EP1408237A1 - Pompe turbomoléculaire - Google Patents

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EP1408237A1
EP1408237A1 EP03356142A EP03356142A EP1408237A1 EP 1408237 A1 EP1408237 A1 EP 1408237A1 EP 03356142 A EP03356142 A EP 03356142A EP 03356142 A EP03356142 A EP 03356142A EP 1408237 A1 EP1408237 A1 EP 1408237A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
skirt
rotor
section
downstream
zone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03356142A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Lionel Favre-Felix
Olivier Dauvillier
André Bouille
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alcatel Lucent SAS
Original Assignee
Alcatel CIT SA
Alcatel SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alcatel CIT SA, Alcatel SA filed Critical Alcatel CIT SA
Publication of EP1408237A1 publication Critical patent/EP1408237A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/02—Selection of particular materials
    • F04D29/023—Selection of particular materials especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D19/02—Multi-stage pumps
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/40—Organic materials
    • F05D2300/43—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced

Definitions

  • the present invention relates to vacuum pumps rapid rotation used to generate a high vacuum in a pipe and / or vacuum enclosure.
  • Vacuum generation requires the use of pumps able to quickly generate and maintain a high vacuum suitable for the machining or treatment process.
  • turbomolecular type pumps composed of a pump body in which a rotor is rotated fast, for example a rotation at more than thirty thousand revolutions per minute.
  • the rotor acquires very high kinetic energy, and undergoes high mechanical stresses which justify the choice of materials appropriate.
  • the rotor of a turbomolecular vacuum pump consists an upstream section (in the direction of gas flow) of the rotor with turbo-type blades and a downstream section (in the direction of gas flow) rotor in the form of a HOLWECK type skirt.
  • upstream and downstream respectively designate the parts of the pump unladen traveled first and last by the gases pumped into the direction of their flow, in operation.
  • the upstream section with turbo blades has a shape complex, which is made of a suitable metal such as aluminum or an aluminum alloy.
  • the shape is too complex to allow economical production of a composite material.
  • the downstream section in the form of a HOLWECK type skirt, is a thin wall of revolution, largely cylindrical, driven in rotation in a downstream section of stator having grooves helical with progressively reduced section.
  • downstream section in the shape of a HOLWECK skirt is in one composite material with organic matrix, based on resin charged with fibers.
  • This solution offers the advantage of using a material having better mechanical properties.
  • the downstream section is connects to the upstream section according to an annular connection zone. In this annular connection zone, the matrix composite material organic component of the HOLWECK skirt is joined to the section upstream metal.
  • the problem proposed by the present invention is to design a new turbo pump rotor structure molecular which allows, without risk of degradation of the rotor, withstand higher rotational speeds or exhibit a larger HOLWECK skirt diameter, in order to increase the pumping characteristics of the pump.
  • Another object of the invention is to design such a rotor structure which can be manufactured at low cost, with an industrializable process.
  • the pump according to the invention must support the conditions of usual operation, especially in temperature: the rotor must be able to withstand temperatures down to -20 ° C during transport, and rising up to + 150 ° C in operation.
  • the rotor must have good qualities of centering, avoiding any risk of contact between the rotor skirt and the stator during operation at nominal speed.
  • the idea behind the invention is to design a HOLWECK skirt in an organic matrix composite material, the mechanical characteristics vary depending on the area longitudinal view of the skirt.
  • the structure of reinforcement includes long fibers wound in a helix according to constant pitch and coated with resin, the rate of resin being variable according to the longitudinal zone considered of the skirt.
  • the structure of reinforcement includes long fibers wound in a helix and coated with resin at a constant rate, the pitch of the propeller being variable according to the longitudinal zone considered of the skirt.
  • the structure of reinforcement includes long fibers wound in a helix and coated with resin, the pitch of the propeller and the rate of resin being both variables according to the longitudinal area considered in the skirt.
  • the step variation associated with the variation of the proportion of quantity of resin to quantity of fiber is likely, if no precaution is taken elsewhere, cause variations in diameter or thickness of the skirt composite.
  • suitable manufacturing tools are necessary. For example, and without limitation, a mandrel obtained by machining can be used.
  • the propeller can advantageously have an angle close to 0 ° in the downstream area of the skirt, and have an angle greater than 0 °, for example 20 to 30 °, in and near the annular connection zone.
  • the skirt can be cylindrical.
  • the skirt may include an annular connection zone, a downstream section of cylindrical skirt larger in diameter than the annular connection zone and a zone intermediate connection between the annular connection zone and the downstream section of skirt.
  • This increases the speed in rotation tangential of the skirt relative to the stator, which increases the compression ratio of the HOLWECK stage of the pump.
  • the increase in diameter makes it possible to accommodate a greater number of grooves in the HOLWECK part of the stator, increasing the pump flow.
  • FIG. 1 illustrating a turbomolecular pump structure 1 secured to the wall 2 a vacuum chamber 3.
  • the turbomolecular pump 1 comprises a pump body 4 or stator in which a rotor 5 rotates at high speed axial rotation along the axis of rotation I.
  • the pump body 4 has a coaxial suction port 6, through which penetrate the gases pumped 7, and a discharge orifice 8 through which are evacuated the outlet gas 9.
