Brevet FR2850714A1 — publié le 20040806

La présente invention concerne les pompes turbomoléculaires, adaptées pour pomper des gaz et créer un vide poussé dans une enceinte à vide. Les pompes turbomoléculaires ont généralement un stator 5 périphérique multiétagé à ailettes engagées entre des ailettes d'un rotor central multiétagé. Un rotor multiétagé de pompe turbomoléculaire comprend une série axiale d'étages rotors constitués chacun d'une couronne centrale de laquelle partent, en direction sensiblement radiale, 10 des ailettes de rotor réparties régulièrement en périphérie de la couronne centrale. L'ensemble est monté rotatif selon un axe de rotation, et est entraîné par des moyens moteurs. Le stator multiétagé est composé d'une série axiale de stators annulaires formant chacun un étage stator, chaque étage 15 stator étant formé d'une jante annulaire de laquelle partent, en direction sensiblement radiale, des ailettes inclinées. Les ailettes inclinées d'un étage stator viennent s'engager entre les ailettes inclinées de deux étages rotors successifs. On comprend donc que la présence des ailettes imbriquées les unes dans les autres empêche tout mouvement axial du rotor par rapport au stator, soit pour le montage de la pompe turbomoléculaire, soit pour son démontage. Par conséquent, les pompes turbomoléculaires comprennent 25 des moyens permettant le montage et le démontage radial d'éléments du stator autour du rotor. Après avoir réalisé un rotor monobloc multiétagé, on réalise le stator en assemblant progressivement autour du rotor des éléments ou sous-ensembles destinés à constituer le stator. Une première structure connue de stator de pompe turbomoléculaire est illustrée sur la figure 1. Autour d'un rotor monobloc, non représenté sur la figure, on vient adapter progressivement une pluralité de secteurs de stator à ailettes, d'une part pour former des étages stators annulaires, d'autre part 35 pour former la pluralité d'étages stators annulaires décalés axialement pour réaliser les étages successifs du stator. 4358DEP Si l'on considère un rotor orienté avec son axe de rotation vertical, on vient positionner un premier secteur de stator à ailettes 1 entre deux étages rotors successifs à ailettes, par déplacement radial illustré par la flèche 2, et l'on engage un 5 deuxième secteur de stator 3 par déplacement radial opposé selon la flèche 4 pour l'engager entre les mêmes deux étages rotors à ailettes, les deux secteurs de stator 1 et 3 formant un étage stator annulaire. Ensuite, on engage axialement une entretoise annulaire 5, 10 par mouvement selon la flèche 6, l'entretoise 5 venant en appui sur la périphérie des deux secteurs de stator 1 et 3. L'entretoise 5 a la dimension nécessaire pour écarter deux étages stators successifs selon l'écartement de deux étages rotors successifs correspondants. On positionne ensuite de manière similaire les deux 15 secteurs de stator suivants 7 et 8, puis une entretoise annulaire 9, puis deux secteurs de stator 10 et il et une entretoise annulaire 12, et ainsi de suite en fonction du nombre d'étages du stator. On comprend que le montage d'une telle structure est fastidieux, et qu'il nécessite de prévoir des composants dont les dimensions sont déterminées de façon suffisamment précise pour que le cumul des tolérances éventuelles de dimension des composants soit inférieur à la tolérance dimensionnelle axiale du rotor, afin d'éviter le contact entre les ailettes du rotor et les ailettes du 25 stator en cours de fonctionnement de la pompe. Il en résulte un cot de réalisation relativement élevé que l'on pourrait trouver avantage à réduire. La figure 2 illustre une seconde structure connue de pompe turbomoléculaire, comportant des moyens différents pour résoudre le 30 problème de l'imbrication des ailettes du stator dans les ailettes du rotor. Dans cette structure connue, on a illustré le rotor 13, monté rotatif autour de son axe de rotation I-I comme illustré par la flèche 14, et comportant une série d'étages rotors ayant chacun 35 des ailettes inclinées. On distingue ainsi les étages rotors successifs repérés par les références numériques 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f, 13g, 13h et 13i. Le stator 15 est formé de 4358DEP l'assemblage de deux demi-stators 15a et 15b, chaque demi-stator 15a et 15b étant constitué d'une demi-coque 16a ou 16b en forme de demi-cylindre et de laquelle partent radialement vers l'intérieur des ailettes de stator telles que les ailettes 17a et 17b, agencées 5 en une série d'étages stators s'imbriquant avec les ailettes des étages rotors 13a-13i. La présence des deux demi-stators 15a et 15b monoblocs permet de réaliser des pompes insérables, destinées à se loger directement dans un carter ou un système prédéfini du client. 