Brevet FR2668209A1 — publié le 19920424

POMPE D'ASPIRATION MOLECULAIRE La présente invention concerne une pompe d'aspiration moléculaire qui fonctionne de façon à délivrer un gaz depuis le côté d'entrée au côté d'évacuation dans des conditions de flux moléculaire, et, plus particulièrement, une pompe d'aspiration moléculaire composée d'une paire de rotors engrenés parallèles et filetés hélicoïdalement pour décharger un gaz à grande vitesse. Il existe différentes pompes d'aspiration moléculaire connues dans la technique Parmi les types connus de pompes d'aspiration moléculaire, on a une pompe d'aspiration moléculaire qui est composée d'une paire de rotors parallèles, hélicoïdalement filetés, s'engrenant l'un avec l'autre Une telle pompe d'aspiration moléculaire a une structure relativement simple et peut être fabriquée facilement, mais elle ne peut pas décharger un gaz à grande vitesse. De façon plus spécifique, la pompe d'aspiration moléculaire comporte deux rotors engrenés parallèles qui sont hélicoïdalement filetés dans des directions opposées et qui peuvent tourner autour de leurs axes respectifs également dans des directions opposées L'un des rotors a une arête ou filet hélicoïdal à pas à droite et une rainure hélicoïdale à pas à droite, tandis que l'autre rotor a une arête ou filet hélicoïdal à pas à gauche et une rainure hélicoïdale à pas à gauche Ces filets à pas à droite et à gauche sont maintenus engrenés l'un avec l'autre, c'est-à- dire qu'ils sont positionnés dans les rainures à pas à gauche et à droite, respectivement Comme la rainure à pas à droite et le filet à pas à gauche, ainsi que le filet à pas à droite et la rainure à pas à gauche tournent dans la même direction au voisinage de la région o ils s'engrènent l'une avec l'autre, le gaz délivré de l'orifice d'entrée à l'orifice d'évacuation par la pompe filetée hélicoïdalement tend à fuir d'un espace radial qui est défini entre les filets et les rainures engrenés Par conséquent, la pompe d'aspiration moléculaire classique avec des rotors filetés hélicoïdalement ne peut pas décharger le gaz à grande vitesse. A la lumière des inconvénients précédemment cités de la pompe d'aspiration moléculaire classique à rotors filetés hélicoïdalement, un objet de la présente invention est de procurer une pompe d'aspiration moléculaire ayant une paire de rotors parallèles filetés hélicoïdalement qui s'engrènent l'un avec l'autre, pour décharger un gaz à grande vitesse. Selon la présente invention, une pompe d'aspiration moléculaire pour délivrer un gaz dans des conditions de flux moléculaire comporte un boîtier stationnaire ayant un orifice d'entrée et un orifice d'évacuation, une paire de premier et deuxième rotors disposée de façon à pouvoir tourner dans le boîtier stationnaire, les premier et deuxième rotors pouvant tourner autour d'axes respectifs s'étendant parallèlement l'un par rapport à l'autre, les premier et deuxième rotors ayant des premier et deuxième filets hélicoïdaux respectifs et des première et deuxième rainures hélicoïdales respectives, qui sont inclinés hélicoïdalement par rapport aux axes dans une direction, les premier et deuxième rotors étant maintenus engrenés l'un avec l'autre du fait que les premier et deuxième filets hélicoïdaux sont reçus dans les première et deuxième rainures, respectivement, les premier et deuxième filets hélicoïdaux ayant un angle de profil tel que les premier et deuxième filets hélicoïdaux sont étroitement reçus dans les deuxième et première rainures tout en maintenant les premier et deuxième filets sans contact mutuel Un mécanisme d'actionnement est disposé dans le boîtier pour faire tourner les premier et deuxième rotors dans une direction autour d'axes respectifs de ceux-ci afin de déplacer un gaz introduit par l'orifice d'entrée vers l'orifice d'évacuation axialement le long des premier et deuxième rotors. Le mécanisme d'actionnement comporte un moteur pour faire tourner le premier rotor, un premier engrenage couplé coaxialement au premier