FR3134435A1 - Pompe à vide - Google Patents

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Emmanuel BEAUJON
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Abstract

Pompe à vide (200) turbomoléculaire comportant : - un stator (2) présentant une chambre de compression (3) dans laquelle les gaz à pomper sont destinés à circuler, - un rotor (4) configuré pour tourner dans la chambre de compression (3) du stator (2) pour entrainer le gaz à pomper entre un orifice d’aspiration (5) et un orifice de refoulement du stator (2), - un matériau aimanté (29) agencé dans le rotor (4) de manière à faire face à une surface (27) en matériau ferromagnétique du stator (2) à chaque rotation du rotor (4) afin que la rotation du rotor (4) entraine un échauffement de la surface (27) en matériau ferromagnétique par induction magnétique, caractérisée en ce que le matériau aimanté comporte des fibres ou nanofils comprenant du cobalt noyés dans un composite. Figure d’abrégé : Figure 8

Description

Pompe à vide
La présente invention concerne une pompe à vide, telle qu’une pompe à vide sèche ou une pompe à vide turbomoléculaire.
Les pompes à vide sèches ou turbomoléculaires peuvent être employées dans des procédés utilisant des chimies génératrices de sous-produits de réaction parfois solides. C’est le cas par exemple de certains procédés de fabrication de semi-conducteurs, d’écrans photovoltaïques, d’écrans plats ou de LED. Ces sous-produits solides peuvent être aspirés par la pompe à vide et altérer son fonctionnement, notamment en gênant la rotation du ou des rotors, voire en l’empêchant totalement dans le pire des cas.
Pour éviter cela, il est connu de chauffer le stator des pompes à vide à l’aide de pavés résistifs montés au contact du stator. Le chauffage du stator permet de maintenir les espèces gazeuses polluantes sous forme gazeuse et ainsi d’éviter leur condensation ou leur solidification en poudre ou en boues à l’intérieur de la pompe à vide.
La température du chauffage est cependant limitée, généralement autour de 110°C dans les pompes à vide sèches ou 120°C dans les pompes à vide turbomoléculaires, car une température trop élevée peut risquer de détériorer les parties mécaniques comme les roulements de la pompe à vide sèche ou entrainer le fluage du rotor de la pompe à vide turbomoléculaire.
Ce chauffage limité peut ne pas suffire à empêcher totalement les dépôts dans la pompe à vide.
Un des buts de la présente invention est de résoudre au moins un des inconvénients de l’état de la technique.
A cet effet, l’invention a pour objet une pompe à vide sèche comportant :
- un stator présentant au moins une chambre de compression dans laquelle les gaz à pomper sont destinés à circuler,
- deux rotors configurés pour tourner dans la au moins une chambre de compression du stator pour entrainer le gaz à pomper entre un orifice d’aspiration et un orifice de refoulement du stator,
caractérisée en ce que la pompe à vide comporte en outre au moins un aimant agencé dans au moins un rotor de manière à faire face à une surface en matériau ferromagnétique du stator à chaque rotation du au moins un rotor afin que la rotation du au moins un rotor entraine un échauffement de la surface en matériau ferromagnétique par induction magnétique.
On utilise le mouvement de rotation des rotors pour générer un chauffage additionnel du stator par induction magnétique. Le mouvement de rotation des aimants génèrent des courants de Foucault dans la surface en matériau ferromagnétique qui génèrent à leur tour de la chaleur par effet Joule. Les courants de Foucault sont des courants électriques créés par la variation du champ magnétique générée par la rotation des aimants. Cet échauffement peut permettre d’augmenter localement en surface la température du stator, par exemple de 5°C à 30°C, ce qui peut permettre de conserver les espèces gazeuses polluantes sous forme gazeuse. Le champ magnétique permettant d’obtenir cet échauffement est par exemple compris entre 0,3T et 1,5T. On obtient ainsi un chauffage localisé au niveau des zones internes de la pompe à vide propices aux dépôts, en surface, et sans contact du stator. Le chauffage localisé en surface permet de ne pas endommager les parties mécaniques qui ne pourraient pas être chauffées dans la masse au-delà de la température obtenue avec le chauffage classique du stator, comme les paliers, et permet de limiter les problèmes de dilatation thermique du stator.
La pompe à vide sèche peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques qui sont décrites ci-après, prises seules ou en combinaison.
Au moins un aimant s’étend par exemple axialement dans un élément rotorique du rotor avec une direction longitudinale parallèle à l’axe de rotation des rotors, sur une surface d’extrémité latérale de l’élément rotorique configurée pour balayer une surface latérale de la chambre de compression.
Au moins un aimant s’étend par exemple dans un élément rotorique du rotor avec une face perpendiculaire à l’axe de rotation des rotors, sur une surface d’extrémité transversale de l’élément rotorique configurée pour balayer une surface transversale de la chambre de compression.