10 Dans cette structure, chaque demistator 15a ou 15b monobloc est usiné dans un bloc de métal pour constituer les ailettes 17a ou 17b. A cause de la configuration et de l'orientation radiale convergente des ailettes, dépassant de la face intérieure concave de la demi-coque périphérique 16a ou 16b, 15 il n'est pas possible d'usiner des ailettes 17a ou 17b dont la longueur radiale excède une longueur maximale déterminée par les possibilités de passage des outils de fraisage des ailettes. Il en résulte que cette structure connue de pompe turbomoléculaire limite le débit maximal de la pompe 20 turbomoléculaire, la limite de débit étant déterminée par la longueur radiale des ailettes. En outre, la réalisation des demi-stators 15a et 15b par usinage est relativement complexe et onéreuse, de sorte que l'intérêt de cette structure de pompe est limité. Le problème proposé par la présente invention est de concevoir une nouvelle structure de pompe turbomoléculaire qui puisse être réalisée à moindre cot, évitant l'assemblage d'un trop grand nombre de pièces ou la réalisation de pièces complexes, et qui permette de réaliser des pompes turbomoléculaires insérables 30 dont le débit est supérieur à celui obtenu par la structure de la figure 2. Un autre problème est également d'éviter d'avoir à réaliser des pièces constitutives dont les dimensions sont très précises, car cela augmente le cot de production de la pompe 35 turbomoléculaire. Pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, l'invention propose une pompe turbomoléculaire ayant un stator périphérique multiétagé à ailettes engagées entre des ailettes d'un rotor central multiétagé, dans laquelle: - le stator comporte plusieurs secteurs de stator à ailettes assemblés autour du rotor, - les secteurs de stator à ailettes sont répartis en plusieurs rangées axiales de secteurs annulaires de stator à ailettes, chaque rangée axiale de secteurs de stator à ailettes est solidaire d'un secteur de coque périphérique et forme ainsi un secteur multiétagé de stator, - les secteurs de stator à ailettes constituent chacun un élément individuel, - les secteurs de stator à ailettes d'une même rangée axiale de secteurs de stator à ailettes sont rapportés et solidarisés à la face interne concave du secteur de coque périphérique 15 correspondant, pour former le secteur multiétagé de stator, - la face interne concave du secteur de coque périphérique comprend des moyens de retenue pour retenir individuellement en position les secteurs de stator à ailettes. Dans une telle structure, les secteurs de stator à 20 ailettes constituent des éléments individuels qui peuvent être aisément fabriqués par usinage de pièces métalliques, et la facilité d'usinage permet de réaliser des stators dont les ailettes ont une dimension radiale supérieure à celle qui peut être réalisée dans une structure de la figure 2. Simultanément, le nombre de pièces à assembler lors du montage d'une pompe turbomoléculaire est réduit par rapport à la structure connue de la figure 1. Et simultanément, les pièces constitutives d'une telle structure de pompe turbomoléculaire peuvent être réalisées avec des 30 tolérances moins strictes que les pièces de la structure de la figure 1, car le secteur de coque périphérique réalise par luimême, avec les moyens de retenue, une entretoise multiétagée qui positionne individuellement les secteurs de stator à ailettes, de sorte qu'il n'y a pas un empilement de plusieurs pièces mises les 35 unes à la suite des autres. 4358DEP s Selon un mode de réalisation avantageux, les secteurs de stator à ailettes comprennent une seule rangée d'ailettes, constituant chacun un secteur de stator monoétagé. On pourra toutefois, sans sortir du domaine de l'invention, imaginer des secteurs de stator à ailettes comprenant deux ou plusieurs rangées d'ailettes, constituant chacun un secteur de stator partiel à ailettes multiétagé, dans la mesure o l'usinage des ailettes le permet. Les secteurs de stator à ailettes peuvent ainsi comprendre 10 au moins une rangée annulaire d'ailettes solidaires d'une jante en forme de secteur de couronne. Selon une première possibilité, la jante peut relier les extrémités extérieures des ailettes, et c'est la jante qui forme alors le bord périphérique du secteur de stator à ailettes et qui 15 se fixe à la face interne concave du secteur de coque périphérique correspondant pour former le secteur multiétagé de stator. Toutefois, on pourra trouver avantage à prévoir que la jante relie les extrémités intérieures des ailettes. En effet, cette structure réalise une meilleure efficacité des performances 20 vide, et