FR2651280A1 - PRIMARY VACUUM PUMP. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une pompe à vide primaire. Elle a pour objet une 1 pompe à vide primaire comportant un stator (1) et au moins un rotor (2) tournant dans le stator en conservant un jeu de fuite prédéterminé par rapport à celui-ci, caractérisée en ce que ce jeu est rendu variable pendant le pompage grâce à une partie (4, 5,) élastiquement déformable de la paroi du rotor et/ou du stator et à un moyen de commande de cette déformation. Application aux pompes à vide primairesThe invention relates to a primary vacuum pump. It relates to a 1 primary vacuum pump comprising a stator (1) and at least one rotor (2) rotating in the stator while maintaining a predetermined leakage clearance with respect to the latter, characterized in that this clearance is rendered variable during pumping thanks to an elastically deformable part (4, 5,) of the wall of the rotor and / or of the stator and to a means for controlling this deformation. Application to primary vacuum pumps
Description
-1- Pompe à vide primaire-1- Primary vacuum pump
La présente invention concerne une pompe à vide primai- The present invention relates to a primary vacuum pump
re, comportant un stator et au moins un rotor tournant dans le sta- re, comprising a stator and at least one rotating rotor in the sta-
tor en conservant un jeu de fuite prédéterminé par rapport à celui-ci. tor by maintaining a predetermined escape game with respect thereto.
Des pompes à vide primaire, seules ou en série, sont ca- Primary vacuum pumps, alone or in series, are
pables de créer des pressions totales d'environ 10-3 à 10 -4 mbar en refoulant contre la pression atmosphérique. Les molécules d'oxygène et d'azote sont entraînées dans une telle pompe en régime visqueux et/ou turbulent. La caractéristique débit/volumique S/pression P d'une telle pompe, est essentiellement fonction du jeu j existant entre le rotor et le stator. Cette fonction est représentée sur la figure 1 ci-jointe, en prenant la pression p en mbar comme abscisse et le débit S en m /h en ordonnée. Chacune des cinq courbes représentées en traits pleins correspond à un jeu donné, le jeu to create total pressures of about 10-3 to 10 -4 mbar by repressing against atmospheric pressure. The oxygen and nitrogen molecules are entrained in such a pump under viscous and / or turbulent conditions. The flow / volume characteristic S / pressure P of such a pump is essentially a function of the clearance between the rotor and the stator. This function is shown in Figure 1 attached, taking the pressure p in mbar as abscissa and the flow S in m / h ordinate. Each of the five curves represented in solid lines corresponds to a given game, the game
augmentant d'une courbe à l'autre en direction de la flèche j. increasing from one curve to another in the direction of arrow j.
Au cours du pompage d'un volume important, vis-à-vis du débit volumique de la pompe, la température du ou des rotors croit beaucoup plus rapidement que la température du stator. Afin d'éviter un grippage éventuel, le constructeur est conduit à imposer le jeu During the pumping of a large volume, vis-à-vis the volume flow rate of the pump, the temperature of the rotor or rotors increases much faster than the stator temperature. In order to avoid any seizure, the manufacturer is led to impose the game
stator-rotor le plus grand, correspondant au maximum de la dilata- largest stator-rotor, corresponding to the maximum of the dilat-
tion différentielle. Ce grand jeu correspond à une caractéristique moyenne débit volumique/pression, qui, au surplus, évolue avec les differential This large game corresponds to a medium volume / pressure characteristic, which, moreover, evolves with the
températures respectives du rotor et du stator. respective temperatures of the rotor and the stator.
Par ailleurs, les gaz tels que l'hydrogène, le propane, le pentane, etc, ont des viscosités absolues 10 fois plus faibles que l'air. Les fuites massiques internes sont donc beaucoup plus grandes qu'avec de l'air, et par conséquent, la caractéristique débit volumique/pression, à jeu constant, est nettement plus faible qu'avec l'air. Il est donc intéressant de pouvoir adapter le jeu en On the other hand, gases such as hydrogen, propane, pentane, etc., have absolute viscosities that are 10 times lower than air. Internal mass leaks are therefore much larger than with air, and therefore, the volume / pressure characteristic, constant clearance, is significantly lower than with air. It is therefore interesting to be able to adapt the game in
fonction de la viscosité du gaz pur ou du mélange pompé. depending on the viscosity of the pure gas or the pumped mixture.