  • the rotor 5 is rotated in the pump body 4 by an internal motor 10, and is guided laterally by magnetic or mechanical bearings 11 and 12.
  • the wall 2 of the vacuum enclosure 3 includes an orifice outlet 13, corresponding to the suction port 6 of the vacuum 1, and generally constitutes a closed enclosure isolated from outside and in which the vacuum pump 1 can create a vacuum control.
  • the rotor 5 comprises an upstream section of rotor 5a comprising blades such as the blade 5b, and comprises a section downstream of rotor 5c in the form of a HOLWECK type skirt. Facing the stretch upstream 5a of rotor, stator 4 comprises an upstream section of stator 4a with blades such as the blade 4b. Facing the downstream section of rotor 5c with HOLWECK skirt the stator 4 has a downstream section of stator 4c with helical grooves 4d of HOLWECK type tel as more apparent in Figure 6.
  • FIG. 2 illustrating a rotor sector according to the present invention
  • the upstream rotor section 5a is made of a metal or alloy suitable, for example aluminum or aluminum alloy.
  • the downstream section of rotor 5c with HOLWECK skirt is made of a material composite with organic matrix, based on resin filled with fibers reinforcement.
  • the downstream section with HOLWECK 5c skirt is connected to the upstream section 5a along an annular connection zone 5d.
  • the reinforcing fibers can advantageously be glass fibers or carbon fibers, occurring under wick shape (up to several thousand filaments per wick) long wound continuously on a reel by a process filament winding.
  • Resins can be resins thermoplastics (for example polyester ether ketone PEEK) or thermosets (eg epoxy).
  • the downstream section of rotor 5c with skirt HOLWECK in organic matrix composite material includes a internal fiber reinforcement structure which gives the skirt mechanical characteristics varying depending on the area longitudinal view of the skirt.
  • a greater flexibility and greater expansion capacity thermal in the annular connection zone 5d to follow the deformations which occur in the upstream section of rotor 5a in metal during the rapid rotation of the rotor and during its warming up.
  • the material organic matrix composite of the HOLWECK skirt has mechanical and thermal characteristics close to those of metal or alloy making up the upstream rotor section 5a.
  • the material organic matrix composite has more characteristics suitable for holding in this downstream area of the 5th skirt the mechanical stresses resulting from the rapid rotation of the rotor in operation.
  • the fiber reinforcement structure of the downstream section with skirt type HOLWECK 5c includes long fibers helically wound at the periphery of the skirt.
  • the fibers are embedded in resin, the resin being polymerized.
  • Figure 11 illustrates schematically a process for making a resin skirt armed with long fibers wound in a helix: a mandrel 14 is rotated around a shaft 15, and the mandrel has an external surface whose shape conditions that of the skirt to achieve.
  • the reinforcing fibers are in the form of a wick wound on a reel 16.
  • the wick is unwound from the reel 16, passes through a resin tank 17, is guided by a wire guide 18 which the helical winding on the mandrel 14 during the rotation of the mandrel.
  • the wick is arranged on the mandrel 14 according to a propeller whose the pitch can be chosen by the operator.
  • FIG. 4 illustrates a first embodiment of a rotor 5 according to the present invention.
  • the rotor 5 comprises the upstream section of metal rotor 5a with the blades such as the blade 5b, and includes the downstream section of rotor 5c, in the form of a skirt cylindrical tubular type HOLWECK.
  • the 5d annular connection zone and an intermediate zone of connection 5g which is adjacent to it have an internal structure reinforcement such as their mechanical characteristics and are close to those of the metal or alloy composing the upstream section of rotor 5a.
  • the reinforcement structure includes long fibers wound in a helix at a pitch relatively large, the fibers making with the transverse plane an angle greater than 0 °, for example from 5 ° to 20 ° depending on the desired mechanical properties.
  • the long fibers are wound in a helix with an angle close to 0 °, forming contiguous turns which significantly improve the mechanical resistance of the skirt.
  • FIG. 5 illustrates a preferred embodiment of rotor 5 of a turbomolecular pump according to the present invention.
  • the upstream section of rotor 5a for example identical structure to that of the embodiment of the figure 4, and a downstream section of rotor 5c whose diameter varies in depending on the position considered along the longitudinal axis: the skirt of the downstream section of rotor 5c comprises the annular zone of link 5d, the downstream section of skirt 5th cylindrical with larger diameter as the annular connection area 5d, and an area connection intermediate 5g with diameter gradually crescent that links the 5d annular bond area cylindrical and the downstream section of skirt 5th cylindrical.
  • the annular zone of 5d bond has reinforcing fibers at an angle not zero with the transverse plane, while the downstream section of skirt 5e and possibly the intermediate connection area 5g have contiguous fibers forming with the transverse plane a angle close to 0 °.
  • the downstream section of 5th cylindrical skirt may have a diameter significantly higher, which increases the tangential speed of the skirt relative to the stator for the same angular speed of rotation of the rotor, and this allows the number of grooves 4d in the stator section HOLWECK 4c ( Figure 6).
  • Figures 9 and 10 illustrate the effect of the angle the fibers relative to the transverse plane of the skirt, on the one hand on the mechanical resistance evaluated by the YOUNG module longitudinal, on the other hand on the coefficient of expansion thermal.
