compression est grand On considère donc que ce type de pompe est capable d'évacuer facilement une vapeur d'huile, ce qui permet d'obtenir des vides propres. Toutefois, les pompes turbomoléculaires du type utilisant des roulements à billes lubrifiés par huile pour supporter un rotor présentent l'inconvénient que, bien que le réservoir à vide ne soit pas contaminé par une vapeur d'huile pendant le fonctionnement, une diffusion en sens inverse de la vapeur de l'huile de lubrification se produit lorsque le fonctionnement de la pompe cesse, ce qui entratne une contamination du réservoir i vide dans les cas les plus défavorables, Pour remédier à cet inconvénient, diverses propositions ont été faites pour améliorer les pompes turbomoléculaires Une de ces améliorations est décrite dans le brevet US n O 4 023 920, par exemple, qui décrit une pompe turbomoléculaire utilisant des paliers électromagnétiques commandés. En même temps, la demande pour des vides ultra- élevés est devenue de plus en plus forte au cours des années récentes Pour répondre à cette demande, il faut réduire à un minimum le dégagement des gaz de surface des pièces ou parties non seulement de la chambre à vide mais également de la pompe elle-même À cette fin, il est de pratique courante de faire appel à un "étuvage" pour libérer les gaz par chauffage des pièces ou parties à une température élevée lorsque la pompe fonctionne en vides ultra-élevés Plus spécifiquement, un étuvage est effectué pour porter à un niveau élevé la tempé- rature dessurfacesdes pièces ou parties exposées à des vides ultra-élevés de manière que les gaz qui ont été absorbés par ces pièces ou parties puissent être libérés le plus possible avant que la pompe dans son ensemble soit placée de nouveau dans une condition de température ambiante afin d'obtenir dans celle-ci un vide poussé On peut augmenter les effets obtenus par cet étuvage en portant la température à un niveau plus élevé Il s'ensuit qu'il est très efficace d'élever la température admissible pour effectuer un étuvage afin d'obtenir des vides plus poussés. Toutefois, on éprouve une certaine difficulté à porter la température d'étuvage à un niveau aussi élevé qu'on le voudrait Dans les pompes turbomoléculaires mainte- nant disponibles, les paliers pour supporter le rotor sont montés sur le côté vide poussé, c'est-à-dire le côté aspi- rationet les paliers utilisés à cette fin comprennent généralement des roulements à billes avec des amortisseurs ainsi que des paliers magnétiques actifs avec bobines Le mécanisme de palier de ces types présente une plage de températures admissibles entre environ 100 et 1200 C, car les températures admissibles des roulements à billes sont limitées par des températures permises pour l'huile de lubrification et pour les roulements mêmes, et celles des paliers magnétiques sont limitées par la plage de températures dans laquelle la gaine de l'enroulement est résistante La situation étant ainsi, dans les pompes turbomoléculaires maintenant dispo- nibles, la température d'étuvage est limitée à un niveau inférieur à 1200 C qui est la limite supérieure de la plage de températures d'étuvage pour les pièces ou parties situées autour de l'orifice d'aspiration de la pompe Il en résulte qu'il est difficile d'obtenir un vide plus poussé dans les pompes turbomoléculaires, car il existe des limites à la plage de températures admissibles pour l'étuvage. La présente invention a été conçue dans le but de remédier à l'inconvénient précité de la technique antérieure. C'est pourquoi, l'invention a pour objet la réalisation d'une pompe turbomoléculaire capable d'obtenir des vides plus élevés que ceux obtenus dans la technique antérieure. Un autre objet est l'obtention d'une pompe turbo- moléculaire capable d'obtenir des vides propres non seulement lorsque la pompe est en fonctionnement mais également lors- qu'elle ne fonctionne pas* La caractéristique marquante de la présente invention réside dans le fait