Brevet FR2723766A1 — publié le 19960223

Pompe à vide à vis La présente invention se rapporte à une pompe à vide a vis et, plus particulièrement, à une pompe à vide volumétrique à vis, qui est d'une conception comportant un rotor en forme de vis à étage unique et réduisant la puissance consommée dans le domaine du vide poussé. Les pompes à vide sont largement utilisées dans toutes sortes d'industries, telles que l'industrie de fabrication des semiconducteurs, l'industrie métallurgique, l'industrie chimique, et autres. Comme pompes à vide connues, il existe, par exemple, la pompe à vide à anneau liquide d'étanchéité, le dépresseur Root, la pompe à vide du type à vis et la pompe à vide du type à éjecteur. Dans la pompe à vide à anneau liquide d'étanchéité, des matières étrangères sont conduites d'une ouverture d'aspiration à une ouverture de refoulement en étant directement en contact avec le liquide au cours de la réalisation du vide. Par conséquent, la pompe à vide à anneau liquide d'étanchéité ne peut pas être utilisée avec succès dans les industries d'affinage, telles que l'industrie de fabrication des semiconducteurs, l'industrie pharmaceutique et analogues, qui excluent toute pénétration d'impuretés. C'est pourquoi des pompes à vide sèches ou dépourvues d'anneau liquide ont été utilisées pour assurer que le gaz, devant être évacué pour l'établissement d'un vide, ne soit pas en contact avec du liquide. Cependant, si ce type de pompe à vide peut être employé dans le domaine du vide moyen, il ne convient pas pour une utilisation dans le domaine du vide grossier (moins de ,33.104 Pa environ), car la fuite de gaz d'entre les rotors croit au point d'élever fortement la température du gaz, ce qui se traduit par une calcination des rotors. Afin de résoudre le problème affectant la pompe à vide dépourvue d'anneau liquide, une pompe à vide à vis à étages multiples a été suggérée, pour éviter une génération de chaleur et donc une calcination des rotors. Si cette pompe à vide à vis à étages multiples convient pour une utilisation sur une plage allant du domaine du vide grossier au domaine du vide poussé, elle présente certains inconvénients à voir dans le fait que sa conception n'est pas simple, que son coût est élevé et que l'espace requis pour une capacité donnée de la pompe est augmenté. On se réfère à la figure 6 qui montre une pompe à vide traditionnelle à étages multiples du type dépresseur Root. A l'intérieur de l'enveloppe de la pompe, sont formées trois chambres séparées par des cloisons. Sur deux arbres jumelés 20 situés à l'intérieur des chambres, sont montés trois rotors, c'est-à-dire, respectivement, un rotor 21 pour le premier étage, un rotor 22 pour le deuxième étage et un rotor 23 pour le troisième étage. Ces rotors ont des largeurs qui diminuent dans une relation géométrique. Dans l'enveloppe de la pompe, sont formés, sur un côté de cette dernière, un orifice d'entrée 24 pour le premier étage, un orifice d'entrée 26 pour le deuxième étage et un orifice d'entrée 28 pour le troisième étage. Sur le côté opposé de l'enveloppe, sont ménagés un orifice de sortie 25 pour le premier étage, un orifice de sortie 27 pour le deuxième étage et un orifice de sortie 29 pour le troisième étage, dont chacun communique respectivement avec l'orifice d'entrée correspondant. L'assemblage est simplifié et le besoin en place a été réduit par l'utilisation des rotors à vis unifiés. Un inconvénient que l'on rencontre avec la pompe à vide à étages multiples du type dépresseur Root, est cependant que celle-ci tend à être affectée par une réduction importante de son rendement de pompage. Pour cette raison, l'utilisation de la pompe à vide à étages multiples du type dépresseur Root est grandement limitée. Il existe, par conséquent, une forte demande pour une pompe à vide perfectionnée, qui soit en mesure de réaliser des performances de pompage efficace à une pression relativement élevée. La figure 7 montre une pompe à vide du type à vis, à étages multiples, décrite dans la demande de brevet Japonais publiée avant examen No. 6336086, qui a été proposée pour satisfaire les exigences mentionnées cidessus. Son carter renferme une chambre à rotors, qui présente une première ouverture d'aspiration 37 et une première ouverture de refoulement 38 (entourées chacune par un cercle en traits mixtes), ainsi qu'une deuxième ouverture d'aspiration 39 et une deuxième ouverture de refoulement 40 (entourées chacune par un cercle en traits interrompus), et qui comporte une première paire de rotors à vis mâle 32 et femelle 33, engrenant l'un avec l'autre, qui sont reçus en