Brevet FR2630167A1 — publié le 19891020

La présente invention concerne les pompes rotatives à déplacement non positif des gaz, notamment les pompes à flux axial des gaz servant à créer un vide poussé et a notamment pour objet une pompe moléculaire à vide. La pompe moléculaire à vide proposée peut être utilisée dans différentes installations technologiques pour créer et maintenir le vide à pression résiduelle du gaz dans les limites de 10-1 Pa à 10-7 Pa, par exemple, en électronique pour la fabrication des microcircuits, la croissance des cristaux artificiels ainsi que dans différentes installations de recherche et pour les appareils, dont le fonctionnement prévoit l'emploi de la technique du vide, par exemple, les accélérateurs de particules élémentaires, les spectromètres de masse, les microscopes électroniques. Le niveau actuel du développement de la technique exige, en grande quantité, différentes dimensions types des pompes moléculaires à vide présentant différentes caractéristiques de pompage, en particulier, le taux de compression et la rapidité de fonctionnement. Du point de vue construction, les principaux éléments de la pompe moléculaire à vide sont un stator creux et un rotor monté dans celui-ci avec un léger jeu qui empêche le gaz de s'écouler vers le côté aspiration. Le stator et le rotor forment des canaux d'évacuation du c gaz disposés en hélice. Le principe de fonctionnement d'une telle pompe moléculaire à vide consiste en ce que les molécules d'un gaz se trouvent entraînées, par suite de leurs chocs contre la surface mobile du rotor, à travers les canaux, de l'orifice d'entrée vers l'orifice de sortie, c'est-à-dire du côté aspiration du gaz sous pression P1 vers le côté de refoulement du gaz sous pression P2' en acquérant une composante tangentielle de 263 0167 vitesse orientée dans le sens de rotation du rotor. Dans la pompe moléculaire à vide donnée, le taux de compression du gaz est fonction de la longueur des canaux d'évacuation du gaz servant à déplacer le gaz et du rapport des surfaces de section de passage du canal à l'entrée et à la sortie de ce dernier, de la vitesse de rotation du rotor et de la valeur du jeu entre la paroi extérieure du rotor et la paroi intérieure du stator. Un flux inverse de dispersion du gaz est observé dans la direction opposée à celle d'évacuation du gaz, ce qui est di à ce que le canal d'évacuation débouche de part et d'autre, et l'intensité de ce flux croit avec l'augmentation de la différence des pressions P1 et P2' On connaît une pompe moléculaire à vide (SU, A, 580850) comprenant un stator creux dans l'orifice axial- duquel est monté, avec un jeu empêchant le gaz de s'écouler du c8té aspiration vers le côté de refoulement et, un rotor dont la paroi extérieure présente des encoches disposées suivant une hélice, obtenues par entaillage de plusieurs filets, qui forment, avec la paroi cylindrique intérieure du stator, des canaux d'évacuation du gaz, dont les sections de passage diminuent du c8té aspiration vers le côté de refoulement. Les cloisons séparant deux encoches voisines ont une largeur qui augmente dans la direction d'évacuation du gaz et sur leurs larges extrémités sont pratiquées des encoches supplémentaires, parallèles aux encoches principales, obturées du c8té aspiration par des cloisons et ouvertes du c8té de refoulement du gaz. Ce mode de réalisation de la pompe moléculaire à vide permet de réduire le flux inverse de la dispersion du gaz grâce à son tourbillonnement et à son retard dans les encoches supplémentaires. 263016T7 Toutefois, l'existence des cloisons obturant les encoches supplémentaires du côté aspiration provoque, à son tour, l'augmentation du flux inverse de dispersion du gaz quand le flux direct du gaz à évacuer se heurte contre ces cloisons. On conna!t également une pompe moléculaire à vide (SU, A, 338684) comprenant un stator creux dans l'orifice axial duquel est monté, avec un jeu empêchant le gaz de s'écouler du côté refoulement vers le c8té aspiration, un rotor sur la paroi cylindrique extérieure duquel est pratiquée au moins une gorge circulaire et sur les tronçons du rotor, entre les gorges circulaires,- sont prévues des encoches disposées