La surface transversale est par exemple celle du fond de la chambre de compression du premier ou du dernier étage de pompage, la surface transversale étant interposée entre la chambre de compression et un support de roulements du stator.
La pompe à vide sèche comporte par exemple au moins un aimant par élément rotorique d’au moins une chambre de compression, au moins un aimant agencé sur une surface d’extrémité latérale de l’élément rotorique et/ou au moins un aimant agencé sur une surface d’extrémité transversale de l’élément rotorique.
La pompe à vide sèche peut comporter au moins deux aimants par élément rotorique ou par rotor, la polarité des aimants étant inversée dans l’épaisseur ou dans la longueur ou à chaque aimant adjacent ou à chaque élément rotorique adjacent.
La pompe à vide sèche est par exemple une pompe à vide primaire multiétagée. Une pompe à vide primaire est une pompe à vide volumétrique, qui est configurée pour, à l’aide des deux rotors, aspirer, transférer puis refouler le gaz à pomper à la pression atmosphérique. Selon un autre exemple, la pompe à vide est de type compresseur Roots et comprend un à trois étages de pompage. Les pompes à vide de type compresseur Roots sont montées en série et en amont d’une pompe à vide primaire.
La pompe à vide sèche, primaire ou compresseur Roots, peut comporter au moins trois étages de pompage agencés en série, le au moins un aimant étant agencé dans un élément rotorique configuré pour tourner dans le dernier et/ou l’avant dernier étage de pompage dans le sens de circulation des gaz.
Au moins un aimant peut être agencé dans un arbre du rotor pour échauffer une surface en matériau ferromagnétique d’un passage d’arbre du stator.
Le au moins un aimant est par exemple de type NdFeB ou terre rare. Selon un autre exemple, le au moins un aimant comporte une ferrite. La ferrite est peu couteuse mais présente l’inconvénient de générer un champ magnétique faible.
Le au moins un aimant peut être revêtu de nickel pour le protéger d’éventuelles agressions corrosives ou pour permettre son remplacement aisé par démontage.
De préférence, le au moins un aimant est agencé au plus proche de la surface du rotor ou affleure à la surface du rotor. Le au moins un aimant est par exemple fixé, par exemple par collage au corps du rotor, ou est reçu dans une cavité du corps du rotor.
Au moins une couche superficielle du stator présentant une surface en matériau ferromagnétique est par exemple réalisée en alliage de fer et de nickel, aussi appelé « mu-métal », tel qu’en fonte enrichie en nickel aussi appelée « Ni-resist ». En effet, la perméabilité magnétique des mu-métaux est supérieure à celle de la fonte. Les mu-métaux présentent aussi l’avantage de permettre la génération d’un effet Joule important. Le corps de stator peut être réalisé dans un premier matériau, tel qu’en fonte et présenter une couche superficielle en matériau ferromagnétique ou le stator peut être réalisé dans la masse en matériau ferromagnétique, tel qu’en alliage de fer et de nickel.
Au moins une surface en matériau ferromagnétique peut comporter un revêtement de nickel. Le revêtement nickel permet d’obtenir un échauffement plus important en surface. Cet échauffement augmente avec l’épaisseur du revêtement. On prévoit par exemple un revêtement dont l’épaisseur est comprise entre 20µm et 2cm notamment pour des rotors tournant entre 60 et 250Hz.
L’invention a aussi pour objet une pompe à vide turbomoléculaire comportant :
- un stator présentant une chambre de compression dans laquelle les gaz à pomper sont destinés à circuler,
- un rotor configuré pour tourner dans la chambre de compression du stator pour entrainer le gaz à pomper entre un orifice d’aspiration et un orifice de refoulement du stator,
caractérisée en ce que la pompe à vide comporte en outre au moins un aimant agencé dans le stator de manière à faire face à une surface en matériau ferromagnétique du rotor à chaque rotation du rotor afin que la rotation du rotor entraine un échauffement de la surface en matériau ferromagnétique par induction magnétique.
On utilise le mouvement de rotation du rotor pour générer un chauffage additionnel du rotor par induction magnétique. Le mouvement de rotation du rotor face à(aux) l’aimant(s) génère des courants de Foucault dans la surface en matériau ferromagnétique qui génèrent à leur tour de la chaleur par effet Joule. Les courants de Foucault sont des courants électriques créés par la rotation du rotor dans le champ magnétique des aimants du stator. Cet échauffement peut permettre d’augmenter localement en surface la température du rotor, par exemple de 5°C à 30°C, ce qui permet de conserver les espèces gazeuses polluantes sous forme gazeuse. Le champ magnétique permettant d’obtenir cet échauffement est par exemple compris entre 0,3T et 1,5T. On obtient ainsi un chauffage localisé au niveau des zones internes de la pompe à vide propices aux dépôts, en surface, et sans contact du rotor. Le chauffage localisé et en surface permet de ne pas endommager le rotor en évitant de le chauffer intégralement dans la masse et permet de limiter les problèmes de dilatation thermique du stator.
