Brevet FR2964163A1 — publié le 20120302

POMPE A VIDE DE TYPE SECHE La présente invention concerne le domaine des pompes à vide et plus particulièrement les pompes à vide de type sèche telle qu'une pompe à vide à lobes rotatifs, notamment de type multi-étagée, telle que de type « Roots » ou « Claw », ou telle qu'une pompe à vide à spirale (« Scroll »), ou encore telle qu'une pompe à vide à vis. Généralement, ces pompes à vide de type sèche comportent un ou plusieurs étages placés en série dans lequel circule un gaz à pomper entre une entrée d'admission des gaz et une sortie de refoulement des gaz. On distingue parmi les pompes à vide de type sèche connues, celles à lobes rotatifs également connues sous le nom « Roots » avec deux ou trois lobes (bi-lobes, tri-lobes) ou celles à double bec, également connues sous le nom « Claw ». De façon générale, les pompes à vide de type sèche à lobes rotatifs « Roots » comprennent deux rotors de profils identiques, tournant à l'intérieur d'un stator (corps de pompe) en sens opposé. Lors de la rotation, le gaz aspiré est emprisonné dans l'espace libre compris entre les rotors et le stator, puis il est refoulé par l'échappement. Le fonctionnement s'effectue sans aucun contact mécanique entre les rotors et le corps de la pompe à vide de type sèche, ce qui permet l'absence totale d'huile dans la chambre de compression. Les pompes à vide de type sèche double bec « Claw » comprennent également deux rotors à lobes, tournant en sens contraire dans un cylindre, en aspirant le gaz et le comprimant. Toutefois, la forme des lobes est particulière pour assurer une compression sèche. Les rotors sont portés par des arbres de rotor, eux-mêmes guidés en rotation par des 25 paliers situés aux deux extrémités des arbres de rotor. Le guidage en rotation se fait par l'intermédiaire d'un roulement dont la bague externe est solidaire du stator tandis que la bague interne est solidaire en rotation de l'arbre BRT0641 (807514) de rotor. En fonctionnement, notamment lors d'une charge élevée de la pompe (hautes pressions) ou de rythmes de pompage rapides, la compression des gaz pompés s'accompagne d'un dégagement de chaleur entraînant un échauffement du rotor. Afin de limiter cet échauffement, le stator peut comprendre des systèmes de refroidissement des paliers pour dissiper la chaleur du rotor. Le différentiel de température entre le rotor et le stator de la pompe peut atteindre 100 à 150°C ce qui engendre de fortes contraintes mécaniques au niveau des roulements du fait de la dilatation thermique. Pour résoudre ce problème, une solution de l'état de la technique est d'augmenter les jeux internes des roulements pour compenser les effets de la dilatation thermique. Cependant, avec une telle solution, les jeux radiaux internes du roulement sont trop grands à basse température ce qui altère le guidage des arbres de rotor et peut conduire à une usure prématurée. Le but de la présente invention est donc de proposer une pompe à vide de type sèche assurant un guidage efficace de l'arbre de rotor tout en diminuant les problèmes de jeux liés à la dilatation thermique. Ainsi, la présente invention concerne une pompe à vide de type sèche comprenant -un stator, - au moins un arbre de rotor supporté en rotation dans au moins un palier associé du stator par l'intermédiaire d'un roulement, - un logement central présentant une paroi axiale et une paroi radiale, est ménagé à une 25 extrémité de l'arbre de rotor, - le stator comporte un axe de support du roulement faisant saillie dans le logement central, et - le roulement est interposé entre l'axe de support du roulement et la paroi axiale du logement central de l'arbre de rotor. 30 Selon un aspect, le roulement peut comprendre une bague intérieure solidaire de l'axe de support du roulement et une bague extérieure solidaire en rotation de la paroi BRT0641 (807514) axiale du logement central de l'arbre de rotor. Selon un autre aspect, l'axe de support du roulement est réalisé d'un seul tenant avec le stator. Selon un aspect alternatif, l'axe de support du roulement peut être formé par un 5 tenon fixé dans une ouverture ménagée dans le stator et traversant celle-ci. Selon un aspect supplémentaire, la pompe à vide de type sèche peut comprendre un joint d'arbre solidaire en rotation de l'arbre du rotor et configuré pour frotter sur l'axe de support du roulement. En outre, on peut prévoir que la pompe à vide de type sèche comprend un canal de 10 circulation d'un fluide caloporteur ménagé dans l'axe de support du roulement. Selon un aspect, le