  • the YOUNG module is at a maximum A2 for an angle of 0 °, i.e. when the fibers are in a transverse plane.
  • the YOUNG module decreases sharply when the fiber angle increases to an angle of 20 ° approximately, then it decreases more slowly as increasing the angle.
  • a fiber angle greater than 0 ° is chosen, for example a 10 ° angle to position at point A1 of curve A in the figure 9, and to go to point B1 of curve B in figure 10: relatively low YOUNG modulus and coefficient of expansion relatively high thermal.
  • a fiber angle close to 0 ° we choose a fiber angle close to 0 °, so that we place our at point A2 of curve A of figure 9 and at point B2 of curve B in FIG. 10: maximum YOUNG modulus, and minimum coefficient of thermal expansion.
  • a difficulty lies in the fact that the skirt section having to present mechanical characteristics of flexibility occupies one end of the skirt, namely the annular connection zone 5d. Indeed, in this area, the fibers must have a non-zero angle by in relation to the transverse plane, and these fibers must be wound in several layers to achieve sufficient reinforcement. So, when a helical fiber is wound in the direction of the upstream end of the annular connection zone 5d, this makes an angle to the end of the skirt, and you have to move the thread guide in the other direction as soon as the fiber reaches this end. Reversing the winding direction is not easy, and it a way must be found to facilitate this operation.
  • the fibers wound in a helix at an angle greater than 0 ° in said central zone 22 are cut. It does not affect the qualities mechanical of the skirt obtained. On the contrary, it allows great regularity of winding of the fibers, and therefore a great regularity mechanical properties of the skirt in the annular zone of link.
  • the mechanical properties of the composite material are obtained in modulating the pitch of the fiber winding helix, i.e. the angle that the turns of fibers make in relation to the plane transverse.
  • long fibers are helically wound and coated with resin, the helix having a pitch constant.

Landscapes

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Abstract

L'invention prévoit un rotor (5) de pompe à vide turbo moléculaire comprenant un tronçon amont de rotor (5a) de type turbo en métal ou alliage, et un tronçon aval de rotor (5c) de type HOLWECK en matériau composite. Le tronçon aval de rotor (5c) comprend une structure de renforcement à fibres longues réparties de manière variable en fonction de la section considérée : dans la zone annulaire de liaison (5d) avec le tronçon amont de rotor (5a), les fibres sont inclinées et/ou espacées, pour conserver au matériau composite une souplesse autorisant sa déformation pour suivre les déformations du métal du tronçon amont de rotor (5a) en fonctionnement ; par contre, les fibres sont serrées et forment des spires jointives dans la zone aval de jupe (5e), garantissant une plus grande rigidité pour supporter les contraintes mécaniques lors de la rotation rapide du rotor en fonctionnement. On peut ainsi réaliser des rotors dont la jupe de type HOLWECK présente un diamètre augmenté pour améliorer les propriétés de la pompe. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne les pompes à vide à rotation rapide utilisées pour générer un vide poussé dans une canalisation et/ou une enceinte à vide.
Dans l'industrie des composants électroniques ou micromécaniques, on utilise des procédés d'usinage ou de traitement par plasma exécutés dans une enceinte où l'on doit maintenir une atmosphère de vide contrôlé.
La génération du vide nécessite l'utilisation de pompes capables de générer rapidement et de maintenir un vide poussé adapté au procédé d'usinage ou de traitement. On utilise généralement des pompes de type turbomoléculaire, composées d'un corps de pompe dans lequel un rotor est entraíné en rotation rapide, par exemple une rotation à plus de trente mille tours par minute.
Avec une telle vitesse de rotation élevée, le rotor acquiert une énergie cinétique très élevée, et subit des contraintes mécaniques élevées qui justifient le choix de matériaux appropriés.
Le rotor d'une pompe à vide turbomoléculaire est constitué d'un tronçon amont (dans le sens de l'écoulement des gaz) de rotor à pales de type turbo et d'un tronçon aval (dans le sens de l'écoulement des gaz) de rotor en forme de jupe de type HOLWECK.
Dans la description et les revendications, les expressions "amont" et "aval" désignent respectivement les parties de la pompe à vide parcourues en premier et en dernier par les gaz pompés dans le sens de leur écoulement, en fonctionnement.
Le tronçon amont à pales de type turbo présente une forme complexe, que l'on réalise en un métal approprié tel que l'aluminium ou un alliage d'aluminium. La forme est trop complexe pour permettre une réalisation économique en un matériau composite.
Le tronçon aval, en forme de jupe de type HOLWECK, est une paroi mince de révolution, en grande partie cylindrique, entraínée en rotation dans un tronçon aval de stator comportant des rainures hélicoïdales à section progressivement réduite.
Les performances de pompage des pompes turbomoléculaires à vitesses de rotation élevées sont aujourd'hui limitées par le fait que l'on ne peut pas augmenter le diamètre de la jupe HOLWECK au delà d'une limite maximale. On sait qu'il est a priori possible d'accroítre les performances de pompage en augmentant le diamètre de la jupe HOLWECK. Mais une telle augmentation s'avère impossible à réaliser avec l'utilisation de matériaux conventionnels, notamment métalliques, ou même avec des matériaux composites à base de matrice métallique contenant des additifs de renforcement tels que des céramiques, des poudres ou fibres de carbone ou autres matières de renforcement. En effet, les contraintes mécaniques les plus fortes apparaissent dans cette zone du rotor et sont proportionnelles à la densité volumique du matériau constituant la jupe, au carré de la vitesse de rotation du rotor et au carré du diamètre du rotor.
