EP0401741B1 - Pompe primaire sèche à deux étages - Google Patents

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EP0401741B1
EP0401741B1 EP90110602A EP90110602A EP0401741B1 EP 0401741 B1 EP0401741 B1 EP 0401741B1 EP 90110602 A EP90110602 A EP 90110602A EP 90110602 A EP90110602 A EP 90110602A EP 0401741 B1 EP0401741 B1 EP 0401741B1
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screw pump
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Jean-Marie Crinquette
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Alcatel CIT SA
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    • F04C28/00—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids
    • F04C28/02—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids specially adapted for several pumps connected in series or in parallel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C23/00—Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C23/005—Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids of dissimilar working principle
    • 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
    • F04D19/046—Combinations of two or more different types of pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2220/00—Application
    • F04C2220/10—Vacuum
    • F04C2220/12—Dry running

Definitions

  • the present invention relates to a two-stage dry primary pump.
  • a dry vane pump avoids, compared to an oil lubricated vane pump, the migration of oil vapor in the enclosure to be pumped, but the main drawback lies in the existence of a high dry friction causing rapid wear and accelerated degradation of pump performance.
  • dry primary screw pumps consisting of a single stage. These pumps are capable, under steady conditions, of sucking a fluid from a limit pressure of the order of 10 ⁇ 2 mbar to atmospheric pressure. Their advantage is the absence of contact between the screws, therefore absence of friction, which makes them very reliable. But in the pump area where the pressure is higher than 10 mbar, they absorb a high power which is mainly dissipated in heat. The part of the screws working in this zone at high pressures (greater than 10 mbar) is then subjected to a significant heating which causes strong asymmetric expansions and incompatible with internal clearances. Increasing the clearance between the two screws would not constitute a satisfactory solution because, under these conditions, the performance would no longer be ensured, in particular the suction flow and the limit pressure.
  • the present invention aims to provide a solution to this problem, therefore to obtain a dry primary pump capable of sucking, in steady state, a fluid from a limit pressure of the order of 10 ⁇ 2 mbar, or even lower. , up to atmospheric pressure, and with a wide range of suction flow rates, from 50 m3 / h to several thousand m3 / h.
  • the invention consists in limiting the discharge pressure of the screw pump, in order to limit its heating, and in adding a second stage constituted by a viscous and / or turbulent drive pump, making it possible to transfer the energy to the second stage. of compression degraded in heat.
  • the screw pump no longer has a screw part working at high pressures and undergoing large expansions.
  • the average free path of the molecules is relatively high, and this pump can then operate with greater internal clearances.
  • the present invention thus relates to a two-stage dry primary pump, characterized in that it comprises in a single common stator, low pressure side, a screw pump, and, high pressure side, a drive pump, a conduit connection ensuring communication between the screw pump and the drive pump.
  • the connecting conduit is in communication with the suction side of the screw pump, therefore the suction side of the primary pump, by means of a by-pass provided with a relief valve.