que, dans une pompe turbo- moléculaire comprenant des aubes fixes disposées en une multiplicité d'étages dans un corps, axialement à ce dernier, et des aubes mobiles placées entre les aubes fixes et montées à la périphérie extérieure d'un rotor placé au centre du corps, des agencements de paliers sont présents pour supporter le rotor à la fois à l'extrémité "vide élevé" et à l'extrémité "vide faible", les agencements de paliers à l'extrémité "vide élevé" du rotor étant constitués par un palier magnétique du type à attraction comprenant un premier aimant permanent du type fixe ayant une caractéristique telle que le point de Curie de la matière est élevé, et un second aimant permanent placé de façon juxtaposée au premier aimant permanent. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description donnée ci-après en référence aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue de face verticale et en coupe de la pompe turbomoléculaire constituant un des modes de réalisation de l'invention;et la figure 2 est une vue de face verticale et en coupe de la pompe turbomoléculaire constituant un autre mode de réalisation, La figure 1 montre un des modes de réalisation de la pompe turbomolé'culaire conforme à l'invention et comportant un corps comprenant un élément de corps 1 du côté aspiration dans lequel est formé un orifice d'aspiration 1 A, un élément de corps intermédiaire 2 et un élément de corps 3 du côté échappement dans lequel est formé un orifice d'échappement 3 A. L'élément de corps 1 du côté aspiration et l'élément de corps 3 du côté échappement sont fixés à l'aide de boulons à l'élément de corps intermédiaire 2 Des aubes fixes 4 sont disposées en une multiplicité d'étages placés dans le sens axial du corps à l'intérieur de l'élément de corps 1 du côté aspiration et dans l'élément de corps intermédiaire 2 Des aubes tournantes 5 sont disposées entre les aubes fixes 4 et sont fixées à un rotor 6 Les aubes fixes 4 sont insérées entre des éléments d'espacement 7 d'une forme annulaire superposés les uns aux autres en étant empilés verticalement, et les aubes tournantes 5 ainsi que les aubes fixes 4 sont superposées de façon alternées les unes au-dessus des autres en étant empilées verticalement et sont insérées entre les éléments d'espacement 8 constituant le rotor 6 et sont fixées à ce dernier par exemple à liaide d'un moyen de liaison par diffusion Les aubes mobiles 5 et les éléments d'espacement 7 et 8 sont de préférence en a 1 liage de titane, en acier inoxydable et autre matière a;plogue pour que l'on ob j enne une résistance mécanique élevée So Un espace annulaire _ destiné à contenir mun aimant permanent 9 est forré dans un 'iartie supérieure du reor 6 supportant les aubes mobiles 'r Le rotor est supporte -ie façon tournante par un élément 9 A d'aimant permanent de fo rïe annulaire placé sur le côté rotor de l'espace S et par un autre élément 9 B d'aimant permanent de forme annulaire placé dans l'espace S en étant juxtaposé h l'élément 9 Ao Dans l'aimant permanent 9, les éléments annulaires 9 A et 9 B d'aimant per- manent peuvent avoir des diamètres différents disposés de façon juxtaposée sur le côté rotor et sur le côté fixe, respectivement En utilisant ce système d'aimant, il est possible d'exercer une force de rétablissement radiale nécessaire pour supporter le rotor 6 L'élément 9 B d'aimant permanent est fixé à un bras de support 10 s'étendant radialement à partir du joint entre l'élément de corps 1 du c 8 té aspiration et l'élément de corps intermédiaire 20 Les éléments 9 A et 9 B d'aimant permanent sont des aimants en terres raresayant un point de Curie élevé On préfère ce matériau spécifique d'aimant quand on estime nécessaire d'effectuer un étuvage, car la caractéristique magnétique de ce matériau ne se trouve pas détérioréesi on chauffe ce matériau jusqu'à 3000 C. Les aubes tournantes 5 d'au moins plus d'un étage sont placées entre les aubes fixes 4 du côté du corps dans une partie du