suivant une hélice. La surface des sections perpendiculaires à l'hélice de ces encoches décroît d'un tronçon à un autre du côté aspiration du gaz vers le côté refoulement. Sur tous les tronçons du rotor, les encoches ont une même profondeur qui est égale à la profondeur des gorges circulaires séparant les tronçons du rotor. Seule, la largeur des encoches varie d'un tronçon à un autre. La longueur de ces tronçons, la largeur des gorges les séparant, les particularités constructives de chacun des tronçons, c'est- à-dire les angles d'inclinaison des hélices et les profils des encoches, peuvent être différentes et sont 2.5 déterminées par voie de calcul en fonction des caractéristiques de pompage exigées de la pompe moléculaire à vide. Les gorges circulaires entre les tronçons du rotor contribuent à l'augmentation du flux inverse de dispersion du gaz du fait qu'une partie des molécules du gaz dans la gorge circulaire perd l'énergie cinématique acquise pendant le mouvement le long de l'encoche du rotor sur le tronçon disposé avant la gorge circulaire, c'est-à-dire sur le tronçon voisin de cette gorge circulaire et se trouvant du côté aspiration du gaz. La présence du flux inverse de dispersion du gaz aboutit à la diminution du taux de compression du gaz et de la rapidité de fonctionnement de la pompe moléculaire à vide. On s'est donc proposé de créer une pompe moléculaire à vide dans laquelle la réduction du flux inverse de dispersion du gaz à évacuer permettrait d'élever le taux de compression du gaz et la rapidité de fonctionnement de la pompe moléculaire à vide sans aucune augmentation de son encombrement. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'une pompe moléculaire à vide comprenant un stator creux dans l'orifice axial duquel est monté, avec un jeu empochant le gaz de s'écouler du c8té refoulement vers le c8té aspiration, un rotor sur la paroi cylindrique extérieure duquel est pratiquée au moins une gorge circulaire et les tronçons séparés par la gorge circulaire présentent des encoches disposées suivant une hélice, la surface des sections perpendiculaires à l'hélice de ces encoches diminuant d'un tronçon à un autre du côté aspiration du gaz vers le côté refoulement, caractérisée, selon l'invention, en ce qu'elle comporte des disques à palettes, dont le nombre est égal au nombre des gorges circulaires, fixés sur le stator et dont les palettes sont disposées dans les gorges circulaires sous un angle par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du rotor et sont orientées dans la direction opposée à celle des encoches, en ce que la profondeur des encoches de chaque tronçon diminue progressivement du c8té aspiration du gaz vers le c8té refoulement et la profondeur minimale de chaque gorge circulaire n'est pas inférieure à la profondeur minimale des encoches que porte le tronçon de rotor voisin se trouvant du côté aspiration du gaz, en ce que le diamètre de l'orifice de chaque disque à palettes et son épaisseur sont dimensionnés de façon que les jeux existant entre lés surfaces des disques à palettes, orientées vers les surfaces de la gorge circulaire correspondante, et ces dernières surfaces, soient commensurables au-jeu existant entre le rotor et le stator. En montant, sur le stator, des disques à palettes, on obtient un joint labyrinthe entre les bords des palettes et les surfaces des gorges circulaires du rotor o sont disposées les palettes indiquées. Ce joint labyrinthe diminue le flux inverse de dispersion du gaz. La diminution du flux inverse de dispersion du gaz est également obtenue du fait que les palettes du disque sont inclinées dans la direction opposée à celle de l'hélice des encoches que porte le stator. Ce mode de réalisation de la pompe moléculaire à vide équipée d'un disque a palettes fixé au stator permet d'élever le taux de compression de cinq fois au moins et, par conséquent, d'élever la rapidité de fonctionnement de la pompe. