Brevet FR2651280A1 — publié le 19910301

-1- Pompe à vide primaire La présente invention concerne une pompe à vide primai- re, comportant un stator et au moins un rotor tournant dans le sta- tor en conservant un jeu de fuite prédéterminé par rapport à celui-ci. Des pompes à vide primaire, seules ou en série, sont ca- pables de créer des pressions totales d'environ 10-3 à 10 -4 mbar en refoulant contre la pression atmosphérique. Les molécules d'oxygène et d'azote sont entraînées dans une telle pompe en régime visqueux et/ou turbulent. La caractéristique débit/volumique S/pression P d'une telle pompe, est essentiellement fonction du jeu j existant entre le rotor et le stator. Cette fonction est représentée sur la figure 1 ci-jointe, en prenant la pression p en mbar comme abscisse et le débit S en m /h en ordonnée. Chacune des cinq courbes représentées en traits pleins correspond à un jeu donné, le jeu augmentant d'une courbe à l'autre en direction de la flèche j. Au cours du pompage d'un volume important, vis-à-vis du débit volumique de la pompe, la température du ou des rotors croit beaucoup plus rapidement que la température du stator. Afin d'éviter un grippage éventuel, le constructeur est conduit à imposer le jeu stator-rotor le plus grand, correspondant au maximum de la dilata- tion différentielle. Ce grand jeu correspond à une caractéristique moyenne débit volumique/pression, qui, au surplus, évolue avec les températures respectives du rotor et du stator. Par ailleurs, les gaz tels que l'hydrogène, le propane, le pentane, etc, ont des viscosités absolues 10 fois plus faibles que l'air. Les fuites massiques internes sont donc beaucoup plus grandes qu'avec de l'air, et par conséquent, la caractéristique débit volumique/pression, à jeu constant, est nettement plus faible qu'avec l'air. Il est donc intéressant de pouvoir adapter le jeu en fonction de la viscosité du gaz pur ou du mélange pompé. De ce fait, il est impossible de construire des pompes ayant un faible jeu et donc d'excellentes caractéristiques, -2- c'est-à-dire - à la pression atmosphérique, un débit élevé et une dérivée dS/dp très faible, - au débit nul, une pression basse et une dérivée dS/dp aussi grande que possible. En outre, dans certaines applications (fabrication de semiconduc- teurs, mais aussi en spectrométrie de masse, en détection de fuites par gaz traceur hélium ou néon, en simulation spatiale, etc...), on désire commander le débit de la pompe indépendamment de la pression. Or, pour ce faire, l'homme de l'art a deux possibilités à sa disposition, à savoir la mise en série avec la pompe d'une conduc- tance variable, ou la réduction de la vitesse de rotation de la pompe. Le but de l'invention est de concevoir une pompe qui permet d'atteindre un jeu très faible et une modification rapide de la caractéristique, même en cours de pompage, afin de pouvoir opti- miser la variation de pression en fonction du temps dans une encein- te à laquelle la pompe est associée. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le jeu entre stator et rotor est rendu variable pendant le pompage. Se- lon une première réalisation, cette variation est obtenue grâce à une partie élastiquement déformable de la paroi du rotor et/ou du stator et à un moyen de commande de cette déformation. Ledit moyen de commande agissant sur ladite partie élastiquement déformable peut comporter un fluide à pression réglable qui est appliqué à une cavi- té au moins partiellement délimitée par ladite partie élastiquement déformable de la paroi du rotor et/ou du stator. Dans une réalisation alternative, la modification du jeu entre le rotor et le stator n'est pas obtenue par une déformation élastique d'une paroi, mais par une modification de la position du rotor dans le stator. Cela s'applique en particulier à une pompe dont le rotor a une forme tronconique ou hémisphérique, et à toute pompe dont l'écoulement du gaz est globalement parallèle à l'axe. L'invention sera décrite ci-après plus en détail à -3- l'aide de quelques exemples de réalisation et des dessins. La figure 1 représente la fonction débit volumique/pression pour des pompes à jeux différents. La figure 2 représente schématiquement une pompe selon l'invention du type à commande magnétique du jeu. La figure 3 montre une pompe à canal latéral selon l'invention, dont les moyens de commande du jeu sont hydrauliques. La figure 4 montre schématiquement une pompe cylindri- que à sillon hélicoidal dont le moyen de commande est