la réalisation est facilitée par le fait que l'usinage des ailettes se fait depuis l'extérieur de la jante en secteur de couronne, sur des ailettes en orientations radiales divergentes. Ce sont alors les extrémités extérieures des ailettes qui forment le bord périphérique du secteur de stator à ailettes et qui se fixent 25 à la face interne concave du secteur de coque périphérique correspondant pour former le secteur multiétagé de stator. Les moyens de retenue des secteurs de stator à ailettes sur la face interne concave du secteur de coque périphérique peuvent être de différentes sortes. Selon un mode de réalisation 30 avantageux, la face interne concave du secteur de coque périphérique comprend une pluralité de gorges annulaires, et les secteurs de stator à ailettes comportent chacun au moins un bord périphérique qui vient s'encastrer radialement en force dans l'une des gorges annulaires du secteur de coque périphérique. Dans le cas o les secteurs de stator ont une jante qui relie les extrémités intérieures des ailettes, le ou les bords périphériques des secteurs de stator à ailettes sont constitués par 4358DEP les extrémités extérieures des ailettes desdits secteurs de stator qui viennent s'encastrer radialement en force dans les gorges annulaires correspondantes du secteur de coque périphérique. Dans le cas o les secteurs de stator ont une jante qui 5 relie les extrémités extérieures des ailettes, le ou les bords périphériques des secteurs de stator à ailettes sont constitués par les jantes elles-mêmes qui viennent s'encastrer dans les gorges annulaires du secteur de coque périphérique. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la 10 présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue éclatée en perspective illustrant une première structure de stator de pompe turbomoléculaire connue dans 15 l'état de la technique; - la figure 2 illustre en perspective une vue éclatée d'une seconde structure de pompe turbomoléculaire connue dans l'état de la technique; - la figure 3 est une vue en perspective éclatée montrant la 20 structure générale d'une pompe turbomoléculaire selon un mode de réalisation de la présente invention; - la figure 4 est une vue en perspective illustrant le montage successif des secteurs de stator à ailettes sur les secteurs de coque périphérique correspondants selon l'invention; et - les figures 5 et 6 illustrent deux modes de réalisation de secteurs de stator à ailettes selon l'invention. Les structures connues de pompes turbomoléculaires des figures 1 et 2 ont été décrites précédemment. On se réfère maintenant aux figures 3 et 4 illustrant la 30 structure d'une pompe turbomoléculaire selon un mode de réalisation de la présente invention. Sur la figure 3, la pompe turbomoléculaire selon l'invention comprend un rotor 18 multiétagé, comportant une série d'étages rotors axialement décalés les uns par rapport aux autres 35 et repérés par les références numériques 18a, 18b, 18c, 18d, 18e, 18f, 18g, 18h, 18i et 18j. Chaque étage du rotor 18 est formé d'une couronne intérieure telle que la couronne 19 de laquelle partent 4358DEP des ailettes inclinées telles que l'ailette 18a orientée en direction sensiblement radiale vers l'extérieur. Le rotor 18 est monté rotatif autour d'un axe de rotation I-I comme indiqué par la flèche 20. Le stator est formé de l'assemblage de deux sous-ensembles 21 et 22 formant chacun un secteur de stator multiétagé, qui sont rapportés radialement autour du rotor 18 comme indiqué par les flèches respectives 23 et 23a. Chaque sous-ensemble 21 ou 22 est formé de l'assemblage 10 d'un secteur de coque périphérique respectif 24 ou 25 et d'une rangée axiale de secteurs de stator à ailettes 26 ou 27. On distingue ainsi, dans le mode de réalisation représenté, une première rangée axiale de secteurs de stator à ailettes 26 formée par les secteurs de stator à ailettes 26a,26b, 15 26c, 26d, 26e, 26f, 26g, 26h, 26i et 26j alignés parallèlement à l'axe de rotation I-I. De même, on distingue une seconde rangée axiale de secteurs de stator à ailettes formée par les secteurs de stator à ailettes 27a,27b, 27c, 27d, 27e, 27f, 27g, 27h, 27i et 27j alignés parallèlement à l'axe de rotation I-I. Dans le mode de réalisation de la figure 3, les secteurs de stator à ailettes sont du type à jante intérieure, comme on le voit mieux sur la figure 5. Dans ce mode de réalisation, le secteur de stator à ailettes 26a comprend une rangée annulaire d'ailettes 126a solidaires d'une jante 226a elle-même en forme de secteur de 25 couronne. La jante 226a relie les extrémités intérieures des ailettes de la rangée annulaire d'ailettes 126a. Le bord périphérique 326a du secteur de stator à ailettes 26a est