De ce fait, il est impossible de construire des pompes ayant un faible jeu et donc d'excellentes caractéristiques, -2- c'est-à-dire - à la pression atmosphérique, un débit élevé et une dérivée dS/dp très faible, - au débit nul, une pression basse et une dérivée dS/dp aussi grande que possible. As a result, it is impossible to construct pumps with a low clearance and therefore excellent characteristics, that is to say - at atmospheric pressure, a high flow rate and a very low dS / dp derivative, - at zero flow, a low pressure and a derivative dS / dp as large as possible.
En outre, dans certaines applications (fabrication de semiconduc- In addition, in some applications (semiconductor
teurs, mais aussi en spectrométrie de masse, en détection de fuites par gaz traceur hélium ou néon, en simulation spatiale, etc...), on as well as in mass spectrometry, leak detection by helium or neon tracer gas, in spatial simulation, etc.),
désire commander le débit de la pompe indépendamment de la pression. wants to control the flow of the pump independently of the pressure.
Or, pour ce faire, l'homme de l'art a deux possibilités à sa However, to do this, one skilled in the art has two possibilities to his
disposition, à savoir la mise en série avec la pompe d'une conduc- provision, namely the series connection with the pump of a conductive
tance variable, ou la réduction de la vitesse de rotation de la pompe. Le but de l'invention est de concevoir une pompe qui permet d'atteindre un jeu très faible et une modification rapide de variable speed, or the reduction of the rotational speed of the pump. The object of the invention is to design a pump which makes it possible to achieve a very low clearance and a rapid modification of
la caractéristique, même en cours de pompage, afin de pouvoir opti- the characteristic, even during pumping, in order to be able to
miser la variation de pression en fonction du temps dans une encein- the pressure variation as a function of time in a
te à laquelle la pompe est associée. to which the pump is associated.
Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le According to the invention, this object is achieved by the fact that the
jeu entre stator et rotor est rendu variable pendant le pompage. Se- clearance between stator and rotor is made variable during pumping. se-
lon une première réalisation, cette variation est obtenue grâce à une partie élastiquement déformable de la paroi du rotor et/ou du stator et à un moyen de commande de cette déformation. Ledit moyen de commande agissant sur ladite partie élastiquement déformable peut In a first embodiment, this variation is obtained thanks to an elastically deformable part of the wall of the rotor and / or the stator and to a means for controlling this deformation. Said control means acting on said elastically deformable part can
comporter un fluide à pression réglable qui est appliqué à une cavi- comprise an adjustable pressure fluid which is applied to a cavity
té au moins partiellement délimitée par ladite partie élastiquement at least partially delimited by said elastically
déformable de la paroi du rotor et/ou du stator. deformable rotor wall and / or stator.
Dans une réalisation alternative, la modification du jeu entre le rotor et le stator n'est pas obtenue par une déformation élastique d'une paroi, mais par une modification de la position du rotor dans le stator. Cela s'applique en particulier à une pompe dont le rotor a une forme tronconique ou hémisphérique, et à toute In an alternative embodiment, the change in clearance between the rotor and the stator is not obtained by an elastic deformation of a wall, but by a change in the position of the rotor in the stator. This applies in particular to a pump whose rotor has a frustoconical or hemispherical shape, and to any
pompe dont l'écoulement du gaz est globalement parallèle à l'axe. pump whose flow of gas is generally parallel to the axis.
L'invention sera décrite ci-après plus en détail à -3- The invention will be described hereinafter in more detail in
l'aide de quelques exemples de réalisation et des dessins. using some examples and drawings.
La figure 1 représente la fonction débit Figure 1 shows the flow function
volumique/pression pour des pompes à jeux différents. volume / pressure for different game pumps.
La figure 2 représente schématiquement une pompe selon l'invention du type à commande magnétique du jeu. La figure 3 montre une pompe à canal latéral selon FIG. 2 schematically represents a pump according to the invention of the magnetically controlled type of the game. FIG. 3 shows a side channel pump according to
l'invention, dont les moyens de commande du jeu sont hydrauliques. the invention, whose game control means are hydraulic.
