EP0995908A1 - Molecular pump - Google Patents

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EP0995908A1
EP0995908A1 EP98203502A EP98203502A EP0995908A1 EP 0995908 A1 EP0995908 A1 EP 0995908A1 EP 98203502 A EP98203502 A EP 98203502A EP 98203502 A EP98203502 A EP 98203502A EP 0995908 A1 EP0995908 A1 EP 0995908A1
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EP
European Patent Office
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pump according
support
supports
pump
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Withdrawn
Application number
EP98203502A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Pierre Vanden Brande
Alain Weymeersch
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Priority to US09/830,022 priority patent/US6612816B1/en
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Priority to ES99948619T priority patent/ES2181480T3/en
Priority to PT99948619T priority patent/PT1125065E/en
Priority to DE69902187T priority patent/DE69902187T2/en
Priority to EP99948619A priority patent/EP1125065B1/en
Priority to AT99948619T priority patent/ATE220765T1/en
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Priority to ZA200104022A priority patent/ZA200104022B/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D33/00—Non-positive-displacement pumps with other than pure rotation, e.g. of oscillating type
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a molecular vacuum pump making it possible to evacuate a gas from an enclosure and thus to create in this enclosure a high vacuum which is generally between 0.1 mbar and 10 -8 mbar and preferably between 10 - 2 and 10 -6 mbar.
  • a diffusion pump by the fact that use is made of fluids to evaporate there, such as hydrocarbons and silicones, the vapors of which serve as a pumping motor, problems of contamination of the enclosure, in which the vacuum must be created, occur by the backscattering of vapors from the pump into the enclosure. In addition, this evaporation and condensation of these fluids results in very high energy and water consumption.
  • a diffusion pump must be strongly throttled to operate at a pressure greater than or equal to 10 -3 mbar in the enclosure under penalty of strong pressure oscillations and significant contamination of the vacuum chamber. In general, this constriction strongly limits the volumetric flow rate of the pump.
  • One of the essential aims of the present invention is to propose a molecular pump which makes it possible to remedy the disadvantages of these types of existing pumps.
  • the pump according to the invention comprises a substantially waterproof box with an opening on one of its sides input, intended to be connected to the above-mentioned enclosure and, at its side opposite the above-mentioned side, an outlet opening, preferably intended for be connected to a discharge pump, acceleration elements being mounted between these two openings at a certain distance one of the other in substantially fixed places in the above-mentioned box for the gas passage, said elements being such as to allow implication to molecules of the aforementioned gas, coming from the above-mentioned enclosure and coming in contact with these elements, a speed whose result is oriented towards the outlet opening.
  • the above elements cooperate with means for subjecting them to a vibration having a component oriented towards the outlet opening.
  • the aforementioned element comprises a piezoelectric material fixed on the aforementioned support and covered, on its opposite face to that oriented towards the support, by a conductive coating of electricity, means being provided for applying to this element a alternating electrical voltage, so as to subject this material piezoelectric strain in a direction transverse to the support and, therefore, to the above coating a vibration corresponding.
  • the invention relates to a new type of vacuum pump mainly intended for pumping in a pressure zone between 0.1 mbar and 10 -8 mbar. It is therefore a pump operating in a so-called molecular regime, that is to say a pump for which the collisions of the molecules with the walls of the pump strongly dominate the collisions between the molecules.
  • FIG. 1 A first embodiment of such a pump has been shown in Figures 1 and 2. It includes a box or carcass waterproof metal 1 having, at one of its sides, an opening input 2 intended to be connected to an enclosure, not shown, in which it is necessary to create a high vacuum. An exit opening 3 intended to be connected to a discharge pump, also not shown, is provided on the opposite side of this box 1.
  • these elements 4 are such as to allow to involve the gas molecules, coming from the above-mentioned enclosure, and coming into contact with the elements 4, a speed the result of which is oriented towards the outlet opening 3.
  • These elements 4 constitute the active parts of the pump and are placed in successive stages. They allow gas to be pumped from inlet opening 2 to outlet opening 3 in increasing the gas pressure from stage to stage. This is obtained in subjecting, on each stage, the molecules of the gas to a sequence of deceleration followed by acceleration by elements 4 of the latter to the elements of the next floor.
  • the molecular pump according to the invention must have a high pumping speed on stages near inlet opening 2 and lower pumping speed on the floors located near the outlet opening 3 where the pressure will be the highest.
  • stage gas pressure To allow the stage gas pressure to be increased by stage, so the pumping speed must decrease in proportion, this which translates, in practice, by a passage section 10 for the gas from one floor to the other decreasing towards the exit opening 3.
  • the aforementioned elements 4 are mounted on a fixed support 5, on the side of the latter, oriented towards the opening of aforementioned outlet 3 and are made in such a way as to be able to cooperate with means 9 for subjecting them to vibration having a component oriented towards the outlet opening 3.
  • means are provided to maintain the support supra 5 at a significantly reduced temperature, for example at the ambient temperature.
  • the support 5 and the box 1 are made in one heating material, in particular metal, and are connected in a way conductive heat between them to a cooling circuit 8 powered for example by water surrounding the box 1.
  • Each element 4 comprises a vibrating member 6 which, in the embodiment shown in Figure 1, is formed by a layer of piezoelectric material fixed on the metal support 5 and covered, on its face opposite to that facing the support 5, by a coating formed of an electrically conductive material 7.
  • Means 9, formed by a voltage generator alternative electrical, including sinusoidal, are provided for allow the piezoelectric material layer 6 to undergo a deformation in a direction transverse to the support 5 and, by Consequently, at the above-mentioned coating 7, a corresponding vibration.
  • the coating surface 7 subjected to that vibration transverse thus communicates a speed to the gas molecules essentially in the direction of pumping and actually plays the role of the rotor of a turbomolecular pump.
  • support 5 must be fixed relative to the pump frame, that is to say relative to the box 1 of the latter, while the surface 7 alone can be vibrated transverse under the effect of the intermediate layer 6 which is therefore preferably made of a piezoelectric material.
  • the vibration frequency and the amplitude thereof are linked by the fact that the speed of movement of the surface 7 must less reach a speed of the order of the so-called "thermal" speed of gas molecules under pumping conditions.
  • the operating principle may vary.
  • the vibrating member 6 could be, for example, a setting device magnetic vibration comprising an electromagnet, or a device electrostatic in which the support 5 and the surface 7 form together a capacitor subjected to an alternating electric voltage or a magnetostrictive transducer.
  • polymeric piezoelectric materials and in particular the aforementioned polymers are particularly advantageous insofar as their low acoustic impedance (4.10 6 kgm -2 s -1 ) and their low density make it possible to vibrate the surface 7 without communicating this vibration to the support 5 maintained at a relatively reduced temperature.
  • the characteristic dimension between two stages is preferably a few centimeters at most, while for a pressure of 0.01 mbar, this dimension changes to a few mm. and will even more reduced for pressures of the order of 0.1 mbar.
  • the sealed box 1, in which are arranged the vibrating elements 4 has a cross section square or rectangular, as shown clearly in Figure 2, and the metal supports 5 are arranged in successive stages and in staggered in this box.
  • These supports consist of blades extending parallel to each other between two opposite walls of the box 1.
  • these blades forming the supports 5 are cooled by thermal contact with these walls of the box 1.
  • These blades are located in planes parallel to each other, each of these planes determining a floor. In each stage the blades are located at a certain distance from each other to allow gas to flow from one floor to the other.
  • each of the support blades 5 is coated with a piezoelectric PVDF film which is plugged into a oscillating circuit 9, as shown in more detail in FIGS. 3 and 4, allowing this film to vibrate preferably at a frequency close to of its resonant frequency.
  • this oscillating circuit comprises a generator of alternating electric voltage 9 'which is connected, of a part, to the conductive coating 7 deposited on the piezoelectric film 6 and, on the other hand, to the metal support 5.
  • PVDF film can either be directly in contact with support 5 if the latter is electrically conductive, i.e. beforehand coated with a conductive film if the support 5 is not a conductor of electricity.
  • Figure 5 shows a second embodiment of a preferred configuration of the vibrating elements 4 in the box 1.
  • the first stages of the pump that is to say those close to the inlet opening 2 are inclined by relative to the longitudinal axis of the box 1 at an angle of about 45 ° so increase the pumping speed.
  • Figure 6 relates to a third configuration preferred shape and arrangement of supports 5 and vibrating elements 4.
  • FIG. 7 represents a detail of this same figure.
  • the supports 5 are staggered and have a cross section transverse having substantially the shape of an isosceles triangle whose vertex is oriented towards the entrance opening 2.
  • the inclination of the oblique lateral sides 16 of these supports are such as to allow a maximum reflection of the molecules of gas striking these sides towards the base 17 of the supports provided with the vibrating element 7, as shown by the arrows 18.
  • the distance between the supports 5 is maximum in order to create a passage 10 which is maximum for molecules reflected by a stage towards the following stage of vibrating elements. In the following areas the floors get closer and closer one of the other and the passage sections 10 become more reduced.
  • the height of the triangular supports 5 also decreases and the sides obliques 16 have a concave shape whose curvature is fixed in depending on the opening of passage 10 so that a maximum molecules are transmitted to the next floor.
  • FIG. 6 and 7 An important feature of the configuration shown in Figures 6 and 7 is the presence of vibrating elements 19 similar to elements 4 and partially covering the oblique lateral sides 16 of supports 5.
  • these elements 19 consist of a layer intermediate 21 preferably made of a piezoelectric material covered with a conductive coating 20, and partially face the elements 4 of the previous floor.
  • These elements 19 make it possible to communicate kinetic energy to molecules in a series successive collisions with these vibrating elements rather than during of a single collision while bringing the molecules substantially towards the passage 10 allowing access to the next floor.
  • the kinetic energy of the excited molecules decreases during collisions with the parts of the oblique sides 16 not covered by the elements 19, thus causing an increase in pressure at this stage (P2) with respect to the pressure prevailing in the preceding stage (P1).
  • the essential advantage of this configuration is to allow to communicate the kinetic energy necessary to pump the molecules in several stages, which has the practical consequence of allow to work with values of the product of the pulsation and the amplitude of the vibration less than 500 m / s.
  • the base of the triangle could have a shape curved, both concave and convex.
  • the vibrating element 4 could possibly undergo, during its vibration, a deformation amplified and alternately go from a concave or flat shape to a convex or concave shape, so as to obtain an increase the amplitude of the vibration.
  • the vibrating element could be formed by a flexible blade held by its two ends in the support 5 in order to be able to undergo, under the effect of the oscillating circuit 9, a deformation of a substantially flat position, in the rest state, in a bent position, in the excited state, as shown in Figure 8.
  • the vibrating element 4 could consist of a piezoelectric blade fixed at a point 23 to the support 5 and undergo, under the effect of the oscillating circuit 9, a displacement between a rest position and a deformed position, somewhat of the same way as a bimetallic strip.
  • a piezoelectric blade fixed at a point 23 to the support 5 and undergo, under the effect of the oscillating circuit 9, a displacement between a rest position and a deformed position, somewhat of the same way as a bimetallic strip.
  • This example concerns a molecular pump of the type such as shown in figure 6 and includes 30 superimposed horizontal stages in which the supports 5 of the vibrating elements 4 are mounted in staggered.
  • Each of these supports 5 has the dimensions following cross-sections: 700 mm x 15 mm and are distributed in a box of rectangular horizontal section of 700 mm x 600 mm.
  • Each floor consists of 20 rectangular supports 5 of triangular appearance arranged in a similar manner to that of FIG. 6.
  • a PVDF film 6 partially facing the PVDF films 20 fixed on a part of the sides 16 of the supports 5 of the next stage.
  • Piezoelectric films which are excited at a frequency close to their resonance frequency of the order of 10 MHz make it possible to achieve a compression ratio of 2 from one stage to the other of the pump for a gas formed from 'nitrogen. This makes it possible to obtain a maximum compression ratio of 10 9 for the aforementioned 30 stages of the pump.
  • the nominal pumping speed is 24,000 l / s for nitrogen at 25 ° C and the maximum mass flow rate reached is 24 mbar.litre.sec -1 or 86.4 mbar.m 3 / h.
  • the support of a stage could be formed by a perforated plate on the face thereof, oriented towards the outlet opening 3, the vibrating elements are fixed.
  • the elements may be constituted by very varied means.
  • box 1 can be placed in different positions, for example with the inlet opening 2 facing downwards or towards the side.
  • This box 1 could also have other geometries than a prismatic shape. So it could for example present a cylindrical shape with circular section.