alors formé par les extrémités extérieures des ailettes de la rangée annulaire d'ailettes 126a. L'invention peut également s'appliquer à un second mode de réalisation de secteur de stator à ailettes illustré sur la figure 6. Dans ce cas, on retrouve une jante 226a et une rangée annulaire d'ailettes 126a. La jante 226a relie les extrémités extérieures des ailettes de la rangée annulaire d'ailettes 126a. Le bord 35 périphérique 326a du secteur de stator à ailettes 26a est alors constitué par la jante 226a elle-même. 4358DEP Comme on le voit en relation avec le secteur de coque périphérique 24 de la figure 3, la face interne concave de chaque secteur de coque périphérique 24 ou 25 comprend une pluralité de gorges annulaires. On distingue ainsi les gorges annulaires 24a,24b, 24c, 24d, 24e, 24f, 24g, 24h, 24i et 24j. Chaque gorge annulaire 24a-24j est disposée et conformée pour recevoir le bord périphérique de l'un des secteurs de stator 26a-26j, et pour tenir ainsi individuellement en position lesdits secteurs de stator 26a-26j. Il en est de même du secteur de coque périphérique 25 qui reçoit et retient les secteurs de stator à ailettes 27a-27j. Au montage, on commence par engager les secteurs de stator à ailettes 26a-26j et 27a-27j par engagement radial de leur bord périphérique (tel que le bord périphérique 326a du secteur de 15 stator à ailettes 26a) dans les gorges annulaires correspondantes 24a-24j des secteurs de coque périphérique respectifs 24 et 25, comme illustré par exemple par les flèches 28 et 28a. On réalise ainsi les deux secteurs de stator multiétagés 21 et 22, que l'on peut ensuite assembler radialement sur le rotor 18 comme illustré 20 par les flèches 23 et 23a de la figure 3. On remarquera également que les secteurs de coque périphérique tels que le secteur de coque périphérique 25 peuvent si nécessaire comporter des trous tels que le trou 29, pour favoriser le dégazage de l'espace situé en périphérie des secteurs 25 de coque périphériques 24 et 25. Dans la réalisation illustrée sur les figures 3 et 4, le stator est réalisé par l'assemblage de deux demi-stators multiétagés 21 et 22 constitués chacun d'un secteur de 180 . Dans ce cas, chaque secteur de coque périphérique 24 ou 25 est un demi30 cylindre, et chaque secteur de stator à ailettes 26a-26j et 27a-27j est un demi-anneau. Selon l'invention, en fonction des conformations d'ailettes, on pourra trouver avantage à prévoir un stator réalisé par l'assemblage de trois secteurs multiétagés de stator de 1200 35 chacun, ou de quatre secteurs multiétagés de stator de 900 chacun, ou encore de secteurs multiétagés de stator d'angles différents. 4358DEP Toutefois, la structure illustrée minimise le nombre de pièces à assembler, ce qui peut s'avérer avantageux. Egalement, dans le mode de réalisation illustré sur les figures 3 et 4, le stator est un assemblage radial d'un seul étage 5 de secteurs multiétagés de stator 21 et 22. Autrement dit, dans ce cas, chaque secteur de coque périphérique 24 ou 25 couvre toute la longueur du stator de la pompe turbomoléculaire. En alternative, le stator peut être un assemblage de plusieurs étages de secteurs multiétagés de stator. On peut par 10 exemple imaginer un premier étage de stator tel qu'illustré sur la figure 3, auquel on raccorde axialement un second étage coaxial de stator à structure similaire, avec éventuellement des structures d'ailettes différentes et des diamètres différents. Le stator est alors un assemblage de plusieurs étages de secteurs multiétagés de 15 stator. Après avoir réalisé l'assemblage de la pompe turbomoléculaire telle qu'illustrée sur la figure 3, l'ensemble doit être inséré dans un carter, pour réaliser une pompe turbomoléculaire fonctionnellement complète. On peut alors prévoir 20 un carter spécifique, avec des moyens de fixation à une enceinte à vide. Toutefois, selon l'invention, on peut réaliser une pompe turbomoléculaire insérable, c'est-à-dire adaptée pour être insérée dans un carter ou un système du client tel qu'une enceinte à vide. 25 La pompe est alors installée au plus près de l'application et permet d'optimiser les performances de pompage. Les secteurs de coque 24 et 25 permettent d'enfermer les éléments de la pompe turbomoléculaire, pour constituer un ensemble éventuellement tenu par des moyens d'assemblage provisoire, que l'on peut ôter lors de 30 l'introduction de la pompe dans le système du client. Dans tous les cas, les secteurs de coque 24 et 25 doivent de préférence s'insérer à faible jeu dans le carter ou le système du client, pour assurer entre les secteurs de coque 24 et 25 et le carter ou système du client un bon contact qui favorise les 35 échanges thermiques. La structure