La pompe à vide turbomoléculaire peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques qui sont décrites ci-après, prises seules ou en combinaison.
La pompe à vide turbomoléculaire peut comporter une pluralité d’aimants agencés dans le stator dans une zone située face à la surface en matériau ferromagnétique du rotor, la polarité des aimants adjacents étant inversée dans l’épaisseur ou dans la longueur ou à chaque aimant adjacent.
Le rotor peut présenter une jupe Holweck portant la surface en matériau ferromagnétique.
Le au moins un aimant est par exemple agencé dans un étage moléculaire de la pompe à vide, dans une zone du stator entourant la jupe Holweck ou située sous la jupe Holweck.
Comme précédemment, le au moins un aimant est par exemple de type NdFeB ou terre rare ou ferrite. Il peut être revêtu de nickel pour le protéger d’éventuelles agressions corrosives ou pour permettre son remplacement aisé par démontage. De préférence, le au moins un aimant est agencé au plus proche de la surface du stator ou affleure à la surface du stator. Le au moins un aimant est par exemple fixé, par exemple par collage au stator, ou est reçu dans une cavité du stator.
Au moins une partie du rotor présentant une surface en matériau ferromagnétique est par exemple réalisée en fer ou en nickel ou en cobalt.
Le rotor peut être réalisé d’une seule pièce en matériau ferromagnétique.
L’invention a aussi pour objet une pompe à vide turbomoléculaire comportant :
- un stator présentant une chambre de compression dans laquelle les gaz à pomper sont destinés à circuler,
- un rotor configuré pour tourner dans la chambre de compression du stator pour entrainer le gaz à pomper entre un orifice d’aspiration et un orifice de refoulement du stator,
caractérisée en ce que la pompe à vide comporte en outre un matériau aimanté agencé dans le rotor de manière à faire face à une surface en matériau ferromagnétique du stator à chaque rotation du rotor afin que la rotation du rotor entraine un échauffement de la surface en matériau ferromagnétique par induction magnétique.
Le matériau aimanté comporte par exemple des fibres comprenant du cobalt ou ou nanofils comprenant du cobalt noyés dans un composite.
Le rotor présente par exemple une jupe Holweck, le matériau aimanté étant agencé dans la jupe Holweck.
Par ailleurs, dans tous les modes de réalisation précédemment décrits des pompes à vide sèches ou turbomoléculaires, au moins une surface en matériau ferromagnétique du rotor peut comporter un revêtement de nickel.
Présentation des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels:
La montre une vue schématique d’éléments en perspective d’une pompe à vide sèche.
La montre une vue schématique en coupe et de côté d’un exemple de stator de la pompe à vide sèche de la avec un rotor schématisé en pointillés.
La montre une vue en perspective d’un exemple d’un élément rotorique d’un rotor de la pompe à vide sèche de la .
La montre une vue en perspective d’un autre exemple d’un élément rotorique d’un rotor de la pompe à vide sèche de la .
La montre une vue de face et de dessus d’un autre exemple d’un élément rotorique d’un rotor de la pompe à vide sèche de la .
La montre une vue de face et de dessus d’un autre exemple d’un élément rotorique d’un rotor de la pompe à vide sèche de la .
La montre une vue de face et de dessus d’un autre exemple d’élément rotorique d’un rotor de la pompe à vide sèche de la .
La montre une vue de face et de dessus d’un autre exemple d’élément rotorique d’un rotor de la pompe à vide sèche de la .
La est une représentation schématique d’une portion de stator vue en coupe au niveau d’une surface en matériau ferromagnétique.
La est une représentation schématique de deux rotors dans une chambre de compression d’une pompe à vide sèche selon une variante de réalisation.
La montre une vue schématique en coupe d’un premier exemple de réalisation pour une pompe à vide turbomoléculaire.
La montre une vue schématique en coupe d’un deuxième exemple de réalisation pour une pompe à vide turbomoléculaire.
Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d'autres réalisations.
On entend par « en amont », un élément qui est placé avant un autre par rapport à la direction de circulation des gaz à pomper. A contrario, on entend par « en aval », un élément placé après un autre par rapport à la direction de circulation du gaz à pomper.
On définit la direction axiale comme la direction longitudinale de la pompe à vide dans laquelle s’étend l’(les) axe(s) de rotation du(des) rotor(s).
Les Figures 1 et 2 illustrent un premier exemple de pompe à vide 1.
La pompe à vide 1 est une pompe à vide sèche.