canal de circulation du fluide caloporteur peut comprendre - une entrée accessible depuis l'extérieur de la pompe à vide de type sèche et destinée à être raccordée à une arrivée du fluide caloporteur, - une sortie débouchant à l'extérieur de la pompe à vide de type sèche et destinée à être 15 raccordée à une évacuation du fluide caloporteur, - une conduite centrale connectée à l'entrée du canal de circulation, s'étendant vers l'extrémité de l'axe de support du roulement et, - une évacuation périphérique à la conduite centrale et communiquant avec celle-ci à une extrémité, ladite évacuation périphérique étant connectée à la sortie du canal de circulation 20 du fluide caloporteur. Selon un autre développement, la pompe à vide de type sèche peut comprendre une conduite d'injection d'un gaz de balayage ménagée dans l'axe de support du roulement et destinée à être connectée à une arrivée de gaz de balayage d'une part et débouchant à l'extrémité de l'axe de support du roulement au niveau du logement central d'autre part. 25 Selon encore un autre aspect, la pompe à vide de type sèche peut comprendre une résistance chauffante logée dans l'axe de support du roulement. En outre, la pompe à vide de type sèche peut comprendre une conduite d'amenée d'un lubrifiant ménagée dans l'axe de support du roulement et débouchant sur un orifice de lubrification du roulement, ladite conduite d'amenée étant obturée du côté extérieur à la 30 pompe à vide de type sèche par un piston pouvant coulisser le long de la conduite d'amenée. BRT0641 (807514) D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, un mode de réalisation possible. Sur ces dessins: - la figure 1 représente une vue schématique d'éléments d'une pompe à vide de type sèche; - la figure 2 représente une vue schématique en coupe de l'extrémité d'un arbre de rotor et 10 du palier associé selon un premier mode de réalisation; - la figure 3 représente une vue schématique en coupe de l'extrémité d'un arbre de rotor et du palier associé selon un deuxième mode de réalisation; - la figure 4 représente une vue schématique en coupe de l'extrémité d'un arbre de rotor et du palier associé selon un troisième mode de réalisation; 15 - la figure 5 représente une vue schématique en coupe de l'extrémité d'un arbre de rotor et du palier associé selon un quatrième mode de réalisation; - la figure 6 représente une vue schématique en coupe de l'extrémité d'un arbre de rotor et du palier associé selon un cinquième mode de réalisation; - la figure 7 représente une vue schématique en coupe de l'extrémité d'un arbre de rotor et 20 du palier associé selon un sixième mode de réalisation; Sur toutes ces figures, les mêmes éléments portent les mêmes numéros de référence. 25 L'invention s'applique à tout type de pompe à vide de type sèche comportant un ou plusieurs étages, telle qu'une pompe à vide de type « Roots », une pompe à vide à double bec, ou une pompe à vide à compresseurs hélicoïdaux. On a représenté à titre d'exemple sur la figure 1, une pompe à vide 1 sèche de type Roots multi-étagée. Pour faciliter la compréhension, seuls certains éléments nécessaires 30 pour illustrer le fonctionnement de la pompe ont été représentés. Sur cette figure, la pompe à vide de type sèche 1 comporte cinq étages la, lb, 1 c, BRT0641 (807514)5 1d et le, dont seuls les trois quart du stator 2 (aussi appelé corps de pompe) du premier étage la sont représentés. Les étages la-le sont placés en série et comportent une chambre de pompage 3 dans laquelle un gaz à pomper circule depuis une entrée d'admission des gaz 4 vers une sortie intermédiaire de refoulement des gaz 5 (le sens de circulation des gaz est illustré par les flèches G sur la figure 1). En outre, la pompe 1 comporte deux rotors 6, 7 comportant respectivement un arbre de rotor 8, 9, les arbres de rotor 8, 9 étant supportés en rotation par des roulements montés sur paliers situés aux extrémités de la pompe à vide 1 (non représentées sur cette figure). Les arbres 8, 9 sont montés en parallèles et tournent autour des axes de rotation respectifs I-I et II-II. Chaque arbre 8, 9 comporte deux lobes rotatifs 10a, 10b, 11a, 11 b dans chaque étage la-le. Les lobes rotatifs 10a, 10b, 11a, llb sont par exemple rapportés et fixés sur les arbres respectifs 8, 9, par des vis d'assemblage 11. Les lobes rotatifs 10a, 10b, 11a, llb présentent des profils identiques décalés d'environ 90° pour tourner de façon synchronisée en sens inverse. Lors de la rotation, le gaz aspiré est emprisonné dans l'espace libre compris dans la chambre de pompage 3, entre