rotation dans la chambre à rotors, ainsi qu'une deuxième paire de rotors à vis mâle 34 et femelle 35, le pas P2 des rotors à vis de cette deuxième paire étant plus court que le pas Pl des rotors à vis 32 et 33 de la première paire. Tous les tronçons filetés des rotors à vis ont la forme d'un arc 50, d'une courbe d'Archimède 51 et d'une épitrochoide 52. Toutefois, les vis de la pompe objet de la demande de brevet japonais publiée avant examen No. 63-36086 ont un pas constant, si bien qu'elles n'ont pas tendance à comprimer le gaz sur la longueur de la vis et, par conséquent, cette pompe n'est pas adaptée pour une application dans le domaine du vide relativement poussé. De plus, la pompe possède des rotors à vis à double étage, de sorte que son assemblage est compliqué, les besoins en place sont augmentés, et son coût est élevé. Dans ces conditions, une pompe à vide du type sans huile à étage unique, adaptée pour être utilisée sur une plage allant du domaine du vide grossier au domaine du vide poussé, est devenue nécessaire. La présente invention répond à cette demande et procure des avantages additionnels qui y sont liés. Un but de la présente invention est de procurer une pompe à vide à vis, qui puisse réaliser un vide sur une large plage, avec un rendement élevé, à l'aide d'un rotor à vis à étage unique. Un autre but de la présente invention est de procurer une pompe à vide à vis, qui puisse réduire la puissance consommée par comparaison avec une pompe volumétrique à vis traditionnelle. Un autre but encore de la présente invention est de procurer une pompe à vide à vis, qui puisse être fabriquée à l'aide d'un nombre réduit de composants, pour ainsi réduire les besoins en place. Selon la présente invention, il est proposé une pompe volumétrique à vis comprenant un corps qui délimite une chambre, au moins une entrée et au moins une sortie pour l'admission d'un gaz dans la chambre et pour le refoulement de ce gaz hors de la chambre, et deux vis engrenant l'une avec l'autre, qui sont montées en rotation à l'intérieur de la chambre pour transporter le gaz de l'entrée jusqu'à la sortie, caractérisée en ce que le pas des vis diminue de leur extrémité d'entrée à leur extrémité de sortie, pour provoquer une compression du gaz délivré. Avantageusement, la variation continue ou la réduction continue de la longueur du pas, de l'extrémité d'entrée à l'extrémité de sortie, peut être obtenue par la relation suivante: Pas à l'extrémité de sortie/Pas à l'extrémité d'entrée>ni/k dans laquelle, Ad - rapport des pressions calculé sous la condition que l'opération se fasse dans un processus adiabatique et que le travail effectué soit constant (C1=0), et k est une constante propre au gaz. Selon une autre caractéristique de l'invention, la forme des dents dudit rotor à vis comprend une épitrochoïde et une courbe d'Archimède. Un mode de réalisation de la pompe objet de la présente invention va maintenant être décrit plus en détails, mais uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale de la pompe à vide à vis conforme à ce mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en élévation des rotors de la pompe à vide à vis de la figure 1; - la figure 3 représente une vue, en direction axiale, des tronçons filetés des rotors, utilisés dans la présente invention; - la figure 4 est un diagramme pression/volume se rapportant à la pompe de la figure 1; - la figure 5 est un diagramme travail/pression se rapportant à cette même pompe; - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'une pompe à vide traditionnelle du type dépresseur Root; et - la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'une pompe à vide à vis traditionnelle à deux étages. Sur les figures 1 et 2, qui représentent une pompe à vide à vis à étage unique selon la présente invention, ainsi que les rotors 4 et 5 de cette dernière, la référence numérique 1 désigne, dans son ensemble, un carter qui renferme les éléments constitutifs de la pompe. Le carter i comprend, à l'une de ses extrémités, une ouverture d'entrée 2 (entourée par un cercle en traits mixtes) mise en communication avec une enceinte dans laquelle un vide doit être établi, pour que le gaz contenu dans cette dernière soit aspiré à travers l'ouverture d'entrée 2, tandis qu'à l'autre extrémité du carter 1, se trouve une ouverture de sortie 3 destinée à refouler le gaz aspiré à l'extérieur de la pompe. A l'intérieur du carter 1, sont montés deux rotors à vis 4 et 5, positionnés de façon à engrener l'un avec l'autre, avec un jeu fonctionnel interne pratiquement nul, et à permettre l'écoulement du gaz le long des rotors