Pour réduire les contraintes dans la jupe HOLWECK, il faut notamment réduire sa masse. Pour ce faire on a déjà proposé des rotors dont le tronçon aval en forme de jupe HOLWECK est en un matériau composite à matrice organique, à base de résine chargée de fibres. Cette solution offre l'avantage d'utiliser un matériau ayant de meilleures propriétés mécaniques. Le tronçon aval se raccorde au tronçon amont selon une zone annulaire de liaison. Dans cette zone annulaire de liaison, le matériau composite à matrice organique constituant la jupe HOLWECK est solidarisé au tronçon amont métallique.
Mais une difficulté réside alors dans la différence des propriétés mécaniques et thermiques entre le matériau composite à matrice organique constituant le tronçon aval de rotor à jupe HOLWECK et le métal ou alliage constituant le tronçon amont du rotor. A cause de ces différences de propriétés, des contraintes mécaniques importantes apparaissent dans la zone annulaire de liaison lors de l'utilisation de la pompe, c'est à dire en rotation rapide du rotor et en présence d'une élévation de température due à la compression des gaz pompés. Ces contraintes mécaniques conduisent à une fragilisation de la zone de liaison, et à un risque de rupture. Ainsi, le diamètre de cette zone de liaison ne peut être trop augmenté.
A l'inverse, si l'on utilise un matériau composite à matrice organique dont les propriétés mécaniques et thermiques sont mieux compatibles avec celles du métal constituant le tronçon amont de rotor, conférant notamment une souplesse autorisant les déformations sous contrainte, alors ces propriétés mécaniques ne sont plus suffisantes dans la zone aval de jupe HOLWECK pour tenir les contraintes à supporter lors de la rotation rapide du rotor.
Le problème proposé par la présente invention est de concevoir une nouvelle structure de rotor de pompes turbo moléculaires qui permette, sans risque de dégradation du rotor, de supporter des vitesses de rotation plus élevées ou de présenter un diamètre de jupe HOLWECK plus important, afin d'accroítre les caractéristiques de pompage de la pompe.
Un autre but de l'invention est de concevoir une telle structure de rotor qui puisse être fabriquée à moindre coût, avec un procédé industrialisable.
La pompe selon l'invention doit soutenir les conditions de fonctionnement habituelles, notamment en température : le rotor doit pouvoir supporter des températures descendant jusqu'à -20°C pendant le transport, et montant jusqu'à +150°C en fonctionnement.
Également, le rotor doit présenter de bonnes qualités de centrage, évitant tout risque de contact entre la jupe de rotor et le stator pendant le fonctionnement à vitesse nominale.
L'idée qui est à la base de l'invention est de concevoir une jupe HOLWECK en matériau composite à matrice organique dont les caractéristiques mécaniques varient en fonction de la zone longitudinale considérée de la jupe.
Ainsi, la présente invention propose une pompe à vide turbomoléculaire, comprenant un rotor ayant un tronçon amont de rotor de type turbo et un tronçon aval de rotor en forme de jupe de type HOLWECK, le tronçon amont de rotor étant en un métal ou alliage, le tronçon aval de rotor étant en matériau composite à matrice organique, le tronçon aval de rotor se raccordant au tronçon amont de rotor selon une zone annulaire de liaison ; selon l'invention :
  • le tronçon aval de rotor à jupe de type HOLWECK en matériau composite à matrice organique comprend une structure de renforcement à fibres qui confère à la jupe HOLWECK des caractéristiques mécaniques variant en fonction de la zone longitudinale considérée de la jupe,
  • dans la zone annulaire de liaison, le matériau composite à matrice organique présente des caractéristiques mécaniques et thermiques proches de celles du métal ou alliage composant le tronçon amont de rotor,
  • dans la zone aval de jupe, le matériau composite à matrice organique présente des caractéristiques plus appropriées pour tenir dans cette zone aval de jupe les contraintes mécaniques élevées résultant de la rotation rapide du rotor en fonctionnement.
En pratique, pour tenir les contraintes mécaniques élevées résultant de la rotation rapide du rotor en fonctionnement dans la zone aval de jupe HOLWECK, les caractéristiques plus appropriées du matériau composite à matrice organique sont une grande raideur, pour réduire les déformations sous contraintes, et pour favoriser des modes de résonance mécanique propres élevés.
Selon un premier mode de réalisation, la structure de renforcement comprend des fibres longues enroulées en hélice selon un pas constant et enrobées de résine, le taux de résine étant variable selon la zone longitudinale considérée de la jupe.
Selon un autre mode de réalisation, la structure de renforcement comprend des fibres longues enroulées en hélice et enrobées de résine selon un taux constant, le pas de l'hélice étant variable selon la zone longitudinale considérée de la jupe.
Selon un troisième mode de réalisation, la structure de renforcement comprend des fibres longues enroulées en hélice et enrobées de résine, le pas de l'hélice et le taux de résine étant tous deux variables selon la zone longitudinale considérée de la jupe.