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Abstract

The molecular pump consists of a sealed housing (1) with an inlet (2) and an outlet (3) for connecting to a discharge pump. Between the inlet and outlet the housing has a series of fixed elements (4) containing a piezo-electric material (6) to accelerate the gas molecules towards the outlet. The molecular pump consists of a sealed housing (1) with an inlet (2) and an outlet (3) for connecting to a discharge pump. Between the inlet and outlet the housing has a series of fixed elements (4) containing a piezo-electric material (6) to accelerate the gas molecules towards the outlet. The piezo-electric material, fixed to a support and coated with a conductor (7), can be of quartz, Rochette salt, lithium sulfate, lead methaniobate, lead titanate, lead zirconate titanate, or a polymer.

Description

La présente invention est relative à une pompe moléculaire à vide permettant d'évacuer un gaz d'une enceinte et de créer ainsi dans cette enceinte un vide poussé qui est généralement compris entre 0,1 mbar et 10-8 mbar et préférentiellement entre 10-2 et 10-6 mbar.The present invention relates to a molecular vacuum pump making it possible to evacuate a gas from an enclosure and thus to create in this enclosure a high vacuum which is generally between 0.1 mbar and 10 -8 mbar and preferably between 10 - 2 and 10 -6 mbar.

Actuellement, lorsque l'on désire maintenir une pression de l'ordre de 10-5 à 10-7 mbar par exemple afin d'évaporer un matériau sous vide ou encore lorsqu'il est nécessaire de maintenir des pressions de l'ordre de 10-2 à 10-5 mbar dans la mise en oeuvre d'un procédé plasma, par exemple, on fait usage de pompes moléculaires permettant de fonctionner dans cette gamme de pressions. La pression d'équilibre requise est obtenue en équilibrant le débit d'introduction des gaz avec le débit de pompage du système à un certain niveau. La vitesse de pompage de la pompe est généralement fixée (volume par unité de temps), la régulation de la pression s'obtient au moyen de la régulation du débit de fuite dans la chambre à vide. Il faut encore remarquer que lorsqu'aucun gaz n'est introduit, la pression ne chute pas indéfiniment mais atteint ce que l'on appelle la pression limite du système résultant de l'équilibre entre les fuites inhérentes à toute installation et la vitesse du groupe de pompage installé.Currently, when it is desired to maintain a pressure of the order of 10 -5 to 10 -7 mbar for example in order to evaporate a material under vacuum or even when it is necessary to maintain pressures of the order of 10 -2 to 10 -5 mbar in the implementation of a plasma process, for example, use is made of molecular pumps making it possible to operate in this pressure range. The required equilibrium pressure is obtained by balancing the gas introduction rate with the system pumping rate at a certain level. The pumping speed of the pump is generally fixed (volume per unit of time), the pressure regulation is obtained by means of the regulation of the leakage rate in the vacuum chamber. It should also be noted that when no gas is introduced, the pressure does not drop indefinitely but reaches what is called the system limit pressure resulting from the balance between the leaks inherent in any installation and the speed of the group. pump installed.

Pour la gamme de pression mentionnée, deux types de pompes sont pratiquement utilisées : d'une part, les pompes dites à diffusion et basées sur l'entraínement du gaz de l'enceinte, dans laquelle le vide doit être créé, par l'éjection de gaz au moyen d'une série de tuyères concentriques intégrées au corps de pompe et, d'autre part, les pompes à entraínement moléculaire rotatives (turbomoléculaires et "molecular drag pump") entraínant les molécules de gaz qui entrent en collision avec le rotor de la pompe. Ces deux types de pompes présentent tous les deux des inconvénients importants.For the pressure range mentioned, two types of pumps are practically used: on the one hand, the so-called diffusion and based on the gas of the enclosure, in which vacuum must be created, by the ejection of gas by means of a series of concentric nozzles integrated in the pump body and, on the other hand, the rotary molecular drive pumps (turbomolecular and "molecular drag pump") causing the gas molecules that enter collision with the pump rotor. These two types of pumps both have significant drawbacks.

En effet, dans une pompe à diffusion, par le fait que l'on y fait usage de fluides à évaporer, tels que des hydrocarbures et des silicones, dont les vapeurs servent de moteur au pompage, des problèmes de contamination de l'enceinte, dans laquelle le vide doit être créé, se produisent par la rétrodiffusion de vapeurs de la pompe dans l'enceinte. De plus, cette évaporation et la condensation de ces fluides entraínent une très forte consommation énergétique et en eau. En outre, une pompe à diffusion doit être fortement étranglée pour fonctionner à une pression supérieure ou égale à 10-3 mbar dans l'enceinte sous peine de fortes oscillations en pression et d'une contamination importante de la chambre à vide. En général, cet étranglement limite fortement le débit volumétrique de la pompe.In fact, in a diffusion pump, by the fact that use is made of fluids to evaporate there, such as hydrocarbons and silicones, the vapors of which serve as a pumping motor, problems of contamination of the enclosure, in which the vacuum must be created, occur by the backscattering of vapors from the pump into the enclosure. In addition, this evaporation and condensation of these fluids results in very high energy and water consumption. In addition, a diffusion pump must be strongly throttled to operate at a pressure greater than or equal to 10 -3 mbar in the enclosure under penalty of strong pressure oscillations and significant contamination of the vacuum chamber. In general, this constriction strongly limits the volumetric flow rate of the pump.