à vis 4 et 5. Le pas des vis peut varier dans le sens de la longueur de ces dernières ou, en variante, le pas des vis peut diminuer de l'extrémité d'entrée de ces dernières à l'extrémité de sortie. Les rotors à vis 4 et 5 sont montés à rotation, à l'une de leurs extrémités, dans des pignons dentés de synchronisation 6 et 7, qui engrènent l'un avec l'autre pour assurer que les rotors à vis 4 et 5 tournent à la même vitesse dans des sens opposés. Au cours du fonctionnement normal de la pompe, visant à acheminer un fluide de l'ouverture d'entrée à l'ouverture de sortie ménagées dans le carter, le rotor menant 4 est entraîné en rotation par un moteur approprié (non représenté), et le rotor mené 5 est également entrainé à la même vitesse de rotation, par l'intermédiaire des pignons dentés de synchronisation 6 et 7, qui assurent précisément que les rotors à vis 4 et 5 tournent à la même vitesse de rotation. Ainsi que le montre la figure 2, comme chacun des rotors à vis 4 et 5 a un pas qui varie d'une façon continue dans le sens de sa longueur, le gaz pompé peut être comprimé au niveau de la zone de contact entre trois tronçons filetés des rotors à vis 4 et 5. Le pas des rotors à vis 4 et 5 pourrait être réduit d'une façon continue le long de ces derniers. Il s'ensuit qu'un rapport de compression souhaité peut être obtenu avec la pompe à vide à vis à étage unique, perfectionnée, de la présente invention. Les références numériques 8 et 9 désignent les deux flasques d'extrémité supportant les rotors à vis 4 et 5, flasques qui ne sont pas décrits en détails. La référence numérique 10 désigne un capot d'extrémité, dans lequel une huile lubrifiante est maintenue en réserve, et la référence numérique 11 désigne un distributeur d'huile destiné à fournir l'huile lubrifiante à un palier. Comme décrit ci-dessus, la pompe conforme à la présente invention procure un avantage tenant au fait qu'elle procède à une modification de volume (compression) du gaz aspiré, au cours de son passage le long des rotors à vis. La modification de volume du gaz, c'est-à-dire le rapport Vi des volumes, peut s'exprimer comme suit: V V1 Vi = V2 V1 étant le volume du gaz à l'extrémité d'entrée, et V2 étant le volume du gaz juste avant qu'il soit refoulé à l'ouverture de sortie. Comme le volume du gaz aspiré change, il est clair qu'une modification de la pression du gaz délivré à l'intérieur du carter peut également avoir lieu. Si la modification de pression, dénommée rapport ni des pressions, à l'intérieur du carter, se produit sous les conditions adiabatiques, le rapport ai des pressions peut s'exprimer comme suit: Ai = k.Vi, k étant une constante propre au gaz. Le diagramme pression/volume de la figure 4 illustre le travail effectué par le système de pompe, qui est représenté par l'aire des surfaces hachurées W1 et W2. Ainsi, le travail total N effectué par le système de pompe peut être déterminé par l'équation: N = W1 + W2 ou Pi P2 N = fVdP + fVdP Pl Pi Comme W1 et W2 peuvent être déterminés par les équations suivantes: k W1 = Pl - V1 ( i(k-)/k- 1) k - 1 et VI W2 =( P2) P( Pl V (k-l)/k i 1/k le travail total N effectué par le système de pompe peut être réécrit sous la forme: X i(k-l)/kk VI N = V1 () - P1 + P2 k-i Xri/k k - 1 il et, puisque P2 doit être constante comme étant la pression atmosphérique, l'équation peut s'exprimer comme suit: N = C1.Pl + C2 Considérant que C1 et C2 sont des constantes, la condition par laquelle le travail total effectué est toujours constant, peut s'exprimer par C1 = 0. Par conséquent, l'équation suivante peut être obtenue: i (k-1)/k - k = 0 ou ni = kk/(k-l) En supposant que le gaz devant être pompé est de l'air, alors k - 1,4 et ni = 3,2. On va maintenant se référer à la figure 5, qui montre un diagramme travail/pression se rapportant à la pompe conforme à l'invention, diagramme qui a été établi avec les conditions respectives C1 > O, C1 = O et C1 grandeur constante, en dépit de la modification de pression. Dans le cas o C1 a une valeur inférieure à zéro, le travail effectué, dans la phase initiale de pompage, est présenté comme ayant une valeur relativement grande. Cela étant, plus la pression augmente, moins le travail exigé est élevé. Ainsi, sous la condition Ci appliquée avec succès au domaine du vide poussé. Sous la troisième condition, Ci > 0, le travail effectué diminue progressivement de la phase initiale de pompage à la phase finale de pompage, de sorte que, dans ce cas, la pompe peut être appliquée au domaine du vide poussé. Sur la base des relations présentées plus haut, les interprétations suivantes peuvent être données: (1) Le