La pompe à vide 1 sèche comporte un stator 2 présentant au moins une chambre de compression 3 dans laquelle circule les gaz à pomper et deux rotors 4 configurés pour tourner dans la au moins une chambre de compression 3 du stator 2 pour entrainer le gaz à pomper entre un orifice d’aspiration 5 et un orifice de refoulement du stator 2 (flèches G sur la ).
Dans ce premier exemple, les rotors 4 sont configurés pour tourner de façon synchronisée en sens inverse dans la au moins une chambre de compression 3 du stator 2 pour entrainer le gaz à pomper G. Les rotors 4 présentent des éléments rotoriques 6 respectifs, notamment au moins deux éléments rotoriques 6 par rotor 4 dans chaque chambre de compression 3. Les éléments rotoriques 6 sont par exemple des lobes de profils identiques, tels que de type « Roots ». Chaque rotor 4 comporte par exemple deux éléments rotoriques 6 par chambre de compression 3, comme sur les schémas (section transversale en forme de « huit » ou de « haricot ») ou plus (trilobes, tétralobes (voir ) ou pentalobes) ou sont de type « Claw » ou d’un autre principe similaire de pompe à vide volumétrique.
Les arbres 7 des rotors 4 sont entrainés par un moteur d’une partie de motorisation de la pompe à vide 1 (non représentée), située à une extrémité de la pompe à vide 1, du côté de l’orifice de refoulement ou de l’orifice d’aspiration 5.
La pompe à vide 1 sèche est par exemple une pompe à vide primaire multiétagée. Une pompe à vide primaire est une pompe à vide volumétrique, qui est configurée pour, à l’aide des deux rotors 4, aspirer, transférer puis refouler le gaz à pomper à la pression atmosphérique. Selon un autre exemple, la pompe à vide 1 est de type compresseur Roots et comprend un à trois étages de pompage. Les pompes à vide de type compresseur Roots sont montées en série et en amont d’une pompe à vide primaire.
Dans l’exemple illustratif, la pompe à vide 1 comporte au moins deux étages de pompage, tel qu’entre deux et huit étages de pompage, ici cinq T1-T5. Chaque étage de pompage T1-T5 du stator 2 est formé par une chambre de compression 3 recevant deux rotors 4 conjugués, les chambres de compression 3 comprenant une entrée et une sortie respectives. Les étages de pompage successifs T1-T5 sont raccordés en série les uns à la suite des autres par des canaux inter-étages 8 respectifs raccordant la sortie (ou le refoulement) de l'étage de pompage qui précède à l'entrée (ou l’aspiration) de l'étage qui suit ( ). Lors de la rotation, le gaz aspiré depuis l’entrée est emprisonné dans le volume engendré par les rotors 4 et le stator 2, puis est entraîné par les rotors 4 vers l’étage suivant.
L’entrée du premier étage de pompage T1 communique avec l’orifice d’aspiration 5 de la pompe à vide 1. La sortie du dernier étage de pompage T5 communique avec l’orifice de refoulement. Les dimensions axiales des éléments rotoriques 6 et des chambres de compression 3 sont par exemple égales ou décroissantes avec l’ordre d’agencement des étages de pompage T1-T5 dans la direction de pompage des gaz, l’étage de pompage T1 situé du côté de l’orifice d’aspiration 5 recevant les éléments rotoriques 6 de plus grande dimension axiale.
La pompe à vide 1 est notamment dite « sèche » car en fonctionnement, les rotors 4 tournent à l’intérieur du stator 2 sans aucun contact mécanique entre eux ou avec le stator 2, ce qui permet de ne pas utiliser d’huile dans les étages de pompage T1-T5.
La pompe à vide 1 comporte en outre au moins un aimant 9 agencé dans au moins un rotor 4 de manière à faire face à une surface 10, 12, 16 en matériau ferromagnétique du stator 2 à chaque rotation du au moins un rotor 4 afin que la rotation du au moins un rotor 4 entraine un échauffement de la surface 10, 12, 16 en matériau ferromagnétique par induction magnétique.
On utilise le mouvement de rotation des rotors 4 pour générer un chauffage additionnel du stator 2 par induction magnétique. Le mouvement de rotation des aimants 9 génèrent des courants de Foucault dans la surface 10, 12, 16 en matériau ferromagnétique qui génèrent à leur tour de la chaleur par effet Joule. Les courants de Foucault sont des courants électriques créés par la variation du champ magnétique générée par la rotation des aimants. Cet échauffement peut permettre d’augmenter localement en surface la température du stator 2, par exemple de 5°C à 30°C, ce qui peut permettre de conserver les espèces gazeuses polluantes sous forme gazeuse. On obtient ainsi un chauffage localisé au niveau des zones internes de la pompe à vide 1 propices aux dépôts, en surface, et sans contact du stator 2. Le chauffage localisé en surface permet de ne pas endommager les parties mécaniques qui ne pourraient pas être chauffées dans la masse au-delà de la température obtenue avec le chauffage classique du stator 2, comme les paliers, et permet de limiter les problèmes de dilatation thermique du stator 2.