Par ailleurs, une pompe moléculaire rotative n'est efficace que lorsque la vitesse de rotation du rotor est de l'ordre de la vitesse de déplacement des molécules de gaz, ce qui implique de très grandes vitesses de rotation comprises en général entre 30.000 et 80.000 tours par minute en fonction de la taille de la pompe. Ce n'est qu'à ces vitesses de rotation que l'extrémité du rotor peut atteindre sa vitesse maximale, de l'ordre de 500 m/s pour les meilleures pompes. Une augmentation de vitesse n'est, en effet, pas envisageable facilement étant donné les difficultés mécaniques à vaincre. A ces vitesses, le rotor, généralement en alliage d'aluminium, est soumis à des contraintes très importantes pouvant atteindre jusqu'à 150 N/mm2. Il est donc très important, afin d'éviter un crash du rotor contre le stator, que le rotor soit parfaitement positionné (au µm près) et équilibré par des méthodes avancées en équilibrage dynamique sous vide à vitesse nominale. L'usinage et surtout l'équilibrage constitue donc un coût très élevé dans le prix de revient d'une pompe moléculaire rotative. Parmi tous les problèmes liés à l'utilisation d'une pompe moléculaire rotative on peut citer, plus particulièrement :

  • l'usure importante des paliers mécaniques nécessite généralement l'utilisation de paliers magnétiques ou à gaz très onéreux ;
  • en cas d'utilisation de paliers mécaniques, l'emploi de lubrifiant peut conduire à une contamination dans l'enceinte qui, même si elle est négligeable par rapport à ce qui est obtenu avec une pompe à diffusion, peut être critique dans certaines applications ;
  • en présence d'un champ magnétique supérieur à 10 mT, l'emploi des pompes moléculaires rotatives à rotor conducteur est fortement compliqué par la présence de courants induits conduisant à un échauffement excessif de ce dernier ;
  • l'augmentation des vitesses de pompage de ce type de pompe est rendu difficile et onéreux au-delà de 5000 l/s étant donné les outillages nécessaires à l'usinage et à l'équilibrage de ces pompes.
Furthermore, a rotary molecular pump is only effective when the speed of rotation of the rotor is of the order of the speed of movement of the gas molecules, which implies very high speeds of rotation generally between 30,000 and 80,000. revolutions per minute depending on the size of the pump. It is only at these rotational speeds that the end of the rotor can reach its maximum speed, of the order of 500 m / s for the best pumps. An increase in speed is, in fact, not easily conceivable given the mechanical difficulties to be overcome. At these speeds, the rotor, generally made of aluminum alloy, is subjected to very high stresses which can reach up to 150 N / mm 2 . It is therefore very important, in order to avoid a crash of the rotor against the stator, that the rotor is perfectly positioned (to the nearest µm) and balanced by advanced methods in dynamic vacuum balancing at nominal speed. Machining and above all balancing therefore constitutes a very high cost in the cost price of a rotary molecular pump. Among all the problems associated with the use of a rotary molecular pump, there may be mentioned, more particularly:
  • the significant wear of mechanical bearings generally requires the use of magnetic or very expensive gas bearings;
  • if mechanical bearings are used, the use of lubricant can lead to contamination in the enclosure which, even if it is negligible compared to what is obtained with a diffusion pump, can be critical in certain applications;
  • in the presence of a magnetic field greater than 10 mT, the use of rotary molecular pumps with conducting rotor is greatly complicated by the presence of induced currents leading to excessive heating of the latter;
  • the increase in pumping speeds of this type of pump is made difficult and expensive beyond 5000 l / s given the tools necessary for the machining and balancing of these pumps.

Un des buts essentiels de la présente invention est de proposer une pompe moléculaire qui permet de remédier aux inconvénients de ces types de pompes existantes.One of the essential aims of the present invention is to propose a molecular pump which makes it possible to remedy the disadvantages of these types of existing pumps.

A cet effet, la pompe suivant l'invention, comprend une boíte sensiblement étanche présentant à un de ses côtés une ouverture d'entrée, destinée à être raccordée à l'enceinte susdite et, à son côté opposé au côté susdit, une ouverture de sortie, de préférence destinée à être connectée à une pompe de décharge, des éléments d'accélération étant montés entre ces deux ouvertures à une certaine distance l'un de l'autre en des endroits sensiblement fixes dans la boíte susdite pour le passage du gaz, lesdits éléments étant tels à permettre d'impliquer aux molécules du gaz précité, provenant de l'enceinte susdite et venant en contact avec ces éléments, une vitesse dont la résultante est orientée vers l'ouverture de sortie.To this end, the pump according to the invention comprises a substantially waterproof box with an opening on one of its sides input, intended to be connected to the above-mentioned enclosure and, at its side opposite the above-mentioned side, an outlet opening, preferably intended for be connected to a discharge pump, acceleration elements being mounted between these two openings at a certain distance one of the other in substantially fixed places in the above-mentioned box for the gas passage, said elements being such as to allow implication to molecules of the aforementioned gas, coming from the above-mentioned enclosure and coming in contact with these elements, a speed whose result is oriented towards the outlet opening.

Avantageusement, les éléments susdits coopèrent avec des moyens permettant de les soumettre à une vibration présentant une composante orientée vers l'ouverture de sortie.Advantageously, the above elements cooperate with means for subjecting them to a vibration having a component oriented towards the outlet opening.

Suivant une forme de réalisation préférentielle de la pompe, suivant l'invention, l'élément précité comprend une matière piézo-électrique fixée sur le support précité et recouverte, sur sa face opposée à celle orientée vers le support, par un revêtement conducteur d'électricité, des moyens étant prévus pour appliquer sur cet élément une tension électrique alternative, de manière à faire subir à cette matière piézo-électrique une déformation suivant une direction transversale au support et, par conséquent, au revêtement susdit une vibration correspondante.According to a preferred embodiment of the pump, according to the invention, the aforementioned element comprises a piezoelectric material fixed on the aforementioned support and covered, on its opposite face to that oriented towards the support, by a conductive coating of electricity, means being provided for applying to this element a alternating electrical voltage, so as to subject this material piezoelectric strain in a direction transverse to the support and, therefore, to the above coating a vibration corresponding.

D'autres particularités et avantages de la pompe, suivant l'invention, ressortiront de la description donnée, ci-après, à titre d'exemples non limitatifs de quelques formes de réalisation particulières de cette pompe, avec référence aux dessins annexés.

  • La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale, suivant la ligne I-I de la figure 2, avec brisures partielles, d'une première forme de réalisation de la pompe suivant l'invention.
  • La figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne II-II de la figure 1.
  • La figure 3 est, à plus grande échelle, une vue en coupe transversale d'une partie essentielle de la pompe suivant cette première forme de réalisation.
  • La figure 4 représente une variante de la forme de réalisation montrée à la figure 3.
  • La figure 5 est une vue schématique en coupe longitudinale analogue à la figure 1 d'une deuxième forme de réalisation de la pompe suivant l'invention.
  • La figure 6 est une vue schématique analogue aux figures 1 et 5 d'une troisième forme de réalisation de la pompe suivant l'invention.
  • La figure 7 est, à plus grande échelle, une vue de détail d'une partie de la figure 6.
  • La figure 8 est une vue de détail d'une première variante des formes de réalisation suivant les figures précédentes.
  • La figure 9 est une vue de détail d'une deuxième variante des formes de réalisation suivant les figures précédentes.
    • Other features and advantages of the pump according to the invention will emerge from the description given below, by way of nonlimiting examples of some particular embodiments of this pump, with reference to the accompanying drawings.
  • Figure 1 is a schematic view in longitudinal section, along the line II of Figure 2, with partial broken lines, of a first embodiment of the pump according to the invention.
  • Figure 2 is a cross section along the line II-II of Figure 1.
  • Figure 3 is, on a larger scale, a cross-sectional view of an essential part of the pump according to this first embodiment.
  • FIG. 4 represents a variant of the embodiment shown in FIG. 3.
  • Figure 5 is a schematic view in longitudinal section similar to Figure 1 of a second embodiment of the pump according to the invention.
  • Figure 6 is a schematic view similar to Figures 1 and 5 of a third embodiment of the pump according to the invention.
  • FIG. 7 is, on a larger scale, a detailed view of part of FIG. 6.
  • Figure 8 is a detail view of a first variant of the embodiments according to the preceding figures.
  • Figure 9 is a detail view of a second variant of the embodiments according to the preceding figures.