les rotors 6, 7 et l'intérieur du stator 2, puis est refoulé vers la sortie intermédiaire 5 pour être entraîné à l'aspiration de l'étage suivant jusqu'au refoulement général de la pompe 1. Le fonctionnement de la pompe sèche 1 s'effectue sans aucun contact mécanique entre les rotors 6, 7 et l'intérieur du stator 2, ce qui permet l'absence d'huile dans les chambres de pompage 3 des étages la-le. La structure détaillée d'un palier 12, c'est à dire de la partie fixe supportant le rotor en rotation par l'intermédiaire d'un roulement 13 est représentée sur la figure 2. Comme on le voit sur cette figure, l'arbre de rotor 8 comporte à son extrémité 15 un logement central 14 présentant une paroi axiale 16 et une paroi radiale 18. Ce logement central 14 est de forme cylindrique et comprend un épaulement 20 destiné à maintenir le roulement 13 en position. Le stator 2 comporte un axe de support du roulement formé par un tenon 22. Le tenon 22 est fixé dans une ouverture 23 ménagée dans le stator 2 et traverse l'ouverture 23 de manière à faire saillie dans le logement central 14. Le tenon 22 est de forme cylindrique et présente un épaulement 24 destiné à maintenir le roulement 13 en position. Le roulement 13 vient s'interposer entre l'axe de support du roulement formé par le BRT0641 (807514) tenon 22 et la paroi axiale 16 du logement central 14 de l'arbre de rotor 8 afin de permettre le guidage en rotation de l'arbre de rotor 8. Le roulement 13 comprend une bague intérieure 26 solidaire du tenon 22 et une bague extérieure 28 solidaire en rotation de la paroi axiale 16 du logement central 14 de l'arbre de rotor 8. Entre la bague intérieure 26 et la bague extérieure 28 du roulement 13 cheminent des billes de roulement 30 assurant la rotation de la bague extérieure par rapport à la bague intérieure 26. Les solidarités de la bague extérieure 28 du roulement 13 sur la paroi axiale 16 du logement central 14 d'une part et du tenon 22 sur la bague intérieure 26 du roulement 13 d'autre part sont obtenues par un montage serré. Néanmoins, le serrage est dosé de sorte que le tenon 22 peut être désolidarisé de la bague intérieure 26 et démonté du stator 2 lorsque la pompe à vide de type sèche 1 n'est pas en fonctionnement. Ainsi, en cas d'échauffement de l'arbre de rotor 8, sa dilatation tend à diminuer les contraintes mécaniques appliquées sur la bague externe 28 du roulement 13 tandis qu'un refroidissement du tenon 22 (par exemple en utilisant des moyens de refroidissement (non représentés sur la figure) au niveau du stator 2) tend à diminuer les contraintes mécaniques appliquées sur la bague interne 26 du roulement 13. La configuration du palier 12 et de l'arbre de rotor 8 permet donc de réduire les contraintes imposées au roulement 13 liées au différentiel de température entre l'arbre de rotor 8 et le stator 2 qui s'instaure en fonctionnement. Cela a pour conséquence que l'on n'a plus besoin de prévoir de tolérances fonctionnelles pour prendre en compte la dilatation thermique pour certains régimes de fonctionnement. De plus, ceci permet l'utilisation de roulements 13 que l'on trouve communément dans le commerce. Par ailleurs, le roulement 13 est bloqué latéralement d'une part par l'épaulement 20 25 de la paroi axiale 16 et d'autre part par l'épaulement 24 du tenon 22 par l'intermédiaire de moyens de précontrainte 32 comme par exemple des rondelles élastiques. En outre, afin d'assurer l'étanchéité du palier 12 vis-à-vis de la chambre de pompage 3, un joint d'arbre 34 solidaire en rotation de l'arbre de rotor 8 et frottant sur le tenon 22 est disposé entre le roulement 13 et l'extrémité de l'arbre de rotor 8. La présente 30 configuration permet de réduire la vitesse tangentielle au niveau du frottement du joint d'arbre 34 (par rapport à un joint d'arbre 34 solidaire du tenon 22 et frottant sur l'arbre de BRT0641 (807514) rotor 8, du fait du diamètre plus faible) et donc l'échauffement produit par ces frottements. De plus, ce frottement crée un échauffement au niveau du tenon 22 pour lequel l'évacuation de chaleur est plus aisée, voir lequel peut incorporer un refroidissement (ce qui sera décrit ci-après). L'utilisation d'un tenon 22 permet en outre d'accéder au joint d'arbre 34 et au roulement 13 sans avoir besoin de démonter les autres parties du stator 2, ce qui facilite l'entretien et la maintenance de la pompe à vide de type sèche 1. Afin de réguler la température du palier 12, un canal de circulation 36 d'un fluide 10 caloporteur peut être ménagé dans le tenon comme représenté sur la figure 3. Le