Le au moins un aimant 9 présente par exemple une forme de barrette (allongée et parallélépipèdique) ou de plaque, par exemple inférieure à trois millimètres.
Selon un exemple de réalisation, et comme représenté sur les figures 3a, 3b, 3c et 3d, au moins un aimant 9 s’étend axialement dans un élément rotorique 6 du rotor 4, avec une direction longitudinale parallèle à l’axe de rotation I des rotors 4. Le au moins un aimant 9 s’étend sur une surface d’extrémité latérale 6a de l’élément rotorique 6 configurée pour balayer (sans contact) une surface 10 latérale de la chambre de compression 3, afin d’échauffer la surface 10 latérale de la chambre de compression 3 du stator 2.
Dans l’exemple illustratif, la surface 10 latérale de la chambre de compression 3 est une surface cylindrique, la forme de la chambre de compression 3 s’inscrivant dans deux cavités cylindriques parallèles et parallèles à la direction axiale, les cavités cylindriques se chevauchant transversalement (figures 1 et 2). Le au moins un aimant 9 agencé sur une surface d’extrémité latérale 6a (sur le « dos » de l’élément rotorique 6) permet ainsi un chauffage « radial » de la chambre de compression 3.
La pompe à vide 1 comporte par exemple au moins un aimant 9 par élément rotorique 6 dans au moins une chambre de compression 3. Il y a par exemple un seul aimant 9 par surface d’extrémité latérale 6a d’élément rotorique 6 et celui-ci couvre par exemple la surface d’extrémité latérale 6a ( ) ou il y a plusieurs aimants 9 dans cette même surface 6a, par exemple deux (figures 3a, 3b, 3d).
Selon un autre exemple de réalisation, et comme représenté sur les figures 4a et 4b, au moins un aimant 9 s’étend dans un élément rotorique 6 du rotor 4, avec une face principale perpendiculaire à l’axe de rotation I des rotors 4 (figures 4a, 4b), par exemple radialement ( ). Le au moins un aimant 9 s’étend sur une surface d’extrémité transversale 6b de l’élément rotorique 6 configurée pour balayer (sans contact) une surface 12 transversale de la chambre de compression 3, pour échauffer la surface 12 transversale de la chambre de compression 3 du stator 2.
Dans l’exemple illustratif, la surface 12 transversale de la chambre de compression 3 est une surface plane, comme celle de la surface d’extrémité transversale 6b, perpendiculaire à l’axe de rotation I des rotors 4. Le au moins un aimant 9 agencé sur une surface d’extrémité transversale 6b (sur une face de l’élément rotorique 6) permet ainsi un chauffage « axial » de la chambre de compression 3.
La pompe à vide 1 comporte par exemple au moins un aimant 9 par élément rotorique 6 dans au moins une chambre de compression 3. Il y a par exemple un seul aimant 9 par surface d’extrémité transversale 6b d’élément rotorique 6 ( ) ou il y a plusieurs aimants 9 dans cette même surface 6b, par exemple deux ( ).
Il y a par exemple un ou plusieurs aimants 9 sur les deux surfaces d’extrémité transversale 6b de chaque élément rotorique 6 ( ).
Il y a par exemple au moins un aimant 9 dans au moins une surface d’extrémité transversale 6b et au moins un aimant 9 dans une surface d’extrémité latérale 6a.
La surface 12 transversale de la chambre de compression 3 est par exemple celle du fond de la chambre de compression 3 du premier ou du dernier étage de pompage T1 ou T5, la surface 12 transversale étant interposée entre la chambre de compression 3 et un support 13 de roulements 14 du stator 2 ( ). On peut ainsi chauffer de manière très locale la surface 12 transversale du fond de chambre de compression 3 du dernier ou premier étage de pompage T5 sans risquer d’endommager les roulements 14.
Lorsque la pompe à vide 1 comporte plus d’un aimant 9 par rotor 4, il est avantageux d’inverser la polarité des aimants 9 adjacents pour optimiser la génération des courants de Foucault. Les inversions de polarité peuvent être réalisées dans l’épaisseur ( ) ou dans la longueur, c’est-à-dire dans la direction axiale ( ) ou transversalement, c’est-à-dire perpendiculairement à la direction axiale (figures 3c, 3d, 4a et 4b) ou à chaque aimant adjacent ( , 4b) ou à chaque élément rotorique 6 adjacent comme on le verra plus loin.
Plus précisément, sur la où les inversions de polarité sont réalisées dans l’épaisseur, chaque élément rotorique 6 reçu dans une même chambre de compression 3 est pourvu de deux aimants 9, un aimant 9 dont la surface en vis-à-vis de la surface 10 en matériau ferromagnétique est polarisée « sud » et un autre aimant 9 dont la surface en vis-à-vis de la surface 10 en matériau magnétique est polarisée « nord ».
