EP0086460B1 - Pompe rotative à vide élevé - Google Patents

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EP0086460B1
EP0086460B1 EP83101276A EP83101276A EP0086460B1 EP 0086460 B1 EP0086460 B1 EP 0086460B1 EP 83101276 A EP83101276 A EP 83101276A EP 83101276 A EP83101276 A EP 83101276A EP 0086460 B1 EP0086460 B1 EP 0086460B1
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gas
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ball bearings
shaft
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EP83101276A
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Claude Saulgeot
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Alcatel CIT SA
Original Assignee
Compagnie Industrielle de Telecommunication CIT Alcatel SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
    • F04D29/059—Roller bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/16—Centrifugal pumps for displacing without appreciable compression
    • F04D17/168—Pumps specially adapted to produce a vacuum
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings

Definitions

  • the present invention relates to a rotary high vacuum pump such as a molecular or turbomolecular vacuum pump.
  • high vacuum pumps which operate in the molecular or turbomolecular domain comprise a rotor rotating at high speed in a fixed stator.
  • the molecules transport effect is generated at the periphery of the rotor rotating at high speed by reflection of a large part of these molecules in the region of the stator opposite it; the stator then returns part of the molecules received in the part of the rotor which is located below and so on, so that the rotor-stator assembly has a pressure ratio between the partial pressure of the gas on the discharge side and the pressure of the same gas on the suction side.
  • It comprises a rotor driven by a motor arranged outside the pumping enclosure and connected to the latter by a drive shaft, the sealing of which is ensured by a dynamic seal with grooves.
  • the shaft is supported on the one hand by an external bearing disposed outside the pumping enclosure and on the other hand by an internal bearing disposed inside the pumping enclosure and lubricated to fat.
  • the internal bearing is arranged between the dynamic grooved seal and a viscous dynamic seal interposed between the internal bearing and the external bearing.
  • a longitudinal groove connects the two faces of the internal bearing.
  • the cooling of the ball bearing located in the empty zone is easily carried out by conduction through the shaft, one end of which is easily cooled since it is located in the atmosphere.
  • the cooling of the rotor and of the stator of the motor is carried out by conventional means since these two parts are located in the atmosphere, as well as the external bearing.
  • the position of the ball bearings relative to the flow of pumped gas is not excellent despite the arrangement of the longitudinal groove avoiding the direct passage of the bearing by the gas and other part as the movable assembly has one of its ends located in an enclosure at very low pressure and the other located at atmospheric pressure, this results in a significant axial load supported by one of the two bearings which limits the duration of pump life.
  • the present invention aims to overcome these drawbacks while also ensuring good cooling of the bearings and the motor.
  • the subject of the invention is therefore a rotary high-vacuum pump of the type comprising a pump body to which a multistage stator is connected, and a rotor also with several stages mounted on a shaft driven by a motor, said shaft journalling in at at least two ball bearings arranged in a sleeve formed by an extension of said pump body, a dynamic seal being wedged on said shaft at the end close to the body of the sleeve, characterized in that the opposite end of the sleeve is closed, a fitting connected to an external source of gas being disposed at this closed end, said pump body being moreover connected to an external primary vacuum pump, so that said ball bearings and the rotor of said motor are permanently swept by said gas, entering by said adjustment, evacuated by said dynamic seal and circulating under an intermediate pressure between atmospheric pressure and the discharge pressure of the pump.
  • the pump comprises, in known manner, a pump body 4 to which is linked a stator 3 with several stages, as well as a rotor 2 also with several stages mounted on a drive shaft 1.
  • the pump body 4 is open at its upper end to allow its connection to the enclosure (not shown) in which a high vacuum must be achieved.
  • the body 4 has at its lower part an extension constituting a sleeve 18 closed at its lower end by a closure tape 11.
  • the shaft 1 pivots in the body 4 by means of two ball bearings 5 and 6 respectively secured to the upper part and to the lower part of said sleeve 18 and it is driven by means of an electric motor, the rotor and the stator are referenced 9 and 10 respectively.
  • This motor is disposed between the bearings 5 and 6, but it could also be installed at the level of the lower part of the shaft 1.
  • a dynamic joint 7 with grooves is disposed on the shaft 1, at the upper part of the sleeve 18, above the ball bearing 5.
  • Such a dynamic seal seals along the shaft 1, and separates the ball bearings 5 and 6 as well that the rotor 9 of the electric motor of the pumping zone delimited by the body 4.
  • This pumping zone is moreover connected to an external primary vacuum pump (not shown) by means of the tube 19.
  • An adjustment 8 is provided in the closing tape 11, this adjustment being able to introduce outside air or a neutral gas into the pump.
  • channels 12 and 12 ' provided in the wall of the sleeve 18 allow the two faces of each of the ball bearings 5 and 6 to be placed in communication.
  • the members such as in particular the ball bearings 5 and 6, the rotor 9 of the motor are permanently swept by a flow of said outside air or said neutral gas under a pressure of the order of a few tens of Torr, intermediate between the atmospheric pressure and the pump discharge pressure, such a gas flow being pumped by the primary pump connected to the pipe 19, this pump also ensuring the discharge of the molecular pumping cell.
  • the pressure at the level of the lubricant is maintained at a value such that its evaporation rate has a minimum value. It is therefore possible not to periodically renew the lubrication of the ball bearings. Furthermore, and unlike the cited earlier document, the end of the moving assembly, situated on the side opposite the rotor, is no longer subjected to atmospheric pressure but only a few tens of Torr, the axial load supported by the bearings is therefore much lower.
  • said gaseous sweep prevents any migration of the lubricant towards the suction of the pump, thus giving said pump according to the invention the qualities required for a so-called “dry pump” pump.
  • the pump according to the invention allows for more efficient cooling, because the heating area at the ball bearings and the electric motor is subjected to a pressure of a few tens of Torr.
  • the invention is advantageously implemented in all types of molecular vacuum pumps and in particular in pumps used in microelectronics techniques.
  • the dynamic seal 7 with grooves can be replaced by a dynamic seal of very simple design and can be obtained simply by two opposite surfaces, suitably associated, with or without grooves, the condition of the surfaces then having the effect of grooves.