fluide caloporteur pouvant être un liquide ou un gaz. En fonctionnement, une arrivée de fluide caloporteur est raccordée à l'entrée 38 du canal de circulation 36. Le fluide caloporteur est alors envoyé dans la conduite centrale 40 qui s'étend vers l'extrémité du tenon 22. A l'extrémité de la conduite centrale 40, le fluide 15 caloporteur se déverse dans une évacuation périphérique 42 à la conduite centrale 40. L'évacuation périphérique 42 est formée par un trou borgne en L débouchant sur la sortie 44 du canal de circulation 36. La température du fluide caloporteur circulant dans le canal de circulation 36 peut être ajustée en fonction de l'effet désiré, soit par un fluide caloporteur dont la température est inférieure à la température du palier 12 afin de refroidir 20 le palier 12 et limiter l'échauffement de l'arbre de rotor 8, soit par un fluide caloporteur dont la température est à peu près égale ou autour de la température du palier 12 afin de limiter le différentiel de température entre l'arbre de rotor 8 et le palier 12. De plus, il est à noter que la forme du canal de circulation 36 d'un fluide caloporteur peut également être de forme différente, comme par exemple une forme en U. 25 Un autre moyen de régulation de la température du palier correspondant à l'utilisation d'une résistance chauffante 46 est représentée sur la figure 4. La résistance chauffante 46 est placée dans un logement dédié 48 qui s'étend le long de l'axe du tenon 22 vers l'extrémité 50 du tenon 22 située dans le logement central 14 de l'arbre de rotor 8 de 30 manière à ce que la résistance chauffante 46 soit placée au plus près du roulement 13. L'utilisation d'une résistance chauffante 46 permet d'obtenir une réduction du différentiel BRT0641 (807514) de température entre l'arbre de rotor 8 et le stator 2 pour un coût réduit. Un mode de réalisation alternatif du tenon 22 comprenant une conduite d'injection d'un gaz de balayage 52 est représenté sur la figure 5. La conduite d'injection d'un gaz de balayage 52 qui comprend une entrée 54 raccordée à une arrivée de gaz de balayage, s'étend dans l'axe du tenon 22 et débouche à l'extrémité 56 du tenon afin de déverser le gaz de balayage dans le logement central 14 de l'arbre de rotor 8. Le sens de circulation du gaz de balayage est représenté par les flèches Gb. Ainsi, l'injection du gaz de balayage dans le logement central 14 de l'arbre de rotor 8 crée une surpression en amont du joint d'arbre 34, c'est à dire au niveau du roulement 13, ce qui permet de prévenir la migration de gaz ou poudre provenant de la chambre de pompage 3 et pouvant détériorer le roulement 13 lorsque le joint d'arbre 34 n'assure pas une étanchéité totale. Un autre mode de réalisation du tenon 22 comprenant une conduite d'amenée d'un lubrifiant 58 est représenté sur la figure 6. La conduite d'amenée d'un lubrifiant 58 s'étend dans l'axe du tenon 22, depuis l'extrémité 60 du tenon 22 située à l'extérieur de la pompe à vide de type sèche 1 vers l'autre extrémité 61 jusqu'au niveau du roulement 13, puis radialement pour déboucher sur un orifice de lubrification 62 du roulement. De plus, la partie axiale de la conduite d'amenée d'un lubrifiant 58 est obturée par un piston 64 pouvant coulisser le long de la partie axiale de la conduite d'amenée d'un lubrifiant 58 afin de permettre l'injection du lubrifiant dans l'orifice de lubrification 62 du roulement 13. De manière préférentielle, le lubrifiant est de la graisse. Le mode de réalisation représenté sur la figure 7 se différencie des modes de réalisation décrits précédemment par le fait que l'axe de support du roulement n'est pas réalisé par une pièce individuelle par rapport au stator 2, c'est à dire par un tenon 22, mais par un axe intégré 66 réalisé d'un seul tenant avec le stator 2. L'agencement des différentes pièces de la pompe à vide de type sèche étant par ailleurs identique aux modes de réalisation précédents. Un tel mode de réalisation présente l'avantage de réduire le nombre de pièces BRT0641 (807514) nécessaires et donc le coût de fabrication de la pompe à vide de type sèche 1. On peut ainsi prévoir un montage d'une pompe à vide de type sèche 1 dont un arbre de rotor 8 est monté à une extrémité sur un palier 12 avec un tenon 22 comme décrit précédemment et à l'autre extrémité avec un palier 12 formé par un axe intégré 66. Par ailleurs, il est à noter que comme pour le tenon 22, un canal de circulation d'un fluide 36, un logement dédié à une résistance chauffante 48, une conduite d'injection d'un gaz de balayage 52 ou une conduite