    • Dans les différentes figures, les mêmes chiffres de référence concernent des parties analogues ou identiques.In the different figures, the same figures of reference relate to similar or identical parts.

    L'invention concerne un nouveau type de pompe à vide principalement destinée au pompage dans une zone de pressions comprise entre 0,1 mbar et 10-8 mbar. Il s'agit donc d'une pompe fonctionnant en régime dit moléculaire, c'est-à-dire une pompe pour laquelle les collisions des molécules avec les parois de la pompe dominent fortement les collisions entre les molécules.The invention relates to a new type of vacuum pump mainly intended for pumping in a pressure zone between 0.1 mbar and 10 -8 mbar. It is therefore a pump operating in a so-called molecular regime, that is to say a pump for which the collisions of the molecules with the walls of the pump strongly dominate the collisions between the molecules.

    Une première forme de réalisation d'une telle pompe a été représentée aux figures 1 et 2. Elle comprend une boíte ou carcasse métallique étanche 1 présentant, à un de ses côtés, une ouverture d'entrée 2 destinée à être raccordée à une enceinte, non représentée, dans laquelle il y a lieu de créer un vide poussé. Une ouverture de sortie 3 destinée à être connectée à une pompe de décharge, également non représentée, est prévue au côté opposé de cette boíte 1. A first embodiment of such a pump has been shown in Figures 1 and 2. It includes a box or carcass waterproof metal 1 having, at one of its sides, an opening input 2 intended to be connected to an enclosure, not shown, in which it is necessary to create a high vacuum. An exit opening 3 intended to be connected to a discharge pump, also not shown, is provided on the opposite side of this box 1.

    A l'intérieur de la boíte 1 sont répartis une série d'éléments d'accélération 4 s'étendant entre ces deux ouvertures 2 et 3, à une certaine distance les uns des autres, en des endroits fixes et entre lesquels sont ménagés des passages 10 pour le gaz à évacuer.Inside the box 1 are distributed a series of elements acceleration 4 extending between these two openings 2 and 3, at a certain distance from each other, in fixed places and between which are formed passages 10 for the gas to be evacuated.

    Suivant l'invention, ces éléments 4 sont tels à permettre d'impliquer aux molécules du gaz, provenant de l'enceinte susdite et venant en contact avec les éléments 4, une vitesse dont la résultante est orientée vers l'ouverture de sortie 3.According to the invention, these elements 4 are such as to allow to involve the gas molecules, coming from the above-mentioned enclosure, and coming into contact with the elements 4, a speed the result of which is oriented towards the outlet opening 3.

    Ces éléments 4 constituent les parties actives de la pompe et sont placés en des étages successifs. Ils permettent de pomper le gaz à partir de l'ouverture d'entrée 2 vers l'ouverture de sortie 3 en augmentant la pression du gaz d'étage en étage. Ceci est obtenu en soumettant, à chaque étage, les molécules du gaz à une séquence de décélération suivie d'une accélération par les éléments 4 de ce dernier vers les éléments de l'étage suivant.These elements 4 constitute the active parts of the pump and are placed in successive stages. They allow gas to be pumped from inlet opening 2 to outlet opening 3 in increasing the gas pressure from stage to stage. This is obtained in subjecting, on each stage, the molecules of the gas to a sequence of deceleration followed by acceleration by elements 4 of the latter to the elements of the next floor.

    Ainsi, la pompe moléculaire suivant l'invention doit présenter une vitesse de pompage élevée aux étages à proximité de l'ouverture d'entrée 2 et une vitesse de pompage plus faible aux étages se situant à proximité de l'ouverture de sortie 3 où la pression sera donc la plus élevée.Thus, the molecular pump according to the invention must have a high pumping speed on stages near inlet opening 2 and lower pumping speed on the floors located near the outlet opening 3 where the pressure will be the highest.

    En effet, en régime stationnaire, le débit massique est constant dans chaque étage de la pompe, c'est-à-dire que le produit de la vitesse de pompage et la pression est constant d'étage en étage.Indeed, in stationary regime, the mass flow is constant in each stage of the pump, i.e. the product of the pumping speed and pressure is constant from stage to stage.

    Pour permettre d'augmenter la pression du gaz d'étage en étage, il faut donc que la vitesse de pompage diminue en proportion, ce qui se traduit, en pratique, par une section de passage 10 pour le gaz d'un étage à l'autre décroissante vers l'ouverture de sortie 3.To allow the stage gas pressure to be increased by stage, so the pumping speed must decrease in proportion, this which translates, in practice, by a passage section 10 for the gas from one floor to the other decreasing towards the exit opening 3.

    C'est pour cette raison que, suivant l'invention, les étages de pompage dits de "haute pression" et se situant donc à proximité de l'ouverture de sortie 3 sont plus serrés que les étages de pompage dits de "basse pression" se situant à proximité de l'ouverture d'entrée 2.It is for this reason that, according to the invention, the stages so-called "high pressure" pumping devices and therefore located close to the outlet opening 3 are tighter than the so-called pumping stages of "low pressure" located near the inlet opening 2.

    Avantageusement, les éléments susdits 4 sont montés sur un support fixe 5, du côté de ces derniers, orienté vers l'ouverture de sortie précitée 3 et sont réalisés d'une manière telle à pouvoir coopérer avec des moyens 9 permettant de les soumettre à une vibration présentant une composante orientée vers l'ouverture de sortie 3.Advantageously, the aforementioned elements 4 are mounted on a fixed support 5, on the side of the latter, oriented towards the opening of aforementioned outlet 3 and are made in such a way as to be able to cooperate with means 9 for subjecting them to vibration having a component oriented towards the outlet opening 3.

    De plus, des moyens sont prévus pour maintenir le support précité 5 à une température sensiblement réduite, par exemple à la température ambiante.In addition, means are provided to maintain the support supra 5 at a significantly reduced temperature, for example at the ambient temperature.

    A cet égard, le support 5 et la boíte 1 sont réalisés en une matière calorifère, notamment en métal, et sont reliés d'une manière conductrice de la chaleur entre eux à un circuit de refroidissement 8 alimenté par exemple par de l'eau entourant la boíte 1.In this regard, the support 5 and the box 1 are made in one heating material, in particular metal, and are connected in a way conductive heat between them to a cooling circuit 8 powered for example by water surrounding the box 1.

    Chaque élément 4 comprend un organe vibrant 6 qui, dans la forme de réalisation représentée à la figure 1, est formé par une couche d'une matière piézo-électrique fixée sur le support métallique 5 et recouverte, sur sa face opposée à celle orientée vers le support 5, par un revêtement formé d'une matière conductrice de l'électricité 7.Each element 4 comprises a vibrating member 6 which, in the embodiment shown in Figure 1, is formed by a layer of piezoelectric material fixed on the metal support 5 and covered, on its face opposite to that facing the support 5, by a coating formed of an electrically conductive material 7.

    Des moyens 9, formés par un générateur de tension électrique alternative, notamment sinusoïdale, sont prévus pour permettre de faire subir à la couche en matière piézo-électrique 6 une déformation suivant une direction transversale au support 5 et, par conséquent, au revêtement susdit 7 une vibration correspondante.Means 9, formed by a voltage generator alternative electrical, including sinusoidal, are provided for allow the piezoelectric material layer 6 to undergo a deformation in a direction transverse to the support 5 and, by Consequently, at the above-mentioned coating 7, a corresponding vibration.

    La surface de revêtement 7 soumise à celle vibration transversale communique ainsi une vitesse aux molécules de gaz essentiellement dans le sens du pompage et joue en fait le rôle du rotor d'une pompe turbomoléculaire. The coating surface 7 subjected to that vibration transverse thus communicates a speed to the gas molecules essentially in the direction of pumping and actually plays the role of the rotor of a turbomolecular pump.

    Pour que ce pompage puisse avoir lieu avec un bon taux de compression, les molécules ainsi excitées doivent être ralenties avant de passer d'un étage à l'étage suivant où elles seront à nouveau accélérées. Ce ralentissement s'obtient lorsque les molécules excitées entrent en collision avec les parties du support 5 non soumises à une vibration et maintenues à une température relativement réduite, comme mentionné ci-dessus. Ce support 5 joue donc le rôle du stator d'une pompe turbomoléculaire.So that this pumping can take place with a good rate of compression, the molecules thus excited must be slowed down before to go from one floor to the next floor where they will be again accelerated. This slowdown is obtained when the excited molecules collide with the parts of the support 5 not subjected to a vibration and kept at a relatively reduced temperature, such as mentioned above. This support 5 therefore plays the role of the stator of a turbomolecular pump.