Selon tout ou partie des trois modes de réalisation précédents, la variation de pas associée à la variation de la proportion de quantité de résine par rapport à la quantité de fibre est susceptible, si aucune précaution n'est prise par ailleurs, d'entraíner des variations de diamètre ou d'épaisseur de la jupe composite. Pour maítriser le diamètre extérieur, notamment dans la partie HOLWECK, un outillage de fabrication approprié est nécessaire. Par exemple, et de façon non limitative, un mandrin obtenu par usinage pourra être utilisé.
En pratique, pour faire varier le pas de l'hélice selon les deux derniers modes de réalisation ci-dessus, l'hélice peut avantageusement présenter un angle proche de 0° dans la zone aval de la jupe, et présenter un angle supérieur à 0°, par exemple 20 à 30°, dans et à proximité de la zone annulaire de liaison.
La structure ci-dessus s'applique à différentes formes de jupe. Selon une première réalisation, la jupe peut être cylindrique.
De préférence, pour augmenter le diamètre de la jupe et améliorer ainsi les propriétés de la pompe, la jupe peut comporter une zone annulaire de liaison, un tronçon aval de jupe cylindrique à plus grand diamètre que la zone annulaire de liaison et une zone intermédiaire de raccordement entre la zone annulaire de liaison et le tronçon aval de jupe. On augmente ainsi en rotation la vitesse tangentielle de la jupe par rapport au stator, ce qui accroít le taux de compression de l'étage HOLWECK de la pompe. Simultanément, l'augmentation du diamètre permet de loger un plus grand nombre de rainures dans la partie HOLWECK du stator, augmentant ainsi le débit de la pompe.
Selon une caractéristique particulière, selon le bord amont de la jupe HOLWECK, les fibres de renforcement peuvent être coupées. Cela résulte d'un procédé avantageux de réalisation de la jupe de type HOLWECK, comprenant :
  • a/ une étape consistant à enrouler en hélice des fibres longues sur le mandrin, en réalisant un enroulement à angle voisin de 0° dans les zones adjacentes aux deux extrémités du mandrin et un enroulement à angle supérieur à 0° dans la zone médiane du mandrin,
  • b/ une étape d'application et de durcissement de résine sur le mandrin portant les fibres enroulées en hélice,
  • c/ et une étape consistant à sectionner le manchon ainsi obtenu dans sa zone médiane pour obtenir deux jupes.
    • D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles:
    • la figure 1 est une vue schématique illustrant, en coupe longitudinale, une structure de pompe turbomoléculaire connue ayant un rotor monobloc en métal ;
    • la figure 2 est une vue en perspective illustrant un secteur de rotor selon un mode de réalisation de la présente invention ;
    • la figure 3 illustre la répartition des contraintes mécaniques sur le secteur de rotor de la figure 2, les pales de l'étage turbo ayant été enlevées ;
    • la figure 4 est une vue de côté schématique illustrant la structure de rotor selon un premier mode de réalisation de la présente invention ;
    • la figure 5 est une vue de côté illustrant schématiquement la structure de rotor selon un second mode de réalisation de la présente invention ;
    • la figure 6 est une vue en perspective illustrant la structure de l'étage HOLWECK de stator entourant la jupe de rotor selon l'invention ;
    • les figures 7 et 8 illustrent le module de YOUNG, respectivement dans le sens longitudinal et dans le sens transversal des fibres, en fonction de la proportion de fibres dans le matériau composite ;
    • la figure 9 illustre la variation du module de YOUNG de la jupe en fonction de l'orientation des fibres par rapport au plan transversal de la jupe HOLWECK ;
    • la figure 10 illustre la variation du coefficient de dilatation du matériau composite en fonction de l'angle que font les fibres par rapport au plan transversal de la jupe HOLWECK ;
    • la figure 11 illustre le procédé de réalisation d'une jupe HOLWECK en matériau composite selon l'invention ; et
    • la figure 12 illustre le procédé préférentiel de réalisation d'une jupe HOLWECK selon la présente invention.
    On considère tout d'abord la figure 1, illustrant une structure de pompe turbomoléculaire 1 solidarisée à la paroi 2 d'une enceinte à vide 3.
    La pompe turbomoléculaire 1 comprend un corps de pompe 4 ou stator dans lequel tourne à grande vitesse un rotor 5 en rotation axiale selon l'axe de rotation I. Le corps de pompe 4 comporte un orifice d'aspiration 6 coaxial, par lequel pénètrent les gaz pompés 7, et un orifice de rejet 8 par lequel sont évacués les gaz de sortie 9. Le rotor 5 est entraíné en rotation dans le corps de pompe 4 par un moteur interne 10, et est guidé latéralement par des paliers magnétiques ou mécaniques 11 et 12.
    La paroi 2 de l'enceinte à vide 3 comprend un orifice de sortie 13, correspondant à l'orifice d'aspiration 6 de la pompe à vide 1, et constitue généralement une enceinte fermée isolée de l'extérieur et dans laquelle la pompe à vide 1 peut créer un vide contrôlé.