rotor, un deuxième engrenage couplé coaxialement au deuxième rotor, et un troisième rotor maintenu engrené avec les premier et deuxième engrenages. Les objets, caractéristiques et avantages ci- dessus, ainsi que d'autres, de la présente invention, vont apparaître de façon plus évidente à partir de la description qui suit lorsqu'elle est prise conjointement avec les dessins joints, dans lesquels une réalisation préférée de la présente invention est montée à titre d'exemple illustratif. La figure 1 est une vue axiale en coupe transversale d'une pompe d'aspiration moléculaire avec une paire de rotors parallèles hélicoïdalement filetés engrenés l'un avec l'autre selon la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale prise le long de la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 est une vue schématique montrant la relation de dimensions des rainures et des filets hélicoïdaux des rotors montrés en figure 1; et la figure 4 est une vue en coupe transversale fragmentaire agrandie prise le long de la ligne IV-IV de la figure 3, la vue montrant une rainure hélicoïdale et un filet hélicoïdal reçu à l'intérieur de celle-ci, vus depuis l'un des rotors et étendus linéairement. Les figures 1 et 2 montrent une pompe d'aspiration moléculaire selon la présente invention Comme montré dans les figures 1 et 2, la pompe d'aspiration moléculaire comporte un boîtier stationnaire 1 ayant une section transversale en forme de 8, et une paire de rotors parallèles hélicoïdalement filetés 4, 7 montés de façon à pouvoir tourner dans le boîtier 1 Le rotor 4, qui est situé du côté gauche dans le boîtier 1, a une rainure hélicoïdale à pas à droite 2 A définie dans une surface extérieure circonférencielle et une arête ou filet 3 A hélicoïdal à pas à droite dans la surface circonférencielle extérieure Le rotor 7, qui est situé sur le côté droit dans le boîtier 1, a une rainure hélicoïdale à pas à droite 2 B définie dans une surface circonférencielle extérieure de celui-ci et une arête hélicoïdale ou filet 3 B à pas à droite dans la surface circonférencielle extérieure Les rotors filetés hélicoïdalement 4, 7 sont maintenus en situation d'engrènement par interdigitation l'un avec l'autre de telle sorte qu'un espace radial ou jeu 8 entre les surfaces de crêtes des filets 3 A, 3 B et les surfaces de fond des rainures 2 A, 2 B qui reçoivent les filets 3 A, 3 B soit aussi petit que possible Les rotors 4, 7 peuvent tourner autour de leurs propres axes qui s'étendent parallèlement l'un par rapport à l'autre. Le rotor 4 a un arbre 9 qui est supporté de façon à pouvoir tourner par des roulements à billes 10, 11 sur une base creuse 13 s'étendant à partir d'un bâti 5 qui est monté de façon fixe sur le boîtier 1 L'arbre 9 supporte sur lui un rotor de moteur 12 positionné dans la base creuse 13, et la base creuse 13 supporte sur sa surface intérieure un stator de moteur 14 entourant le rotor de moteur 12. De même, le rotor 7 a un arbre 15 qui est supporté de façon à pouvoir tourner par des roulements à billes 16 (un seul d'entre eux étant représenté) sur une base creuse 17 s'étendant à partir du bâti 5 Cependant, l'arbre 15 ne supporte aucun rotor de moteur et la base creuse 17 ne supporte aucun stator de moteur. Les arbres 9, 15 ont des extrémités inférieures respectives 9 a, 15 a (comme on peut le voir en figure 1) s'étendant au-delà du bâti 5 Les engrenages 18, 19 sont montés de façon fixe respectivement sur les extrémités inférieures saillantes 9 a, 15 a des arbres 9, 15 Les engrenages 18, 19, qui ont le même diamètre, sont maintenus engrenés avec un engrenage central commun 22 qui est monté de façon fixe sur un arbre central 23 L'arbre central 23 est supporté de façon à pouvoir tourner à une extrémité sur le bâti 5 par un roulement à billes 24 et à l'autre extrémité sur le boîtier 1 par un roulement à billes 25. Le boîtier stationnaire 1 possède une ouverture d'extrémité supérieure servant d'orifice d'entrée 20 qui est connectée à un dispositif (non représenté) o le vide