rotor 6 situéeau-dessus de l'agencement de paliers de l'extrémité sous vide élevé, c'est-à-dire l'aimant permanent 9 Ces aubes mobiles 5 engendrent à l'extrémité sous vide élevé au-dessus de l'élément permanent 9 une pression qui correspond à une composante de pression non atteinte de sorte que les gaz libérés par l'aimant permanent 9 n'exercent aucune influence sur le côté aspiration, Le rotor 6 est supporté à sa partie inférieure par un palier magnétique radial actif 12 et par un palier de butée magnétique commandé 13 Ces paliers magnétiques 12 et 13 sont commandés par un détecteur radial 14 et par un détecteur de poussée 15, respectivement. Le rotor 6 comporte,comme source d'entrainementun moteur 16 placé dans une partie inférieure du rotor 6 à l'extrémité sous vide faible Dans le mode de réalisation représenté et décrit dans le présent exposé, le moteur 16 se présente sous la forme d'un moteur plat comprenant une plaque 16 de rotor fixée au rotor 6, et une bobine 16 B de stator fixée à l'élément de corps 3 du côté échappement Dans une variante, on peut utiliser un moteur haute fréquence comme moteur 16. Un palier auxiliaire 17 est fixé au rotor 6 à sa partie inférieure o se trouve le palier magnétique 12, ceci pour contribuer à maintenir le rotor 6 en rotation dans le cas d'une panne d'alimentation despaliers magnétiques actifs. Le palier auxiliaire 17 se présente sous la forme d'un roulement sec à rouleaux n'utilisant aucun lubrifiant de manière à maintenir l'atmosphère propre A la place d'un roulement a rouleaux, on peut utiliser comme palier auxiliaire 17 un palier du type à pivot qui est également sec. Dans le mode de réalisation ayant la structure décrite ci-dessus et représenté sur la figure 1, le rotor 6 est supporté à sa partie supérieure, c'est-à-dire à l'extré- mité sous vide élevé, par la force d'attraction de l'aimant permanent 9 et à sa partie inférieure, c'est-à-dire à l'extrémité sous vide faible, par les paliers magnétiques 12 et 13 en vue d'une rotation d'une manière stable Lorsque le rotor 6 est entraîné en rotation par le moteur 16, des molé- cules de gaz sont extraites du matériel par aspiration et sont évacuées dans l'orifice d'aspiration 1 A à partir duquel elles s'é- coulent vers l'orifice d'échappement 3 A pour s'échapper l'extérieur à travers cet orifice Grâce à cette opération, on peut obtenir un vide supérieur à 1,33 10-8 bars dans l'élément de corps 1 du ceté aspiration de la pompe turbo- moléculaire ainsi que dans le matériel raccordé à cette pompe. C'est parce que la condition ci-après est satisfaite que l'on peut obtenir dans la présente invention ce vide ultra-élevé. La condition satisfaite est que les pièces ou parties se trouvant dans l'élément de corps 1 du c 8 té aspiration de la pompe turbomoléculaire qui sont exposées à un vide ultra- élevé peuvent être soumises à un étuvage à une températe:re d'environ 3000 C Par exemple, les aubes tournantes 5 et: rotor 6 sont en alliage de titane ou en acier inoxydable, et l'aimant permanent 9 est formé par une matière magnétique à base de terresraresque l'on peut traiter à une température élevée Il est très avantageux que la température d'étuvage puisse etre portée au niveau élevé précité tant du point le l'accroissement d'un vide susceptible d'être obtenu que du point de vue de la réduction du temps nécessaire pour obtenir un vide ultra-élevé Pendant ce temps, les paliers magn L-,tiues 12 et 13 placés sur le côté sous vide faible de la pompe turbomoléculaire sont exposés à un vide faible de sorte X l'étuvage effectué à une température (environ 120 C) utilisée couramment à cette fin peut être toléré. Le mode de réalisation de l'invention réalisé comme mentionné ci-dessus offre les avantages suivants L'utilisation d'agencements de paliers constitués par l'aimant permanent 9 pour supporter de façon tournante en tant que palier radial le rotor 6 dans sa partie supérieure, c'est-à-dire à l'extrémité sous vide élevé,pernet de réduire