    Le rotor 5 comprend un tronçon amont de rotor 5a comportant des pales telles que la pale 5b, et comprend un tronçon aval de rotor 5c en forme de jupe de type HOLWECK. Face au tronçon amont 5a de rotor, le stator 4 comprend un tronçon amont de stator 4a avec des pales telles que la pale 4b. Face au tronçon aval de rotor 5c à jupe HOLWECK le stator 4 comporte un tronçon aval de stator 4c à rainures hélicoïdales 4d de type HOLWECK tel qu'illustré de façon plus apparente sur la figure 6.
    Sur la figure 2, illustrant un secteur de rotor selon la présente invention, on retrouve le tronçon amont de rotor 5a ayant des pales telles que la pale 5b, et on retrouve le tronçon aval de rotor 5c. Le tronçon amont de rotor 5a est en un métal ou alliage approprié, par exemple en aluminium ou alliage d'aluminium. Le tronçon aval de rotor 5c à jupe HOLWECK est en un matériau composite à matrice organique, à base de résine chargée de fibres de renforcement. Le tronçon aval à jupe HOLWECK 5c se raccorde au tronçon amont 5a selon une zone annulaire de liaison 5d.
    Les fibres de renforcement peuvent avantageusement être des fibres de verre ou des fibres de carbone, se présentant sous forme de mèches (jusqu'à plusieurs milliers de filaments par mèche) longues enroulées en continu sur une bobine par un procédé d'enroulement filamentaire. Les résines peuvent être des résines thermoplastiques (par exemple en polyester ether ketone PEEK) ou thermodurcissables (par exemple epoxy).
    Selon l'invention, le tronçon aval de rotor 5c à jupe HOLWECK en matériau composite à matrice organique comprend une structure interne de renforcement à fibres qui confère à la jupe des caractéristiques mécaniques variant en fonction de la zone longitudinale considérée de la jupe. On cherche à augmenter la raideur du matériau composite à matrice organique dans la zone aval de jupe 5e ou tronçon cylindrique adjacent à l'extrémité aval 5f du rotor 5, afin de supporter les contraintes mécaniques élevées lors de la rotation rapide du rotor 5. Simultanément, on cherche une plus grande souplesse et une plus grande capacité de dilatation thermique dans la zone annulaire de liaison 5d, pour suivre les déformations qui se produisent dans le tronçon amont de rotor 5a en métal lors de la rotation rapide du rotor et lors de son échauffement.
    Ainsi, dans la zone annulaire de liaison 5d, le matériau composite à matrice organique de la jupe HOLWECK présente des caractéristiques mécaniques et thermiques proches de celles du métal ou alliage composant le tronçon amont de rotor 5a.
    A l'inverse, dans la zone aval de jupe 5e, le matériau composite à matrice organique présente des caractéristiques plus appropriées pour tenir dans cette zone aval de jupe 5e les contraintes mécaniques résultant de la rotation rapide du rotor en fonctionnement.
    En pratique, la structure de renforcement à fibres du tronçon aval à jupe de type HOLWECK 5c comprend des fibres longues enroulées en hélice en périphérie de la jupe. Les fibres sont noyées de résine, la résine étant polymérisée.
    On peut par exemple considérer la figure 11, qui illustre schématiquement un procédé de réalisation d'une jupe en résine armée de fibres longues enroulées en hélice : un mandrin 14 est entraíné en rotation autour d'un arbre 15, et le mandrin présente une surface externe dont la forme conditionne celle de la jupe à réaliser. Les fibres de renforcement sont sous forme d'une mèche enroulée sur une bobine 16. La mèche est dévidée de la bobine 16, passe dans un bac de résine 17, est guidée par un guide fil 18 qui l'enroule en hélice sur le mandrin 14 pendant la rotation du mandrin. En fonction de la vitesse relative de rotation de l'arbre 15 et de translation longitudinale du guide fil 18 selon la flèche 19, la mèche est disposée sur le mandrin 14 selon une hélice dont le pas peut être choisi par l'opérateur.
    La figure 4 illustre un premier mode de réalisation d'un rotor 5 selon la présente invention.
    Dans ce mode de réalisation, le rotor 5 comprend le tronçon amont de rotor 5a métallique avec les pales telles que la pale 5b, et comprend le tronçon aval de rotor 5c, en forme de jupe cylindrique tubulaire de type HOLWECK.
    La zone annulaire de liaison 5d et une zone intermédiaire de raccordement 5g qui lui est adjacente ont une structure interne de renforcement telle que leurs caractéristiques mécaniques et thermiques sont proches de celles du métal ou alliage composant le tronçon amont de rotor 5a. Pour cela, la structure de renforcement comprend des fibres longues enroulées en hélice selon un pas relativement important, les fibres faisant avec le plan transversal un angle supérieur à 0°, par exemple de 5° à 20° selon les propriétés mécaniques recherchées. Dans la zone aval de jupe 5e, les fibres longues sont enroulées en hélice d'angle proche de 0°, formant des spires jointives qui améliorent sensiblement la résistance mécanique de la jupe.
    La figure 5 illustre un mode de réalisation préféré de rotor 5 de pompe turbomoléculaire selon la présente invention. On retrouve, dans le rotor 5, le tronçon amont de rotor 5a par exemple de structure identique à celle du mode de réalisation de la figure 4, et un tronçon aval de rotor 5c dont le diamètre varie en fonction de la position considérée le long de l'axe longitudinal : la jupe du tronçon aval de rotor 5c comporte la zone annulaire de liaison 5d, le tronçon aval de jupe 5e cylindrique à plus grand diamètre que la zone annulaire de liaison 5d, et une zone intermédiaire de raccordement 5g à diamètre progressivement croissant qui fait le lien entre la zone annulaire de liaison 5d cylindrique et le tronçon aval de jupe 5e cylindrique.