La figure 4 montre schématiquement une pompe cylindri- FIG. 4 schematically shows a cylindrical pump
que à sillon hélicoidal dont le moyen de commande est pneumatique. than a helical groove whose control means is pneumatic.
La figure 5 montre schématiquement une pompe à rotor tronconique dont le jeu est modifié par déplacement de ce rotor ou FIG. 5 schematically shows a frustoconical rotor pump whose clearance is modified by displacement of this rotor or
du stator.of the stator.
La figure 6 montre une pompe similaire à la précédente, Figure 6 shows a pump similar to the previous one,
dont le rotor est hémisphérique.whose rotor is hemispherical.
La figure 7 montre une pompe à palettes selon l'invention. Figure 7 shows a vane pump according to the invention.
La figure 8 représente schématiquement une pompe à dou- Figure 8 schematically shows a vacuum pump
ble vis dont la paroi statorique comporte plusieurs zones distinc- screw whose stator wall has several distinct zones.
tes de déformation.deformation.
En se référant à la figure 2, on voit schématiquement une pompe à vide primaire comprenant un stator i et un rotor 2 tournant autour d'un axe 3. Le rotor est par exemple un disque et le stator comporte des ouvertures d'aspiration et de refoulement Referring to FIG. 2, a primary vacuum pump comprising a stator i and a rotor 2 rotating about an axis 3 is shown schematically. The rotor is for example a disk and the stator comprises suction and discharge openings. suppression
non représentées. L'effet de pompage dépend entièrement du jeu en- not represented. The pumping effect is entirely dependent on the game
tre le stator et le rotor. Ce jeu a été représenté sur cette figure (et les suivantes) de façon exagérée. Il s'agit, en réalité, d'une distance inférieure à un dixième de millimètre. Comme on le voit sur la figure 2, les parois 4 et 5 du stator en forme d'anneau, qui se trouvent de part et d'autre du rotor 2, sont des parois minces, qui sont Plastiquement déformables. La déformation de ces parois est obtenue par des moyens de commande magnétique constitués par be the stator and the rotor. This game has been represented on this figure (and the following ones) in an exaggerated way. In fact, it is a distance of less than a tenth of a millimeter. As seen in Figure 2, the walls 4 and 5 of the ring-shaped stator, which are on either side of the rotor 2, are thin walls, which are plastically deformable. The deformation of these walls is obtained by magnetic control means constituted by
deux anneaux d'appui 6 et 7 qui sont appliqués contre la face ar- two support rings 6 and 7 which are applied against the rear face
rière de la paroi 4 ou 5 respectivement et peuvent être légèrement déplacés par des électro-aimants, tels que 8, qui s'appuient contre la partie fixe du stator 1. En déformant plus ou moins les parties -4élastiquement déformables 4 et 5 du stator, on peut donc modifier le jeu entre stator et rotor et ainsi modifier les caractéristiques 4 or 5 respectively and can be slightly displaced by electromagnets, such as 8, which bear against the fixed part of the stator 1. By more or less deforming the elastically deformable portions 4 and 5 of the stator , one can thus modify the game between stator and rotor and thus modify the characteristics
débit-volumique pression de la pompe. flow rate pump pressure.
On peut, par exemple. modifier le jeu en fonction de la pression régnant du c8té aspiration de la pompe, de sorte qu'on obtienne une caractéristique telle qu'elle est esquissée en traits interrompus We can, for example. modify the clearance as a function of the pressure prevailing at the suction side of the pump, so that a characteristic is obtained as outlined in dashed lines
sur la figure 1.in Figure 1.
Le déplacement des parties élastiquement déformables peut non seu- The displacement of the elastically deformable parts can not only
lement 8tre assuré par des moyens électromagnétiques, mais égale- be provided by electromagnetic means, but also by
ment par des moyens pneumatiques ou hydrauliques ou mécaniques. La by pneumatic or hydraulic or mechanical means. The
figure 3 montre une pompe à canal latéral dont le rotor 11 est mon- FIG. 3 shows a side channel pump whose rotor 11 is
té sur un arbre 12 et tourne dans un stator 13. Les deux canaux la- on a shaft 12 and rotates in a stator 13. The two channels
téraux sont chacun munis d'un tore gonflable 14 et 15 respective- are each equipped with an inflatable torus 14 and 15 respectively.
ment, qui est relié à une source de fluide à pression réglable non représentée. La distance latérale entre les aubes du rotor ll et la face en regard des deux tores constitue le jeu qui peut être plus which is connected to a fluid source with adjustable pressure, not shown. The lateral distance between the blades of the rotor 11 and the face opposite the two tori constitutes the game which can be more
ou moins grand selon la pression du fluide appliqué aux tores. or smaller depending on the pressure of the fluid applied to the cores.