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limritatif, avec références aux dessins non limitatifs annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente, en coupe longitudinale, une vue d'ensemble de la pompe moléculaire à vide conforme à l'invention; - la figure 2 représente, en coupe longitudinale partielle, le rotor de la pompe moléculaire à vide, sur la paroi extérieure duquel sont pratiquées des encoches et des gorges; - la figure 3 représente une partie du rotor à l'endroit de l'encoche (coupe sur la figure 2 suivant la ligne III-III). La pompe moléculaire à vide comporte un stator creux i (figure 1), dont l'orifice axial 2 reçoit le rotor 3. Le jeu 4 existant entre la paroi cylindrique extérieure 5 du rotor 3 et la paroi cylindrique intérieure 6 du stator 1 est suffisamment petit. Comme on le sait, il a une valeur de 0,15 à 0,03 mm et offre une résistance relativement grande au flux de gaz, c'est-à-dire qu'il empêche l'écoulement du gaz vers le côté V (indiqué par une flèche sur les dessins) d'aspiration du gaz. Au moins une gorge circulaire est pratiquée sur la paroi cylindrique extérieure 5 du rotor 3 (figures 1, 2). Dans le présent mode de réalisation, on a prévu cinq gorges circulaires 7. Toutes les gorges circulaires 7 ont une même largeur "a". Cependant, cette condition n'est pas obligatoire et on peut réaliser des gorges circulaires de différentes largeurs. Les gorges circulaires 7 divisent le rotor 3 en six tronçons 8, 9, 10, 11, 12 et 13, dont la longueur augmente dans le sens de pompage du côté aspiration V du gaz vers le côté N (indiqué par une flèche sur les dessins) de refoulement. Le tronçon 13 situé du côté refoulement N du gaz a une longueur approximativement égale à trois longueurs du tronçon 8, situé du côté V d'aspiration du gaz. Des encoches 14 sont pratiquées sur la paroi extérieure 5 du rotor 3, sur les tronçons 8, 9,10, 11, 12 et 13, séparés par les gorges circulaires 7. Ces encoches 14 sont disposées suivant une hélice, et obtenues par entaillage pour former plusieurs filets d'un profil rectangulaire. Dans le mode de réalisation donné, le nombre d'encoches 14 est égal à vingtquatre. L'angle (figure 2) d'inclinaison de l'hélice suivant laquelle sont disposées les encoches 14 est le même pour tous les tronçons 8, 9, 10, 11, 12, 13. Dans le mode de réalisation donné, il est approximativement égal à 25 . L'angle et peut différer de cette valeur et est compris entre 5 et 50, tout comme dans-le cas des autres réalisations connues des pompes moléculaires à vide. Les encoches 14 ont une même largeur "b" (figure 3) aux sections perpendiculaires à l'hélice suivant laquelle sont disposées les encoches, sur tous les tronçons 8 (figures 1, 2), 9, 10, 11, 12, 13, c'est-à-dire, sur toute la longueur du rotor 3. Cependant, les encoches 14 peuvent avoir différentes largeurs "b" comme dans le cas d'autres réalisations connues de pompes moléculaires à vide. Dans le mode de réalisation donné, la largeur "b" des encoches 14 est approximativement égale à la largeur "a" des gorges circulaires 7. Le nombre des encoches 14 égal au nombre des entrées de l'entaillage hélicoïdal peut être différent, comme dans le cas des autres réalisations connues des pompes moléculaires à vide; il est fonction de l'angle y d'inclinaison de l'hélice suivant laquelle sont disposées les encoches 14, de la largeur "b" des encoches 14 et du diamètre du rotor 3. La profondeur "h" (figure 3) des encoches 14 diminue d'un tronçon à un autre du côté aspiration V du gaz vers le côté refoulement N, c'est-à-dire sur chaque paire de tronçons voisins 8 (figures 1, 2) et 9, 9 et 10, 10 et 11, 11 et 12, 12 et 13; la profondeur "h" des encoches 14 sur chacun des tronçons 8, 9, 10, 11, 12 se trouvant du côté aspiration V du gaz est supérieure à'la profondeur "h" des encoches 14 se trouvant sur le tronçon voisin correspondant 9, 10, 11, 12 ou 13 disposé du côté refoulement N du gaz. La profondeur "h" des encoches 14 taillées dans chacun des tronçons 8, 9, 10, 11, 12, 13 du rotor 3 diminue progressivement de la valeur maximale à la valeur minimale dans la direction d'évacuation du gaz. En pratique, les fonds 15 de chacune des encoches 14 réalisées sur les tronçons 8, 9, 10, 11, 12, 13 du rotor 3 se situent sur une même surface conique. la profondeur "e" de chacune des gorges circulaires 7 doit être au moins égale à la profondeur minimale hmin des encoches 14 que porte le tronçon voisin 8, 9, 