considérablement par rapport à la technique antérieure le nombre d'éléments de paliers magnétiques actifs utilisés, grâce à quoi il est possible de diminuer considérablement le prix de revient L'utilisation du palier auxiliaire 17 dans la partie inférieure, c'est-à-dire à l'extrémité sous vide faible, du rotor 6 permet de réduire le diamètre de ce palier 17 Ceci entraîne une réduction de la vitesse périphérique pendant le fonctionnement du rotor 6. Bien que le palier auxiliaire 17 utilisé soit d'un type sec, l'endommagement des paliers dans le cas d'un arrêt d'urgence peut être considérablement réduit, grâce à quoi les difficultés dans l'entretien peuvent être réduites à un minimum par rapport à la technique antérieure. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1 et décrit cidessus, les paliers magnétiques 12 et 13 ont été décrits comme étant utilisés pour supporter de façon tournante le rotor 6 dans sa partie inférieure Toutefois, ces paliers 12 et 13 peuvent être remplacés par un palier hydrodynamique 18 du type à pivot, représenté sur la figure 2, Le palier hydrodynamique 18 du type à pivot comprend un pivot 18 A et un corps 18 B de palier et est immergé dans un lubrifiant 19. L'utilisation du palier hydrodynamique 18 du type à pivot dont le diamètre dupivot est faible présente les avantages que sa vitesse périphérique est faible et que la quantité de chaleur engendrée par son fonctionnement n'est pas élevée De ce fait, lorsque ce type de palier est comparé avec un roule- ment à rouleaux dans les mêmes conditions de charge et de vitesse de rotation, l'utilisation de ce type de palier a pour avantage que l'on peut utiliser un lubrifiant à faible tension de vapeur et à forte viscosité Un exemple d'un lubrifiant que l'on peut utiliser dans l'invention est une huile à base de fluor présentant une tension de vapeur inférieure à 1,33 x 10-8 bar'à température ambiante normale. Dans le mode de réalisation représenté sur la figre 2, il est possible d'obtenir à la fois pendant le fonctionnement de la pompe et lorsque celle-ci est inactive un vide ultra- élevé propre dans la partie supérieure, c'est-à-dire sur le côté aspiration de la pompe turbomoléculaire, comme c'est le cas avec le mode de réalisation représenté sur la figure 11, lorsque l'on utilise le palier hydrodynamique 18 du type 'à pivot Cependant, le palier hydrodynamique 18 du type à pivot utilisé pour supporter de façon tournante la partie inférieure du rotor 6 est lubrifié avec de l'huile et ce palier constitue le seul endroit o une vapeur d'huile est engendrée Toutefois, le lubrifiant utilisé présente une tension de vapeur faible comme on l'a mentionné de sorte que la contamination de la pompe par la vapeur de lubrifiant peut être réduite au minimum lorsque la pompe ne fonctionne pas. Ceci est un avantage important lorsque le mcie de réalisation de l'invention représenté sur la figure a est comparé avec une pompe turbomoléculaire de la techn ique antérieure utilisant un roulement du type à billes *ans une pompe de la technique antérieure, il faut utiliser pox le roulement à billes une hui U ayant une tension de vapeur d'environ 1,33 x 10 millibarz, comme par exemple de l'huile à broches De ce fait, lorsque la pompe ne fonctionne pas, il se produit une difllsion en _-: inverse de la vapeur d-huile vers l'extrémité sous vide élevé, ce qui entraîne une ontami- nation du réservoir à vide 'e problème est essentiellement éliminé dans le mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 2, car la tension partielle de la vapeur d'huile peut être maintenue à un niveau inférieur à 1,33 10-8 bars. En outre, l'huile utilisée dans le mode de réalisation se vaporise difficilement, de sorte que la nécessité d'utiliser une alimentation supplémentaire en huile se trouve essentiel- lement éliminée Ceci facilite l'entretien de la pompe De plus, le mode de réalisation est avantageux du point de vue du prix de revient par rapport à une pompe utilisant