d'amenée d'un lubrifiant 58 peuvent être ménagés dans l'axe intégré 66. La configuration du palier 12 de la présente invention permet donc de réduire les contraintes mécaniques subies par le roulement 13 et liées à la dilatation thermique lors d'un échauffement de l'arbre de rotor 8. De plus, la présente invention permet une régulation de la température du palier 12 permet de limiter l'échauffement et/ou le différentiel de température entre l'arbre de rotor 8 et le stator 2, un graissage du roulement 13 du palier 12 et une protection du roulement 13 vis-à-vis des impuretés issues de la chambre de pompage 3. BRT0641 (807514) REVENDICATIONS5 1. Pompe à vide de type sèche (1) comprenant: - un stator (2), - au moins un arbre de rotor (8) supporté en rotation dans au moins un palier (12) 10 associé du stator (2) par l'intermédiaire d'un roulement (13), caractérisé en ce que, - un logement central (14) présentant une paroi axiale (16) et une paroi radiale (18), est ménagé à une extrémité (15) de l'arbre de rotor (8), - le stator (2) comporte un axe de support du roulement (22; 66) faisant saillie dans le 15 logement central (14) et, - le roulement (13) est interposé entre l'axe de support du roulement (22; 66) et la paroi axiale (16) du logement central (14) de l'arbre de rotor (8). 2. Pompe à vide de type sèche (1) selon la revendication 1, dans laquelle le 20 roulement (13) comprend une bague intérieure (26) solidaire de l'axe de support du roulement (22; 66) et une bague extérieure (28) solidaire en rotation de la paroi axiale (16) du logement central (14) de l'arbre de rotor (8). 3. Pompe à vide de type sèche (1) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle 25 l'axe de support du roulement (66) est réalisé d'un seul tenant avec le stator (2). 4. Pompe à vide de type sèche (1) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'axe de support du roulement (22) est formé par un tenon (22) fixé dans une ouverture (23) ménagée dans le stator (2) et traversant celle-ci. 5. Pompe à vide de type sèche (1) selon l'une des revendications précédentes, BRT0641 (807514) 30dans laquelle la pompe à vide de type sèche (1) comprend un joint d'arbre (34) solidaire en rotation de l'arbre du rotor (8) et configuré pour frotter sur l'axe de support du roulement (22; 66). 6. Pompe à vide de type sèche selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la pompe à vide de type sèche (1) comprend un canal de circulation d'un fluide caloporteur (36) ménagé dans l'axe de support du roulement (22; 66). 7. Pompe à vide de type sèche selon la revendication 6, dans laquelle le canal de circulation du fluide caloporteur (36) comprend - une entrée (38) accessible depuis l'extérieur de la pompe à vide de type sèche (1) et destinée à être raccordée à une arrivée du fluide caloporteur, - une sortie (44) débouchant à l'extérieur de la pompe à vide de type sèche (1) et destinée à être raccordée à une évacuation du fluide caloporteur, - une conduite centrale (40) connectée à l'entrée (38) du canal de circulation du fluide caloporteur (36), s'étendant vers l'extrémité de l'axe de support du roulement (22; 66) et, - une évacuation périphérique (42) à la conduite centrale (40) et communiquant avec celle-ci à une extrémité, ladite évacuation périphérique (42) étant connectée à la sortie (44) du canal de circulation du fluide caloporteur (36). 8. Pompe à vide de type sèche (1) selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle la pompe à vide de type sèche (1) comprend une conduite d'injection d'un gaz de balayage (52) ménagée dans l'axe de support du roulement (22; 66) et destinée à être connectée à une arrivée de gaz de balayage d'une part et débouchant à l'extrémité (56) de l'axe de support du roulement (22; 66) au niveau du logement central (14) d'autre part. 9. Pompe à vide de type sèche (1) selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle la pompe à vide de type sèche (1) comprend une résistance chauffante (46) logée dans l'axe de support du roulement (22; 66). BRT0641 (807514) 10. Pompe à vide de type sèche (1) selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle la pompe à vide de type sèche (1) comprend une conduite d'amenée d'un lubrifiant (58) ménagée dans l'axe de support du roulement (22; 66) et débouchant sur un orifice (62) de lubrification du roulement (13), ladite conduite d'amenée d'un lubrifiant (58) étant obturée du côté extérieur à la pompe à vide de type sèche (1) par un piston (64) pouvant coulisser le long de la conduite d'amenée d'un lubrifiant (58). BRT0641 (807514)