ai est une fonction du travail effectué. Ainsi, si le ni doit changer, alors le travail effectué peut être modifié. (2) Si le travail effectué conserve une valeur constante, de la plage de pression atmosphérique initiale au domaine final visé du vide, le ui est égal à kk/(k-î) et ni de l'air possède une valeur de 3,2. Une certaine adaptation est, toutefois, nécessaire pour compenser la résistance à l'écoulement, engendrée dans la région de l'ouverture de sortie du système de pompe. (3) Si a. est augmenté, le travail effectué dans le domaine du vide poussé peut être maintenu à une valeur minimale. Par conséquent, pour obtenir une pompe qui assure un travail minimal effectué dans le domaine du vide poussé, il est nécessaire de considérer la capacité Q de la pompe. La capacité Q de la pompe est déterminée à l'aide des équations suivantes: Q = - (D2 - d2) L et L = n. D. tana dans lesquelles Q est le volume de l'espace formé entre les dents adjacentes des rotors à vis, D est le diamètre extérieur des rotors à vis, d est le diamètre intérieur des rotors à vis, a est le rapport de la circonférence d'un cercle à son diamètre, L est la longueur du pas des rotors à vis, et a est l'angle des dents. La performance en capacité de la pompe étant déterminée par les relations ci-dessus, il s'avère que la capacité de la pompe est une fonction de la longueur du pas et, par conséquent, une fonction de l'angle des dents des rotors à vis. Les relations exposées ci- dessus sont réécrites comme suit: Or Qs = (D2 d2), r D tana1 et Or Qd = (D2- d2) - r D * tana2 4 Dès lors, il est possible de réécrire les relations ci- dessus sous la forme: Qs tana1 Qd tana2 ou tana 2 Qd = Qs tan a Q. étant le volume de l'espace formé entre les dents adjacentes à l'extrémité d'entrée, Qd étant le volume de l'espace formé entre les dents adjacentes à l'extrémité de sortie, a, étant l'angle de la dent à l'extrémité d'entrée, et a2 étant l'angle de la dent à l'extrémité de sortie. Dans le cas o la pompe a des dents dont le pas varie de façon continue dans le sens de sa longueur, la relation entre Qd et Q. est déterminée généralement comme étant Qd Comme cela ressort des relations précédemment mentionnées, une fois qu'un rapport de compression nS a été trouvé, la longueur du pas peut être déterminée. La diminution continue de la longueur du pas détermine une modification de tana. En donnant des valeurs à tana, on déduira des relations mentionnées cidessus que la diminution continue de la longueur du pas peut être obtenue. En donnant des valeurs à nd, que l'on trouve sous la condition C1 = 0, on déduira que la valeur du rapport Vi des volumes doit être supérieure à celle de %i/k, nt étant calculé sous la condition C1 = 0, de sorte que la réduction de la consommation d'énergie dans le domaine du vide poussé peut être obtenue. On comprendra qu'en disposant des relations établies pour la condition présélectionnée, la modification continue de la longueur du pas peut être produite pour qu'une réduction de la consommation d'énergie, quand la pompe fonctionne dans le domaine du vide poussé, puisse être obtenue. Par l'utilisation d'un rotor à vis à étage unique, l'ensemble conforme à l'invention est grandement simplifié, de telle sorte que le besoin en place peut être réduit, par comparaison avec une pompe volumétrique traditionnelle à vis à étages multiples. REVENDICATIONS 1. Pompe volumétrique à vis comprenant un corps (1) qui délimite une chambre, au moins une entrée (2) et au moins une sortie (3) pour l'admission d'un gaz dans la chambre et pour le refoulement de ce gaz hors de la chambre, et deux vis (4,5) engrenant l'une avec l'autre, qui sont montées en rotation à l'intérieur de la chambre pour transporter le gaz de l'entrée (2) jusqu'à la sortie (3), caractérisée en ce que le pas des vis (4,5) diminue de leur extrémité d'entrée à leur extrémité de sortie, pour provoquer une compression du gaz délivré. 2. Pompe volumétrique à vis selon la revendication 1, caractérisée en ce que la variation continue ou la réduction continue de la longueur du pas, de l'extrémité d'entrée à l'extrémité de sortie, peut être obtenue par la relation suivante: Pas à l'extrémité de sortie/Pas à l'extrémité d'entrée>ni/k dans laquelle, Ri = rapport des pressions calculé sous la condition que l'opération se fasse dans un processus adiabatique et que le travail effectué soit constant (C1 = 0), et k est une constante propre au gaz. 3. Pompe volumétrique à vis selon la revendication i ou 2, caractérisée en ce que la forme des dents desdits rotors à vis (4,5) comprend une épitrochoïde et une courbe d'Archimède.