    Pour que la pompe moléculaire, suivant l'invention, puisse fonctionner avec un maximum de rendement, le support 5 doit être fixe par rapport au bâti de la pompe, c'est-à-dire par rapport à la boíte 1 de cette dernière, alors que la surface 7 seule peut être mise en vibration transversale sous l'effet de la couche intermédiaire 6 qui est donc de préférence réalisée en une matière piézo-électrique.So that the molecular pump according to the invention can operate with maximum efficiency, support 5 must be fixed relative to the pump frame, that is to say relative to the box 1 of the latter, while the surface 7 alone can be vibrated transverse under the effect of the intermediate layer 6 which is therefore preferably made of a piezoelectric material.

    La fréquence de vibration et l'amplitude de celle-ci sont liées par le fait que la vitesse de déplacement de la surface 7 doit au moins atteindre une vitesse de l'ordre de la vitesse dite "thermique" des molécules de gaz dans les conditions de pompage.The vibration frequency and the amplitude thereof are linked by the fact that the speed of movement of the surface 7 must less reach a speed of the order of the so-called "thermal" speed of gas molecules under pumping conditions.

    Ainsi, pour le pompage d'azote à une température de l'ordre de 25°C, il faut atteindre avantageusement une vitesse de l'ordre de 500 m/sec. Ceci correspond à une pulsation de 500 krad/s pour une amplitude de 1 mm, une pulsation de 5 Mrad/s pour une amplitude de 100 µm ou encore une pulsation de 50 Mrad/s pour une amplitude de 10 µm.So for pumping nitrogen at a temperature of around 25 ° C, you should advantageously reach a speed of around 500 m / sec. This corresponds to a pulsation of 500 krad / s for a amplitude of 1 mm, a pulsation of 5 Mrad / s for an amplitude of 100 µm or a pulse of 50 Mrad / s for an amplitude of 10 µm.

    En fonction de la pulsation (ou ce qui revient au même de la fréquence) et de l'amplitude du déplacement de la surface 7 vibrante, le principe de fonctionnement peut varier.Depending on the pulsation (or what amounts to the same of the frequency) and the amplitude of the displacement of the vibrating surface 7, the operating principle may vary.

    Au lieu d'être constitué d'une matière piézo-électrique, l'organe vibrant 6 pourrait être, par exemple, un dispositif de mise en vibration magnétique comprenant un électro-aimant, ou un dispositif électrostatique dans lequel le support 5 et la surface 7 forment ensemble un condensateur soumis à une tension électrique alternative ou encore un transducteur magnétostrictif.Instead of being made of a piezoelectric material, the vibrating member 6 could be, for example, a setting device magnetic vibration comprising an electromagnet, or a device electrostatic in which the support 5 and the surface 7 form together a capacitor subjected to an alternating electric voltage or a magnetostrictive transducer.

    Dans le cas, toutefois, d'une couche intermédiaire 6 entre le support 5 et la surface 7 d'une matière piézo-électrique, comme par exemple dans la forme de réalisation représentée aux figures 1 et 2, des fréquences relativement élevées peuvent être obtenues par exemple à la fréquence de résonance de cette matière piézo-électrique. De cette façon, des fréquences de l'ordre de 20 MHz peuvent être obtenues avec, comme matière piézo-électrique, des zirconates et titanates de plomb (PZT), alors que des fréquences pouvant dépasser les 100 MHz peuvent être atteintes avec des copolymères du type PVDF.In the case, however, of an intermediate layer 6 between the support 5 and the surface 7 of a piezoelectric material, as for example in the embodiment shown in Figures 1 and 2, relatively high frequencies can be obtained for example at the resonant frequency of this piezoelectric material. Of this way, frequencies of the order of 20 MHz can be obtained with, as piezoelectric material, lead zirconates and titanates (PZT), while frequencies that can exceed 100 MHz can be reached with PVDF type copolymers.

    Suivant l'invention, les matériaux piézo-électriques polymériques et en particulier les polymères précités sont particulièrement intéressants dans la mesure où leur faible impédance acoustique (4.106 kgm-2s-1) et leur faible densité permettent de mettre en vibration la surface 7 sans communiquer cette vibration au support 5 maintenu à une température relativement réduite.According to the invention, polymeric piezoelectric materials and in particular the aforementioned polymers are particularly advantageous insofar as their low acoustic impedance (4.10 6 kgm -2 s -1 ) and their low density make it possible to vibrate the surface 7 without communicating this vibration to the support 5 maintained at a relatively reduced temperature.

    Comme déjà signalé ci-dessus, par suite de l'augmentation de la pression du gaz pompé vers l'ouverture de sortie 3, il y a lieu d'adapter aussi bien la section de passage 10 d'un étage à l'autre que la distance entre les étages successifs pour se conformer à la diminution du libre parcours moyen entre la collision élastique des molécules pompées, si l'on veut conserver le régime moléculaire.As already noted above, as a result of the increase of the pressure of the pumped gas towards the outlet opening 3, there is to adapt the passage section 10 from one floor to another as well as the distance between successive stages to comply with the decrease of the mean free path between the elastic collision of molecules pumped, if we want to keep the molecular regime.

    Par exemple, à une pression d'azote supérieure ou égale à 0,001 mbar, la dimension caractéristique entre deux étages est de préférence de quelques centimètres au plus, tandis que pour une pression de 0,01 mbar, cette dimension passe à quelques mm. et sera encore plus réduite pour des pression de l'ordre de 0,1 mbar.For example, at a nitrogen pressure greater than or equal to 0.001 mbar, the characteristic dimension between two stages is preferably a few centimeters at most, while for a pressure of 0.01 mbar, this dimension changes to a few mm. and will even more reduced for pressures of the order of 0.1 mbar.

    Entre autres pour cette raison, différents types de géométrie et de dispositions des supports et éléments vibrants 4 peuvent être considérés pour réaliser les différents étages de pompage.Among other reasons, different types of geometry and arrangements of the supports and vibrating elements 4 can be considered to realize the different pumping stages.

    Tout d'abord, en ce qui concerne la première forme de réalisation, telle que montrée aux figures 1 et 2, qui constitue une des configurations préférentielles, la boíte étanche 1, dans laquelle sont agencés les éléments vibrants 4, présente une section transversale carrée ou rectangulaire, comme montré clairement à la figure 2, et les supports métalliques 5 sont disposés par étage successifs et en quinconce dans cette boíte. Ces supports sont constitués de lames s'étendant parallèlement entre elles entre deux parois opposées de la boíte 1. Ainsi, ces lames formant les supports 5 sont refroidies par contact thermique avec ces parois de la boíte 1. Ces lames sont situées dans des plans parallèles entre eux, chacun de ces plans déterminant un étage. Dans chaque étage les lames se situent à une certaine distance les unes des autres pour permettre ainsi au gaz de passer d'un étage à l'autre.First of all, with regard to the first form of embodiment, as shown in Figures 1 and 2, which constitutes one of preferred configurations, the sealed box 1, in which are arranged the vibrating elements 4, has a cross section square or rectangular, as shown clearly in Figure 2, and the metal supports 5 are arranged in successive stages and in staggered in this box. These supports consist of blades extending parallel to each other between two opposite walls of the box 1. Thus, these blades forming the supports 5 are cooled by thermal contact with these walls of the box 1. These blades are located in planes parallel to each other, each of these planes determining a floor. In each stage the blades are located at a certain distance from each other to allow gas to flow from one floor to the other.

    La face inférieure de chacune des lames de support 5 est revêtue par un film de PVDF piézo-électrique qui est branché dans un circuit oscillant 9, comme montré plus en détail aux figures 3 et 4, permettant de faire vibrer ce film de préférence à une fréquence proche de sa fréquence de résonance.The underside of each of the support blades 5 is coated with a piezoelectric PVDF film which is plugged into a oscillating circuit 9, as shown in more detail in FIGS. 3 and 4, allowing this film to vibrate preferably at a frequency close to of its resonant frequency.

    Du fait de sa faible masse et de sa faible impédance acoustique en comparaison avec celles de la lame de support 5, la face libre du film de PVDF est mise en vibration pendant que le support reste immobile. Cette surface est recouverte d'un revêtement métallique 7 permettant la polarisation du film et communiquant ainsi de l'énergie cinétique aux molécules et atomes de gaz, qui s'y adsorbent, dans la direction transversale par rapport à ce revêtement 7 et dans le sens de l'ouverture de sortie 3, c'est-à-dire le sens du pompage, comme indiqué par la flèche 11.Due to its low mass and low impedance acoustic in comparison with those of the support blade 5, the face free of PVDF film is vibrated while support remains motionless. This surface is covered with a metallic coating 7 allowing the polarization of the film and thus communicating energy kinetics to the molecules and atoms of gas, which adsorb there, in the transverse direction relative to this covering 7 and in the direction of outlet opening 3, i.e. the direction of pumping, as indicated by arrow 11.