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Description

  • La présente invention a pour objet une pompe rotative à vide élevé telle qu'une pompe à vide moléculaire ou turbomoléculaire.
  • On sait que les pompes à vide élevé qui opèrent dans le domaine moléculaire ou turbomoléculaire comportent un rotor tournant à grande vitesse dans un stator fixe.
  • L'effet de transport des molécules est engendré à la périphérie du rotor tournant à grande vitesse par réflexion d'une grande partie de ces molécules dans la zone du stator qui lui est opposée ; le stator renvoie alors une partie des molécules reçues dans la partie du rotor qui se situe en dessous et ainsi de suite, de sorte que l'ensemble rotor-stator présente un rapport de pression entre la pression partielle du gaz côté refoulement et la pression du même gaz côté aspiration.
  • La nécessité d'une vitesse de rotation élevée du rotor crée un problème sérieux pour les paliers qui doivent être implantés dans le vide. Il est connu d'utiliser des roulements à billes lubrifiés à l'huile ou à la graisse et fonctionnant dans le vide primaire ainsi qu'un moteur d'entrai- nement également situé dans le vide. Cependant, de telles pompes présentent un certain nombre d'inconvénients :
    • En particulier, il s'avère difficile d'assurer une lubrification correcte ainsi qu'un refroidissement suffisant des roulements à billes et autres organes annexes.
    • En outre, il est pratiquement impossible d'empêcher les remontées d'huile et de graisse au niveau de l'aspiration de la pompe.
  • Le document FR-A-2446 934 décrit une pompe rotative à vide élevé qui permet de résoudre ces difficultés.
  • Il comprend un rotor entraîné par un moteur disposé à l'extérieur de l'enceinte de pompage et relié à celui-ci par un arbre d'entraînement dont l'étanchéité est assurée par un joint dynamique à rainures. Dans cette pompe, l'arbre est supporté d'une part par un roulement externe disposé à l'extérieur de l'enceinte de pompage et d'autre part par un roulement interne disposé à l'intérieur de l'enceinte de pompage et lubrifié à la graisse.
  • Le roulement interne est disposé entre le joint dynamique à rainure et un joint dynamique visqueux interposé entre le roulement interne et le roulement externe. Une rainure longitudinale met en communication les deux faces du roulement interne.
  • Ceci résoud le problème du refroidissement des roulements et du moteur d'entraînement.
  • En effet, le refroidissement du roulement à billes situé dans la zone vide s'effectue facilement par conduction à travers l'arbre dont une extrémité est facilement refroidie puisque située à l'atmosphère. De même, le refroidissement du rotor et du stator du moteur s'effectue par les moyens conventionnels puisque ces deux parties sont situées à l'atmosphère, ainsi que le roulement externe.
  • Cependant, lorsque les gaz pompés sont partl- culièrement corrosifs, la position des roulements à billes par rapport au flux de gaz pompé n'est pas excellente malgré la disposition de la rainure longitudinale évitant la traversée directe du roulement par le gaz et d'autre part comme l'ensemble mobile a une de ses extrémités située dans une enceinte à pression très faible et l'autre située à la pression atmosphérique, il en résulte une charge axiale importante supportée par l'un des deux roulements ce qui limite la durée de vie de la pompe.
  • La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients tout en assurant également un bon refroidissement des roulements et du moteur.
  • L'invention a donc pour objet une pompe rotative à vide élevé du type comportant un corps de pompe auquel est lié un stator à plusieurs étages, et un rotor également à plusieurs étages monté sur un arbre entraîné par un moteur, ledit arbre tourillonnant dans au moins deux roulements à billes disposés dans un manchon formé par un prolongement dudit corps de pompe, un joint dynamique étant calé sur ledit arbre à l'extrémité voisine du corps du manchon, caractérisée par le fait que l'extrémité opposée du manchon est fermée, un ajustage relié à une source extérieure de gaz étant disposé à cette extrémité fermée, ledit corps de pompe étant par ailleurs relié à une pompe à vide primaire extérieure, de sorte que lesdits roulements à billes et le rotor dudit moteur soient en permanence balayés par ledit gaz, entrant par ledit ajustage, évacué par ledit joint dynamique et circulant sous une pression intermédiaire entre la pression atmosphérique et la pression de refoulement de la pompe.