Encore une autre possibilité d'une commande pneumatique Another possibility of pneumatic control
ou hydraulique d'une pompe est représentée sur la figure 4. Il s'a- or hydraulic pump is shown in Figure 4. It is
git ici d'une pompe cylindrique à sillon hélicoïdal avec un rotor here is a cylindrical pump with a helical groove with a rotor
16 tournant autour d'un axe 17 à l'intérieur d'un stator 18, égale- 16 rotating about an axis 17 inside a stator 18, also
ment cylindrique. En regard des spires du rotor 16, le stator est cylindrical. In comparison with the turns of the rotor 16, the stator is
muni d'un tube 19, en élastomère synthétique, qui est fixé fronta- equipped with a tube 19, of synthetic elastomer, which is fixed frontally
lement dans les deux brides du stator. Ce tube en élastomère syn- in both stator flanges. This tubular elastomer tube
thétique délimite une cavité 20 avec le stator qui peut 8tre soumi- thetic delimits a cavity 20 with the stator which may be
se à une pression d'un fluide, tel que l'air. Le tube est donc plus ou moins contracté et rapproché du rotor, suivant l'augmentation de at a pressure of a fluid, such as air. The tube is thus more or less contracted and close to the rotor, according to the increase of
la pression régnant dans la cavité 20. the pressure prevailing in the cavity 20.
Sur la figure 5, on voit une pompe dont le rotor 21 et le stator 22 ont chacun une forme tronconique et symétrique autour de l'axe 23 de rotation. On peut modifier le jeu 24 entre rotor et In Figure 5, there is shown a pump, the rotor 21 and the stator 22 each have a frustoconical shape and symmetrical around the axis 23 of rotation. The clearance 24 between rotor and
stator en déplaçant le rotor axialement dans le stator, ou inver- stator by moving the rotor axially in the stator, or reversing
sement, par une action qui peut être purement mécanique. Il a été indiqué en pointillés sur cette figure une autre position relative by an action that can be purely mechanical. It has been indicated in dashed lines in this figure another relative position
du rotor conduisant à un jeu 24' plus réduit. rotor leading to a game 24 'smaller.
-5- Le déplacement du rotor dans le stator peut être obtenu par tout moyen d'action convenable, tel que des électro-aimants, des pressions d'un fluide, un électromoteur ou un système de commande The displacement of the rotor in the stator can be obtained by any suitable means of action, such as electromagnets, fluid pressures, an electric motor or a control system.
purement mécanique.purely mechanical.
Ce principe n'est pas limité à une forme tronconique, mais s'appli- que aussi à d'autres formes, telles que celles représentées sur la This principle is not limited to a frustoconical shape, but also applies to other shapes, such as those represented on the
figure 6. Il s'agit ici d'une forme hémisphérique, le rotor 25 tour- Figure 6. This is a hemispherical shape, the rotor 25
nant dans le stator 26 autour de son axe 27 de symétrie. in the stator 26 about its axis 27 of symmetry.