    Dans ce second mode de réalisation, la zone annulaire de liaison 5d comporte des fibres de renforcement faisant un angle non nul avec le plan transversal, tandis que le tronçon aval de jupe 5e et éventuellement la zone intermédiaire de raccordement 5g comportent des fibres jointives faisant avec le plan transversal un angle proche de 0°.
    Grâce au renforcement par les fibres à angle nul, le tronçon aval de jupe 5e cylindrique peut avoir un diamètre nettement supérieur, ce qui augmente la vitesse tangentielle de la jupe par rapport au stator pour une même vitesse angulaire de rotation du rotor, et ce qui permet d'augmenter le nombre de rainures 4d dans le tronçon de stator HOLWECK 4c (figure 6).
    L'intérêt de cette structure composite de jupe est expliqué en relation avec la figure 3. On a illustré, sur cette figure, les contraintes mécaniques subies par le rotor lors d'une rotation rapide du rotor : dans la zone annulaire de raccordement 5d, les contraintes sont relativement faibles, tandis que dans le tronçon aval de jupe 5e les contraintes illustrées par les flèches 5i sont beaucoup plus importantes, environ 3 à 4 fois plus grandes dans la réalisation illustrée sur la figure. Dans la zone intermédiaire de raccordement 5g, les contraintes augmentent graduellement lorsqu'on se rapproche du tronçon aval de jupe 5e. Ainsi, dans la zone annulaire de liaison 5d, on peut disposer les fibres de façon à conférer au matériau composite de la jupe une certaine souplesse et une certaine capacité de dilatation thermique, pour suivre les variations dimensionnelles du tronçon amont de rotor 5a en métal. Par contre, pour supporter les contraintes mécaniques plus importantes dans le tronçon aval de jupe 5e, il est nécessaire de disposer les fibres de renfort de façon à assurer une bonne rigidité de la jupe, une bonne concentricité, et une relative résistance aux vibrations.
    Les figures 9 et 10 illustrent l'effet de l'angle que font les fibres par rapport au plan transversal de la jupe, d'une part sur la résistance mécanique évaluée par le module de YOUNG longitudinal, d'autre part sur le coefficient de dilatation thermique.
    Sur la courbe A de la figure 9, le module de YOUNG est à un maximum A2 pour un angle de 0°, c'est à dire lorsque les fibres sont dans un plan transversal. Le module de YOUNG décroít fortement lorsque l'angle des fibres augmente jusqu'à un angle de 20° environ, puis il décroít plus lentement au fur et à mesure de l'augmentation de l'angle.
    Sur la courbe B de la figure 10, le coefficient de dilatation augmente régulièrement lorsque l'angle augmente entre les fibres et le plan transversal.
    Ainsi, dans la zone annulaire de liaison 5d (figures 4 et 5), on choisit un angle de fibre supérieur à 0°, par exemple un angle de 10° pour se placer au point A1 de la courbe A de la figure 9, et pour se placer au point B1 de la courbe B de la figure 10 : module de YOUNG relativement faible, et coefficient de dilatation thermique relativement élevé. Par contre, dans la zone aval de jupe 5e (figures 4 et 5), on choisit un angle de fibre proche de 0°, de sorte que l'on se place au point A2 de la courbe A de figure 9 et au point B2 de la courbe B de figure 10 : module de YOUNG maximal, et coefficient de dilatation thermique minimal.
    Dans ces deux modes de réalisation à angle variable de fibres par rapport au plan transversal, une difficulté réside dans le fait que le tronçon de jupe devant présenter des caractéristiques mécaniques de souplesse occupe une extrémité de la jupe, à savoir la zone annulaire de liaison 5d. En effet, dans cette zone, les fibres doivent présenter un angle non nul par rapport au plan transversal, et ces fibres doivent être enroulées en plusieurs couches pour réaliser un renfort suffisant. Ainsi, lorsque l'on enroule une fibre en hélice en direction de l'extrémité amont de la zone annulaire de liaison 5d, celle-ci fait un angle par rapport à l'extrémité de la jupe, et il faut déplacer le guide-fil dans l'autre sens dès que la fibre atteint cette extrémité. L'inversion de sens d'enroulement n'est pas aisée, et il faut trouver un moyen pour faciliter cette opération.
    L'invention prévoit un tel moyen par un procédé particulier de réalisation d'une jupe de type HOLWECK pour pompe à vide turbomoléculaire, le procédé comprenant :
  • a/ une étape consistant à enrouler en hélice des fibres longues sur un mandrin en réalisant un enroulement à angle voisin de 0° dans les zones 20 et 21 (figure 12) adjacentes aux deux extrémités du mandrin et un enroulement à angle supérieur à 0° dans la zone médiane 22 du mandrin ;
  • b/ une étape d'application et de durcissement de résine sur le mandrin portant les fibres enroulées en hélice ;
  • c/ et une étape consistant à sectionner le manchon 23 ainsi obtenu, transversalement au milieu 24 de sa zone médiane 22, permettant ainsi d'obtenir deux jupes identiques, sous réserve de prévoir initialement un mandrin symétrique par rapport à sa zone médiane 22.