  • the connecting duct is in communication with the discharge side of the drive pump, therefore the discharge side of the primary pump, by means of a bypass provided with a relief valve.
  • the primary pump comprises these two embodiments.
  • the speed of rotation of each stage may be different.
  • a single motor can run the screw pump and the drive pump simultaneously, or two motors can independently drive the screw pump and the drive pump. The latter solution makes it possible in particular to independently vary the rotation speeds, therefore the pumping speeds, in applications where pressure regulation is necessary.
  • the motor or motors can be conventional motors or vacuum rotors.
  • FIG. 1 shows a pump with a single motor.
  • Figure 2 shows the same pump with two motors.
  • the primary pump comprises a frame 1 constituting a stator, a suction inlet 4, a discharge outlet 5, a low pressure stage constituted by a dry screw pump 10, and a high pressure stage constituted by a drive pump 20.
  • the frame 1 may include cooling channels 2, which allow, by circulation of a liquid (water, oil, ...) to ensure thermal stabilization of the assembly. The heat exchange with the ambient environment takes place by natural or forced convection.
  • the pump 10 comprises two conjugated screws 11, 12, mounted respectively on two shafts 13, 14 and synchronized in drive by two pinions 41, 44, the pinion 41 being driven by an electric motor 50.
  • the two pinions 41, 44 are installed in an oil box 3 secured to the chassis 1 and sealed against the suction inlet 4 by two seals 48, 49.
  • the two shafts 13, 14 rotate in two bearings respectively 42, 43 and 45, 46.
  • L 'shaft 13 rotates in another bearing 47 located at the other end, at the connection conduit.
  • the pump 20 is a viscous and / or turbulent drive pump, that is to say a pump in which the pumping effect is obtained by friction from a rotor / stator assembly 21 comprising one or more helical grooves variable pitch, whose profile varies between suction and discharge, and rotating at high speed.
  • the pump 20 shown is cylindrical but, of course, it can be in the form of a disc or a cone for example.
  • the shaft 22 of the pump 20 is mechanically linked to the shaft 14 of the screw 12, so that the motor 50 alone drives the pumps 10 and 20.
  • the shaft 22 rotates in a level 23.
  • the primary pump comprises two by-passes 60, 70 each equipped with a relief valve 61, 71 to ensure the distribution of the flow in the transient phases.
  • the bypass 60 allows the excess gas pumped by the low pressure stage to be recirculated to the suction side 4, and the bypass 70 allows recirculation of excess gas to the discharge side 5.
  • valves 61 and 71 can be controlled or automatic, and close under the action of a spring 62, 72 (as shown) or close under the effect of their own weight. But they are, in all cases, closed when there is compatibility between the flow discharged by the low pressure stage and the flow sucked by the high pressure stage.
  • the pump 20 is driven separately by an electric motor 80, and, in this case, the shaft 22 of this pump 20 is no longer linked to the shaft 14 of the screw 12, but to the electric motor 80.
  • FIG. 2 makes it possible to have a speed of rotation of the pump 20 different from that of the screw pump 10.
  • the speed of rotation of the pump 20 can then be easily adapted to the flow rate and to the discharge pressure of the pump 10.
  • the volume flow treated is low, as a consequence of the high compression rate obtained in the first stage.
  • Such a primary pump works as follows: At start-up, during the emptying of an enclosure, the overpressure created on the discharge of the low pressure stage causes the valves 61, 71 to open.
  • valve 71 closes, the valve 61 remaining open.
  • valve 61 closes and the primary pump operates in steady state.