pneumatique. La figure 5 montre schématiquement une pompe à rotor tronconique dont le jeu est modifié par déplacement de ce rotor ou du stator. La figure 6 montre une pompe similaire à la précédente, dont le rotor est hémisphérique. La figure 7 montre une pompe à palettes selon l'invention. La figure 8 représente schématiquement une pompe à dou- ble vis dont la paroi statorique comporte plusieurs zones distinc- tes de déformation. En se référant à la figure 2, on voit schématiquement une pompe à vide primaire comprenant un stator i et un rotor 2 tournant autour d'un axe 3. Le rotor est par exemple un disque et le stator comporte des ouvertures d'aspiration et de refoulement non représentées. L'effet de pompage dépend entièrement du jeu en- tre le stator et le rotor. Ce jeu a été représenté sur cette figure (et les suivantes) de façon exagérée. Il s'agit, en réalité, d'une distance inférieure à un dixième de millimètre. Comme on le voit sur la figure 2, les parois 4 et 5 du stator en forme d'anneau, qui se trouvent de part et d'autre du rotor 2, sont des parois minces, qui sont Plastiquement déformables. La déformation de ces parois est obtenue par des moyens de commande magnétique constitués par deux anneaux d'appui 6 et 7 qui sont appliqués contre la face ar- rière de la paroi 4 ou 5 respectivement et peuvent être légèrement déplacés par des électro-aimants, tels que 8, qui s'appuient contre la partie fixe du stator 1. En déformant plus ou moins les parties -4élastiquement déformables 4 et 5 du stator, on peut donc modifier le jeu entre stator et rotor et ainsi modifier les caractéristiques débit-volumique pression de la pompe. On peut, par exemple. modifier le jeu en fonction de la pression régnant du c8té aspiration de la pompe, de sorte qu'on obtienne une caractéristique telle qu'elle est esquissée en traits interrompus sur la figure 1. Le déplacement des parties élastiquement déformables peut non seu- lement 8tre assuré par des moyens électromagnétiques, mais égale- ment par des moyens pneumatiques ou hydrauliques ou mécaniques. La figure 3 montre une pompe à canal latéral dont le rotor 11 est mon- té sur un arbre 12 et tourne dans un stator 13. Les deux canaux la- téraux sont chacun munis d'un tore gonflable 14 et 15 respective- ment, qui est relié à une source de fluide à pression réglable non représentée. La distance latérale entre les aubes du rotor ll et la face en regard des deux tores constitue le jeu qui peut être plus ou moins grand selon la pression du fluide appliqué aux tores. Encore une autre possibilité d'une commande pneumatique ou hydraulique d'une pompe est représentée sur la figure 4. Il s'a- git ici d'une pompe cylindrique à sillon hélicoïdal avec un rotor 16 tournant autour d'un axe 17 à l'intérieur d'un stator 18, égale- ment cylindrique. En regard des spires du rotor 16, le stator est muni d'un tube 19, en élastomère synthétique, qui est fixé fronta- lement dans les deux brides du stator. Ce tube en élastomère syn- thétique délimite une cavité 20 avec le stator qui peut 8tre soumi- se à une pression d'un fluide, tel que l'air. Le tube est donc plus ou moins contracté et rapproché du rotor, suivant l'augmentation de la pression régnant dans la cavité 20. Sur la figure 5, on voit une pompe dont le rotor 21 et le stator 22 ont chacun une forme tronconique et symétrique autour de l'axe 23 de rotation. On peut modifier le jeu 24 entre rotor et stator en déplaçant le rotor axialement dans le stator, ou inver- sement, par une action qui peut être purement mécanique. Il a été indiqué en pointillés sur cette figure une autre position relative du rotor conduisant à un jeu 24' plus réduit. -5- Le déplacement du rotor dans le stator peut être obtenu par tout moyen d'action convenable, tel que des électro-aimants, des pressions d'un fluide, un électromoteur ou un système de commande purement mécanique. Ce principe n'est pas limité à une forme tronconique, mais s'appli- que aussi à d'autres formes, telles que celles représentées sur la figure 6. Il s'agit ici d'une forme hémisphérique, le rotor 25 tour- nant dans le stator 26 autour de son axe 27 de symétrie. On voit de cet exemple qu'il n'est pas absolument nécessaire de ré- duire uniformément le jeu en question, et qu'il suffit d'agir sur ce jeu dans des zones o les fuites de gaz sont particulièrement importantes. Lorsqu'on envisage d'appliquer le principe du jeu va- riable à une pompe à palettes, il suffit en particulier de modifier le jeu dans la zone entre