Dans le cas de la où les inversions de polarité sont réalisées dans la longueur, chaque élément rotorique 6 reçu dans une même chambre de compression 3 est pourvu de deux aimants 9, un aimant 9 dont la surface en vis-à-vis de la surface 10 en matériau ferromagnétique est polarisée « sud » à une première extrémité axiale de l’élément rotorique 6 et « nord » à une deuxième extrémité axiale, et un autre aimant 9 dont la surface en vis-à-vis de la surface 10 en matériau ferromagnétique est polarisée « nord » à la première extrémité axiale de l’élément rotorique 6 et « sud » à la deuxième extrémité axiale.
Dans le cas d’une pompe à vide 1 multiétagée, la pompe à vide 1 comportant au moins trois étages de pompage T1-T5, on peut ne pas pourvoir tous les éléments rotoriques 6 d’aimants. Ce sont par exemple les éléments rotoriques 6 configurés pour tourner dans le dernier et/ou l’avant dernier étage de pompage T4, T5 dans le sens de circulation des gaz, qui sont pourvus d’aimants 9 ( ). En effet, ce sont les étages de pompage où les pressions, et donc les risques de dépôts, sont les plus élevées.
Selon un autre exemple de réalisation également visible sur la , au moins un aimant 9 est agencé dans l’arbre 7 du rotor 4, par exemple entre deux chambres de compression 3 dans le cas d’une pompe à vide multiétagée 1, pour échauffer la surface 16 d’un passage d’arbre du stator 2.
Le au moins un aimant 9 est par exemple de type NdFeB ou terre rare. Selon un autre exemple, le au moins un aimant comporte une ferrite. La ferrite est peu couteuse mais présente l’inconvénient de générer un champ magnétique faible.
Le au moins un aimant 9 peut être revêtu de nickel pour le protéger d’éventuelles agressions corrosives ou pour permettre son remplacement aisé par démontage. De préférence, le au moins un aimant 9 est agencé au plus proche de la surface du rotor 4 ou affleure à la surface du rotor 4. Le au moins un aimant 9 est par exemple fixé, par exemple par collage au corps du rotor 4, ou est reçu dans une cavité du corps du rotor 4.
Le corps 2a de stator 2 est par exemple réalisé en fonte.
Au moins une couche superficielle 2b du stator 2 présentant une surface 10 en matériau ferromagnétique est par exemple réalisée en alliage de fer et de nickel, aussi appelé « mu-métal », tel qu’en fonte enrichie en nickel aussi appelée « Ni-resist » ( ). En effet, la perméabilité magnétique des mu-métaux est supérieure à celle de la fonte. Les mu-métaux présentent aussi l’avantage de permettre la génération d’un effet Joule important. Le corps 2a de stator 2 peut être réalisé dans un premier matériau, tel qu’en fonte et présenter une couche superficielle 2b en matériau ferromagnétique ou le stator 2 (corps 2a et couche superficielle 2b) peut être réalisé dans la masse en matériau ferromagnétique, tel qu’en alliage de fer et de nickel.
Par ailleurs, au moins une surface 10 en matériau ferromagnétique du stator 2 peut comporter un revêtement 28 de nickel. Le revêtement 28 nickel permet d’obtenir un échauffement plus important en surface. Cet échauffement augmente avec l’épaisseur du revêtement 28. On prévoit par exemple un revêtement 28 dont l’épaisseur est comprise entre 20µm et 2cm notamment pour des rotors 4 tournant entre 60 et 250Hz.
Ainsi, selon un exemple de réalisation de la surface 10 en matériau ferromagnétique illustré sur la , le corps 2a de stator 2 est réalisé en fonte, une couche superficielle 2b du stator 2 est réalisée en alliage de fer et de nickel et présente un revêtement 28 de nickel.
Le stator 2 est par exemple composé d’éléments de stator assemblés entre eux et seul l’élément de stator portant la surface 10 en matériau ferromagnétique peut présenter une couche superficielle 2b en mu-métal revêtu de nickel afin de limiter les coûts.
Bien que les figures 1 à 4b illustrent un exemple de rotor 4 de type bilobes, pour lequel le rotor 4 comporte deux éléments rotoriques 6 décalés de 180° par chambre de compression 3, d’autres réalisations sont bien sûr envisageables.
La montre un autre exemple pour lequel le rotor 4 est de type tétralobes, c’est-à-dire comportant quatre éléments rotoriques 6 décalés de 90° par chambre de compression 3, et où chaque élément rotorique 6 est pourvu d’un seul aimant 9. On peut prévoir, pour optimiser la génération de courants que la polarité des aimants 9 soit inversée à chaque élément rotorique 6 adjacent comme représenté sur la dans le cas de rotors 4 présentant un nombre pair d’éléments rotoriques 6.