doit être fait par la pompe d'aspiration moléculaire. Un gaz qui est déchargé du dispositif pénètre dans le boîtier 1 par l'orifice d'entrée 20, et est délivré par les rotors 4, 7 vers le bas le long de ceux-ci, et est finalement déchargé du boîtier 1 par un orifice d'évacuation 21 qui s'étend à travers le bâti 5 et une paroi d'extrémité inférieure 26 du boîtier 1, et s'ouvre vers les extrémités des rotors 4, 7 en une position o ils s'engrènent l'un avec l'autre. La pompe d'aspiration moléculaire ayant la structure ci- dessus fonctionne comme suit: Tout d'abord, une pompe auxiliaire telle qu'une pompe actionnée hydrauliquement est connectée à l'orifice d'évacuation 21 et actionnée pour diminuer la pression dans le boîtier 1 jusqu'à ce que les conditions de flux moléculaire soient obtenues dans le boîtier 1 Ensuite, le moteur composé du rotor 12 et du stator 14 est activé pour faire tourner l'arbre 9 Les engrenages 18, 19 tournent dans la même direction et à la même vitesse parce qu'ils ont le même diamètre et ils sont maintenus engrenés avec l'engrenage central commun 22 Par conséquent, les rotors 4, 7 tournent dans la même direction autour de leurs propres axes, c'est-à-dire les arbres 9, 15, respectivement. De façon plus spécifique, si le rotor 4 tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre comme montré en figure 2, le rotor 4 tourne également dans le sens inverse des aiguilles d'une montre Le gaz qui est aspiré dans le boîtier 1 par l'orifice d'entrée 20 est introduit dans la rainure à pas à droite 2 A et dans la rainure à pas à droite 2 B, puis il est déplacé vers le bas, c'est-à-dire vers l'orifice d'évacuation 21 Pendant ce temps, le gaz dans la rainure à pas à droite 2 A est délivré en force vers le bas par le filet à pas à droite 3 B, et le gaz dans la rainure à pas à droite 2 B est délivré en force vers le bas par le filet à pas à droite 3 A, lors de la rotation des rotors 4, 7 Comme montré en figure 2, la surface inférieure de la rainure à pas à droite 2 A du rotor 4 et la surface de crête du filet à pas à droite 3 B du rotor 7 tournent dans des directions opposées au voisinage de l'espace radial 8 défini entre celles-ci, et la surface de crête du filet à pas à droite 3 B tourne à une vitesse périphérique supérieure à celle de la vitesse périphérique à laquelle la surface inférieure de la rainure à pas à droite 2 A tourne. Par conséquent, toute fuite du gaz à travers l'espace radial 8 est faible, et le gaz peut être déchargé de la pompe d'aspiration moléculaire à grande vitesse. Pour que la rainure à pas à droite reçoive le filet à pas à droite étroitement à l'intérieur de celle-ci, de telle sorte que les rotors s'engrènent étroitement l'un avec l'autre, il est nécessaire que les conditions suivantes soient satisfaites: la figure 3 montre que la surface de fond de la rainure hélicoïdale 2 A du rotor 4 et la surface supérieure du filet hélicoïdal 3 B du rotor 7 sont maintenues en contact l'une avec l'autre dans la direction radiale La figure 4 montre de façon fragmentaire, à une échelle agrandie, la rainure hélicoïdale et le filet hélicoïdal reçu à l'intérieur de celle- ci, comme on le voit à partir du rotor 7, et étendu de façon linéaire En figures 3 et 4 en A se trouve dénoté le centre du rotor 4, en B le centre du rotor 7, en a le rayon du rotor 4, en b le rayon du rotor 7, en W la hauteur du filet, en a l'angle d'inclinaison du filetage hélicoïdal, et en B l'angle de profil du filet hélicoïdal. Lorsqu'un point P sur le flanc du filet du rotor 7, en un rayon (b-z) du centre B du rotor 7 tourne jusqu'à un point Q, le pont P se déplace axialement vers un point P' d'une distance h, qui est donnée par h = L x tangente a comme montré en figure 4 L dans l'équation ci- dessus représente un arc PQ en figure 3, et est exprimé par L = (b-z) x tangente e A partir du triangle ABQ, on établit l'équation suivante: cos e = {(a + b w)2 + (b z)2 a 2}/{ 2 x (a + b w) x (b z)}. La dimension axiale U du point P' à partir du fond de la