10, 11 ou 12 correspondant situé du c8té aspiration V du gaz. Le fond 16 (figure 2) de chaque gorge circulaire 7 se situe sur la surface cylindrique. Dans le mode de réalisation donné, la profondeur "e" de chaque gorge circulaire 7 est plus grande que la profondeur hmin du tronçon correspondant 8, min 9, 10, 11 ou 12 d'une quantité approximativement égale à la largeur "a" de la gorge circulaire 7. Le fond 15 (figure 1) de chacune des encoches 14 que porte un des tronçons 8, 9, 10, 11, 12 ou 13 se situe à la surface des cônes tronqués, dont le diamètre des petites bases est orienté vers le c3té d'-aspiration- V du gaz et les diamètres des petites bases des cônes sur les tronçons 9, 10, 11, 12, 13 sont plus grands que les diamètres des grandes bases des cônes tronqués sur les tronçons 8, 9, 10, 11, 12 respectivement. Etant donné que le fond 16 (figure 2) de la gorge circulaire 7 est constitué par la surface cylindrique au moins égale au diamètre de la grande base du cône tronqué formé par le fond 15 (figure 1) de l'encoche 14 sur chacun des tronçons 8, 9, 10, 11, 12, chaque gorge circulaire 7 présente un évidement à la surface conique du fond 15 de l'encoche 14 du rotor 3, c'est-à-dire sur le fond 15 de l'encoche 14 donnée. Plus la largeur "a" et la profondeur "e" de la gorge circulaire 7 sont grandes, plus l'évidement est grand. Le rotor 3 (figure 1) est monté sur un arbre 17 et est fixé à l'une des extrémités de ce dernier au moyen d'une vis 18. L'autre extrémité de l'arbre 17 est couplée à un moteur électrique (non représenté sur le dessin). Le stator 1 comporte un corps 19 associé par un assemblage vissé à une bride 20. Cette bride 20 présente un orifice 21 et porte, du c6té refoulement N du gaz, une tubulure 22 montée coaxialement par rapport à l'orifice indiqué et servant à assurer le branchement sur la conduite de prévide (non représentée sur le dessin). A la paroi intérieure du corps 19 sont fixés des disques 23 à palettes, dont le nombre est égal au nombre de gorges circulaires 7 pratiquées sur le rotor 3. Dans le mode de réalisation donné, les disques 23 à palettes sont exécutés de sorte que les bouts libres des palettes 24 se trouvent orientés vers la périphérie du disque 23, c'est-à-dire, que le moyeu 25 du disque 23, servant à la fixation des palettes 24, se situe au centre. On peut utiliser également un autre mode de réalisation des disques à palettes selon lequel les bouts libres des palettes sont orientés vers le centre du disque et le moyeu est disposé extérieurement. Les palettes 24 de chacun des disques 23 à palettes sont disposées dans les gorges circulaires 7 correspondantes sous un angle par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du rotor 3 et sont orientées dans une direction opposée à celle de l'hélice des encoches 14. Dans l'orifice axial 2 du stator 1, sont montées des bagues 26, 27, 28, 29, et 30 disposées coaxialement par rapport aux tronçons 8, 9, 10, 11 et 12 respectivement; la largeur de chaque bague correspond à la longueur du tronçon respectif se trouvant en coaxialité avec la bague donnée. Le bout libre du disque 23 à palettes, logé dans la gorge circulaire 7 séparant les tronçons 12 et 13 du rotor 3, est serré entre un bourrelet 31 réalisé dans le corps 19 du stator 1 et la bague 30. Les bouts libres des autres disques 23 à palettes sont serrés entre les bagues voisines 30 et 29, 29 et 28, 28 et 27, 27 et 26. Des ressorts de compression 33 sont placés entre la bague 26 et le bourrelet 32 du corps 19 du stator 1. Le diamètre D de l'orifice du moyeu 25 de chaque disque 23 à palettes monté dans la gorge circulaire 7 correspondante et l'épaisseur H des disques 23 à palettes sont choisis de sorte que les jeux l' 4 2 et 3 existant entre les surfaces de chacun des disques 23 à palettes, orientées vers les surfaces de la gorge circulaire 7 recevant le disque, soient commensurables avec le jeu 4 entre le rotor 3 et le stator 1. Ces jeux peuvent être de 0,15 à 0,03 mm. Les jeux Q1 Z2 et 3 sont des jeux existant entre les bords des palettes 24 et les surfaces du moyeu , orientées vers les surfaces des gorges circulaires 7. Dans le cas de l'utilisation de disques, dont les palettes sont