La illustre un deuxième exemple de pompe à vide 100.
La pompe à vide 100 est une pompe à vide turbomoléculaire.
Elle comporte un stator 2 présentant une chambre de compression 3 dans laquelle les gaz à pomper sont destinés à circuler et un rotor 4 configuré pour tourner dans la chambre de compression 3 du stator 2 pour entrainer le gaz à pomper entre un orifice d’aspiration 5 et un orifice de refoulement 17 du stator 2 (flèches G sur la ).
Selon un exemple de réalisation, la pompe à vide 100 comporte un étage turbomoléculaire 18 et un étage moléculaire 19 situé en aval de l’étage turbomoléculaire 18 dans la direction d’écoulement des gaz. Les gaz pompés entrent par l’orifice d’aspiration 5, traversent d’abord l’étage turbomoléculaire 18, puis l’étage moléculaire 19, puis le refoulement, pour être ensuite évacués par l’orifice de refoulement 17 de la pompe à vide 100. En fonctionnement, l’orifice de refoulement 17 est raccordé à une pompe à vide primaire.
Dans l’étage turbomoléculaire 18, le rotor 4 comporte au moins deux étages de pales 20 et le stator 2 comporte au moins un étage d’ailettes 21. Les étages de pales 20 et d’ailettes 21 se succèdent axialement le long de l’axe de rotation I du rotor 4 dans l’étage turbomoléculaire 18. Le rotor 4 comporte par exemple plus de quatre étages de pales 20, comme par exemple entre quatre et huit étages de pales 20 (six dans l’exemple illustré sur la ).
Chaque étage de pales 20 du rotor 4 comporte des pales inclinées qui partent en direction sensiblement radiale d’un moyeu du rotor 4 fixé à un arbre 7 de la pompe à vide 100 turbomoléculaire. Les pales 20 sont réparties régulièrement en périphérie du moyeu.
Chaque étage d’ailettes 21 du stator 2 comporte une couronne de laquelle partent, en direction sensiblement radiale, des ailettes inclinées, réparties régulièrement sur le pourtour intérieur de la couronne. Les ailettes d’un étage d’ailettes 21 du stator 2 viennent s’engager entre les pales de deux étages de pales 20 du rotor 4 successifs. Les pales du rotor 4 et les ailettes du stator 2 sont inclinées pour guider les molécules de gaz pompés vers l’étage moléculaire 19.
Selon un exemple de réalisation, le rotor 4 comporte une jupe Holweck 22 dans l’étage moléculaire 19, formée par un cylindre lisse, qui tourne en regard de rainures hélicoïdales du stator 2. Les rainures hélicoïdales permettent de comprimer et guider les gaz pompés vers le refoulement.
Le rotor 4 est fixé à un arbre 7 configuré pour être entraîné en rotation à grande vitesse en rotation axiale dans le stator 2, par exemple une rotation à plus de vingt mille tours par minute, au moyen d’un moteur 23 de la pompe à vide 100 turbomoléculaire. Le moteur 23 est par exemple agencé sous une cloche du stator 2, elle-même agencée sous la jupe Holweck 22 du rotor 4. Le rotor 4 est guidé latéralement et axialement par des paliers 24 magnétiques ou mécaniques. La pompe à vide 100 peut également comporter des roulements de secours 25.
La pompe à vide 100 comporte en outre au moins un aimant 9 agencé dans le stator 2 de manière à faire face à une surface 27 en matériau ferromagnétique du rotor 4 à chaque rotation du rotor 4 afin que la rotation du rotor 4 entraine un échauffement de la surface 27 en matériau ferromagnétique par induction magnétique.
On utilise le mouvement de rotation du rotor 4 pour générer un chauffage additionnel du rotor 4 par induction magnétique. Le mouvement de rotation du rotor 4 face à(aux) l’aimant(s) 9 génère des courants de Foucault dans la surface 27 en matériau ferromagnétique qui génèrent à leur tour de la chaleur par effet Joule. Les courants de Foucault sont des courants électriques créés par la rotation du rotor 4 dans le champ magnétique des aimants 9 du stator 2. Cet échauffement peut permettre d’augmenter localement en surface la température du rotor 4, par exemple de 5°C à 30°C, ce qui permet de conserver les espèces gazeuses polluantes sous forme gazeuse. On obtient ainsi un chauffage localisé au niveau des zones internes de la pompe à vide 1 propices aux dépôts, en surface, et sans contact du rotor 4. Le chauffage localisé et en surface permet de ne pas endommager le rotor 4 en évitant de le chauffer intégralement dans la masse et permet de limiter les problèmes de dilatation thermique du stator 2.