    • Lors de l'étape de sectionnement de la zone médiane 22, les fibres enroulées en hélice selon un angle supérieur à O° dans ladite zone médiane 22 sont coupées. Cela n'altère pas les qualités mécaniques de la jupe obtenue. Au contraire, cela permet une grande régularité d'enroulement des fibres, et donc une grande régularité des propriétés mécaniques de la jupe dans la zone annulaire de liaison.
    Dans les modes de réalisation illustrés précédemment, les propriétés mécaniques du matériau composite sont obtenues en modulant le pas de l'hélice d'enroulement des fibres, c'est à dire l'angle que font les spires de fibres par rapport au plan transversal.
    Selon une autre possibilité, les fibres longues sont enroulées en hélice et enrobées de résine, l'hélice ayant un pas constant.
    On prévoit alors un taux de résine variable selon la zone longitudinale considérée de la jupe. Par exemple, dans la zone annulaire de liaison 5d, on prévoit un taux de résine supérieur, et, dans la zone aval de jupe 5e on prévoit un taux de résine inférieur. La résistance mécanique est ainsi augmentée dans le tronçon aval de jupe 5e, tandis que la souplesse est augmentée dans la zone annulaire de liaison 5d, comme l'illustrent les figures 7 et 8 montrant respectivement les variations du module de Young longitudinal (courbe C) et du module de Young transversal (courbe D) en fonction du taux de fibres (complément à 1 du taux de résine).
    En cas de besoin, selon les propriétés recherchées de la jupe, on peut varier à la fois le pas de l'hélice et le taux de résine selon la zone longitudinale considérée de la jupe.
    La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après.

    Claims (9)

    1. Pompe à vide turbomoléculaire, comprenant un rotor (5) ayant un tronçon amont de rotor (5a) de type turbo et un tronçon aval de rotor (5c) en forme de jupe de type HOLWECK, le tronçon amont de rotor (5a) étant en un métal ou alliage, le tronçon aval de rotor (5c) étant en matériau composite à matrice organique, le tronçon aval de rotor (5c) se raccordant au tronçon amont de rotor (5a) selon une zone annulaire de liaison (5d),
         caractérisée en ce que :
      le tronçon aval de rotor (5c) à jupe de type HOLWECK en matériau composite à matrice organique comprend une structure de renforcement à fibres qui confère à la jupe HOLWECK des caractéristiques mécaniques variant en fonction de la zone longitudinale considérée de la jupe,
      dans la zone annulaire de liaison (5d), le matériau composite à matrice organique présente des caractéristiques mécaniques et thermiques proches de celles du métal ou alliage composant le tronçon amont de rotor (5a),
      dans la zone aval de jupe (5e), le matériau composite à matrice organique présente des caractéristiques plus appropriées pour tenir dans cette zone aval de jupe (5e) les contraintes mécaniques élevées résultant de la rotation rapide du rotor (5) en fonctionnement.
    2. Pompe à vide turbomoléculaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure de renforcement comprend des fibres longues enroulées en hélice selon un pas constant et enrobées de résine, le taux de résine étant variable selon la zone longitudinale considérée de la jupe.
    3. Pompe à vide turbomoléculaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure de renforcement comprend des fibres longues enroulées en hélice et enrobées de résine selon un taux constant, le pas de l'hélice étant variable selon la zone longitudinale considérée de la jupe.
    4. Pompe à vide turbomoléculaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure de renforcement comprend des fibres longues enroulées en hélice et enrobées de résine, le pas de l'hélice et le taux de résine étant tous deux variables selon la zone longitudinale considérée de la jupe.
    5. Pompe à vide turbomoléculaire selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que l'hélice présente un angle proche de 0° dans la zone aval de jupe (5e), et présente un angle supérieur à 0° dans et à proximité de la zone annulaire de liaison (5d).
    6. Pompe à vide turbomoléculaire selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que la jupe est cylindrique.
    7. Pompe à vide turbomoléculaire selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que la jupe comporte une zone annulaire de liaison (5d), un tronçon aval de jupe (5e) cylindrique à plus grand diamètre que la zone annulaire de liaison (5d), et une zone intermédiaire de raccordement (5g) entre la zone annulaire de liaison (5d) et le tronçon aval de jupe (5e).
    8. Pompe à vide turbomoléculaire selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que, selon le bord amont de la jupe les fibres de renforcement sont coupées.
    9. Procédé de réalisation d'une jupe de type HOLWECK pour pompe à vide turbomoléculaire selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend :
      a/ une étape consistant à enrouler en hélice des fibres longues sur un mandrin (14), en réalisant un enroulement à angle voisin de 0° dans les zones (20, 21) adjacentes aux deux extrémités du mandrin (14) et un enroulement à angle supérieur à 0° dans la zone médiane (22) du mandrin (14),
      b/ une étape d'application et de durcissement de résine sur le mandrin portant les fibres enroulées en hélice,
      c/ et une étape consistant à sectionner le manchon (23) ainsi obtenu dans sa zone médiane (22) pour obtenir deux jupes.
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