    Comme déjà mentionné ci-dessus, le film de PVDF est excité électriquement au moyen d'un circuit oscillant. Dans la forme de réalisation montrée à la figure 3, ce circuit oscillant comprend un générateur de tension électrique alternative 9' qui est raccordé, d'une part, au revêtement conducteur 7 déposé sur le film piézo-électrique 6 et, d'autre part, au support métallique 5.As already mentioned above, the PVDF film is electrically excited by means of an oscillating circuit. In the form of embodiment shown in FIG. 3, this oscillating circuit comprises a generator of alternating electric voltage 9 'which is connected, of a part, to the conductive coating 7 deposited on the piezoelectric film 6 and, on the other hand, to the metal support 5.

    Dans la forme de réalisation montrée à la figure 4, le matériau piézo-électrique 6, dont le sens de polarisation initial, montré par la flèche 6', est inversé de couche en couche Les couches 6 sont revêtues d'un film conducteur de l'électricité 7 permettant de les raccorder indépendamment à la masse et à un générateur de tension alternative 9. Cette configuration présente un avantage considérable car elle permet :

    • de maintenir à la masse le support 5 aussi bien que la surface externe 7 impliquant les vibrations aux molécules ;
    • pour une valeur du champ électrique appliqué déterminée, cette configuration permet de travailler avec des tensions électriques nominales plus basses pour des épaisseurs actives théoriquement aussi élevées que nécessaire puisque le champ est appliqué dans les couches successives;
    • cette configuration permet en outre de travailler avec une épaisseur active quelconque à des fréquences élevées proches de la fréquence de résonance des couches constitutives 6, étant donné que la fréquence de résonance augmente lorsque l'épaisseur d'une couche 6 diminue.
    In the embodiment shown in Figure 4, the piezoelectric material 6, whose initial direction of polarization, shown by the arrow 6 ', is reversed from layer to layer The layers 6 are coated with a conductive film of the electricity 7 allowing them to be independently connected to ground and to an alternating voltage generator 9. This configuration has a considerable advantage because it allows:
    • to maintain the support 5 as well as the external surface 7 implying the vibrations to the molecules;
    • for a determined value of the applied electric field, this configuration makes it possible to work with lower nominal electric voltages for active thicknesses which are theoretically as high as necessary since the field is applied in successive layers;
    • this configuration also makes it possible to work with any active thickness at high frequencies close to the resonance frequency of the constituent layers 6, since the resonance frequency increases when the thickness of a layer 6 decreases.

    Le film de PVDF peut être soit directement en contact avec le support 5 si ce dernier est conducteur de l'électricité, soit au préalable revêtu d'un film conducteur si le support 5 n'est pas conducteur de l'électricité.PVDF film can either be directly in contact with support 5 if the latter is electrically conductive, i.e. beforehand coated with a conductive film if the support 5 is not a conductor of electricity.

    La figure 5 représente une deuxième forme de réalisation d'une configuration préférentielle des éléments vibrants 4 dans la boíte 1.Figure 5 shows a second embodiment of a preferred configuration of the vibrating elements 4 in the box 1.

    Dans cette configuration, les premiers étages de la pompe, c'est-à-dire ceux à proximité de l'ouverture d'entrée 2, sont inclinés par rapport à l'axe longitudinal de la boíte 1 d'un angle de l'ordre de 45° afin d'augmenter la vitesse de pompage.In this configuration, the first stages of the pump, that is to say those close to the inlet opening 2, are inclined by relative to the longitudinal axis of the box 1 at an angle of about 45 ° so increase the pumping speed.

    Dans les zones subséquentes de la boíte 1, cet angle diminue de plus en plus, de sorte que les étages deviennent plus serrés pour être horizontaux à proximité de l'ouverture de sortie 3. La raison en est, comme déjà exposé ci-dessus, qu'au départ le débit de pompage est relativement élevé pour une pression relativement faible, le débit volumétrique de pompage diminuant et la pression augmentant au fur et à mesure de l'avancement dans la boíte par suite de la conservation du débit massique pour tous les étages de la pompe en régime stationnaire.In the subsequent areas of box 1, this angle decreases more and more, so that the floors become tighter to be horizontal near the outlet opening 3. The reason is, as already explained above, that at the start the pumping flow is relatively high for relatively low pressure, the flow pumping volume decreasing and the pressure increasing as and as the advancement in the box as a result of the conservation of the mass flow for all stages of the pump in steady state.

    Dans la figure 5, quatre zones d'étage 12, 13, 14 et 15 ont été représentées. Dans chacune d'elles, les supports sont montés dans une position bien déterminée.In Figure 5, four floor areas 12, 13, 14 and 15 have been represented. In each of them, the supports are mounted in a well-defined position.

    La figure 6 se rapporte à une troisième configuration préférentielle de la forme et de la disposition des supports 5 et des éléments vibrants 4. La figure 7 représente un détail de cette même figure.Figure 6 relates to a third configuration preferred shape and arrangement of supports 5 and vibrating elements 4. FIG. 7 represents a detail of this same figure.

    Dans la zone 12, à proximité de l'ouverture d'entrée 2, les supports 5 sont disposés en quinconce et présentent une section transversale ayant sensiblement l'allure d'un triangle isocèle dont le sommet est orienté vers l'ouverture d'entrée 2. Comme montré plus clairement à la figure 7, l'inclinaison des côtés latéraux obliques 16 de ces supports est telle à permettre une réflexion maximum des molécules de gaz frappant ces côtés vers la base 17 des supports munis de l'élément vibrant 7, comme montré par les flèches 18. De plus, dans cette première zone 12, la distance entre les supports 5 est maximale afin de créer un passage 10 qui est au maximum pour les molécules réfléchies par un étage vers l'étage suivant d'éléments vibrants. Dans les zones suivantes, les étages se rapprochent de plus en plus l'un de l'autre et les sections de passage 10 deviennent plus réduites. De plus, la hauteur des supports triangulaires 5 diminue également et les côtés obliques 16 présentent une forme concave dont la courbure est fixée en fonction de l'ouverture du passage 10 de manière telle qu'un maximum de molécules soient transmises vers l'étage suivant.In zone 12, near entrance opening 2, the supports 5 are staggered and have a cross section transverse having substantially the shape of an isosceles triangle whose vertex is oriented towards the entrance opening 2. As shown more clearly in FIG. 7, the inclination of the oblique lateral sides 16 of these supports are such as to allow a maximum reflection of the molecules of gas striking these sides towards the base 17 of the supports provided with the vibrating element 7, as shown by the arrows 18. In addition, in this first zone 12, the distance between the supports 5 is maximum in order to create a passage 10 which is maximum for molecules reflected by a stage towards the following stage of vibrating elements. In the following areas the floors get closer and closer one of the other and the passage sections 10 become more reduced. Moreover, the height of the triangular supports 5 also decreases and the sides obliques 16 have a concave shape whose curvature is fixed in depending on the opening of passage 10 so that a maximum molecules are transmitted to the next floor.

    Une particularité importante de la configuration représentée aux figures 6 et 7 est la présence d'éléments vibrants 19 analogues aux éléments 4 et recouvrant partiellement les côtés latéraux obliques 16 des supports 5. Ainsi, ces éléments 19 sont constitués d'une couche intermédiaire 21 de préférence réalisé en une matière piézo-électrique recouverte d'un revêtement conducteur 20, et font partiellement face aux éléments 4 de l'étage précédent. Ces éléments 19 permettent de communiquer de l'énergie cinétique aux molécules au cours d'une série de collisions successives avec ces éléments vibrants plutôt qu'au cours d'une seule collision tout en amenant sensiblement les molécules vers le passage 10 permettant l'accès à l'étage suivant. A l'étage suivant, l'énergie cinétique des molécules excitées diminue au cours des collisions avec les parties des côtés obliques 16 non recouvertes par les éléments 19, ce qui provoque ainsi une augmentation de pression à cet étage (P2) par rapport à la pression régnant à l'étage précédent (P1). An important feature of the configuration shown in Figures 6 and 7 is the presence of vibrating elements 19 similar to elements 4 and partially covering the oblique lateral sides 16 of supports 5. Thus, these elements 19 consist of a layer intermediate 21 preferably made of a piezoelectric material covered with a conductive coating 20, and partially face the elements 4 of the previous floor. These elements 19 make it possible to communicate kinetic energy to molecules in a series successive collisions with these vibrating elements rather than during of a single collision while bringing the molecules substantially towards the passage 10 allowing access to the next floor. On the next floor, the kinetic energy of the excited molecules decreases during collisions with the parts of the oblique sides 16 not covered by the elements 19, thus causing an increase in pressure at this stage (P2) with respect to the pressure prevailing in the preceding stage (P1).

    Ces parties non couvertes des supports d'un étage déterminé correspondent de préférence à la projection de la superficie du passage 10 entre deux supports consécutifs de l'étage précédent sur les côtés obliques 16 des supports de cet étage déterminé. Ceci a été indiqué sur la figure 7 par les lignes de projection 22.These uncovered parts of one-story supports determined preferably correspond to the projection of the area of the passage 10 between two consecutive supports of the previous stage on the oblique sides 16 of the supports of this determined stage. This was indicated in figure 7 by the projection lines 22.