On voit de cet exemple qu'il n'est pas absolument nécessaire de ré- This example shows that it is not absolutely necessary to re-
duire uniformément le jeu en question, et qu'il suffit d'agir sur ce jeu dans des zones o les fuites de gaz sont particulièrement uniformly the game in question, and that it is enough to act on this game in areas where gas leaks are particularly
importantes. Lorsqu'on envisage d'appliquer le principe du jeu va- important. When considering the application of the principle of gambling
riable à une pompe à palettes, il suffit en particulier de modifier le jeu dans la zone entre l'orifice d'aspiration et l'orifice de refoulement, car la différence de pression y est la plus élevée. IL In particular, it is sufficient to modify the clearance in the area between the suction port and the discharge port, since the pressure difference is the highest. HE
faut noter qu'il s'agit dans ce cas d'une paroi métallique déforma- note that this is a deformed metal wall
ble que l'on arque plus ou moins par une dépression modulée de vide 38. Le schéma de la figure 7 représente aussi un système de mesure du jeu par pont capacitif. La première électrode d'un condensateur dudit pont (non représenté) est le rotor 37, relié à la masse, et la The diagram of FIG. 7 also shows a system for measuring the capacitive bridge clearance. The first electrode of a capacitor of said bridge (not shown) is the rotor 37, connected to ground, and the
deuxième électrode 35 est dans un capteur fixé sur la paroi déforma- second electrode 35 is in a sensor fixed on the deformed wall
ble 36. On peut commander la valeur de ce jeu par une boucle d'as- 36. The value of this game can be controlled by a loop of
servissement en agissant sur un potentiomètre de consigne. serving by acting on a setpoint potentiometer.
La figure 8, enfin, montre une pompe à double vis ayant deux rotors 28 et 29 tournant autour de deux axes 30 et 31 parallèles. Le stator de cette pompe est divisé en une pluralité de zones, chacune ayant une cavité distincte telle que 32. De telles Finally, FIG. 8 shows a twin screw pump having two rotors 28 and 29 rotating about two parallel axes 30 and 31. The stator of this pump is divided into a plurality of zones, each having a distinct cavity such as 32. Such
cavités peuvent non seulement être prévues dans la partie cylindri- cavities can not only be provided in the cylindrical part
que du stator, mais également dans la partie frontale (cavités 33 et stator, but also in the frontal part (cavities 33 and
34). En soumettant ces différentes cavités à des pressions différen- 34). By subjecting these different cavities to different pressures
tes, on peut établir des jeux différents dans les différentes zones entre le stator et les deux rotors. On peut ainsi concevoir des pompes de caractéristiques très variables. Le même principe d'une subdivision en plusieurs zones déformables peut, bien sûr, être appliqué à d'autres pompes telles que celles des figures 2 à -6- you can establish different games in the different areas between the stator and the two rotors. It is thus possible to design pumps of very variable characteristics. The same principle of a subdivision into several deformable zones can, of course, be applied to other pumps such as those of FIGS.
4, pour tenir compte de la variation non-linéaire des débits massi- 4, to take into account the non-linear variation in mass flow rates
ques des fuites de gaz entre l'extrémité d'aspiration et l'extrémité gas leakage between the suction end and the end
de refoulement de la pompe.pump discharge.
L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisa- The invention is not limited to the examples of
tion esquissés ci-dessus. Au lieu de rendre variable la géométrie du stator, on peut aussi appliquer le même principe au rotor, ce qui outlined above. Instead of making the geometry of the stator variable, we can also apply the same principle to the rotor, which
est particulièrement intéressant dans le cas de deux rotors coopé- is particularly interesting in the case of two cooperating rotors.
rant dans un stator commun, car dans ce cas, la variation de la géométrie ne concerne pas seulement le jeu entre les rotors et le stator, mais aussi le jeu entre les deux rotors. L'invention n'est pas non plus limitée aux types de pompes mentionnés ci-dessus. Elle peut, au contraire, être appliquée à toute pompe dont le jeu entre rotor et stator est décisif pour le débit massique pompé. Tel est, par exemple, aussi le cas pour une pompe du type Roots ou pour une pompe du type à deux spirales excentrées tangentes, telle que In this case, the variation of the geometry does not only concern the clearance between the rotors and the stator, but also the clearance between the two rotors. The invention is also not limited to the types of pumps mentioned above. On the contrary, it can be applied to any pump whose clearance between the rotor and the stator is decisive for the pumped mass flow rate. This is, for example, also the case for a pump of the Roots type or for a pump of the type with two tangential eccentric spirals, such as
décrite dans le brevet Français 2 141 402. described in French Patent 2,141,402.
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Claims (6)
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Applications Claiming Priority (1)
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FR8911302A FR2651280A1 (en) | 1989-08-28 | 1989-08-28 | PRIMARY VACUUM PUMP. |
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Family Applications (1)
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