orientées par leurs bouts vers le centre, ces jeux 2 et I3 sont formés entre les bords des palettes orientés vers les surfaces des gorges circulaires 7. A Dans les évidements, ces jeux J1 2 et 3 forment un joint labyrinthe. L'épaisseur H des disques 23 à palettes peut être différente et est déterminée par voie de calcul en fonction des caractéristiques de pompage requises de la pompe moléculaire à vide. La largeur "a" des gorges circulaires 7 est fonction de l'épaisseur des disques 23 à palettes. Le nombre des disques 23 à palettes et, par conséquent, le nombre de gorges circulaires 7 dépendent également des caractéristiques de pompage de la pompe moléculaire à vide. La pompe moléculaire à vide fonctionne de 'la façon suivante. A la rotation du rotor 3 (figure 1), les molécules du gaz à évacuer se trouvant du coté aspiration V et ayant pénétré dans l'orifice axial 2 du stator 1 de la pompe moléculaire à vide sont entraînées par la sur- face hélicoïdale des encoches 14, orientée vers le c8té il aspiration V et se déplacent le long des encoches 14 en acquérant une composante tangentielle de vitesse orientée dans le sens de rotation du rotor 3. En se canalisant par les encoches 14 du tronçon 8, les molécules du gaz rencontrent les palettes 24 du disque 23 qui les dirigent vers le tronçon 9, traversent les tronçons suivants 9 à 13 pour pénétrer dans la tubulure 22. Comme on le sait, par suite de la différence des pressions existant du c8té aspiration V et du c8té refoulement N, les molécules du gaz à évacuer cherchent à retourner par les jeux 4 existant entre le rotor 3 et le stator 1 vers le c8té aspiration en augmentant le flux inverse de dispersion du gaz. Pendant le déplacement, les molécules du flux inverse de dispersion du gaz rencontrent les palettes 24 des disques 23, qui les dirigent dans les encoches 14 du rotor 3 o elles acquièrent une composante tangentielle de vitesse orientée dans le sens d'évacuation du gaz. Une partie de molécules qui ne sont pas arrêtées par les disques- 3 à palettes sont retardées dans les jeux, J2 et 3 constituant un joint labyrinthe, ce qui contribue à faire diminuer le flux inverse de dispersion du gaz. Le taux de compression du gaz dans la pompe moléculaire à vide augmente d'au moins cinq fois avec l'utilisation d'un seul disque à palettes. Pour augmenter le taux de compression du gaz, il est avantageux d'augmenter le nombre de disques 23 à palettes, ce qui permet d'élever le taux de compression du gaz de 100 fois et davantage. 263016Y R E V E N D I C A T I ON Pompe moléculaire à vide comprenant un stator creux dans l'orifice axial duquel est monté, avec un jeu empêchant le gaz de s'écouler du c8té refoulement vers le c8té aspiration, un rotor, sur la paroi cylindrique exté- rieure duquel est pratiquée au moins une gorge circulaire et sur les tronçons séparés par la gorge circulaire sont pratiquées des encoches disposées suivant une hélice, la surface des sections perpendiculaires à l'hélice de ces encoches diminuant du tronçon c8té aspiration du gaz au tronçon c8té refoulement, caractérisée en ce qu'elle com- porte des disques (23) à palettes, dont le nombre est égal au nombre de gorges circulaires (7), qui sont fixés au stator (1) et dont les palettes (24) sont disposées dans les gorges circulaires (7) sous un angle par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor (3) et sont orientées dans une direction opposée à celle des encoches (14), en ce que la profondeur (h) des'encoches (14) de chacun des tronçons (8, 9, 10, 11, 12, 13) diminue progressivement du c8té aspiration (V) du gaz vers le c8té refoulement (N) et la profondeur de chaque gorge circulaire (7) n'est pas inférieure à la profondeur minimale des encoches (14) menagées sur le tronçon voisin (8, 9, 10, 11, 12) du rotor (3), situé du c8té aspiration (V) du gaz et en ce que le diamètre (D) de l'orifice de chaque disque (23) à palettes et son épaisseur sont choi- sis de façon que les Jeux ( y1l ' 2 J3) formés entre les surfaces du disque (23) à palettes, orientées vers les surfaces de la gorge circulaire (7) correspondante et ces dernières surfaces soient commensurables au jeu (4) existant entre le rotor (3) et le stator (1).