  • L'invention sera décrite ci-après plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation purement illustratif, mais nullement limitatif en référence au dessin annexé qui représente en coupe verticale une pompe rotative selon l'invention.
  • La pompe comporte à la manière connue, un corps de pompe 4 auquel est lié un stator 3 à plusieurs étages, ainsi qu'un rotor 2 également à plusieurs étages monté sur un arbre d'entraînement 1.
  • Le corps de pompe 4 est ouvert à son extrémité supérieure pour permettre son raccordement à l'enceinte (non représentée) dans laquelle un vide élevé doit être réalisé. Le corps 4 comporte à sa partie inférieure un prolongement constituant un manchon 18 obturé à son extrémité inférieure par une tape de fermeture 11.
  • L'arbre 1 tourillonne dans le corps 4 par l'intermédiaire de deux roulements à billes 5 et 6 assujettis respectivement à la partie supérieure et à la partie inférieure dudit manchon 18 et il est entraîné au moyen d'un moteur électrique dont le rotor et le stator sont référencés 9 et 10 respectivement. Ce moteur est disposé entre les roulements 5 et 6, mais il pourrait également être implanté au niveau de la partie inférieure de l'arbre 1.
  • Par ailleurs, un joint dynamique 7 à rainures est disposé sur l'arbre 1, à la partie supérieure du manchon 18, au-dessus du roulement à billes 5. Un tel joint dynamique assure l'étanchéité le long de l'arbre 1, et sépare les roulements à billes 5 et 6 ainsi que le rotor 9 du moteur électrique de la zone de pompage délimitée par le corps 4. Cette zone de pompage est d'ailleurs reliée à une pompe à vide primaire extérieure (non représentée) au moyen de la tubulure 19. Un ajustage 8 est ménagé dans la tape de fermeture 11, cet ajustage étant apte à introduire dans la pompe de l'air extérieur ou un gaz neutre.
  • De plus, des canaux 12 et 12' prévus dans la paroi du manchon 18 permettent de mettre en communication les deux faces de chacun des roulements à billes 5 et 6.
  • De la sorte, les organes tels que notamment les roulements à billes 5 et 6, le rotor 9 du moteur sont en permanence balayés par un flux dudit air extérieur ou dudit gaz neutre sous une pression de l'ordre de quelques dizaines de Torr, intermédiaire entre la pression atmosphérique et la pression de refoulement de la pompe, un tel flux gazeux étant pompé par la pompe primaire connectée à la tubulure 19, cette pompe assurant également le refoulement de la cellule de pompage moléculaire.
  • Les avantages d'une telle structure de pompe sont les suivants :
    • En premier lieu toute migration de gaz corrosifs en provenance de l'enceinte à évacuer est évitée par le balayage gazeux, et, en conséquence, les roulements à billes ainsi que le lubrifiant sont protégés contre tout risque de corrosion.
  • Il faut noter d'ailleurs que pour rendre la pompe totalement invulnérable vis-à-vis de la corrosion, il suffira de prévoir au niveau du rotor et du stator du moteur, des matériaux résistants appropriés ce qui ne soulève aucun problème particulier.
  • En outre la pression au niveau du lubrifiant est maintenue à une valeur telle que son taux d'évaporation présente une valeur minimale. Il est donc possible de ne pas renouveler périodiquement la lubrification des roulements à billes. Par ailleurs, et contrairement au document antérieur cité, l'extrémité de l'équipage mobile, située du côté opposé au rotor, n'est plus soumise à la pression atmosphérique mais seulement à quelques dizaines de Torr, la charge axiale supportée par les roulements est donc beaucoup plus faible.
  • De plus ledit balayage gazeux empêche toute migration du lubrifiant vers l'aspiration de la pompe, conférant ainsi à ladite pompe selon l'invention les qualités requises pour une pompe dite « pompe sèche •.
  • Par ailleurs, par rapport aux pompes conventionnelles où le moteur électrique et les roulements se trouvent à une pression d'environ 10-2 Torr, la pompe selon l'invention permet un refroidissement plus efficace, car la zone d'échauffement située au niveau des roulements à billes et du moteur électrique est soumise à une pression de quelques dizaines de Torr.
  • On assure de la sorte un meilleur transfert thermique.
  • L'invention est avantageusement mise en œuvre dans tous les types de pompes à vide moléculaire et notamment dans les pompes utilisées dans les techniques de microélectronique.
  • Le joint dynamique 7 à rainures peut être remplacé par un joint dynamique de conception très simple et être obtenu simplement par deux surfaces opposées, convenablement associées, avec ou sans rainures, l'état des surfaces ayant alors l'effet de rainures.