de pompe turbomoléculaire selon l'invention autorise toutes les géométries d'ailettes possibles en termes 4358DEP d'inclinaison, de diamètre intérieur, de diamètre extérieur, de hauteur d'étage et d'épaisseur. Ce système permet de simplifier également l'empilement des entretoises et des stators, et de s'affranchir de la chaîne de cotes de ces différents éléments. En outre, cette structure améliore l'échange thermique entre le rotor et le milieu ambiant, par l'intermédiaire des secteurs de coque, en favorisant le contact thermique entre les ailettes du stator et les secteurs de coque, puis entre les secteurs de coque et le carter ou enveloppe périphérique de la pompe, et en réduisant le nombre des discontinuités de transmission thermique grâce au caractère monobloc des secteurs de coque multiétagés. Cette structure permet de proposer une version insérable 15 pour des pompes à vide à plus grand débit. Le nombre de pièces précises est réduit par rapport à un assemblage classique. Le cot de production de la pompe est ainsi fortement diminué. La présente invention n'est pas limitée aux modes de 20 réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations qui sont à la portée de l'homme du métier. 4358DEP Il REVENDICATIONS 1 - Pompe turbomoléculaire ayant un stator périphérique multiétagé à ailettes engagées entre des ailettes d'un rotor central multiétagé (18), dans laquelle: - le stator comporte plusieurs secteurs de stator à ailettes (26a26j; 27a- 27j) assemblés autour du rotor (18), - les secteurs de stator à ailettes (26a-26j; 27a-27j) sont répartis en plusieurs rangées axiales de secteurs de stator à ailettes (26, 27), - chaque rangée axiale de secteurs de stator à ailettes (26, 27) est solidaire d'un secteur de coque périphérique (24, 25) et forme ainsi un secteur multiétagé de stator, caractérisée en ce que: - les secteurs de stator à ailettes (26a-26j; 27a-27j) constituent 15 chacun un élément individuel, - les secteurs de stator à ailettes d'une même rangée axiale de secteurs de stator à ailettes (26, 27) sont rapportés et solidarisés à la face interne concave du secteur de coque périphérique correspondant (24, 25), pour former le secteur 20 multiétagé de stator, - la face interne concave du secteur de coque périphérique (24, 25) comprend des moyens de retenue (24a-24j) pour retenir individuellement en position les secteurs de stator à ailettes (26a-26j). 2 - Pompe turbomoléculaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les secteurs de stator à ailettes (26a-26j; 27a-27j) comprennent une seule rangée d'ailettes, constituant chacun un secteur de stator monoétagé. 3 - Pompe turbomoléculaire selon l'une des revendications 30 1 ou 2, caractérisée en ce que les secteurs de stator à ailettes (26a-26j; 27a-27j) comprennent au moins une rangée annulaire d'ailettes (126a) solidaires d'une jante (226a). 4 - Pompe turbomoléculaire selon la revendication 3, caractérisée en ce que la jante (226a) relie les extrémités 35 intérieures des ailettes de la rangée annulaire d'ailettes (126a). 4358DEP - Pompe turbomoléculaire selon la revendication 3, caractérisée en ce que la jante (226a) relie les extrémités extérieures des ailettes de la rangée annulaire d'ailettes (126a). 6 - Pompe turbomoléculaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que: - la face interne concave du secteur de coque périphérique (24, 25) comprend une pluralité de gorges annulaires (24a-24j), - les secteurs de stator à ailettes (26a-26j) comportent chacun au moins un bord périphérique (326a) qui vient s'encastrer radialement 10 en force dans l'une des gorges annulaires (24a-24j) du secteur de coque périphérique (24). 7 - Pompe turbomoléculaire selon la revendication 6, caractérisée en ce que les bords périphériques (326a) des secteurs de stator à ailettes (26a26j) sont constitués par les extrémités 15 extérieures des ailettes desdits secteurs de stator (26a-26j). 8 - Pompe turbomoléculaire selon la revendication 6, caractérisée en ce que les bords périphériques (326a) des secteurs de stator à ailettes (26a26j) sont constitués par des jantes (226a) qui relient les extrémités extérieures des ailettes desdits 20 secteurs de stator à ailettes (26a-26j). 9 - Pompe turbomoléculaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le stator est un assemblage radial d'un seul étage de secteurs multiétagés de stator (21, 22). 10 - Pompe turbomoléculaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le stator est un assemblage de plusieurs étages de secteurs multiétagés de stator. 11 - Pompe turbomoléculaire selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que les secteurs multiétagés de stator 30 (21, 22) sont des secteurs de 180 . 4358DEP