rainure hélicoïdale est donnée par U = (w z) x tangente B. Si 0,5 x U > h dans la figure 4, alors, le filet hélicoïdal 3 A du rotor 4 et le filet hélicoïdal 3 B du rotor 7 peuvent tourner sans interférence physique l'un avec l'autre Par conséquent l'angle de profil B qui satisfait à l'expression suivante: tangente B > 2 x {(b z)/(w z) x tangente a x arccos l{(a + b w)2 + (b z)2 a 2)}/{ 2 x (a + b w) x (b z)}l peut être sélectionné pour toute valeur de z, allant de z = O à z = w. Chacun des rotors 4, 7 montrés en figure 1 a un f iletage hélicoïdal unique pour des raisons de brièveté de l'explication Cependant, chacun des rotors 4, 7, peut avoir une pluralité de filets hélicoïdaux, et, par conséquent, une pluralité de rainures hélicoïdales. Avec la présente invention, comme décrite ci- dessus, le gaz dans les rainures hélicoïdales est déplacé par rotation des rotors respectifs et est également déplacé en force par les filets hélicoïdaux des rotors opposés sans qu'il y ait de fuite dans l'espace radial entre les surfaces inférieures des rainures et les surfaces supérieures des filets Par conséquent, le gaz peut être déchargé de la pompe d'aspiration moléculaire à une vitesse accrue. Bien qu'une certaine réalisation préférée ait été montrée et décrite, on comprendra que de nombreux changements et modifications peuvent être faits à l'intérieur de celle-ci sans s'écarter de l'applicabilité des revendications jointes. il REVENDICATIONS 1 Pompe d'aspiration moléculaire caractérisée en ce qu'elle comporte: un boîtier stationnaire ( 1) ayant un orifice d'entrée ( 20) et un orifice d'évacuation ( 21); une paire de premier et deuxième rotors ( 4, 7) disposés de façon à pouvoir tourner dans lesdits boîtiers stationnaires ( 1), lesdits premier et deuxième rotors ( 4, 7) pouvant tourner autour d'axes respectifs s'étendant parallèlement l'un par rapport à l'autre; lesdits premier et deuxième rotors ( 4, 7) ayant des premier et deuxième filets hélicoïdaux ( 3 A, 3 B) et des première et deuxième rainures hélicoïdales ( 2 A, 2 B), qui sont hélicoïdalement inclinés par rapport auxdits axes dans une direction, lesdits premier et deuxième rotors ( 4, 7) étant maintenus engrenés l'un avec l'autre du fait que lesdits premier et deuxième filets hélicoïdaux ( 3 A, 3 B) sont reçus dans lesdites deuxième et première rainures ( 2 B, 2 A), respectivement, lesdits premier et deuxième filets hélicoïdaux ( 3 A, 3 B) ayant un angle de profil (B) tel que lesdits premier et deuxième filets hélicoïdaux ( 3 A, 3 B) soient étroitement reçus dans lesdites deuxième et première rainures ( 2 B, 2 A) tout en maintenant les premier et deuxième filets ( 3 A, 3 B) sans contact l'un avec l'autre, et des moyens dans ledit boîtier stationnaire ( 1) pour faire tourner lesdits premier et deuxième rotors ( 4, 7) dans une direction autour des axes respectifs de ceux-ci de façon à déplacer un gaz introduit dans ledit orifice d'entrée ( 20) vers ledit orifice d'évacuation ( 21) axialement le long desdits premier et deuxième rotors ( 4, 7). 2 Pompe d'aspiration moléculaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens comportent un moteur ( 12, 14) pour faire tourner ledit premier rotor ( 4), un premier engrenage ( 18) couplé coaxialement audit premier rotor ( 4), un deuxième engrenage ( 19) couplé coaxialement audit deuxième rotor ( 7) et un troisième rotor maintenu engrené avec lesdits premier et deuxième engrenages ( 18, 19). 3 Pompe d'aspiration moléculaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit angle de profil est défini comme étant B selon l'expression: tangente B > 2 x {(b z)/(w z)} /x tangente a x arccos l{(a + b w)2 + (b z)2 a 2)}/{ 2 x (a + b w) x (b z)}l o a est le rayon dudit premier rotor, b est le rayon dudit deuxième rotor, W est la hauteur dudit deuxième filet hélicoïdal, z est la distance d'un point sur le flanc dudit deuxième filet hélicoïdal ( 3 B) à partir de la surface de crete de celui-ci, et a est l'angle d'inclinaison dudit deuxième filet hélicoïdal ( 3 B).