    L'avantage essentiel de cette configuration est de permettre de communiquer l'énergie cinétique nécessaire au pompage des molécules en plusieurs étapes, ce qui a pour conséquence pratique de permettre de travailler avec des valeurs du produit de la pulsation et de l'amplitude de la vibration inférieures à 500 m/s.The essential advantage of this configuration is to allow to communicate the kinetic energy necessary to pump the molecules in several stages, which has the practical consequence of allow to work with values of the product of the pulsation and the amplitude of the vibration less than 500 m / s.

    Ainsi, il est possible d'augmenter le taux de compression d'un étage à l'étage suivant comparé à l'utilisation de supports à section purement triangulaire.Thus, it is possible to increase the compression ratio from one floor to the next floor compared to the use of section supports purely triangular.

    D'autres variantes de configuration pour les supports 5 et éléments vibrants 4 peuvent être envisagés.Other configuration variants for supports 5 and vibrating elements 4 can be envisaged.

    Ainsi, la base du triangle pourrait présenter une forme courbe, aussi bien concave que convexe. Par ailleurs, l'élément vibrant 4 pourrait éventuellement subir, lors de sa vibration, une déformation amplifiée et passer alternativement d'une forme concave ou plane à une forme convexe ou concave, de manière à obtenir ainsi un accroissement de l'amplitude de la vibration. Dans une telle variante, l'élément vibrant pourrait être formé par une lame flexible tenue par ses deux extrémités dans le support 5 pour pouvoir subir, sous l'effet du circuit oscillant 9, une déformation d'une position sensiblement plane, à l'état de repos, en une position courbée, dans l'état excité, comme montré à la figure 8.So the base of the triangle could have a shape curved, both concave and convex. Furthermore, the vibrating element 4 could possibly undergo, during its vibration, a deformation amplified and alternately go from a concave or flat shape to a convex or concave shape, so as to obtain an increase the amplitude of the vibration. In such a variant, the vibrating element could be formed by a flexible blade held by its two ends in the support 5 in order to be able to undergo, under the effect of the oscillating circuit 9, a deformation of a substantially flat position, in the rest state, in a bent position, in the excited state, as shown in Figure 8.

    Dans une autre configuration encore, l'élément vibrant 4 pourrait être constitué d'une lame piézo-électrique fixée en un point 23 au support 5 et subir, sous l'effet du circuit oscillant 9, un déplacement entre une position de repos et une position déformée, quelque peu de la même façon qu'un bilame. Une telle variante a été illustrée à la figure 9.In yet another configuration, the vibrating element 4 could consist of a piezoelectric blade fixed at a point 23 to the support 5 and undergo, under the effect of the oscillating circuit 9, a displacement between a rest position and a deformed position, somewhat of the same way as a bimetallic strip. Such a variant has been illustrated in FIG. 9.

    Dans ces figures 8 et 9, la position dans l'état excité a été représentée en traits interrompus.In these figures 8 and 9, the position in the excited state has been shown in broken lines.

    Ci-après est donné un exemple concret permettant d'illustrer davantage l'objet de la présente invention.Below is a concrete example allowing to further illustrate the object of the present invention.

    Cet exemple concerne une pompe moléculaire du type tel que montré à la figure 6 et comprend 30 étages horizontaux superposés dans lesquels les supports 5 des éléments vibrants 4 sont montés en quinconce. Chacun des ces supports 5 présente les dimensions transversales suivantes : 700 mm x 15 mm et sont répartis dans une boíte de section horizontale rectangulaire de 700 mm x 600 mm.This example concerns a molecular pump of the type such as shown in figure 6 and includes 30 superimposed horizontal stages in which the supports 5 of the vibrating elements 4 are mounted in staggered. Each of these supports 5 has the dimensions following cross-sections: 700 mm x 15 mm and are distributed in a box of rectangular horizontal section of 700 mm x 600 mm.

    Chaque étage est constitué de 20 supports rectangulaires 5 d'allure triangulaire disposés de manière similaire à celle de la figure 6.Each floor consists of 20 rectangular supports 5 of triangular appearance arranged in a similar manner to that of FIG. 6.

    Ces supports 5 sont refroidis par contact thermique avec les parois latérales de la boíte 1 de la pompe, elle-même refroidie par un circuit d'eau 8.These supports 5 are cooled by thermal contact with the side walls of the box 1 of the pump, itself cooled by a water circuit 8.

    Sur la face inférieure 17 des supports est fixé un film de PVDF 6 faisant partiellement face aux films de PVDF 20 fixés sur une partie des côtés 16 des supports 5 de l'étage suivant. Les films piézo-électriques qui sont excités à une fréquence proche de leur fréquence de résonance de l'ordre de 10 MHz permettent d'atteindre un taux de compression de 2 d'un étage à l'autre de la pompe pour un gaz formé d'azote. Ceci permet d'obtenir un taux de compression maximum de 109 pour les 30 étages précités de la pompe. La vitesse nominale de pompage est de 24.000 l/s pour de l'azote à 25°C et le débit massique maximal atteint est de 24 mbar.litre.sec-1 ou 86,4 mbar.m3/h.On the underside 17 of the supports is fixed a PVDF film 6 partially facing the PVDF films 20 fixed on a part of the sides 16 of the supports 5 of the next stage. Piezoelectric films which are excited at a frequency close to their resonance frequency of the order of 10 MHz make it possible to achieve a compression ratio of 2 from one stage to the other of the pump for a gas formed from 'nitrogen. This makes it possible to obtain a maximum compression ratio of 10 9 for the aforementioned 30 stages of the pump. The nominal pumping speed is 24,000 l / s for nitrogen at 25 ° C and the maximum mass flow rate reached is 24 mbar.litre.sec -1 or 86.4 mbar.m 3 / h.

    Pour une pression d'azote mesurée à l'ouverture d'entrée 2 et valant 5.10-3 mbar, on observe une pression de l'ordre de 0,03 mbar à l'ouverture de sortie 3 où est connectée une pompe de décharge formée d'une pompe "Roots" de 3000 m3/h. Ainsi, le taux de compression pratique de cette pompe moléculaire est de 6 pour une vitesse de pompage de 4800 l/s dans ces conditions de fonctionnement.For a nitrogen pressure measured at the inlet opening 2 and equal to 5.10 -3 mbar, a pressure of the order of 0.03 mbar is observed at the outlet opening 3 to which a formed discharge pump is connected a 3000 m 3 / h Roots pump. Thus, the practical compression ratio of this molecular pump is 6 for a pumping speed of 4800 l / s under these operating conditions.

    Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus et représentées aux figures annexées, mais que bien des variantes peuvent être envisagées, notamment en ce qui concerne la configuration des supports et des éléments vibrants utilisés dans la boíte étanche de cette pompe.It is understood that the invention is not limited to embodiments described above and shown in the figures attached, but that many variants can be envisaged, especially with regard to the configuration of supports and vibrating elements used in the sealed box of this pump.

    Ainsi, le support d'un étage pourrait être formé par une plaque ajourée sur la face de celle-ci, orientée vers l'ouverture de sortie 3, sont fixés les éléments vibrants.Thus, the support of a stage could be formed by a perforated plate on the face thereof, oriented towards the outlet opening 3, the vibrating elements are fixed.

    Par ailleurs, les éléments peuvent être constitués par des moyens de nature très variée.Furthermore, the elements may be constituted by very varied means.

    En fait, il suffit, suivant l'invention, de créer dans la boíte étanche de la pompe, une succession de dipôles orientés de l'ouverture de l'entrée vers l'ouverture de sortie. Dans les formes de réalisation décrites ci-dessus, le dipôle était formé par une partie fixe et une partie vibrante. On pourrait ainsi également envisager un dipôle formé par une partie froide et une partie chaude séparées l'une de l'autre par un isolant.In fact, it is enough, according to the invention, to create in the box tight of the pump, a succession of dipoles oriented from the opening from the entrance to the exit opening. In the embodiments described above, the dipole was formed by a fixed part and a part vibrant. We could also consider a dipole formed by a cold part and hot part separated from each other by an insulator.

    Enfin, la boíte 1 peut être placée dans différentes positions, par exemple avec l'ouverture d'entrée 2 orientée vers le bas ou vers le côté.Finally, the box 1 can be placed in different positions, for example with the inlet opening 2 facing downwards or towards the side.

    Cette boíte 1 pourrait aussi présenter d'autres géométries qu'une forme prismatique. Ainsi, elle pourrait par exemple présenter une forme cylindrique à section circulaire.This box 1 could also have other geometries than a prismatic shape. So it could for example present a cylindrical shape with circular section.