l'orifice d'aspiration et l'orifice de refoulement, car la différence de pression y est la plus élevée. IL faut noter qu'il s'agit dans ce cas d'une paroi métallique déforma- ble que l'on arque plus ou moins par une dépression modulée de vide 38. Le schéma de la figure 7 représente aussi un système de mesure du jeu par pont capacitif. La première électrode d'un condensateur dudit pont (non représenté) est le rotor 37, relié à la masse, et la deuxième électrode 35 est dans un capteur fixé sur la paroi déforma- ble 36. On peut commander la valeur de ce jeu par une boucle d'as- servissement en agissant sur un potentiomètre de consigne. La figure 8, enfin, montre une pompe à double vis ayant deux rotors 28 et 29 tournant autour de deux axes 30 et 31 parallèles. Le stator de cette pompe est divisé en une pluralité de zones, chacune ayant une cavité distincte telle que 32. De telles cavités peuvent non seulement être prévues dans la partie cylindri- que du stator, mais également dans la partie frontale (cavités 33 et 34). En soumettant ces différentes cavités à des pressions différen- tes, on peut établir des jeux différents dans les différentes zones entre le stator et les deux rotors. On peut ainsi concevoir des pompes de caractéristiques très variables. Le même principe d'une subdivision en plusieurs zones déformables peut, bien sûr, être appliqué à d'autres pompes telles que celles des figures 2 à -6- 4, pour tenir compte de la variation non-linéaire des débits massi- ques des fuites de gaz entre l'extrémité d'aspiration et l'extrémité de refoulement de la pompe. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisa- tion esquissés ci-dessus. Au lieu de rendre variable la géométrie du stator, on peut aussi appliquer le même principe au rotor, ce qui est particulièrement intéressant dans le cas de deux rotors coopé- rant dans un stator commun, car dans ce cas, la variation de la géométrie ne concerne pas seulement le jeu entre les rotors et le stator, mais aussi le jeu entre les deux rotors. L'invention n'est pas non plus limitée aux types de pompes mentionnés ci-dessus. Elle peut, au contraire, être appliquée à toute pompe dont le jeu entre rotor et stator est décisif pour le débit massique pompé. Tel est, par exemple, aussi le cas pour une pompe du type Roots ou pour une pompe du type à deux spirales excentrées tangentes, telle que décrite dans le brevet Français 2 141 402. -7- REVENDICATIONS 1/ Pompe à vide primaire comportant un stator (1, 26) et au moins un rotor (2, 11, 16, 21, 25, 28, 29, 37) tournant dans le stator en conservant un jeu de fuite prédéterminé par rapport à celui-ci, caractérisée en ce que ce jeu est rendu variable pendant le pompage grâce à une partie (4, 5, 14, 15, 19, 32, 33, 34, 36) élastiquement déformable de la paroi du rotor et/ou du stator et à un moyen de commande de cette déformation. 2/ Pompe à vide primaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de commande comportent au moins un électro-aimant (8) ou un moyen purement mécanique dont la partie mobile est fixée sur ladite partie (4, 5) élastiquement déformable de la paroi du ro- tor et/ou du stator. 3/ Pompe à vide primaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de commande comportent un fluide à pression régla- ble dans une cavité (14, 15, 20, 32, 33, 34, 38) qui est au moins partiellement délimitée par ladite partie élastiquement déformable de la paroi du rotor et/ou du stator. 4/ Pompe à vide primaire selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que c'est la paroi du stator qui comporte ladite partie élastiquement déformable. / Pompe à vide primaire selon les revendications 3 et 4, comportant un stator à paroi cylindrique de section circulaire, caractérisée en ce que ladite paroi est constituée par un tube en élastomère synthétique ou en métal (19, 36). 6/ Pompe à vide primaire selon les revendications 3 et 4, caractéri- sée en ce que la paroi est subdivisée en tranches (32 à 34) dont les déformations élastiques sont commandées individuellement par des moyens distincts de commande. 7/ Pompe à vide primaire, comportant un stator et un rotor tournant dans le stator en conservant un jeu de fuite prédéterminé par rap- port à celui-ci, caractérisé en ce que le rotor (21, 25) et le sta- tor (22, 26) étant tronconiques ou hémisphériques, le jeu (24) est variable pendant le pompage grâce à un déplacement relatif axial du rotor par rapport au stator et que ce déplacement est obtenu par un -8- moyen de commande.