des paliers magnétiques actifs, car la nécessité d'avoir recours à une section de commande et à un électro-aimant pour chaque palier peut 4 tre éliminé. On voit d'après la description qui précède que la pompe turbumoléculaire selon la présente invention, dont des parties sont exposées à un vide ultra-élevé,peut être soumise à un étuvage à une température élevée On peut de ce fait obtenir des vides plus élevés que les vides obtenus avec les pompes turbomoléculaires de la technique antérieure L'inven- tion permet donc d'obtenir une pompe turbomoléculaire à fonctionnement fiable pour satisfaire la demande de matériel exigeant l'obtention d'un vide ultra-élevé dans cette pompe. REVENDICATIONS 1 Pompe turbomoléculaire comprenant: un corps ( 1, 2, 3); une multiplicité d'aubes fixes ( 4) disposées en une multiplicité d'étages dans ledit corps dans le sens axial de ce dernier; et une multiplicité d'aubes tournantes ( 5) placées de façon alternée entre lesdites aubes fixes et disposées à la périphérie extérieure d'un rotor ( 6) placé dans une partie centrale dudit corps, la pompe turbomoléculaire susvisée étant caractérisée par le fait qu'elle comprend: un agencement de palier supportant de façon tournante ledit rotor sur son côté sous vide élevé et sur son côté sous vide faible, ledit agencement de palier se trouvant sur le c 6 té sous vide élevé comprenant: un premier élément ( 9 A) d'aimant permanent placé dans une position fixe et présentant une caractéristique telle que le point de Curie de sa matière constitutive est élevé; et un second élément ( 9 B) d'aimant permanent placé sur le côté o se trouve le rotor à quelque distance dudit premier élément d'aimant permanent et de façon juxtaposée à ce dernier, lesdits premier et second éléments d'aimant permanent cons- tituant un palier magnétique du type à attraction. 2 Pompe turbomoléculaire suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits éléments d'aimant permanent ( 9 A, 9 B) sont formés par une matière magnétique à base de terres rares. 3 Pompe turbomoléculaire suivant la revendication 2, caractérisée par le fait que ledit premier élément ( 9 A) d'aimant permanent est supporté par un bras de support (e 0) fixé audit corps de manière telle que le premier élément d'aimant permanent se trouve dans un espace annulaire (S, formé sur la périphérie extérieure du rotor entre les aubes mobiles, et que ledit second élément d'aimant permanent est monté sur le rotor à l'intérieur dudit espace annulaire (s, de manière à être juxtaposé au premier élément d'aimant permanent. 4 Pompe turbomoléculaire suivant la revendication 3, caractérisée par le fait que ledit premier élément d'aimant permanent ( 9 A) comprend une multiplicité d'éléments d'aimant permanent annulaires de diamètres différents disposés concen- triquement les uns aux autres,et que ledit second élément d'aimant permanent juxtaposé audit premier élément d'aimant permanent comprend un élément d'aimant permanent annulaire placé de façon juxtaposée à ladite multiplicité d'éléments magnétiques permanents annulaires constituant le premier élément d'aimant permanent. Pompe turbomoléculaire suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que ledit rotor ( 6) comporte au moins plus d'un étage desdites aubes tournantes ( 5) placées à une extrémité sous vide plus élevé dudit rotor au-dessus dudit agencement de palier se trouvant à l'extrémité sous vide élevé, ledit ensemble comportant au moins plus d'un étage desdites aubes tournantes étant placé entre les aubes fixes sur le côté aspiration. 6 Pompe turbomoléculaire suivant la revendication 5, caractérisée par le fait que ledit agencement de palier situé à l'extrémité sous vide faible dudit rotor comprend un palier magnétique actif ( 12, 13). 7 Pompe turbomoléculaire suivant la revendication 5, caractérisée par le fait que ledit agencement de palier situé à l'extrémité sous vide faible dudit rotor comprend un palier hydrodynamique ( 18) du type à pivot.