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Description

  • La présente invention concerne une pompe primaire sèche à deux étages.
  • On connaît des pompes primaires sèches à deux étages, chaque étage étant constitué généralement d'une pompe à palettes. Une pompe à palettes sèche évite, par rapport à une pompe à palettes lubrifiée à l'huile, la migration de vapeur d'huile dans l'enceinte à pomper, mais le principal inconvénient réside dans l'existence d'un frottement sec important entraînant une usure rapide et la dégradation accélérée des performances de la pompe.
  • On connaît aussi des pompes primaires sèches, à vis, constituées d'un seul étage. Ces pompes sont capables, en régime permanent, d'aspirer un fluide depuis une pression limite de l'ordre de 10⁻² mbar jusqu'à la pression atmosphérique. Leur avantage est l'absence de contact entre les vis, donc absence de frottement, ce qui les rend très fiables. Mais dans la zone de la pompe où la pression est supérieure à 10 mbar, elles absorbent une puissance élevée qui est principalement dissipée en chaleur. La partie des vis travaillant dans cette zone à des pressions élevées (supérieures à 10 mbar) est alors soumise à un échauffement important qui provoque de fortes dilatations assymétriques et incompatibles avec les jeux internes. L'augmentation du jeu entre les deux vis ne constituerait pas une solution satisfaisante car, dans ces conditions, les performances ne seraient plus assurées, en particulier le débit aspiré et la pression limite.
  • La présente invention a pour but d'apporter une solution à ce problème, donc d'obtenir une pompe primaire sèche capable d'aspirer, en régime permanent, un fluide depuis une pression limite de l'ordre de 10⁻² mbar, voire inférieure, jusqu'à la pression atmosphérique, et présentant une large gamme de débits aspirés, de 50 m³/h à plusieurs milliers de m³/h.
  • L'invention consiste à limiter la pression de refoulement de la pompe à vis, afin de limiter son échauffement, et à rajouter un second étage constitué par une pompe à entraînement visqueux et/ou turbulent, permettant de reporter dans le second étage l'énergie de compression dégradée en chaleur. Ainsi, la pompe à vis n'a plus de partie de vis travaillant à des pressions élevées et subissant de fortes dilatations. De plus, dans la gamme de pression d'utilisation de cette pompe à vis (10⁻² mbar - 10 mbar), le libre parcours moyen des molécules est relativement élevé, et cette pompe peut alors fonctionner avec des jeux internes plus importants. Ces jeux internes importants permettent de limiter le coût de la pompe à vis et ainsi le coût global de la pompe primaire.
  • La présente invention a ainsi pour objet une pompe primaire sèche à deux étages, caractérisée en ce qu'elle comporte dans un unique stator commun, côté basse pression, une pompe à vis, et, côté haute pression, une pompe à entraînement, un conduit de liaison assurant la communication entre la pompe à vis et la pompe à entraînement.
  • Selon un premier mode de réalisation, le conduit de liaison est en communication avec le côté aspiration de la pompe à vis, donc côté aspiration de la pompe primaire, par l'intermédiaire d'un by-pass muni d'une soupape de décharge.
  • Selon un deuxième mode de réalisation, le conduit de liaison est en communication avec le côté refoulement de la pompe à entraînement, donc côté refoulement de la pompe primaire, par l'intermédiaire d'un by-pass muni d'une soupape de décharge.
  • D'une manière préférentielle, la pompe primaire comporte ces deux modes de réalisation.
  • Suivant la géométrie, les dimensions, les jeux, le volume de l'enceinte à pomper et le temps de descente en pression, la vitesse de rotation de chaque étage peut être différente. Un seul moteur peut simultanément faire tourner la pompe à vis et la pompe à entraînement, ou deux moteurs peuvent entraîner indépendamment la pompe à vis et la pompe à entraînement. Cette dernière solution permet en particulier de faire varier indépendamment les vitesses de rotation, donc les vitesses de pompage, dans les applications où une régulation de pression est nécessaire.
  • Le ou les moteurs peuvent être des moteurs classiques ou à rotors sous vide.
  • Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux deux figures annexées, une pompe selon l'invention.
    La figure 1 représente une pompe munie d'un seul moteur.
    La figure 2 représente la même pompe munie de deux moteurs.
  • Dans la figure 1, la pompe primaire comporte un bâti 1 constituant un stator, une entrée d'aspiration 4, une sortie de refoulement 5, un étage basse pression constitué d'une pompe à vis sèche 10, et un étage haute pression constitué par une pompe à entraînement 20. Le bâti 1 peut comporter des canaux de refroidissement 2, qui permettent, par circulation d'un liquide (eau, huile,...) d'assurer la stabilisation thermique de l'ensemble. L'échange thermique avec le milieu ambiant s'effectue par convection naturelle ou forcée.