    Claims (14)

    Pompe moléculaire permettant d'évacuer un gaz d'une enceinte et de créer ainsi dans cette dernière un vide poussé, caractérisée en ce qu'elle comprend une boíte sensiblement étanche (1) présentant à un de ses côtés une ouverture d'entrée (2), destinée à être raccordée à l'enceinte susdite et, à son côté opposé au côté susdit, une ouverture de sortie (3), de préférence destinée à être connectée à une pompe de décharge, des éléments (4) étant montés entre ces deux ouvertures (2) et (3) à une certaine distance l'un de l'autre en des endroits sensiblement fixes dans la boíte susdite (1) pour le passage du gaz, lesdits éléments (4) étant tels à permettre d'impliquer aux molécules du gaz précité, provenant de l'enceinte susdite et venant en contact avec ces éléments (4), une vitesse dont la résultante est orientée vers l'ouverture de sortie (3).Molecular pump for evacuating a gas from a enclosure and thus create a high vacuum in the latter, characterized in that it comprises a substantially sealed box (1) having on one of its sides an inlet opening (2), intended to be connected to the above-mentioned enclosure and, on its side opposite to the above-mentioned side, a outlet opening (3), preferably intended to be connected to a discharge pump, elements (4) being mounted between these two openings (2) and (3) at a certain distance from each other in substantially fixed places in the above-mentioned box (1) for the passage of the gas, said elements (4) being such as to make it possible to involve molecules the aforementioned gas, coming from the above-mentioned enclosure and coming into contact with these elements (4), a speed whose resultant is oriented towards the outlet opening (3). Pompe suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments précités (4) sont placés en des étages successifs, éventuellement rassemblées en zones d'étages (12, 13, 14, 15, ...) entre les ouvertures d'entrée (2) et de sortie (3) d'une manière telle à permettre le passage des molécules d'un étage à l'étage suivant en étant soumis, à chaque étage, à une accélération par les éléments (4) de ce dernier vers les éléments de l'étage suivant.Pump according to claim 1, characterized in that the aforementioned elements (4) are placed in successive stages, possibly grouped in floor areas (12, 13, 14, 15, ...) between the inlet (2) and outlet (3) openings in such a way that allow the passage of molecules from one stage to the next stage by being subject, at each stage, to acceleration by the elements (4) of this last towards the elements of the next floor. Pompe suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la distance entre les éléments (4) de deux étages successifs décroít à partir de l'ouverture d'entrée (2) vers l'ouverture de sortie (3).Pump according to claim 2, characterized in that the distance between the elements (4) of two successive stages decreases to from the inlet opening (2) to the outlet opening (3). Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les éléments précités (4) sont disposés en quinconce.Pump according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the aforementioned elements (4) are arranged in staggered. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les éléments susdits (4) sont montés sur un support fixe (5), du côté de ce dernier orienté vers l'ouverture de sortie précitée (3), et coopèrent avec des moyens (9) permettant de les soumettre à une vibration présentant une composante orientée vers l'ouverture de sortie (3).Pump according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the above elements (4) are mounted on a fixed support (5), on the side of the latter facing the outlet opening mentioned above (3), and cooperate with means (9) allowing them subject to a vibration with a component oriented the outlet opening (3). Pompe suivant la revendication 5, caractérisée en ce que des moyens sont prévus pour maintenir le support précité (5) à une température sensiblement réduite, par exemple à la température ambiante.Pump according to claim 5, characterized in that means are provided for maintaining the aforementioned support (5) at a significantly reduced temperature, for example at room temperature ambient. Pompe suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le support (5) et la boíte (1) sont réalisés en une matière calorifère et sont reliés d'une manière conductrice entre eux, les moyens précités pour maintenir le support à une température relativement réduite comprenant un circuit de refroidissement (8) entourant la boíte susdite (1).Pump according to claim 6, characterized in that the support (5) and the box (1) are made of a caloriferous material and are connected in a conductive manner to each other, the aforementioned means to maintain the support at a relatively reduced temperature comprising a cooling circuit (8) surrounding the above-mentioned box (1). Pompe suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que l'élément précité (4) comprend une matière piézo-électrique (6) fixée sur le support précité (5) et recouverte, sur sa face opposée à celle orientée vers le support, par un revêtement conducteur d'électricité (7), des moyens (9) étant prévus pour appliquer sur cet élément (4) une tension électrique alternative, de manière à faire subir à cette matière piézo-électrique (6) une déformation suivant une direction transversale au support (5) et, par conséquent, au revêtement susdit (7) une vibration correspondante.Pump according to any one of claims 5 to 7, characterized in that the above-mentioned element (4) comprises a material piezoelectric (6) fixed on the aforementioned support (5) and covered, on its opposite side to that facing the support, by a coating electrical conductor (7), means (9) being provided for applying on this element (4) an alternating electric voltage, so as to make undergo a deformation of this piezoelectric material (6) according to a transverse direction to the support (5) and therefore to the covering above (7) a corresponding vibration. Pompe suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la face de la matière piézo-électrique (6) en contact avec le support (5) et le revêtement (7) sont mis à la masse.Pump according to claim 8, characterized in that the face of the piezoelectric material (6) in contact with the support (5) and the coating (7) are grounded. Pompe suivant l'une ou l'autre des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que la matière piézo-électrique (6) fait partie d'une lame flexible montée sur le support et pouvant subir une déformation élastique sous l'effet de la tension électrique alternative susdite. Pump according to either of Claims 8 or 9, characterized in that the piezoelectric material (6) is part of a flexible blade mounted on the support and capable of undergoing deformation elastic under the effect of the above AC voltage. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisée en ce que les supports (5) sont disposés en quinconce et présentent une section transversale ayant l'allure d'un triangle isocèle dont le sommet est orienté vers le côté de la boíte (1) dans lequel est prévue l'ouverture d'entrée (2), l'inclinaison des côtés latéraux obliques (16) de ces supports (5) étant telle à permettre une réflexion des molécules frappant ces côtés vers la base (17) des supports (5) de l'étage précédent.Pump according to any one of claims 5 to 10, characterized in that the supports (5) are staggered and have a cross section that looks like an isosceles triangle whose top is oriented towards the side of the box (1) in which is provided the entry opening (2), the inclination of the oblique lateral sides (16) of these supports (5) being such as to allow reflection of the molecules striking these sides towards the base (17) of the supports (5) of the previous floor. Pompe suivant la revendication 11, caractérisée en ce que les côtés obliques (16) des supports (5) sont au moins partiellement concaves.Pump according to claim 11, characterized in that the oblique sides (16) of the supports (5) are at least partially concaves. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 5 à 12, caractérisée en ce que les côtés (16) des supports (5) d'un étage déterminé orientés vers les supports (5) d'un étage précédent sont partiellement couverts par des éléments (19) pouvant être soumis à une vibration présentant une composante orientée vers les éléments (4) prévus sur le côté (17) des supports de l'étage précédent orienté vers l'ouverture de sortie (3), de manière à permettre un gain d'énergie cinétique des molécules par une série de collisions multiples avec les surfaces vibrantes (7) des éléments (4) et (19) se faisant face avant de passer à l'étage suivant.Pump according to any one of claims 5 to 12, characterized in that the sides (16) of the supports (5) of a stage determined oriented towards the supports (5) of a previous stage are partially covered by elements (19) which can be subjected to vibration with a component oriented towards the elements (4) provided on the side (17) of the supports of the previous floor oriented towards the outlet opening (3), so as to allow energy saving kinetics of molecules by a series of multiple collisions with vibrating surfaces (7) of the elements (4) and (19) facing each other before go to the next floor. Pompe suivant l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisée en ce que la matière piézo-électrique (6) est constituée de quartz, sel de Rochette (NaKC4H4O6NH2O, sulfate de lithium (Li2SO4H2O), métaniobate de plomb (PbNb2O6), titanate de plomb (PT), titanate zirconate de plomb (PZT), fluorure de polyvinylidène (PVDF), copolymère de fluorure de polyvinylidène et de trifluoro-éthylène (P(VDF-TrFE)), copolymère de fluorure de polyvinylidène et de tétrafluoroéthylène (P(VDF-TeFE)) ou copolymère de cyanure de vinylidène et d'acétate de vinyle (P(VDCN-VAC)).Pump according to any one of Claims 8 to 13, characterized in that the piezoelectric material (6) consists of quartz, Rochette salt (NaKC 4 H 4 O 6 NH 2 O, lithium sulphate (Li 2 SO 4 H 2 O), lead metaniobate (PbNb 2 O 6 ), lead titanate (PT), lead zirconate titanate (PZT), polyvinylidene fluoride (PVDF), copolymer of polyvinylidene fluoride and trifluoroethylene (P (VDF-TrFE)), copolymer of polyvinylidene fluoride and tetrafluoroethylene (P (VDF-TeFE)) or copolymer of vinylidene cyanide and vinyl acetate (P (VDCN-VAC)).
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