Claims (6)

1. Pompe rotative à vide élevé du type comportant un corps de pompe (4) auquel est lié un stator (3) à plusieurs étages, et un rotor (2) également à plusieurs étages monté sur un arbre (1) entraîné par un moteur, ledit arbre (1) tourillonnant dans au moins deux roulements à billes (5, 6) disposés dans un manchon (18) formé par un prolongement dudit corps de pompe (4), un joint dynamique (7) étant calé sur ledit arbre (1) à l'extrémité voisine du corps du manchon (18), caractérisée par le fait que l'extrémité opposée (11) du manchon (18) est fermée, un ajustage (8) destiné à être relié à une source extérieure de gaz étant disposé à cette extrémité fermée (11), ledit corps de pompe (4) étant par ailleurs destiné à être relié à une pompe à vide primaire extérieure, de sorte que lesdits roulements à billes (5, 6) et le rotor (9) dudit moteur soient en permanence balayés par ledit gaz, entrant par ledit ajustage, évacué par ledit joint dynamique et circulant sous une pression intermédiaire entre la pression atmosphérique et la pression de refoulement de la pompe.
2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit manchon (18) comporte des canaux (12, 12') aptes à mettre en communication les deux faces de chacun desdits roulements à billes (5, 6).
3. Pompe selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que ladite source extérieure de gaz est l'atmosphère.
4. Pompe selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que ladite source extérieure de gaz est une source de gaz neutre.
5. Pompe selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que ledit moteur est disposé entre lesdits roulements à billes (5, 6).
6. Pompe selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que ledit moteur est disposé au niveau de l'extrémité inférieure dudit arbre (1).
EP83101276A 1982-02-16 1983-02-10 Pompe rotative à vide élevé Expired EP0086460B1 (fr)

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