  • La pompe 10 comporte deux vis 11, 12 conjuguées, montées respectivement sur deux arbres 13, 14 et synchronisées en entraînement par deux pignons 41, 44, le pignon 41 étant entraîné par un moteur électrique 50. Les deux pignons 41, 44 sont installés dans une boîte à huile 3 solidaire du châssis 1 et rendue étanche vis à vis de l'entrée d'aspiration 4 par deux joints 48, 49. Les deux arbres 13, 14 tournent dans deux paliers respectivement 42, 43 et 45, 46. L'arbre 13 tourne dans un autre palier 47 situé à l'autre extrémité, au niveau du conduit de liaison.
  • La pompe 20 est une pompe à entraînement visqueux et/ou turbulent, c'est-à-dire une pompe dans laquelle l'effet de pompage est obtenu par frottement à partir d'un ensemble rotor/stator 21 comportant une ou plusieurs gorges hélicoïdales à pas variable, dont le profil varie entre l'aspiration et le refoulement, et tournant à grande vitesse. La pompe 20 représentée est cylindrique mais, bien entendu, elle peut être sous forme d'un disque ou d'un cône par exemple.
  • Dans cette figure 1, l'arbre 22 de la pompe 20 est lié mécaniquement à l'arbre 14 de la vis 12, de telle sorte que le moteur 50 entraîne à lui seul les pompes 10 et 20. L'arbre 22 tourne dans un palier 23.
  • La pompe primaire comporte deux by-pass 60, 70 équipés chacun d'une soupape de décharge 61, 71 pour assurer la répartition du flux dans les phases transitoires.
  • Le by-pass 60 permet de recirculer l'excédent de gaz pompé par l'étage basse pression vers le côté aspiration 4, et le by-pass 70 permet de recirculer l'excédent de gaz vers le côté refoulement 5.
  • Les soupapes 61 et 71 peuvent être pilotées ou automatiques, et se fermer sous l'action d'un ressort 62, 72 (comme représenté) ou se fermer sous l'effet de leur propre poids. Mais elles sont, dans tous les cas, fermées lorsqu'il y a compatibilité entre le débit refoulé par l'étage basse pression et le débit aspiré par l'étage haute pression.
  • Dans la figure 2, la pompe 20 est entraînée séparément par un moteur électrique 80, et, dans ce cas, l'arbre 22 de cette pompe 20 n'est plus lié à l'arbre 14 de la vis 12, mais au moteur électrique 80.
  • Cette disposition de la figure 2 permet d'avoir une vitesse de rotation de la pompe 20 différente de celle de la pompe à vis 10. La vitesse de rotation de la pompe 20 peut alors être facilement adaptée au débit et à la pression de refoulement de la pompe 10. En effet, dans ce type de pompe à entraînement, le débit volumique traité est faible, en conséquence du taux de compression élevé obtenu dans le premier étage.
  • Une telle pompe primaire fonctionne de la manière suivante :
       Au démarrage, lors du vidage d'une enceinte, la surpression créée au refoulement de l'étage basse pression entraîne l'ouverture des soupapes 61, 71.
  • Dès que le débit aspiré par l'étage haute pression devient suffisant, la soupape 71 se ferme, la soupape 61 restant ouverte.
  • Dès qu'il y a adaptation entre le débit de l'étage basse pression et le débit aspiré par l'étage haute pression, la soupape 61 se ferme et la pompe primaire fonctionne en régime permanent.

Claims (6)

  1. Pompe primaire sèche à deux étages, caractérisée en ce qu'elle comporte dans un unique stator commun, côté basse pression, une pompe à vis (10), et côté haute pression, une pompe à entraînement (20), un conduit de liaison (30) assurant la communication entre la pompe à vis (10) et la pompe à entraînement (20).
  2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conduit de liaison (30) est en communication avec le côté aspiration de la pompe à vis par l'intermédiaire d'un by-pass (60) muni d'une soupape de décharge (61).
  3. Pompe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le conduit de liaison (30) est en communication avec le côté refoulement de la pompe à entraînement (20) par l'intermédiaire d'un by-pass (70) muni d'une soupape de décharge (71).
  4. Pompe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un seul moteur (50) entraînant la pompe à vis (10) et la pompe à entraînement (20).
  5. Pompe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte deux moteurs distincts (50, 80) entraînant l'un la pompe à vis et l'autre la pompe à entraînement.
  6. Pompe selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des canaux de refroidissement (2).
EP90110602A 1989-06-05 1990-06-05 Pompe primaire sèche à deux étages Expired - Lifetime EP0401741B1 (fr)

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EP0401741A1 EP0401741A1 (fr) 1990-12-12
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EP (1) EP0401741B1 (fr)
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