Le au moins un aimant 9 est par exemple agencé dans l’étage moléculaire 19 de la pompe à vide 100, dans une zone du stator 2 entourant le rotor 4, comme par exemple entourant la jupe Holweck 22 ou comme représenté sur la , située sous la jupe Holweck 22. La surface 27 en matériau ferromagnétique est par exemple la jupe Holweck 22.
La pompe à vide 100 comporte par exemple une pluralité d’aimants 9, par exemple régulièrement répartis, la polarité des aimants 9 adjacents étant inversée dans l’épaisseur ou dans la longueur ou entre aimants adjacents.
Comme précédemment, le au moins un aimant 9 est par exemple de type NdFeB ou terre rare ou ferrite. Il peut être revêtu de nickel pour le protéger d’éventuelles agressions corrosives ou pour permettre son remplacement aisé par démontage. De préférence, le au moins un aimant 9 est agencé au plus proche de la surface du stator 2 ou affleure à la surface du stator 2. Le au moins un aimant 9 est par exemple fixé, par exemple par collage au stator 4, ou est reçu dans une cavité du stator 4.
Au moins une partie du rotor 4 présentant une surface 27 en matériau ferromagnétique est par exemple réalisée en fer ou en nickel ou en cobalt.
Le rotor 4 peut être réalisé d’une seule pièce en matériau ferromagnétique.
Par ailleurs, au moins une surface 27 en matériau ferromagnétique du rotor 4 peut comporter un revêtement 28 de nickel.
La illustre un autre exemple de pompe à vide 200 turbomoléculaire.
Cette pompe à vide 200 diffère de la précédente par le fait qu’ici, un matériau magnétique 29 est agencé dans le rotor 4 de manière à faire face à une surface 27 en matériau ferromagnétique du stator 2 à chaque rotation du rotor 4 afin que la rotation du rotor 4 entraine un échauffement de la surface 27 en matériau ferromagnétique par induction magnétique.
Le matériau magnétique 29 est par exemple agencé dans la jupe Holweck 22 du rotor 4. La surface 27 en matériau ferromagnétique est la surface du stator 2 en regard de la jupe Holweck 22.
Pour cela par exemple, le matériau aimanté comporte des fibres ou nanofils comprenant du cobalt, comme du cobalt ou comme AlNiCo, noyés dans un composite. On peut ainsi atteindre des champs de 0,6T pour les vitesses de rotation du rotor 4 dans la pompe à vide 200 turbomoléculaire.
Les nanofils de cobalt peuvent être obtenus en milieu polyol, par exemple par voie thermique conventionnelle ou par micro-ondes. L’alignement des nanofils de cobalt est obtenu par séchage sous un champ magnétique très élevé (quelques T).
Les nanofils ou fibres comprenant du cobalt peuvent être noyés dans un composite polymère, tel que PI (polyimide) ou PPS (Polysulfure de phénylène) ou PEI (polyétherimide) ou PEEK (polyetheretherketone). Des additifs comme des fibres de verre peuvent être incorporés dans le composite pour améliorer la résistance mécanique.
L’orientation initiale des fibres ou nanofils donne la polarité. La polarité est par exemple régulièrement inversée pour obtenir l’alternance des champs magnétique nord et sud sur la périphérie de la jupe Holweck 22.
Le rotor 4 peut être réalisé d’une seule pièce et seule la jupe Holweck 22 est par exemple magnétisée. Par ailleurs, au moins une surface 27 en matériau ferromagnétique du rotor 4 peut comporter un revêtement 28 de nickel.
Au moins une partie du stator 2 présentant une surface 27 en matériau ferromagnétique est par exemple réalisée en fer ou en nickel ou en cobalt.

Claims (3)

  1. Pompe à vide (200) turbomoléculaire comportant :
    - un stator (2) présentant une chambre de compression (3) dans laquelle les gaz à pomper sont destinés à circuler,
    - un rotor (4) configuré pour tourner dans la chambre de compression (3) du stator (2) pour entrainer le gaz à pomper entre un orifice d’aspiration (5) et un orifice de refoulement du stator (2),
    - un matériau aimanté (29) agencé dans le rotor (4) de manière à faire face à une surface (27) en matériau ferromagnétique du stator (2) à chaque rotation du rotor (4) afin que la rotation du rotor (4) entraine un échauffement de la surface (27) en matériau ferromagnétique par induction magnétique,
    caractérisée en ce que le matériau aimanté comporte des fibres ou nanofils comprenant du cobalt noyés dans un composite.
  2. Pompe à vide (200) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rotor (4) présente une jupe Holweck (22), le matériau aimanté (29) étant agencé dans la jupe Holweck (22).
  3. Pompe à vide (200) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’au moins une surface (10, 12, 16, 27) en matériau ferromagnétique comporte un revêtement (28) de nickel.
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